基于高頻衰減梯度的碳酸鹽巖溶洞儲集體規(guī)模識別方法
——以塔河油田巖溶古河道溶洞儲集體為例

胡華鋒,鮑 典,馬靈偉,胡 起

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆烏魯木齊830011)

與巖溶作用相關(guān)的古洞穴碳酸鹽巖縫洞系統(tǒng)是一種重要的油氣儲集體[1],塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏是一種與風(fēng)化殼古巖溶相關(guān)的縫洞型油氣藏[2],溶洞儲集體是該油藏的主要儲集體,具有儲集空間大,鉆遇概率高的特點。塔河油田已進(jìn)入全面開發(fā)階段,如何提高溶洞儲集體地震預(yù)測與油藏描述精度是這一階段亟待解決的問題。碳酸鹽巖溶洞儲集體的外部形狀不規(guī)則,內(nèi)部結(jié)構(gòu)及縫洞連通性復(fù)雜,溶洞的發(fā)育規(guī)模不等以及溶洞內(nèi)填充物類型多樣等導(dǎo)致了溶洞儲集體地震反射特征復(fù)雜,根據(jù)地震振幅屬性對溶洞發(fā)育規(guī)模及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解釋具有多解性。因此,針對溶洞儲集體的地震預(yù)測技術(shù)必須建立在正確認(rèn)識溶洞儲集體地震反射特征的基礎(chǔ)上,利用地震屬性與溶洞儲集體儲層參數(shù)之間的關(guān)系,實現(xiàn)對溶洞儲集體結(jié)構(gòu)特征的精細(xì)描述。

正演模擬是研究溶洞儲集體地震響應(yīng)特征的重要手段。董良國等[3]認(rèn)為,隨著溶洞直徑的增大,溶洞反射波振幅呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱再增強(qiáng)最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。姚姚[4]基于隨機(jī)介質(zhì)模型及非均質(zhì)彈性波波動方程,研究了不同寬度和高度溶洞儲集體的地震反射波振幅特征。曲壽利等[5]基于正演模擬定量分析了不同尺度溶洞儲集體的地震反射特征。學(xué)者們還采用振幅聚類、不連續(xù)性、頻率及疊后波阻抗等地震屬性刻畫了溶洞的發(fā)育情況[6-9]。王立華等[10]設(shè)計了溶洞物理模型,進(jìn)行了正演模擬,分析了不同大小溶洞模型的地震響應(yīng)特征,并在屬性分析時指出利用振幅極值及頻率屬性可較好地識別溶洞尺度,但對于溶洞的形態(tài)及充填物等因素未做進(jìn)一步研究。胡向陽等[11]綜合利用塔河油田鉆井和測井等資料,揭示了溶洞充填物的主要類型及充填模式,并提出了不同充填物的識別方法。

頻率屬性是廣泛應(yīng)用于溶洞規(guī)模判斷及充填物識別的屬性,如何利用頻率屬性判斷溶洞規(guī)模以及識別充填物一直是我們目前研究的重點與難點。地震剖面的振幅異常綜合反映了地下溶洞儲集體的規(guī)模及充填特征,因頻率異常易受振幅異常的影響,基于頻率屬性的溶洞儲集體識別存在多解性或誤區(qū)。為了更好地利用頻率屬性判識溶洞儲集體規(guī)模及充填情況,有必要基于正演模擬開展不同規(guī)模和充填特征的溶洞儲集體振幅及頻率響應(yīng)特征分析。

1 正演模擬分析

1.1 靶區(qū)溶洞規(guī)模及充填特征統(tǒng)計分析

我們依據(jù)鉆井的放空、漏失情況,巖心分析、成像測井分析,密度、聲波、中子、伽馬等電測曲線異常特征判斷溶洞是否充填并識別填充物。溶洞測井響應(yīng)特征通常表現(xiàn)為低密度、低速度、高中子異常,機(jī)械沉積充填(砂泥巖)為高伽馬異常。由以上溶洞發(fā)育判別標(biāo)識,分析塔河油田主體工區(qū)鉆遇溶洞井溶洞規(guī)模及充填特征。圖1顯示了塔河油田主體工區(qū)鉆遇溶洞井溶洞厚度統(tǒng)計結(jié)果,可以看出超過半數(shù)的溶洞厚度小于20m,圖2顯示了塔河油田主體工區(qū)鉆遇溶洞井溶洞充填情況統(tǒng)計結(jié)果,可以看出溶洞以未充填和半充填為主。本文正演模擬時主要考慮溶洞的充填物類型、充填程度及發(fā)育規(guī)模3個因素。

圖1 塔河油田主體工區(qū)鉆遇溶洞井溶洞厚度統(tǒng)計結(jié)果

圖2 塔河油田主體工區(qū)鉆遇溶洞井溶洞充填情況統(tǒng)計結(jié)果

巖石物理參數(shù)是溶洞模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),明確不同充填特征的溶洞模型巖石物理參數(shù)是準(zhǔn)確建立不同充填特征溶洞模型的前提。圖3及表1均為塔河油田主體工區(qū)不同充填特征的溶洞模型縱波速度,溶洞未充填時速度較低,砂泥質(zhì)充填溶洞時根據(jù)充填物類型及充填程度不同,縱波速度變化較大,為2700～4100m/s?？傮w而言,泥質(zhì)充填溶洞時的縱波速度小于砂質(zhì)充填溶洞時的縱波速度,即隨著泥質(zhì)含量的增加,縱波速度逐漸降低。

圖3 塔河油田主體工區(qū)不同充填特征的溶洞模型縱波速度直方顯示

表1 塔河油田主體工區(qū)不同充填特征的溶洞模型縱波速度

1.2 不同規(guī)模、不同充填特征的溶洞模型反射特征及頻率響應(yīng)特征分析

常規(guī)溶洞儲集體地震波場正演模擬是基于等效介質(zhì)建立的地質(zhì)模型,等效介質(zhì)是對地下介質(zhì)的一種粗略近似,通常給定溶洞儲集體儲層的平均等效速度,該方法在描述沉積相對穩(wěn)定的大套地層時有一定的適用性,但對于非均質(zhì)性較強(qiáng)的碳酸鹽巖儲層,利用該方法建立的等效溶洞介質(zhì)模型與實際情況存在較大差異,不能真實反映地下介質(zhì)的非均勻性。本文采用測井約束下的非均質(zhì)建模方法[12],在測井?dāng)?shù)據(jù)的約束下,基于地質(zhì)認(rèn)識和測井解釋成果,將溶洞儲集體的速度分為兩部分,即背景速度和空間隨機(jī)擾動,將二者相加,可構(gòu)建出縱、橫向具有一定非均質(zhì)特性的溶洞儲集體模型。采用空間網(wǎng)格與時間步長均可任意變化的高階有限差分聲波正演模擬方法,進(jìn)行不同規(guī)模和不同充填特征的溶洞儲集體地震波場特征研究。

1.2.1 規(guī)模相同,充填特征不同的溶洞儲集體頻率響應(yīng)特征分析

模型組1如圖4所示,該組模型中6個溶洞的橫向?qū)挾染鶠?00m,縱向厚度均為10m,6個溶洞內(nèi)部充填物巖石物理參數(shù)如表2所示。

圖5a為信噪比為5時,對模型組1中6個溶洞模型正演模擬得到的Kirchhoff疊前深度偏移剖面,圖5b為根據(jù)6個溶洞模型正演模擬的結(jié)果拾取的均方根振幅曲線。在溶洞規(guī)模相同的情況下,溶洞儲集體內(nèi)部充填速度越低,其對應(yīng)“串珠”能量越強(qiáng)。

如圖6所示,采用短時傅里葉變換分別獲取6個溶洞模型的單頻能量,可以看出單頻能量的異常與“串珠”能量正相關(guān),即“串珠”能量強(qiáng),單頻異常能量就強(qiáng)。將頻率為50Hz時的6個溶洞模型橫向比較可知,溶洞①的高頻能量要強(qiáng)于溶洞⑥的高頻能量。所以僅根據(jù)高頻能量強(qiáng)度來確定溶洞規(guī)模易造成錯誤的地質(zhì)解釋成果,這種假象是由“串珠”能量差異引起的。

圖4 模型組1(規(guī)模相同,充填特征不同的6個溶洞模型)示意

表2 模型組1中6個溶洞模型內(nèi)部充填物的巖石物理參數(shù)

圖5 模型組1的正演模擬結(jié)果a 模型組1中6個溶洞模型正演模擬得到的偏移剖面(RSN=5); b 模型組1中6個溶洞模型正演模擬拾取的均方根振幅曲線

圖6 模型組1的頻率響應(yīng)特征

1.2.2 規(guī)模及充填特征均不相同,振幅能量相近的溶洞頻率響應(yīng)特征分析

從模型組1可以看出,溶洞充填物縱波速度越低,地震反射越強(qiáng)。溶洞規(guī)模越小,地震反射振幅越弱,故同時調(diào)整模型組2中6個溶洞模型的規(guī)模和充填物縱波速度使它們振幅一致,并分析其頻率響應(yīng)特征。模型組2如圖7所示,該組模型為6個寬度為200m,厚度分別為5,10,15,20,25,40m的溶洞,充填速度如表2所示。

圖8a為信噪比為5時,對模型組2中6個溶洞模型正演模擬得到的偏移剖面,圖8b為根據(jù)模型組2中6個溶洞模型正演模擬的結(jié)果拾取的均方根振幅曲線。隨著溶洞規(guī)模的增大,地震反射振幅增大,同時充填物縱波速度的增加又會導(dǎo)致振幅的減弱。在該組模型中,隨著溶洞規(guī)模的增大,充填物縱波速度也在增加,這使得6個溶洞所產(chǎn)生的“串珠”能量幾乎相等,溶洞規(guī)模和充填物縱波速度這兩個因素對振幅的影響相互抵消,排除了由振幅不同引起頻率響應(yīng)特征差異的可能。

圖9為模型組2中6個振幅相當(dāng)?shù)娜芏茨Ｐ偷念l率響應(yīng)特征,可以看出,發(fā)育規(guī)模不同時,高頻異常對薄溶洞響應(yīng)特征更為明顯,尤其當(dāng)頻率大于50Hz時,相較于厚溶洞,薄溶洞頻率異常更明顯;厚溶洞頻率響應(yīng)特征通常表現(xiàn)為低頻異常,高頻異常不明顯。由此可見,對于“串珠”能量相當(dāng)?shù)娜芏?可將頻率異常作為溶洞規(guī)模判識的依據(jù)之一。

圖7 模型組2(規(guī)模不同、充填特征不同的6個溶洞模型)示意

圖8 模型組2的正演模擬結(jié)果a 模型組2中6個溶洞模型正演模擬得到的偏移剖面(RSN=5); b 模型組2中6個溶洞模型正演模擬拾取的均方根振幅曲線

圖9 模型組2的頻率響應(yīng)特征

1.2.3 充填特征相同、規(guī)模不同的溶洞頻率響應(yīng)特征分析

為了進(jìn)一步分析頻率屬性與溶洞規(guī)模的關(guān)系,設(shè)計一組溶洞模型(模型組3),使其充填物速度相同,模型橫向?qū)挾炔蛔?縱向厚度逐漸增加,如圖10所示。該模型組包括6個寬度為200m,縱向厚度分別為5,10,15,20,25,40m的溶洞。溶洞充填物縱波速度范圍為3201～3399m/s,橫波速度范圍1261～1339m/s,密度為1.759～1.906g/cm3。

圖10 模型組3(規(guī)模不同、充填特征相同的6個溶洞模型)示意

圖11a為信噪比為5時,對模型組3中6個溶洞模型正演模擬得到的偏移剖面,圖11b為根據(jù)模型組3中6個溶洞模型正演模擬的結(jié)果拾取的均方根振幅曲線。隨著溶洞規(guī)模的增大,其振幅也相應(yīng)地增大,在調(diào)諧厚度內(nèi),地震反射振幅隨厚度的增加而增加。圖12為模型組3中6個溶洞模型的頻率響應(yīng)特征,較厚的溶洞主要為低頻異常,較薄的溶洞無高頻異常,這是由能量差異引起的頻率異常的不確定性。

1.3 高頻衰減梯度屬性

對地震道進(jìn)行譜分析[13-14],獲得各單頻能量;采用最小二乘方法,對各單頻能量{yf1,yf2,…,yfn}隨頻率{f1,f2,…,fn}的變化規(guī)律進(jìn)行線性擬合或?qū)?shù)擬合。單頻能量y隨頻率f的變化規(guī)律滿足線性擬合公式y(tǒng)=a×f+b,其中,系數(shù)a為單頻能量隨頻率變化的梯度屬性,系數(shù)b為擬合關(guān)系的截距。

圖11 模型組3的正演模擬結(jié)果a 模型組3中6個溶洞模型正演模擬得到的偏移剖面(RSN=5); b 模型組3中6個溶洞模型正演模擬拾取的均方根振幅曲線

圖12 模型組3的頻率響應(yīng)特征

分析模型組3中不同規(guī)模溶洞的頻率響應(yīng)特征,可以看出不同規(guī)模的溶洞,其頻率變化的梯度特征不同。規(guī)模相對較小的溶洞,其高頻衰減梯度絕對值小,而隨著溶洞規(guī)模的增加其高頻衰減梯度絕對值越大。模型組1和模型組2的頻率響應(yīng)特征也遵循該規(guī)律。圖13為基于模型組2和模型組3計算得到的高頻衰減梯度隨溶洞厚度變化的情況,可以看出,高頻衰減梯度不受溶洞充填物的影響,而與溶洞規(guī)模直接相關(guān)。

圖13 高頻衰減梯度隨溶洞厚度變化的情況

2 應(yīng)用效果

圖14 基于高頻衰減梯度屬性的巖溶古河道規(guī)模識別a TH12138井; b TH10112井

將工區(qū)21口鉆遇巖溶古河道井的高頻衰減梯度與測井解釋得到的溶洞厚度進(jìn)行交會分析,發(fā)現(xiàn)高頻衰減梯度絕對值與河道厚度呈正相關(guān),其中TH12164和TH12112井離擬合曲線較遠(yuǎn)(圖15)。原因可能是這兩口井處于巖溶斜坡高陡部位,水力梯度較大,下切深度明顯;河道的縱向厚度大,橫向?qū)挾刃?綜合尺度小,從而造成高頻衰減梯度絕對值大。

圖16疊合顯示了預(yù)測得到的巖溶古河道發(fā)育情況與斷裂體系,工區(qū)主要發(fā)育近東西向及北北東向展布的兩個斷裂,與巖溶古河道的展布特征匹配關(guān)系較好,說明巖溶古河道發(fā)育與斷裂密不可分,分支河規(guī)模較小,河流曲折處、分支河與主體河道交匯處斷裂發(fā)育規(guī)模較大,并沿河流方向規(guī)模逐漸增大。

圖15 高頻衰減梯度與巖溶古河道厚度交會分析

圖16 巖溶古河道與斷裂體系

3 結(jié)論

本文針對碳酸鹽巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)的特點,摒棄基于層狀介質(zhì)或等效介質(zhì)建立地震地質(zhì)模型的傳統(tǒng)方法,利用測井約束下的高精度非均質(zhì)建模技術(shù),構(gòu)建了不同尺度和不同充填特征的碳酸鹽巖溶洞儲集體模型,利用波動方程正演模擬技術(shù),研究了不同規(guī)模和不同充填物的溶洞儲集體地震反射振幅和頻率屬性,提出了基于高頻衰減梯度的碳酸鹽巖溶洞儲集體規(guī)模識別方法。正演模擬結(jié)果表明,高頻衰減梯度不受溶洞充填物影響,直觀反映了溶洞規(guī)模。基于高頻衰減梯度屬性的塔河油田巖溶古河道溶洞儲集體規(guī)模識別表明,隨著溶洞規(guī)模的增加,高頻衰減梯度絕對值隨之增大,溶洞儲集體規(guī)模識別結(jié)果與已鉆井結(jié)果高度吻合。