碳酸鹽巖斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別技術(shù)及應(yīng)用

常少英 曾濺輝 徐旭輝 曹 鵬 崔鈺瑤 李 濤

(①中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京102200； ②中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州310023； ③中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京 211103； ④東方地球物理公司國際勘探事業(yè)部，河北涿州072751)

0 引言

近年來，塔里木盆地、四川盆地深層縫洞型碳酸鹽巖油氣藏，尤其是灰?guī)r巖溶油藏的勘探開發(fā)成果表明，主要油氣富集區(qū)大多與深大斷裂有密切關(guān)系，油氣富集于連通油源的深大斷裂破碎帶，附近的巖溶發(fā)育區(qū)成為目前探尋巖溶型油藏的重要領(lǐng)域[1]。魯新便等[2]將這種油氣藏正式命名為斷溶體油氣藏，其成因機理是：地下巖溶水順著深大斷裂帶滲流，對斷裂破碎帶進行溶蝕改造后形成具有復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)的巖溶縫洞系統(tǒng)，即典型的斷控巖溶； 油氣沿斷裂向溶蝕破碎帶運移，在上覆泥灰?guī)r或側(cè)向致密灰?guī)r的封擋下，聚集形成特殊類型的油氣藏。該類油氣藏埋藏深、非均質(zhì)性強，地震解釋精細識別難度很大。實際上，對這類油氣藏的認識經(jīng)歷了“古潛山”[3-4]、“不整合巖溶”[5]、“古溶洞系統(tǒng)”、“層間巖溶”[6]等多個階段，現(xiàn)在“斷溶體”的概念被逐漸認可[7-9]，并在油氣勘探中得到成功應(yīng)用。在油藏勘探初期，并未認識到“串珠”反射其實是一系列復(fù)雜縫洞系統(tǒng)的綜合響應(yīng)，隨著勘探開發(fā)的深入，發(fā)現(xiàn)斷溶體內(nèi)部縫洞結(jié)構(gòu)存在不同的分隔帶，這些分隔帶使斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，而現(xiàn)階段面臨的主要技術(shù)難題是斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的量化表征和評價。

物探解釋技術(shù)是描述斷溶體油藏的關(guān)鍵手段，前人研究細致刻畫了斷溶體的總體形態(tài)并取得了一定進展。鄭曉麗等[10]研究了塔北地區(qū)走滑斷裂與斷溶體之間的關(guān)系，描述了斷溶體模型特征； 馬乃拜等[11]介紹了斷溶體地震反射特征與識別方法，但對斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫表述較少； 張文彪等[12]總結(jié)了塔河油田托甫臺區(qū)奧陶系斷溶體構(gòu)型及表征方法； 劉寶增等[13]、李陽[14]提出了斷溶體空間刻畫方法，但沒有考慮上覆地層界面對小尺度縫洞體地震響應(yīng)的屏蔽作用，致使斷溶體內(nèi)部刻畫不夠精細。目前，斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫不清是制約該類油藏部署高效井以及剩余油挖潛的關(guān)鍵問題。斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫主要有兩個難點：①斷層附近弱地震反射能量的溶洞識別難度大； ②一些小斷距走滑斷層造成識別斷層和溶洞(斷溶體系統(tǒng))難度大[15]。

地震反射特征分析是識別斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的重要技術(shù)手段。本文以實際地震資料為基礎(chǔ)并結(jié)合動態(tài)資料，在地質(zhì)模式認識的基礎(chǔ)上，探討應(yīng)用去除斷溶體上覆地層強反射地震響應(yīng)技術(shù)、正交合成張量梯度屬性識別斷溶體邊界技術(shù)、張量梯度屬性約束下的地震波形反演識別斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)等刻畫斷溶體輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可行性，為在油水關(guān)系復(fù)雜的碳酸鹽巖油氣藏實施高效井位加密部署提供了新的思路。

1 斷溶體地質(zhì)模型及地震響應(yīng)特征

斷溶體內(nèi)部具有較復(fù)雜的三維空間展布特征，不同部位斷裂發(fā)育程度不同，溶蝕程度及膠結(jié)作用也存在差異。溶蝕程度相對低、膠結(jié)作用強的部位發(fā)育低滲透障壁分隔帶[16]，由于分隔帶的分割作用，油氣富集特征明顯差異化，進而制約了開發(fā)效果。因此，對斷溶體油藏內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征及分隔性的描述具有重要意義。

基于塔里木盆地塔中、塔北、塔河地區(qū)斷溶體油藏勘探開發(fā)實踐，逐步認識到斷溶體儲集體的發(fā)育模式呈現(xiàn)以油源斷裂為中心，橫向呈對稱的“五分結(jié)構(gòu)”的特征，即“圍巖—破碎帶—油源主斷裂區(qū)—破碎帶—圍巖”模式，且不同區(qū)帶內(nèi)儲集體類型、測井及鉆井特征各不相同[17]。構(gòu)建了斷溶體地震識別模式(表1)，油源主斷裂區(qū)以雜亂弱反射、雜亂強反射及較規(guī)律的“串珠狀”反射特征為主，實際鉆遇儲層為溶洞型、裂縫—孔洞型，鉆井過程中表現(xiàn)為放空漏失； 破碎帶以雜亂反射、弱反射特征為主，鉆遇儲層主要為裂縫—孔洞型，鉆井放空漏失率比油源主斷裂區(qū)低； 圍巖帶基本無異常反射，實鉆儲集體不發(fā)育[18]。

依據(jù)造成斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異的原因及各部分特征分析，描述斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征需要解決以下兩個方面難題：①斷溶體內(nèi)部弱反射儲層預(yù)測； ②小斷距斷裂識別。根據(jù)“五分結(jié)構(gòu)”模式建立正演地質(zhì)模型(圖1a)，模擬地質(zhì)模型的地震響應(yīng)特征(圖1b)表明，斷控巖溶體系為強反射特征，與實際地震剖面一致(圖1c)。

表1 塔里木盆地塔北斷溶體地震識別模式

圖1 斷溶體地質(zhì)模型(a)、模擬地震響應(yīng)特征(b)及實際地震剖面(c)

2 斷溶體結(jié)構(gòu)描述

根據(jù)鉆井、測井及巖心資料分析，斷溶體儲集空間主要為洞穴、斷裂及裂縫[19]。斷溶體刻畫包括邊界刻畫、內(nèi)幕結(jié)構(gòu)刻畫及斷裂系統(tǒng)表征三個重要內(nèi)容。斷溶體邊界主要采用結(jié)構(gòu)張量屬性描述，內(nèi)幕結(jié)構(gòu)刻畫分為斷裂裂縫、洞穴、孔洞三類儲層優(yōu)選敏感屬性分析或儲層反演。研究主要利用相位一致性特征去除斷溶體上覆地層界面強反射的技術(shù)，突出斷溶體內(nèi)部反射特征； 利用張量梯度屬性描述斷溶體邊界； 基于去除地層界面強反射的數(shù)據(jù)體，將張量梯度屬性轉(zhuǎn)化成斷溶體內(nèi)部儲層反演的初始模型，反演得到內(nèi)部儲層結(jié)構(gòu)特征； 最后通過單井巖石物理分析，將反演結(jié)果劃分成斷溶體主斷裂區(qū)、破碎帶和圍巖帶，為下一步部署井位、提高采收率提供基礎(chǔ)資料。

2.1 弱反射斷溶體地震識別

斷溶體初期勘探階段的研究主要是在地震剖面上尋找強反射特征，然而在實際生產(chǎn)中，一些具有弱反射振幅響應(yīng)特征的斷溶體也鉆遇了高產(chǎn)油氣流[20]。如何刻畫弱反射振幅響應(yīng)特征斷溶體結(jié)構(gòu)是高效開發(fā)該類油藏面臨的難點。例如塔里木盆地塔北、塔中、塔河地區(qū)以及四川盆地二疊系茅口組斷溶體發(fā)育區(qū)，上覆一套較厚的碎屑巖地層，通常在地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)強反射特征。這種區(qū)域性連續(xù)強反射往往會對下伏儲層的地震響應(yīng)產(chǎn)生屏蔽作用，特別是當(dāng)裂縫—孔洞型儲層地震響應(yīng)特征相對較弱時，易受到屏蔽作用而難以識別。

如圖2所示，通過反射系數(shù)A與子波B褶積得到地震反射數(shù)據(jù)體C，此時地震反射同相軸是上覆地層界面強反射地震響應(yīng)特征與其下儲層弱地震響應(yīng)特征的疊加。采用3個步驟去除上覆地層強反射的屏蔽作用：①將地震數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換到Wheeler地層域，目的是消除地震數(shù)據(jù)體或者其他屬性體中由于構(gòu)造運動產(chǎn)生的變化，恢復(fù)古沉積環(huán)境，直觀了解同時期沉積環(huán)境下的地層情況。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)體地震反射同相軸的產(chǎn)狀、相位等信息與地層、沉積等信息的相關(guān)性較強。斷溶體上覆連續(xù)強反射同相軸被恢復(fù)到水平狀態(tài)，其地震波的相位具有較好的一致性。②利用主成分分析法將具有相位一致性的波組提取出來，形成地震數(shù)據(jù)D，同時用地層域地震數(shù)據(jù)減去D，即得到wheeler域弱地震反射特征數(shù)據(jù)體E； 然后對E進行反wheeler域變換，將數(shù)據(jù)體恢復(fù)到構(gòu)造域。③對E進行分頻、反演，進一步凸顯弱地震反射儲層的特征。以上過程實際上是一個去除了低頻特征的濾波過程，因此能夠更凸顯小斷距斷裂的地震響應(yīng)特征。

利用上述波形分離法去除斷溶體上覆地層強反射，突出了斷溶體內(nèi)部儲層弱反射特征，同時地震剖面上斷裂系統(tǒng)更清晰(圖3)。原始地震剖面上有一組強反射同向軸(圖3a)，經(jīng)過主成分分析波形分解得到地層地震響應(yīng)剖面(圖3b)，圖3c為去除了地層強反射地震響應(yīng)后的地震剖面, 可以看出，巖溶儲層反射特征得到凸顯(紅色箭頭指示處)，剖面上走滑斷裂斷點更加清晰(綠色箭頭指示處)。

圖2 去除地層強反射特征原理示意圖

圖3 巖溶儲層地震數(shù)據(jù)波形分解剖面對比(a)原始地震剖面； (b)地層響應(yīng)特征地震剖面；(c)突出巖溶儲層響應(yīng)特征地震剖面

2.2 張量梯度屬性描述斷溶體邊界

梯度結(jié)構(gòu)張量分析(GST)法是將圖像紋理處理技術(shù)引入地震解釋領(lǐng)域的新型屬性分析方法。將地震數(shù)據(jù)視為圖像，依據(jù)

(1)

確定張量特征值相對大小及組合參數(shù)。式中：g為高斯函數(shù)；S為地震數(shù)據(jù)；L、T分別為線、道方向；m、n為線、道方向的塊大小。

通過識別地震圖像中的不同結(jié)構(gòu)特征或紋理單元(層狀紋理、雜亂紋理等)描述斷溶體，圖像中的紋理變化實際上代表地質(zhì)目標中的異常體(斷層、縫洞等)。該方法適用于三維地震數(shù)據(jù)中斷溶體反射結(jié)構(gòu)的解釋及其邊界特征自動識別[21-22]。

本文采用基于各向異性高斯濾波器的GST法，是一種基于振幅梯度對三維地震數(shù)據(jù)體圖像進行紋理分析的方法。該技術(shù)應(yīng)用范圍可以是三維地震數(shù)據(jù)和大角度斷裂發(fā)育區(qū)，其技術(shù)優(yōu)點包括:①可以實現(xiàn)多尺度邊緣檢測功能，得到反映沉積結(jié)構(gòu)的混沌體，即檢測沉積結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性； ②可以提取去除了垂向梯度的橫向梯度屬性，相比常規(guī)梯度屬性，能突出橫向地層內(nèi)的不連續(xù)性，有利于復(fù)雜沉積體邊界刻畫； ③可以得到較準確傾角數(shù)據(jù)，與第三代相干技術(shù)結(jié)合可以得到高精度的相干、曲率數(shù)據(jù)。

地震張量場計算公式為

D=?S(?S)T

(2)

式中?S是地震數(shù)據(jù)體S的在x、y、z三方向的導(dǎo)數(shù)。

采用求取高斯函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)褶積的方法使計算結(jié)果更穩(wěn)定

?S=S*Kσ

(3)

式中：σ為高斯函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)；K為應(yīng)力集中系數(shù)，可通過該區(qū)經(jīng)驗圖標查得。

D是一個對角陣，計算D的特征值λ1、λ2、λ3和特征向量。在三維空間上，斷溶體反射特征與鄰近地震道有明顯差異，因此三個方向上的特征值均不同，取其和作為梯度結(jié)構(gòu)張量的計算結(jié)果，其值越大，表明三個方向的混沌性越強，越有可能是斷溶體邊界的反映。通過GST法分析技術(shù)的應(yīng)用，斷溶體邊界特征得到增強，巖溶區(qū)(不連續(xù)區(qū))與致密區(qū)區(qū)分效果較好(圖4)。

圖4 梯度結(jié)構(gòu)張量分析效果圖(a)原始地震剖面; (b)張量梯度剖面

2.3 地震反演預(yù)測斷溶內(nèi)部縫洞結(jié)構(gòu)

在儲層定量或半定量描述中，常用到波阻抗反演技術(shù)。常規(guī)波阻抗反演可以較好地反映顆粒灘型碳酸鹽巖儲層，但對縱向上發(fā)育的斷溶體刻畫效果較差[23-25]。為此，采用一種去除地層信息的巖溶儲層地震波形指示反演技術(shù)。

波形指示反演充分利用地震波形的橫向變化反映儲層空間的相變特征，進而分析儲層垂向巖性組合的高頻結(jié)構(gòu)特征。該方法很好地體現(xiàn)了相控的思想，井、震結(jié)合高頻模擬，反演結(jié)果從完全隨機到逐步確定，對井位分布的均勻性沒有嚴格要求，可提高儲層反演的精度并擴展適用領(lǐng)域。反演的兩個主要參數(shù)是有效樣本數(shù)和最佳截止頻率。地震波形指示反演結(jié)果具有“低頻確定、高頻隨機”特征[26]，低頻部分由地震波形特征決定，高頻部分會受鉆井有效樣本數(shù)的影響。最佳截止頻率參數(shù)的選取原則是：如追求反演結(jié)果的確定性，則該參數(shù)不宜設(shè)置太高； 如追求反演結(jié)果的高分辨率，則該參數(shù)可以取高值。如圖5所示，研究工區(qū)有10個有效樣本，當(dāng)頻率達到63Hz時，擬合相關(guān)指數(shù)曲線開始趨于水平，該頻率就是最大有效頻率，即最佳截止頻率。因此，選用63Hz為該區(qū)最佳截止頻率，既能保障反演結(jié)果的確定性，又能保障反演的縱向分辨率。

在去除斷溶體上覆地層界面強反射的基礎(chǔ)上，將相對波阻抗與已知井的井旁阻抗進行交會分析(圖6)，得到屬性體轉(zhuǎn)換成波阻抗體的關(guān)系式

(4)

式中： PI為波阻抗； RPI為相對波阻抗。

利用該關(guān)系式把梯度結(jié)構(gòu)張量屬性體轉(zhuǎn)換成波組抗體，作為波阻抗反演的初始模型； 再將該初始模型作為約束條件應(yīng)用到波形指示反演流程中，最后得到既能表征斷溶體輪廓特征又能刻畫內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的反演數(shù)據(jù)。依據(jù)已知井標定取得斷溶體阻抗值范圍為小于1.25×107kg·s-1·m-2，其中阻抗值小于0.85×107kg·s-1·m-2為主斷裂巖溶區(qū)。

圖5 最佳截止頻率分析圖

圖7是應(yīng)用本文所提方法得到的去除地層反射特征的GST約束反演阻抗剖面(圖7b)及斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果(圖7c)，后者通過單井巖相巖石物理分析將反演結(jié)果劃分出不同的巖相帶。從該區(qū)帶的形態(tài)判斷應(yīng)為斷裂發(fā)育區(qū)，斷溶體縱向長度遠大于橫向?qū)挾?，橫向上可分出主斷裂帶(圖中紅色、橙色區(qū))、斷裂破碎帶(黃色區(qū))、圍巖致密帶(灰色區(qū))的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

圖6 縱波阻抗與相對波阻抗交會圖

圖7 斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震預(yù)測圖(井曲線為GR測井曲線)(a)原始地震剖面； (b)GST約束反演剖面； (c)斷控巖溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面

3 應(yīng)用效果

哈拉哈塘油田位于塔北隆起斜坡區(qū)，中、下奧陶統(tǒng)主要發(fā)育斷裂裂縫、洞穴和孔洞三類儲集體，儲層發(fā)育規(guī)模受控于多期活動走滑斷裂體系及順斷裂溶蝕作用[27]，是典型的斷溶體油藏，埋藏較深(>5500m)，發(fā)育玉爾吐斯組烴源巖，油源斷裂發(fā)育，油氣成藏條件優(yōu)越。目的層各組地層較平緩，表現(xiàn)為向東南方向傾斜的單斜構(gòu)造,現(xiàn)今構(gòu)造面貌是多期構(gòu)造運動疊加改造的結(jié)果，斷裂展布及發(fā)育受控于多期次的構(gòu)造運動[28]。

采用GST法地震屬性約束的斷溶體反演內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別技術(shù)(圖8)對HA-1-F井區(qū)單井?dāng)嗳荏w進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖，為斷裂分段評價提供基礎(chǔ)資料，解釋了不同斷裂帶之間、同一斷溶體不同部位含油氣規(guī)模的差異[29]。在斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別的基礎(chǔ)上劃分和評價斷溶體發(fā)育帶(圖9)。對工區(qū)內(nèi)另外3口井的預(yù)測結(jié)果如圖10所示，分小層統(tǒng)計各儲層時間厚度，分別乘以各儲層的平均速度以求得各層段儲層的厚度，最后將各層段儲層厚度相加即得到相應(yīng)的儲層預(yù)測厚度。表2統(tǒng)計了工區(qū)內(nèi)3口井的預(yù)測儲層厚度、實鉆厚度及預(yù)測絕對誤差，數(shù)據(jù)顯示絕對誤差小于4m。依據(jù)研究成果新鉆26口井，鉆探成功率由原來的78%提高到86%。證明本文的斷溶體劃分和評價方法能夠在斷溶體油藏勘探和高效開發(fā)井部署、剩余油挖潛中發(fā)揮重要作用[30-32]。

圖8 GST地震屬性約束斷溶體反演剖面

圖9 斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分剖面

圖10 工區(qū)內(nèi)3口井?dāng)嗳荏w識別預(yù)測(a)原始地震剖面; (b)去除不整合強反射地震剖面; (c)斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)反演地震剖面

表2 反演預(yù)測儲層厚度與實鉆厚度對比

4 結(jié)論與認識

本文基于實際地震資料提出去地層強反射技術(shù)、梯度結(jié)構(gòu)張量分析技術(shù)、巖溶儲層地震波形指示反演技術(shù)等斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別和油藏預(yù)測技術(shù)系列，取得以下幾點認識。

(1)識別出斷溶體內(nèi)部復(fù)雜縫洞結(jié)構(gòu)發(fā)育模式呈現(xiàn)以油源斷裂為中心、橫向呈對稱的“五分結(jié)構(gòu)”特征，即“圍巖—破碎帶—油源主斷裂區(qū)—破碎帶—圍巖”模式，為斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫提供了研究方向和思路。

(2)斷溶體地震響應(yīng)往往是斷、洞、縫與上覆地層的綜合響應(yīng)，去除上覆地層地震響應(yīng)影響能夠挖掘斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱振幅儲層響應(yīng)，是開展斷溶體內(nèi)部精細刻畫的重要基礎(chǔ)工作； 利用張量梯度屬性作為斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)反演的初始模型，能夠更好地量化斷溶體地震描述。

(3)斷溶體油藏內(nèi)部結(jié)構(gòu)量化描述是該類油藏精細開發(fā)的必由之路，斷溶體目標描述為規(guī)模目標優(yōu)選、井軌跡優(yōu)化、高效開發(fā)、措施建議等提供了直觀的資料依據(jù)。