塔里木盆地順南地區(qū)深層碳酸鹽巖斷裂和裂縫地震識別與評價

劉 軍,任麗丹,李宗杰,王 鵬,楊子川,馬靈偉

(1.中國石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化 石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103)

塔里木盆地順南地區(qū)深層碳酸鹽巖斷裂和裂縫地震識別與評價

劉 軍1,任麗丹1,李宗杰1,王 鵬1,楊子川1,馬靈偉2

(1.中國石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化 石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103)

近年，在塔里木盆地順南地區(qū)多條北東向走滑斷裂鉆遇好的油氣成果，證實了走滑斷裂具有控儲、控藏的作用。受埋深大、信噪比低、斷裂縱向斷距小等因素影響，小斷裂及裂縫發(fā)育區(qū)地震響應不清、描述困難。在順南三維實際資料的基礎(chǔ)上，分灰?guī)r頂面及內(nèi)幕兩類模型開展數(shù)值正演模擬，明確不同尺度斷裂地震響應特征并建立地震識別模式；依據(jù)走滑斷裂地質(zhì)特征及地震識別模式，分級優(yōu)選了趨勢面、精細相干、螞蟻體和最大似然體等敏感技術(shù)；依據(jù)斷裂預測成果從斷裂性質(zhì)、斷裂級別、斷裂分段性和縫洞發(fā)育特征等方面開展走滑斷裂帶描述與評價，總結(jié)認識指導區(qū)帶及目標優(yōu)選。

數(shù)值模擬；走滑斷裂；碳酸鹽巖；順南地區(qū)；塔里木盆地

塔里木盆地順南地區(qū)及鄰區(qū)鉆井揭示了中-下奧陶統(tǒng)主要發(fā)育3套儲層：蓬萊壩組、鷹山組下段和一間房組-鷹山組上段。儲層類型有裂縫型、裂縫-孔洞型、裂縫-洞穴型，儲層分布多與北東向走滑斷裂及北東東向次級斷裂有關(guān)[1-2]。

該區(qū)發(fā)育的北東向走滑斷裂帶在空間上呈近平行排列。在剖面上，斷裂帶多表現(xiàn)為花狀構(gòu)造樣式,主斷面陡直，直插基底；在平面上，斷裂帶普遍表現(xiàn)為線性延伸或帶狀展布，延伸距離約60～160 km，具有拉分段負花樣式、平移段線性樣式以及擠壓段正花樣式等交替出現(xiàn)的斷裂分段特征[3]。近幾年，沿北東向走滑斷裂帶鉆探的G1井、W1井和W4井等都獲得了較好的油氣成果，證實了北東向走滑斷裂帶具有控儲、控藏的作用。

順南地區(qū)地表被高大沙丘覆蓋，地震采集的激發(fā)和接收條件差，地震資料信噪比較低。地震波向深層傳播時高頻信息衰減快，目的層中-下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖埋深大(>6 500 m)、地震資料主頻低(20 Hz左右)、分辨率低。該區(qū)走滑斷裂帶以水平位移為主，縱向斷距小。在低信噪比、低分辨率的資料背景下，目的層小斷裂及裂縫的地震響應特征不清、預測難度大，很難有效開展斷裂帶描述與評價[4-6]。針對該區(qū)地震資料和地質(zhì)目標的特點，重點開展不同尺度斷裂的波場特征分析、敏感參數(shù)優(yōu)選及走滑斷裂精細描述是該區(qū)油氣勘探工作的關(guān)鍵。

1 不同尺度斷裂模型建立與正演模擬

1.1 碳酸鹽巖表層斷裂地震響應特征量化

依據(jù)順南區(qū)塊實際地層結(jié)構(gòu)及其巖石物理參數(shù)，設(shè)計正演模型的地層厚度及速度：卻爾卻克組厚度為2 400 m，速度為4 950 m/s；恰爾巴克組厚度為20 m，速度為5 300 m/s；一間房組厚度為150 m，速度為6 000 m/s；鷹山組厚度為1 000 m,速度為6 100 m/s。正演模擬的觀測系統(tǒng)參考野外實際地震采集的參數(shù)進行設(shè)定：炮間距為50 m，道間距為50 m，CDP間隔為25 m，模型深度為6 500 m，子波主頻為22 Hz雷克子波。采用基于交錯網(wǎng)格有限差分格式的波動方程數(shù)值模擬技術(shù)[7-8]開展不同尺度斷裂模型的正演模擬。

圖1 不同縱、橫向斷距模型正演模擬結(jié)果偏移剖面Fig.1 Migration profiles of forward modeling results for different horizontal and vertical fault throwsa.縱向斷距10 m；b.縱向斷距20 m;c.縱向斷距30 m;d.縱向斷距40 m；e.縱向斷距50 m

基于正演模擬結(jié)果，進行順南地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖表層斷裂地震識別尺度分級。①小尺度斷裂地震響應特征為小褶曲。斷距范圍：垂向斷距≤20 m，斷裂寬度≤30 m，且縱、橫向斷距的乘積<600。②中尺度斷裂地震響應特征為大褶曲。隨著縱、橫向斷距增加，褶曲變大、變明顯。斷距范圍：縱向斷距=30～40 m，或橫向斷距=40～50 m，或600≤縱、橫向斷距的乘積<1 200。③大尺度斷裂地震響應特征為同相軸錯斷。斷距范圍：縱向斷距≥50 m，或橫向斷距≥60 m，或縱、橫向斷距的乘積≥1 200。

1.2 奧陶系內(nèi)幕斷裂帶地震響應特征量化

依據(jù)鉆井、地震和地質(zhì)資料設(shè)計碳酸鹽巖內(nèi)幕不同寬度及不同裂縫發(fā)育密度的斷裂帶模型(圖2)。模型中不同斷裂帶的寬度依次為：20，40，60，80，100，120，150，180，200，250，300 m；斷裂帶內(nèi)部裂縫發(fā)育密度(P)的范圍：4%，6%，8%，10%，12%，15%，18%，20%，25%，30%。研究不同寬度、不同裂縫發(fā)育密度的斷裂帶地震響應特征，為斷裂分級識別提供依據(jù)。

順南地區(qū)W1井和W7井等已鉆井取心成像資料

顯示，該區(qū)以發(fā)育高角度裂縫為主，周圍伴隨微裂縫。因此，選用80°和110°作為斷裂帶內(nèi)部裂縫的傾角。充填裂縫的尺度：寬度2 m、長度20～60 m；裂縫的充填速度為4 800 m/s，斷裂帶內(nèi)的背景速度為5 800 m/s，圍巖的速度為6 100 m/s。正演模擬的觀測系統(tǒng)參考野外實際地震采集的參數(shù)進行設(shè)定：炮間距為50 m，道間距為50 m，CDP間隔為25 m，模型深度為6 500 m，子波主頻為22 Hz雷克子波。采用基于交錯網(wǎng)格有限差分格式的波動方程數(shù)值模擬技術(shù)開展不同尺度斷裂模型的正演模擬。

將正演模擬得到的斷裂模型的炮集記錄進行疊加、偏移成像處理，轉(zhuǎn)換成具有不同寬度和裂縫發(fā)育密度的斷裂偏移剖面。在偏移結(jié)果中加入信噪比為4的隨機噪音(圖3)?？梢钥闯?，當斷裂帶寬度較小且裂縫發(fā)育密度很小時，斷裂帶地震響應特征不明顯，被噪音掩蓋，很難與圍巖的地震響應區(qū)分開。隨著斷裂帶寬度增大或裂縫發(fā)育密度的增加，斷裂帶內(nèi)部的“雜亂”地震響應的振幅逐漸增強。依據(jù)儲層地震識別基本理論[9-10]，當斷裂帶內(nèi)部能量大于圍巖背景值時，斷裂帶可被識別。在信噪比為4的隨機噪音下，圍巖的背景振幅最大值為0.06，斷裂內(nèi)幕振幅值大于0.06基于正演模擬結(jié)果，進行順南地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖內(nèi)幕斷裂帶地震識別尺度分級。①小尺度：斷裂帶寬度≤40 m。當裂縫發(fā)育密度超過30%時，斷裂帶表現(xiàn)為“雜亂”反射特征；裂縫發(fā)育密度低于30%時，斷裂帶不易被識別。②中尺度：斷裂帶寬度=50～100 m。當裂縫發(fā)育密度在10%～15%時，表現(xiàn)為“雜亂”反射特征，邊界不清晰；當裂縫發(fā)育密度超過18%時，斷裂帶邊界變清晰。③大尺度：斷裂帶寬度≥100 m。當裂縫發(fā)育密度超過10%時，表現(xiàn)為“雜亂”強反射特征，斷裂帶邊界清晰。

圖2 不同寬度(a)及不同裂縫發(fā)育密度(b)的斷裂帶模型Fig.2 Fracture zone models with different width and density

圖3 不同寬度及不同裂縫發(fā)育密度斷裂模型正演模擬結(jié)果偏移剖面Fig.3 Migration profiles of forward modeling results with different width and densitya.斷裂帶寬度40 m;b.斷裂帶寬度80 m；c.斷裂帶寬度100 m；d.斷裂帶寬度200 m

1.3 不同尺度斷裂地震識別模式建立

以奧陶系碳酸鹽巖表層及內(nèi)幕不同尺度斷裂的正演模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合實際鉆井資料、地震采集參數(shù)及資料品質(zhì)、地質(zhì)認識等進行斷裂尺度分級，初步建立了順南地區(qū)大、中、小尺度斷裂的劃分標準及疊后地震識別模式(表1)。

2 不同尺度斷裂預測技術(shù)

由于斷裂檢測技術(shù)原理的差異，導致不同技術(shù)方法斷裂檢測效果具有一定的適用性及選擇性。所以針對不同級別的斷裂檢測，通過反復試驗及參數(shù)調(diào)試，結(jié)合正演模擬的地震識別模式結(jié)果，明確了不同尺度斷裂檢測的最優(yōu)方法。

2.1 大尺度斷裂預測

1) 趨勢面分析技術(shù)

趨勢面分析是跟據(jù)空間現(xiàn)象的抽樣數(shù)據(jù)，擬和數(shù)學曲面，用該曲面來反映空間現(xiàn)象分布特征的變化趨勢?；瑒于厔菝娣治龇ㄊ歉鶕?jù)地震資料解釋得到的一間房組頂面原始深度層位的分布特征，確定滑動范圍的區(qū)域和平滑參數(shù)，通過滑動計算得到反映構(gòu)造趨勢變化的平滑深度層位[11]。將構(gòu)造界面的平滑層位減原始層位的差值數(shù)據(jù)進行成圖，得到反映反射界面殘丘等低幅度地質(zhì)現(xiàn)象的平面趨勢分布圖。正值代表地層凸起或背斜部位，負值代表地層下掉或向斜部位。趨勢面技術(shù)檢測結(jié)果能夠較真實反映大尺度斷裂帶的平面形態(tài)展布、斷裂帶形變幅度及走滑斷裂帶的分段性等，但對中小尺度斷裂檢測效果較差。

表1 順南地區(qū)不同尺度斷裂地震響應識別模式

本區(qū)北東向斷裂帶多具有分段性，一間房組頂面的趨勢面可以表征該地層的斷裂變形強度、水平幅度及斷裂分段性特征。趨勢面等值線正值>5 m，表示地層上凸；等值線負值<-5 m，表示地層下掉；等值線數(shù)據(jù)=-5～5 m，表示地形相對平緩。等值線越密，說明地層上凸或者下掉的幅度越大，代表斷裂變形強度大；斷裂的水平幅度可用等值線外圈的短軸表示。同一條斷裂正負地形交替出現(xiàn)，反映了斷裂的分段性特征。

2) 相干技術(shù)

相干技術(shù)是計算相鄰地震道之間的相似性，分析地層、巖性在同相軸橫向上的變化，識別斷層、褶皺及其它構(gòu)造現(xiàn)象。通常來說，當要高度突出地層特征或低角度斷層時，應使用小的時間孔徑；當要突出持續(xù)性地質(zhì)特征，如高角度斷層時，應使用較長的時間孔徑。相鄰道之間相似性越好，相干系數(shù)越大；反之，相干系數(shù)越小。引起低值異常的原因有如下幾種：①斷層及其附近；②地層或巖性變化，特殊的沉積體系；③地層傾角比較大；④缺少反射；⑤數(shù)據(jù)質(zhì)量差等。不相干數(shù)據(jù)異常體可能代表小斷層、小巖性異常體或灰?guī)r縫洞等地質(zhì)現(xiàn)象，所以應用地震相干數(shù)據(jù)體進行斷層的自動和半自動解釋時，要進行綜合對比才能分辨清楚。

相干計算有3個控制參數(shù)：①時間孔徑，為相干運算的時間長度，對于厚層地質(zhì)體半個波長即可；②空間孔徑，為運算時單次參與計算的地震道數(shù)量，值越小運算越快；③傾角限制方式，沿不同傾角方位限定計算方向[12-13]。

碳酸鹽巖內(nèi)幕的斷裂帶內(nèi)裂縫發(fā)育時，剖面上大尺度和中尺度斷裂帶內(nèi)部都表現(xiàn)為“雜亂”反射特征，與圍巖的較為連續(xù)的地震響應特征明顯不同，可利用相干技術(shù)進行碳酸鹽巖內(nèi)幕斷裂帶的檢測，弱相干能很好地反映“雜亂”反射結(jié)構(gòu)，較清晰的刻畫出斷裂帶的邊界和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

2.2 中尺度斷裂預測

曲率是曲面的三維性質(zhì)，用于描述曲面上任意一點的彎曲程度，曲率屬性可以突出斷層、裂縫、背斜、向斜等幾何特性。Roberts (2011)已證明大多數(shù)正、負曲率屬性是優(yōu)秀的線性構(gòu)造鑒別器，在斷裂分析中也非常有效[14]。當?shù)貙訛樗綄踊蛐逼綄訒r定義曲率為零，當?shù)貙訛楸承睍r定義曲率為正，向斜時為負，層面彎曲變形越厲害，曲率的絕對值就越大。

碳酸鹽巖表層的中尺度斷裂主要為明顯褶曲，利用曲率屬性能夠清晰的進行檢測[15]。選取不同道間距來計算曲率屬性，能夠刻畫不同尺度的斷裂。多道間距(>20道)計算的曲率屬性主要反映較大尺度斷裂，例如北東向、北北東向主干斷層；中道間距(10道左右)計算的曲率屬性能反映中尺度的斷裂或構(gòu)造，例如主干斷裂伴生的北西向中尺度斷層以及斷裂帶之間的微幅度構(gòu)造，為中、小斷裂的精細研究提供了可靠的參考依據(jù)。

圖4 順南地區(qū)三維地震工區(qū)W1斷裂帶伴生斷裂平面(a)及剖面(b)特征Fig.4 Associated fracture characteristics in plane view(a) and seismic profile(b) of W1 faults zone in 3D seismic volume, Shunnan area

2.3 小尺度斷裂預測

1) 螞蟻追蹤技術(shù)

螞蟻算法是在地震數(shù)據(jù)體中播撒大量的螞蟻，在地震屬性體中發(fā)現(xiàn)滿足預設(shè)斷裂條件的斷裂痕跡的螞蟻將“釋放”某種信號，召集其他區(qū)域的螞蟻集中在該斷裂處對其進行追蹤，直到完成該斷裂的追蹤和識別，最后獲得一個低噪聲、具有清晰斷裂痕跡的數(shù)據(jù)體[16]。

螞蟻追蹤有初始螞蟻邊界、螞蟻的拐彎能力、螞蟻搜索步長、合法步長、非法步長、終止標準、搜索的傾角及方位角等七項參數(shù)。初始螞蟻邊界定義了數(shù)據(jù)體內(nèi)設(shè)置的螞蟻數(shù)量，即螞蟻密度。對不同級別的斷裂，設(shè)置參數(shù)不同，邊界范圍一般在3～8 即可。拐彎能力對于陡立斷層，不需要設(shè)置大的拐彎參數(shù)，但傾斜變化的斷裂，則值越大效果越好[17]。步長反映螞蟻探測的距離，值越大計算速度越快，但可能忽略小斷層。

2) 最大似然法

最大似然法是一種對疊后地震數(shù)據(jù)進行小斷層及裂縫檢測的技術(shù)，能利用走向濾波算法提高斷層邊界及斷點的成像精度。在指定的傾角、走向范圍內(nèi)，計算每個采樣點之間的相似性，通過對相似性進行概率分析以獲得研究區(qū)斷層及斷裂發(fā)育的最大可能性，進而生成斷層(裂縫)走向體、斷層(裂縫)傾向體及斷層(裂縫)最大似然體，達到識別描述斷層及裂縫的目的。最大似然檢測對于小尺度斷裂較為敏感，與螞蟻追蹤技術(shù)所識別斷裂尺度相似，在目前研究中基本屬于疊后地震資料能夠識別的最小尺度。

圖5為最大似然法檢測的W4斷裂帶效果圖，剖面上紅色斷裂代表主干斷裂，對應平面紅色斷裂多邊形解釋結(jié)果。剖面上最大似然檢測出的小斷層，對應平面上黑色異常區(qū)?？梢钥闯觯趶娮冃螀^(qū)及斷裂交匯部位，構(gòu)造活動強烈，小斷層最發(fā)育；相對弱變形區(qū)小斷層發(fā)育程度相對低。

3 斷裂帶描述與評價

3.1 斷裂帶描述

順南地區(qū)不同斷裂帶發(fā)育特征存在差異，以趨勢面、相干、曲率、螞蟻追蹤、最大似然法檢測為主的斷裂檢測技術(shù)組合，實現(xiàn)了疊后走滑斷裂帶的斷面、邊界、隱蔽斷裂的高精度識別及刻畫，也反映了斷裂帶的性質(zhì)、分段性與發(fā)育強度，為斷裂的解釋及描述提供依據(jù)。利用趨勢面與相干的技術(shù)組合檢測來反映斷裂樣式與走向，指導北東向走滑斷裂地震剖面精細解釋。趨勢面與相干屬性中，展示北東向W4斷裂帶為主斷裂，斷裂帶分段性強，張扭段負花樣式與壓扭段正花樣式交替出現(xiàn)。曲率屬性檢測出多條沿北東向走滑斷裂發(fā)育的北西向次級斷裂，呈雁列式展布，次級斷裂的邊界表示主干斷裂帶的影響范圍。螞蟻追蹤與最大似然法的技術(shù)組合檢測結(jié)果表明小斷裂及裂縫集中發(fā)育在主干斷裂帶附近及斷裂的交匯部位，對于儲層評價具有重要意義。

圖5 順南地區(qū)W4斷裂帶最大似然法檢測小斷層、裂縫平面(a)及剖面(b)特征Fig.5 Characteristics of the fracture zone’s maximum likelihood test results for plane views(a) and seismic profile(b) in Shunnan area

3.2 斷裂帶評價

順南地區(qū)發(fā)育受斷裂帶控制的裂縫型、裂縫-洞穴型和裂縫-孔洞型儲集體。已鉆井分析表明，具有“串珠”反射結(jié)構(gòu)的裂縫-洞穴型儲集體易發(fā)生放空和漏失，天然氣累產(chǎn)量也較高。對順南三維地震工區(qū)的北東向走滑斷裂進行三維空間立體雕刻，發(fā)現(xiàn)“串珠”強反射多分布在斷裂交匯處及走滑斷裂分段的負花狀部位。裂縫型儲集體主要分布在斷裂帶邊界內(nèi)及其交匯處。綜合鉆井資料及地質(zhì)模型分析認為，走滑斷裂為張扭性質(zhì)時，是裂縫-洞穴儲層發(fā)育最有利部位，同時張扭性質(zhì)負花狀斷裂為開啟狀態(tài)并深入基底，是油氣運移的有利通道；走滑斷裂分段性的平移段和壓扭段發(fā)育裂縫型、裂縫-孔洞型儲層，儲層規(guī)模和物性次于張扭部位。

通過對不同尺度斷裂識別、對斷裂帶整體特征的精細描述，結(jié)合儲層預測結(jié)果，劃分出斷裂帶控制下的有利儲層發(fā)育區(qū)，實現(xiàn)對走滑斷裂帶控制下的裂縫-洞穴型儲集體綜合評價，用于指導工區(qū)的區(qū)帶及目標優(yōu)選。

4 結(jié)論

1) 通過開展中下奧陶統(tǒng)頂面和內(nèi)幕不同尺度斷裂帶正演模擬，明確了斷裂的地震響應特征；初步建立了順南地區(qū)不同尺度斷裂的識別模式及量化標準，探索形成了不同尺度斷裂的地震預測及描述方法。

2) 不同的地震屬性對斷裂尺度識別的敏感度不一樣。地震常規(guī)解釋及相干體屬性不易識別的擾曲、褶皺、性質(zhì)等現(xiàn)象可以通過曲率、趨勢面屬性進行刻畫，更小級別的裂縫發(fā)育帶可以通過螞蟻追蹤和最大似然法檢測。

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(編輯 張玉銀)

Seismic identification and evaluation of deep carbonate faults and fractures in Shunnan area，Tarim Basin

Liu Jun1,Ren Lidan1,Li Zongjie1,Wang Peng1，Yang Zichuan1,Ma Lingwei2

(1.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandProduction,NorthwestOilfieldCompany,SINOPEC,Urumqi,Xinjiang830011,China； 2.GeophysicalResearchInstitute,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu211103,China)

There are many oil and gas discoveries along NE-trending strike-slip faults in Shunnan area,Tarim Basin,indicating that the strike-slip faults can be a controlling factor for hydrocarbon migration and accumulation. Considering deep burial depth,low signal-to-noise ratio and small fault displacement along the faults strike,seismic responses of small fault and fracture zones are not clear and difficult to be interpreted. Based on the actual three-dimensional seismic data of the Shunnan area,we carried out the numerical simulation for two models,model of limestone top surface and model of limestone internal surfaces. We also clarified seismic response characteristics for faults of different scales and established seismic identification model. According to the geological features and seismic recognition pattern of strike-slip faults,we selected sensitive seismic attributes such as trend surface,fine coherent,ant body and likelihood. Finally,based on the results of fracture prediction,the paper gave a description and evaluation on the strike-slip fault zone,such as fracture properties,levels,segmentation,and cavity features,and gave advice to the optimization of exploration plays and prosepects.

numerical simulation,strike-slip fault,carbonate rock,Shunnan area,Tarim Basin

2017-01-03;

2017-04-21。

劉軍(1982— )，男，工程師，地球物理勘探。E-mail:408842381@qq.com。

國家科技重大專項(2016ZX05005005-005)。

0253-9985(2017)04-0703-08

10.11743/ogg20170407

TE122.1

A