正演模拟技术在碳酸盐岩溶洞响应特征研究中的应用

李胜军，刘伟方，高建虎

（中国石油勘探开发研究院西北分院）

正演模拟技术在碳酸盐岩溶洞响应特征研究中的应用

李胜军，刘伟方，高建虎

（中国石油勘探开发研究院西北分院）

在塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储层识别中，“串珠状”反射是十分重要的地震响应特征之一。文中利用波动方程正演模拟技术，设计了不同的溶洞模型，分析了溶洞宽度和高度变化时对“串珠状”响应特征的影响。结果表明：溶洞宽度增加时，“串珠”响应振幅增强，但响应时间长度不变；溶洞高度增加时，“串珠”振幅呈先增大后减小的趋势，且响应时间长度变长。模型正演为进一步研究溶洞的响应机理、溶洞形状与“串珠”特征的关系提供了手段，从而为碳酸盐岩储层的半定量或定量预测提供了依据。

碳酸盐岩溶洞；正演模拟；溶洞宽度；溶洞高度

0 引言

碳酸盐岩缝洞型油气藏是最重要的油气藏类型之一。近年来，在塔里木盆地深层碳酸盐岩缝洞型油气藏相继发现了相当可观的油气储量，形成了大型油气田。受地貌、构造、成岩等地质因素的影响，碳酸盐岩储层的孔、洞分布多种多样，其分布的随机性、形态的复杂性及充填物的多样性，增加了使用地震勘探方法进行储层预测的难度和风险[1-2］。

研究区域为塔里木盆地ZG8井区，位于岩溶斜坡和岩溶次高地，且风化壳岩溶、裂缝发育，勘探前景良好。随着勘探开发程度的加深，要求碳酸盐岩储层预测从定性向定量转化。叠后地震属性分析中，波形、振幅、相位、分频、吸收衰减等叠后地震属性可以较好地反映储层纵、横向分布规律，但受其分辨率影响，只能相对准确地识别厚度大或者物性特别好的储层[3-4］。叠前地震属性主要是利用AVO分析流体因子属性来进一步提高储层预测的精度，但受模型约束的影响，导致其横向分辨率降低，增加了强非均质性缝洞储层横向预测的多解性。这些方法和技术，虽提高了缝洞型储层有效性的预测精度，但很难对其进行定量刻画。

姚姚等[3，5］应用正演模拟技术，基于随机介质模型和非均质弹性波理论，进行了地震频带（20～40Hz）条件下的溶洞高度对垂直分量和水平分量影响的定性研究，这对用正演模拟技术识别缝洞型油气藏产生了积极影响。魏建新等[1］用物理模拟的方法研究了孔、洞型储层的物理响应特征，并作了绕射能量与溶洞宽度相关等定性的分析。何建军等[6］通过模型正演技术对各种常用的地震波动力学属性参数的缝洞特征进行了分析，建立了一套利用地震波波场参数识别和划分碳酸盐岩储层缝洞单元的方法。通过以上研究，对不同尺度溶洞的地震响应特征得出了一些重要的认识，但对于不同尺度（宽度与高度）溶洞与地震响应的定量关系的研究尚不够深入。笔者利用钻井、测井资料，设计了不同大小的地质模型，采用野外实际二维观测系统进行了模拟研究，总结了溶洞型储层的地震响应特征与溶洞的定量关系，建立了定量解释量版，并进行了缝洞型储层半定量描述，这将有利于提高对缝洞型储层识别的有效性及钻探成功率。

1 基本原理

模拟采用的是对一阶速度-应力方程离散的差分算法，该算法具有模拟精度高，能适应地层剧烈变化的优点。由应力、应变关系和牛顿第二定律可以导出各向同性、完全弹性、非均匀介质中的二维速度-应力方程

式中： fx，fy为质点速度；gx，gy为法线压力；gs为剪切力；P，Q，Qs，L 均为中间变量； ρ为密度，g/cm3；α 为纵波速度，m/s；β 为横波速度，m/s；λ，μ 为拉梅常数。

2 模型设计及正演模拟分析

碳酸盐岩储层中溶洞尺度从毫米级到百米级不等，本次研究主要是针对横向尺度与纵向尺度的变化对地震响应特征的影响。为此，在模型设计中对溶洞的形状进行了简化，即在设计模型时，仅考虑了溶洞尺度的变化，而未涉及形状和充填物的变化。通过对式（1）～式（5）进行离散，采用交错网格差分算法进行模拟，网格间距设为5 m。该方法计算效率高[7-8］，且适用于非均匀介质、复杂构造和复杂地质体的地震波波场数值模拟。模型采用的是野外二维观测方式，该方式与实际野外采集观测系统近似（炮间距20 m、道间距20 m、每炮351道、总炮数650炮、最小偏移距0 m、最大偏移距7 000 m、采样间隔2 ms）。模拟所用子波提取自目标区域的实际地震资料，最后通过统计平均求取，子波主频为25 Hz。

2.1 溶洞宽度对地震响应的影响

设计水平层状各向同性溶洞宽度变化的地质模型。根据钻井和测井资料统计结果，目的层围岩纵波速度为6 000 m/s，横波速度为3 510 m/s，密度为2.65 g/cm3；溶洞纵波速度为4 500 m/s，横波速度为2 605 m/s，密度为2.43 g/cm3。设计溶洞埋深为6 700 m，洞高为60 m，洞宽从左到右依次为10 m，20 m，40 m，80 m，120 m，160 m，200 m，240 m。

图1为在上述观测系统及子波前提下该模型对应的偏移剖面。从剖面上可以定性地看出，随着溶洞宽度的增加，地震响应强度增强，所占用的地震道数也相应增加。响应宽度与溶洞宽度的定量关系还需进一步研究。

图1 溶洞宽度变化时的叠前深度偏移剖面Fig.1 The section of prestack depth migration when the cave width changes

为进一步准确地对比响应强度与溶洞宽度的关系，从偏移数据中抽取溶洞中心响应对应的地震道，以10 m，40 m，80 m，160 m宽溶洞为例进行对比分析（图2）。可以得出：由溶洞顶部响应为2.935 s处的波谷可以确定溶洞顶的位置；其次，各个地震道波形基本未变，呈两峰两谷特征，说明了溶洞地震响应时间长度与溶洞宽度基本没有直接关系。进一步拾取各个溶洞对应地震响应的最大振幅值，并以240 m溶洞宽度响应为标准作归一化处理，如图3所示，进一步定量地显示出溶洞响应强度随宽度增加的趋势。因此，可以根据溶洞的响应强度半定量或定量预测溶洞宽度。 根据前人研究[1，9-11］，在塔里木盆地塔中地区，奥陶系碳酸盐岩储层埋深一般在6 000 m左右，溶洞响应一般在3 s左右，菲涅尔带半径为775 m，模型设计的溶洞宽度都远远小于该值，故所观测到的响应应该是绕射波能量。因此，不同宽度的溶洞参与相长干涉叠加的绕射点的面积（实际菲涅尔带）不同。当溶洞越宽时，此面积越大，观测到的地震波振幅就越大，这就是溶洞宽度对地震波振幅影响较大的原因。

图2 不同宽度溶洞对应地震道波形图Fig.2 Seismic trace waveform correspondingto caves with different widths

图3 振幅随溶洞宽度变化关系图Fig.3 Relationship between amplitude and cave width

2.2 溶洞高度对地震响应的影响

为了研究溶洞高度对溶洞地震响应的影响，设计水平层状各向同性溶洞高度变化的地质模型。洞宽为40 m，洞高从左到右依次为10 m，20 m，40 m，60 m，80 m，120 m，150 m，180 m，其余参数同溶洞宽度变化模型参数。

图4为与溶洞高度变化模型对应的成像剖面。从图中可以看出：随着溶洞高度的增加，响应最大振幅先增大后减小，且“串珠”响应长度增加。

图4 溶洞高度变化时的叠前深度偏移剖面Fig.4 The section of prestack depth migration when the cave height changes

为进一步研究溶洞对应地震响应的波形变化，以10 m，40 m，80 m，150 m高溶洞对应的地震响应为例，抽取响应中间地震道，波形如图5所示。从图中可以看出：洞顶响应为2.935 s处的波谷，除10 m高的洞由于相消干涉引起的洞顶振幅较弱之外，其它响应强度基本一致，这说明洞高较小时对洞顶的反射能量有一定的影响；但紧随其后的波峰响应与洞高的关系就发生了变化，洞高40 m对应的响应振幅最强；随着溶洞高度的增加，顶、底反射的干涉减弱，又由于洞内多次波的影响，使整个波形变长，呈“长串珠”反射特征，对溶洞有较明显的放大作用。

提取各个洞对应最大振幅并做归一化处理，形成振幅与洞高的关系，如图6所示。从图中可以看出，随着洞高的增加，振幅呈先增大后减小的趋势，经计算刚好在调谐厚度处呈最强响应，这可作为估计溶洞大小的一项依据。

图5 不同高度溶洞对应地震道波形图Fig.5 Seismic trace waveform corresponding to caves with different heights

图6 振幅随溶洞高度变化关系图Fig.6 Relationship between amplitude and cave height

3 结束语

通过设计2个模型，得到如下认识：

（1）在菲涅尔带内，随着溶洞宽度的增大，溶洞响应强度逐渐增强，但增加趋势逐渐减缓；溶洞的“串珠”响应时间长度与洞宽没有直接的关系，随洞宽的增加，其响应由“串珠状”变为“羊排状”。

（2）溶洞响应振幅强度随洞高的增加呈先增大后减小的趋势，在调谐厚度处达最大；随洞高的逐渐增大，顶、底干涉减弱，由于洞内多次波等原因引起波形变长，呈“长串珠”响应，对溶洞有一定的放大作用。

在碳酸盐岩发育区，溶洞识别技术至关重要，从地球物理的角度来讲，要深入研究“串珠”响应形成的机理、运动学特征和动力学特征，就需要分析振幅强度、相位、频率等信息与缝洞的关系，这将为碳酸盐岩储层的定量预测提供依据，进而提高储层预测的精确度和准确度。

[1]魏建新，狄帮让，王立华.孔洞储层地震物理模拟研究[J］.石油物探，2008，47（2）：156-160.

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Application of forward modeling to research of carbonate cave response

LI Sheng-jun，LIU Wei-fang，GAO Jian-hu
（Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Northwest， PetroChina， Lanzhou 730020， China）

The“stringbead”reflection is one ofthe important seismic response features in identification ofOrdovician carbonation reservoir in TarimBasin.The mechanismof “stringbeads” is verycomplex.Base on forward modelingofwave equation,some different models are designed,and the influence ofcave width and height on “stringbead”characteristics is analyzed.The result shows that the amplitude of“string bead”intensifies with the cave width increasing,but the length of“stringbead”donot change.The amplitude of“stringbead”firstlyintensifies and then decreases with the cave height increasing,and the“string bead” lengthens.Forward modeling provides approach for further study of response mechanismofcave,cave shape and “stringbead”features,and criterion for semi-quantitative and quantitative forecast of carbonate reservoir.

carbonatecave；forwardmodeling；cavewidth；caveheight

TE132.1

A

1673-8926（2011）04-0106-04

2010-12-07；

2011-02-23

国家科技重大专项（编号：2011ZX05007-006）与国家重点基础研究发展计划“973”项目（编号：2007CB209604）资助。

李胜军，1979年生，男，工程师，主要从事地震波传播理论及正演模拟研究。地址：（730020）甘肃省兰州市城关区雁儿湾路535 号。 电话：（0931）8686013。 E-mail：li_sj@petrochina.com.cn

涂晓燕）