卡塔爾A區(qū)塊碳酸鹽巖蓋層裂縫分析及預(yù)測*

周 鵬 劉志斌 張益明 劉春成 王志紅 肖 曦

(中海油研究總院 北京 100028)

周鵬，劉志斌，張益明，等.卡塔爾A區(qū)塊碳酸鹽巖蓋層裂縫分析及預(yù)測［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：31-36.

卡塔爾A區(qū)塊位于波斯灣盆地的阿拉伯地臺隆起上，是一個構(gòu)造相對簡單的鹽拱背斜，目的層系儲蓋組合為二疊系海相碳酸鹽巖蓋層及其下伏的河流—三角洲砂巖儲層。從已完成的A區(qū)塊地質(zhì)風(fēng)險分析來看，烴源巖、圈閉、運聚、儲層基本不存在問題，最大的風(fēng)險來自碳酸鹽巖蓋層。該套碳酸鹽巖埋深4 000 m以上，脆性大，后期受鹽拱作用產(chǎn)生了大量的裂縫。A-1井位于背斜長軸的北次高點，鉆穿了這套碳酸鹽巖，其厚度約820 m，依據(jù)巖石成分可分為3段：上段厚約370 m，為較純的白云質(zhì)灰?guī)r，裂縫大量發(fā)育，為已開發(fā)裂縫型油藏層段；中段和下段總計約450 m厚，為此次研究的蓋層段，其中裂縫基本被膏鹽充填。為了下一步優(yōu)化鉆井設(shè)計和降低鉆井風(fēng)險，必須對A區(qū)塊碳酸鹽巖蓋層裂縫的發(fā)育和分布情況進行分析及預(yù)測。

1 方法原理

在裂縫型油氣藏勘探中，需要研究裂縫的發(fā)育機理、方位和密度等問題［1-2］，綜合應(yīng)用應(yīng)力場的數(shù)值模擬［3-6］、裂縫模型正演及地震方位各項異性分析［7-9］等技術(shù)是較好的解決方法，通過研究斷層、地層厚度、區(qū)域應(yīng)力場等地質(zhì)因素與裂縫發(fā)育機理及分布的關(guān)系，可預(yù)測裂縫分布范圍及發(fā)育程度。利用寬方位縱波地震數(shù)據(jù)研究具有水平對稱軸橫向各向同性(HTI)介質(zhì)各向異性特征，多是利用速度、振幅及地震屬性隨方位角的變化來檢測裂縫［10-15］；根據(jù)巖石物理理論建立井的裂縫儲層地質(zhì)模型和巖石物理模型，以正演模擬井點裂縫地層的各向異性地震響應(yīng)。在正演模擬確定裂縫的物理屬性時，需要將巖石裂縫的動力學(xué)屬性同物理屬性聯(lián)系起來，這方面有3種主要理論［16］：一是Hudson的橢圓縫等效介質(zhì)理論，二是Schoenberg、Muir等的Slip-Interface模型，三是Pyrak-Nolte的基于不同頻率的Slip-Interface模型。實際的HTI介質(zhì)研究滿足長波長等效介質(zhì)假設(shè)，本文研究也是基于這種理論假設(shè)。

1.1 應(yīng)力場數(shù)值模擬

一個地區(qū)在地質(zhì)演化過程中往往經(jīng)歷復(fù)雜的地殼運動，難以建立相應(yīng)的地質(zhì)模型。對于由地殼受到擠壓發(fā)生彎曲或者基底隆起使沉積地層上拱而形成的簡單背斜，可以近似地以現(xiàn)在的構(gòu)造應(yīng)力場作為古構(gòu)造應(yīng)力場的發(fā)展模型來模擬應(yīng)力場條件下導(dǎo)致的構(gòu)造裂縫體系。在這種假設(shè)前提下，以彎曲薄板作為構(gòu)造的力學(xué)模型，將構(gòu)造的裂縫分布問題轉(zhuǎn)化為構(gòu)造面的曲率問題，并以薄板中心面為Z=0的坐標(biāo)面，規(guī)定按右手規(guī)則，以平行于大地坐標(biāo)為X、Y坐標(biāo)，以向上為正。其步驟為：利用地層幾何信息計算構(gòu)造面上每個點的曲率值；利用地質(zhì)、鉆井和測井資料計算拉梅常數(shù)和剪切模量；利用三維地震資料疊前彈性參數(shù)反演得到空變的地層彈性參數(shù)；利用三維有限差分模擬方法計算地層的應(yīng)力、應(yīng)變分布而得到構(gòu)造應(yīng)力場；根據(jù)巖石破裂準(zhǔn)則，計算出該應(yīng)力場產(chǎn)生的裂縫，對裂縫的發(fā)育程度及展布關(guān)系進行分析。

采用最小二乘法擬合地層構(gòu)造面的趨勢函數(shù)。趨勢面的待定系數(shù)函數(shù)為

式(1)中：w為沿Z軸方向的擾動位移；a0、a1、…、a5為趨勢面函數(shù)系數(shù)，用n個散點擬合一個趨勢面，求解方程組可得到趨勢面函數(shù)系數(shù)。

趨勢面曲率為

式(2) ～(4)中：kx、ky、kxy分別為沿x、y、xy方向的曲率。

應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系符合胡克定律，即

式(5)中：σ為應(yīng)力張量；λ、μ為拉梅常數(shù)；θ為體積應(yīng)變；ε為應(yīng)變張量。

結(jié)合薄板理論，將式(2)～(4)代入式(5)，得出地層面上沿x、y、xy方向的應(yīng)力分量分別為

式(6)～(8)中：E為楊氏模量；h為地層厚度；v為泊松比。由式(6)～(8)可知，當(dāng)?shù)貙用嫦蛏贤箷r，曲率大于零，正好對應(yīng)凸地層面的拉張應(yīng)力，張應(yīng)力為正。求出應(yīng)力場后，就可以求出其主應(yīng)力大小和方向以及主應(yīng)變。

1.2 HTI介質(zhì)各向異性求取

地震波沿裂縫的不同方向傳播時具有不同的旅行速度，平行裂縫傳播時速度快，垂直裂縫傳播時速度慢。在進行各向異性地震響應(yīng)分析之前，需要進行井點的裂縫模型正演模擬。

Hudson裂縫模型［1］假設(shè)整個介質(zhì)由未包含裂縫的彈性介質(zhì)和其內(nèi)部分布的狹長橢圓裂隙組成，用裂縫密度e和裂縫扁率η來描述裂縫系統(tǒng)。裂縫密度定義為

式(9)中：R為裂縫半徑；V為介質(zhì)的體積；N為介質(zhì)中的裂縫數(shù)量；φF為裂縫形成的孔隙度；η為裂縫扁率。等效的剛度系數(shù)為

在上述模型基礎(chǔ)上進行井點正演模擬，模擬各個方位角的地震響應(yīng)，并與井旁地震道集進行對比，分析疊前方位角AVO響應(yīng)及其他對裂縫敏感的方位角屬性(頻率、衰減、吸收等)。

根據(jù)Thomsen引入的弱橫向各向異性表達式［12］，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^HTI裂縫介質(zhì)時，Ruger用攝動法［1］推導(dǎo)出了縱波反射系數(shù)與各向異性方位的關(guān)系式，即

式(11)中：Rpp為縱波反射系數(shù)；Rpp-iso為各向同性部分的縱波反射系數(shù)；α為縱波速度；β為橫波速度；ρ為密度；ε(V)、δ(V)、γ 為 Thomsen 各向異性參數(shù)；θ為入射角；φ為方位角；φ0為對稱軸的方位角。

在入射角較小時，將式(11)進行簡化得

式(12)中：G0為縱波垂直對稱軸入射的反射系數(shù)；G1=當(dāng)?shù)卣鸩ㄆ叫杏诹芽p傳播時，只有G1一項，不包含各向異性參數(shù)。

從式(12)可以看出，固定入射角的反射系數(shù)與方位角的關(guān)系是周期變化的，周期為180°，并且隨著方位角度的變化可以用一個橢圓方程來描述。理論上，只要知道式(12)中的3個反射系數(shù)就可以求解G0、G1及G2等3個參數(shù)，從而得到方位橢圓方程。對于寬方位或者全方位地震數(shù)據(jù)，通常在給定的共中心點(CMP)位置具有多個方位(大于3個)的地震觀測數(shù)據(jù)，這時求解式(12)就變成了一個超定問題。

2 碳酸鹽巖蓋層裂縫分析與預(yù)測

2.1 應(yīng)力場數(shù)值模擬分析

利用已知的層位數(shù)據(jù)、縱橫波速度、密度、厚度及巖性信息，由式(1)～(4)計算出各點的曲率分量，得到主曲率分布(圖1a)，并由式(5)～(8)計算得到主應(yīng)力分布(圖1b)及主應(yīng)變分布(圖1c)。由圖1a可以看出，曲率值大的區(qū)域主要分布在斷層附近、背斜的長軸高點及構(gòu)造的翼部；由圖1b可以看出，主應(yīng)力值大的區(qū)域分布在斷層附近及構(gòu)造的高點，以東西向為主，近南北向應(yīng)力也較大；由圖1c可以看出，主應(yīng)變值大的區(qū)域是在斷層附近，其次是背斜的長軸高點及構(gòu)造的翼部轉(zhuǎn)折端。從構(gòu)造應(yīng)力學(xué)上分析，對于同一套巖石，曲率越大、受力越大及形變越大的部位裂縫越發(fā)育。綜合分析后得到了A區(qū)塊裂縫的發(fā)育帶及裂縫的方向分布圖(圖2，紅色小色棒代表裂縫的走向)。由圖2可以看出，構(gòu)造裂縫主要分布在斷層及構(gòu)造高點附近，以南北向裂縫為主。

圖1 卡塔爾A區(qū)塊應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果Fig.1 Stress field numerical sim ulation results in Qatar A block

圖2 卡塔爾A區(qū)塊應(yīng)力場模擬得到的裂縫發(fā)育帶及裂縫方向Fig.2 Fracture zones and directions based on stress field simulation in Qatar A block

2.2 模型正演及地震方位各向異性分析

卡塔爾A區(qū)塊地震數(shù)據(jù)為海底電纜采集數(shù)據(jù)，方位角較寬，可以滿足地震方位各向異性分析的要求，但由于海上采集施工限制，存在方位角覆蓋次數(shù)不均勻的問題。通過精細的地震資料處理［17］，并針對這一問題，在去除小偏移距和大偏移距道集后，進行了100×100的超面元處理，使得各個方位角覆蓋次數(shù)基本均勻，信噪比也得到了提高。根據(jù)地震資料方位角情況以及地震方位各向異性預(yù)測裂縫的要求，將方位角分為0°～25°、26°～90°、91°～154°、155°～180°等4個范圍進行疊加，將疊加的方位角數(shù)據(jù)進行合并，形成方位角道集數(shù)據(jù)體。對比不同方位角范圍疊加的剖面(圖3)，可以看出各剖面相同位置有些同相軸存在著明顯的差異，這種差異正是地下介質(zhì)方位各向異性的響應(yīng)，主要是由裂縫引起。

圖3 卡塔爾A區(qū)塊各方位角疊加剖面對比Fig.3 Comparision of azimuth stack sections in Qatar A block

圖4 模型正演得到的A-1井裂縫層段各方位角疊前AVO曲線Fig.4 Prestack azimuth AVO curves based on forward modeling of fracture zone in W ell A-1

根據(jù)A-1井分析，目的層碳酸鹽巖層段發(fā)育高角度裂縫，含裂縫地層可以近似為弱HTI介質(zhì)模型。從該井讀取縱橫波速度、密度及巖性信息，設(shè)采集方位角與裂縫的夾角分別為 0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°建立正演模型，模型由彈性介質(zhì)和狹長橢圓裂縫組成。在上述模型的基礎(chǔ)上，通過式(11)正演模擬各方位角在0°～30°入射角的疊前地震響應(yīng)，并提取裂縫層段各方位角疊前AVO曲線(圖4)，得到地震與裂縫方位各向異性的關(guān)系。從圖4可以看出：當(dāng)采集方位與裂縫夾角為0°時，振幅衰減較慢；隨著兩者之間夾角的增大，振幅衰減得越來越快；達到90°時，振幅衰減最快。通過分析井點模型的疊前方位角道集地震響應(yīng)，包括振幅、頻率、相位、振幅能量、衰減、吸收等，可以找到對裂縫方位各向異性敏感的地震屬性，以指導(dǎo)地震各向異性分析。通過分析，得出振幅能量為該地區(qū)裂縫方位各向異性最敏感的屬性。

在利用寬方位地震資料進行裂縫方位各向異性計算中，通過式(12)進行反演，利用4個方位角振幅能量可以求解G0、G1及G2等3個參數(shù)，并得到方位振幅能量的橢圓方程，從而得到了裂縫密度和裂縫發(fā)育方向。從地質(zhì)背景及A-1井分析來看，A區(qū)塊碳酸鹽巖層段按巖性大致可以分為3段：上段為較純的白云質(zhì)灰?guī)r，裂縫發(fā)育，為已開發(fā)目的層段；中段為膏鹽巖及致密白云巖夾膏質(zhì)白云巖，裂縫較少；下段為致密灰?guī)r夾薄層白云巖，裂縫發(fā)育，但大部分裂縫被膏鹽充填。分3段進行分析，從而得到該區(qū)塊各段的裂縫密度和裂縫發(fā)育方向(圖5)。從圖5可以看出，上段巖性脆，裂縫發(fā)育且充填少，裂縫主要分布在構(gòu)造高點、背斜長軸附近，近南北和近東西向裂縫都發(fā)育，分別為縱向拉張縫和橫向擴張縫，其中A-1井點處的分析結(jié)果與鉆遇情況相符合；中段由于含膏鹽巖較多，裂縫發(fā)育少，有少量的南北向裂縫；下段巖性相對較脆，裂縫發(fā)育，但構(gòu)造高點附近裂縫比上段少，大部分裂縫被充填，主要分布在背斜高點的北部，以橫向的擴張裂縫為主。

從A區(qū)塊應(yīng)力場模擬(圖2)和地震方位各向異性分析(圖5)的結(jié)果來看，在構(gòu)造的高點和翼部，二者預(yù)測的裂縫發(fā)育情況基本吻合；但在斷層附近，應(yīng)力場模擬預(yù)測的裂縫發(fā)育，而地震方位各向異性分析中裂縫響應(yīng)特征不明顯，顯示裂縫不發(fā)育，這是由于斷層附近的裂縫在后期的構(gòu)造運動和地質(zhì)演化過程中被充填而成為閉合縫。

圖5 卡塔爾A區(qū)塊地震方位各向異性分析結(jié)果Fig.5 Seism ic azimuth anisotropy analysis results in Qatar A b lock

3 結(jié)論

卡塔爾A區(qū)塊二疊系碳酸鹽巖層段按巖性可分為3段，各段裂縫的發(fā)育程度和方向均不同，其中上段為較純的白云質(zhì)灰?guī)r，裂縫發(fā)育，為裂縫型油層段，中、下段含膏鹽巖，裂縫發(fā)育較少，且裂縫基本為膏鹽充填，為良好的蓋層段；上段主要以南北向的裂縫為主，中段發(fā)育少量的南北向裂縫，下段以東西向裂縫為主。這些研究結(jié)果對該區(qū)塊下一步優(yōu)化鉆井設(shè)計和降低鉆井風(fēng)險具有指導(dǎo)意義。

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