負(fù)向構(gòu)造塌陷體的地震正演模擬——以塔河油田為例

何成江　張慧濤

（1.西南石油大學(xué)2.中國(guó)石化西北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院）

負(fù)向構(gòu)造塌陷體的地震正演模擬——以塔河油田為例

何成江1，2張慧濤2

（1.西南石油大學(xué)2.中國(guó)石化西北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院）

位于塔里木盆地沙雅隆起阿克庫(kù)勒凸起西南部的塔河油田的外擴(kuò)評(píng)價(jià)揭示了負(fù)向構(gòu)造區(qū)也存在油氣富集區(qū)，而在地震處理與解釋上，負(fù)向構(gòu)造塌陷體的縫洞成像與識(shí)別難度大。通過(guò)建立垮塌巖溶儲(chǔ)層空間分布的地質(zhì)構(gòu)造模型，并利用全波場(chǎng)交錯(cuò)網(wǎng)格差分算法開(kāi)展正演模擬研究。結(jié)果表明，負(fù)向構(gòu)造巖溶塌陷在正演地震剖面上的反射具有表層“下凹”、內(nèi)幕串珠狀及同相軸“短小”的特征，與圍巖特征存在著明顯的差異，與塌陷體實(shí)際的地震剖面吻合度較高；利用疊前深度偏移能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)溶洞塌陷形成的強(qiáng)反射進(jìn)行歸位，可較為準(zhǔn)確地成像地下巖溶系統(tǒng)，通過(guò)正演地震成果可指導(dǎo)負(fù)向構(gòu)造塌陷體的識(shí)別，對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展巖溶塌陷體識(shí)別與刻畫(huà)具有重要意義。圖6表2參12

負(fù)向構(gòu)造塌陷體全波場(chǎng)交錯(cuò)網(wǎng)格差分算法地質(zhì)模型正演模擬地震反射塔里木盆地塔河油田

0　引言

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏發(fā)育于塔里木盆地沙雅隆起阿克庫(kù)勒凸起的西南部，儲(chǔ)集空間主要為溶蝕孔洞、大型洞穴和溶蝕裂縫，其中洞穴和孔洞的儲(chǔ)集性能最好，各類巖溶儲(chǔ)集體的空間展布具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，空間形態(tài)極不規(guī)則且發(fā)育規(guī)模懸殊，故其縫洞體的預(yù)測(cè)識(shí)別難度大［1-3］。

在塔河油田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于“古潛山”巖溶圈閉概念，通過(guò)準(zhǔn)確識(shí)別“殘丘”大型隆起的有利特征，實(shí)現(xiàn)了碳酸鹽巖阿克庫(kù)勒凸起軸部的高效開(kāi)發(fā)。隨著開(kāi)發(fā)對(duì)象向巖溶溝谷、洼地等負(fù)向構(gòu)造區(qū)擴(kuò)展，油田單井產(chǎn)能逐年降低，動(dòng)用風(fēng)險(xiǎn)不斷增大。近年來(lái)塔河油田在外擴(kuò)評(píng)價(jià)過(guò)程中揭示了局部巖溶溝谷、洼地區(qū)存在較大規(guī)模的巖溶塌陷縫洞，部分井獲得高產(chǎn)油氣，證實(shí)此類負(fù)向構(gòu)造區(qū)也存在油氣富集?？抵竞?、魯新便等人開(kāi)展了有關(guān)古洞穴垮塌體地震反射結(jié)構(gòu)與識(shí)別方案研究，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到“古殘丘”巖溶塌陷體的主體地震反射為“強(qiáng)振幅”，兩側(cè)（垮塌圍巖角礫）邊界的地震反射表現(xiàn)為“雜亂”狀和“串珠”狀。

對(duì)于潛力巨大的負(fù)向構(gòu)造區(qū)塌陷體，目前尚無(wú)相關(guān)地震識(shí)別技術(shù)支撐，其縫洞成像與識(shí)別難度大，故依據(jù)借鑒波動(dòng)方程正演方法原理，利用全波場(chǎng)交錯(cuò)網(wǎng)格差分算法對(duì)負(fù)向構(gòu)造地質(zhì)模型做正演模擬，對(duì)開(kāi)展巖溶塌陷體識(shí)別與刻畫(huà)具有重要的指導(dǎo)意義［4-8］。

1　地震波正演理論

地震波場(chǎng)的數(shù)值模擬技術(shù)是在已知地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況下，利用理論計(jì)算的方法研究地震波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律并合成地震記錄的一種技術(shù)。隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬成為貫穿地震數(shù)據(jù)采集、處理和解釋過(guò)程的一種重要方法，在確定觀測(cè)系統(tǒng)的合理性，檢驗(yàn)處理和解釋的正確性等方面有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

地震勘探中的數(shù)值模擬方法主要以射線理論和波動(dòng)方程理論為基礎(chǔ)，有射線追蹤法、柯希霍夫積分法、有限元法、有限差分法等，本次采用波動(dòng)方程正演方法原理，利用全波場(chǎng)交錯(cuò)網(wǎng)格差分算法對(duì)地質(zhì)模型做正演模擬，以反映地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和反射特征。

考慮到碳酸鹽巖溶洞模型復(fù)雜性，采用彈性波波動(dòng)方程模型，不僅考慮密度和縱波的分布，還兼顧了對(duì)應(yīng)橫波的速度，由于橫波速度在模型的某些區(qū)域可以設(shè)置為零，故可以用來(lái)區(qū)分模型中的固體和液體兩種介質(zhì)［9-10］。

2　溶洞正演模擬

2.1建立塌陷地質(zhì)體物理模型

地震正演模型建立在巖溶系統(tǒng)的地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)用于彈性波波動(dòng)方程模擬的巖石物理模型時(shí)，要充分考慮垮塌巖溶儲(chǔ)層的空間展布，且不同地質(zhì)體具有不同的縱橫波速度和密度。其中，將基巖參數(shù)設(shè)計(jì)為致密并且密度相當(dāng)大；洞穴系統(tǒng)最底層的部分是由基質(zhì)和具有粒間孔的硅質(zhì)碎屑沉積物組成的；上覆崩落的角礫化頂板含有角礫孔隙和基質(zhì)-粒間孔，甚至是破裂的角礫孔隙。參考Louks描述的塌陷帶地層相分布，在塔河油田奧陶系油藏負(fù)向構(gòu)造評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)具有一定代表性特征的巖溶塌陷復(fù)合體進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，建立地質(zhì)模型。

負(fù)向構(gòu)造的巖溶縫洞體受地質(zhì)成因的控制，表現(xiàn)出不同的空間結(jié)構(gòu)和規(guī)模，在與縫洞體發(fā)育主方向斜交或垂直的方向上，具有明顯的負(fù)向構(gòu)造特征。根據(jù)對(duì)負(fù)向構(gòu)造巖溶縫洞體的研究結(jié)果，負(fù)向構(gòu)造的巖溶縫洞體多為多個(gè)串珠反射的集合體，形成負(fù)向構(gòu)造的巖溶縫洞體埋藏淺，充填程度相對(duì)較弱，洞的塌陷可以在上部形成不同程度的負(fù)向構(gòu)造。塔河油田奧陶系油藏實(shí)鉆揭示其大洞發(fā)育機(jī)率較低，鉆井鉆遇溶洞的發(fā)育規(guī)模（洞高）89.8%都在20 m以內(nèi)（表1），因此，在正演模型設(shè)計(jì)中考慮了三個(gè)相鄰溶洞的模型：中間的溶洞最大，設(shè)計(jì)了兩層溶洞碎屑角礫，單層厚約20 m，兩側(cè)溶洞分別設(shè)計(jì)了兩段溶洞碎屑角礫段，單層厚約10 m。由于負(fù)向構(gòu)造的巖溶縫洞體充填程度相對(duì)較弱，溶洞碎屑角礫段應(yīng)該具有最小的波阻抗，其次為溶穴內(nèi)的砂泥巖、垮塌洞頂角礫、垮塌圍巖角礫和圍巖（石灰?guī)r）。根據(jù)井震結(jié)合所得波阻抗的統(tǒng)計(jì)，溶洞碎屑角礫段與圍巖有最大的波阻抗差，將圍巖與溶洞碎屑角礫的波阻抗比值設(shè)定為1.75，圍巖與碎屑巖的波阻抗比值設(shè)定為1.65，圍巖與垮塌洞頂角礫的波阻抗比值設(shè)定為1.5，圍巖與垮塌圍巖角礫的波阻抗比值設(shè)定為1.25（表2）。

表1　塔河油田奧陶系油藏鉆遇溶洞統(tǒng)計(jì)表

表2　實(shí)鉆波阻抗參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

建立負(fù)向構(gòu)造塌陷體地質(zhì)模型如圖1所示，根據(jù)常規(guī)測(cè)井的不同縫洞儲(chǔ)集體類型相應(yīng)的縱橫波速度和密度，建立了相應(yīng)的巖石物理模型。該剖面垂直于縫洞體儲(chǔ)層發(fā)育的主方向，能最大程度地反映負(fù)向構(gòu)造特征。

模型設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)：

圖1　負(fù)向構(gòu)造塌陷體地質(zhì)模型圖

（1）為模擬縫洞集合體響應(yīng)，采用了三個(gè)相鄰溶洞的模型；

（2）為了模擬地震波調(diào)諧作用對(duì)地下溶洞識(shí)別精度的影響程度，溶洞規(guī)模具有一定差異；中間的溶洞模型由兩個(gè)20 m厚的溶洞碎屑角礫組成；兩邊的溶洞模型由兩個(gè)10 m厚的溶洞碎屑角礫組成；

（3）對(duì)地震數(shù)據(jù)的分析，主頻為25 Hz，各巖石的波阻抗比值為:

石灰?guī)r/垮塌圍巖角礫=1.25；

石灰?guī)r/垮塌洞頂角礫=1.5；

石灰?guī)r/溶洞碎屑角礫=1.75；

溶洞模型設(shè)計(jì)寬為2 000 m，高175 m。為了更清晰地找出溶洞特征，在溶洞區(qū)的上面采用了厚層志留系碎屑巖與下伏碳酸鹽巖的高阻抗對(duì)比。不同的著色區(qū)塊代表不同的巖性或縱波速度和密度。利用不同的速度和密度來(lái)代表不同類型的角礫體，比如垮塌頂板角礫、層間崩落和碎屑物及破裂的頂板角礫。通過(guò)不同的值來(lái)表現(xiàn)盡可能多的非均質(zhì)性，便于觀察地震正演成果識(shí)別的精度。

2.2正演模擬

在復(fù)雜油氣藏勘探過(guò)程中，地震正演模型和分析是以地震響應(yīng)分析為基礎(chǔ)的，首先建立各種復(fù)雜油氣藏的地質(zhì)模型，然后通過(guò)地震正演模擬得到一系列的地層地震響應(yīng)，以提高地震資料解釋的準(zhǔn)確度，降低地震資料解釋過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

溶洞模型正演模擬參數(shù)設(shè)置及流程如下：

（1）根據(jù)測(cè)井和巖石物理參數(shù)設(shè)計(jì)好相關(guān)速度模型；

（2）用高精度的有限差分算法可以計(jì)算各炮在各個(gè)時(shí)刻的波場(chǎng)值（波場(chǎng)快照和單炮記錄）；

（3）為了能夠準(zhǔn)確地描述地質(zhì)模型中塌陷地質(zhì)體的溶洞儲(chǔ)層分布，模型采用的網(wǎng)格大小為2 m×2 m，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的縱波速度、橫波速度及密度由人工給定的數(shù)值進(jìn)行空間插值，網(wǎng)格內(nèi)的彈性參數(shù)為常數(shù)；

（4）為盡可能地貼近實(shí)際工區(qū)地震采集參數(shù)，同時(shí)又不影響地震正演模擬的計(jì)算精度，在正演模擬過(guò)程中對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：采用單邊激發(fā)，炮間距50 m，最小偏移距30 m，道間距20 m，每炮100道接，采樣間隔0.4 ms，采樣深度600 ms；

（5）基于模型速度，對(duì)每個(gè)炮點(diǎn)記錄進(jìn)行水平疊加和疊后偏移，按照波動(dòng)方程正演理論，得到頻率為25 Hz的溶洞地質(zhì)模型的正演地震剖面。

基于地質(zhì)模型的正演速度模型如圖2所示：

實(shí)際模擬過(guò)程中，為了驗(yàn)證模型的適用性，采用了相對(duì)較快的估計(jì)反射波時(shí)間和振幅的垂直入射模型，該方法假設(shè)地震能量傳播是嚴(yán)格垂直的一維傳播?？梢杂纱怪辈▓?chǎng)模擬得到的地震時(shí)間剖面看到，對(duì)應(yīng)地質(zhì)模型溶洞區(qū)域出現(xiàn)了不連續(xù)的強(qiáng)短軸反射，匹配關(guān)系較好（圖3）。

圖2　正演速度模型圖

圖4是彈性波動(dòng)方程計(jì)算得到的炮集的水平時(shí)間疊加剖面和對(duì)應(yīng)的疊后偏移剖面對(duì)比，從水平疊加剖面可以看出，溶洞產(chǎn)生的繞射波特征比較明顯，同時(shí)也看到“短軸”反射出現(xiàn)的位置和溶洞位置一致，溶洞區(qū)域同相軸連續(xù)性變差，強(qiáng)弱反射互層。經(jīng)過(guò)疊后偏移處理后的地震剖面繞射波收斂，傾斜層歸位，橫向分辨率提高，可以看到比較明顯的溶洞的“串珠狀反射”特征。

圖5是彈性波動(dòng)方程計(jì)算得到的炮集在分別進(jìn)行過(guò)疊前時(shí)間偏移PSTM和疊前深度偏移PSDM后的溶洞正演模擬結(jié)果對(duì)比。偏移結(jié)果表明，疊前深度偏移較疊前時(shí)間偏移能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)溶洞塌陷形成的強(qiáng)反射（串珠反射）進(jìn)行歸位，達(dá)到較為準(zhǔn)確地成像地下巖溶系統(tǒng)的目的。

圖3　垂直波場(chǎng)得到的地震剖面圖

圖4　水平疊加（左）和疊后偏移（右）正演時(shí)間剖面圖

圖5　疊前時(shí)間（左）和疊前深度偏移（右）正演時(shí)間剖面圖

2.3實(shí)際地震剖面對(duì)比

圖6為實(shí)際鉆遇負(fù)向構(gòu)造塌陷體的過(guò)井地震剖面，可以看出，實(shí)鉆塌陷體上部地層存在明顯“下凹”，形態(tài)與志留系和奧陶系分界面起伏相似，“下凹”的程度向上逐漸減小，T74層位之下，塌陷主體發(fā)育強(qiáng)振幅的多個(gè)串珠反射，與周圍致密原巖有明顯不同。負(fù)向構(gòu)造塌陷體的地震正演模擬結(jié)果（圖4、圖5）與實(shí)際地震剖面的表現(xiàn)形式非常接近，可有效指導(dǎo)負(fù)向構(gòu)造區(qū)塌陷體識(shí)別。

圖6　曲率屬性識(shí)別的負(fù)向構(gòu)造區(qū)分布圖（左）和兩條實(shí)際地震剖面圖（右）

儲(chǔ)層負(fù)向構(gòu)造正演模擬表明，負(fù)向構(gòu)造塌陷體，由于巖溶角礫與圍巖的波阻抗差，形成了強(qiáng)能量的串珠反射，這一特征可以用于識(shí)別可能存在的巖溶儲(chǔ)集體。由于地震波的調(diào)諧作用，僅靠地震數(shù)據(jù)難以確定洞體的位置和厚度，必須輔以井?dāng)?shù)據(jù)的標(biāo)定（如波阻抗，孔隙度等）和約束。

3　結(jié)論

（1）負(fù)向構(gòu)造區(qū)巖溶塌陷具有表層“下凹”，內(nèi)幕串珠狀、小“短軸”特征，溶洞區(qū)域同相軸連續(xù)性變差，強(qiáng)弱反射相間，與圍巖特征具有明顯差異。

（2）疊前時(shí)間偏移和疊前深度偏移的溶洞正演模擬的結(jié)果對(duì)比證實(shí)，疊前深度偏移能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)溶洞塌陷形成的強(qiáng)反射（串珠反射）進(jìn)行歸位，達(dá)到較為準(zhǔn)確地成像地下巖溶系統(tǒng)的目的。

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（修改回稿日期2016-06-13編輯陳玲）

何成江，男，1981年出生，工程師；現(xiàn)從事油氣藏開(kāi)發(fā)研究工作。地址：（830011）新疆烏魯木齊市長(zhǎng)春南路466號(hào)中石化西北油田分公司科研生產(chǎn)園區(qū)。電話：18999831321。E－mail：46870654@qq.com