基于正演模擬的碳酸鹽巖縫洞體系連通性分析

楊敬雅，李相文，朱冬輝，閆順來，張 明，畢姣瑩

(中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，新疆 庫爾勒 841000)

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖發(fā)育廣泛，儲層類型多樣，具有極強的儲層非均質(zhì)性，且流體性質(zhì)多變。鉆探結(jié)果表明，塔北、塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲層油氣資源豐富[1-2]，但各油藏的開發(fā)差異巨大。隨著高精度勘探開發(fā)一體化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對大型縫洞集合體的儲層連通性分析提出更高的要求。

在油藏開發(fā)過程中，通常用儲層連通性來表征儲集層連通效果[3-5]，可直接影響油藏生產(chǎn)的受效情況，同時也可以反映注水潛油或注水驅(qū)油等手段的實施是否達(dá)到油藏開發(fā)設(shè)計的效果，其次可以間接了解油藏內(nèi)剩余油的情況[6]。模型正演技術(shù)是地震資料解釋中深入認(rèn)識地下縫洞體系真實地質(zhì)特征的重要手段，其中縫洞體模型精細(xì)波動方程正演是地震勘探開發(fā)中的一種重要方法，該技術(shù)目前在塔里木盆地多用于山前構(gòu)造解釋結(jié)果的驗證和碳酸鹽巖縫洞體儲集空間計算結(jié)果的校正[7-8]。地震數(shù)據(jù)處理是地震采集、處理與解釋中的重要環(huán)節(jié)，如何有效消除炮集數(shù)據(jù)中可能存在的無效反射波，通過偏移成像恢復(fù)真實的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，是處理人員需要認(rèn)真思考的問題。早期的地球物理工作者主要通過對地震(二維、三維地震或井間地震)解釋并借助野外露頭資料加以佐證的方式分析縫洞體的地震特征及其相互連通性，分析結(jié)果的可靠性受到地震資料品質(zhì)、地震解釋員、研究方法等方面的影響，無法確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文通過對理論模型的建立與處理相結(jié)合的方法，采用合適的處理流程與參數(shù)設(shè)定，為準(zhǔn)確的地震地質(zhì)解釋提供保障，因此，地震模型正演與數(shù)據(jù)處理方法的有機結(jié)合，可為縫洞連通性分析發(fā)揮非常重要的作用。

1 思路與對策

采用地球物理數(shù)字模擬的方法，建立一批相對簡單的縫洞體地質(zhì)模型，通過波動方程方法模擬地震波在地質(zhì)體中傳播，并獲取地震記錄。然后應(yīng)用GeoEast處理解釋平臺，采用疊后、疊前時間偏移處理等手段，獲得理論模型下的地震波場。最后，通過解釋地震振幅等信息，分析地震波場中反映真實地質(zhì)模型的有效成分，認(rèn)識不同縫洞體系地震波場特征的差異，進(jìn)行指導(dǎo)縫洞連通性的解釋。

2 關(guān)鍵技術(shù)與效果

2.1 波動方程正演分析技術(shù)

在地球物理資料解釋過程中，常常利用正演模擬結(jié)果與實際地球物理勘探資料進(jìn)行比較，不斷修正模型，使模擬結(jié)果與實際資料盡可能地接近，進(jìn)而使解釋結(jié)果更接近客觀實際。地球物理正演是對地質(zhì)模型進(jìn)行理論模擬，分物理模擬和數(shù)值模擬兩種。其中數(shù)值模擬是基于彈性介質(zhì)波場傳播理論的計算機環(huán)境下模擬實際地質(zhì)模型的方法，對解釋實際地震資料、表征地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖性有重要的實際意義。

數(shù)學(xué)模擬方法求解地球物理正演的關(guān)鍵因素有以下幾個部分：實際地質(zhì)條件(巖性、油氣水流體物性)、實際地震條件(激發(fā)主頻、觀測系統(tǒng))。一般步驟是：第一步建立合理的地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模擬，可根據(jù)研究對象和問題建立，依據(jù)地質(zhì)剖面、地震數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)，模型需要能夠反映主要地質(zhì)構(gòu)造和巖石、礦物特征，具有代表性或普遍性、針對性和特殊性；第二步是設(shè)置合理的地震采集觀測系統(tǒng)，應(yīng)與實際地震采集地震數(shù)據(jù)的觀測系統(tǒng)一致或相近；第三步是模擬計算，選擇合理的計算方法，進(jìn)行數(shù)值計算。

研究中，假設(shè)只考慮縫洞體之間的連通性，根據(jù)實際井鉆探到不同介質(zhì)的速度充填到正演地質(zhì)模型中，設(shè)置洞穴、裂縫兩種地質(zhì)體介質(zhì)。圖1為4種不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的縫洞體模型，圖1a為4個相互獨立的洞穴，圖1b為4個洞穴間有少量裂縫連通的縫洞集合體，圖1c為4個洞穴間有一定數(shù)量裂縫連通的縫洞集合體，圖1d為4個洞穴間有大量裂縫連通的縫洞集合體，洞穴內(nèi)充填速度4 800 m/s，裂縫內(nèi)充填速度4 000 m/s，其中洞穴之間相距約50 m，單炮激發(fā)子波為30 Hz雷克子波，觀測系統(tǒng)為中間激發(fā)，雙邊接收。4個模型對應(yīng)的疊前偏移處理結(jié)果(如圖2所示)表明，在目的層表現(xiàn)出明顯的波形差異，隨著洞穴之間裂縫的增多，地震剖面表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性變好的特征越發(fā)明顯。

模擬地震波場時，對相同激發(fā)炮數(shù)，不同檢波點數(shù)的兩種觀測系統(tǒng)下的結(jié)果對縫洞連通性分析的影響進(jìn)行對比分析。

圖3為非連通縫洞體模型的不同觀測系統(tǒng)下模擬結(jié)果的偏移剖面對比圖，圖3a對應(yīng)觀測系統(tǒng)見表1A。圖3b對應(yīng)觀測系統(tǒng)見表1B，圖3a和圖3b的偏移地震剖面特征有明顯差異，小檢波距、小面元正演資料對縫洞體特征的刻畫更精細(xì)。

圖1 4種不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的縫洞體模型

圖2 4種不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的縫洞體模型對應(yīng)的地震剖面

2.2 縫洞型碳酸鹽巖處理技術(shù)

疊前時間偏移是復(fù)雜構(gòu)造準(zhǔn)確成像最有效的方法之一，其能適應(yīng)縱向橫向速度變化較大的情況，可適用于大傾角區(qū)域的構(gòu)造偏移成像。影響偏移成像效果的主要因素是偏移孔徑和偏移速度。偏移孔徑是綜合考慮第一菲涅耳帶半徑、某個角度范圍內(nèi)繞射能量歸位所需要的距離和使傾斜層歸位所需要的偏移距離的偏移參數(shù)，偏移孔徑設(shè)置過小，偏移剖面將損失陡傾角的同相軸；偏移孔徑設(shè)置過大，會降低偏移資料的成像質(zhì)量。在實際使用中，應(yīng)根據(jù)傾角來確定孔徑。疊前偏移對偏移速度較敏感，較小的速度誤差都可能影響偏移成像效果，在實際使用中通過迭代確定最佳偏移速度。疊前時間偏移方法主要分為兩類，即用于準(zhǔn)確構(gòu)造成像的疊前時間偏移和振幅保持疊前時間偏移，每一類方法都有兩種實現(xiàn)方式：Kirchhoff型和波動方程型。由于建立的理論模型構(gòu)造相對簡單，著重強調(diào)資料的保幅性，因此應(yīng)用振幅保持疊前時間偏移技術(shù)對炮集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

Kirchhoff疊前時間偏移方法一般在共炮點道集上進(jìn)行，對二維和三維疊前偏移做法是一致的。該方法是將共炮點記錄從接收點上向地下外推(此過程實際上是一個估算偏移孔徑的反過程)，計算從炮點到地下反射點的地震波入射射線的走時，并將所有的深度點上的延拓波場都計算成像值，組成偏移剖面，最后將所有的炮道集記錄按地面點相重合的記錄相疊加的原則進(jìn)行疊加，即完成疊前時間偏移處理。

之所以選擇疊前時間偏移處理技術(shù)進(jìn)行針對性處理，是因為相比疊后時間偏移處理技術(shù)，前者對縫洞體連通性分析更為有利。圖4為非連通模型及其疊后/前時間偏移處理地震剖面，圖4b和圖4c均為非連通模型的疊后時間偏移和疊前時間偏移處理局部地震剖面，顯然疊前時間偏移處理資料比疊后時間偏移資料對洞穴之間的振幅差異刻畫更清楚。

圖3 非連通縫洞體模型的不同觀測系統(tǒng)下

圖4 非連通模型及其疊后/前時間偏移處理地震剖面

在常規(guī)疊前時間偏移處理過程中，偏移孔徑和偏移速度對地層偏移歸位的影響較大。研究中，對不同偏移孔徑進(jìn)行測試。圖5為非連通模型的不同偏移孔徑下疊前時間偏移處理地震剖面對比，在偏移速度相同的基礎(chǔ)上，取大、中、小3種不同偏移孔徑進(jìn)行疊前時間偏移處理，圖5中3個處理結(jié)果的差異并不明顯。當(dāng)前，由于塔里木盆地的地震資料品質(zhì)整體偏差，解釋性處理技術(shù)[10]得到廣泛的應(yīng)用，一種是基于疊后頻譜分析的濾波方法，一種是基于地層傾角掃描的濾波方法，一種是基于子波分解與重構(gòu)的方法，一種是基于疊前CRP道集分析的方法。以疊前CRP道集分析為例，取全偏移距、去近偏移距和去遠(yuǎn)偏移距3種方案，分別疊加(圖6)，結(jié)果表明，去遠(yuǎn)偏移距的結(jié)果對縫洞體的刻畫最為清楚。

圖5 非連通模型不同偏移孔徑PSTM處理地震剖面對比

圖6 非連通模型不同偏移距疊加地震剖面對比

2.3 地震瞬時振幅解釋技術(shù)

反射地震記錄的振幅可看作有限帶寬的反射系數(shù)[9-10]，地震振幅的大小取決于反射系數(shù)的大小和反射系數(shù)的組合。縫洞型儲層與圍巖有明顯的波阻抗界面，反射系數(shù)大。由于地震波傳播的特點，縱橫向的大反射系數(shù)容易識別，但橫向相距很近的反射系數(shù)組合不容易識別，只有將局部差異等比例放大才能更好識別，為此提出地震瞬時振幅解釋技術(shù)，即提取目標(biāo)區(qū)的瞬時振幅值，進(jìn)行歸一化處理，采用按空間位置排列的方式進(jìn)行分析。如圖7所示，該圖為圖5中3種不同偏移孔徑時疊前時間偏移處理地震剖面不同CMP道號的第一個波峰同相軸的瞬時振幅對比圖(縱軸為歸一化處理的振幅值、橫軸為地質(zhì)模型的檢波點CMP道號)。相比之下，較大的偏移孔徑下處理結(jié)果對縫洞體刻畫更為有利，其振幅差異更易識別。

通過此方法，可實現(xiàn)基于地震資料靜態(tài)分析的縫洞體系連通性半定量解釋。如表2所示，為5種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縫洞體模型，各縫洞體之間相距800 m，縫洞體之間通過充填不同速度來表征裂縫的強度，總共有11種模型。速度值的充填均采用引文《巖石波速和孔隙度、泥質(zhì)含量之間的關(guān)系研究》[11]中對砂巖與孔隙度的擬合公式。設(shè)定800 m范圍內(nèi)縫洞體之間裂縫充填速度與圍巖充填速度差50 m/s以下，視為縫洞體之間不連通；反之則相互連通，但連通程度有所差別。

圖7 非連通模型不同偏移孔徑數(shù)據(jù)瞬時振幅解釋結(jié)果對比

圖8為表2所示11個地質(zhì)模型正演數(shù)據(jù)的疊前時間偏移處理結(jié)果瞬時振幅解釋結(jié)果對比圖，以速度差大于50 m/s的M6模型為分界點，視振幅波動幅度大于等于圖8a中紅線處值(即取瞬時振幅解釋結(jié)果歸一化后數(shù)值1.0。其中，縱軸為地質(zhì)模型的檢波點歸一化處理的振幅值，橫軸為地質(zhì)模型的檢波點CMP道號)。因此，模型M7-M12等5個模型是連通的。對于實際地震數(shù)據(jù)，根據(jù)測井資料可估算得裂縫與溶洞的速度差，結(jié)合井震標(biāo)定結(jié)果，對地震瞬時振幅解釋結(jié)果進(jìn)行評級，視振幅波動幅度大于等于瞬時振幅解釋結(jié)果歸一化后數(shù)值的等級為有效連通的縫洞體系，以此實現(xiàn)井網(wǎng)定量解釋外推。

圖8 11種不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)縫洞模型瞬時振幅解釋結(jié)果對比與連通性半定量解釋

3 應(yīng)用實例

塔北哈拉哈塘油田奧陶系縫洞型儲層是原油生產(chǎn)的主要戰(zhàn)場，大型縫洞集合體的高效開發(fā)是研究中最重要的內(nèi)容之一。W1井區(qū)奧陶系一間房組縫洞型儲層非常發(fā)育，實際地震剖面特征表現(xiàn)為強“串珠”狀反射(圖9)。如果圖9中W1井位置下部大型縫洞集合體(虛框內(nèi))是連通的，將為W1井提供足夠的能量，其生產(chǎn)特征應(yīng)表現(xiàn)為明顯的水驅(qū)特征。如果為相互獨立的縫洞體，則不能為W1井提供足夠能量，則W1井應(yīng)表現(xiàn)為彈性驅(qū)特征。研究區(qū)內(nèi)W2井與W2-1井為實際鉆井揭示的同一套連通型縫洞體系的兩口井，靜態(tài)研究W2井與W2-1井兩井為連通型井組，周邊裂縫相對發(fā)育。動態(tài)資料表明，W2井投產(chǎn)一年時間內(nèi)油壓壓降很小，而W2-1井試油敞放求產(chǎn)時，W2井油壓突降，生產(chǎn)受到明顯干擾。其波谷瞬時振幅解釋結(jié)果如圖10所示，歸一化后各值均在0.4以上，相比基于同一資料波谷瞬時振幅解釋結(jié)果的W1井，縫洞主體的解釋波谷瞬時振幅解釋結(jié)果均大于0.6，僅有小范圍值的波動，初步分析認(rèn)為，W1井揭示的“串珠”狀儲層與處下部“串珠”狀儲層分屬兩個相對獨立的縫洞體。

圖9 塔北哈拉哈塘油田W1井區(qū)一連井地震剖面

圖10 塔北哈拉哈塘油田W1井處下部大型縫洞集合體與W2井連通縫洞體系波谷瞬時振幅解釋結(jié)果對比

4 結(jié)論與認(rèn)識

通過基于地震模型正演與數(shù)據(jù)處理的縫洞連通性分析的一點思考與實踐，取得結(jié)論：

(1)小檢波距、小面元正演資料對縫洞體特征的刻畫更精細(xì)，因此，地震數(shù)據(jù)采集時，較大的道密度對碳酸鹽巖縫洞連通性靜態(tài)分析更為有利；

(2)地震資料處理是應(yīng)用波形特征分析縫洞連通性的關(guān)鍵，對解釋結(jié)果有直接影響，不同處理參數(shù)對波形特征有影響，因此，針對不同解釋目的應(yīng)該有針對性的處理參數(shù)及技術(shù)措施；

(3)地震瞬時振幅解釋技術(shù)可以在一定程度上區(qū)分縫洞體之間地震波場差異，在井震精細(xì)標(biāo)定的基礎(chǔ)上可指導(dǎo)縫洞連通性靜態(tài)半定量解釋。