琼东南盆地高温高压地层垂向运移通道精细描述技术

周凡 刘爱群 宋鹏

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司 ， 广东 湛江 524057)

0 前言

近年来，随着地震资料的逐渐丰富和研究人员对区域地质认识的不断加深，在琼东南盆地的陵水凹陷中 — 上新统地层落实了一批岩性地层圈闭，该区域已经成为南海西部天然气勘探的重点区域[1-2]。该区的烃源岩主要分布在下渐新统，上、下渐新统之间主要发育海相泥岩，无大型的沟源断层作为油气垂向运移通道。进一步的研究表明，大量发育的超压裂缝是琼东南盆地重要的运移通道，研究这类垂向运移通道的空间特征以及识别技术，对掌握盆地内烃类运移规律具有重要意义[3-6]。但是受海上钻井取芯少和地震资料分辨率低、信噪比差等因素的制约，难以利用常规地球物理手段对这些裂缝进行直接描述，垂向运移通道识别难度大的问题严重束缚了琼东南盆地高温高压领域的勘探步伐。长期以来，人们围绕断裂系统的准确描述作了大量研究，发展了如地震相干体技术、方差体技术、横波分裂检测技术、曲率识别技术等[7-11]。应用这些技术能够对裂缝的分布范围进行描述，但是对裂缝的分布密度和几何特征的刻画精度不高。本次研究从裂缝形成的超压背景着手，首先对凹陷的压力进行计算，得到高精度的压力数据体，并结合构造及沉降特征分析获得区域临界破裂压力分布特征的明确认识，从而预测超压裂缝发育的有利位置；然后，在此基础上对三维地震数据体提取相应地震几何属性，并优选超压裂缝敏感属性，最终得到研究区裂缝平面展布特征。

1 高压裂缝形成机理分析

按照运移通道的发育规模、分布范围及其对油气运移的重要程度，可将莺歌海 — 琼东南盆地烃类垂向运移通道分为底辟型通道、断裂型通道及底辟外裂缝通道3种通道类型[12-14]。底辟通道和断裂通道被认为是盆地内最主要的垂向运移通道，而且这些运移通道在叠加地震上有较明显的响应特征，能够基于定性判断、岩心识别、正演模拟以及多技术综合应用来进行分析和识别。底辟外的裂缝运移通道主要分布在盆地内超压地层当中，其规模较小，且分布区域无明显规律。这类运移通道的发育与底辟以及大型断裂的发育没有太大关系，仅在一定程度上受控于地层压力的大小。当地层压力达到一定程度时，地层就会产生超压裂缝网格。这些垂向裂缝的幕式开启活动既构成了异常压力体系能量释放的主要通道，同时也形成了烃类的垂向运移通道。

底辟外裂缝通道的直接地震识别难度较大，但是由于其形成原因与地层的异常高压关系密切，因此，通过基于地层破裂压力的分析来初步预测裂缝发育的有利区带。理论研究表明，当压力系数达到或者超过1.9时，地层的孔隙压力可能会大于破裂压力，地层内部会开始产生破裂[15]，进而形成广泛分布的超压裂缝。在构造及沉降特征分析的基础上，可通过对区域高精度地层压力数据的分析，较准确地锁定裂缝发育的有利部位。根据已钻井压力数据分析，认为琼东南盆地新近系地层破裂压力与破裂深度呈正相关，即破裂深度越深，对应的破裂压力越大。通过图1所示琼东南盆地乐东 — 陵水凹陷压力分布剖面可以看出，LS-25区底部地层广泛发育压力系数大于2.0的超压地层，且具有明显的构造背景，凸起与凹陷间的差异沉降幅度较大。分析认为，LS-25区中新统地层为裂缝发育的最有利位置。

图1 琼东南盆地乐东 — 陵水凹陷压力分布剖面图

2 基于敏感几何属性的裂缝识别

2.1 敏感几何属性优选

在预测裂缝发育优势部位的基础上，对这些裂缝敏感部位进行地震几何属性提取，从而对这些裂缝进行直接描述。根据相关研究[16-20]，将地震几何属性大致分为3种类型：

(1) 表征地震相似性或差异性的属性，如方差体。此类属性可以反映大断裂等构造，但是其计算结果受地震相的影响较大。

(2) 表征地震一阶导数型的属性，如倾角、方位角。此类属性只对大尺度构造具有表征意义，对小构造及构造细节不敏感。

(3) 表示地震二阶导数型的属性，如曲率。二阶导数的计算能够放大地质差异，突出大倾角背景下的微构造差异，因此在裂缝识别方面具有较大优势。曲率属性从本质上反映的是地层褶皱或弯曲时的应力过程。

背斜褶皱改变了地层长度，使整个地层受力，顶部拉张力增强，底部压缩程度加大，中立面处于一种特殊位置，没有应力。由应力差异和水力压裂作用造成的这类形变会产生复杂的断层和裂缝几何形状，这些应力集中的位置就是曲率属性异常表现最明显的位置。Roberts对多种几何属性进行了对比，倾角属性对地层倾角较大时的断层刻画效果较差，方位角属性对大倾角地层情况下的断层完全不能显示，而曲率属性对多种类型和尺度的断裂都有较好的识别效果[22]。本次研究优选曲率属性来进行超压裂缝的识别。

2.2 曲率属性的定义及计算原理

曲率是表示曲线弯曲程度的参数，其在数学意义上可表示为曲线上某个点的切线方向角的变化率与对应弧长之比，用式(1)所示二阶微分方程表示[21-22]：

(1)

式中：C—— 曲率；

ω—— 曲线上某点的切线方向角；

s—— 弧长。

如图2所示，空间中点P的曲率可以通过周围各点拟合而成的空间曲面计算得出。过点P处任意一个正交于曲面S的投影平面所定义的曲率为法曲率。无穷多个正交曲率中存在一条曲线，使得该曲线对应的法曲率为最大，这个曲率称为极大曲率(Kmax)，垂直于该曲线的曲率称为极小曲率Kmin。这两个层面属性称为主曲率，它们代表了法曲率的极值。在此基础上还可以构建其他的曲率属性，包括高斯曲率(Kg)、平均曲率(Kmean)等。

图2 三维曲率示意图

2.3 非线性各向异性扩散滤波的原理

曲率的计算是以地震的二阶导数计算为基础，其结果对噪声十分敏感，因此，在计算曲率前必须对原始地震资料进行滤波去噪处理。我们尝试将三维曲率分析和各向异性扩散滤波算法相结合，以达到提高预测精度的目的。该滤波算法不仅具有最好的平滑性，而且对有用信息的损伤最小。同时，在构造张量的组合中增加了二阶导数的贡献量，能够控制在断层和河道等非连续性区域的滤波程度，使得该算法具有良好的保边缘特性[23-25]。其三维各向异性扩散滤波方程如式(2)所示：

(2)

式中：div —— 散度算子；

x、y、z—— 空间上某一位置的坐标；

t—— 时间变量；

ε—— 连续性因子；

Jp—— 包含图像局部结构信息的结构张量；

D(Jp) —— 由Jp的特征值和特征向量构建的扩散张量，特征向量表示扩散的方向，特征值表示该方面的扩散强度。

3 应用效果

LS-25区位于琼东南盆地乐东凹陷东部，邻近乐东 — 陵水凹陷交界处，具备良好的烃源条件。该区中 — 上新统主要发育梅山组海底扇、黄流组轴向水道岩性圈闭和莺歌海组限制性水道岩性圈闭等3种圈闭类型，具备运移条件是这些圈闭成藏的关键。精细地层压力分析结果表明，该区中新统地层是裂缝发育的最有利位置，有可能广泛发育裂缝型垂向运移通道。

在各向异性扩散滤波处理的基础上，首先对裂缝发育有利部位进行多种几何属性计算。根据图3所示LS-25区多种几何属性切片对比可知，叠后地震切片对裂缝描述的效果最差，地震沿层切片完全不能刻画裂缝的分布，因此常规的地震技术对该区垂向运移通道的识别效果较差；相干体切片对裂缝的识别具有一定效果，应力集中部位有较明显的裂缝分布，但是分布密度及几何特征刻画不清；曲率属性切片对裂缝的识别效果最佳，在相干体切片上不明显的位置处，曲率属性对裂缝的识别精度更高。对比滤波前最大正曲率切片和滤波后最大正曲率切片的属性特征可知：滤波前，曲率属性受随机噪声的干扰严重，大部分微裂缝都“淹没”在干扰噪声中而难以区分；滤波后，裂缝的分布密度和几何特征更加清晰，图中刻画的大量近北东 — 南西向的裂缝型构造与区域应力分布特征和构造特征相吻合。

上述分析表明，LS-25区及其周边区域的超压地层中存在大量超压裂隙带，因此，优选该区黄流组水道作为首选有利勘探区，并设计LS-1井进行钻探。根据图4所示LS-1井纯波地震剖面图可知，在黄流组水道下方地震同相轴连续性变差，振幅能量变弱，是该区裂隙发育较集中的区域。由图5所示LS-1井综合柱状图可知，主要目的层黄流组水道Ⅱ气组钻遇71.8 m气层(见图5)，用19.05 mm油嘴求产，日产气量为100.8×104m3，实现了乐东凹陷首个重大勘探发现。

4 结 语

琼东南盆地乐东 — 陵水凹陷为典型的高温高压凹陷，该地区新近纪断裂不发育，超压压裂产生的裂缝为主要的油气垂向运移通道，裂缝的分布决定了天然气的富集层段。研究这类垂向运移通道的空间特征以及识别技术，对掌握盆地区域天然气的充注、散逸和成藏规律及预测潜在天然气富集区具有重要意义。

图3 LS-25区多种几何属性切片对比

图4 过LS-1井地震剖面

图5 LS-1井综合柱状图

曲率属性对断层、裂缝等线性断裂构造的识别效果较好，能够较准确地描述超压裂缝的长度、走向及分布密度，且描述精度明显高于相干体等常规几何属性。作为地震数据的二阶导数属性，曲率属性计算受噪声的干扰较大，将三维曲率分析和各向异性扩散滤波算法结合起来应用,可在提高信噪比的同时保留更丰富的构造细节，并进一步提高对裂缝的识别精度。

运用构造成因分析和地震几何属性分析相结合的裂缝预测手段，解决了复杂地区储层的裂缝预测问题。该技术方法具有分辨率高、识别裂缝尺度小、计算速度快的特点，可作为相干体等常规几何属性预测的一种重要补充。