基于正演模型的地震相识别溶洞充填技术—以塔河油田12区东奥陶系储层为例

杨晓兰

(中国石化集团国际石油勘探开发有限公司,北京 100029)

众多学者利用野外地质露头、地震、钻井、测井、油藏动态等资料，对碳酸盐岩缝洞型储层的储集空间、发育演化、充填特征以及储层预测等开展了研究，建立了碳酸盐岩缝洞型储层的地质模式，探索了储层预测方法[1-8]，但在缝洞充填性识别研究方面依然非常薄弱[9]。塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏属于与风化壳古岩溶有关的缝洞型油气藏[10]，塔河油田12区东奥陶系酸盐岩岩溶缝洞型储集体埋藏深度较大，达4 000～5 000 m，储层发育程度相对减弱，储层发育的尺度及规模较低，非均质性强，工区油藏缝洞单元结构描述不清，空间结构和储层内部特征也需要更精准地认识，尤其缝洞单元内固态充填物的发育，严重影响了储集空间的形成和物性好坏，因此有必要开展溶洞充填识别技术降低储层不确定性。本文通过正演模型研究，建立了一套基于正演模型的地震相识别溶洞充填技术，寻找未充填溶洞，可靠程度达86%，提高了钻井成功率和油气高产率。

1 正演模拟分析溶洞充填性

由于地震正演在解决非均值性强的储层预测中具有较好效果[11]，因此本文采用地震波场正演模拟的方法预测和描述塔河12区块的奥陶系缝洞型储层。

1.1 缝洞模型地震响应的模拟步骤

(1)应用Tesseral 2-D软件，采用人机交互的方法建立相同洞宽不同洞高情形下的溶洞模型(图1)。

图1 地层及溶洞模型示意

(2)对设计的缝洞模型进行网格离散化：考虑背景速度的纵横向变化程度、所设计的溶洞最小尺度以及差分方程收敛的条件，设计网格的大小。本次模型采用的网格大小为2 m×2 m，由人工给定数值空间插值网格节点上的纵波速度、横波速度及其密度，网格内的弹性参数为常数。

(3)采用接近实际野外采集的观测系统和采集参数，进行波动方程正演模拟：为了使得模拟过程更接近于实际地震采集过程、波传播过程和处理过程，采用与野外地震资料采集时所使用的道间距、最小和最大偏移距、采样间隔、子波主频相同的参数，进行炮集记录正演模拟 (图2)。试验工区的每条线长度均为12 000 m，且为了保证正演模型目标区域内均为满叠以及边界吸收较好，模拟中在模型的左边延长了2 000 m，右边延长大于3 000 m，深度范围为2 000～6 000 m。

模拟的具体采集参数为：道间距15 m，炮间距100 m，最小偏移距50 m，最大偏移距3 630 m，接收道数120道，24次覆盖，采样间隔1 ms，子波主频25 Hz。模型中最小介质速度1 500 m/s，计算网格间隔为2 m×2 m。

图2 相同洞宽不同高度情形下的缝洞模型对应的合成地震共炮点记录示意

(4)对炮集记录进行常规地震资料处理，获得水平叠加时间剖面和叠加时间偏移剖面 (图3)。

图3 与溶洞对应的叠加时间偏移剖面

1.2 精细地层模型建立

为了更好地表达洞穴模型的响应特征，必须首先建立石炭系-奥陶系(地震T56-T74反射层)细化地层地质模型。严格按照本区地震资料的采集、处理参数和接近实际的地层埋深、速度、密度等参数(表1)，细化目的层上下小层地质模型。根据测井曲线特征，地震T56反射层-地震T74反射层之间可以细化3～4层速度变化层，依据测井指示速度变化层的平均厚度，细化地震T56-T74反射层附近的小层模型(图4)。

表1 实际缝洞模型的速度和密度值

图4 地层模型示意

1.3 溶洞充填性地质模型建立

为使正演结果更具代表性，地质模型的设计重点考虑了洞穴大小渐变过程、浅层溶洞(距离表层<50 m)和深层溶洞(距离表层>50 m)组合出现时的情况。

根据溶洞距表层的距离，将溶洞分为表层洞和中深层洞。洞顶距离表层0～50 m的为表层洞，洞顶距离表层>50 m的为中深层洞。划分理由是50 m为奥陶系表层T74对应波峰的平均厚度，根据实钻井正演分析，一般距离表层<50 m，对表层反射影响较大，距离表层>50m ，对表层反射影响较小或者没有影响。

部分充填洞仍存在孔洞空间，划归为未充填洞进行地震分析。本次模型仅考虑全充填和未充填，分别按照全充填和未充填设计溶洞的大小、距离表层距离和洞穴组合。

(1)溶洞大小设计:本区实际钻井揭示的溶洞单洞纵向大小一般都<25 m，30～50 m的溶洞发育较少。从分辨率角度分析，最大溶洞设计为25 m，是地震可清晰识别的。本轮设计中考虑了2 m、5 m、10 m、15 m、25 m的不同溶洞高度，溶洞横向大小均为10 m。

(2)双层溶洞设计:本区主要发育两层洞，即中上部溶洞和深层洞。中上部溶洞有纵向大小溶洞之分，初步正演模型试验分析表明，高度<5 m的溶洞对于地震响应影响较小。而深层10 m高度的溶洞发育数量较多，且对地震响应影响比较明显，因此深层洞高一般设计为10 m。

双层溶洞洞间距离设计为60 m，主要是考虑多层溶洞如果洞间距离较小，如洞间距离若小于20 m，从地震分辨的角度，认为不能区分；而且60 m对应地震时间约为25 ms左右，对应半个相位的宽度(1个波峰或1个波谷宽度)，是地震相可识别的一个比较合适的视分辨率范围，距离表层60 m的溶洞一般属于深层洞，对奥陶系表层地震反射基本没有影响。

双层溶洞充填性的设计主要考虑了4类特征：双层溶洞均为未充填溶洞，双层溶洞均为全充填溶洞，上层溶洞为未充填、下层溶洞为全充填，上层溶洞为全充填、下层溶洞为未充填。

(3)暗河条带特征设计：目标区12区东发育条带状强反射，发育暗河特征的溶洞，部分条带状强反射充填特征横向变化上具有较强的地质规律：暗河近源部位为充填，远源部位为未充填。部分条带状强反射充填特征横向变化没有地质规律。因此，依据溶洞大小渐变特征建立条带状溶洞模型(最大洞设计为50 m，最小到0 m)，并分段设计成充填溶洞和未充填溶洞(图5)。同时，为了便于对比同等规模的充填洞与未充填洞之间的反射特征，分别建立了50 m、40 m、30 m、20 m、10 m不同规模洞高的相同的充填洞模型与未充填洞模型。

图5 双层未充填溶洞设计地质模型

1.4 溶洞充填性正演模拟结果

根据溶洞地质模型，考虑单层溶洞有表层溶洞、中深层溶洞，溶洞又分为未充填和全充填溶洞，设计了8条地质剖面，并分别正演计算得到了相应的8条地震剖面。

1.4.1 表层洞充填性模拟正演

第1条和第2条地震剖面是按照不同沉积背景区，在奥陶系表层设计不同大小的溶洞，分别设计了全充填溶洞和未充填溶洞，目的是为了分析研究表层溶洞形成的反射对地层界面反射产生的影响。正演地震剖面分析发现以下特征：2 m左右的溶洞，无论充填与否，现有地震资料的分辨率下地震难以识别；5m左右充填洞，地震显示特征整体较弱，但未充填洞对表层界面反射影响是形成“下拉”形态；大于10 m洞，未充填溶洞一般造成表层界面地震反射明显“上凸”，全充填溶洞对表层地震反射“上凸”特征不明显，但造成部分表层强反射变弱及峰谷变化。充填洞和未充填洞均能形成内幕强反射，且多数未充填溶洞对应的反射能量更强。

1.4.2 表层与深层复合洞充填性模拟正演

第3条和第4条地震剖面是按照不同沉积背景区内不同大小溶洞的双层溶洞设计，一条剖面设计的双层溶洞均为未充填溶洞，另一条剖面设计的双层溶洞均为全充填溶洞，模拟剖面特征表现为：全充填深层溶洞下部形成的串珠能量很弱，未充填深层溶洞下部则形成强能量的串珠反射。未充填溶洞形成的串珠尾部具有散射和尾部拖长的特征，即“拖尾”现象(图6)。

图6 双层洞正演地震剖面

第5条地震剖面设计上层溶洞为全充填溶洞，下层溶洞为未充填溶洞。正演地震剖面反映出下部未充填溶洞对形成内幕强反射起关键作用，表层全充填溶洞小于20 m时，对表层反射影响小或造成表层反射变弱。

第6条地震剖面设计上层溶洞为未充填溶洞，下层溶洞为全充填溶洞。正演地震剖面反映出内幕全充填溶洞形成的串珠较弱，对未充填洞形成的反射影响较小，整体反映的基本都是未充填溶洞的反射特征。

第7条正演模型剖面是根据暗河特征设计，正演地震剖面特征为：①近似规模的溶洞，未充填溶洞反射能量更强，并且相位变宽(变宽为低频特征)。②全充填溶洞对应的反射能量明显强于围岩，属于较强反射，但能量较未充填溶洞对应反射弱，相位纵向较窄(属于高频特征)。

第8条正演模型剖面是依据厚度渐变、考虑未充填与充填溶洞等厚而建立的条带状溶洞模型，单层洞地震反映特征与模型7近似，即同等规模溶洞中，未充填溶洞对应地震反射能量强、频率低。此外，还探讨了双层洞间距变化引起的影响：未充填双层洞间距10 m，能量强，类似单层洞；未充填双层洞间距20 m，反射能量略微变弱，但相位变得更宽(低频特征更强)；未充填双层洞间距30 m(大于25 m分辨率)，振幅变弱，且变为复波特征，纵向相位变得更宽。另外，当全充填与未充填组合出现时，形成的反射与未充填溶洞地震特征近似。

2 基于正演模型的地震相识别溶洞充填特征

2.1 串珠反射特征对比分析

串珠反射虽然整体外形特征近似，但仍有一些细节的变化，通过精细对比这些细节和对区内钻遇串珠且具有溶洞发育的钻井进行充填性质与正演模型地震相特征对比分析[8-11]，可研究溶洞的充填特征。发现未充填溶洞多数都具有串珠顶部上凸、下部拖尾或者串珠的下部多形成倒三角形(图7)。

图7 典型未充填溶洞地震剖面

全充填溶洞为正常低速层，一般不会出现由于速度异常引起上下围岩反射波形的明显“上凸、拖尾”等现象，全充填溶洞的串珠多为稳定无形变(图8)。根据这种基于速度异常造成地震相异常的结论认识，预测洞穴充填性符合率达86%。

图8 典型全充填溶洞地震剖面

2.2 条带状暗河特征对比分析

对于条带状暗河也可根据前述地震属性、暗河的走向等进行对比分析。溶洞充填与否和振幅大小、延伸平直或者弯折没有明显关系。研究区12区东暗河溶洞规模大，且现有钻井多数揭示为全充填，少部分为未充填。通过不同方向地震剖面对比，认为利用多方位的横切平面，从串珠角度分析暗河洞穴充填性是可行的。暗河条带全充填溶洞形成的串珠平滑稳定，无顶部上拉、底部“拖尾”现象；未充填暗河区溶洞有顶底的反射形变。12区东多井地震相标定结果与钻遇暗河条带的井解释结果全部符合，12区东全充填的溶洞较多，未充填溶洞较少(仅7口井)，且在地震剖面上具有明显形变的特征(图9)。

图9 暗河条带内解释未充填的井典型地震相剖面

3 结论

正演结果表明洞高、充填性和双层洞是否发育在地震反射上具有较明显特征差异。

(1)洞高小于10 m的溶洞，无论全充填或未充填，反射能量较弱，振幅属性均难以识别；洞高大于10 m的溶洞，充填洞和未充填洞均能形成内幕强反射，全充填溶洞形成较强反射，未充填溶洞形成反射振幅能量更强。未充填溶洞形成相位变宽的低频地震反射，全充填溶洞形成相位较窄的相对高频地震反射。

(2)未充填溶洞形成的串珠“上凸”特征明显，甚至造成表层地震反射的“上凸”变化，局部可见上覆地层地震反射“下拉”现象。全充填溶洞对表层形成的地震反射“上凸”特征不明显，全充填大洞(25 m)形成的串珠轻微“上凸”。

(3)未充填溶洞形成的串珠尾部多呈现出“▽”形态(倒三角形)，或形成尾部散射和尾部拖长等“拖尾”现象；全充填溶洞形成的串珠多表现为稳定无形变的特征。

(4)发育的双层溶洞一般会造成地震反射能量变弱。双层洞未充填时，洞间距小，深层溶洞下部形成的串珠能量强；洞间距大，则串珠反射能量变弱，低频特征更明显，或变成复波特征。双层洞全充填时，则无论洞间距是大是小，其反射振幅能量都变得更弱。双层洞包含充填洞和未充填洞时，其串珠反射振幅、频率特征与未充填洞的近似。

(5)根据条带状暗河走向，利用多方位横切平面，从串珠角度也可分析暗河洞穴的充填性。条带状暗河全充填溶洞形成的串珠平滑稳定，无顶部上拉、底部“拖尾”现象；未充填暗河区溶洞有顶底的反射形变。

(6)利用基于正演的地震相识别技术，对未充填溶洞进行识别，符合率达到86%，为研究区寻找未充填溶洞探索出了一套有效的方法，也为寻找物性好的岩溶储层奠定了技术基础。