南堡油田低級(jí)序斷層識(shí)別技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展

林偉強(qiáng),曲麗麗

中國石油冀東油田公司南堡油田作業(yè)區(qū),河北 唐山 063200

0 引言

南堡凹陷斷層組合樣式多樣,應(yīng)力場(chǎng)多變,屬于典型的復(fù)雜斷塊油田。近年來,隨著開發(fā)的深入,南堡油田油水關(guān)系、井間注采矛盾突出,提高采收率的難度越來越大。目前該油田部分區(qū)塊、斷塊有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí),尤其是低級(jí)序斷層能否精確識(shí)別,在一定程度上影響了南堡油田的開發(fā)水平[1-4],尤其是注水開發(fā)效果,由于低級(jí)序斷層的響應(yīng)特征不明顯,僅僅依靠單一的學(xué)科技術(shù),難以精確的識(shí)別。常用的地震、測(cè)井、重力等方法在斷層識(shí)別方面存在一定的多解性,對(duì)微小斷層的識(shí)別多限于解釋斷層的平面展布,而且無法從動(dòng)力學(xué)機(jī)制上解釋斷層[5]。而構(gòu)造背景分析法、斷層組合分析法、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析法、構(gòu)造物理模擬法、巖層曲率法等傳統(tǒng)解釋斷層的方法[6],則各有優(yōu)點(diǎn)和不足,構(gòu)造背景分析法和斷層組合分析法簡(jiǎn)單易行,但是誤差較大;構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬法、構(gòu)造物理模擬法和曲率法運(yùn)用起來準(zhǔn)確度較高,但是成本較高。本文針對(duì)南堡油田的斷塊發(fā)育特點(diǎn),綜合地質(zhì)、地震、測(cè)井、油藏等多學(xué)科綜合知識(shí),建立了“斷層成像處理—斷層屬性拾取—井震聯(lián)合刻畫—?jiǎng)討B(tài)驗(yàn)證調(diào)整”的低級(jí)序斷層解釋方法,在一定程度上降低了低級(jí)序斷層的多解性,提高了認(rèn)識(shí)精度,并在南堡油田多個(gè)區(qū)塊進(jìn)行了應(yīng)用,在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好效果。研究成果對(duì)復(fù)雜斷塊低級(jí)序斷層的識(shí)別具有較好的借鑒意義。

1 問題背景

經(jīng)過多年的開發(fā),南堡油田的注水區(qū)塊已經(jīng)進(jìn)入了中高含水階段,部分區(qū)塊受斷層認(rèn)識(shí)不清的影響,注水效果不明顯,水驅(qū)動(dòng)用程度較低;目前南堡油田新井產(chǎn)量的占比逐年增大,產(chǎn)能建設(shè)接替區(qū)儲(chǔ)備不足,新井井位論證工作存在較大挑戰(zhàn)。

南堡油田低級(jí)序斷層廣泛發(fā)育,研究低級(jí)序斷層的識(shí)別技術(shù),對(duì)于南堡油田注水區(qū)塊的完善注采井網(wǎng),制定和調(diào)整開發(fā)方案,尋找有利的剩余油富集區(qū),提高開發(fā)效果具有重要意義;另一方面,低級(jí)序斷層的正確認(rèn)識(shí),對(duì)于發(fā)現(xiàn)有利構(gòu)造,尋找新的產(chǎn)能建設(shè)區(qū),滾動(dòng)增儲(chǔ)增產(chǎn)具有積極的指導(dǎo)意義。

2 低級(jí)序斷層及發(fā)育特征

低級(jí)序斷層是相對(duì)于高級(jí)序斷層提出的概念,任何序級(jí)的斷層相對(duì)于比其序級(jí)高的斷層都可稱為低級(jí)序斷層,油田開發(fā)研究中,低級(jí)序斷層特指四級(jí)及以下的小斷層[6]。低級(jí)序斷層延伸短,一般斷距小于20 m,基本不控制油氣的聚集,但它使斷塊油藏進(jìn)一步復(fù)雜化,是剩余油富集的重要控制因素[7],一定程度上影響著注水開發(fā)的水驅(qū)狀況。

2.1 低級(jí)序斷層的響應(yīng)特征

由于地震資料分辨率的限制[8],斷距較小的斷層,特別是落差十幾米甚至幾十米左右的,在地震剖面上表現(xiàn)的不明顯,僅僅依靠地震剖面的響應(yīng),很難精確地識(shí)別。

一般情況下,落差較小的低級(jí)序斷層在地震剖面上主要表現(xiàn)為地震同相軸的能量突變、扭曲、分叉、合并、錯(cuò)位等(圖1),但也不排除是其他現(xiàn)象造成的同相軸異常,這時(shí)就需要綜合運(yùn)用到地震、地質(zhì)、測(cè)井以及油藏開發(fā)方面的知識(shí),從測(cè)井解釋斷點(diǎn)以及鄰井間的油水界面、壓力系統(tǒng)差異方面,推測(cè)小斷層的存在。

圖1 南堡油田低級(jí)序斷層的響應(yīng)特征Fig.1 Response characteristics of low-order faults in Nanpu Oilfied

2.2 南堡油田斷層發(fā)育特征及現(xiàn)狀

南堡凹陷是渤海灣盆地群北側(cè)中新生界疊合的含油氣凹陷,中、新生代經(jīng)歷了斷陷和坳陷兩個(gè)演化階段[9],是一個(gè)斷層極其發(fā)育、斷裂構(gòu)造系統(tǒng)復(fù)雜的新生代斷陷盆地[10-12]。斷層多期發(fā)育(表1),兼具伸展、走滑多種構(gòu)造屬性,促使地層發(fā)生復(fù)雜的破碎、變形,從而易于形成多組低級(jí)序斷層。斷層的組合模式復(fù)雜,斷層多,斷塊小,斷塊內(nèi)部4～5級(jí)低級(jí)序斷層發(fā)育,使得斷塊更為復(fù)雜化[13-18]。

表1 南堡油田各構(gòu)造斷層統(tǒng)計(jì)明細(xì)表Table 1 Statistical details of structural faults in Nanpu Oilfied

3 低級(jí)序斷層精細(xì)刻畫

針對(duì)上述問題,充分利用地震、地質(zhì)、測(cè)井、油藏信息,以地球物理綜合地質(zhì)解釋為主線,進(jìn)行空間的斷裂系統(tǒng)梳理和構(gòu)造的精細(xì)落實(shí)。優(yōu)選新資料,結(jié)合老資料,建立了“斷層成像處理—斷層屬性拾取—井震聯(lián)合刻畫—?jiǎng)討B(tài)驗(yàn)證調(diào)整”的斷層解釋流程(圖2),形成了多軟件,多技術(shù)、多數(shù)據(jù)優(yōu)化融合的低級(jí)序斷層精細(xì)描述技術(shù),降低斷層解釋的多解性。

圖2 低級(jí)序斷層解釋流程圖Fig.2 Flow chart of low-order faults interpretation

3.1 斷層成像處理技術(shù)

地震數(shù)據(jù)中包含大量的干擾信息,從而使地震剖面識(shí)別斷層的能力降低,通過濾波去除噪音,來提高地震資料信噪比和斷層的識(shí)別能力。

3.1.1 構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波

在進(jìn)行導(dǎo)向?yàn)V波處理之前,需要知道地震反射層位的最大傾角,對(duì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行傾角掃描處理。因?yàn)榈貙觾A角和方位角能突出地下那些斷距少于10 ms的斷層,這對(duì)于目的是識(shí)別斷距為20 m左右的低級(jí)序斷層來說,是至關(guān)重要的。

構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波成像技術(shù)是把不同其次或同一其次不同方向形變特征從目前疊加特征中分離出來的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。能夠最大限度的保護(hù)構(gòu)造信息和小斷層的成像能力,提高地震數(shù)據(jù)的信噪比,使地震同相軸連續(xù)性和間斷特征更明顯,提高低級(jí)序斷層識(shí)別能力。對(duì)傾角掃描之后的地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行導(dǎo)向?yàn)V波處理(圖3)。

圖3 構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波前后對(duì)比圖Fig.3 Construct comparison diagram before and after guided filtering

通過濾波前后地震剖面對(duì)比可以看出:構(gòu)造濾波后目的層段地震資料相位連續(xù),干擾噪音降低,斷點(diǎn)更清晰,斷層識(shí)別能力顯著提高。濾波后地震剖面識(shí)別斷層能力顯著增強(qiáng)。

3.1.2 分頻成像處理技術(shù)

分頻技術(shù)是地震成像處理分析中重要的組成部分,分頻技術(shù)可以提取離散頻率對(duì)應(yīng)的調(diào)諧振幅,經(jīng)分頻處理后的地震數(shù)據(jù)其解釋分辨率能力高于常規(guī)地震主頻所能達(dá)到的分辨能力,低級(jí)序斷層識(shí)別能力顯著增強(qiáng)(圖4)。需要注意的是,分頻處理時(shí),并非頻率越高越好,因?yàn)轭l率越高,噪聲就會(huì)越大,信噪比就會(huì)下降,會(huì)給斷層的解釋帶來干擾,要根據(jù)地震資料的主頻信息選取合適的分頻頻率。

圖4 分頻成像對(duì)比地震剖面Fig.4 Frequency division imaging and seismic profile comparison

通過分頻處理,地震資料成像效果明顯改善,地層接觸關(guān)系更加清晰,在50 Hz分頻剖面上,斷層成像明顯提高,小斷層更加清晰。

3.2 地震屬性技術(shù)輔助識(shí)別斷層

地震屬性指的是那些由疊前或疊后地震數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)學(xué)變換而導(dǎo)出的有關(guān)地震波的幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和統(tǒng)計(jì)學(xué)特征[19]。其中水平切片、曲率體、相干體、螞蟻體追蹤、屬性融合等地震屬性技術(shù)對(duì)于斷層的響應(yīng)較為敏感[20,21],可以輔助地震剖面識(shí)別斷層,提高斷層識(shí)別精度(圖5)。

圖5 地震多屬性綜合預(yù)測(cè)斷層Fig.5 Seismic multi-attribute comprehensive faults prediction

水平切片基本原理:等時(shí)水平切片的同相軸錯(cuò)開的大小與斷距大小對(duì)應(yīng),可以根據(jù)同相軸的中斷、錯(cuò)開、振幅突變、拐彎、走向不一致等特點(diǎn),分析小斷裂和斷層的細(xì)微變化。

曲率體基本原理:斷層在常規(guī)地震剖面上表現(xiàn)為同相軸的變化、扭曲、振幅突變,這些變化在地震曲率上表現(xiàn)為線性構(gòu)造特征,它反映了地層受構(gòu)造應(yīng)力擠壓時(shí)層面彎曲程度,因此利用線性構(gòu)造異常可進(jìn)行斷層預(yù)測(cè)。

相干體基本原理:在地下出現(xiàn)斷層、地層巖性突變及特殊地質(zhì)體的小范圍內(nèi),地震道之間的波形特征會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致局部的地震波形之間的不連續(xù)性,從而在相應(yīng)的相干數(shù)據(jù)體中出現(xiàn)較高的不相關(guān)性。

螞蟻體基本原理:在地震體中設(shè)定大量電子“螞蟻”,并讓每個(gè)“螞蟻”沿著可能的斷層面向前移動(dòng),同時(shí)發(fā)出“信息素”。沿?cái)鄬忧耙频摹拔浵仭睉?yīng)該能夠追蹤斷層面,若遇到預(yù)期的斷層面將用“信息素”做出非常明顯的標(biāo)記。而對(duì)不可能是斷層的那些面將不做標(biāo)記或只做不太明顯的標(biāo)記。 “螞蟻?zhàn)粉櫋彼惴ń⒘艘环N突出斷層面特征的新型斷層解釋技術(shù)。通過該算法可自動(dòng)提取斷層組,或?qū)Φ貙硬贿B續(xù)詳細(xì)成圖。

3.3 結(jié)合油藏動(dòng)態(tài)分析綜合判定斷層

由于地震資料品質(zhì)的限制,低級(jí)序斷層斷距較小,在地震剖面上響應(yīng)不明顯;另外,低級(jí)序斷層的地震剖面響應(yīng)特征與儲(chǔ)層相變的地震剖面響應(yīng)特征(表2)比較相似,常常會(huì)出現(xiàn)與儲(chǔ)層相變相混淆而導(dǎo)致錯(cuò)誤的認(rèn)為小斷層存在的情況,實(shí)際上可能只是由于砂體的連續(xù)性不夠而導(dǎo)致地震同相軸的變化,這種情況下小斷層是不存在的。目前我們主要以同相軸縱向上是否繼承性錯(cuò)斷、平面的走向是否一致作為區(qū)分低級(jí)序斷層和砂體疊置的主要依據(jù),但其主觀性較強(qiáng),解釋結(jié)果也是因人而異,因資料而異。如何區(qū)分低級(jí)序斷層和儲(chǔ)層相變?cè)诘卣鹌拭嫔系捻憫?yīng)特征,降低低級(jí)序斷層的多解性仍是一個(gè)難題。

因此,要將斷層等地質(zhì)認(rèn)識(shí)與油藏動(dòng)態(tài)資料與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合,去綜合判斷斷層的存在與否,最終達(dá)到降低斷層解釋多解性的目的。常用的油藏動(dòng)態(tài)資料有壓力監(jiān)測(cè)資料、示蹤劑資料等。鄰井之間的油水界面和壓力系統(tǒng)如果差異較大,可能是由于斷層的封堵作用所致,可能存在斷層。示蹤劑資料也是常用于判斷斷層是否存在的參考因素之一,如果注水井的對(duì)應(yīng)油井見劑,通常不會(huì)存在斷層;而如果油井長(zhǎng)期不見劑,就要考慮斷層、井間連通性、物性等多種因素,綜合判斷油井不見劑的原因。油水井的實(shí)際生產(chǎn)情況則是驗(yàn)證斷層是否存在最直觀、最簡(jiǎn)單的手段,對(duì)于斷層的認(rèn)識(shí)會(huì)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)果不斷的改進(jìn)和提升。

4 應(yīng)用情況

在實(shí)際生產(chǎn)中,通過井震藏一體化技術(shù)識(shí)別和解釋斷層,尤其是低級(jí)序斷層,精確確定斷點(diǎn)斷距,一方面可以解釋油水矛盾和注采矛盾,完善注采井網(wǎng),為油水井措施的實(shí)施提供依據(jù),指導(dǎo)開發(fā)方案的制定和調(diào)整;另一方面可以發(fā)現(xiàn)新的有利圈閉和構(gòu)造,指導(dǎo)新井的部署,滾動(dòng)增儲(chǔ)增產(chǎn)。目前這項(xiàng)技術(shù)已逐步應(yīng)用于南堡各構(gòu)造各區(qū)塊。

4.1 應(yīng)用實(shí)例

4.1.1 解釋注采矛盾,完善注采井網(wǎng)

南堡13-1292井是南堡1-5區(qū)中深層的一口注水井,于2015年8月轉(zhuǎn)注,起注壓力高,開注5個(gè)月之后,頂壓注水不進(jìn)。原井組位于南堡1288斷塊邊部(圖7a),一注三采,累計(jì)注采比1.6,油井無受效跡象。

圖7 南堡13-1292井區(qū)新老構(gòu)造認(rèn)識(shí)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of new and old structures of Ed1Ⅱ② in Nanpu 13-1292 well area

通過井震藏一體化的斷層解釋技術(shù)(圖6),重新落實(shí)南堡13-1292井?dāng)帱c(diǎn),明確該井主力油層位于南堡1-5斷塊(圖7b),合理地解釋了南堡13-1292井注水不進(jìn)和對(duì)應(yīng)油井不見效的原因,并為下步注采井網(wǎng)的調(diào)整指出了方向。

圖6 井震藏一體化技術(shù)精細(xì)解釋斷層Fig.6 Fine interpretation of faults by intergratation of logging, seismicity and reservoir technology

根據(jù)新認(rèn)識(shí),將南堡13-1292注采井組調(diào)整至南堡1-5斷塊(圖7b),把南堡13-1130井作為新的注水目標(biāo)井。通過物性分析和連通性分析,決定對(duì)南堡13-1292井進(jìn)行壓裂增注。2018年壓裂后,南堡13-1130井受效明顯,產(chǎn)量明顯上升,目前保持長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn),截至2021年11月,累計(jì)增油0.72×104t。通過對(duì)斷點(diǎn)和斷距的精確認(rèn)識(shí),南堡13-1292井組的注采井網(wǎng)得以調(diào)整和完善,并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好效果。

4.1.2 發(fā)現(xiàn)有利圈閉,指導(dǎo)井位部署

低級(jí)序斷層斷距雖小,但在一定程度上也具有遮擋和封堵作用,可以形成有利的圈閉,是我們進(jìn)行新井部署,滾動(dòng)增儲(chǔ)增產(chǎn)的重要研究因素。

南堡2-3淺層西部零星出油,油水矛盾較多,斷層和構(gòu)造認(rèn)識(shí)不清。根據(jù)已知出油井南堡203X20井、南堡23-2167井等的實(shí)際生產(chǎn)情況,運(yùn)用地震剖面響應(yīng)和地震屬性等技術(shù)(圖8)對(duì)目標(biāo)區(qū)的斷裂系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)梳理,尤其是低級(jí)序斷層進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)。

圖8 地震剖面和地震屬性識(shí)別斷層Fig.8 Fault identification by seismic profile and seismic attributes

最終認(rèn)識(shí)解釋了2條斷距為15 m左右的低級(jí)序斷層,形成了2個(gè)有利圈閉,共計(jì)4個(gè)主力目標(biāo)層,圈閉面積合計(jì)0.46 km2。在精細(xì)層位追蹤解釋的基礎(chǔ)上,重新落實(shí)構(gòu)造(圖9),預(yù)計(jì)增儲(chǔ)30×104t;在構(gòu)造高點(diǎn)處滾動(dòng)部署2口油井(南堡23-2164、南堡23-2165),設(shè)計(jì)單井產(chǎn)能6t,新建產(chǎn)能0.36×104t。

圖9 南堡203X20井區(qū)NgⅠ6新老構(gòu)造對(duì)比圖Fig.9 Comparison of new and old structures of NgⅠ6 in Nanpu 203X20 well area

截至2021年3月,已鉆2口井,平均鉆遇油層18.5 m/5層,油水同層32.5 m/10層,符合預(yù)期。目前2口井已全部投產(chǎn),其中南堡23-2165井于2021年3月投產(chǎn),初期日產(chǎn)油9.9 t,含水15.2%,目前日產(chǎn)油4.5 t,含水52.5%,截至2021年11月累計(jì)產(chǎn)油1 225 t;南堡23-2164井于2021年4月投產(chǎn),初期日產(chǎn)油7.5 t,含水8.3%,目前日產(chǎn)油4.6 t,含水46.2%,截至2021年11月累產(chǎn)油893 t。

4.2 應(yīng)用的進(jìn)展

目前井震藏一體化解釋斷層技術(shù)已逐步應(yīng)用于南堡各構(gòu)造,在南堡1號(hào)構(gòu)造應(yīng)用最為廣泛。其中,在南堡1-5區(qū)中深層進(jìn)行了詳細(xì)的斷層梳理,發(fā)現(xiàn)低級(jí)序斷層廣泛發(fā)育,發(fā)育小斷層29條,斷距15～30 m,新增斷層20條,調(diào)整6條(圖10)。

圖10 南堡1-5區(qū)Ed1II②1新老斷層方案對(duì)比圖Fig.10 Comparison of new and old faults schemes of Ed1II②1 in Nanpu 1-5 area

另外,運(yùn)用此技術(shù)在南堡1-1區(qū)中深層、南堡1-3區(qū)中深層、南堡2-1區(qū)淺層、南堡2-3區(qū)淺層、南堡4-3中深層等區(qū)塊也進(jìn)行了不同程度的斷層梳理,對(duì)于低級(jí)序斷層的識(shí)別和解釋精度也得到了一定程度的提高,為各構(gòu)造、各區(qū)塊的綜合調(diào)整方案的制定和調(diào)整起到了積極的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

南堡凹陷低級(jí)序斷層廣泛發(fā)育,低級(jí)序斷層的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)與否,制約著南堡油田的開發(fā)水平。為了降低斷層解釋的多解性,得到更真實(shí)的解,在精細(xì)地震構(gòu)造解釋過程中,建立了“斷層成像處理—斷層屬性拾取—井震聯(lián)合刻畫—?jiǎng)討B(tài)驗(yàn)證調(diào)整”的低級(jí)序斷層解釋流程,它是將地震、地質(zhì)、測(cè)井、油藏等多學(xué)科融合的井震藏一體化技術(shù),可以有效地提高低級(jí)序斷層的識(shí)別精度。

通過井震藏一體化技術(shù)解釋低級(jí)序斷層,精確地確定斷層的存在與否,以及斷點(diǎn)斷距,一方面可以合理地解釋實(shí)際生產(chǎn)中的注采矛盾、油水矛盾,指導(dǎo)油水井措施的實(shí)施,對(duì)完善注采井網(wǎng)、制定和調(diào)整開發(fā)方案具有重要意義;另一方面,精確地?cái)鄬诱J(rèn)識(shí),可以輔助發(fā)現(xiàn)有利圈閉,指導(dǎo)新井井位的部署,滾動(dòng)增儲(chǔ)增產(chǎn)。目前,井震藏一體化解釋斷層技術(shù)已在南堡1號(hào)構(gòu)造中深層和南堡2號(hào)構(gòu)造淺層進(jìn)行了廣泛應(yīng)用,地質(zhì)效果明顯,對(duì)其他區(qū)塊具有較好的借鑒意義。