川中茅口组岩溶储层地球物理特征及勘探潜力

2017-11-01戴晓峰王锦芳

石油地球物理勘探 2017年5期

关键词：茅口波阻抗振幅

戴晓峰冯周王锦芳

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

川中茅口组岩溶储层地球物理特征及勘探潜力

戴晓峰*冯周王锦芳

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

戴晓峰，冯周，王锦芳.川中茅口组岩溶储层地球物理特征及勘探潜力.石油地球物理勘探，2017,52(5):1049-1058.

GM地区测井评价证实川中茅口组顶不整合面以下100m发育岩溶储层，基于三维地震发现大量“下凹”岩溶塌陷体，二者共同指示川中茅口组存在强烈溶蚀作用。岩溶储层在茅口组顶部具有弱振幅的地震响应特征。岩溶储层发育区受古河道控制：古河道两侧水动力作用强，溶蚀作用强烈，易形成岩溶储层。川中茅口组烃源岩厚度大、分布广，岩溶储层发育，具备形成大规模岩性气藏的成藏条件。

川中茅口组岩溶储层岩溶塌陷古河道

1 引言

下二叠统茅口组是四川盆地的主要产气层之一，已经在蜀南气矿发现了荷包场、自流井等多个气田，产气层岩性多以灰岩为主。前人研究证实蜀南茅口组为风化壳岩溶储层，其储集空间以东吴运动后产生的表生期古岩溶形成的溶蚀洞穴为主，局部发育微裂缝[1-9]。

蜀南气矿茅口组岩溶气藏具有较高产能,该地区累计产气量大于1×108m3的气井已达 30口。然而，岩溶储层具有很强的非均质性，即使距离很近，岩溶发育程度也会差异很大，如蜀南纳6井茅口组在钻井时未见任何缝洞显示，但在相距12m的侧钻中钻时明显降低，同时产生井漏、放空2.25m，并井喷，最终获得较大的天然气储量[10]。强烈的储层非均质性限制了盆地其他地区茅口组的勘探，急需开展岩溶储层控制因素、岩溶储层预测方法研究，寻找接替有利岩溶发育区。

川中28口录井过程中，茅口组顶部井漏4口，气侵16口，表明川中下二叠统具有较大勘探潜力。人们从地质成因、岩石物理、正演模拟等多方面开展了岩溶储层的地球物理特征研究[11-15]，推动了岩溶油气藏的勘探。然而，受限于岩溶储层的强非均质性、地质认识、地震资料和技术等原因，四川盆地目前除蜀南和川东局部地区外，下二叠岩溶储层勘探迟迟没有突破，鲜见针对川中茅口组岩溶的相关研究。本文利用川中当前丰富的钻井和地震资料，开展岩溶储层地球物理特征研究，分析了川中斜坡带岩溶储层的地质特点和规律，总结出了有效的地震预测方法，对下一步四川盆地勘探部署以及川中下二叠岩溶领域勘探具有一定的实际意义。

2 研究区概况

川中地区位于龙泉山深断裂带以东、华蓥山深断裂带以西，面积约8×104km2，是扬子地台残留的稳定地块[16]。川中构造平缓，整体表现为由西北向西南逐步抬高的低缓斜坡，局部发育低幅度背斜。川中地层厚度稳定，茅口组地层厚200～220m，其中茅四段均被剥蚀，不整合面之下茅三段地层以残留灰色灰岩为主。

川中目前已采集多块三维地震资料，其中GM连片三维面积最大，总面积为2779km2。三维区内揭示下二叠统茅口组地层的钻井数量较多，因此以该三维区为例开展岩溶储层的分析和研究。

3 川中岩溶储层特征

3.1 岩溶储层测井特征

前人对蜀南茅口组岩溶储层的测井响应研究表明：碳酸盐岩在溶蚀作用下，其溶蚀空间常常受到不同程度的充填，茅口组上覆龙潭沼泽相煤层和泥岩垮塌后充填到茅口组岩溶孔隙中，在测井曲线上表现为高自然伽马、低电阻率特征[17]。

为了分析茅口组岩溶储层特征和含气性，对GM三维区内32口井进行测井评价和分析，其中28口井都具有与蜀南茅口组岩溶储层相同的高伽马、低电阻测井响应特征。以MX11井为例(图1)，该井茅口组下部致密灰岩地层(4256.8～4266.4m)自然伽马为20～25API，平均电阻率为43900Ω·m。

图1 MX11井测井响应图

紧邻不整合面之下茅三段4218.5～4233.3m段灰岩平均自然伽马为30API，平均电阻率为100Ω·m，远远低于正常灰岩地层，综合解释认为此段灰岩地层泥质含量变高。该井FMI成像测井也显示，茅口组顶部有明显泥质充填特征，局部能看到垂直溶蚀孔、缝。

据测井综合解释结果可知，茅口组含气段具有两个特征：①茅口组包含两套气层，顶部含气段和下部含气段。其中，顶部为多层厚度大的气层连续发育，沿不整合面向下纵向深度为100m，下部仅有零星薄气层发育；②在顶部含气段，储层物性较好的气层比储层物性较差的气层更靠近不整合面。以上特征说明川中茅口组具有岩溶储层纵向变化的普遍规律：岩溶发育程度纵向上受不整合面控制，距离不整合面越近，碳酸盐岩地层受到岩溶作用越强，随着距离增加，岩溶作用减弱，储层物性逐渐变差，含气性也相应变差。

3.2 岩溶塌陷的地震特征

在GM三维地震剖面上能发现明显的局部地震反射同相轴“下凹”特征。前人认为这种现象有三种地质成因[18-20]：古岩溶塌陷、热液溶蚀塌陷和断层引起的地层下陷。由于基底热液必须要有断裂沟通并上涌才能形成热液溶蚀塌陷，因此后两种成因都主要与断裂有关，受断层控制并沿断层发育。

选择三维区内一条具有多个“下凹”异常的长度为15km任意线地震剖面(图2)，分析地震同相轴“下凹”异常的地质成因。图中茅口组顶对应1900ms附近强波峰地震反射为区域标志层，剖面图上从左至右存在5处明显的“下凹”异常反射。

图2 三维区任意线地震剖面(剖面位置参见图3)

首先，从地震剖面上看，地震反射“下凹”异常和断裂关联不大。例如，剖面上①、②、③、⑤号等4处“下凹”异常附近的上下地层中都不具有断层特征，浅层二叠系顶(1780ms)和深层二叠系底(2000ms)的地震反射连续性都非常好，其成因均和断层无关。5处“下凹”异常中，只有④号“下凹”异常向深层延伸较远，到2300ms时地震同相轴仍有一定的挠曲和局部错断，至2500ms深层同相轴错短的特征逐渐消失。因此，该“下凹”异常难以沟通深层基底断裂，基本可以排除热液成因的可能性，最多能将该“下凹”异常解释为断裂引起的地层下陷。

其次，从区域构造背景分析，和蜀南高陡构造不同，川中基底地块稳定，断裂不发育。在GM三维区，二叠系仅解释了3条比较确定的断层。数量众多的地震“下凹”现象和其断层发育程度严重不匹配。地震剖面上最左侧①号“下凹”异常规模相对较大，为多个小型“下凹”异常叠合而成，地震剖面上也未见类似错断或挠曲等断层现象；相反，对比周边地层时间厚度，该位置附近茅口组地层明显减薄，更符合岩溶塌陷的间接表现之一。

通过地震剖面对比分析，可以初步认为川中茅口组顶部同相轴“下凹”的主要原因不是断裂，而是岩溶导致茅口组地层减薄、上覆地层塌陷充填而成。

相干体能较好地突出地震反射横向非连续性，可以用来辅助刻画解释断层和岩性等异常体的变化边界。因此，本文通过沿层相干切片技术刻画“下凹”异常的平面空间形态，进一步分析其地质成因。

图3为GM三维区南部局部范围内的茅口组顶沿层相干切片，面积为350km2，是研究区地震反射“下凹”异常数量最多的区域。

图3 三维南部茅口组顶沿层相干切片及解释模式

从相干切片上可清楚地识别出3种类型的相干异常。

(1)断层异常(图3b)：断层是相干体上最为常见的现象，其主要特征是平直连续线状、单轨、平面延伸距离远。图3a相干体切片中左下方近北东向线性相干异常最为典型，为该区南部的主要断层。

(2)古河道异常(图3c)：河道的相干异常特征是双轨、具有弯曲的曲线形态、平面延伸距离较远。河道除了具有特殊空间外形外，通常具有一定的宽度，当河道内地层和两侧地层波阻抗存在差异时，造成地震反射突变，因此，在相干体上沿河道两侧边缘常常形成对称的双轨特征。图3a相干切片右侧发现了4组弯曲状双轨异常，外形和曲流河形态十分相像，结合川中地质背景把这类相干异常解释为古溶蚀河道。

(3)环状异常(图3d)：平面上各个位置分布有大量呈散点式的相干异常，它们形态多样，按数量多少依次包括环状、饼状、椭圆形，局部还存在多个小型环状异常聚集成簇状分布。图2任意线地震剖面上5处同相轴“下凹”异常都均对应于相干切片上的这类相干异常。

对比断层和零散相干异常的位置证实，“下凹”环形异常与断层无关。图2所示的任意线地震剖面所经过之处在相干切片上没有发现断层：在地震剖面上显示出存在断裂迹象的④号“下凹”异常，在相干切片图上表现为一个大的环状，不具备断层线性相干特征，排除了其断裂作用的地质成因。相反，在相干切片图左边检测到一条断层，然而，该断层附近环状异常数量非常少，平面上最近的环状相干异常距离断层也大于1000m。

这些散乱分布在全区的相干异常形状多变、大小不一，但在平面上都具有近圆形的共性特征，并且单个异常范围小平面上无延伸，明显区别于断层、古河道线性、长度大的特征。同时，这些异常并不受断层控制，通常在古河道周边数量明显增加。综合以上现象，将同相轴“下凹”、平面环形形态特征的地震异常解释为岩溶(溶蚀作用导致的溶洞坍塌形成的洼地或落水洞)形成的大型溶蚀孔洞体、落水洞。

3.3 岩溶储层地震响应特征

不同发育程度的岩溶储层会产生不同的地震反射特征。对比各井测井解释结果与过井地震剖面，发现不同储层的地震响应特征存在一定规律性：岩溶储层厚度越大，对应茅口组顶部地震反射振幅越弱、频率越低。

选择两口典型井进行对比说明。图4为沿茅口组顶层拉平显示的两口井连井地震剖面，能清楚地看出MX21和MX11井之间地震反射特征的变化规律。

图4 MX21(左)和MX11(右)储层及地震特征对比

MX21井为茅口组岩溶储层发育较差的一口井。该井龙潭组以下茅三段地层全部为块状致密灰岩，厚度为46.3m。茅二段4137.3～4128.8m井段含气储层厚度为8.2m/1层，解释结果为差气层，有效厚度为3.1m，平均孔隙度为3.11%。MX21井茅口组顶部对应强波峰地震反射(图4左侧)，符合川中龙潭底部正常的强波峰地震反射特征。

MX11井为目前研究区岩溶储层厚度最大的井之一。从自然伽马和成像测井看，该井岩溶成因明显，岩溶作用强烈，紧邻不整合面下发育大套储层。茅口组顶部茅三段4218.5～4233.3m井段解释含气储层14.8m，有效厚度为11.40m，平均孔隙度为3.74%；4237.8～4254.8m井段解释含气储层17.0m，有效厚度为3.95m，平均孔隙度为3.2%。茅二段4256.8～4266.4m井段解释含气储层9.6m，有效厚度为5.40m，平均孔隙度为4.58%；4267.6～4312.0m井段解释含气储层44.4m，有效厚度为7.69m，平均孔隙度为2.35%。在地震剖面上，MX11井茅口组顶部对应宽缓波峰、低频、弱反射(图4右侧)，振幅值明显低于龙潭底部正常的强波峰地震反射振幅。

针对MX21井和MX11井茅口组顶部不同的地震响应特征开展了储层弹性参数分析。

根据地震反射波特点，地震振幅主要和上下地层波阻抗有关，地层之间波阻抗差异越大，地震反射振幅越强。因此，川中茅口组顶面地震反射振幅取决于上覆龙潭组和茅三段地层之间的波阻抗差异。茅口组顶部不整合面之上为全区稳定分布的上二叠统龙潭组泥页岩，平均波阻抗值相对稳定，约为8000m·s-1·g·cm-3。不整合面之下为茅三段灰岩地层，由于岩溶作用影响，茅三段地层波阻抗变化范围较大，根据实钻井测井数据，波阻抗主体变化范围为15000～18000m·s-1·g·cm-3。当地层为致密灰岩时，平均波阻抗为17000m·s-1·g·cm-3，随着灰岩孔隙度增加、物性变好，波阻抗会随之减小。以GS1井为例，该井孔隙度小于2%的致密灰岩平均波阻抗约为17200m·s-1·g·cm-3，孔隙度为2%～4%的Ⅱ类灰岩储层平均波阻抗为16400 m·s-1·g·cm-3，孔隙度大于4%的Ⅰ类灰岩储层平均波阻抗为15300 m·s-1·g·cm-3。

计算不同地层情况下茅口组顶地震反射系数可知：物性较好的灰岩和致密灰岩反射系数差值为0.06，对应到地震反射上会出现17.6%的振幅变化。因此，地震剖面上茅口组顶面弱振幅特征指示不整合面之下茅口组岩溶储层发育，而且储层物性越好，茅口组顶反射系数越小，对应同相轴能量越弱。

4 岩溶储层预测及主控因素分析

在四川盆地广泛采用残余厚度法和印模法恢复古地貌，用于预测岩溶作用程度[21]。该方法更适用于区域盆地级宏观预测，难以满足局部范围的精度要求。川中40000km2范围内，古构造平缓，茅口组残余地层厚度十分稳定，介于200～220m，区域地质背景极为相似。通过研究区三维地震资料编制的茅口组残余地层厚度和已知钻井岩溶发育程度对比分析，二者相关性很差。显然，川中地区岩溶作用强弱受局部地质作用更大，古地貌恢复方法尺度较大，难以发挥作用。

4.1 储层发育区预测

根据前述岩溶储层在茅口组顶具有弱振幅的地震响应特征，沿茅口组顶部提取地震均方根(RMS)振幅属性预测岩溶储层有利范围(图5)。图中暖色调为RMS振幅低值区，预测岩溶储层相对发育，暗色的振幅高值区预测储层厚度小。

地震RMS属性预测储层的可靠性得到已钻井的验证。三维区共9口已钻井具有成像测井资料，表1为其岩溶储层发育情况。其中解释为I级岩溶的井有GS1、MX205、MX11和MX8井，四口井最大孔隙度均大于5%，单井综合解释有效厚度大于20m。解释为Ⅲ级岩溶的井有GS7和MX32井，它们最大孔隙度仅为3%，有效厚度均小于5m，岩溶作用较弱。可以看出，储层质量明显受岩溶作用程度控制，岩溶级别越高，储层物性越好、有效厚度越大。

将储层有效厚度用直方图标注在井点处，与RMS振幅属性平面图对比(图5)。储层厚度大于20m的4口井均位于RMS低值区(<50)；储层厚度小于10m的井(GS6、GS7、MX9和MX32)均位于高值区(>60)。图6为9口井岩溶储层有效厚度和对应井点位置的地震RMS振幅交会图，二者具有非常好的线性关系，趋势拟合二者相关系数为0.88，证明了RMS振幅和储层厚度具有很好的一致性，该属性能有效地预测储层厚度。

图5 三维区茅口组顶RMS振幅属性图

表1 茅口组储层和地震RMS振幅对比表

地震振幅通常是地层厚度、岩性、物性等多种因素的综合响应，多解性较强。为此，采用地震反演技术定量预测储层厚度，与地震属性预测结果相互验证，减小预测的多解性。

GS1井波阻抗分析可知：茅口组储层与非储层之间，以及Ⅰ类和Ⅱ类储层之间存在明显的波阻抗差异。特别是孔隙度大于4%的Ⅰ类储层和非储层波阻抗基本不重叠，区分能力强。选定合理的波阻抗门槛值，能够有效预测Ⅰ类储层。

为了充分利用地震信息真实刻画储层横向变化特征，采用井控作用较弱的稀疏脉冲反演方法。三维区内仅选择了4口井建立低频波阻抗模型，以减小井数据对反演结果的影响。最终反演结果与岩溶储层符合很好，高孔岩溶储层在反演体上表现为低纵波阻抗的特征。

图6 RMS振幅和有效厚度交会图

图7为波阻抗反演预测的Ⅰ类岩溶储层厚度，同样用已钻井对预测厚度进行检验：地震反演预测厚度与测井评价储层厚度具有较高的吻合度，且反演厚度与均方根属性预测结果整体趋势一致。

图7 地震反演Ⅰ类储层厚度图

综合以上结果预测GM地区存在三个主要的有利岩溶发育区：南部GS1井为中心的区域、中部沿MX11井北东向展布的条带状区域，以及北部MX27井周边大面积席状岩溶发育区。并且北部振幅值更弱，预测其储层发育程度应优于南部，是最有利的岩溶发育带。

4.2 岩溶储层主控因素分析

蜀南地区茅口组岩溶储层研究结果表明，平面上古河道控制着碳酸盐岩岩溶作用的大小。大多数高产井均位于古河道附近，如自流井构造西段轴部自2井位于古河道干流周边，形成了大型连通性岩溶。该井钻到2260.55～2265.00m时放空4.45m，漏失泥浆约100m3，并强烈井喷停钻，无法测试，被迫用钻具代替油管采气，投产初期日产气量高达220×104m3/d，截至2009年7月该井累计产气48.62×108m3，累计产水74.07×104m3[10]。

由于古河道侵蚀碳酸盐岩地层易于形成地层下陷和岩性突变，因此本文采用地震相干技术对古河道进行刻画。计算三维地震相干体，利用数据优化处理技术消除低频噪声、突出河道特征，对优化处理后的相干体沿茅口组顶提取沿层切片。最后将相干切片高值(地震反射相似性高)过滤掉进行透视显示，河道得到清晰的刻画，见图8中黑色辫状曲线即为相干体异常刻画出的古河道。

在相干异常图上，一共可以明显识别三个古河道发育区：①南部GS1井附近四条主要的古河道，长度在10～15km之间；②中部两条较大规模的古河道，其中沿MX11井向南至MX205井附近古河道河流形态明显，规模大，平面延伸22km；③GM北部MX27井附近发育一组古河道，由于多数延伸到有效数据边界之外，古河道潜在规模更大。

图8中叠合了RMS振幅属性，对比分析古河道与岩溶储层发育程度之间关系，可以看出：低RMS振幅指示的3个岩溶储层发育区与相干技术刻画的三个古河道发育区形成非常好的匹配关系。充分说明古河道两侧水动力能量高，溶蚀迅速、强烈，是岩溶作用最发育的部位，如果河道周边发育有易于溶蚀的高能颗粒滩相碳酸盐岩，就会形成大面积物性较好的岩溶储层。

图8 GM三维研究区茅口组顶地震振幅、相干叠合图

5 勘探潜力分析

川中茅口组岩溶储层具有较好的气源条件。下二叠统包括茅口组和栖霞组两套烃源岩，下二叠烃源岩在全盆地均发育，生气强度较高，达10×108m3/km2，一般都在20×108m3/km2以上[1]。基于四川盆地全区测井资料对TOC评价认为，两套烃源岩在全盆地均发育。其中，茅口组烃源岩厚度较大，主要分布于茅一段，川中茅口组TOC大于0.5%的烃源岩平均厚度达80m；栖霞组烃源岩相对较薄，主要分布于栖一段，川中栖霞组TOC大于0.5%的烃源岩平均厚度为10m左右。

区域上，川中位于有利于岩溶发育的古构造背景上。近年来，有人对四川盆地下二叠统岩溶储层开展了整体分析和研究[21]，通过四川盆地全区古地貌恢复对风化壳岩溶潜在发育区带进行了预测。研究认为川中地区大部分处于岩溶高地和岩溶斜坡古构造背景上，岩溶高地和岩溶斜坡地表高于潜水面，有利于地下水下渗和侧向运移，溶蚀作用强烈，易于形成良好的溶蚀孔洞储集体。

已钻井的录井和测井资料表明川中岩溶储层发育、含气性好。川中多口井录井资料在茅口组有气侵显示，测井评价下二叠统岩溶储层含气厚度大，具有岩溶作用强烈、储层纵向厚度大的特点，通过GM三维地震资料发现的大量溶蚀异常体进一步证实岩溶储层的可靠性。茅口组顶的地震弱振幅特征有效地预测了有利岩溶储层发育区。

川中茅口组岩溶储层具备形成规模岩性气藏的条件。川中整体处于构造斜坡区，除GM低幅背斜构造外，构造圈闭数量少，圈闭面积小，岩性气藏勘探是今后主要的勘探方向。已钻井说明川中下二叠统气藏并不受构造圈闭控制，例如，川中GT2井位于斜坡高部位，茅三段4578.0～4587.2m井段试气气水同出，日产气337m3/d，水26m3/d。构造位置比GT2井低467m的NC1井，茅二段5045～5061m井段试气，日产气44.74×104m3/d，两口井之间存在岩性边界，NC1井依靠岩性遮挡成藏。此外，GM地区地震储层预测岩溶储层在平面上非均质性强烈，局部发育较大规模有利储层。因此，川中地区在斜坡构造背景下，不整合面控制下的岩溶储层在构造上倾方向具备形成大型岩性气藏的条件。

6 结论与认识

川中下二叠统茅口组发育较好的岩溶储层，并且主要集中发育于茅口组顶不整合风化面以下100m以内。茅口组岩溶作用强烈，造成上覆地层塌陷，形成大量“下凹”地震反射异常。岩溶作用主要受古河道控制，古河道两侧溶蚀强烈，更易形成大面积物性较好的岩溶储层。岩溶储层发育程度与茅口组顶地震反射振幅成反比：岩溶储层越发育，地震振幅越小。

综合评价认为，川中茅口组气源条件好，岩溶储层发育，含气性好，具备形成大规模岩溶岩性气藏的成藏条件，是继蜀南地区后有利的岩溶气藏勘探区域。

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(本文编辑：刘英)