基于井震融合的碳酸鹽巖古巖溶殘丘儲層刻畫方法

夏國朝，劉鳳和，楊 艷，周宗良，何雄濤，張凡磊

(1.中國石油大港油田公司 勘探開發(fā)研究院, 天津 300280;2.中國石油大港油田公司, 天津 300280;3.中國石油大學(xué)(北京) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 北京 102249)

1 引言

區(qū)域上華北地臺在整個早古生代都是一個巨大的陸表海,以碳酸鹽巖臺地相沉積為主,華北地臺東部地區(qū)早古生代沉積了巨厚的海相碳酸鹽巖[1-3]。整個華北奧陶系經(jīng)歷了兩期主要巖溶改造作用,第一期即晚加里東期-海西早期抬升裸露型巖溶,華北地臺自中奧陶世末期抬升后,經(jīng)歷了1.5億年的長期風(fēng)化剝蝕,直至晚石炭世,海水才開始重新入侵接受沉積;第二期是印支末期-燕山中期抬升、褶皺、淺埋藏-裸露型巖溶,強(qiáng)烈的斷裂褶皺改造、抬升再剝蝕,上覆沉積地層石炭-中下侏羅統(tǒng)不同程度剝蝕、奧陶系經(jīng)歷淺埋藏巖溶,奧陶系地層又一次進(jìn)入裸露巖溶狀態(tài),此次剝蝕、風(fēng)化、巖溶的強(qiáng)度與深度明顯增加[4-5]?？碧介_發(fā)實踐表明,奧陶系頂發(fā)育的碳酸鹽巖古巖溶殘丘是一種重要的古地貌和油氣儲集單元,而當(dāng)時的古地貌形態(tài)控制了碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶作用的發(fā)展及演化,同時也控制著地表和地下巖溶水流的流向,進(jìn)而控制了碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶作用帶內(nèi)的孔洞發(fā)育。因此,針對碳酸鹽巖古潛山的巖溶、古地貌研究是奧陶系天然氣勘探開發(fā)取得突破的關(guān)鍵。

圖1 千米橋潛山凝析氣田地質(zhì)綜合圖Fig.1 Comprehensive geological map of Qianmiqiao buried hill condensate gas field

千米橋奧陶系潛山氣田構(gòu)造位置位于黃驊坳陷中區(qū)北大港潛山構(gòu)造帶東北傾沒端,東臨歧口凹陷,西接板橋凹陷,潛山東北部以大張坨斷層與板橋凹陷相隔,東南部以港東斷層與歧口凹陷相連,奧陶系儲層正好位于兩大生油凹陷烴源巖之上或中間,油氣運移通道暢通,油氣源充足(圖1)[6]。潛山奧陶系儲層經(jīng)歷了兩期主要巖溶改造作用,即晚加里東期-海西早期抬升裸露型巖溶,印支末期-燕山中期抬升、褶皺、淺埋藏-裸露型巖溶,兩期巖溶作用相互疊覆,形成了較厚的、縫洞發(fā)育的風(fēng)化殘丘、溝谷相間的風(fēng)化殼儲層[7-8]。殘丘部位風(fēng)化淋漓作用強(qiáng),地層時代較新,保存較完整,以風(fēng)化殼表溶儲層為主,發(fā)育高角度裂縫和溶蝕孔洞。溝谷部位受水體溶切作用強(qiáng),缺失部分上覆風(fēng)化殼,地層較老,在溝谷或部分?jǐn)鄬觽?cè)翼,地層水受重力作用沿斷層和易溶巖層側(cè)向滲濾,常在潛山內(nèi)幕形成較大規(guī)模的似層狀順層巖溶儲層。優(yōu)勢儲層區(qū)受孔、洞、縫多重介質(zhì)控制,風(fēng)化殼表溶區(qū)儲集滲流條件最好,內(nèi)幕順層巖溶區(qū)儲層受巖相控制,規(guī)模分布[9-11]。

2 井震融合古地貌恢復(fù)方法

2.1 印模法恢復(fù)古地貌

分析奧陶系風(fēng)化殼古地貌特征,在地震剖面上有三種古殘丘的基本形態(tài),即丘狀、平臺狀和大斜坡,實際上丘狀與平臺狀在不同方向可能相互轉(zhuǎn)換,平臺狀的某一個方向可能是丘狀,丘狀的某一個方向可能是平臺狀[12]。碳酸鹽巖儲層發(fā)育一般受到古地貌的控制,古地貌恢復(fù)是研究某一時期的某個界面上等深度線所表示的此界面表面凹凸?fàn)顟B(tài),要點是確定厚度估算的基準(zhǔn)面。奧陶系潛山風(fēng)化殼頂面接觸的中生界早期及沙三晚期都是等厚剝蝕,應(yīng)用印模法能較好地確定古地貌。

印模法是一種逆推測量方法,由于風(fēng)化殼是一個高低不平的起伏面,隨著上覆地層的不斷沉積,逐漸將起伏的層面“填平補(bǔ)齊”,測量風(fēng)化殼頂?shù)缴细矘?biāo)志層的厚度即可反過來推測殘余風(fēng)化殼厚度[13-15]。其技術(shù)原理是假設(shè)各層序的原始厚度不變,在三維地震體系中,參照沉積基準(zhǔn)面或最大洪泛面選擇對比層序的參考頂?shù)酌?將底面時間減去頂面時間,即將頂面拉平,將拉平的面視為古沉積時的湖平面,就可以得到底面的形態(tài),此時底面的形態(tài)就可以認(rèn)為是層序地層沉積前的相對古地貌。

鉆探和地震資料綜合分析表明,奧陶系潛山具有殘丘型潛山特點,根據(jù)沉積地層填平補(bǔ)齊的原理,應(yīng)用地震印模法恢復(fù)奧陶系頂部巖溶古地貌,中生界地層巖溶溝谷內(nèi)具有地層上超充填現(xiàn)象,地層明顯增厚,奧陶系巖溶殘丘上中生界地層薄。巖溶殘丘奧陶系殘留地層全、厚度大,巖溶溝谷內(nèi)奧陶系缺失地層多、殘留地層薄,整體地層自南向北剝蝕程度逐漸增加(圖2)。研究區(qū)潛山之上發(fā)育5個巖溶殘丘,4個巖溶溝谷,表現(xiàn)為山上有山(巖溶殘丘)的特征(圖3),殘丘面積20.85 km2(表1)。

圖2 千米橋潛山沙三底界拉平地震剖面Fig.2 Flattening seismic profile of the Es3 bottom boundary of Qianmiqiao buried hill

圖3 千米橋潛山印支-燕山期巖溶古地貌立體圖Fig.3 Stereoscopic map of karst ancient landform during Indosinian to Yanshan periods of Qianmiqiao buried hill

表1 千米橋潛山巖溶殘丘參數(shù)

2.2 古潛山風(fēng)化殼厚度刻畫

經(jīng)歷印支、燕山兩期主要巖溶改造作用[16-17],奧陶系古地貌普遍存在以下兩個特征：①在奧陶系頂部的侵蝕風(fēng)化面上普遍發(fā)育一套古風(fēng)化殼層,同時在古風(fēng)化殼層頂面普遍發(fā)育厚約1～2 m古土壤層,由細(xì)小黏土礦物組成,巖性為褐鐵礦、黏土巖、鐵礬土、鋁土礦、鋁土質(zhì)頁巖等;②差異風(fēng)化剝蝕、侵蝕巖溶形成高低不一的殘丘、溝谷地貌。兩期巖溶作用的相互疊覆,形成了較厚的、縫洞發(fā)育的潛山風(fēng)化殼層,厚度通常在150～200 m[18]。

測井及碳氧同位素測試結(jié)果顯示,古巖溶決定了儲層垂向發(fā)育厚度,潛山風(fēng)化殼型儲層大多分布在風(fēng)化殼面以下0～200 m范圍內(nèi)(圖4),垂直巖溶滲濾作用強(qiáng),測井孔隙度曲線值異常高,寬度大,結(jié)合潛山風(fēng)化殼頂面古地貌恢復(fù)技術(shù)分析,應(yīng)用完鉆井測井資料對千米橋風(fēng)化殼殘余厚度進(jìn)行標(biāo)定,主潛山各區(qū)塊風(fēng)化殼殘余厚度差別較大,巖溶殘丘之上構(gòu)造高點殘余厚度大,主要分布在BS8、BS7和BS4井區(qū)風(fēng)化殼巖溶殘丘上,遠(yuǎn)離高點殘余厚度減薄(圖5)。測井物性解釋顯示,奧陶系頂面殘丘風(fēng)化殼型儲層測井孔隙度普遍超過10 %,成像測井顯示裂縫、溶洞發(fā)育,儲層厚度各地差別較大,多在100～200 m之間(圖6)。

圖5 千米橋潛山風(fēng)化殼厚度等值線圖Fig.5 Contour map of weathering crust thickness in Qianmiqiao buried hill

3 風(fēng)化殼巖溶儲層響應(yīng)特征及刻畫

奧陶系潛山風(fēng)化殼遭受風(fēng)化淋濾、溶蝕,形成表溶塊狀儲層,主要發(fā)育洞穴型、裂縫—孔洞型、孔洞型和裂縫型儲集層,儲集滲流條件好。優(yōu)勢儲層區(qū)受孔洞和裂縫雙重介質(zhì)控制,具備良好的成藏條件[19-21]。根據(jù)對實鉆井鉆遇巖溶洞穴統(tǒng)計結(jié)果分析,溶洞鉆遇率達(dá)30 %,鉆遇洞穴58個,單井平均漏失量196 m3,平均漏失速度0.8 m3/min(表2),如何識別和刻畫風(fēng)化殼巖溶儲層是潛山整體效益動用的關(guān)鍵。

表2 千米橋潛山鉆遇巖溶洞穴泥漿漏失量

3.1 溶洞的測井響應(yīng)特征

根據(jù)巖溶洞穴大小不同對測井響應(yīng)的差異,可以定性地將巖溶洞穴分為兩類：大溶洞和中小溶蝕孔洞。大溶洞一般能在井壁四周造成擴(kuò)徑,而中小溶蝕孔洞只在井壁的某一部分造成擴(kuò)徑,通過成像測井資料可以觀察其形狀、大小和分布狀態(tài)[22]。通過對巖心和成像測井資料的觀察,千米橋溶洞主要為中小溶蝕孔洞,且溶洞在縱向上的分布具有明顯的層段性。

3.1.1 大溶洞的測井響應(yīng)特征

研究表明,奧陶系潛山發(fā)育的大溶洞一般有充填物,但由于溶洞的充填物未經(jīng)受壓實作用,其充填物的各種物理特性與正常沉積地層有很大的差異。大溶洞會造成井眼不規(guī)則或異常擴(kuò)大,徑向延伸遠(yuǎn),大大超過了測井儀器的徑向探測深度,在測井資料上反映出明顯異常,可據(jù)此來識別大溶洞。針對BS4井,應(yīng)用現(xiàn)有測井資料分析,識別出兩個切割井壁的大溶洞,位于深度4 580.25～4 582.9 m及4 584.63～4 585.45 m處(圖7)。

圖7 大溶洞在常規(guī)測井及成像測井上的響應(yīng)特征(BS4井4 580.25～4 585.45 m)Fig.7 Response characteristics of large karst caves on conventional and imaging logging (4 580.25～4 585.450 m of well BS4)

通過分析,認(rèn)為大溶洞一般有兩種成因,一種是地表風(fēng)化帶的巖溶形成的溶洞,另一種可能是斷層帶附近沿裂縫的巖溶形成的溶洞。無論哪一種方式形成的溶洞,它們造成的測井響應(yīng)類似。大溶洞在測井曲線上具有以下特征：

1)自然伽瑪曲線。如果溶洞未充填或充填物含泥質(zhì)少,可出現(xiàn)低自然伽瑪幅度值;如果溶洞有泥質(zhì)充填,則出現(xiàn)由泥質(zhì)引起的高自然伽瑪值。

2)井徑曲線。井徑異常增大,對于洞穴無充填,井徑可達(dá)到儀器的最大探測范圍。對于洞穴有充填,由于充填物的壓實程度差,易被泥漿侵蝕垮塌,造成井徑增大或呈鋸齒狀變化,如果泥質(zhì)充填程度高,井徑可能無明顯變化。

3)補(bǔ)償中子曲線。對于井壁附近無礦物充填的溶洞,其內(nèi)被泥漿充滿,中子孔隙度將異常增大,通常可增到30 %以上;在溶洞有泥質(zhì)充填時,由于這些泥質(zhì)未遭到上覆巖層的壓實作用,故其束縛水含量遠(yuǎn)比正常壓實地層中泥質(zhì)的束縛水含量高,溶洞中泥質(zhì)的中子含氫指數(shù)要比正常沉積地層中泥質(zhì)的含氫指數(shù)高得多。

4)雙側(cè)向電阻率曲線發(fā)生異常。在溶洞段,雙側(cè)向電阻率明顯低于正常沉積地層的電阻率,深淺雙側(cè)向具有大幅度正差異,即使在溶洞有泥質(zhì)全充填的情況下,深淺雙側(cè)向仍具有較大的正差異,用此特征可區(qū)別溶洞充填泥質(zhì)和正常沉積泥質(zhì)。

5)聲波時差曲線。在溶洞發(fā)育段,聲波時差往往出現(xiàn)跳波異常;同時聲波幅度也將嚴(yán)重衰減,多數(shù)情況下,縱橫波能量均會衰減。

3.1.2 中小溶蝕孔洞的測井響應(yīng)特征

中小溶蝕孔洞在成像測井圖像上特征明顯,表現(xiàn)為低的電導(dǎo)率異常,類似于巖心上觀察到的孔洞形狀,表現(xiàn)為黑色斑塊(圖8),可利用成像測井資料對溶蝕孔洞的大小、分布、連通性、與裂縫的關(guān)系以及充填物的充填狀況進(jìn)行詳細(xì)分析[23-25]。中小溶蝕孔洞在常規(guī)測井曲線上的響應(yīng)特征如下：

1)自然伽瑪曲線。溶蝕孔洞往往發(fā)生在巖性較純的灰?guī)r或白云巖段,因此溶蝕孔洞段自然伽瑪為低值,常小于20 API。

2)密度曲線。溶蝕孔洞往往造成密度值下降。其下降的幅度與溶洞的發(fā)育程度密切相關(guān),一般說來溶洞越發(fā)育,密度值越低。

3)聲波時差曲線。在中小溶洞發(fā)育段,聲波時差增大,同時聲波幅度也將衰減。其聲波時差增大的幅度和能量衰減的程度與溶洞的發(fā)育程度、溶洞的大小和分布特征有關(guān)。

圖8 沿裂縫分布的串珠狀小溶洞(BS16-21井4 826～4 831 m)Fig.8 Beaded small karst caves distributed along fractures (4 826～4 831 m of well BS16-21)

3.2 風(fēng)化殼儲層地震響應(yīng)特征

圖9 過BS8井巖性預(yù)測剖面與正演剖面Fig.9 Lithology prediction profile and forward modeling seismic profile through well BS8

研究區(qū)潛山原始地震資料分辨率較低(主頻12 Hz),風(fēng)化殼主力層系均為波谷反射,對儲層和流體識別能力有限。針對利用地震波形識別儲層難的問題,利用復(fù)賽譜提取原始地震體的子波,與期望子波之間進(jìn)行最小熵反褶積,提高地震主頻,拓寬地震頻帶,目的層奧陶系主頻提高約5 Hz,頻帶拓寬6～10 Hz。利用提頻數(shù)據(jù)體,結(jié)合研究區(qū)完鉆井地質(zhì)資料,優(yōu)選BS8、BS7井作為典型儲層結(jié)構(gòu)井進(jìn)行正演模擬。正演結(jié)果反映,目的層馬5段頂部殘留有峰峰組地層時,馬5段底部巖溶高產(chǎn)層表現(xiàn)為一套波峰反射特征(圖9a,圖9b);而馬5段之上無峰峰組地層時,馬5段底部巖溶高產(chǎn)層則處于波谷向波峰轉(zhuǎn)換的零相位上部,且在奧陶系頂?shù)牟ü群筒ǚ寰兴內(nèi)?圖10a,圖10b)。

3.3 基于張量方向場縫洞復(fù)合體模擬技術(shù)

本次研究優(yōu)選基于張量方向場的裂縫模擬技術(shù)實現(xiàn)了裂縫定量表征,通過多信息融合的方式,能夠在保留原屬性信息的情況下進(jìn)一步提高屬性預(yù)測的準(zhǔn)確性,與成像測井分析結(jié)果更為符合[26]?；趶埩糠较驁龅牧芽p定量預(yù)測技術(shù)是在高精度本征值相干體的基礎(chǔ)上,在脊線增強(qiáng)的約束下,使用基于方向一致性的蟻群追蹤算法對相干體進(jìn)行處理,以達(dá)到相干增強(qiáng)的目標(biāo);然后以模擬點張量方向場為基礎(chǔ),計算鄰域內(nèi)各方向的權(quán)值核函數(shù),使用最優(yōu)化聚類方法加權(quán)擬合模擬點主要方向的裂縫屬性值;最后基于裂縫屬性值模擬結(jié)果,統(tǒng)計單位半徑內(nèi)的相對裂縫密度與裂縫發(fā)育主方位,得到相對裂縫密度和裂縫發(fā)育方向,實現(xiàn)了基于疊后地震數(shù)據(jù)定量表征裂縫發(fā)育程度。結(jié)構(gòu)張量表示了區(qū)域的結(jié)構(gòu)紋理的變化方向和沿變化方向的變化量大小,可以精細(xì)地表征地震地層紋理和斷層紋理,主要由局部各點的方位信息變化關(guān)系來確定,即

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圖11 過BS8和Q12-18井裂縫、溶洞預(yù)測與地震疊加剖面Fig.11 The stacked profile of prediction of fractures and karst caves with seismic through well BS8 and Q12-18

式中：fx、fy分別表示函數(shù)f在x和y方向的偏導(dǎo)數(shù);w(r)是關(guān)于半徑r的分布函數(shù),是表示窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的權(quán)重函數(shù);S(p)是關(guān)于向量p(i,j)的矩陣,即結(jié)構(gòu)張量場。

假定裂縫方向的分布符合高斯分布,可以通過建立不同方向的裂縫模型,模擬窗口內(nèi)各點的裂縫分布張量場方向建立權(quán)值函數(shù),并對模擬窗口內(nèi)的裂縫模型進(jìn)行加權(quán),就完成了裂縫模擬的工作,通過擬合優(yōu)化裂縫敏感屬性,原屬性與裂縫發(fā)育程度的正相關(guān)關(guān)系得到了加強(qiáng),預(yù)測的裂縫孔隙度與實鉆井的測井解釋結(jié)果符合率較高。

不同尺度的溶洞、裂縫具有不同的地震屬性響應(yīng)特征。針對不同尺度的溶洞、裂縫等縫洞復(fù)合體,應(yīng)用張量方向場縫洞復(fù)合體模擬技術(shù),開展溶洞、裂縫的預(yù)測。圖11是針對千米橋BS8-Q12-18連井方向采用張量方向場的裂縫模擬技術(shù)進(jìn)行的裂縫、溶洞預(yù)測,可以看出,巖溶縫洞受斷層、微裂縫和巖性控制,呈縫洞復(fù)合體特征?？p洞復(fù)合體預(yù)測結(jié)果應(yīng)用于新井部署,并在新井鉆探中通過常規(guī)測井、成像測井及鉆井放空、泥漿漏失、鉆時下降、屬性雕刻等標(biāo)志得到證實,縫洞體儲層預(yù)測綜合符合率達(dá)90 %。

4 結(jié)論

1)千米橋奧陶系潛山巖溶殘丘受古地貌的控制,巖溶殘丘上奧陶系殘留地層全、厚度大,巖溶溝谷內(nèi)奧陶系缺失地層多、殘留地層薄。應(yīng)用印模法能較好地對風(fēng)化殼巖溶古地貌進(jìn)行精細(xì)刻畫,全區(qū)發(fā)育5個巖溶殘丘,4個巖溶溝谷,表現(xiàn)為山上有山的特征。

2)古巖溶決定了儲層垂向發(fā)育厚度,潛山風(fēng)化殼型儲層大多分布在風(fēng)化殼面以下0～200 m范圍內(nèi),主潛山各區(qū)塊風(fēng)化殼殘余厚度差別較大,巖溶殘丘之上構(gòu)造高點殘余厚度大;巖溶殘丘儲集空間主要為洞穴型、裂縫孔洞型、孔洞型和裂縫型儲層,具備良好的成藏條件。

3)碳酸鹽巖潛山巖溶洞穴主要有大溶洞和中小溶蝕孔洞兩種,大溶洞在成像測井和常規(guī)測井曲線上異常明顯,中小溶蝕孔洞需結(jié)合巖性、聲波密度曲線及成像測井顯示資料進(jìn)行綜合識別。

4)應(yīng)用提頻地震體開展正演模擬,明確優(yōu)勢縫洞體儲層的地震反射特征,結(jié)合張量方向場裂縫定量預(yù)測技術(shù),能精細(xì)地預(yù)測縫洞復(fù)合體儲層,以指導(dǎo)殘丘風(fēng)化殼儲層油氣潛力目標(biāo)區(qū)的評價開發(fā)。