塔河奧陶系隱蔽溶洞體地震精細(xì)識(shí)別

劉坤巖 許 杰

(中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

近年來(lái)，隨著塔河油田奧陶系油藏開發(fā)工作不斷深入，尋找地震“串珠”反射指示的大型溶洞體變得越來(lái)越困難，因此非“串珠”縫洞體作為開發(fā)目標(biāo)成為趨勢(shì)。研究表明，非“串珠”縫洞體發(fā)育區(qū)未動(dòng)用儲(chǔ)量規(guī)模較大，是下步奧陶系油藏建產(chǎn)的重要接替陣地[1-5]。

目前非“串珠”縫洞體中，呈雜亂地震反射和“紅波谷”反射的縫洞體已成為塔河油田的有利目標(biāo)，且研究程度較高[6-7]；小型溶洞體以往多被忽視，對(duì)該類儲(chǔ)集體的識(shí)別和預(yù)測(cè)尚處于起步階段。

實(shí)際鉆探結(jié)果表明，塔河奧陶系發(fā)育兩類易被忽視的隱蔽性溶洞體：T74強(qiáng)軸屏蔽型溶洞體和強(qiáng)“串珠”屏蔽型溶洞體。這兩類溶洞體與強(qiáng)“串珠”溶洞體一樣，在鉆探過(guò)程中存在放空、漏失現(xiàn)象，部分溶洞體產(chǎn)能較高，初步顯示了較大的開發(fā)潛力。但該類儲(chǔ)集體埋深大(超過(guò)5300m)、地震資料主頻較低(約28Hz)，地震分辨率為30m(1/4波長(zhǎng))；同時(shí)小型溶洞體尺度小，地震響應(yīng)較弱，信號(hào)易受鄰近強(qiáng)信號(hào)干涉，地震異常特征不明顯，隱蔽性較強(qiáng)，預(yù)測(cè)強(qiáng)“串珠”儲(chǔ)集體的方法明顯不適用，亟需加強(qiáng)預(yù)測(cè)方法研究。

前人初步識(shí)別了T74強(qiáng)軸屏蔽的縫洞體，對(duì)強(qiáng)“串珠”屏蔽型溶洞體研究較少。李闖等[8]等利用剩余信號(hào)匹配追蹤法識(shí)別T74強(qiáng)軸屏蔽弱地震反射碳酸鹽巖儲(chǔ)層頂界，由于子波匹配追蹤技術(shù)[9-12]在單道進(jìn)行，對(duì)地層橫向變化考慮不足，同時(shí)子波分解對(duì)解釋層位和匹配時(shí)窗要求較高，容易造成匹配不足和重構(gòu)剖面物理意義不明確；陳明政等[11]通過(guò)局部?jī)A角濾波技術(shù)，將繞射波從地震記錄中分離、單獨(dú)成像，然后再與時(shí)間偏移數(shù)據(jù)體疊合，以突出弱反射異常。該方法明顯提高了小“串珠”儲(chǔ)集體橫向分辨率，但仍受地震數(shù)據(jù)頻帶寬度限制，縱向分辨率提高有限，且處理程序復(fù)雜、工作量大、運(yùn)算時(shí)間成本較高，時(shí)效性不足。

為此，針對(duì)T74強(qiáng)軸屏蔽型溶洞體，文中首次采用主成分分析技術(shù)[13]克服強(qiáng)子波匹配不足或匹配過(guò)度等穩(wěn)定性問(wèn)題，有效剝離T74強(qiáng)干擾信號(hào)，增強(qiáng)隱蔽縫洞體地震響應(yīng)特征；針對(duì)易被忽視的強(qiáng)“串珠”屏蔽型溶洞體，采用低頻模型優(yōu)化的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演去除強(qiáng)“串珠”子波旁瓣干擾，以增強(qiáng)隱藏在強(qiáng)子波旁瓣中的縫洞體的辨識(shí)度，精細(xì)預(yù)測(cè)隱蔽溶洞體。

通過(guò)本次研究，提高了強(qiáng)非均質(zhì)油藏地震描述精度，由確定性反演轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)計(jì)性反演，提高了小尺度溶洞體的識(shí)別能力，預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆井成果吻合較好，為縫洞油藏開發(fā)方案調(diào)整提供了可靠依據(jù)。

1 地震響應(yīng)特征

經(jīng)過(guò)多年勘探開發(fā)，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩類隱蔽溶洞體，按照發(fā)現(xiàn)位置分為T74強(qiáng)軸屏蔽型溶洞體和強(qiáng)“串珠”屏蔽型溶洞體。

1.1 T74強(qiáng)軸屏蔽型溶洞體地震響應(yīng)特征

塔河奧陶系碳酸鹽巖縫洞體大多距中、下奧陶統(tǒng)頂界面較近，灰?guī)r頂界面表現(xiàn)為強(qiáng)地震反射，對(duì)下部較近的縫洞儲(chǔ)層信號(hào)形成壓制現(xiàn)象，縫洞體難以成像和識(shí)別。

圖1為過(guò)1井主測(cè)線地震疊加剖面。由圖可見：目標(biāo)儲(chǔ)集體標(biāo)定在T74強(qiáng)波峰位置，小型溶洞體發(fā)育井段位于中、下奧陶統(tǒng)灰?guī)r頂面，橫向上該部位反射能量稍弱于T74其他部位，為非典型“串珠”反射特征，淹沒在T74強(qiáng)反射界面低頻強(qiáng)信號(hào)中，采用常規(guī)的振幅變化率屬性無(wú)法預(yù)測(cè)該類溶洞體。為進(jìn)一步明確T74灰?guī)r頂界面對(duì)其下不同位置小型溶洞體成像的影響，開展了數(shù)值正演模擬[14-17](圖2)。由模擬結(jié)果可見：①溶洞距頂界面90m，頂界面和溶洞體信號(hào)均較強(qiáng)；②溶洞距頂界面60m，頂界面振幅和溶洞波谷振幅均變?nèi)?；③溶洞距頂界?0m，頂界面振幅和溶洞振幅進(jìn)一步減弱；④溶洞位于剝蝕面附近，兩者干涉嚴(yán)重，頂界面和溶洞信號(hào)缺失。

由此可見，地震響應(yīng)特征隨著小型溶洞體與頂界面距離不同而變化，尤其距灰?guī)r頂界面30m時(shí)，小型溶洞體信號(hào)與頂界面強(qiáng)信號(hào)相互干涉嚴(yán)重，小型縫洞體“串珠”反射特征基本消失，無(wú)法準(zhǔn)確成像，同時(shí)頂界面強(qiáng)信號(hào)能量略有減弱。

圖1 過(guò)1井主測(cè)線地震疊加剖面

圖2 距頂界面不同距離的小型溶洞體地震正演模擬結(jié)果

1.2 強(qiáng)“串珠”屏蔽型溶洞體地震響應(yīng)特征

受古地貌、構(gòu)造、斷裂等地質(zhì)因素的影響，塔河奧陶系碳酸鹽巖縫洞分布非均質(zhì)性極強(qiáng)，溶洞既可能是孤立的洞，也可能是集中發(fā)育的多洞集合體，也可能是垮塌疊置組合[15]。不同尺度溶洞垂向組合的地震反射特征明顯不同。當(dāng)大、小尺度溶洞垂向距離較小時(shí)，小尺度溶洞弱信號(hào)會(huì)淹沒在大尺度溶洞強(qiáng)信號(hào)中。圖3為過(guò)2井原始地震剖面。由圖可見，根據(jù)合成記錄制作結(jié)果，放空、漏失段標(biāo)定在T74強(qiáng)“串珠”旁瓣位置，反射特征不明，8m溶洞厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地震分辨率極限(30m)，無(wú)法識(shí)別該類儲(chǔ)集體，進(jìn)而無(wú)法利用地震屬性預(yù)測(cè)儲(chǔ)層。

孫萌思等[16]、胡中平[17]對(duì)組合溶洞體模型進(jìn)行波動(dòng)方程數(shù)值模擬，認(rèn)為當(dāng)不同尺度溶洞縱向間距減小時(shí)，溶洞之間的地震波發(fā)生干涉作用，導(dǎo)致部分小尺度溶洞無(wú)法成像或成像分辨率降低。

根據(jù)塔河奧陶系地層產(chǎn)狀以及測(cè)井聲波時(shí)差和密度數(shù)據(jù)，制作不同尺度溶洞縱向疊置模型(圖4a)開展正演模擬。結(jié)果表明，大尺度溶洞體信號(hào)較強(qiáng)，小尺度溶洞受尺度和下部強(qiáng)子波信號(hào)干涉影響，地震響應(yīng)微弱(圖4b中的c部位)。由此可見，間距較小且不同規(guī)模的溶洞縱向疊置時(shí)，地震記錄主要是下部大尺度溶洞體的響應(yīng)，上部小尺度溶洞體響應(yīng)微弱，識(shí)別困難。

圖3 過(guò)2井原始地震剖面

2井目標(biāo)儲(chǔ)集體為T74下部的強(qiáng)“串珠”反射層段，距T74頂界面84m處，實(shí)際鉆探過(guò)程中在T74下部39～47m井段出現(xiàn)放空、漏失現(xiàn)象，漏失鉆井液152m3，證實(shí)該層段為溶洞體

圖4 不同尺度溶洞縱向疊置模型(a)及地震記錄(b)

2 隱蔽縫洞體預(yù)測(cè)方法及效果

2.1 T74強(qiáng)軸屏蔽型儲(chǔ)集體預(yù)測(cè)方法及效果

縫洞體緊鄰中、下奧陶統(tǒng)頂面，縫洞體反射系數(shù)較小，中、下奧陶統(tǒng)頂面反射系數(shù)較大，二者在時(shí)間不可分辨的情形下，儲(chǔ)層信息被淹沒在T74強(qiáng)軸對(duì)應(yīng)的波峰中難以識(shí)別，從而無(wú)法利用屬性分析有效預(yù)測(cè)儲(chǔ)層。

地震反射是由低頻背景和高頻事件組成，其中不整合面橫向連續(xù)性較強(qiáng)，反映低頻的大套地層，具有較強(qiáng)的時(shí)間意義；離散儲(chǔ)層反映高頻的、由相似巖性、巖相疊加組成的地層，非均質(zhì)性較強(qiáng)，時(shí)間意義較弱，巖性意義較強(qiáng)，利于識(shí)別隱蔽儲(chǔ)層[18]。

將塔河奧陶系的實(shí)際地質(zhì)剖面抽象為低頻不整合面+離散縫洞體組合模型(圖5a)，可分解為低頻不整合面模型(圖5b)和離散縫洞體模型(圖5c)。分別對(duì)地質(zhì)模型(圖5)求取反射系數(shù)，并與30Hz雷克子波褶積，得到正演地震記錄(圖6)?？梢姡旱皖l不整合面模型地震波形具有相位一致、連續(xù)性較強(qiáng)的反射特征(圖6b)；離散縫洞體模型地震波形具有高頻、相位紊亂的反射特征，橫向連續(xù)性較差(圖6c)。

主成分分析(PCA)是利用對(duì)數(shù)據(jù)降維的思想，將實(shí)際多個(gè)變量重新組合成一組可以替代原來(lái)變量的統(tǒng)計(jì)方法。基本原理是利用相互獨(dú)立的變量取代原有的多維變量，而每一個(gè)獨(dú)立的變量都代表某一方面的性質(zhì)[6]。在地震資料分析中，低頻信號(hào)反映了地質(zhì)時(shí)期的主要事件信息，具有高連續(xù)、變化小的特點(diǎn)，即波形具有一定的相似性，是波形橫向?qū)Ρ鹊闹饕煞?，將其作為低頻背景由PCA提取，達(dá)到分離低、高頻信息的目的。具體計(jì)算過(guò)程為：

(1)求出標(biāo)準(zhǔn)化地震振幅值的矩陣。根據(jù)待處理地震數(shù)據(jù)樣本每道時(shí)間采樣點(diǎn)振幅值和三維空間道數(shù)目建立多維矩陣

圖5 地質(zhì)模型

圖6 正演地震記錄

(2)計(jì)算上述矩陣的相關(guān)系數(shù)

(3)求相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和特征向量。標(biāo)準(zhǔn)化矩陣經(jīng)過(guò)相關(guān)系數(shù)特征值分解后，可以變成特征值和特征向量相乘后累加的形式，取最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，將空間特征維數(shù)變?yōu)橐痪S。利用得到的特征向量，可以將樣本中的原始地震信息分解展開，獲取原始地震道主分量，與原始地震數(shù)據(jù)相減，得到剩余分量。

在實(shí)際地震剖面上，T74軸可視為低、高頻的復(fù)合反射。單純的不整合面具有橫向連續(xù)、緩變的地質(zhì)特征，地震反射具有低頻特征，可作為地震道主分量。隱蔽縫洞體具有非均質(zhì)性、離散的地質(zhì)特征，地震反射具有高頻特征，作為地震道剩余分量。因此，可以對(duì)實(shí)際的地震記錄去除不整合面低頻(主成分)信息，留下的即為高頻離散縫洞體信息。

針對(duì)1井淺層儲(chǔ)集體信息被T74強(qiáng)反射屏蔽的問(wèn)題，利用Geoscope軟件對(duì)疊加偏移地震數(shù)據(jù)開展主成分分析。首先對(duì)目標(biāo)時(shí)窗內(nèi)的地震數(shù)據(jù)層拉平處理，對(duì)子體波形主成分分解，提取代表不整合面的第一主成分波形為低頻成分，將第一主成分從地震道中移除，得到反映離散縫洞體信息的高頻成分，再實(shí)施反向?qū)永阶儞Q，高頻成分?jǐn)?shù)據(jù)體即為被屏蔽的縫洞體弱信號(hào)。在該數(shù)據(jù)體中，能夠識(shí)別1井鉆遇的淺層8m厚的溶洞體(圖7c)。

對(duì)原始地震數(shù)據(jù)和高頻成分?jǐn)?shù)據(jù)分別提取表層瞬時(shí)振幅切片(圖8)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高頻數(shù)據(jù)指示表層小型溶洞體的信息(紅色)明顯增多，反映了T74表層存在大量被屏蔽縫洞體，為獲得新產(chǎn)能提供了可靠的依據(jù)。

2.2 強(qiáng)“串珠”屏蔽型儲(chǔ)集體預(yù)測(cè)方法及效果

分析認(rèn)為，識(shí)別隱蔽儲(chǔ)集體必須開展地震反演，其中地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演將地震反演方法與隨機(jī)模擬理論結(jié)合，將地質(zhì)、測(cè)井和地震信息融合為地下波阻抗信息，能夠提供大量地震數(shù)據(jù)頻帶以外的細(xì)節(jié)信息，在充分發(fā)揮地震資料橫向分辨率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，具有更高的縱向辨識(shí)能力[19-21]。通過(guò)定性波形解釋，能識(shí)別常規(guī)阻抗方法難以識(shí)別的小尺度縫洞體，滿足精細(xì)描述縫洞體的需求。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演在確定性反演基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)、分析儲(chǔ)層參數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨機(jī)模擬儲(chǔ)集體，地震數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果具有約束作用，反演流程如圖9所示。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演涉及較多的參數(shù)選取，如巖性劃分、概率密度分布函數(shù)統(tǒng)計(jì)、變差函數(shù)分析等。

圖7 PCA處理前、后地震剖面

在井區(qū)確定性稀疏脈沖反演基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析儲(chǔ)集體相關(guān)參數(shù)，得到灰?guī)r儲(chǔ)集體阻抗變差函數(shù)(圖10)和概率密度函數(shù)(圖11)。圖12為過(guò)2井疊加剖面、屬性及反演剖面。由圖可見，與常規(guī)均灰?guī)r儲(chǔ)層縱向變差為2ms，橫向變差最小為900m，最大為2600m。儲(chǔ)層波阻抗縱向變差為10ms，指數(shù)型橫向變差長(zhǎng)距離為2600m，非儲(chǔ)層波阻抗縱向變差為4ms，指數(shù)型橫向變差短距離為900m方根振幅(圖12c)、地震反射能量(圖12d)等地震屬性相比，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)波阻抗反演對(duì)縫洞體的刻畫更精細(xì)，外部形態(tài)更自然，垂向辨識(shí)能力明顯提高(圖12b)。

圖10 灰?guī)r儲(chǔ)集體阻抗變差函數(shù)

圖11 灰?guī)r儲(chǔ)層概率密度(PDF)函數(shù)

圖12 過(guò)2井疊加剖面、屬性及反演剖面

對(duì)比2井區(qū)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演剖面與疊加地震剖面(圖13)可知，二者整體趨勢(shì)一致，地震剖面上強(qiáng)“串珠”發(fā)育位置(圖13b)對(duì)應(yīng)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演剖面中的大尺度縫洞體(圖13a的白色—紅色區(qū)域)。

與確定性反演結(jié)果(圖14b)相比，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演結(jié)果更精細(xì)，細(xì)節(jié)信息更豐富，明顯提高了隱蔽小尺度縫洞體辨識(shí)能力(圖14c)。測(cè)井解釋結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，測(cè)井解釋與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到的縫洞體類型符合率達(dá)到83%，證實(shí)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演可靠性較高。

圖15為2井區(qū)T74下0～40ms確定性反演結(jié)果與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演結(jié)果平面對(duì)比圖。由圖可見，與確定性反演結(jié)果(圖15a)相比，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演結(jié)果中平面信息更豐富，預(yù)測(cè)的儲(chǔ)集體(圖15b紅圈位置的白色—紅色區(qū)域)明顯增多，表明增加隨機(jī)模擬信息后，增強(qiáng)了小尺度儲(chǔ)集體信息。

圖13 2井區(qū)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演剖面(a)與疊加地震剖面(b)

圖14 2井區(qū)疊加地震剖面(a)、確定性反演剖面(b)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演剖面(c)

圖15 2井區(qū)T74下0～40ms波阻抗確定性反演結(jié)果(左)與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演結(jié)果(右)平面對(duì)比圖

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用PCA可以有效剝離T74強(qiáng)反射軸對(duì)下伏薄層溶洞體的屏蔽作用，增強(qiáng)了對(duì)尺度遠(yuǎn)小于地震分辨率下限的溶洞體的識(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)了地震識(shí)別能力從可分辨到可識(shí)別的轉(zhuǎn)變。

(2)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法結(jié)合確定性反演和隨機(jī)模擬結(jié)果，能夠提供大量地震數(shù)據(jù)頻帶以外的細(xì)節(jié)信息，實(shí)現(xiàn)了從確定性反演大尺度縫洞體到統(tǒng)計(jì)學(xué)反演小尺度縫洞體的轉(zhuǎn)變，縱向辨識(shí)能力明顯提高，可刻畫8m厚的溶洞體，反演結(jié)果與鉆測(cè)井符合率達(dá)83%，可靠性較高。

(3)通過(guò)對(duì)隱蔽小型溶洞體的精細(xì)識(shí)別和預(yù)測(cè)，提高了強(qiáng)非均質(zhì)油藏的描述精度，為后續(xù)剩余油分析及開發(fā)方案調(diào)整提供了可靠依據(jù)。