瓊東南盆地高溫高壓地層垂向運(yùn)移通道精細(xì)描述技術(shù)

周凡 劉愛群 宋鵬

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 ， 廣東 湛江 524057)

0 前言

近年來，隨著地震資料的逐漸豐富和研究人員對(duì)區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識(shí)的不斷加深，在瓊東南盆地的陵水凹陷中 — 上新統(tǒng)地層落實(shí)了一批巖性地層圈閉，該區(qū)域已經(jīng)成為南海西部天然氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域[1-2]。該區(qū)的烴源巖主要分布在下漸新統(tǒng)，上、下漸新統(tǒng)之間主要發(fā)育海相泥巖，無大型的溝源斷層作為油氣垂向運(yùn)移通道。進(jìn)一步的研究表明，大量發(fā)育的超壓裂縫是瓊東南盆地重要的運(yùn)移通道，研究這類垂向運(yùn)移通道的空間特征以及識(shí)別技術(shù)，對(duì)掌握盆地內(nèi)烴類運(yùn)移規(guī)律具有重要意義[3-6]。但是受海上鉆井取芯少和地震資料分辨率低、信噪比差等因素的制約，難以利用常規(guī)地球物理手段對(duì)這些裂縫進(jìn)行直接描述，垂向運(yùn)移通道識(shí)別難度大的問題嚴(yán)重束縛了瓊東南盆地高溫高壓領(lǐng)域的勘探步伐。長(zhǎng)期以來，人們圍繞斷裂系統(tǒng)的準(zhǔn)確描述作了大量研究，發(fā)展了如地震相干體技術(shù)、方差體技術(shù)、橫波分裂檢測(cè)技術(shù)、曲率識(shí)別技術(shù)等[7-11]。應(yīng)用這些技術(shù)能夠?qū)α芽p的分布范圍進(jìn)行描述，但是對(duì)裂縫的分布密度和幾何特征的刻畫精度不高。本次研究從裂縫形成的超壓背景著手，首先對(duì)凹陷的壓力進(jìn)行計(jì)算，得到高精度的壓力數(shù)據(jù)體，并結(jié)合構(gòu)造及沉降特征分析獲得區(qū)域臨界破裂壓力分布特征的明確認(rèn)識(shí)，從而預(yù)測(cè)超壓裂縫發(fā)育的有利位置；然后，在此基礎(chǔ)上對(duì)三維地震數(shù)據(jù)體提取相應(yīng)地震幾何屬性，并優(yōu)選超壓裂縫敏感屬性，最終得到研究區(qū)裂縫平面展布特征。

1 高壓裂縫形成機(jī)理分析

按照運(yùn)移通道的發(fā)育規(guī)模、分布范圍及其對(duì)油氣運(yùn)移的重要程度，可將鶯歌海 — 瓊東南盆地?zé)N類垂向運(yùn)移通道分為底辟型通道、斷裂型通道及底辟外裂縫通道3種通道類型[12-14]。底辟通道和斷裂通道被認(rèn)為是盆地內(nèi)最主要的垂向運(yùn)移通道，而且這些運(yùn)移通道在疊加地震上有較明顯的響應(yīng)特征，能夠基于定性判斷、巖心識(shí)別、正演模擬以及多技術(shù)綜合應(yīng)用來進(jìn)行分析和識(shí)別。底辟外的裂縫運(yùn)移通道主要分布在盆地內(nèi)超壓地層當(dāng)中，其規(guī)模較小，且分布區(qū)域無明顯規(guī)律。這類運(yùn)移通道的發(fā)育與底辟以及大型斷裂的發(fā)育沒有太大關(guān)系，僅在一定程度上受控于地層壓力的大小。當(dāng)?shù)貙訅毫_(dá)到一定程度時(shí)，地層就會(huì)產(chǎn)生超壓裂縫網(wǎng)格。這些垂向裂縫的幕式開啟活動(dòng)既構(gòu)成了異常壓力體系能量釋放的主要通道，同時(shí)也形成了烴類的垂向運(yùn)移通道。

底辟外裂縫通道的直接地震識(shí)別難度較大，但是由于其形成原因與地層的異常高壓關(guān)系密切，因此，通過基于地層破裂壓力的分析來初步預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育的有利區(qū)帶。理論研究表明，當(dāng)壓力系數(shù)達(dá)到或者超過1.9時(shí)，地層的孔隙壓力可能會(huì)大于破裂壓力，地層內(nèi)部會(huì)開始產(chǎn)生破裂[15]，進(jìn)而形成廣泛分布的超壓裂縫。在構(gòu)造及沉降特征分析的基礎(chǔ)上，可通過對(duì)區(qū)域高精度地層壓力數(shù)據(jù)的分析，較準(zhǔn)確地鎖定裂縫發(fā)育的有利部位。根據(jù)已鉆井壓力數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為瓊東南盆地新近系地層破裂壓力與破裂深度呈正相關(guān)，即破裂深度越深，對(duì)應(yīng)的破裂壓力越大。通過圖1所示瓊東南盆地樂東 — 陵水凹陷壓力分布剖面可以看出，LS-25區(qū)底部地層廣泛發(fā)育壓力系數(shù)大于2.0的超壓地層，且具有明顯的構(gòu)造背景，凸起與凹陷間的差異沉降幅度較大。分析認(rèn)為，LS-25區(qū)中新統(tǒng)地層為裂縫發(fā)育的最有利位置。

圖1 瓊東南盆地樂東 — 陵水凹陷壓力分布剖面圖

2 基于敏感幾何屬性的裂縫識(shí)別

2.1 敏感幾何屬性優(yōu)選

在預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育優(yōu)勢(shì)部位的基礎(chǔ)上，對(duì)這些裂縫敏感部位進(jìn)行地震幾何屬性提取，從而對(duì)這些裂縫進(jìn)行直接描述。根據(jù)相關(guān)研究[16-20]，將地震幾何屬性大致分為3種類型：

(1) 表征地震相似性或差異性的屬性，如方差體。此類屬性可以反映大斷裂等構(gòu)造，但是其計(jì)算結(jié)果受地震相的影響較大。

(2) 表征地震一階導(dǎo)數(shù)型的屬性，如傾角、方位角。此類屬性只對(duì)大尺度構(gòu)造具有表征意義，對(duì)小構(gòu)造及構(gòu)造細(xì)節(jié)不敏感。

(3) 表示地震二階導(dǎo)數(shù)型的屬性，如曲率。二階導(dǎo)數(shù)的計(jì)算能夠放大地質(zhì)差異，突出大傾角背景下的微構(gòu)造差異，因此在裂縫識(shí)別方面具有較大優(yōu)勢(shì)。曲率屬性從本質(zhì)上反映的是地層褶皺或彎曲時(shí)的應(yīng)力過程。

背斜褶皺改變了地層長(zhǎng)度，使整個(gè)地層受力，頂部拉張力增強(qiáng)，底部壓縮程度加大，中立面處于一種特殊位置，沒有應(yīng)力。由應(yīng)力差異和水力壓裂作用造成的這類形變會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的斷層和裂縫幾何形狀，這些應(yīng)力集中的位置就是曲率屬性異常表現(xiàn)最明顯的位置。Roberts對(duì)多種幾何屬性進(jìn)行了對(duì)比，傾角屬性對(duì)地層傾角較大時(shí)的斷層刻畫效果較差，方位角屬性對(duì)大傾角地層情況下的斷層完全不能顯示，而曲率屬性對(duì)多種類型和尺度的斷裂都有較好的識(shí)別效果[22]。本次研究?jī)?yōu)選曲率屬性來進(jìn)行超壓裂縫的識(shí)別。

2.2 曲率屬性的定義及計(jì)算原理

曲率是表示曲線彎曲程度的參數(shù)，其在數(shù)學(xué)意義上可表示為曲線上某個(gè)點(diǎn)的切線方向角的變化率與對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)之比，用式(1)所示二階微分方程表示[21-22]：

(1)

式中：C—— 曲率；

ω—— 曲線上某點(diǎn)的切線方向角；

s—— 弧長(zhǎng)。

如圖2所示，空間中點(diǎn)P的曲率可以通過周圍各點(diǎn)擬合而成的空間曲面計(jì)算得出。過點(diǎn)P處任意一個(gè)正交于曲面S的投影平面所定義的曲率為法曲率。無窮多個(gè)正交曲率中存在一條曲線，使得該曲線對(duì)應(yīng)的法曲率為最大，這個(gè)曲率稱為極大曲率(Kmax)，垂直于該曲線的曲率稱為極小曲率Kmin。這兩個(gè)層面屬性稱為主曲率，它們代表了法曲率的極值。在此基礎(chǔ)上還可以構(gòu)建其他的曲率屬性，包括高斯曲率(Kg)、平均曲率(Kmean)等。

圖2 三維曲率示意圖

2.3 非線性各向異性擴(kuò)散濾波的原理

曲率的計(jì)算是以地震的二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算為基礎(chǔ)，其結(jié)果對(duì)噪聲十分敏感，因此，在計(jì)算曲率前必須對(duì)原始地震資料進(jìn)行濾波去噪處理。我們嘗試將三維曲率分析和各向異性擴(kuò)散濾波算法相結(jié)合，以達(dá)到提高預(yù)測(cè)精度的目的。該濾波算法不僅具有最好的平滑性，而且對(duì)有用信息的損傷最小。同時(shí)，在構(gòu)造張量的組合中增加了二階導(dǎo)數(shù)的貢獻(xiàn)量，能夠控制在斷層和河道等非連續(xù)性區(qū)域的濾波程度，使得該算法具有良好的保邊緣特性[23-25]。其三維各向異性擴(kuò)散濾波方程如式(2)所示：

(2)

式中：div —— 散度算子；

x、y、z—— 空間上某一位置的坐標(biāo)；

t—— 時(shí)間變量；

ε—— 連續(xù)性因子；

Jp—— 包含圖像局部結(jié)構(gòu)信息的結(jié)構(gòu)張量；

D(Jp) —— 由Jp的特征值和特征向量構(gòu)建的擴(kuò)散張量，特征向量表示擴(kuò)散的方向，特征值表示該方面的擴(kuò)散強(qiáng)度。

3 應(yīng)用效果

LS-25區(qū)位于瓊東南盆地樂東凹陷東部，鄰近樂東 — 陵水凹陷交界處，具備良好的烴源條件。該區(qū)中 — 上新統(tǒng)主要發(fā)育梅山組海底扇、黃流組軸向水道巖性圈閉和鶯歌海組限制性水道巖性圈閉等3種圈閉類型，具備運(yùn)移條件是這些圈閉成藏的關(guān)鍵。精細(xì)地層壓力分析結(jié)果表明，該區(qū)中新統(tǒng)地層是裂縫發(fā)育的最有利位置，有可能廣泛發(fā)育裂縫型垂向運(yùn)移通道。

在各向異性擴(kuò)散濾波處理的基礎(chǔ)上，首先對(duì)裂縫發(fā)育有利部位進(jìn)行多種幾何屬性計(jì)算。根據(jù)圖3所示LS-25區(qū)多種幾何屬性切片對(duì)比可知，疊后地震切片對(duì)裂縫描述的效果最差，地震沿層切片完全不能刻畫裂縫的分布，因此常規(guī)的地震技術(shù)對(duì)該區(qū)垂向運(yùn)移通道的識(shí)別效果較差；相干體切片對(duì)裂縫的識(shí)別具有一定效果，應(yīng)力集中部位有較明顯的裂縫分布，但是分布密度及幾何特征刻畫不清；曲率屬性切片對(duì)裂縫的識(shí)別效果最佳，在相干體切片上不明顯的位置處，曲率屬性對(duì)裂縫的識(shí)別精度更高。對(duì)比濾波前最大正曲率切片和濾波后最大正曲率切片的屬性特征可知：濾波前，曲率屬性受隨機(jī)噪聲的干擾嚴(yán)重，大部分微裂縫都“淹沒”在干擾噪聲中而難以區(qū)分；濾波后，裂縫的分布密度和幾何特征更加清晰，圖中刻畫的大量近北東 — 南西向的裂縫型構(gòu)造與區(qū)域應(yīng)力分布特征和構(gòu)造特征相吻合。

上述分析表明，LS-25區(qū)及其周邊區(qū)域的超壓地層中存在大量超壓裂隙帶，因此，優(yōu)選該區(qū)黃流組水道作為首選有利勘探區(qū)，并設(shè)計(jì)LS-1井進(jìn)行鉆探。根據(jù)圖4所示LS-1井純波地震剖面圖可知，在黃流組水道下方地震同相軸連續(xù)性變差，振幅能量變?nèi)酰窃搮^(qū)裂隙發(fā)育較集中的區(qū)域。由圖5所示LS-1井綜合柱狀圖可知，主要目的層黃流組水道Ⅱ氣組鉆遇71.8 m氣層(見圖5)，用19.05 mm油嘴求產(chǎn)，日產(chǎn)氣量為100.8×104m3，實(shí)現(xiàn)了樂東凹陷首個(gè)重大勘探發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié) 語

瓊東南盆地樂東 — 陵水凹陷為典型的高溫高壓凹陷，該地區(qū)新近紀(jì)斷裂不發(fā)育，超壓壓裂產(chǎn)生的裂縫為主要的油氣垂向運(yùn)移通道，裂縫的分布決定了天然氣的富集層段。研究這類垂向運(yùn)移通道的空間特征以及識(shí)別技術(shù)，對(duì)掌握盆地區(qū)域天然氣的充注、散逸和成藏規(guī)律及預(yù)測(cè)潛在天然氣富集區(qū)具有重要意義。

圖3 LS-25區(qū)多種幾何屬性切片對(duì)比

圖4 過LS-1井地震剖面

圖5 LS-1井綜合柱狀圖

曲率屬性對(duì)斷層、裂縫等線性斷裂構(gòu)造的識(shí)別效果較好，能夠較準(zhǔn)確地描述超壓裂縫的長(zhǎng)度、走向及分布密度，且描述精度明顯高于相干體等常規(guī)幾何屬性。作為地震數(shù)據(jù)的二階導(dǎo)數(shù)屬性，曲率屬性計(jì)算受噪聲的干擾較大，將三維曲率分析和各向異性擴(kuò)散濾波算法結(jié)合起來應(yīng)用,可在提高信噪比的同時(shí)保留更豐富的構(gòu)造細(xì)節(jié)，并進(jìn)一步提高對(duì)裂縫的識(shí)別精度。

運(yùn)用構(gòu)造成因分析和地震幾何屬性分析相結(jié)合的裂縫預(yù)測(cè)手段，解決了復(fù)雜地區(qū)儲(chǔ)層的裂縫預(yù)測(cè)問題。該技術(shù)方法具有分辨率高、識(shí)別裂縫尺度小、計(jì)算速度快的特點(diǎn)，可作為相干體等常規(guī)幾何屬性預(yù)測(cè)的一種重要補(bǔ)充。