复杂断块油田小微地质体地震识别与应用

2022-12-29周宗良夏国朝张会卿张凡磊计璐璐

工程地球物理学报 2022年6期

周宗良，夏国朝，张会卿，张凡磊，计璐璐

(1.中国石油大港油田勘探开发研究院，天津 300280；2.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;3.中国石油大学地球科学学院，北京 102249)

1 引言

黄骅坳陷属于渤海湾陆相断陷含油气盆地，盆内不同性质、不同级别的断裂广泛发育，为复杂断块油藏发育区。众多断裂在空间上切割砂体、遮挡油气，从而形成我国东部典型的复杂断块油田。在盆地油气勘探开发的早中期，断层研究的重点大多针对演化时间长、规模尺度大、断裂级别高的深大断裂，当油田开发进入高含水期，油田开发地质人员则把研究重点放在了形成时间短、规模尺度小的小微断裂。“小”即低级序断层、“微”幅度构造、“薄”储层和“单”砂体及其内部构型等，已上升为油水运动规律和剩余油分布的主控因素；准确表征“小尺度”地质体是老油田完善注采关系和高效挖潜剩余油的关键；“小尺度”地质体表征的重点和难点在井间，需要系统地阐述并准确表征小微地质体，才能进一步挖掘剩余油，成为老油田进一步提高采收率的关键[1,2]。

在低级序断层的研究方面，罗群等[3]分析了低序级断层的成因类型、组合模式及地质意义；赵红兵等[4]利用三维地震资料精细解释、密井网多井精细地层对比以及开发动态分析技术建立了低级序断层分布模型；何胡军等[5]利用基于小波变换的多尺度边缘检测技术开展了对低级序断层的识别；张昕等[6]通过地震数据高频响应增强处理及蚂蚁体地震属性的提取，对低级序断层进行了识别和描述；戴俊生等[7]应用蚂蚁追踪技术实现了较好的应用效果；刘显太等[8]应用相干体、多尺度分频、曲率属性、地震属性融合与RGB显示进行低序级断层的识别描述；张岳[9]基于全卷积神经网络的断层识别方法与研究区构造模式、专家经验等进行融合，从而精确识别了地震中的低级序断层；朱剑兵[10]通过小波变换分频方法将地震数据相位信息分离，并采用混合倾角扫描和保边边缘检测方法进行相位变化的识别，实现对低序级断层的识别。在微构造的分析方面，陈广军等[11]探讨了在解释阶段研究低幅度构造的可行性及其思路和方法；蒲玉国[12]对复杂断裂油田小构造进行了系统的分析研究，总结出了小构造研究描述的基本模式；黄龙威[13]摸索了微构造油藏的成藏规律和勘探方法；姜秀清等[14]、代金友等[15]、栗亮[16]划分了微构造的主要类型，分析了微构造的特点、形成原因及对油井生产的影响。但上述学者多将研究重点放在低级序断层或微构造的其中某一方面，而没有系统开展包括低级序断层、微构造、薄储层和小油砂体在内的“小尺度”地质体的阐述。本文结合研究区实际情况，在阐述小微地质体概念及构成要素的基础上，系统开展了低级序断层的识别、微构造的成因类型、控藏机制，为复杂断块老油田进一步提高采收率奠定了理论基础。

2 小微地质体定义

我国东部陆相断陷盆地中，断块油气田数量多、分布广，大港油田作为复杂断块油田的典型代表，受不同规模、不同方向、不同时期的断层相互切割、错综复杂，多物源、多期次沉积的共同作用，导致不同类型的小微地质体广泛发育。港东油田经过多年注水开发，目前整体已进入高含水开发中后期，剩余油高度分散，主力砂体、主体部位水淹严重。低级序断层、微构造、薄储层、单砂体及其内部构型成为控制油水运动和剩余油分布规律的主要因素[17,18]。这些地质体普遍尺度较小，低级序断层平面延伸长度多为1 km以下，微构造高程差多小于15 m，薄储层则通常低于地震垂向分辨率等，因此可以统称为小微地质体。

小微地质体中，小高点、小鼻状、小断鼻、小断块油气藏、小构造岩性体、单一小岩性体都容易聚集剩余油，形成小油砂体。在开发工作中，确定小油砂体的规模和级别，对于开发过程中制定合理的技术对策意义重大。依据大港油田含油砂体特征，结合砂体内控制井量化砂体规模，完成小油砂体级别划分。结合大港复杂断块油田地质特征，根据井网井距、注采井网面积确定小油砂体量化标准。以港东油田为例，目前井网形式为五点法井网，井距为150 m×150 m。以此推算，1口井控制砂体为五级砂体，面积小于0.045 km2；2口井控制砂体为四级砂体，面积为0.045 km2；3口井控制砂体为三级砂体，面积为0.075 km2(图1a)；五点单井组控制砂体为二级砂体，面积为0.102 km2(图1b)；4个以上五点单井组控制的砂体为一级砂体，面积大于0.252 km2(表1)。本次通过统计油砂体数量及概率分布，参考业界陈瑞[19]等2006年关于小油砂体的论述，最终确定将面积≤0.102 km2作为小油砂体的量化标准。因此，三、四、五级砂体都属于小油砂体。

表1 含油砂体级别划分标准

根据上述砂体级别大小划分，定义小微地质体是指受断层、岩性单一因素或共同作用形成的小规模地质体，小微地质体可定义为面积小于0.1 km2，相当于三级砂体～五级砂体，构造幅度小于15 m，断层断距小于10 m的地质体。构成小微地质体主要要素有低级序断层、微构造、岩性边界，具体包括“小”断层(即低级序断层)、“微”幅度构造(微构造)、“薄”储层和“小”油砂体等。

3 低级序断层识别

3.1 断层分级及低级序断层

断裂作为地质体中发生明显位移的一种破裂构造，演化程度不同导致断裂大小尺度不一，根据其发育演化经历了微裂纹、裂缝、裂隙、节理、小微断层、深大断裂乃至大裂谷等，规模级别差异也很大，其对油气成藏的控制作用也有很大不同，根据断层延伸长度、断距大小、断层特征将断层划分为6级(表2)。二级断层发育时间长，断距大，延伸距离长，控制地层沉积，也是油气富集的关键，三、四级断层是各断块之间的分界断层，一般活动期较短，对局部圈闭形成和油气分布起着一定的控制作用[20]。

表2 不同级别断层划分标准及特征

低级序断层是相对于高级序断层提出的概念，任何级序的断层相对于比其级序高的断层都可称为低级序断层，低级序断层多为高级序断层的派生断层。在油田开发研究中，低级序断层特指在断层级别中四级以下的小断层(包括四级、五级及可识别的六级断层)，虽然这些小断层对地层沉积模式和油气聚集基本不起作用，但它们对油水关系以及开发中后期剩余油分布起着重要的控制作用。通过利用高分辨率地震数据体，在骨架断裂系统的约束下精细刻画小微地质体，发现许多被低级序断层、岩性分割的低动用、或未动用的小微油藏，因此研究低级序断层对于开发中后期分析剩余油、提高采收率至关重要。

3.2 低级序断层地震响应特征

通过建立地质模型进行正演分析，结果表明，断距10 m的断层表现为地震反射同相轴错断，断距5 m的断层表现为同相轴的膝折、相位及振幅突变；断距3 m及3 m以下断层表现为同相轴的挠曲特征(图2)。总体而言，10 m以下低级序断层具有很大的隐蔽性，致使其在常规地震剖面上难以识别[21]，需要进行断层增强处理。

图2 断距10 m以下低级序断层的地震响应特征Fig.2 Seismic response characteristics of low-grade faults with a fault throw of less than 10 m

3.3 低级序断层识别方法及应用

在低级序断层识别方面，前人主要是在井间对比确定断点的基础上，利用常规地震剖面解释、倾角、方差、相干分析等地球物理方法，结合动态信息验证，对断距10 m以上断层的识别效果较好。但由于受地震资料品质、算法可靠性等因素影响，单一地球物理方法难以有效表征断距10 m以下断层的几何形态、组合关系。针对上述问题，笔者在多年的复杂断块油田开发地质实践中，应用多种不同的方法开展了系统的针对低级序断层增强处理的研究与比较，总结形成多地球物理手段相融合的低级序断层识别方法，可概括为：首先进行分方位叠加处理与地层倾角分析，之后开展地震滤波处理与边缘检测增强断层信息，最后应用蚂蚁体技术识别低级序断层。具体方法如下：

第一步，开展不同方位角数据差异分析，进行分方位叠加处理；利用不同方位地震资料的各向异性特征，识别不同走向断层。分方位叠加数据表明，垂直方位数据体东西向断层更加明显，平行方位数据体南北向断层更加明显。

第二步，开展地层倾角分析。地质目标体在构造地质学上有走向和倾向两个方向属性，借助地层倾角属性进行断层和地质体边界的刻画，能够清楚地展示差异压实作用或者地震反射的细微变化特征[22]。

第三步，利用地震滤波处理增强断层信息。常用方法有构造导向滤波和边缘保护平滑滤波。构造导向滤波采用“各向异性扩散”平滑操作，只平滑连续的地震同相轴，而针对不连续的地震同相轴则不作平滑[23,24]。边缘保护平滑滤波则能够在边缘保护的前提下，对图像进行平滑。滤波前后剖面对比表明，构造导向滤波剖面相比原始剖面断口更加清晰，进行边缘保护平滑滤波后断层信息进一步显著增强(图3)。

图3 滤波处理后剖面与原始剖面对比Fig.3 Comparison of the filtered section and the original-section

第四步，边缘检测增强断层识别效果。断层、小断裂等特殊地质体具有不连续特性，经过边缘检测增强处理后，不连续特性更加凸显。

第五步，利用蚂蚁体技术识别低级序断层。蚂蚁追踪原理为：每只蚂蚁沿断裂处进行追踪，并释放信息素以吸引其他蚂蚁，形成正反馈机制，完成整个三维地震体的断裂追踪，获得一个低噪音、具有清晰断裂痕迹的蚂蚁属性体。对比蚂蚁体与构造导向滤波剖面发现(图4)，二者都能较好地识别大断层，区别在于构造导向滤波剖面中小断层不明显，蚂蚁体剖面中小断裂得到进一步增强。

图4 原始地震剖面与蚂蚁体剖面对比Fig.4 Comparison of original seismic section and ant-body section

近年来大港油田联合应用多地球物理手段，逐级放大断层信息，采用井震藏联合验证、精准组合断裂系统；解决10 m以下断距断层识别和组合的技术难题，为准确认识和挖掘低级序断层控制的剩余油潜力打下基础。

4 微构造类型与精细描述

微构造由李兴国在20世纪80年代提出，并将其定义为宏观构造背景之下，油层顶底面的微型起伏变化而形成的构造特征[25,26]。在深入开展本区微构造特征的基础上，结合前人的研究成果，将油层微构造分为3种类型：正向微构造，即砂层在形状上相对向上凸起，包括较小的高点、鼻隆状构造和断鼻构造等；负向微构造，即砂层形状为相对下凹形，包括小的低点、断沟、沟槽和向斜等；斜面微构造，即砂层倾斜形状，也可单独出现，常位于正、负向构造之间，如小斜面和小阶地等。

正向微构造上的油井处于相对的构造高部位，主要为向上驱油，正向微构造容易形成剩余油富集区，是油田开发研究的重要目标；负向微构造上的油井处于构造低部位，主要为向下驱油；斜向微构造上的油井，上方来水为下驱，下方来水为上驱，介于两者之间，重力分异对其有利有弊[27,28]。

4.1 正向微构造形态分类

正向微构造形成的小微油藏按构造形态可划分以下8种类型：单砂体局部微高油藏、构造挠曲油藏、上倾尖灭末端油藏、微断鼻顶部油藏、垒式断角油藏、堑式断角油藏、顺向断层高油藏、反向断层高油藏图5。

图5 正向微构造形成的小微油藏分类Fig.5 Classification of small and micro reservoirs formed by positive microstructures

1)单砂体局部微高油藏，小高点指储层顶底起伏形态与周围地形相比相对较高，而等值线又闭合的微地貌单元。其幅度一般为1～5 m，闭合面积一般小于0.2 km2(图5a)。

2)构造挠曲油藏，挠曲是在水平或平缓的岩层中，由一般岩层突然变陡而表现出的膝状弯曲，或是由于岩层翘曲或其他和缓变形所形成的弯曲，构造挠曲油藏往往因为水动力与挠曲构造联合形成(图5b)。

3)上倾尖灭末端油藏，单一小岩性体在上倾方向尖灭，是指在断层不发育的地区，砂岩在河道裹挟和水动力的共同作用下，沉积形成的小规模河道砂体(图5c)。

4)微断鼻顶部油藏，小鼻状指储层顶底起伏形态与周围地形相比相对较高，而等值线不完全闭合的微地貌单元。倾角一般小于3°，面积一般为0.3～0.4 km2。在小断鼻构造顶部形成油气聚集(图5d)。

5)垒式断角油藏，指在复杂断块区，两条反向、断面相对倾背正断层夹持现成的小高，往往是形成油气纵向上沿不同级序断层向上运移，再在平面上受多条低级序断层封堵，从而形成的油气富集区(图5e)。

6)堑式断角油藏，指在复杂断块区，两条反向、断面相对倾向正断层夹持现成的小高，往往是形成油气纵向上沿不同级序断层向上运移，再在平面上受多条低级序断层封堵，从而形成的油气富集区(图5f)。

7)顺向断层高油藏，顺向断块圈闭是由顺向断层、顺向地层构成的构造、岩性-构造圈闭聚集形成的油藏，这些断层往往是一些低级序断层组成(图5g)。

8)反向断层高油藏，反向断块圈闭是由顺向断层、反向地层构成的构造、岩性-构造圈闭聚集形成的屋脊式油藏，这些断层往往是一些低级序断层组成(图5h)。

4.2 微构造精细描述

微构造研究目的是阐明沉积单元的顶底形态及其对油气水运动规律的影响和控制作用，预测开发过程中剩余油分布，是老油田控水稳油的一项重要综合技术。在微构造研究中首先是对研究区逐口井进行海拔高度、补心高度及井斜的校正，然后利用基于密井网资料的小层对比结果，以2 m等高线对油砂层顶面做构造等值图，精细地刻画出油层顶底的构造形态，突出油层的微构造特征[29-31]。对港东油田13个单砂层的微构造进行统计分析，发现本区的油层微型构造主要有三种类型：堑式断角油藏、断层-岩性油藏、微断鼻构造油藏，其中以断层-岩性油藏及微断鼻构造油藏为主(图6)。圈闭面积最小0.024 km2，最大0.15 km2；闭合幅度最小3 m，最大15 m。微构造具有圈闭面积小、构造幅度低等特点，大的面积可超过0.1 km2，幅度可达10 m，小的面积只有0.01 km2，幅度只有2 m，对油气富集及油井生产有很大影响。通常和低级序断层相伴而生，且往往处于断层的附近，多为微小断块和微幅背斜，因此低级序断层的准确识别往往是发现微构造的关键。

图6 GD油田不同类型微构造油藏Fig.6 Different types of microstructural reservoirs in Gangdong oilfield

4.3 断—砂控藏机制与模式

由于地表沉降作用及补偿作用的不均衡性，导致歧口凹陷北部沉积体系的主要河床与三角洲沉积集中发育于港东断层下降盘一带。差异压实作用系指由于沉积物组合比例的不同，表现出差异压实作用所形成的构造、沉积物厚度在横向上的变化[32]。如港东东营组入湖三角洲在向湖的平缓斜坡上，在三角洲平原带与前缘带的过渡带沉积体，形成砂岩、泥岩层退积叠覆式或进积叠覆式，横向上砂泥比例出现差异发生两种现象：

1)在靠近前缘带的过渡带，沉积坡度较大，低砂泥比区易形成差异压实作用的重力作用。在差异压实作用大的情况下，容易伴生同生小正断层。

2)在岩性变化较大区域，如砂泥比较大,且沉积相对平坦区域，重力作用很难造成沉积物大幅度滑动，表现在三角洲整体差异压实构造形成小幅度背斜与鼻状构造，同生断层并不发育。

如图7所示，D7-13-1井Ed1-1段泥岩发育夹薄层砂岩，D6-15-1井Ed1-1则为砂岩发育段，形成垂向叠覆加积河口坝沉积，两井间形成岩性变化较大的薄弱带，很明显由于沉积-成岩作用时期差异压实和重力滑脱作用形成了同生性质的小微断层、小幅度压实构造雏型，断-砂控制进一步形成了多样化油气藏类型，平面上、纵向上广泛分布小而富集剩余油的高产高效小微油藏。