碳酸盐岩缝洞储层地震反射波特征及其与油气的关系

朱仕军 唐绪磊 朱鹏宇 吴晓华 路 远

1.西南石油大学 2.中国石油川庆钻探工程公司地球物理勘探公司

模型正演为进一步研究溶洞的响应机理、溶洞形状与地震剖面“串珠”状反射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。利用正演模拟技术，可以极大地提高储层预测的精度，并能进行定量或半定量的刻画，降低勘探风险、提高钻探成功率[1－4]。前人在这方面做了很多研究，孙东等通过大量正演模拟建立了一套行之有效的碳酸盐岩溶洞体积计算方法[5]；李凡异等通过物理模拟和数值模拟相结合研究发现：①当溶洞横向宽度增大时，除溶洞的绕射能量增强外，串珠中珠的数目也会有所增多；②溶洞顶的位置不受溶洞宽度的影响[6]。

1 碳酸盐岩地震正演模拟分析

本次正演模拟以塔河地质背景为基础，模型分为两层，上覆地层速度为3 100m／s，厚度为750m，下层奥陶系速度为6 400m／s，厚度为1 600m，而一般来讲奥陶系缝洞储层在含油气情况下速度低于5 800 m／s，故溶洞速度设计为5 500m／s。观测系统采用36道接收、6次覆盖，道间距为20m。子波为雷克子波，主频为30Hz。

1.1 固定高度变化宽度

有许多学者进行了碳酸盐岩溶洞宽度对振幅影响的研究[5－7]，然而他们大都将溶洞设计成长方形，但地下溶洞的形状是千姿百态的，长方形的溶洞虽然具有代表性但并不具有普遍性，因而本次研究设计了不同形状的溶洞，变化其横向上的尺度进行模型正演，对正演结果做了相关分析和研究。

1.1.1 长方形溶洞

溶洞顶部均位于1 190m处，高度均为20m，从左到右溶洞的宽度依次为20m、40m、60m、80m、100 m、200m、400m、600m、800m，如图1－a所示。

图1 长方形溶洞模型相关数据图

图1－b为长方形溶洞模型正演偏移剖面，从中可以看出随着溶洞宽度的增加，溶洞对应位置的振幅是增加的。为了更直观地了解振幅的变化，以偏移剖面中550～700ms（溶洞对应位置）间每一道的最大波峰振幅为纵坐标，道号为横坐标，得到长方形溶洞模型偏移剖面最大波峰振幅曲线图（图1－c）。从图1－c可以直观看到：当溶洞宽度小于250m时，随着溶洞宽度的增大，最大波峰振幅是在增大的；当溶洞宽度大于250m时，振幅几乎不受溶洞宽度影响。

1.1.2 椭圆形和菱形溶洞

将溶洞设计成椭圆形和菱形，固定椭圆的竖轴为20m，横轴从左至右依次为20m、60m、100m、200 m，如图2－a所示。固定菱形高度为20m，宽度从左到右依次为20m、60m、100m、200m，如图3－a所示。

图2－b是椭圆形溶洞偏移剖面，图2－c为椭圆形溶洞最大波峰振幅曲线图；图3－b、图3－c分别是菱形溶洞偏移剖面及最大波峰振幅曲线图。可以看到，无论是椭圆形模型还是菱形模型，随着溶洞横向尺度的增加最大波峰振幅是增加的，这和长方形溶洞正演模拟结果很相似。

图2 椭圆形溶洞模型相关数据图

图3 菱形溶洞模型相关数据图

1.2 溶洞横向尺度影响振幅的极限

以长方形溶洞模型为例，提取偏移数据溶洞响应中心道，其波形图如图4所示。由图4可见：各个地震道除振幅强弱不同外，其波形特征大致相同，为两强谷夹一强峰且峰强于谷的特征；各道波形时长大致相同，这说明溶洞地震响应时长与溶洞宽度没有必然联系；振幅虽然随着溶洞横向尺度的增大而增大，但是增大的幅度是在不断减小的，尤其当溶洞宽度大于200m后，溶洞对应的最大波峰振幅的增加近乎停止。

图4 溶洞中心道波形图

溶洞对应的最大波峰振幅值与溶洞宽度的关系如图5所示。当溶洞宽度约大于280m后，最大波峰振幅是在逐渐逼近6.5的，此时振幅值几乎不再增加，而根据菲涅尔带半径计算公式可知本次正演模拟菲涅尔带半径为280m[8]。由此可见，当溶洞宽度小于菲涅尔带半径时，溶洞越宽其对应振幅越大；当溶洞宽度大于菲涅尔带半径时溶洞宽度对振幅影响不大。

1.3 溶洞形态对振幅的敏感

图5 波峰振幅最大值随溶洞宽度变化曲线图

前面对长方形，椭圆形，菱形的溶洞进行正演模拟，得到相似的结论：随着溶洞横向尺度的增加，振幅呈增加的趋势，三者最大波峰振幅曲线的形态很相似，这让我们猜想在菲涅尔带内，模型横向尺寸对振幅是敏感的，而对其具体是什么形态不敏感。对比三者振幅曲线有：在同一高度和宽度下振幅的关系为长方形模型＞椭圆形模型＞菱形模型，且虽然纵横向尺寸相同，但就面积来说，长方形模型＞椭圆形模型＞菱形模型，看来振幅大小还与溶洞形态有关。为进一步认识这一结论，设计了两个正演模型，模型一在深1 190m处设计了3个溶洞，溶洞最大高度均为20m，最大宽度均为100m，从左到右依次为长方形，半圆形，以一个表面凹凸不平的随机图形，面积大小关系为：长方形模型＞不规则模型＞半圆形模型；模型二在深1 190 m处设计了4个溶洞，溶洞的最大高度均为20m，最大宽度均为100m，底部宽度不变，从左到右顶部宽度依次为100m、60m、20m、0m，即溶洞由长方形变为梯形再变为三角形，面积是逐渐减小的。

图6、7分别是模型一和模型二的相关数据，由图6－c可知，模型一中溶洞对应振幅的关系为：长方形溶洞＞不规则溶洞＞半圆形溶洞，这与溶洞面积关系是一致的，且模型一中第1个溶洞和第3个溶洞形态大小差距很小，但在最大波峰振幅曲线上依然可以将两者区分开，由图7－c可知模型二也有相似的结论，故而在菲涅尔带内溶洞形态对于振幅是敏感的。

综上所述，在菲涅尔带内，不单是横向尺度，溶洞形态对振幅也是敏感的，当溶洞最大纵横向尺寸固定时，溶洞形态越接近于由溶洞最大纵横向尺寸构成的长方形（即是溶洞面积越大），其对应振幅越大。

图6 模型一相关数据图

1.4 半幅衰减道距中心道距离

图8为不同宽度溶洞反射的振幅衰减至最大振幅一半时对应地震道距溶洞中心道的距离图，这一属性可以反映溶洞在剖面上的响应宽度随溶洞宽度的变化情况。从图中可以看到，随着溶洞宽度的增加，半幅衰减道与中心道距离是不断增加的，增大幅度是先变大再变小，在菲涅尔带半径附近增大幅度达到最大。

图8 振幅半幅衰减道距中心道距离图

2 溶洞的识别及其与产量的关系

塔里木盆地北部TH油气田为奥陶系溶缝洞型，提高对溶洞的识别与检测对该油田有着重要意义。综合以上研究，溶洞在地震剖面上的一般特征为“串珠”状或“羊排状”，同时上述对溶洞宽度和形态研究表明，溶洞越大，其对应的振幅越强。

图9为某区块连井剖面与其储层段最大波峰振幅曲线叠合图。由图9可见，这些井除井2、井6外，都设计在“串珠”或“羊排”这些具有溶洞反射特征的位置上，同时它们都对应着最大波峰振幅曲线的极大值点，且井1、井3、井4、井5和井7都有钻具放空、钻井液漏失等表征溶洞发育的证据，而井2位于两“串珠”之间，井6未在“串珠”上，这两口井均无放空漏失现象，即是无溶洞发育，可见振幅曲线出现极值是溶洞反射特征之一，但并不是所有极值都意味着溶洞发育。随着这些井对应振幅的减小，其产量总的来说是减小的，而产量作为一种衡量溶洞大小及发育程度的指标，可见反射振幅越大的溶洞，其尺寸越大，发育程度越高，这与前面的结论是相符合的。所以通过这种手段识别溶洞，可指导实际生产，提高钻探成功率。

3 结论

1）通过对于不同形态溶洞，固定最大高度改变宽度及不同表面积溶洞的正演模拟，得出结论：碳酸盐岩溶洞主要反射特征为两强谷夹一强峰且峰强于谷的特征，即所谓的“串珠”“羊排”状。

2）当溶洞宽度小于菲涅尔带半径时，溶洞越宽其对应振幅越大；当溶洞宽度大于菲涅尔带半径时溶洞宽度对振幅影响不大；随着溶洞宽度的增加，其对应振幅最终逼近于一个极值。

图9 高产井连井剖面与最大波峰振幅叠加图

3）溶洞形态对其绕射波振幅大小是敏感的，当溶洞中横向尺寸固定时，溶洞形态越接近于由其最大纵横向尺寸构成的长方形，其产生振幅越强。

[1]杨华，刘新社，张道锋.鄂尔多斯盆地奥陶系海相碳酸盐岩天然气成藏主控因素及勘探进展[J].天然气工业，2013，33（5）：1－12.YANG Hua，LIU Xinshe，ZHANG Daofeng.Main controlling factors of gas pooling in Ordovician marine carbonate reservoirs in the Ordos Basin and advances in gas exploration[J].Natural Gas Industry，2013，33（5）：1－12.

[2]廖明光，裴钗，陈培元，等.塔河油田4区岩溶缝洞型储层及其控制因素[J].西南石油大学学报：自然科学版，2013，35（4）：1－8.LIAO Mingguang，PEI Chai，CHEN Peiyuan，et al.Formation and controlling factors of karst fracture－cave reservoir in the 4thBlock of Tahe Oilfield[J].Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2013，35（4）：1－8.

[3]肖承文，王贵清，吴兴能等.基于反射波的碳酸盐岩储集层测井评价技术[J].天然气工业，2013，33（6）：29－33.XIAO Chengwen，WANG Guiqing，WU Xingneng，et al.Logging evaluation of carbonate reservoirs based on reflected waves[J].Natural Gas Industry，2013，33（6）：29－33.

[4]刘学利，汪彦.塔河缝洞型油藏溶洞相多点统计学建模方法[J].西南石油大学学报：自然科学版，2012，34（6）：53－58.LIU Xueli， WANG Yan.Multi－point geostatistical approach to model karst facies of fracture－cavity reservoir in Tahe Oil Field[J].Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2012，34（6）：53－58.

[5]孙东，潘建国，潘文庆，等.塔中地区碳酸盐岩溶洞储层体积定量化正演模拟[J].石油与天然气地质，2010（31）：871－882.SUN Dong，PAN Jianguo，PAN Wenqing，et al.Quantitative forward modelling of cavity volume in carbonate reservoirs in Tazhong area[J].Oil ＆ Gas Geology，2010（31）：871－882.

[6]李凡异，魏建新，狄帮让.碳酸盐岩溶洞横向尺度变化的地震响应正演模拟[J].石油物探，2009，48（6）：557－562.LI Fanyi，WEI Jianxin，DI Bangrang.Forward simulation of seismic response in carbonate caverns with varied lateral scale[J].Geophysical Prospecting for Petroleum，2009，48（6）：557－562.

[7]王立华，魏建新，狄帮让.溶洞物理模型地震响应极其属性分析[J].石油地球物理勘探，2008，43（3）：291－296.WANG Lihua，WEI Jianxin，DI Bangrang.Seismic response of karst cave physical model and analysis of its attributes[J].Oil Geophysical Prospecting，2008，43（3）：291－296.

[8]陆基孟.地震勘探原理[M].东营：石油大学出版社，2004.LU Jimeng.Seismic prospecting principle[M].Dongying：China University of Petroleum Press，2004.