塔里木盆地西南巴探井區(qū)石炭系非常規(guī)氣藏圈閉的預(yù)測(cè)
——基于地震波衰減的含氣檢測(cè)方法

陳慶龍,姜 楠,王 凱,于夢(mèng)涵,許 政,趙 鑫

(1. 西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,西安 710069; 2. 西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710069;3. 中國(guó)石油物資有限公司西安分公司,西安 710000; 4. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司 伴生氣綜合利用項(xiàng)目部輕烴銷售部,西安 710016; 5. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第四采氣廠,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017399; 6. 西安川秦石油科技有限公司,西安 710018)

1 研究背景

石油勘探開發(fā)從常規(guī)油氣領(lǐng)域向非常規(guī)油氣發(fā)展邁進(jìn)。20世紀(jì)90年代以來,中國(guó)出現(xiàn)了多類非常規(guī)油氣概念,包括深盆氣[1]、根源氣[2]、深盆油[3]、致密油[4]、頁(yè)巖氣[5]和頁(yè)巖油[6]等。區(qū)分常規(guī)油氣與非常規(guī)油氣的關(guān)鍵在于油氣圈閉界限和儲(chǔ)層參數(shù)。對(duì)非常規(guī)油氣的評(píng)價(jià)更加看重?zé)N源巖的特性、巖性、物性、脆性及含油氣性與應(yīng)力各向異性之間的匹配關(guān)系[7]。關(guān)于非常規(guī)油氣的地質(zhì)研究,主要集中在儲(chǔ)層、沉積環(huán)境、勘探方法及圈閉評(píng)價(jià)等方面。非常規(guī)油氣的儲(chǔ)層參數(shù)規(guī)定其孔隙度小于10%,孔喉直徑小于1 μm,表現(xiàn)為納米-微米孔喉,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,物性較差,具有低孔和低滲的特征[8]。鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組的致密砂巖油和頁(yè)巖油,平均孔隙度約為5%～10%,滲透率基本小于1 mD甚至更低。四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖氣孔隙度為1%～3%,滲透率小于0.01 mD。中國(guó)典型盆地非常規(guī)油氣儲(chǔ)層特征見表1[7]。沉積環(huán)境研究認(rèn)為,非常規(guī)油氣的儲(chǔ)層一般發(fā)育在水下沉積環(huán)境,多出現(xiàn)在三角洲前緣,沉積微相以席狀砂和砂壩為主。非常規(guī)油氣的勘探核心主要是尋找大面積儲(chǔ)集體,即“甜點(diǎn)區(qū)”[9]。“甜點(diǎn)區(qū)”的尋找是一個(gè)多關(guān)鍵問題的糅合體,涉及烴源巖發(fā)育、儲(chǔ)集體分布、流體流動(dòng)性、高油氣飽和度以及裂縫發(fā)育程度等問題[10]。

表1 中國(guó)典型盆地非常規(guī)油氣儲(chǔ)層特征Table 1 Characteristics of unconventional hydrocarbon reservoirs in China’s typical basin

針對(duì)上述問題,該文的研究重點(diǎn)集中在“尋找大面積儲(chǔ)集體”上。利用三維地震衍生下的地震烴類檢測(cè)技術(shù),結(jié)合儲(chǔ)層含氣特性,可以預(yù)測(cè)含烴圈閉。這類方法通常利用巖石物理參數(shù)或地震屬性對(duì)含氣儲(chǔ)層的特殊信號(hào)進(jìn)行反饋完成圈閉預(yù)測(cè)[11],包括亮點(diǎn)技術(shù)、AVO技術(shù)、低頻陰影和頻譜分解技術(shù)等[12-14]。亮點(diǎn)技術(shù)加強(qiáng)了地震剖面振幅的強(qiáng)度,提高了氣層識(shí)別成功率,但波阻抗差帶來的多解性也提升了含氣儲(chǔ)層的分辨難度。AVO技術(shù)的原理來源于反射振幅與偏移距之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但太多的條件假設(shè)[15],同樣造成含氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的多解性。低頻陰影技術(shù)的弊端在于真實(shí)的含氣層可能被強(qiáng)反射界面掩蓋,從而影響預(yù)測(cè)效果[16]。對(duì)此,該文利用地震波衰減的含氣檢測(cè)方法,借助不同頻率地震數(shù)據(jù)體能量之間的差異,對(duì)不同地層進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)合儲(chǔ)層、烴源巖、蓋層和可能存在的構(gòu)造之間的相互匹配關(guān)系,對(duì)可能存在的含氣圈閉進(jìn)行預(yù)測(cè)。

該文以塔里木盆地巴楚隆起的巴探井區(qū)為例,對(duì)已經(jīng)勘探成功的奧陶系鷹山組灰?guī)r氣藏進(jìn)行方法驗(yàn)證,同時(shí)檢測(cè)出上石炭統(tǒng)卡拉沙依組地層可能存在較大面積的含氣圈閉。結(jié)合沉積相分析以及生、儲(chǔ)、蓋的匹配關(guān)系,對(duì)研究區(qū)可能存在的圈閉進(jìn)行可靠性論證。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地是一個(gè)由古生界克拉通盆地和中、新生界前陸盆地組成的大型疊合盆地[17]。巴楚隆起作為塔里木盆地西南地區(qū)主要的次級(jí)構(gòu)造單元之一,經(jīng)歷多期構(gòu)造活動(dòng),對(duì)烴源巖、儲(chǔ)集層、蓋層及油氣運(yùn)移具有明顯控制作用。海米羅斯構(gòu)造帶位于巴楚隆起西南部,形成于喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),平面上呈北西—南東延伸,是巴探井區(qū)的主要構(gòu)造單元。塔里木盆地巴楚地區(qū)構(gòu)造單元與研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 塔里木盆地巴楚地區(qū)構(gòu)造單元與研究區(qū)位置Fig.1 Structural units and research area location in Bachu Area, Tarim Basin

巴楚地區(qū)上古生界烴源巖發(fā)育于上石炭統(tǒng),主要為開闊海臺(tái)地潮下低能泥頁(yè)巖沉積,與潮間砂坪間互,以IIa型有機(jī)質(zhì)為主,有機(jī)質(zhì)豐度較高。下古生界烴源巖發(fā)育于中下寒武統(tǒng),主要為臺(tái)地內(nèi)凹陷和瀉湖等低能環(huán)境且與膏巖共生,賦存于大套膏巖之下的碳酸鹽巖烴源巖,巖性主要為灰黑色含膏泥質(zhì)泥晶白云巖、泥質(zhì)泥晶灰?guī)r及含膏泥質(zhì)烴源巖等,最大厚度超過600 m,有機(jī)質(zhì)主要為腐泥型,成熟度中等[18],具備良好生烴條件?，F(xiàn)已探明的氣藏儲(chǔ)層主要為奧陶系鷹山組灰?guī)r氣藏和寒武系肖爾布拉克組,寒武系可能存在的鹽下白云巖儲(chǔ)層也包括阿瓦塔格組和吾松格爾組[19]。寒武系白云巖儲(chǔ)層以粉-泥晶白云巖為主,奧陶系灰?guī)r儲(chǔ)層以亮晶灰?guī)r和微晶灰?guī)r為主[20]。寒武系蓋層為上部的膏巖和巖鹽;奧陶系蓋層為上部泥頁(yè)巖;但對(duì)石炭系儲(chǔ)層及蓋層的研究較少,基本認(rèn)為儲(chǔ)、蓋層為三角洲相沉積下的砂巖和泥巖?？傮w來說,巴楚地區(qū)的生烴條件和儲(chǔ)蓋組合良好,具備較好的氣藏圈閉成藏條件。

3 鷹山組氣藏含氣驗(yàn)證

巴探井區(qū)發(fā)現(xiàn)的奧陶系鷹山組灰?guī)r氣藏儲(chǔ)層為巖溶縫洞型,屬于巖性氣藏。巴探5井鉆井落實(shí)圈閉面積17.6 km2,圈閉范圍受巖性和構(gòu)造雙重控制。該段儲(chǔ)層在巴探5井的生產(chǎn)過程中具有較高產(chǎn)能,日產(chǎn)氣約為24 910 m3。對(duì)于已經(jīng)證實(shí)的儲(chǔ)氣圈閉,利用含氣檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。不含氣、低飽和度和高飽和度氣藏的頻率隨振幅變化如圖2所示,當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ谕ㄟ^含烴地層時(shí),會(huì)導(dǎo)致地層產(chǎn)生低頻能量升高、高頻能量降低的現(xiàn)象[21]。將三維地震數(shù)據(jù)體分隔為間隔5 Hz的能量體,通過傅里葉變換,計(jì)算目標(biāo)能量體與相隔兩側(cè)能量體之間的平均值,從而識(shí)別20～50 ms時(shí)窗內(nèi)可能存在的含氣區(qū)域。同時(shí),利用該方法在塔里木盆地寒武系阿瓦塔格組和吾松格爾組鹽下白云巖氣藏[19],鄂爾多斯盆地南部延長(zhǎng)組長(zhǎng)63段氣藏[22]及塔河油田于奇東地區(qū)巖性氣藏[23]等多個(gè)區(qū)域完成了研究。

圖2 不含氣、低飽和度和高飽和度氣藏的頻率隨振幅變化Fig.2 Frequency varies with amplitude in gas-free, low-saturation and high-saturation gas reservoirs

奧陶系鷹山組氣藏具體表現(xiàn)為:該地層的地震反射界面為T74,該界面地震剖面表現(xiàn)為兩峰兩谷的中強(qiáng)振幅特征。對(duì)鷹山組地層主頻和含氣主頻分析發(fā)現(xiàn),地層主頻約為25 Hz,而含氣地層主頻約為20 Hz,奧陶系鷹山組過巴探5井地震剖面及頻譜圖如圖3所示。含氣地層的主頻降低與地震波在含氣層的傳播過程中受到一定程度阻擋而產(chǎn)生的縱波衰減有關(guān),表現(xiàn)為高頻能量相對(duì)降低,頻率峰值相對(duì)降低的特點(diǎn)。另外,將地層主頻因含氣降低率先達(dá)到的最大振幅作為調(diào)諧振幅,調(diào)諧振幅與相鄰振幅之間的差值,在含氣區(qū)域表現(xiàn)為正值,在不含氣區(qū)域則表現(xiàn)為負(fù)值。因此,表現(xiàn)為正值的衰減能量可以反映含氣區(qū)域。在鷹山組20 Hz的衰減異常平面圖中,可以看到巴探5井所在的區(qū)域存在北東東向的紅色異常區(qū)域,該區(qū)域即為已探明的灰?guī)r氣藏。將鷹山組頂部的衰減異常平面圖與構(gòu)造圖疊合,結(jié)果顯示,巴探5井所在的斷背斜圈閉正位于衰減異常范圍的最西端,東段還存在更大面積的含氣區(qū)域(如圖4所示)。從而表明,構(gòu)造條件對(duì)于該氣藏起到了局部控制作用,更大面積的含氣區(qū)域與儲(chǔ)層巖性相關(guān)。因此,奧陶系鷹山組灰?guī)r氣藏應(yīng)該進(jìn)一步定義為構(gòu)造-巖性復(fù)合氣藏。

圖3 過巴探5井地震剖面及頻譜圖Fig.3 Seismic profile and spectrum map of well Bt5

圖4 奧陶系鷹山組(時(shí)窗T74+50 ms)等T0時(shí)間域構(gòu)造圖與含氣圈閉Fig.4 T0 time domain structure map and gas trap of Ordovician Yingshan Formation (time window T74+50 ms)

4 上石炭統(tǒng)卡拉沙依組地層含氣特征

同樣的,利用該方法在石炭系卡拉沙依組地層識(shí)別出可能存在的含氣圈閉。對(duì)石炭系卡拉沙依組底面(T56)向上50 ms時(shí)窗做頻譜分析,對(duì)目的層(T56-50 ms)每隔5 Hz做不同頻率均方根振幅分析。圖5所示為上石炭統(tǒng)卡拉沙依組(時(shí)窗T56-50 ms)頻譜圖,結(jié)果顯示,5 Hz時(shí)振幅強(qiáng)度最弱,20～30 Hz時(shí)振幅最強(qiáng),地層主頻約為25 Hz。而10～15 Hz時(shí)振幅能量達(dá)到最大,發(fā)生調(diào)諧,表明該區(qū)域可能含氣。其頻率特征表現(xiàn)為高頻能量相對(duì)下降,低頻能量相對(duì)增高,含氣頻率峰值向低移動(dòng)。圖6 所示為上石炭統(tǒng)卡拉沙依組(時(shí)窗T56-50 ms)不同頻率均方根振幅屬性圖,圖6顯示,在地層主頻為25 Hz甚至更大時(shí),過井區(qū)域并無較強(qiáng)振幅區(qū)域出現(xiàn)。而在小于地層主頻時(shí),過井區(qū)域存在不同于其他主頻的較強(qiáng)振幅。

圖5 上石炭統(tǒng)卡拉沙依組(時(shí)窗T56-50 ms)頻譜圖Fig.5 Spectrum of Upper Carboniferous Karashayi Formation (time window T56-50 ms)

圖6 上石炭統(tǒng)卡拉沙依組(時(shí)窗T56-50 ms)不同頻率均方根振幅屬性圖Fig.6 Attribute map of RMS amplitude at different frequencies of Upper Carboniferous Karashayi Formation (time window T56-50 ms)

5 卡拉沙依組含氣解釋

對(duì)石炭系卡拉沙依組底部地震衰減分析如圖7所示?？ɡ骋澜M底部地層存在的衰減異常區(qū)域,表現(xiàn)為巴探5井南約15 km的北東東向紅色條帶,其南北寬約15～20 km,東西長(zhǎng)約70 km。但在這個(gè)衰減異常區(qū)的均方根振幅圖上,自北向南存在3個(gè)基本呈東西走向的條帶狀綠色強(qiáng)振幅。對(duì)比這3個(gè)綠色強(qiáng)震幅和含氣衰減異常范圍,可以看出只有中間的這條綠色強(qiáng)震幅與含氣衰減范圍重合,另外2個(gè)重合性較差(如圖7a和圖7c所示)。均方根振幅圖上綠色強(qiáng)震幅的出現(xiàn),是由巖性差異造成的波阻抗差導(dǎo)致(如圖7b所示)。一般來說,砂巖的反射系數(shù)高于泥頁(yè)巖,考慮到地層的整體巖性特征,基本可以認(rèn)為綠色強(qiáng)震幅與砂巖的關(guān)聯(lián)更加緊密。

另外,對(duì)于3條綠色強(qiáng)震幅所代表的條帶狀砂巖的東西向分布,基于地震剖面的疊瓦狀前積反射,可以解釋為是前積朵葉狀砂體的形成。在卡拉沙依組底部向上的地震剖面,出現(xiàn)了疊瓦狀前積反射結(jié)構(gòu)(如圖7d所示)。該反射結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)在三角洲及陸架邊緣等沉積環(huán)境中[24],特別是在三角洲前緣地帶常見,多數(shù)情況反映了攜帶沉積物的流水以一定坡度快速卸載從而富砂的沉積環(huán)境,是三角洲前緣亞相河口壩的典型標(biāo)志。結(jié)合巴探5井卡拉沙依組沉積亞相和微相研究,認(rèn)為這3條綠色帶狀強(qiáng)震幅很大可能是三角洲前緣河口壩砂體展布。同時(shí),單個(gè)帶狀內(nèi)部的強(qiáng)震幅呈現(xiàn)串珠狀不連續(xù)分布特征,與不同時(shí)期疊瓦狀前積朵葉體中心吻合。

6 圈閉控制因素

卡拉沙依組時(shí)間域構(gòu)造圖顯示,該地層底部為南東傾向的斜坡,存在北西西向和北東向2組斷裂。含氣異常與構(gòu)造疊合表明氣藏主要分布在斜坡上,與2組斷裂的分布位置緊密相關(guān)。北東向的雁列式斷裂與該范圍的氣藏完全吻合,個(gè)別斷裂正好處于氣藏分布的邊界,說明斷裂既可能為下伏地層的油氣進(jìn)入圈閉提供通道,也可能作為邊界進(jìn)行圈閉封堵。

另外,圖7b中的北、中和南3個(gè)帶狀河口壩砂體只有中部砂體出現(xiàn)了含氣衰減異常,可能與斷裂構(gòu)造的控制有關(guān)。該地震數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)巴探5井的測(cè)井解釋表明,卡拉沙依組下部為濱岸—三角洲沉積,底部發(fā)育約35 m的含礫中-細(xì)砂巖,該砂巖自然伽馬測(cè)井曲線呈低值箱型,略具向上變細(xì)的正旋回,具有三角洲前緣分流河口沙壩特點(diǎn)。該層砂巖上覆泥巖和泥灰?guī)r,下伏巴楚組泥巖,是一個(gè)良好的儲(chǔ)蓋組合(如圖8所示)。烴源巖可能以下部泥頁(yè)巖或上部泥頁(yè)巖和煤層為主。中部砂體含氣表明,該區(qū)域存在達(dá)到生烴門限的烴源巖,并且蓋層的區(qū)域性封堵能力也不會(huì)有太大差異,因此認(rèn)為斷裂構(gòu)造對(duì)其氣藏的儲(chǔ)存能力具有主要控制作用。南北2個(gè)帶狀砂體可能無斷裂溝通,導(dǎo)致下部地層生成的氣體無法利用有效通道進(jìn)入卡拉沙依組地層砂體當(dāng)中。因此可以認(rèn)為,卡拉沙依組的氣藏圈閉受儲(chǔ)層和斷裂的共同控制,可以定義為斷裂-巖性復(fù)合氣藏圈閉。圖9所示為石炭系卡拉沙依組底界T56時(shí)間域構(gòu)造圖與(T56-50 ms)時(shí)窗衰減異常疊合平面圖,西側(cè)和東側(cè)2個(gè)氣藏圈閉面積分別為31.45 km2和48.82 km2,閉合度分別為160 ms(約280 m)和220 ms(約385 m)。

圖8 巴探5井石炭系地層綜合柱狀圖Fig.8 Comprehensive column map of Carboniferous strata in well Bt5

圖9 石炭系卡拉沙依組底界T56時(shí)間域構(gòu)造圖與時(shí)窗T56-50 ms衰減異常疊合平面圖Fig.9 T56time-domain tectonic map and time window T56-50 ms attenuation anomaly overlapping plane map of Carboniferous Karashayi Formation bottom boundary

與常規(guī)氣藏不同的是,常規(guī)氣藏中的斷裂可以直接作為圈閉的界限;而卡拉沙依組氣藏僅有海米羅斯斷裂北部一小段作為西側(cè)氣藏圈閉的邊界,氣藏其他邊界均無斷裂控制。因此,在該氣藏圈閉的形成過程中,斷裂的作用僅是部分邊界和溝通下部地層。對(duì)于該氣藏來說,圈閉的主要范圍還是依靠?jī)?chǔ)層砂巖。盡管缺乏儲(chǔ)層孔隙數(shù)據(jù),但仍可以認(rèn)為氣藏屬于致密氣藏,圈閉邊界的儲(chǔ)層孔隙度和滲透率一定很低,從而實(shí)現(xiàn)圈閉邊界的限制作用。

7 結(jié)論

1)基于地震波衰減特性下的三維地震數(shù)據(jù)體分頻能量差異的含氣檢測(cè)方法,對(duì)已探明的奧陶系鷹山組灰?guī)r氣藏圈閉進(jìn)行了含氣驗(yàn)證,其檢測(cè)氣藏范圍與灰?guī)r氣藏一致,證明了該方法的可靠性。

2)對(duì)石炭系卡拉沙依組的可能含氣圈閉進(jìn)行了預(yù)測(cè),結(jié)合地震剖面和單井柱狀分析,認(rèn)為卡拉沙依組底部的前積反射結(jié)構(gòu)指示了該氣藏的儲(chǔ)集體為三角洲前緣河口壩。

3)卡拉沙依組自北向南的3個(gè)砂巖條帶中僅有中部砂巖含氣,其原因是該地區(qū)發(fā)育的北東向雁列式斷層組溝通了下部地層,形成的有效通道利于氣藏運(yùn)移。

4)巴楚探區(qū)的非常規(guī)氣藏以巖性類氣藏為主,包括卡拉沙依組致密砂巖氣和奧陶系鷹山組灰?guī)r氣藏?？ɡ骋澜M氣藏圈閉的范圍與鷹山組氣藏圈閉范圍吻合,表明斷裂對(duì)圈閉的形成和邊界的封堵仍具有主導(dǎo)作用。