基于地震数值模拟的溶洞型储层地震特征分析

郑多明 ，汪家洪，肖又军，肖 文，高宏亮

1.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000 2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500

引言

碳酸盐岩缝洞型储层是塔里木奥陶系重要的油气产层，该类储层埋藏较深（6 500～8 000 m），且受后期成岩作用及多期次构造运动的复合影响，储层空间分布异常复杂，纵横向都具有很强的非均质性。岩溶孔洞发育等因素导致地震反射特征异常复杂，在地震剖面上表现为反射能量不同的“串珠”状反射特征[1-4]。因此，如何真实有效地建立缝洞型储层地震响应特征与储层参数之间的关系是碳酸盐岩缝洞体储层定量描述和油气预测的关键[5-11]。

针对碳酸盐岩缝洞储层“串珠”状反射特征，前人利用数值模拟和物理模拟技术做了大量研究。在碳酸盐岩缝洞储层数值模拟方面取得了较多成果。唐文榜[12]将溶洞表示为半流体介质、含流体松散体介质以及含流体致密体介质，对溶洞充填物的地震响应特征进行了对比分析。姚姚[13]分析和总结了“串珠状”反射的地震波场特征，认为溶洞横向尺度对反射振幅的影响比纵向尺度的影响大，并指出应以绕射波的观念对溶洞的反射振幅进行研究。胡中平[14]和叶勇等[15]先后分析了缝洞体形成“串珠状”反射的基本原理，发现缝洞体的多次绕射波成像是“串珠状”反射的本质，并进一步讨论了影响“串珠状”反射能量强弱的因素。孙东等[6]对比分析了溶洞顶底边界在“串珠反射”中的具体位置，并尝试对碳酸盐岩“串珠状”反射的地质含义进行了初步解释。朱仕军等[16]总结了溶洞在正演偏移剖面上最大波峰振幅与溶洞大小的关系，同时对波形做了相关分析。孙萌思等[17]总结了碳酸盐岩储层的地震相特征，建立了典型的基于井震标定的地质模型，并针对溶洞型、裂缝型及缝洞型储层进行了系统的正演模拟。

物理模拟技术被许多学者用于研究碳酸盐岩缝洞体的“串珠状”反射特征，并取得了一些成果。曹均等[18]分析了缝洞体孔隙度和密度变化对地震响应的影响，指出地震属性参数与缝洞体孔隙度和密度成反比。李琼等[19]研究了缝洞体的大小、形状与地震属性参数之间的关系。王立华等[20]研究了溶洞内充填物质对“串珠反射”的振幅和频率的影响。李凡异等[21]研究了溶洞宽度对“串珠状”反射特征的影响，指出溶洞实际尺度与“串珠”尺度之间存在较大差异。唐志远等[22]利用物理模拟技术，对缝洞体积进行定量雕刻研究，认为缝洞体越大，雕刻误差越小。Yang 等[23]研究了缝洞体内部结构对其地震反射的影响。Xu 等[24]研究了流体性质对“串珠”相对振幅的影响，发现含油气溶洞的相对振幅大于含水溶洞。以上工作试图利用“串珠状”反射能量的变化建立地震反射特征与缝洞储层参数之间的关系，但对缝洞储层勘探过程中常见的“串珠反射”与缝洞储层类型之间的对应关系缺乏系统总结，且采用的缝洞体模型比较简单，忽略了上层介质对“串珠状”反射振幅的影响。

本文以实际地震资料为背景，建立全层系的碳酸盐岩缝洞体与走滑断裂不同类型溶洞的三维数值模型，进行地震波场数值模拟实验。在此基础上，对缝洞体储层勘探过程中常见的变量类型进行单因素变量控制，研究缝洞储层的流体类型、强轴干涉距离、缝洞体大小、溶洞间纵向距离、溶洞间横向距离、充填类型和孔隙度等因素对“串珠状”反射振幅的影响，为进一步研究缝洞型储层反射特征以及储层预测提供理论依据。

1 断裂和溶洞的全层系三维模型

构建模型的数据取自塔里木盆地塔河南地区，该地区受后期成岩作用的控制、多期次构造与成岩作用的复合作用下，形成现今的多期岩溶型储集层，在地震剖面图形上显示清晰，模式丰富，断层的位置和样式沿走滑断裂带走向有较大变化，具有明显的分段性和典型性[25-27]，因此，选取该工区作为背景资料构建三维模型。

塔里木碳酸盐岩全层系三维模型主要包括走滑断裂带和溶洞两个部分。它们都是以实际地震资料为背景，利用属性提取、断层解释和缝洞体雕刻等技术对实际地震资料进行处理，构建符合真实地质结构的碳酸盐岩缝洞体与走滑断裂带模型。

1.1 走滑断裂三维体建模

塔里木碳酸盐岩走滑断裂生长演化主要分为雁列断裂阶段、断裂连接阶段、侧列叠覆阶段和辫状贯穿阶段4 个阶段，可能会形成线性段、斜列段、辫状段、叠覆段、雁列段及马尾段6 种断裂模式[28]。本文利用实际地震资料具有的断裂模式，对其在空间上进行精细解释，在此基础上对断裂进行模式化调整，使其成为一条符合实际生长规律的走滑断裂三维模型，如图1 所示。

图1 走滑断裂三维模型Fig.1 Three-dimensional model of strike-slip fracture

1.2 基于单因素变量条件下建立碳酸盐岩溶洞模型

为了更好地模拟地下地质情况，需利用实际工区地震资料雕刻溶洞模型。先对实际地震资料提取梯度结构张量第二特征值属性体，再对梯度结构张量第二特征值属性进行阈值雕刻，得到实际数据溶洞雕刻形态。为了便于后期对比分析正演数据，对溶洞模型进行单因素控制，因此，只选取了实际雕刻数据中的形态相对典型的3 种溶洞，用于构建单因素条件下的溶洞模型。在此基础上，建立了不同的单因素变量控制模式，从左到右依次放入走滑断裂模型中进行分段对比分析，如图2 所示，其中，红色线代表走滑断裂，蓝色点代表溶洞分布。

图2 走滑断裂与溶洞平面图Fig.2 Plan of strike-slip faults and karst caves

1.3 全层系的碳酸盐岩缝洞体与走滑断裂三维模型

以碳酸盐岩缝洞体与走滑断裂模型为目的层段建模，在实际地质资料中埋藏较深，为了更好地模拟地下地质情况，将建立全层系的碳酸盐岩缝洞体与走滑断裂模型。先利用白垩系顶到奥陶系顶的全层系层位，结合测井数据以及实际地震剖面偏移速度场，对上覆层状模型进行速度填充，构建上覆层模型。再将构建的缝洞体与走滑断裂三维模型与上覆层模型合并，得到全层系的多种类型碳酸盐岩缝洞体与走滑断裂匹配的三维模型，如图3 所示。

图3 全层系的碳酸盐岩缝洞体与走滑断裂三维模型Fig.3 Three-dimensional model of carbonate fracture-vuggy bodies and strike-slip faults in the whole series

2 碳酸盐岩缝洞体逆时偏移成像及反射特征分析

模拟采用观测系统为120L2S540R，与实际野外采集观测系统近似。部分观测系统参数为：炮线距750 m，炮间距50 m，接收线距100 m，道间距25 m，最小偏移距25 m，最大偏移距9 005.25 m，采样间隔2 ms。模拟所用子波提取自目标区域的实际地震资料，再通过统计平均求取，子波主频为25 Hz。正演记录如图4 所示。对比不含溶洞模型与含溶洞模型模拟的单炮记录，从图4b 可以清晰地看出溶洞产生的绕射波。对正演模拟得到的炮集记录进行逆时偏移成像处理，如图5所示，偏移结果可以很好地反映地下真实构造及储层形态。

图4 地震数值模拟炮记录Fig.4 Forward modeling records

图5 逆时偏移结果Fig.5 Reverse time migration results

为使成像结果更具代表性，重点考虑了缝洞型储集体的流体类型、强轴干涉距离、缝洞体大小、溶洞间纵向距离、溶洞间横向距离、充填类型和孔隙度参数对反射特征的影响，研究这些参数有利于缝洞体在实际地震剖面中反射特征的认识及识别，且能够为实际地震资料中缝洞型储层参数的估算及储层评价提供依据。

2.1 流体类型对反射特征的影响

保持溶洞大小及孔隙度不变，对比溶洞不同流体类型对成像结果的影响。在走滑断裂的线性斜列段设置不同油、气和水的组合模式，图6a 为过不同流体类型溶洞体模型，从左到右分别为油、气、水、气+水+油、油+水、气+水及气+油等7 种组合模式。图6b 为图6a 所对应的逆时偏移剖面，储层流体内幕的变化基本无法在叠后“串珠”响应形态上进行区分，这是因为油、气和水的弹性参数差异小，响应能量不足以干涉“串珠”形态，影响主要表现为振幅能量（振幅的平方）随平均弹性参数变化，从图7和图8 可以看出，水模式的振幅能量小于气模式和油模式，当为气+水模式时，振幅能量达到最高，且振幅能量会随纵波速度增大而逐渐降低。

图6 不同流体类型的缝洞体模型及其地震响应特征Fig.6 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different fluid types

图7 振幅能量随纵波速度变化Fig.7 Variation of amplitude energy with P-wave velocity

图8 流体类型与振幅能量关系Fig.8 Relationship between reservoir model and amplitude energy

2.2 强轴干涉距离对反射特征的影响

保持缝洞体大小、孔隙度及流体类型不变，在走滑断裂的线性段分别对比了溶洞相对于不同强轴干涉距离造成的干涉影响。

溶洞与强轴干涉距离见图9a，其中，强轴深度为5 320～5 600 m，从左到右溶洞相对于强轴干涉距离为6、12、24、48、96 和192 m，溶洞纵波速度为3 925 m/s、溶洞宽62.5 m、高92.0 m。由于缝洞体大小和弹性参数的关系，“串珠”响应能量较强，不同干涉距离的缝洞体都可在地震剖面中识别。

不同强轴干涉距离缝洞体地震响应特征如图9b所示，干涉距离为6、12 和24 m 时，其“串珠”响应为宽150 m，高216 m 的振幅串，振幅能量分别为16.964、17.521 和17.105；干涉距离为48 m 时，其“串珠”响应为宽175 m，高204 m 的振幅串，振幅能量为33.49；干涉距离为96 m 时，其“串珠”响应为宽200 m，高216 m 的振幅串，振幅能量33.419；干涉距离为192 m 时，其“串珠”响应为宽188 m，高216 m 的振幅串，振幅能量23.612。可以看出，当干涉距离小于1/4 波长时，“串珠”极性与强轴相反；当干涉距离大于1/4 但小于1/2 波长时，“串珠”极性与强轴相同；当干涉距离大于1/2 波长时，“串珠”与强轴分离。因此，干涉距离为6、12 和24 m时“串珠”极性与强轴相反，干涉距离48 和96 m 时“串珠”极性与强轴相同，干涉距离192 m 时串珠与强轴分离。

2.3 缝洞体大小对反射特征的影响

保持溶洞孔隙度及流体类型不变，在走滑断裂的辫状段对比不同缝洞体大小对结果的影响。缝洞体参数以及地震响应参数如表1。

表1 缝洞体参数和地震响应参数Tab.1 Fractured-cave parameters and seismic parameters

不同大小缝洞体模型及地震响应特征见图10，当溶洞尺度小于25 m 时，地震反射特征不明显，大于25 m 后溶洞特征清楚，从缝洞体与“串珠”响应振幅能量关系（图11）可以看出，两者基本呈线性关系，且缝洞体大小会对“串珠”响应呈现放大效应。

图10 不同大小缝洞体模型及其地震响应特征Fig.10 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of fractured-cavity bodies with different sizes

图11 振幅能量与缝洞体体积的关系Fig.11 Relationship between amplitude energy and fractured-cavity bodies size

当溶洞规模较小时，横向反射宽度会明显大于实际宽度，随着溶洞的规模不断增大，横向的反射宽度会逐渐趋近于真实宽度，两者关系可以用二项式进行拟合（图12），当溶洞横向长度小于1/8 波长，“串珠”能量难以识别。

图12 缝洞体体积对“串珠”横向放大效应Fig.12 Transverse amplification effect of fractured-cavity bodies size on “beads”

2.4 溶洞间纵向距离对反射特征的影响

保持缝洞体体积、孔隙度、流体类型不变，在走滑断裂的线性段，对比两溶洞不同纵向距离对成像结果的影响。不同纵向距离的叠置缝洞体模型及其地震相应特征如图13 所示，图13a 中，从左到右分别为纵向距离12、24、48、72 和0 m 的单一大溶洞，96、192 和192 m 的纵向叠置溶洞和384 m 的缝洞体模型，从图13b 可以看到，当叠置的溶洞纵向间距小于12 m 时，从地震分辨率的角度，将无法区分溶洞顶底；当溶洞纵向距离为24、48、72 和96 m时，从地震响应中可以分辨双洞；直至溶洞纵向距离大于1/2 波长，溶洞的“串珠”响应完全分离。在逆时偏移成像处理下，缝洞体纵向叠置不会影响单串珠“负正负”的响应形式，且具有明显的规律。

图13 不同纵向距离的缝洞体模型及其地震响应特征Fig.13 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of vertical distance

2.5 溶洞间横向距离对反射特征的影响

保持缝洞体大小、孔隙度及流体类型不变，在走滑断裂的叠覆段对比两溶洞不同横向距离对成像结果的影响。缝洞体横向距离和分辨能力如表2所示。不同横向距离的缝洞体模型及其地震响应特征如图14所示，图14a 中，从左到右横向距离分别为20、50、75、100、125、175 和225 m。

表2 缝洞体横向距离和分辨能力Tab.2 Lateral distance and resolution of double-slit caverns

图14 不同横向距离的缝洞体模型及其地震响应特征Fig.14 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of lateral distance

从地震响应特征（图14b）可以看出，当两溶洞横向距离小于1/4 波长时，横向双缝洞体无法分辨，会出现大“串珠”状假象；当横向距离大于1/4 波长且小于1/2 波长时，横向双缝洞体可分辨，但横向间隔处能量较弱；当横向距离大于1/2 波长时，横向缝洞体完全分离。

2.6 溶洞内部充填特征对地震响应的影响

保持缝洞体大小、孔隙度及流体类型不变，在走滑断裂的斜裂段比较不同的充填物、充填程度对“串珠”响应的影响。分别模拟充填物为硅质和泥质，每种充填物充填程度从低到高的状态，图15a中，从左到右分别为硅质水平充填100%、泥质水平充填100%、泥质水平充填80%、泥质水平充填60%、泥质水平充填40%、泥质竖直充填33%、泥质水平充填20%、泥质水平充填10%和无泥质充填，地震成像结果见图15b。

图15 不同充填类型缝洞体模型及其地震响应特征Fig.15 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different filling types

充填特征能量的影响主要取决于对缝洞体弹性参数的影响，弹性参数与围岩弹性参数的差越大，则响应越强，同时充填与储层的分界位置也影响振幅能量与缝洞体大小。且缝洞体产生的相位与背景围岩产生的相位由于波的叠加作用也会导致“串珠”状能量的强弱变化。

地震波振幅能量随泥质充填曲线如图16 所示，随着泥质充填程度增大，振幅能量先上升后下降至平稳。

图16 振幅能量随泥质充填程度的变化Fig.16 Variation of amplitude energy with filling degree of mud

2.7 孔隙度对反射特征的影响

保持缝洞体大小及流体类型不变，在走滑断裂的马尾段比较孔隙度对成像结果的影响。不同孔隙度缝洞体模型及其地震响应特征见图17。

图17 不同孔隙度缝洞体模型及其地震响应特征Fig.17 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different porosity

图17a 中，从左到右分别是孔隙度为5%、10%、15%、20%、25%和30%的缝洞体，其中，缝洞体大小均为宽50 m、高56 m。成像结果见图17b，对于相同的充填物，孔隙度越大，地震反射越强。

孔隙度与振幅能量关系如图18 所示，“串珠”振幅能量与孔隙度呈指数关系，随着溶洞孔隙度的增大，溶洞与围岩的弹性参数差异增大，使绕射响应增强。

图18 振幅能量随孔隙度的变化Fig.18 Variation of amplitude energy with porosity

孔隙度变化会使得缝洞体地震响应的横向大小大于实际缝洞体大小，横向放大效应与孔隙度关系如图19 所示，“串珠”横向反射宽度的放大倍数与孔隙度呈对数关系。

图19 孔隙度对“串珠”的横向放大效应Fig.19 Transverse amplification effect of porosity on “beads”

3 结论

1）溶洞地震响应的相对振幅会随着溶洞体积增大而增大，随溶洞速度的增大而减小。如果溶洞上方存在强轴反射，则强轴与溶洞间的干涉距离会影响“串珠”响应振幅能量。

2）溶洞在空间上的分布会导致不同的响应，两个纵向叠置的溶洞会形成长“串珠”状反射，当其间距超过1/2 波长时会形成垂向分布的双“串珠”。横向叠置的溶洞间水平距离过小，会使两个溶洞的“串珠”响应合并，从而导致大溶洞的“串珠”假象。

3）对于相同孔隙度，溶洞内的泥质充填程度会影响“串珠”响应振幅能量，随着泥质充填程度增大，振幅能量先上升后下降至平稳。且弹性参数差异越大，地震反射越强，因此，含油气溶洞的相对振幅会大于含水溶洞的相对振幅，但流体类型变化无法在叠后剖面的“串珠”响应形态上进行区分。对于相同充填物，“串珠”响应的振幅能量会随孔隙度增大呈指数增大。