0 引言
鄂尔多斯盆地庆城地区天然气勘探开发目标长期以来主要以盒8段、山1段致密砂岩为主［1］，下古生界碳酸盐岩风化壳气藏次之。太原组含铝岩系普遍发育，被认为是风化壳气藏的良好区域盖层［2］。但统计显示庆城地区钻遇铝土岩共170口，其中50%以上井具有气显示，资源潜力较大。完试19口井中产量大于4×104 m3/d的气井有5口，证实了铝土岩气藏具备高产条件。铝土岩储层孔隙类型主要以溶蚀孔为主，孔隙度为0.2%~28.7%，渗透率为（0.004~38.5）×10-3 μm2，物性条件好［3-4］。顶部太原组、山2组连片分布煤层，形成了“上生下储”的岩性圈闭条件［3］。但铝土岩气藏勘探程度低，受负向古地貌单元控制，具有局部富集，储层薄且变化快的特点，为进一步扩大勘探成果，亟需开展铝土岩地震预测技术研究，为落实铝土岩含气富集区提供地震技术保障。
地震反演可以定量预测储层空间展布，是储层预测的关键技术［17］。常规叠后反演，可直接使用测井数据，方便快捷，但往往损失了AVO包含的有效信息［18］。1985年SHUEY［19］提出近似式，由此可通过叠前地震数据得到多种指示流体的AVO属性，1999年CONNOLLY［20］首次提出弹性波阻抗的概念，2005年HAMPSON等［21］提出了稳定性更强的叠前同时反演。叠前反演以Zoeppritz方程为基础，采用不同算法得到定量表征目的层岩性、流体的多种弹性参数。近年来，为满足面向薄储层预测的需求，叠前反演向地质统计学反演方向发展。2017年赵海波等［22］，2020年郭同翠等［23］，2023年林利明等［24］在岩石物理分析的基础上，优化反演参数的方法降低了叠前地质统计学的不确定性，较好地解决了致密砂岩、页岩、灰岩等薄储层预测的难题，但目前关于地震叠前高分辨率反演方法预测薄层铝土岩的相关研究仍为空白。
本文将在岩心测试和测井交会分析的基础上明确铝土岩岩性和含气性敏感参数，充分结合铝土岩气藏的地质规律，通过叠前地质统计学反演方法预测薄层铝土岩，确定有利区，研究成果有效指导了首口水平井部署和实施。
1 岩石物理分析
1.1 铝土岩岩性分析
太原组含铝岩系普遍发育，但并不是所有的含铝岩系都能成为良好的储层，铝土质泥岩往往非常的致密，因此如何利用地震手段区分出优质铝土岩与铝土质泥岩对该类气藏尤为重要。为掌握含铝岩系在复杂应力状态下的变形特性和岩石的强度特性，优选出该区普遍发育的铝土岩、含泥铝土岩、铝土质泥岩3种岩性，在模拟地层温度、围压的条件下，采用动态和静态联合测试的方法，进行岩心测试（表1，表2，图1）。结果表明：①静态模量（岩石力学测试）和动态模量（超声波测试）具有较好的相关性，因此可以延伸到地震范畴，实现井震联合的泊松比、剪切阻抗、脆性指数等弹性参数预测；②铝土岩岩性越纯，纵波速度、横波速度、剪切阻抗、脆性指数越高，因此可以采用纵横波速度、剪切阻抗、脆性指数进行铝土岩岩性识别；③铝土岩储层岩石脆性大，重矿物含量越高岩石越脆，可为井轨迹设计和压裂提供依据，可作为工程甜点的重要参数之一。
表1 岩心动态测试弹性参数结果Table 1 Elastic parameter results of core dynamic test |
| 岩心 编号 | 岩性 | 一水铝石含量 /% | 黏土含量 /% | 密度 /（g/cm3） | 纵波速度 /（m/s） | 横波速度 /（m/s） | 泊松比 | 剪切阻抗 /107［（m/s）·（g/cm3）］2 | 脆性指数 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 铝土岩 | 95.40 | 1.40 | 2.56 | 6 552.79 | 3 698.56 | 0.27 | 8.86 | 82.89 |
| 2 | 含泥铝土岩 | 85.70 | 10.80 | 2.53 | 5 593.50 | 3 129.87 | 0.27 | 6.31 | 63.49 |
| 3 | 铝土质泥岩 | 39.00 | 53.50 | 2.49 | 4 614.28 | 2 550.27 | 0.28 | 5.00 | 46.42 |
表2 岩心静态测试弹性参数结果Table 2 Elastic parameter results of core static test |
| 岩心 编号 | 岩性 | 一水铝石含量 /% | 黏土含量 /% | 静态纵波速度 /（m/s） | 静态横波速度 /（m/s） | 静态 泊松比 | 静态剪切阻抗 /107［（m/s）·（g/cm3）］2 | 静态脆性 指数 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 铝土岩 | 95.40 | 1.40 | 2 706.10 | 1 764.76 | 0.13 | 18.00 | 59.71 |
| 2 | 含泥铝土岩 | 85.70 | 10.80 | 2 180.01 | 1 443.10 | 0.11 | 11.70 | 59.21 |
| 3 | 铝土质泥岩 | 39.00 | 53.50 | 1 401.06 | 857.97 | 0.20 | 5.30 | 36.64 |
由测试结果可知纵波速度、横波速度、剪切阻抗、脆性指数均可用于铝土岩岩性识别，为了定量指示出各项弹性参数对铝土岩和铝土质泥岩的区分程度，提出岩性纯度敏感因子R，定义计算公式如下：
R=|(V 1-V 2)/V 1|×100
式中：R为铝土岩岩性敏感因子；V 1为1号铝土岩岩心的弹性参数；V 2为与之对应的3号铝土质泥岩的弹性参数。R越大表明该弹性参数越能区分铝土岩和铝土质泥岩。如图1所示，计算出密度与拉梅系数的乘积拉梅阻抗、密度与剪切模量的乘积剪切阻抗等14种弹性参数的R值，其结果表明：尽管静态与动态弹性参数敏感因子有差异，但是总体结果显示剪切阻抗对岩性具有较好的敏感性。
此外，利用研究区内5口实测横波井进行交会（图2）分析可知：①铝土岩纵波阻抗大于14 000 （m/s）·（g/cm3）、剪切阻抗大于7.7×107 ［（m/s）·（g/cm3）］2，这2种参数均可识别岩性；②对比分析发现：纵波阻抗识别岩性时铝土岩与铝土质泥岩的叠置区更多，指示出剪切阻抗更能区分出岩性较纯的铝土岩储层，该结论与岩性敏感因子评价结果一致。因此，后续将采用剪切阻抗作为地震预测铝土岩岩性的目标参数。
1.2 含气性分析
图3 铝土岩变饱和度测量泊松比结果Fig.3 Measurement results of Poisson's ratio of bauxite with increasing gas saturation |
图4 太原组纵波阻抗与泊松比交会图Fig.4 The crossplot of P-wave impedance and Poisson's ratio of Taiyuan Formation |
1.3 横波预测
2 储层预测方法
2.1 叠前地质统计学反演方法原理
铝土岩岩性和储层含气性的敏感参数分别为剪切阻抗和泊松比，决定了储层预测方法需要选择叠前反演。叠前地质统计学反演融合了叠前反演和随机数值模拟，突破了确定性反演纵向1/4 λ的分辨率极限，可获得信息丰富的弹性参数，已成为目前应用最广泛的高分辨率储层预测技术之一。该反演问题可视为一种贝叶斯参数估计的问题，在Zeoppritz公式为核心的基础上，通过加入地质统计的先验信息，使用Metropolis-Hastings准则去判断马尔科夫链扰动模拟生成的后验样本，得到与不同入射角地震匹配的最优解，获得目标反演参数的估值。其实现步骤如下：
第一步，在地震、地质、测井数据的充分研究基础之上，确定反演的目标参数，提取不同入射角度地震子波，精细构造解释构建初始模型，分析沉积规律并统计测井数据落实反演参数。
第二步，计算贝叶斯理论中未知纵、横波等弹性参数m后验概率密度函数G(m|d)随机采样的弹性参数新模型m*。
其中后验概率密度函数正比于先验概率密度函数和似然函数的乘积，即
G(m|d) ∝ g(m)·l(d|m)
式中：g（m）为先验概率密度函数，与变差函数、井数据等模型参数相关，符合多元高斯分布；l(m|d)为似然函数，属于地震约束项，似然函数越大表示实际不同入射角地震与相应合成记录d的匹配程度越高。
不同角度的合成记录d来自弹性参数模型与不同入射角子波的正演，即
d=f(m)+e
式中：f为正演算子；e为噪音。
建立初始马尔科夫链，估算概率密度函数，随机生成新弹性参数模型m *。
第三步，对新模型m *进行正演，依据不同入射角正演结果和相应实测地震数据计算出新模型m *的似然函数l（d *|m *）。
第四步，求出新模型m *的先验概率g（m *），乘以似然函数l（d *|m *），即得到新模型的G（m *|d *）后验概率。
第五步，将新模型的后验概率G（m *|d *）与目标模型m的后验概率G（m|d）对比，若G（m *|d *）>G（m|d）则接受新模型m，并将马尔科夫链移动到新模型位置m *，G（m *|d *）<G（m|d）则随机决策保留与否。
第六步：循环第二至五步，当后验概率不变时循环结束，输出结果。
2.2 铝土岩相控叠前地质统计学反演思路
铝土岩薄储层预测的关键是如何有效利用地质、地震、测井等多元信息，制定叠前地质统计学反演的思路，得到最优的综合预测结果。符合沉积规律的地质模型和随机函数参数的选择对叠前地质统计学反演至关重要。铝土岩分布受古地貌控制，结合实际情况，制定铝土岩相控反演流程（图7），主要的关键步骤如下：
（1）地质模型优化：庆城井区铝土岩储层隐蔽在上覆山西组、太原组顶部的煤层和下古生界碳酸盐岩2个双强反射界面当中，太原组地层分层与波谷匹配位置不唯一。但太原组厚度受前二叠系沉积前古地貌控制，因而将古地貌厚度标准化后叠加在太原组底层位解释中，提升该层位与真实地层界面的吻合度，构建符合地质规律的反演地层格架模型。
（2）相控反演参数：由于铝土岩储层地震响应没有独立反射，基于叠前同时反演的三维相控方法［24］并不适用。但是优质铝土岩具有平面上分布在高地浅洼和斜坡阶地等负向微古地貌单元，纵向上发育在太原组底部的地质规律。因此在常规叠前地质统计学反演的基础上，进一步采用平面微古地貌及测井相确定变差函数和概率密度函数。
第一级岩相依据沉积特点划分为铝土岩、铝土质泥岩、砂岩和泥岩，结合古地貌的分布特点和负向微古地貌单元的范围大小调整变差函数，开展平面相控约束；第二级岩相按照含气储层泊松比降低的特点，划分出铝土岩相应的优质储层、致密干层以及非储层（铝土质泥岩、砂岩、泥岩）6种岩相，纵向上以实钻井统计的一维测井岩相作为约束，促进反演结果符合沉积韵律。
这样既能保留测井纵向高分辨的能力，也充分利用了微古地貌的先验沉积信息，降低了地质统计学反演的随机性，更符合铝土岩沉积规律。
2.3 反演效果分析
D—E—B井的纵波阻抗和剪切阻抗反演结果（图8）分析表明：纵波阻抗和剪切阻抗均可识别出D、E、B井（其中D、E为盲井）含铝岩性地层，且均发育在太原组底部，符合地质规律；D、E、B井太原组分别发育铝土质泥岩6 m、铝土质泥岩9 m、铝土岩18 m，纵波阻抗和剪切阻抗反演对比结果与岩石物理分析结果一致，剪切阻抗岩性指示效果更好，对优质铝土岩更为敏感，可以较好地区分出B纯铝土岩和D、E井的铝土质泥岩。
图9为B—F井的剪切阻抗和泊松比反演剖面，分析表明：剪切阻抗可以识别出盲井F的5 m铝土岩储层，结合泊松比可以区分出B井的上下两气层段和中间干层段，也可预测出F井为铝土岩干层，与实钻情况吻合。因此可利用叠前地质统计学反演计算出剪切阻抗识别优质储层，再结合泊松比区分干层和气层。
图10 庆城井区前石炭纪古地貌、微古地貌及铝土岩储层厚度分布Fig.10 Distribution of Pre-Carboniferous paleogeomorphology， micro aleogeomorphology， and bauxite reservoir thickness in Qingcheng well area |
表3 储层检验误差统计Table 3 Statistics of test error of bauxite reservoir |
| 类别 | 井型 | 井号 | 含铝岩系厚度 /m | 测井储层厚度 /m | 预测储层厚度 /m | 储层厚度误差 /% | 测井有效储层厚度 /m | 预测有效储层厚度 /m | 有效储层厚度误差 /% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 盲井 | 直井 | D | 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 直井 | E | 9 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 直井 | F | 9 | 5 | 6 | 20.0 | 0 | 0 | 0 | |
| 直井 | C | 23 | 18 | 16 | 11.1 | 6 | 7 | 16.7 | |
| 水平井 | H | 630 | 562 | 625 | 11.2 | 502 | 545 | 8.6 |
3 铝土岩勘探中的应用效果
应用叠前地质统计学储层预测结果，建立庆城井区铝土岩有利区评价标准：剪切阻抗高值区为优质铝土岩分布区域为II类有利区，在该岩性分布范围内泊松比低则指示出含气性较好则属于I类有利区。评价出该井区I+II类有利区域152 km2（图11）。紧密结合地质研究和生产需求，在有利区预测的基础上，部署实施了首口铝土岩先导试验水平井H。图12为该井剪切阻抗和泊松比反演剖面，水平段完钻长度700 m，钻遇铝土岩565 m，含气铝土岩502 m，铝土岩钻遇率为80.71%，有效钻遇率为71.71%，储层预测结果确保了水平井具有较高的储层钻遇率，试气获无阻流量高达300×104 m3/d以上，刷新了鄂尔多斯盆地上古生界天然气试气记录。
4 结论
（1）动、静态岩心测试结果表明纵波速度、横波速度、剪切阻抗、脆性指数均可用于铝土岩岩性识别，首次提出的岩性敏感因子R是定量评价各项参数对铝土岩和铝土质泥岩之间差异程度的关键。
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（2）岩心测试和测井交会分析结果一致：剪切阻抗为指示铝土岩岩性的敏感参数，泊松比为指示铝土岩含气性的敏感参数。铝土岩气藏岩性、含气性敏感参数的确定为储层反演方法的选择提供了依据。
（3）首次尝试铝土岩相控叠前地质统计学反演预测铝土岩储层，计算得到的剪切阻抗比纵波阻抗识别优质铝土岩更为敏感，而泊松比可以较好的区分铝土岩干层和气层，创新建立了铝土岩储层I+II类有利区的评价标准，为铝土岩的高效勘探开发提供依据。
（4）实际井位部署时建议从古地貌、构造、断裂、储层有利区、煤层厚度等成藏因素综合优选，以期提升钻井成功率。
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