碳酸鹽巖斷溶體構(gòu)型地震表征關(guān)鍵技術(shù)及應用

常少英，崔仕提，曹 鵬，王孟修，崔鈺瑤

1 中國石油杭州地質(zhì)研究院；2 中國石油大學（北京）；3 中國石油塔里木油田勘探開發(fā)研究院

0 前 言

隨著勘探的不斷深入，深層油氣藏逐步成為油氣勘探開發(fā)的重點領(lǐng)域。斷溶體油藏是深層勘探的一種重要油藏類型。目前，關(guān)于斷溶體儲層的成因機理主要有兩種：一種是地下水順著深大斷裂帶滲流，對斷裂破碎帶進行溶蝕改造，即由大氣水補給驅(qū)動的同生水循環(huán)模式；另一種是由火成巖活動驅(qū)動的遠端熱液模式。通過這兩種模式形成具有復雜三維空間結(jié)構(gòu)的巖溶縫洞系統(tǒng)，當油氣沿斷裂向溶蝕破碎帶運移時，在上覆泥灰?guī)r或側(cè)向致密石灰?guī)r的封擋下，油氣聚集形成特殊圈閉類型的油氣藏［1-2］。不管是哪種成因模式，斷裂特別是走滑斷裂在斷溶體成儲、成藏方面都起著關(guān)鍵作用，并且走滑斷裂樣式的變化控制著斷溶體規(guī)模的變化［3-4］。

在勘探開發(fā)實踐中，前期研究者將儲集體類型劃分為孤立洞穴型、縫洞型、裂縫孔洞型，主要采用直井鉆探串珠狀溶洞，然而實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)相鄰的串珠之間油氣開發(fā)特征差異顯著。目前，研究者對斷溶體的認識轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳嗔褞橹行模?-10］，指出了斷溶體與走滑斷裂之間的關(guān)系、斷溶體模型特征，劃分不同的斷溶體圈閉類型進行開發(fā)，取得了較好的開發(fā)效果［10-13］。但是，該類油藏依舊面臨著諸如弱能量斷溶體不易識別、斷溶體連通性不清晰，以及“小串珠”產(chǎn)量高、“大串珠”產(chǎn)量低，“低串珠”產(chǎn)油、“高串珠”產(chǎn)水等實際生產(chǎn)問題，歸根到底是由于斷溶體構(gòu)型表征不清楚。

物探解釋技術(shù)是量化認識和評價斷溶體的重要手段。馬乃拜等［14］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)的刻畫方法表述較少；程洪等［15］總結(jié)了斷溶體構(gòu)型類型及表征方法，提出了斷溶體空間刻畫方法，但沒有考慮地層界面的地震波對小尺度縫洞體地震響應的屏蔽作用，致使斷溶體內(nèi)部刻畫不夠精細。

本文在斷溶體構(gòu)型地質(zhì)模式認識的基礎(chǔ)上，利用動態(tài)、靜態(tài)生產(chǎn)資料，進行斷溶體幾何外形特征、規(guī)模及內(nèi)部巖相的表征，主要應用了3項關(guān)鍵技術(shù)：①應用地震波形分解技術(shù)去除上覆地層強反射特征，凸顯弱能量斷溶體；②在頻率域利用多尺度斷裂檢測技術(shù)來描述斷溶體邊界；③應用斷溶體縫洞巖相反演技術(shù)識別斷溶體輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。斷溶體構(gòu)型地震表征技術(shù)為斷溶體油藏高效井位優(yōu)選提供了新的思路，對油氣勘探階段有利儲集體的預測和開發(fā)階段剩余油預測挖潛都具有十分重要的意義。

1 斷溶體構(gòu)型地質(zhì)模型

走滑斷裂控制斷溶體縱向發(fā)育，常常形成十分復雜的3D網(wǎng)絡(luò)樣式。由于構(gòu)造變形對應力的吸收，應力強度沿著走滑斷裂在逐漸變化，它控制了斷裂活動強弱及演化程度。在靠近主壓應力方向，斷裂活動強度大，演化程度高，主干走滑斷裂多為辮狀構(gòu)造樣式；遠離主應力方向，斷裂活動強度小，演化程度也相對較低，主干斷裂多為雁列構(gòu)造樣式；在斷裂末端應力完全釋放，發(fā)育馬尾狀構(gòu)造樣式。馬尾狀構(gòu)造不僅發(fā)育在主干走滑斷裂的末端，同時在雁列斷層、辮狀斷層末端也會發(fā)育。不同部位的斷裂發(fā)育程度不同，溶蝕程度及膠結(jié)作用也存在差異。斷溶體可劃分成斷溶體主斷裂區(qū)、破碎帶、圍巖帶，而溶蝕程度相對低、膠結(jié)作用強的部位發(fā)育低滲透障壁分隔帶［16-18］。由于分隔帶的分割作用，造成了明顯的油氣差異化富集，從而影響了開發(fā)效果。

通過勘探實踐，依據(jù)走滑斷裂控儲規(guī)律及其結(jié)構(gòu)樣式［19-22］，總結(jié)了4 類斷溶體地質(zhì)構(gòu)型模式（圖1），分別是：①帚狀斷溶體。多發(fā)育于斷裂交會區(qū)或斷裂末端的“馬尾”區(qū)，在平面圖中斷裂交會于一處，斷裂活動強，主干與分支斷裂連通，斷溶體規(guī)模大，裂縫十分發(fā)育，儲集體連通概率大。②辮狀斷溶體。受控于辮狀主干斷裂，辮狀斷裂多發(fā)育在斷裂活動較強的區(qū)域，處于走滑斷裂演化的較成熟階段。沿斷裂發(fā)育的儲集體之間連通概率高，斷溶體規(guī)模大。③雁列式斷溶體。受控于雁列排布的剪切斷裂，在深層共用一個主干斷裂，到淺層逐漸撒開呈雁列式排布，剖面上形成正花狀構(gòu)造樣式。當油氣沿主干斷裂向各分支斷層運移時，可以在各斷溶體中得以保存，最終形成雁列式排布的孤立油氣藏。每一條雁列斷層控制一個斷溶體，沿單條斷裂儲集體連通概率大。由于各雁列斷層間并未發(fā)育連接斷層，未遭受斷裂破壞，巖性致密的地層可形成側(cè)向遮擋。④線狀斷溶體。為線性斷裂控制的斷溶體，主干和分支斷裂均可發(fā)育，為碳酸鹽巖最基本的圈閉類型。由于線性斷裂的活動較弱，控制溶蝕的范圍有限，小的斷溶體可以只發(fā)育一個“串珠”，大的斷溶體長度往往不超2 km，溶蝕深度在1.5 km 以內(nèi)，在三維空間中呈立體不規(guī)則的形態(tài)。線狀及雁列式斷溶體連通性較差，天然能量不足或微弱。

圖1 斷溶體圈閉類型模式圖Fig.1 Pattern diagram of fault-karst trap type

2 斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)量化描述技術(shù)

通過對實際生產(chǎn)問題的分析，發(fā)現(xiàn)斷溶體構(gòu)型精細表征對解決目前面臨的問題具有較好的效果。斷溶體構(gòu)型精細表征主要包括以下3個方面的技術(shù)內(nèi)涵：斷溶體內(nèi)部弱能量儲層地震識別、斷溶體邊界頻率域多尺度斷裂檢測、斷溶體縫洞巖相反演。

2.1 斷溶體內(nèi)部弱能量儲層地震識別

目前，斷溶體的識別主要是在地震剖面上找強串珠狀反射特征。在實際生產(chǎn)中，并不是強反射規(guī)模越大開發(fā)效果越好，而是通常有“小串珠”產(chǎn)量高、“大串珠”產(chǎn)量低的現(xiàn)象，而“小串珠”因其反射能量較弱，往往容易被忽視，因此如何尋找內(nèi)部弱振幅響應特征的斷溶體并將其結(jié)構(gòu)刻畫出來是高效開發(fā)該類油藏面臨的難點。通過研究發(fā)現(xiàn)，在斷溶體發(fā)育區(qū)，上覆地層往往是較厚的泥巖地層，其與碳酸鹽巖地層的接觸界面往往是穩(wěn)定的強反射特征。這種區(qū)域性穩(wěn)定的強反射往往會對下伏儲層的地震響應特征有屏蔽作用而導致難以識別。針對這種情況，采用地震波形分解技術(shù)來去除地層強反射特征，凸顯巖溶儲層的弱地震響應特征。

地震波形分解技術(shù)的思路是將地震波形視作不同形態(tài)子波的疊加［23］。具體實施過程為：首先，對疊后數(shù)據(jù)進行分解，將地震道中某個目標層段的地震波分解成不同分量，即分解成不同主頻和能量的雷克子波，第1 分量代表了在所有輸入的地震數(shù)據(jù)段中具有最大共性、最大能量的波形，其地質(zhì)意義則反映了研究區(qū)最大一級沉積相的地層在巖性、巖相和地層結(jié)構(gòu)類型上的綜合地震響應特征，其振幅屬性則反映了這一綜合特征在該區(qū)的分布形態(tài)。其次，將所有分解得到的雷克子波進行重構(gòu)，再得到和原始地震道極為相似的地震道。最后。從原地震道中去除第1 分量的雷克子波，用剩下的雷克子波重構(gòu)得到新的數(shù)據(jù)體，最終用以反映目標地質(zhì)體的反射系數(shù)所產(chǎn)生的地震波。

上述過程實際上是一個濾波的過程，即去除了低頻的特征，凸顯了小斷距斷裂的地震響應特征。利用以上波形分離法去除斷溶體上覆地層強反射的地震波形，剩余地震波形中原始弱反射地震波得到增強，可以很好反映出斷溶體內(nèi)部弱反射儲層的發(fā)育特征，同時可以使地震剖面上的斷裂點更加清晰。如圖2a 為塔北Ha6 井區(qū)塊鷹山組原始地震剖面，圖2b為去除了強反射的地震剖面，除了①、②號部位儲層響應特征外，在圖2b 中發(fā)現(xiàn)了新的③號部位儲層響應特征。如圖3 所示，對地震波形分解后的數(shù)據(jù)體提取均方根振幅屬性沿層切片，哈拉哈塘地區(qū)一間房組頂部巖溶儲層的平面分布特征有了較大的變化，發(fā)現(xiàn)了新的儲層分布：技術(shù)應用后的圖3b與技術(shù)應用前的圖3a相比，在紅色箭頭標識處增加了大量的點狀巖溶儲層強能量振幅響應特征。

圖2 巖溶儲層地震波形分解前后剖面對比Fig.2 Comparison of profiles showing fault-karst reservoir before and after seismic waveform decomposition

圖3 巖溶儲層地震波形分解前后屬性平面圖對比Fig.3 Comparison of attribute plans showing fault-karst reservoir before and after seismic waveform decomposition

2.2 斷溶體邊界頻率域多尺度斷裂檢測

常規(guī)斷裂識別方法比如相干體，其通過計算縱向和橫向局部波形的相似性，考慮了地震數(shù)據(jù)的極性、振幅、相位的相似性，來表征地層邊界、特殊巖性體的不連續(xù)性，對地震信號明顯的不連續(xù)性能夠有效揭示，成為三維地震資料解釋的常用手段之一。但是常規(guī)的振幅相干體的分辨率比較低，而且抗噪性較差，這極大的制約了相干體技術(shù)在精細勘探中的應用。塔里木盆地、四川盆地發(fā)現(xiàn)的斷溶體油藏多發(fā)育走滑斷裂，斷距往往較小，其地震響應特征較弱。因此，需要一種對于小斷距走滑斷裂識別更敏感的方法。

頻率域多尺度斷裂檢測新方法通過高分辨率的頻譜分解，生成一系列單頻體（10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz……），不同頻率對不同尺度的地質(zhì)體具有較好的敏感性，可以得到其相應的振幅體和相位體。然后對不同頻率的振幅體和相位體進行邊緣增強，識別不同頻率的波形、振幅和相位等多種優(yōu)選的不連續(xù)性屬性。由于原始地震數(shù)據(jù)包含了傾角、方位角等信息，將原始地震數(shù)據(jù)沿著一組走向和傾角，計算每一點最低的相似度，檢測到的斷裂在剖面上比第三代屬性技術(shù)（如螞蟻體、相干屬性）的處理結(jié)果顯示出更強的連續(xù)性，針對相似性做全區(qū)歸一，使之更能夠反映斷層的線性關(guān)系。最終的最大似然斷裂數(shù)據(jù)體更加接近斷裂的原貌，在地震反射軸錯斷和變形的區(qū)域都能夠刻畫出斷裂，通過自適應的主成分分析法得到反映不同尺度的斷裂檢測屬性體，在剖面上更加接近人工解釋的斷裂。如圖4a 為常規(guī)相干技術(shù)斷裂識別效果剖面圖，圖4b 為頻率域多尺度斷裂檢測效果剖面圖，圖中紅色箭頭標識處，顯示新方法對斷裂發(fā)育特征刻畫得更為清晰。在平面上，應用常規(guī)相干技術(shù)得到的斷裂分布帶能量不聚焦（圖5a），噪音沒能夠得到壓制，斷裂不夠清晰；而應用新方法得到的斷裂檢測數(shù)據(jù)體（圖5b），斷裂邊緣清晰，微斷裂得到識別，技術(shù)的抗噪性也較強。新方法的優(yōu)點在于實現(xiàn)了對弱地震響應的斷裂識別，能更好、更精確地提供斷裂信息。

圖4 頻率域多尺度斷裂檢測技術(shù)應用前后剖面對比Fig.4 Comparison of profiles showing fracture before and after multi-scale fracture detection in frequency domain

圖5 頻率域多尺度斷裂檢測技術(shù)應用前后平面圖對比Fig.5 Comparison of attribute plans showing fracture before and after multi-scale fracture detection in frequency domain

2.3 斷溶體縫洞巖相反演

斷溶體發(fā)育孔、洞、縫等多種儲集空間類型，非均質(zhì)性極強。定量刻畫斷溶體及其物性在三維空間的展布一直是該類油藏開發(fā)亟待解決的難題［24-26］。本文結(jié)合地質(zhì)、測井先驗信息，集成了斷溶體縫洞巖相反演技術(shù)：首先進行多井巖相分類，劃分出主斷裂巖溶相、巖溶縫洞相、斷裂破碎相、致密巖相（隔擋層巖相）等4 類巖相，通過對不同巖相與測井參數(shù)的分析（圖6），可以看出不同巖相表現(xiàn)出不同的伽馬、電阻率及縱波阻抗特征。主斷裂巖溶相呈中—低伽馬、中—高電阻率和高波阻抗特征；巖溶縫洞相呈低伽馬、高電阻率、高波阻抗特征；斷裂破碎相呈低伽馬、高電阻率、中—低波阻抗特征；致密巖相（隔擋層巖相）以低伽馬、高電阻率和低/高波阻抗為特征。然后利用不同巖相的波阻抗分布特征，建立波阻抗與巖相之間的統(tǒng)計關(guān)系，通過“云變換”到縫洞儲集體的巖相數(shù)據(jù)體，從巖相的角度定量評價縫洞儲集體的空間非均質(zhì)性。

圖6 巖相巖石物理分析圖版Fig.6 Lithofacies petrophysical analysis chart

與常規(guī)方法對比，該方法的評價結(jié)果與井點解釋巖相有較高的吻合度，井間趨勢上更加依賴地震響應特征，是一種地震數(shù)據(jù)主控的儲集體巖相評價方法。如圖7a為原始地震剖面，圖7b為斷溶體巖相地震預測剖面，后者對原始地震剖面上的串珠狀響應特征進行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)識別，紅色代表主斷裂巖溶相，橙色代表巖溶縫洞相，黃色代表斷裂破碎相，黑色代表致密巖相（隔擋層巖相），實現(xiàn)了對斷控縫洞儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細劃分。該項技術(shù)對于強非均質(zhì)油藏的物性發(fā)育規(guī)律評價具有指導意義。

圖7 斷溶體巖相地震預測剖面Fig.7 Profiles showing seismic prediction effect of fault-karst lithofacies

3 應用效果

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)育裂縫、洞穴和孔洞3 類儲集體，儲層發(fā)育規(guī)模受控于多期活動的走滑斷裂體系及順斷裂的溶蝕作用［27］，為典型的斷溶體油藏；埋藏較深（＞5 500 m），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。

斷溶體具有強烈的非均質(zhì)性：橫向沿斷裂帶分布，具有分段性；縱向成網(wǎng)狀分布，具有不規(guī)則性。斷溶體構(gòu)型地震表征技術(shù)一個重要的應用就是識別斷溶體儲層的連通性。斷溶體油氣藏的復雜性給鉆探帶來巨大困難［21］。由于鉆頭尺寸小，直接命中主體儲集體的概率非常低，往往需要采用大型酸壓溝通儲集體來獲得工業(yè)油氣流，從而大大增加了勘探開發(fā)成本。因此，儲層的連通性描述在鉆探過程中就顯得格外重要。通過斷溶體構(gòu)型地震表征技術(shù)描述儲集體的連通性可以為尋找規(guī)模儲集體、描述縫洞單元、優(yōu)化鉆井設(shè)計、提高鉆探的命中率提供依據(jù)，為油氣勘探開發(fā)節(jié)約成本。具體做法是：利用斷溶體構(gòu)型地震表征技術(shù)得到的斷溶體巖相，再應用不同巖相的波阻抗值與孔隙度的擬合關(guān)系，得到孔隙度體，將孔隙度體重新采樣到縫/洞三維構(gòu)造地質(zhì)建模的網(wǎng)格中進行定量化，并根據(jù)同一網(wǎng)格、縫/洞優(yōu)先的原則，將縫/洞和雜亂反射地震相合并成為一個縫洞體。然后在這個縫洞體的基礎(chǔ)上根據(jù)網(wǎng)格是否相連進行搜索，求得縫洞連通體（圖8）。

圖8 塔里木盆地哈拉哈塘油田Ha601井區(qū)斷溶體連通圖Fig.8 Connectivity diagram of fault-karst reservoir in Ha601 well area of Halahatang Oilfield，Tarim Basin

動態(tài)干擾試井測試結(jié)果表明，Ha601-6 井組與Ha601-2 井組之間相互連通，與靜態(tài)刻畫結(jié)果相吻合。如Ha601-6井壓力過程可分為3個階段：階段1壓力下降，階段2 壓力上升，階段3 壓力再次下降，與Ha601-2 井的注水周期一致，表明這兩個井組之間是連通的。對于這種連通面積非常大的斷溶體油藏可借鑒碎屑巖開發(fā)經(jīng)驗，后期通過低注高采建立“注采井網(wǎng)”，采取“一井多靶”、大斜度井的方式來提高儲集體鉆遇率，增加效益。Ha601-6 井組與Ha601-2井組圈閉總體積約為2 000×104m3，儲量約為400×104t。

實際的開發(fā)特征也證實，Ha6 斷裂帶北段的3口井Ha601-10 井、Ha601-8 井、Ha601-9 井均不連通，它們的生產(chǎn)過程表現(xiàn)出不同的壓力變化趨勢，產(chǎn)能也有顯著差異。Ha601-10 井累產(chǎn)油12×104t，Ha601-8井累產(chǎn)油5.1×104t，Ha601-9井累產(chǎn)油僅有0.25×104t，表明這3 口井處于3 個孤立的斷溶體油藏。由點狀溶洞轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體斷溶體的開發(fā)思路后，鉆井成功率由75%左右提升到94%，為哈拉哈塘地區(qū)碳酸鹽巖油藏開發(fā)打開了新局面。

4 結(jié) 論

在斷溶體構(gòu)型地質(zhì)模式認識的基礎(chǔ)上，利用動態(tài)、靜態(tài)生產(chǎn)資料，進行斷溶體幾何外形特征、規(guī)模及內(nèi)部巖相的表征，形成了斷溶體內(nèi)部的弱能量儲層地震識別技術(shù)、斷溶體邊界頻率域多尺度斷裂檢測技術(shù)、斷溶體縫洞巖相反演技術(shù)等斷溶體油藏高效井預測技術(shù)系列。

（1）斷溶體地震響應往往是斷層、孔洞、裂縫與上覆地層的綜合響應，去除上覆地層地震響應特征，能夠挖掘斷溶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱振幅儲層響應特征，這是斷溶體內(nèi)部精細刻畫的重要基礎(chǔ)工作。利用波阻抗與巖相之間的“云變換”刻畫斷溶體內(nèi)部巖相分布特征，能夠更好地進行斷溶體的地震量化描述。

（2）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，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)，有效地指導了多口井的部署。該技術(shù)是斷溶體目標描述的有力手段。