南堡油田低级序断层识别技术研究及应用进展

林伟强,曲丽丽

中国石油冀东油田公司南堡油田作业区,河北 唐山 063200

0 引言

南堡凹陷断层组合样式多样,应力场多变,属于典型的复杂断块油田。近年来,随着开发的深入,南堡油田油水关系、井间注采矛盾突出,提高采收率的难度越来越大。目前该油田部分区块、断块有待进一步认识,尤其是低级序断层能否精确识别,在一定程度上影响了南堡油田的开发水平[1-4],尤其是注水开发效果,由于低级序断层的响应特征不明显,仅仅依靠单一的学科技术,难以精确的识别。常用的地震、测井、重力等方法在断层识别方面存在一定的多解性,对微小断层的识别多限于解释断层的平面展布,而且无法从动力学机制上解释断层[5]。而构造背景分析法、断层组合分析法、构造应力场分析法、构造物理模拟法、岩层曲率法等传统解释断层的方法[6],则各有优点和不足,构造背景分析法和断层组合分析法简单易行,但是误差较大;构造应力场模拟法、构造物理模拟法和曲率法运用起来准确度较高,但是成本较高。本文针对南堡油田的断块发育特点,综合地质、地震、测井、油藏等多学科综合知识,建立了“断层成像处理—断层属性拾取—井震联合刻画—动态验证调整”的低级序断层解释方法,在一定程度上降低了低级序断层的多解性,提高了认识精度,并在南堡油田多个区块进行了应用,在实际生产中取得了良好效果。研究成果对复杂断块低级序断层的识别具有较好的借鉴意义。

1 问题背景

经过多年的开发,南堡油田的注水区块已经进入了中高含水阶段,部分区块受断层认识不清的影响,注水效果不明显,水驱动用程度较低;目前南堡油田新井产量的占比逐年增大,产能建设接替区储备不足,新井井位论证工作存在较大挑战。

南堡油田低级序断层广泛发育,研究低级序断层的识别技术,对于南堡油田注水区块的完善注采井网,制定和调整开发方案,寻找有利的剩余油富集区,提高开发效果具有重要意义;另一方面,低级序断层的正确认识,对于发现有利构造,寻找新的产能建设区,滚动增储增产具有积极的指导意义。

2 低级序断层及发育特征

低级序断层是相对于高级序断层提出的概念,任何序级的断层相对于比其序级高的断层都可称为低级序断层,油田开发研究中,低级序断层特指四级及以下的小断层[6]。低级序断层延伸短,一般断距小于20 m,基本不控制油气的聚集,但它使断块油藏进一步复杂化,是剩余油富集的重要控制因素[7],一定程度上影响着注水开发的水驱状况。

2.1 低级序断层的响应特征

由于地震资料分辨率的限制[8],断距较小的断层,特别是落差十几米甚至几十米左右的,在地震剖面上表现的不明显,仅仅依靠地震剖面的响应,很难精确地识别。

一般情况下,落差较小的低级序断层在地震剖面上主要表现为地震同相轴的能量突变、扭曲、分叉、合并、错位等(图1),但也不排除是其他现象造成的同相轴异常,这时就需要综合运用到地震、地质、测井以及油藏开发方面的知识,从测井解释断点以及邻井间的油水界面、压力系统差异方面,推测小断层的存在。

图1 南堡油田低级序断层的响应特征Fig.1 Response characteristics of low-order faults in Nanpu Oilfied

2.2 南堡油田断层发育特征及现状

南堡凹陷是渤海湾盆地群北侧中新生界叠合的含油气凹陷,中、新生代经历了断陷和坳陷两个演化阶段[9],是一个断层极其发育、断裂构造系统复杂的新生代断陷盆地[10-12]。断层多期发育(表1),兼具伸展、走滑多种构造属性,促使地层发生复杂的破碎、变形,从而易于形成多组低级序断层。断层的组合模式复杂,断层多,断块小,断块内部4～5级低级序断层发育,使得断块更为复杂化[13-18]。

表1 南堡油田各构造断层统计明细表Table 1 Statistical details of structural faults in Nanpu Oilfied

3 低级序断层精细刻画

针对上述问题,充分利用地震、地质、测井、油藏信息,以地球物理综合地质解释为主线,进行空间的断裂系统梳理和构造的精细落实。优选新资料,结合老资料,建立了“断层成像处理—断层属性拾取—井震联合刻画—动态验证调整”的断层解释流程(图2),形成了多软件,多技术、多数据优化融合的低级序断层精细描述技术,降低断层解释的多解性。

图2 低级序断层解释流程图Fig.2 Flow chart of low-order faults interpretation

3.1 断层成像处理技术

地震数据中包含大量的干扰信息,从而使地震剖面识别断层的能力降低,通过滤波去除噪音,来提高地震资料信噪比和断层的识别能力。

3.1.1 构造导向滤波

在进行导向滤波处理之前,需要知道地震反射层位的最大倾角,对地震数据体进行倾角扫描处理。因为地层倾角和方位角能突出地下那些断距少于10 ms的断层,这对于目的是识别断距为20 m左右的低级序断层来说,是至关重要的。

构造导向滤波成像技术是把不同其次或同一其次不同方向形变特征从目前叠加特征中分离出来的统计学方法。能够最大限度的保护构造信息和小断层的成像能力,提高地震数据的信噪比,使地震同相轴连续性和间断特征更明显,提高低级序断层识别能力。对倾角扫描之后的地震数据体进行导向滤波处理(图3)。

图3 构造导向滤波前后对比图Fig.3 Construct comparison diagram before and after guided filtering

通过滤波前后地震剖面对比可以看出:构造滤波后目的层段地震资料相位连续,干扰噪音降低,断点更清晰,断层识别能力显著提高。滤波后地震剖面识别断层能力显著增强。

3.1.2 分频成像处理技术

分频技术是地震成像处理分析中重要的组成部分,分频技术可以提取离散频率对应的调谐振幅,经分频处理后的地震数据其解释分辨率能力高于常规地震主频所能达到的分辨能力,低级序断层识别能力显著增强(图4)。需要注意的是,分频处理时,并非频率越高越好,因为频率越高,噪声就会越大,信噪比就会下降,会给断层的解释带来干扰,要根据地震资料的主频信息选取合适的分频频率。

图4 分频成像对比地震剖面Fig.4 Frequency division imaging and seismic profile comparison

通过分频处理,地震资料成像效果明显改善,地层接触关系更加清晰,在50 Hz分频剖面上,断层成像明显提高,小断层更加清晰。

3.2 地震属性技术辅助识别断层

地震属性指的是那些由叠前或叠后地震数据,经过数学变换而导出的有关地震波的几何形态、运动学特征和统计学特征[19]。其中水平切片、曲率体、相干体、蚂蚁体追踪、属性融合等地震属性技术对于断层的响应较为敏感[20,21],可以辅助地震剖面识别断层,提高断层识别精度(图5)。

图5 地震多属性综合预测断层Fig.5 Seismic multi-attribute comprehensive faults prediction

水平切片基本原理:等时水平切片的同相轴错开的大小与断距大小对应,可以根据同相轴的中断、错开、振幅突变、拐弯、走向不一致等特点,分析小断裂和断层的细微变化。

曲率体基本原理:断层在常规地震剖面上表现为同相轴的变化、扭曲、振幅突变,这些变化在地震曲率上表现为线性构造特征,它反映了地层受构造应力挤压时层面弯曲程度,因此利用线性构造异常可进行断层预测。

相干体基本原理:在地下出现断层、地层岩性突变及特殊地质体的小范围内,地震道之间的波形特征会发生变化,进而导致局部的地震波形之间的不连续性,从而在相应的相干数据体中出现较高的不相关性。

蚂蚁体基本原理:在地震体中设定大量电子“蚂蚁”,并让每个“蚂蚁”沿着可能的断层面向前移动,同时发出“信息素”。沿断层前移的“蚂蚁”应该能够追踪断层面,若遇到预期的断层面将用“信息素”做出非常明显的标记。而对不可能是断层的那些面将不做标记或只做不太明显的标记。 “蚂蚁追踪”算法建立了一种突出断层面特征的新型断层解释技术。通过该算法可自动提取断层组,或对地层不连续详细成图。

3.3 结合油藏动态分析综合判定断层

由于地震资料品质的限制,低级序断层断距较小,在地震剖面上响应不明显;另外,低级序断层的地震剖面响应特征与储层相变的地震剖面响应特征(表2)比较相似,常常会出现与储层相变相混淆而导致错误的认为小断层存在的情况,实际上可能只是由于砂体的连续性不够而导致地震同相轴的变化,这种情况下小断层是不存在的。目前我们主要以同相轴纵向上是否继承性错断、平面的走向是否一致作为区分低级序断层和砂体叠置的主要依据,但其主观性较强,解释结果也是因人而异,因资料而异。如何区分低级序断层和储层相变在地震剖面上的响应特征,降低低级序断层的多解性仍是一个难题。

因此,要将断层等地质认识与油藏动态资料与生产实践相结合,去综合判断断层的存在与否,最终达到降低断层解释多解性的目的。常用的油藏动态资料有压力监测资料、示踪剂资料等。邻井之间的油水界面和压力系统如果差异较大,可能是由于断层的封堵作用所致,可能存在断层。示踪剂资料也是常用于判断断层是否存在的参考因素之一,如果注水井的对应油井见剂,通常不会存在断层;而如果油井长期不见剂,就要考虑断层、井间连通性、物性等多种因素,综合判断油井不见剂的原因。油水井的实际生产情况则是验证断层是否存在最直观、最简单的手段,对于断层的认识会根据生产实践的结果不断的改进和提升。

4 应用情况

在实际生产中,通过井震藏一体化技术识别和解释断层,尤其是低级序断层,精确确定断点断距,一方面可以解释油水矛盾和注采矛盾,完善注采井网,为油水井措施的实施提供依据,指导开发方案的制定和调整;另一方面可以发现新的有利圈闭和构造,指导新井的部署,滚动增储增产。目前这项技术已逐步应用于南堡各构造各区块。

4.1 应用实例

4.1.1 解释注采矛盾,完善注采井网

南堡13-1292井是南堡1-5区中深层的一口注水井,于2015年8月转注,起注压力高,开注5个月之后,顶压注水不进。原井组位于南堡1288断块边部(图7a),一注三采,累计注采比1.6,油井无受效迹象。

图7 南堡13-1292井区新老构造认识对比图Fig.7 Comparison of new and old structures of Ed1Ⅱ② in Nanpu 13-1292 well area

通过井震藏一体化的断层解释技术(图6),重新落实南堡13-1292井断点,明确该井主力油层位于南堡1-5断块(图7b),合理地解释了南堡13-1292井注水不进和对应油井不见效的原因,并为下步注采井网的调整指出了方向。

图6 井震藏一体化技术精细解释断层Fig.6 Fine interpretation of faults by intergratation of logging, seismicity and reservoir technology

根据新认识,将南堡13-1292注采井组调整至南堡1-5断块(图7b),把南堡13-1130井作为新的注水目标井。通过物性分析和连通性分析,决定对南堡13-1292井进行压裂增注。2018年压裂后,南堡13-1130井受效明显,产量明显上升,目前保持长期稳产,截至2021年11月,累计增油0.72×104t。通过对断点和断距的精确认识,南堡13-1292井组的注采井网得以调整和完善,并在实际生产中取得了良好效果。

4.1.2 发现有利圈闭,指导井位部署

低级序断层断距虽小,但在一定程度上也具有遮挡和封堵作用,可以形成有利的圈闭,是我们进行新井部署,滚动增储增产的重要研究因素。

南堡2-3浅层西部零星出油,油水矛盾较多,断层和构造认识不清。根据已知出油井南堡203X20井、南堡23-2167井等的实际生产情况,运用地震剖面响应和地震属性等技术(图8)对目标区的断裂系统进行精细梳理,尤其是低级序断层进行重新认识。

图8 地震剖面和地震属性识别断层Fig.8 Fault identification by seismic profile and seismic attributes

最终认识解释了2条断距为15 m左右的低级序断层,形成了2个有利圈闭,共计4个主力目标层,圈闭面积合计0.46 km2。在精细层位追踪解释的基础上,重新落实构造(图9),预计增储30×104t;在构造高点处滚动部署2口油井(南堡23-2164、南堡23-2165),设计单井产能6t,新建产能0.36×104t。

图9 南堡203X20井区NgⅠ6新老构造对比图Fig.9 Comparison of new and old structures of NgⅠ6 in Nanpu 203X20 well area

截至2021年3月,已钻2口井,平均钻遇油层18.5 m/5层,油水同层32.5 m/10层,符合预期。目前2口井已全部投产,其中南堡23-2165井于2021年3月投产,初期日产油9.9 t,含水15.2%,目前日产油4.5 t,含水52.5%,截至2021年11月累计产油1 225 t;南堡23-2164井于2021年4月投产,初期日产油7.5 t,含水8.3%,目前日产油4.6 t,含水46.2%,截至2021年11月累产油893 t。

4.2 应用的进展

目前井震藏一体化解释断层技术已逐步应用于南堡各构造,在南堡1号构造应用最为广泛。其中,在南堡1-5区中深层进行了详细的断层梳理,发现低级序断层广泛发育,发育小断层29条,断距15～30 m,新增断层20条,调整6条(图10)。

图10 南堡1-5区Ed1II②1新老断层方案对比图Fig.10 Comparison of new and old faults schemes of Ed1II②1 in Nanpu 1-5 area

另外,运用此技术在南堡1-1区中深层、南堡1-3区中深层、南堡2-1区浅层、南堡2-3区浅层、南堡4-3中深层等区块也进行了不同程度的断层梳理,对于低级序断层的识别和解释精度也得到了一定程度的提高,为各构造、各区块的综合调整方案的制定和调整起到了积极的指导作用。

5 结论

南堡凹陷低级序断层广泛发育,低级序断层的准确认识与否,制约着南堡油田的开发水平。为了降低断层解释的多解性,得到更真实的解,在精细地震构造解释过程中,建立了“断层成像处理—断层属性拾取—井震联合刻画—动态验证调整”的低级序断层解释流程,它是将地震、地质、测井、油藏等多学科融合的井震藏一体化技术,可以有效地提高低级序断层的识别精度。

通过井震藏一体化技术解释低级序断层,精确地确定断层的存在与否,以及断点断距,一方面可以合理地解释实际生产中的注采矛盾、油水矛盾,指导油水井措施的实施,对完善注采井网、制定和调整开发方案具有重要意义;另一方面,精确地断层认识,可以辅助发现有利圈闭,指导新井井位的部署,滚动增储增产。目前,井震藏一体化解释断层技术已在南堡1号构造中深层和南堡2号构造浅层进行了广泛应用,地质效果明显,对其他区块具有较好的借鉴意义。