塔里木盆地顺北超深层碳酸盐岩输导体系三维地震属性多尺度表征及连通性分析

王志伟， 符力耘， 刘军， 蔡忠贤

1 山东省深层油气重点实验室， 青岛 266580 2 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室， 青岛 266071 3 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院， 青岛 266580 4 中国石油化工股份有限公司西北油田分公司， 乌鲁木齐 830011 5 中国地质大学(武汉)资源学院， 武汉 430074

0 引言

顺北靶区位于顺托果勒低隆起的西北部，处于塔里木盆地中部和北部之间的过渡带，受多期构造运动的影响，形成了两套主干走滑断裂和若干次级断裂.由于海平面的变化，地层发生了严重的侵蚀和塌陷，超深层奥陶系广泛发育碳酸盐岩断控岩溶储层，形成的溶洞-裂缝系统具有强非均质性和局部连通的特征，为油气运移和聚集创造了有利的条件.因此，精细刻画这些断控岩溶输导体系内部结构，对于本区油气勘探具有重要意义.本文基于断控岩溶输导结构的地震反射特征，将其划分为大、中、小三种不同尺度结构模式，结合地震属性技术，分尺度精细刻画断控岩溶输导体系三维内部结构.

地质结构和层序的横向变化在地震记录上主要表现为反射同相轴的不连续性及反射波形的横向变化，相应倾角、方位角、曲率和振幅梯度等地震属性能够识别裂缝方向和裂缝密度.地震相干性技术广泛应用于裂缝性油气藏成像(Bahorich and Farmer，1995；Marfurt et al.，1998；Gersztenkorn and Marfurt，1999)，但易受反射强度的影响.倾角和方位角属性能够描述裂缝的空间展布特征(Dalley et al.，1989；Marfurt et al.，1998；Marfurt and Kirlin，2000；Barnes，2000；Marfurt，2006)；振幅梯度反映了不连续面的振幅变化率，常用于不连续面识别(Luo et al.，1996, 2003；Marfurt and Kirlin，2000；Marfurt，2006)，清晰反映断块和地层单元之间的边界，有助于描述溶洞和裂缝.在弱振幅区域，特别是背景噪声干扰较强的超深层，低于常规地震成像可分辨尺度的不连续微结构通常具有弱振幅杂乱反射/散射的特征，可借助纹理属性和曲率属性进行刻画.纹理属性描述每个采样点振幅大小及其与周围点的变化关系，对层理及微裂缝较为敏感(Gao，2003，2007；Chopra and Marfurt，2005；Yenugu et al.，2010；Eichkitz et al.，2015；许志远等，2022)，而曲率属性适用于描述不同尺度裂缝的边缘变化(Lisle，1994；Roberts，2001；Bergbauer et al.，2003；Al-Dossary and Marfurt，2006).

顺北靶区溶洞-裂缝输导结构由不同尺度的裂缝和溶洞构成，已有学者对其整体特征进行了较为详尽的描述(卢志强等，2018；王鹏等，2019)，其中大型走滑断裂常伴有岩溶塌陷和串状溶洞发育，走滑断裂周围常伴随横向发育的中尺度次生断层，小尺度背景裂缝在该区异常发育，弥漫整个输导介质.地震属性技术依赖于地震数据的品质，由于地震散射对裂缝异常敏感，其成像不足以成为影响裂缝地震属性雕刻的关键因素.目前的工业地震成像技术仅能提供平滑的背景速度场，导致不同尺度断层/裂缝成像失真(Wang et al.，2020；Mu et al.，2021)，散射波的不完全收敛对裂缝地震属性检测产生不利的影响.Ding等(2020)采用不同裂缝走向和密度的速度模型生成合成地震记录，用同一背景速度场进行地震成像，再从成像数据体提取地震属性，据此检验裂缝地震属性检测技术的可靠性，结果与理论裂缝模型进行比较，裂缝预测精度达到了71.7%.地震属性技术广泛应用于碳酸盐岩缝洞型储层“弱反射”裂缝识别(李弘等，2014；刘军等，2017)，本文利用地震属性融合技术，对溶洞-裂缝输导结构进行分尺度刻画.

本文首先概述顺北油田的地质背景，顺托果勒低隆起具有完整的生储盖组合，包括下寒武统烃源岩、长期低温环境、中奥陶统大规模碳酸盐岩沉积、晚奥陶统泥岩发育等，多期次构造运动和海平面变化，形成了极其复杂的溶洞-裂缝输导系统.其次，采用断层增强滤波技术提高三维地震数据的品质，突出裂缝的边界和方向.通过分析断控岩溶输导结构的地震反射特征，利用贝叶斯聚类分析方法对不同尺度地震相的敏感性进行分类，获得不同地震属性融合结果，从而划分出三类典型的断控岩溶输导结构的震相特征.最后，将多尺度地震相融合体采样到三维地质网格模型中，描述了该区域复杂裂缝系统的空间分布和连通性.

1 地质背景

顺北油气田位于塔里木盆地顺托果勒低隆起西北缘(Li et al.，2022).如图1所示，顺托果勒低隆起是位于塔北隆起和塔中隆起之间的中间隆起的构造单元(刘雨晨等，2020)，西邻阿瓦提坳陷，东临满加尔坳陷.早寒武世—中奥陶世广泛分布着大型碳酸盐沉积层，长期的低地热环境使得下寒武统烃源岩形成了凝析油/天然气，晚奥陶世的大量泥岩作为储层盖层，由此形成了完整的生储盖组合(漆立新，2016；焦方正，2018)，为形成大型油气田提供有利条件.近十年来的勘查表明，中、下奥陶统碳酸盐岩和寒武系碳酸盐岩是油气勘探的重点区域.图2显示了该区的地层层位、地震层位及岩性等信息.

图1 塔里木盆地顺北油气田位置及其附近主要构造单元(修改自Deng et al., 2019)

图2 顺北油气田地层层位、地震层位和岩性图(Deng et al., 2019)

塔里木盆地经历了复杂的多期次构造演化(Jia et al.，1998)，特别是加里东期—海西期的断裂活动，形成了大量的克拉通内走滑断层，同时海平面多期变化，导致岩溶侵蚀外露.碳酸盐岩储层的油气运聚受岩溶侵蚀的多期断裂活动控制，具有强非均质性、空间分带性和局部连通性.通过对该储层的地震剖面、测井资料和岩心剖面研究(Yu et al.，2016；Lu et al.，2017)，认为奥陶系碳酸盐岩储层主要由溶洞、溶蚀孔、粒间孔、裂缝等组成，其形态和尺度各不相同.

图3 研究区(白色框)走滑断裂带及井分布图

2 断控岩溶储层的多尺度表征

2.1 数据预处理

裂缝引起的地震属性具有很强的方向性，次生裂缝主要集中在走滑断层附近，远离主干断裂带的地震各向异性特征逐渐减弱，其幅值大小与裂缝的大小、方向和密度有关.地震噪声和未收敛的散射波对裂缝相关的地震属性提取有较大影响，因此在提取地震属性前应先消除这些不利因素.本节利用方位角校正对共中心点道集进行处理，提高了地震属性的可靠性(Li et al.，2022).如图4a所示，展示了沿北西向走滑断裂带A-B的成像剖面，该剖面包含7口井，剖面上存在“串珠状”结构.

图4 沿北西向走滑断裂带A-B段断层增强滤波前(a)、后(b)地震剖面对比

图5 断层增强滤波前(a)、后(b)目的层顶部()相干属性切片对比

2.2 地震属性成像特征

将上述地震属性应用到裂缝成像中，这些属性对裂缝的方位和密度较敏感.

图6 研究区目的层顶部()的地震属性切片，倾角属性(a)和振幅梯度属性(b)

图7 目的层顶部()(a)和下方30 ms (b)的曲率属性切片

2.3 断控岩溶储层的三种典型地震相

高品质的三维地震数据体是准确描述储层构造特征的前提.图8是本地区三类具有代表性的地震相，即溶洞地震相、不规则强振幅地震相和杂乱弱振幅地震相，前两者可以被看作断裂-溶洞储层的大尺度组分，而后者可视为小尺度的背景裂缝组分.

图8 研究区断控岩溶储层地震反射的三种典型相：溶洞地震相(a)、不规则强振幅地震相(b)和杂乱弱振幅地震相(c)

不规则强振幅地震相通常是由沿走滑断层及其次级断裂广泛发育的裂缝引起，确定不规则强振幅地震相的关键在于从形状上区分出断层破碎带内单个的构造组分，如图7所示，沿着走滑断裂带呈明显的分段，各分段具有不同的特征，并表现出一定程度的岩溶塌陷，可以看作是断层破碎带(Liao et al.，2019；Chen et al.，2020).这些断层破碎带控制了储层的发育，对油气运移起着关键作用.

2.4 典型地震属性的联合描述

与溶洞和断层相关的地震相往往是油气储集体发育的有利区带(杨平等，2015).本节综合多类地震属性，对大尺度地震相及其附近的小尺度地震相的边界和内部结构进行了研究.

图9为A-B段溶洞与断块的振幅梯度属性、曲率属性及其叠加属性剖面图.图9a所示的小振幅梯度值(蓝色)是指沿走滑断层分支的裂缝，高振幅梯度值(黄色部分)描绘了大型溶洞或断块的主体结构，但无法区分内部结构，而通过曲率属性可以刻画内部特征.图9b所示的大曲率值(黑色)刻画了溶洞和断块的内部特征，描述了溶洞的坍塌和不连续面，有利于裂缝通道的识别.图9c是由振幅梯度属性和曲率属性叠加而成，它更加清楚地显示了溶洞或断裂的不规则外部形状和内部结构特征.

曲率属性能够识别小尺度裂缝，但大部分背景裂缝难以识别，我们利用基于地震数据的结构张量提取扰动(纹理)属性提取背景裂缝(Fehmers and Höcher，2003).图10为A-B段小尺度背景裂缝的纹理属性及其与地震振幅梯度属性叠加的剖面图.图10a中的大扰动属性(黑色)是小尺度背景裂缝的发育区.图10b显示了走滑断层及其分支裂缝附近发育的小型背景裂缝.

图10 A-B段地震剖面的扰动(纹理)属性(a)及其与振幅梯度的叠加(b)

2.5 基于贝叶斯聚类分析的地震相融合方法

不同于多类地震属性的简单叠加，本节采用基于贝叶斯概率模型的聚类分析方法，融合多类地震属性，该方法完全是数据驱动的，避免了人工干预(张等，2015；王宗俊等，2021)，最终获得了溶洞、断块周围和内部的次级裂缝及微裂缝的分布.

图11 融合振幅梯度和曲率属性的三维立体图(a)和沿A-B段剖面图(b)

图12 融合曲率属性和倾角属性的三维立体图(a)和沿A-B段剖面图(b)

整体来看断裂带A-B是有利的储集体发育和油气富集带，7口井均位于溶洞及裂缝发育地带，与实际资料相符合，也证实了该断裂带的油气勘探开发前景.

2.6 三维构架模型的连通性

图13显示了靶区断控岩溶储层结构模型，溶洞地震相的分布和主干走滑断裂具有较好的一致性，裂缝地震相位于溶洞地震相附近，其他杂乱地震相分散在它们附近.为了反映断控岩溶储层在空间的形态和区域上的特征分布，建立了三维地质构造网格模型，将断控岩溶储层连通体包含的网格数进行阈值分割，并用不同的颜色表示不同的连通单元，其空间分布如图14所示.特别需要指出的是，本节中的三维空间结构是包含了围岩和物性较差的储层，若要得到有效断控岩溶储层连通体模型，还需进一步进行井标定.

图13 断控岩溶储层结构模型

图14 断控岩溶储层连通体空间分布图

3 结论

顺北油田7000 m深度以下超深层碳酸盐岩断控岩溶输导体系受加里东—海西期多期构造活动和侵蚀作用，形成了一套由大型走滑断裂及伴生岩溶、中尺度次生断层和小尺度背景微裂缝组成的溶洞-裂缝体系.不同尺度断裂/裂缝引发的地震属性变化取决于裂缝的大小、方向和密度，地震噪声和残留散射波严重干扰了与裂缝相关的地震属性的可靠性，本文采用断层增强滤波技术消除这些不利因素，提升三维地震叠后数据的品质.

大尺度结构包括大型走滑断裂、溶洞及伴随的岩溶塌陷，具有规则的断裂强反射和“串珠状”反射的震相特征；中尺度结构主要为走滑断裂附近横向发育的次生断层及伴随的岩溶局部塌陷，具有杂乱强反射震相特征；小尺度结构为弥漫整个输导介质的背景裂缝，具有杂乱弱反射震相特征.地震属性被广泛应用于裂缝预测，但单一的地震属性很难全面地描述断控岩溶输导介质.本文针对溶洞-裂缝系统中不同尺度的输导结构，通过属性分析，明确了三类结构模式的敏感地震属性群，振幅梯度属性描绘大型走滑断层和邻近溶洞的边界，曲率属性能较好反映结构内部形态，倾角属性和曲率属性可提高次生裂缝的可识别性.尽管曲率属性可以刻画小尺度裂缝，但低于常规地震成像可分辨尺度的背景裂缝难以识别，本文采用纹理属性提取小尺度背景裂缝.最后，利用贝叶斯聚类融合技术综合各类地震属性，完成断控岩溶三维输导结构的多尺度精细刻画，给出了储层连通性结构，为后续的岩性物性预测和流体识别提供三维输导体系连通体模型.