负向构造塌陷体的地震正演模拟——以塔河油田为例

2016-11-16何成江张慧涛

天然气勘探与开发 2016年3期

关键词：角砾波阻抗塔河

何成江　张慧涛

（1.西南石油大学2.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院）

负向构造塌陷体的地震正演模拟——以塔河油田为例

何成江1，2张慧涛2

（1.西南石油大学2.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院）

位于塔里木盆地沙雅隆起阿克库勒凸起西南部的塔河油田的外扩评价揭示了负向构造区也存在油气富集区，而在地震处理与解释上，负向构造塌陷体的缝洞成像与识别难度大。通过建立垮塌岩溶储层空间分布的地质构造模型，并利用全波场交错网格差分算法开展正演模拟研究。结果表明，负向构造岩溶塌陷在正演地震剖面上的反射具有表层“下凹”、内幕串珠状及同相轴“短小”的特征，与围岩特征存在着明显的差异，与塌陷体实际的地震剖面吻合度较高；利用叠前深度偏移能够更加准确地对溶洞塌陷形成的强反射进行归位，可较为准确地成像地下岩溶系统，通过正演地震成果可指导负向构造塌陷体的识别，对进一步开展岩溶塌陷体识别与刻画具有重要意义。图6表2参12

负向构造塌陷体全波场交错网格差分算法地质模型正演模拟地震反射塔里木盆地塔河油田

0　引言

塔河油田奥陶系碳酸盐岩缝洞型油藏发育于塔里木盆地沙雅隆起阿克库勒凸起的西南部，储集空间主要为溶蚀孔洞、大型洞穴和溶蚀裂缝，其中洞穴和孔洞的储集性能最好，各类岩溶储集体的空间展布具有极强的非均质性，空间形态极不规则且发育规模悬殊，故其缝洞体的预测识别难度大［1-3］。

在塔河油田的开发过程中，基于“古潜山”岩溶圈闭概念，通过准确识别“残丘”大型隆起的有利特征，实现了碳酸盐岩阿克库勒凸起轴部的高效开发。随着开发对象向岩溶沟谷、洼地等负向构造区扩展，油田单井产能逐年降低，动用风险不断增大。近年来塔河油田在外扩评价过程中揭示了局部岩溶沟谷、洼地区存在较大规模的岩溶塌陷缝洞，部分井获得高产油气，证实此类负向构造区也存在油气富集。康志宏、鲁新便等人开展了有关古洞穴垮塌体地震反射结构与识别方案研究，已经认识到“古残丘”岩溶塌陷体的主体地震反射为“强振幅”，两侧（垮塌围岩角砾）边界的地震反射表现为“杂乱”状和“串珠”状。

对于潜力巨大的负向构造区塌陷体，目前尚无相关地震识别技术支撑，其缝洞成像与识别难度大，故依据借鉴波动方程正演方法原理，利用全波场交错网格差分算法对负向构造地质模型做正演模拟，对开展岩溶塌陷体识别与刻画具有重要的指导意义［4-8］。

1　地震波正演理论

地震波场的数值模拟技术是在已知地下介质结构和参数的情况下，利用理论计算的方法研究地震波在地下介质中的传播规律并合成地震记录的一种技术。随着地震勘探技术的发展，数值模拟成为贯穿地震数据采集、处理和解释过程的一种重要方法，在确定观测系统的合理性，检验处理和解释的正确性等方面有着越来越广泛的应用。

地震勘探中的数值模拟方法主要以射线理论和波动方程理论为基础，有射线追踪法、柯希霍夫积分法、有限元法、有限差分法等，本次采用波动方程正演方法原理，利用全波场交错网格差分算法对地质模型做正演模拟，以反映地质体结构和反射特征。

考虑到碳酸盐岩溶洞模型复杂性，采用弹性波波动方程模型，不仅考虑密度和纵波的分布，还兼顾了对应横波的速度，由于横波速度在模型的某些区域可以设置为零，故可以用来区分模型中的固体和液体两种介质［9-10］。

2　溶洞正演模拟

2.1建立塌陷地质体物理模型

地震正演模型建立在岩溶系统的地质模型基础上，在设计用于弹性波波动方程模拟的岩石物理模型时，要充分考虑垮塌岩溶储层的空间展布，且不同地质体具有不同的纵横波速度和密度。其中，将基岩参数设计为致密并且密度相当大；洞穴系统最底层的部分是由基质和具有粒间孔的硅质碎屑沉积物组成的；上覆崩落的角砾化顶板含有角砾孔隙和基质-粒间孔，甚至是破裂的角砾孔隙。参考Louks描述的塌陷带地层相分布，在塔河油田奥陶系油藏负向构造评价研究的基础上，对具有一定代表性特征的岩溶塌陷复合体进行结构简化，建立地质模型。

负向构造的岩溶缝洞体受地质成因的控制，表现出不同的空间结构和规模，在与缝洞体发育主方向斜交或垂直的方向上，具有明显的负向构造特征。根据对负向构造岩溶缝洞体的研究结果，负向构造的岩溶缝洞体多为多个串珠反射的集合体，形成负向构造的岩溶缝洞体埋藏浅，充填程度相对较弱，洞的塌陷可以在上部形成不同程度的负向构造。塔河油田奥陶系油藏实钻揭示其大洞发育机率较低，钻井钻遇溶洞的发育规模（洞高）89.8%都在20 m以内（表1），因此，在正演模型设计中考虑了三个相邻溶洞的模型：中间的溶洞最大，设计了两层溶洞碎屑角砾，单层厚约20 m，两侧溶洞分别设计了两段溶洞碎屑角砾段，单层厚约10 m。由于负向构造的岩溶缝洞体充填程度相对较弱，溶洞碎屑角砾段应该具有最小的波阻抗，其次为溶穴内的砂泥岩、垮塌洞顶角砾、垮塌围岩角砾和围岩（石灰岩）。根据井震结合所得波阻抗的统计，溶洞碎屑角砾段与围岩有最大的波阻抗差，将围岩与溶洞碎屑角砾的波阻抗比值设定为1.75，围岩与碎屑岩的波阻抗比值设定为1.65，围岩与垮塌洞顶角砾的波阻抗比值设定为1.5，围岩与垮塌围岩角砾的波阻抗比值设定为1.25（表2）。

表1　塔河油田奥陶系油藏钻遇溶洞统计表

表2　实钻波阻抗参数统计表

建立负向构造塌陷体地质模型如图1所示，根据常规测井的不同缝洞储集体类型相应的纵横波速度和密度，建立了相应的岩石物理模型。该剖面垂直于缝洞体储层发育的主方向，能最大程度地反映负向构造特征。

模型设计相关参数：

图1　负向构造塌陷体地质模型图

（1）为模拟缝洞集合体响应，采用了三个相邻溶洞的模型；

（2）为了模拟地震波调谐作用对地下溶洞识别精度的影响程度，溶洞规模具有一定差异；中间的溶洞模型由两个20 m厚的溶洞碎屑角砾组成；两边的溶洞模型由两个10 m厚的溶洞碎屑角砾组成；

（3）对地震数据的分析，主频为25 Hz，各岩石的波阻抗比值为:

石灰岩/垮塌围岩角砾=1.25；

石灰岩/垮塌洞顶角砾=1.5；

石灰岩/溶洞碎屑角砾=1.75；

溶洞模型设计宽为2 000 m，高175 m。为了更清晰地找出溶洞特征，在溶洞区的上面采用了厚层志留系碎屑岩与下伏碳酸盐岩的高阻抗对比。不同的着色区块代表不同的岩性或纵波速度和密度。利用不同的速度和密度来代表不同类型的角砾体，比如垮塌顶板角砾、层间崩落和碎屑物及破裂的顶板角砾。通过不同的值来表现尽可能多的非均质性，便于观察地震正演成果识别的精度。

2.2正演模拟

在复杂油气藏勘探过程中，地震正演模型和分析是以地震响应分析为基础的，首先建立各种复杂油气藏的地质模型，然后通过地震正演模拟得到一系列的地层地震响应，以提高地震资料解释的准确度，降低地震资料解释过程中的风险。

溶洞模型正演模拟参数设置及流程如下：

（1）根据测井和岩石物理参数设计好相关速度模型；

（2）用高精度的有限差分算法可以计算各炮在各个时刻的波场值（波场快照和单炮记录）；

（3）为了能够准确地描述地质模型中塌陷地质体的溶洞储层分布，模型采用的网格大小为2 m×2 m，网格节点上的纵波速度、横波速度及密度由人工给定的数值进行空间插值，网格内的弹性参数为常数；

（4）为尽可能地贴近实际工区地震采集参数，同时又不影响地震正演模拟的计算精度，在正演模拟过程中对观测系统参数设置如下：采用单边激发，炮间距50 m，最小偏移距30 m，道间距20 m，每炮100道接，采样间隔0.4 ms，采样深度600 ms；

（5）基于模型速度，对每个炮点记录进行水平叠加和叠后偏移，按照波动方程正演理论，得到频率为25 Hz的溶洞地质模型的正演地震剖面。

基于地质模型的正演速度模型如图2所示：

实际模拟过程中，为了验证模型的适用性，采用了相对较快的估计反射波时间和振幅的垂直入射模型，该方法假设地震能量传播是严格垂直的一维传播。可以由垂直波场模拟得到的地震时间剖面看到，对应地质模型溶洞区域出现了不连续的强短轴反射，匹配关系较好（图3）。

图2　正演速度模型图

图4是弹性波动方程计算得到的炮集的水平时间叠加剖面和对应的叠后偏移剖面对比，从水平叠加剖面可以看出，溶洞产生的绕射波特征比较明显，同时也看到“短轴”反射出现的位置和溶洞位置一致，溶洞区域同相轴连续性变差，强弱反射互层。经过叠后偏移处理后的地震剖面绕射波收敛，倾斜层归位，横向分辨率提高，可以看到比较明显的溶洞的“串珠状反射”特征。

图5是弹性波动方程计算得到的炮集在分别进行过叠前时间偏移PSTM和叠前深度偏移PSDM后的溶洞正演模拟结果对比。偏移结果表明，叠前深度偏移较叠前时间偏移能够更加准确地对溶洞塌陷形成的强反射（串珠反射）进行归位，达到较为准确地成像地下岩溶系统的目的。

图3　垂直波场得到的地震剖面图

图4　水平叠加（左）和叠后偏移（右）正演时间剖面图

图5　叠前时间（左）和叠前深度偏移（右）正演时间剖面图

2.3实际地震剖面对比

图6为实际钻遇负向构造塌陷体的过井地震剖面，可以看出，实钻塌陷体上部地层存在明显“下凹”，形态与志留系和奥陶系分界面起伏相似，“下凹”的程度向上逐渐减小，T74层位之下，塌陷主体发育强振幅的多个串珠反射，与周围致密原岩有明显不同。负向构造塌陷体的地震正演模拟结果（图4、图5）与实际地震剖面的表现形式非常接近，可有效指导负向构造区塌陷体识别。