正演模擬技術(shù)在碳酸鹽巖溶洞響應(yīng)特征研究中的應(yīng)用

李勝軍，劉偉方，高建虎

（中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院）

正演模擬技術(shù)在碳酸鹽巖溶洞響應(yīng)特征研究中的應(yīng)用

李勝軍，劉偉方，高建虎

（中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院）

在塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲層識別中，“串珠狀”反射是十分重要的地震響應(yīng)特征之一。文中利用波動方程正演模擬技術(shù)，設(shè)計(jì)了不同的溶洞模型，分析了溶洞寬度和高度變化時(shí)對“串珠狀”響應(yīng)特征的影響。結(jié)果表明：溶洞寬度增加時(shí)，“串珠”響應(yīng)振幅增強(qiáng)，但響應(yīng)時(shí)間長度不變；溶洞高度增加時(shí)，“串珠”振幅呈先增大后減小的趨勢，且響應(yīng)時(shí)間長度變長。模型正演為進(jìn)一步研究溶洞的響應(yīng)機(jī)理、溶洞形狀與“串珠”特征的關(guān)系提供了手段，從而為碳酸鹽巖儲層的半定量或定量預(yù)測提供了依據(jù)。

碳酸鹽巖溶洞；正演模擬；溶洞寬度；溶洞高度

0 引言

碳酸鹽巖縫洞型油氣藏是最重要的油氣藏類型之一。近年來，在塔里木盆地深層碳酸鹽巖縫洞型油氣藏相繼發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)可觀的油氣儲量，形成了大型油氣田。受地貌、構(gòu)造、成巖等地質(zhì)因素的影響，碳酸鹽巖儲層的孔、洞分布多種多樣，其分布的隨機(jī)性、形態(tài)的復(fù)雜性及充填物的多樣性，增加了使用地震勘探方法進(jìn)行儲層預(yù)測的難度和風(fēng)險(xiǎn)[1-2］。

研究區(qū)域?yàn)樗锬九璧豘G8井區(qū)，位于巖溶斜坡和巖溶次高地，且風(fēng)化殼巖溶、裂縫發(fā)育，勘探前景良好。隨著勘探開發(fā)程度的加深，要求碳酸鹽巖儲層預(yù)測從定性向定量轉(zhuǎn)化。疊后地震屬性分析中，波形、振幅、相位、分頻、吸收衰減等疊后地震屬性可以較好地反映儲層縱、橫向分布規(guī)律，但受其分辨率影響，只能相對準(zhǔn)確地識別厚度大或者物性特別好的儲層[3-4］。疊前地震屬性主要是利用AVO分析流體因子屬性來進(jìn)一步提高儲層預(yù)測的精度，但受模型約束的影響，導(dǎo)致其橫向分辨率降低，增加了強(qiáng)非均質(zhì)性縫洞儲層橫向預(yù)測的多解性。這些方法和技術(shù)，雖提高了縫洞型儲層有效性的預(yù)測精度，但很難對其進(jìn)行定量刻畫。

姚姚等[3，5］應(yīng)用正演模擬技術(shù)，基于隨機(jī)介質(zhì)模型和非均質(zhì)彈性波理論，進(jìn)行了地震頻帶（20～40Hz）條件下的溶洞高度對垂直分量和水平分量影響的定性研究，這對用正演模擬技術(shù)識別縫洞型油氣藏產(chǎn)生了積極影響。魏建新等[1］用物理模擬的方法研究了孔、洞型儲層的物理響應(yīng)特征，并作了繞射能量與溶洞寬度相關(guān)等定性的分析。何建軍等[6］通過模型正演技術(shù)對各種常用的地震波動力學(xué)屬性參數(shù)的縫洞特征進(jìn)行了分析，建立了一套利用地震波波場參數(shù)識別和劃分碳酸鹽巖儲層縫洞單元的方法。通過以上研究，對不同尺度溶洞的地震響應(yīng)特征得出了一些重要的認(rèn)識，但對于不同尺度（寬度與高度）溶洞與地震響應(yīng)的定量關(guān)系的研究尚不夠深入。筆者利用鉆井、測井資料，設(shè)計(jì)了不同大小的地質(zhì)模型，采用野外實(shí)際二維觀測系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，總結(jié)了溶洞型儲層的地震響應(yīng)特征與溶洞的定量關(guān)系，建立了定量解釋量版，并進(jìn)行了縫洞型儲層半定量描述，這將有利于提高對縫洞型儲層識別的有效性及鉆探成功率。

1 基本原理

模擬采用的是對一階速度-應(yīng)力方程離散的差分算法，該算法具有模擬精度高，能適應(yīng)地層劇烈變化的優(yōu)點(diǎn)。由應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系和牛頓第二定律可以導(dǎo)出各向同性、完全彈性、非均勻介質(zhì)中的二維速度-應(yīng)力方程

式中： fx，fy為質(zhì)點(diǎn)速度；gx，gy為法線壓力；gs為剪切力；P，Q，Qs，L 均為中間變量； ρ為密度，g/cm3；α 為縱波速度，m/s；β 為橫波速度，m/s；λ，μ 為拉梅常數(shù)。

2 模型設(shè)計(jì)及正演模擬分析

碳酸鹽巖儲層中溶洞尺度從毫米級到百米級不等，本次研究主要是針對橫向尺度與縱向尺度的變化對地震響應(yīng)特征的影響。為此，在模型設(shè)計(jì)中對溶洞的形狀進(jìn)行了簡化，即在設(shè)計(jì)模型時(shí)，僅考慮了溶洞尺度的變化，而未涉及形狀和充填物的變化。通過對式（1）～式（5）進(jìn)行離散，采用交錯(cuò)網(wǎng)格差分算法進(jìn)行模擬，網(wǎng)格間距設(shè)為5 m。該方法計(jì)算效率高[7-8］，且適用于非均勻介質(zhì)、復(fù)雜構(gòu)造和復(fù)雜地質(zhì)體的地震波波場數(shù)值模擬。模型采用的是野外二維觀測方式，該方式與實(shí)際野外采集觀測系統(tǒng)近似（炮間距20 m、道間距20 m、每炮351道、總炮數(shù)650炮、最小偏移距0 m、最大偏移距7 000 m、采樣間隔2 ms）。模擬所用子波提取自目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際地震資料，最后通過統(tǒng)計(jì)平均求取，子波主頻為25 Hz。

2.1 溶洞寬度對地震響應(yīng)的影響

設(shè)計(jì)水平層狀各向同性溶洞寬度變化的地質(zhì)模型。根據(jù)鉆井和測井資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，目的層圍巖縱波速度為6 000 m/s，橫波速度為3 510 m/s，密度為2.65 g/cm3；溶洞縱波速度為4 500 m/s，橫波速度為2 605 m/s，密度為2.43 g/cm3。設(shè)計(jì)溶洞埋深為6 700 m，洞高為60 m，洞寬從左到右依次為10 m，20 m，40 m，80 m，120 m，160 m，200 m，240 m。

圖1為在上述觀測系統(tǒng)及子波前提下該模型對應(yīng)的偏移剖面。從剖面上可以定性地看出，隨著溶洞寬度的增加，地震響應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，所占用的地震道數(shù)也相應(yīng)增加。響應(yīng)寬度與溶洞寬度的定量關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

圖1 溶洞寬度變化時(shí)的疊前深度偏移剖面Fig.1 The section of prestack depth migration when the cave width changes

為進(jìn)一步準(zhǔn)確地對比響應(yīng)強(qiáng)度與溶洞寬度的關(guān)系，從偏移數(shù)據(jù)中抽取溶洞中心響應(yīng)對應(yīng)的地震道，以10 m，40 m，80 m，160 m寬溶洞為例進(jìn)行對比分析（圖2）?？梢缘贸觯河扇芏错敳宽憫?yīng)為2.935 s處的波谷可以確定溶洞頂?shù)奈恢?；其次，各個(gè)地震道波形基本未變，呈兩峰兩谷特征，說明了溶洞地震響應(yīng)時(shí)間長度與溶洞寬度基本沒有直接關(guān)系。進(jìn)一步拾取各個(gè)溶洞對應(yīng)地震響應(yīng)的最大振幅值，并以240 m溶洞寬度響應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)作歸一化處理，如圖3所示，進(jìn)一步定量地顯示出溶洞響應(yīng)強(qiáng)度隨寬度增加的趨勢。因此，可以根據(jù)溶洞的響應(yīng)強(qiáng)度半定量或定量預(yù)測溶洞寬度。 根據(jù)前人研究[1，9-11］，在塔里木盆地塔中地區(qū)，奧陶系碳酸鹽巖儲層埋深一般在6 000 m左右，溶洞響應(yīng)一般在3 s左右，菲涅爾帶半徑為775 m，模型設(shè)計(jì)的溶洞寬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該值，故所觀測到的響應(yīng)應(yīng)該是繞射波能量。因此，不同寬度的溶洞參與相長干涉疊加的繞射點(diǎn)的面積（實(shí)際菲涅爾帶）不同。當(dāng)溶洞越寬時(shí)，此面積越大，觀測到的地震波振幅就越大，這就是溶洞寬度對地震波振幅影響較大的原因。

圖2 不同寬度溶洞對應(yīng)地震道波形圖Fig.2 Seismic trace waveform correspondingto caves with different widths

圖3 振幅隨溶洞寬度變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship between amplitude and cave width

2.2 溶洞高度對地震響應(yīng)的影響

為了研究溶洞高度對溶洞地震響應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)水平層狀各向同性溶洞高度變化的地質(zhì)模型。洞寬為40 m，洞高從左到右依次為10 m，20 m，40 m，60 m，80 m，120 m，150 m，180 m，其余參數(shù)同溶洞寬度變化模型參數(shù)。

圖4為與溶洞高度變化模型對應(yīng)的成像剖面。從圖中可以看出：隨著溶洞高度的增加，響應(yīng)最大振幅先增大后減小，且“串珠”響應(yīng)長度增加。

圖4 溶洞高度變化時(shí)的疊前深度偏移剖面Fig.4 The section of prestack depth migration when the cave height changes

為進(jìn)一步研究溶洞對應(yīng)地震響應(yīng)的波形變化，以10 m，40 m，80 m，150 m高溶洞對應(yīng)的地震響應(yīng)為例，抽取響應(yīng)中間地震道，波形如圖5所示。從圖中可以看出：洞頂響應(yīng)為2.935 s處的波谷，除10 m高的洞由于相消干涉引起的洞頂振幅較弱之外，其它響應(yīng)強(qiáng)度基本一致，這說明洞高較小時(shí)對洞頂?shù)姆瓷淠芰坑幸欢ǖ挠绊?；但緊隨其后的波峰響應(yīng)與洞高的關(guān)系就發(fā)生了變化，洞高40 m對應(yīng)的響應(yīng)振幅最強(qiáng)；隨著溶洞高度的增加，頂、底反射的干涉減弱，又由于洞內(nèi)多次波的影響，使整個(gè)波形變長，呈“長串珠”反射特征，對溶洞有較明顯的放大作用。

提取各個(gè)洞對應(yīng)最大振幅并做歸一化處理，形成振幅與洞高的關(guān)系，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著洞高的增加，振幅呈先增大后減小的趨勢，經(jīng)計(jì)算剛好在調(diào)諧厚度處呈最強(qiáng)響應(yīng)，這可作為估計(jì)溶洞大小的一項(xiàng)依據(jù)。

圖5 不同高度溶洞對應(yīng)地震道波形圖Fig.5 Seismic trace waveform corresponding to caves with different heights

圖6 振幅隨溶洞高度變化關(guān)系圖Fig.6 Relationship between amplitude and cave height

3 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)2個(gè)模型，得到如下認(rèn)識：

（1）在菲涅爾帶內(nèi)，隨著溶洞寬度的增大，溶洞響應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，但增加趨勢逐漸減緩；溶洞的“串珠”響應(yīng)時(shí)間長度與洞寬沒有直接的關(guān)系，隨洞寬的增加，其響應(yīng)由“串珠狀”變?yōu)椤把蚺艩睢薄?/p>

（2）溶洞響應(yīng)振幅強(qiáng)度隨洞高的增加呈先增大后減小的趨勢，在調(diào)諧厚度處達(dá)最大；隨洞高的逐漸增大，頂、底干涉減弱，由于洞內(nèi)多次波等原因引起波形變長，呈“長串珠”響應(yīng)，對溶洞有一定的放大作用。

在碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)，溶洞識別技術(shù)至關(guān)重要，從地球物理的角度來講，要深入研究“串珠”響應(yīng)形成的機(jī)理、運(yùn)動學(xué)特征和動力學(xué)特征，就需要分析振幅強(qiáng)度、相位、頻率等信息與縫洞的關(guān)系，這將為碳酸鹽巖儲層的定量預(yù)測提供依據(jù)，進(jìn)而提高儲層預(yù)測的精確度和準(zhǔn)確度。

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Application of forward modeling to research of carbonate cave response

LI Sheng-jun，LIU Wei-fang，GAO Jian-hu
（Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Northwest， PetroChina， Lanzhou 730020， China）

The“stringbead”reflection is one ofthe important seismic response features in identification ofOrdovician carbonation reservoir in TarimBasin.The mechanismof “stringbeads” is verycomplex.Base on forward modelingofwave equation,some different models are designed,and the influence ofcave width and height on “stringbead”characteristics is analyzed.The result shows that the amplitude of“string bead”intensifies with the cave width increasing,but the length of“stringbead”donot change.The amplitude of“stringbead”firstlyintensifies and then decreases with the cave height increasing,and the“string bead” lengthens.Forward modeling provides approach for further study of response mechanismofcave,cave shape and “stringbead”features,and criterion for semi-quantitative and quantitative forecast of carbonate reservoir.

carbonatecave；forwardmodeling；cavewidth；caveheight

TE132.1

A

1673-8926（2011）04-0106-04

2010-12-07；

2011-02-23

國家科技重大專項(xiàng)（編號：2011ZX05007-006）與國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目（編號：2007CB209604）資助。

李勝軍，1979年生，男，工程師，主要從事地震波傳播理論及正演模擬研究。地址：（730020）甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)雁兒灣路535 號。 電話：（0931）8686013。 E-mail：li_sj@petrochina.com.cn

涂曉燕）