顺北地区断控缝洞型储层反射特征与预测技术探讨

2021-01-09廖茂辉

工程地球物理学报 2020年6期

廖茂辉，刘军，龚伟，王鹏，刘群

(中石化西北油田分公司勘探开发研究院，新疆乌鲁木齐 830011)

1 引言

顺北地区经过几年勘探，实现了油气勘探的重大突破，开辟了北塔里木盆地奥陶系勘探的新阵地，展示了较好的勘探开发前景。随着勘探的持续推进，揭示了顺北地区及邻区发育的克拉通内中小滑移距走滑断裂体系对奥陶系碳酸盐岩具有明显的“控储、控藏、控富”作用[1]。顺北地区走滑断裂体系伴生的缝洞储层与塔河油田储层的表生暴露成因不同，顺北油气田处于塔河油田外围的上奥陶统覆盖区，上覆地层发育完整(未暴露)，狭义岩溶型储层欠发育，但钻探表明，在中—下奥陶统中，沿走滑断裂仍发育大量非暴露岩溶缝洞型储集层，且在中奥陶统一间房组顶界面之下，洞穴多数沿大、中型走滑断裂带的走向分布，沿断裂带方向侧钻井的成功率很高，不同级次断裂对于缝洞储集层均有极强的控制作用，油气田高产、稳产且不含水[2]。顺北地区缝洞型储层的形成与断裂的发育关系密切，断裂与缝洞型储层是一种伴生关系。断裂的发育控制了缝洞型储层的规模，断裂的走向、期次及分段性控制了缝洞型储层的复杂性。顺北油气田在勘探思路和技术方法上借鉴了塔河油田的经验，主要借助地球物理上相干与振幅的异常值定位钻井靶点[3]。但是顺北地区与塔河地区油气藏成因及特征是有差别的，其储层地震反射特征和预测思路与以前的经验也有差异，本文针对这两方面进行探讨。

2 断控缝洞型储集体地震反射特征

塔里木盆地顺北地区奥陶系碳酸盐岩储层属于主干断裂控制下经多期岩溶改造形成的缝洞型储层，油气藏埋深普遍大于7 000 m，构造复杂。深大断裂在多期运动和溶蚀作用下，伴生了大量次级断裂，既可能是底部烃源岩通向储层的油气运移通道，也可能产生封闭效应而有利于圈闭的形成，断裂系统是影响碳酸盐岩储层分布的重要因素[4]。顺北地区断控缝洞型储层是以断裂带为核心，围绕断裂带进一步溶蚀形成储集空间。断裂带既是储层形成的主控因素又是全部储层总的表征；简单地说，断裂既是油气运移通道，又是油气储集的空间。通过历年来的研究认识到，有效储层地震反射类型主要有“串珠、杂乱、片状和弱反射”类型，其中“串珠”反射为最优质的储层类型[5]。地震反射类型对应到地质目标即为洞穴型、孔洞型、孔洞-裂缝型、断裂类型，它们并不是相互独立的，而是相互影响交织形成若干亚级储集类型。

2.1 T74界面地震反射特征

顺北地区T74界面为奥陶系碳酸盐岩与碎屑岩的分界面，地震反射特征为波峰强反射。当T74界面附近存在断裂时，地震波场会出现干涉现象，T74界面的反射特征就会出现异常。如图1(a)所示，设计一组断裂带距离T74界面不同距离，目的是了解T74界面与断裂带的相互干涉现象。根据已钻井和前人研究及经验设计地质模型，断裂带宽度60 m，内部充填均匀介质，速度5 000 m/s；断裂带顶端距离T74界面分别为0、19 m、38 m、50 m、60 m、76 m、90 m、120 m、180 m、200 m。桑塔木组速度4 600 m/s，一间房组速度6 100 m/s，鹰山组上段速度6 200 m/s，鹰山组下段速度6 300 m/s。通过波动方程正演及偏移成像，地震剖面如图1(b)所示。从图1分析可知，断裂带顶部接近T74界面，T74反射轴呈现空白反射、弱反射或T74反射面错断，如图1(b)中的①所示。随着断裂带顶部与T74界面的距离增大，T74反射轴出现轻微褶曲，波峰波谷能量有所增强，如图1(b)中的②～④所示。当断裂带顶部与T74界面的距离继续增大至1/4波长附近，T74反射轴的能量达到最强，如图1(b)中的⑥所示。当断裂带顶部与T74界面的距离超过1/4波长时，T74界面下波谷出现下拉现象，甚至出现“串珠”特征，如图1(b)中的⑧～所示。总的来说当T74界面附近有断裂带时，T74反射轴表现为弱反射、小褶曲、波谷能量增强、波谷同相轴下拉和“串珠”五种类型反射特征。

图1 断裂带顶部与T74不同距离的地质模型和正演剖面Fig.1 Geological model and forward section at different distance between the top of fault zone and interface T74

2.2 奥陶系内幕储层地震反射特征

奥陶系内幕断裂充当储集空间时，与洞穴、孔洞是有区别的，相同点是横向尺寸有限；不同点是洞穴、孔洞纵向尺寸很小，断裂纵向贯穿多个地层且平面上延伸很远。从塔河地区的经验可知，洞穴、孔洞的地震反射特征为“串珠”。顺北地区以走滑断裂为主，断裂的地震反射特征从模型正演入手分析。

2.2.1 储层内部为均匀介质

设计地质模型，如图2(a)所示，储集空间横向宽度为60 m，纵向长度依次增大(1/16波长～9波长)，距离T74界面230 m，储集体速度为5 000 m/s，地层背景速度6 100～6 400 m/s。模型设计的目的是模拟从洞穴到断裂演变的地震波长特征。经过波动方程正演及偏移成像处理，得到地震偏移剖面如图2(b)所示。从图2分析，储集体的纵向尺寸小于1/2波长时，储集体的地震响应特征为单“串珠”，如图2(b)中的①～④所示。当储集体的纵向尺寸为1/2波长～1波长时，储集体的地震响应特征为长“串珠”，如图2(b)中的⑤和⑥所示。当储集体的纵向尺寸大于1波长时，储集体的顶、底地震响应特征为“串珠”，储集体的内部地震响应特征为空白反射或弱反射，如图2(b)中的⑦～所示。

孔洞、洞穴与断裂的区别主要表现为空间尺寸的不同，孔洞、洞穴地震响应特征通常是孤立的“串珠”；断裂的地震响应特征除了“串珠”特征，根部同相轴还有错断的现象，如图2(b)中的～所示。

2.2.2 储层内部为非均匀介质

设计地质模型，如图3(a)所示，断裂带底部宽度400 m，顶部宽度1 000 m，断裂带内部充填随机介质，随机介质速度为5 000 m/s。断裂带内部随机介质密度从左到右依次增大，密度为3 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %、40 %，以模拟断裂带内部的破碎程度和了解断裂带不同破碎程度的地震响应特征。碳酸盐岩背景速度为6 100～6 300 m/s，通过波动方程正演及偏移处理，得到地震剖面如图3(b)所示。从图3(b)的正演剖面分析，断裂带在低破碎程度充填下表现为杂乱弱反射特征，随着断裂带破碎程度的增加，杂乱弱反射特征能量逐渐增强，能量增强到一定程度，杂乱反射区域局部表现为类似强“串珠”反射特征。

图2 洞穴向断裂带演变的地质模型和正演剖面Fig.2 Geological model and forward section of cave to fault zone evolution

图3 断裂带内部充填随机介质的地质模型和正演剖面Fig.3 Geological model and forward section filled with random medium in the fault zone

3 断控缝洞型储集体储层地震预测技术

通过断裂带及内幕储集体的模型正演及对比分析，得到其地震反射特征认识；断裂对碳酸盐岩优质储层的发育具有十分重要的作用，理清断裂带及其展布情况对于储层预测尤为重要[6-9]。下面就不同储集体类型和地震反射特征的预测方法技术进行讨论。

3.1 断裂带轮廓刻画技术

结构张量，也叫二阶累积量矩阵，是矩阵的偏导数的表达式。在图像处理和计算机可视化等研究领域，该方法主要用于梯度计算、边缘检测或信息相似性分析[10]。

地震结构张量属性识别地震同相轴的走向，其核心就是参照判断流体势能相同的方法判断地震同相轴的产状。三维地震数据体中按x线方向、y道方向、z双程旅行时方向计算每一点的梯度矢量。计算公式如下：

(1)

其中,g是梯度矢量；u是三维地震数据体。

通过梯度矢量可以构建梯度结构张量场T，计算公式如下：

(2)

进一步计算梯度结构张量T的特征值，具体公式如下：

|TV-λV|=0

(3)

其中λ和V分别是特征值和特征向量，由于矩阵T为实对称矩阵，所以满足三个特征值λ1≥λ2≥λ3>0。由实对称矩阵的性质可知，三个特征向量V1，V2，V3两两正交。

根据特征值可以判断地层各向异性和断裂带特征：

①λ1=λ2=λ3>0，这是各向同性的情况，由于地震数据是成层的，所以这种情况很少见，即使在地震资料非常好的情况下也很少出现这种情况。

②λ1>λ2=λ3≈0，λ1值较大，λ2和λ3接近于0，这种情况常出现在地震资料品质好、而且地震同相轴比较平的条件下，这里的λ1对应的矢量方向接近Z方向。

③λ1>λ2>λ3≈0，这种情况需要根据特征值和特征向量准确计算滤波向量，λ1的高值主要反应水平同相轴，为能量变化最为剧烈的部位；λ2主要体现杂乱反射特征。适当对特征值进行平滑滤波，可以体现断裂带的特征和整体轮廓。

顺北地区储层主要是走滑断裂控制下缝洞体，实践表明结构张量属性能很好的刻画断裂带的边界，为储层预测、圈闭刻画、储量估算等提供指导和边界约束。图4(a)为实际地震剖面，图4(b)为结构张量属性剖面，地震剖面与结构张量属性剖面相似，但结构张量属性刻画断裂带边界更清晰。图4(c)为结构张量描述的断裂带范围，图4(d)为结构张量三维雕刻的断裂空间。从图4分析，结构张量属性是断裂带轮廓刻画的敏感属性，能很好地描述断裂带的空间结构，也可展现断裂带内部破碎地层的分段性。

3.2 断裂及裂缝预测技术

相干数据体是通过计算相邻地震道之间的相似性测量地震波的横向变化特征，从而反映地质体三维展布规律。它是用来计算由构造、地层、岩性等各种地质因素引起的地震响应横向变化的一种方法，可以突出相邻道的不连续性，压制其连续性，使各种地质构造异常和岩性变化的显示更加清晰、直观[11]。

本征值相干算法以多道或多个子体为对象进行道比较和相似性计算，同时进行基于层位的倾角和方位角估计，从常规数据的纵测线地震显示上估计真倾角最大值来定义离散视倾角范围。通常当地层具有走向和倾向多变特征值时，如岩底辟、前积三角洲、火山岩地层等，计算出独立的相干数据体、倾角数据体和方位角数据体，倾角和方位角等属性的变化指示地层、褶皱和岩体的边界。此算法最大的优点是抗噪能力和分辨率更高。

在三维地震数据体中，由相邻的I道，每道J个样点的数据子体构成矩阵为：

D|xi,j|I×J

(4)

式中：D是地震数据子体矩阵，I是计算的地震道数，J是每道地震数据的样点数。则D的协方差矩阵为：

(5)

方程(2)中协方差矩阵C的本征值的数目表示数据子体中自由度的个数，因此最大本征值在整体中所占有的份额就是该子体中的相似性，即

(6)

式中：Rc表示互相关系数；λi是矩阵的第i个本征值。

应用本征值相干算法对顺北地区5号断裂带进行断裂检测。图5(a)为相干与地震的叠合剖面，从剖面上看断裂带清晰，主干断裂纵向连续性好，与地震轴匹配。图5(b)为相干平面图，从图5看5号主干断裂特征明显，断裂带内幕结构特征突出。

图5 地震与相干叠合剖面和相干平面Fig.5 Seismic and coherent superposition section and coherent map

3.3 洞穴、孔洞预测技术

地震反演是利用地表观测的地震资料，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和物理性质进行成像(求解)的过程。通俗的讲就是由地震资料为基础加上其他条件为约束推测出地层岩性构造的过程叫地震反演。

约束稀疏脉冲反演是基于褶积模型的递推反演方法[12]，约束稀疏脉冲反演的基本原理是基于地下的强反射系数界面是稀疏分布的这一认识来实现的[13]，它是以叠后保幅地震数据为主，以地质、测井为约束。从地震道中根据稀疏的原则提取反射系数，与子波褶积后生成合成地震记录；利用合成地震记录与原始地震道残差的大小修改参与褶积的反射系数个数，再做合成地震记录；如此迭代，最终得到一个能最佳逼近原始地震道的反射系数序列[14-17]。

洞穴、孔洞型储层的主要特征是在地震剖面中形成“串珠、强振幅”反射异常，储层预测的关键在于识别“强振幅”异常体的空间分布，地震反演通常能识别强反射异常。图6为地震剖面与波阻抗雕刻的孔洞剖面对比，从图6中可知，通过波阻抗反演能将“串珠反射”、强异常反射表现出来，再利用空间雕刻技术能详细刻画孔洞特征(图6(b))。

图6 地震剖面与波阻抗雕刻的孔洞剖面Fig.6 Seismic profile and hole profile carved by wave impedance

3.4 特征属性融合技术

地震属性是由地震数据衍生出来的几何形态、运动学、动力学以及统计特征的特殊量度，是反映地震波的特征参数[18-23]。地震属性与储层岩性、流体性质、储层参数之间的关系复杂，每一种属性只是储层一个或几个特征参数的地球物理响应，并不能反映储层整个性质特征，使用单一属性分析并预测储层往往会带来多解性。为了较好地解决单一属性的局限性问题，最大程度地克服使用单一属性的盲目性，通常采用多属性分析技术，亦即从繁多的地震属性中优选出有效的属性信息，同时参与储层预测研究，充分运用地震数据具有较好横向连续性的特征，优选出与储层特征有关的优化地震属性及属性组合，刻画储层的平面展布特征，有效提高地震储层预测精度。因此，地震多属性联合预测开展研究是降低地震属性多解性、重点突出有利储层的有效方法。

通过结构张量属性刻画断裂带空间轮廓，作为断控储集体预测的约束条件。在张量轮廓刻画的基础上结合断裂预测、孔洞洞穴预测进行多种地质目标的融合，即断溶体。图7为断裂带轮廓约束下多种储层融合体，其中黄色为溶洞，红色为断裂，绿色为孔洞和裂缝。多属性融合体描述了断裂带的展布、断裂带内部特征，体现了断裂带内幕储层的结构特点，因此多属性特征融合是储层预测的综合描述方法。