順北走滑斷裂-斷溶體物理模擬及地震響應(yīng)特征分析

司文朋,薛詩(shī)桂,馬靈偉,趙 群,焦艷艷,王輝明,劉東方

(1.中國(guó)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(guó)石化地球物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京211103)

碳酸鹽巖石油儲(chǔ)量約占世界石油總儲(chǔ)量的一半,產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%以上。目前,塔里木盆地塔中地區(qū)包括塔中隆起及其圍斜部位,是中國(guó)石化在碳酸鹽巖儲(chǔ)層領(lǐng)域的重要探區(qū)。前期的勘探結(jié)果證實(shí),塔中碳酸鹽巖斷裂帶與油氣儲(chǔ)集有著密切關(guān)系[1-3]。塔中奧陶系碳酸鹽巖斷裂以直立走滑斷裂為主,大部分?jǐn)嗔褦嗳牖?垂直斷距較小。走滑斷裂在改造碳酸鹽巖(尤其對(duì)原生孔隙不發(fā)育的塔里木碳酸鹽巖)的儲(chǔ)層性能方面具有重要的作用,斷裂帶不僅是大氣淡水滲濾及巖溶作用的有利部位,同時(shí)也是埋藏期溶蝕作用發(fā)生的有利部位,大型縫洞往往受控于斷裂[4]。由此可見(jiàn),斷裂對(duì)碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育具有十分重要的作用,理清斷裂帶及其展布情況對(duì)于儲(chǔ)層預(yù)測(cè)尤為重要[5-8]。

近年來(lái),在塔中順北地區(qū)斷裂帶相繼獲得重大油氣突破?？碧竭M(jìn)展表明,斷裂帶和縫洞體儲(chǔ)層地震成像質(zhì)量直接影響碳酸鹽巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和圈閉描述的精度[9-15]。但目前在不同類型斷裂帶成像、斷裂帶與儲(chǔ)層發(fā)育關(guān)系研究方面仍有不足[16-22]。比較典型的亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題有：垂向及縱向不同尺度斷裂帶的識(shí)別和分辨;不同類型的走滑斷裂的地震響應(yīng)特征不明確;斷裂系統(tǒng)內(nèi)幕(斷裂帶不同破碎程度、不同速度巖性填充)以及與斷裂伴生的縫洞儲(chǔ)層(斷溶體)的地震響應(yīng)特征等。通過(guò)地震物理模擬手段,能夠更加真實(shí)地建立斷裂帶地質(zhì)-地球物理模型。針對(duì)不同類型走滑斷裂的寬度、非均質(zhì)程度、橫向可分辨能力、斷裂樣式及溶洞發(fā)育形式等要素,本文開(kāi)展了走滑斷裂物理模型建立和實(shí)驗(yàn)地震數(shù)據(jù)的采集分析,總結(jié)了走滑斷裂及斷溶體的地震響應(yīng)特征,通過(guò)模型與實(shí)際資料對(duì)比形成典型斷裂識(shí)別模式,支撐了順北地區(qū)實(shí)際斷裂帶的精細(xì)刻畫(huà)和斷溶體預(yù)測(cè)方法的研究。

1 走滑斷裂物理模擬

順北地區(qū)的儲(chǔ)層分布與主干走滑斷裂及主干斷裂活動(dòng)伴生的次級(jí)(隱伏)斷裂密切相關(guān),斷裂大小不一、規(guī)模不等。走滑斷裂從地質(zhì)角度描述具有4個(gè)要素：①走滑斷裂的水平位移;②走滑斷裂的切向位移;③走滑斷裂的構(gòu)造樣式;④走滑斷裂的控儲(chǔ)特征。將走滑斷裂的地質(zhì)要素轉(zhuǎn)化為地球物理要素分別對(duì)應(yīng)為：走滑斷裂的寬度及延伸長(zhǎng)度;走滑斷裂帶的破碎程度;走滑斷裂形態(tài);斷溶體發(fā)育特征。

設(shè)計(jì)、制作斷裂帶物理模型時(shí),對(duì)于斷裂的寬度及延伸長(zhǎng)度,能夠較容易地進(jìn)行精細(xì)控制,但是對(duì)于斷裂帶破碎程度的模擬,難以進(jìn)行量化控制,只能模擬具有不同速度變化范圍的斷裂帶破碎區(qū)。

1.1 斷裂非均質(zhì)模擬材料

順北斷裂在地震尺度上具有明顯的巖性非均勻性,受地層應(yīng)力作用的不同,斷裂帶內(nèi)部可能形成幾十米、幾米、幾厘米級(jí)別的破裂巖體。為了模擬這種具有非均質(zhì)性的破碎巖體,采用將石英砂嵌入到低速均勻基質(zhì)中的實(shí)驗(yàn)方案,石英砂模擬破裂巖體,低速均勻介質(zhì)模擬填充在破裂巖體之間的斷層泥。采用不同粒徑范圍的石英砂,來(lái)模擬巖體的破裂程度。模型材料中選用的石英砂粒徑較小,代表模擬的斷裂帶巖體破裂程度越大。利用分選性較差的石英砂,可以增加模擬斷裂帶內(nèi)模擬巖體尺度的隨機(jī)性。

斷裂非均質(zhì)模型材料制作過(guò)程如下：①按照特定質(zhì)量比例稱取環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、硅橡膠等有機(jī)材料,加入固化劑后進(jìn)行充分?jǐn)嚢栊纬苫捉橘|(zhì);②將石英顆粒加入到基底介質(zhì)中,充分?jǐn)嚢璺湃胝婵障到y(tǒng),抽去氣泡后澆筑至模具內(nèi)。待環(huán)氧樹(shù)脂固化后,從模具中取出后即可進(jìn)行精細(xì)的形態(tài)加工。圖1為固化后的斷裂非均質(zhì)模型材料。分別研發(fā)了環(huán)氧樹(shù)脂-石英砂、硅橡膠-石英砂、聚氨酯-石英砂系列非均質(zhì)物理模型材料,在速度比為1∶2的情況下能夠模擬速度變化范圍為3600～5800m/s的非均質(zhì)斷裂帶。

1.2 走滑斷裂物理模型構(gòu)建

對(duì)于不同尺度垂直斷裂的模擬,工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。模型制作過(guò)程為：首先制備不同規(guī)格的非均質(zhì)材料,隨后將非均質(zhì)斷裂豎立在模具中,最后根據(jù)模型設(shè)計(jì)方案澆筑各層,在澆筑過(guò)程中要保證非均質(zhì)斷裂始終處于豎立狀態(tài),待模型固化后即可進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

圖1 非均質(zhì)斷裂物理模型材料

對(duì)不同樣式物理模型的制作,采用先澆筑完整地層模型,后根據(jù)斷裂樣式對(duì)模型進(jìn)行切割,最后在斷裂處進(jìn)行非均質(zhì)填充的工藝流程。由于固化后的物理模型強(qiáng)度非常大,且需要切割的斷裂寬度非常小,因此采用了線切割方式,少量、多次地完成斷裂切割。最后,按照設(shè)定的斷裂寬度固定好切割下的斷裂構(gòu)造,在斷裂處進(jìn)行非均質(zhì)模型材料的填充,待材料固化后即完成模型的制作。

2 走滑斷裂要素的物理模擬及地震響應(yīng)特征分析

2.1 斷裂寬度及非均質(zhì)性

首先考慮斷裂寬度及非均質(zhì)性對(duì)地震響應(yīng)特征的影響,設(shè)計(jì)制作了垂直斷裂物理模型。斷裂貫穿3層水平層,分別由不同寬度的非均質(zhì)材料進(jìn)行模擬。圖2a為垂直斷裂物理模型示意圖,圖2b為基于圖2a 模擬的地震記錄的疊后偏移剖面,圖2c為順北地區(qū)實(shí)際斷裂地震剖面。由圖2可見(jiàn),各條斷裂在地震剖面上均呈現(xiàn)雜亂反射長(zhǎng)條帶特征(圖2b),與野外實(shí)際地震資料中斷裂響應(yīng)(圖2c)一致。

另外,從圖2b上可以看出,對(duì)于具有相同寬度、不同破裂程度(模型中斷裂3,4,5)的斷裂以及具有相同破裂程度但寬度不同(模型中斷裂1,5,7)的斷裂,其振幅反射強(qiáng)度及特征均不同。沿著圖2a中綠色層位底界面R3拾取不同斷裂的瞬時(shí)振幅能量進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖2d所示,可見(jiàn),由于斷裂非均質(zhì)性的影響,振幅的差異相當(dāng)明顯,說(shuō)明斷裂帶的振幅反射特征是斷裂帶橫向尺度、破碎程度及充填特征的綜合體現(xiàn)。

為了進(jìn)一步對(duì)比斷裂寬度及破裂程度對(duì)地震響應(yīng)的影響,建立了多組非均質(zhì)充填斷裂數(shù)值模型進(jìn)行量化分析。圖3為基于數(shù)值模擬的斷裂帶能量特征量化結(jié)果。由圖3可知,走滑斷裂帶能量異常與斷裂寬度之間呈階梯變化;斷裂帶能量異常與斷裂帶破碎程度之間為漸變關(guān)系,引起地震剖面上走滑斷裂帶振幅異常主因是斷裂帶寬度,其次是斷裂帶破碎程度。

2.2 斷裂橫向可分辨能力

在順北地區(qū),沿主干斷裂發(fā)育了很多次級(jí)斷裂,這些斷裂的分辨是斷裂刻畫(huà)的難題之一。為了分析斷裂的橫向分辨率問(wèn)題,設(shè)計(jì)了“Y”形斷裂物理模型。利用3D打印技術(shù)制作了一系列具有不同橫向間隔距離的“Y”形斷裂。圖4a為斷裂示意圖,斷裂由一條高角度近豎直主干斷裂和頂部分叉的兩條次級(jí)斷裂組成,主干斷裂的自身寬度均為15m,兩條次級(jí)斷裂之間間隔距離分別為20,40,60,80,100,120,140,160,180,200m。為使模擬能夠更加逼近順北地區(qū)深大斷裂的深度,將模型置于水深650mm(模擬實(shí)際深度6500m)處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)地震數(shù)據(jù)采集。如圖4b所示,對(duì)斷裂模型分別進(jìn)行無(wú)上覆層、上覆高速層、上覆高速層+非均質(zhì)高衰減層3種方式地震數(shù)據(jù)采集,以對(duì)比不同上覆層對(duì)斷裂橫向分辨能力的影響。模型頂部上覆高速層是模擬火山巖高速層侵入對(duì)斷裂分辨能力的影響,而上覆非均質(zhì)高衰減層則是模擬野外低速高衰減地層對(duì)斷裂橫向分辨能力的影響。

圖2 不同寬度及非均質(zhì)性斷裂物理模型分析a 不同寬度及非均質(zhì)性斷裂物理模型示意; b 疊后偏移剖面; c 順北地區(qū)實(shí)際斷裂地震剖面; d 沿模型界面R3拾取的斷裂振幅曲線

分別對(duì)這3種上覆層采集方案得到的地震實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,結(jié)果如圖5至圖7所示,可見(jiàn)每個(gè)斷裂均呈現(xiàn)出微弱能量的雜亂反射長(zhǎng)條帶特征。無(wú)上覆層時(shí),“Y”形斷裂在間隔距離為120m時(shí)能夠區(qū)分(圖5)。上覆高速層時(shí),間隔距離為20～100m的斷裂在橫向上難以區(qū)分;而間隔距離為120～200m的斷裂能夠明顯區(qū)分(圖6)。對(duì)比圖5和圖6的振幅曲線可以看出,上覆高速層時(shí)拾取的斷裂頂界面處的能量比無(wú)上覆層時(shí)拾取的斷裂頂部的能量明顯變小,但仍能清晰地看出當(dāng)斷裂間隔距離達(dá)到120m時(shí),橫向上能夠明顯區(qū)分。從圖7可以看出,當(dāng)非均質(zhì)高衰減層存在時(shí),地震剖面信噪比進(jìn)一步降低,斷裂的反射能量變得非常微弱,在間隔距離達(dá)到120m時(shí),斷裂可以區(qū)分。

圖3 基于數(shù)值模擬的斷裂帶能量特征量化結(jié)果

圖4 “Y”形斷裂物理模型及采集方案a “Y”形斷裂示意; b 3種上覆層采集方案

圖5 無(wú)上覆層時(shí)“Y”形斷裂模型地震剖面(左)及振幅拾取結(jié)果(右)a 斷裂間隔距離為20～100m; b 斷裂間隔距離為120～200m

圖6 上覆高速層時(shí)“Y”形斷裂模型地震剖面(左)及振幅拾取結(jié)果(右)a 斷裂間隔距離為20～100m; b 斷裂間隔距離為120～200m

圖7 上覆高速層+高衰減層時(shí)“Y”形斷裂模型地震剖面(左)及振幅拾取結(jié)果(右)a 斷裂間隔距離為20～100m; b 斷裂間隔距離為120～200m

從上述3個(gè)上覆層斷裂模型地震響應(yīng)及振幅曲線可知,在6500m埋深處斷裂橫向分辨能力能夠達(dá)到120m,即當(dāng)間隔距離小于120m時(shí)兩個(gè)斷裂難以區(qū)分;當(dāng)間隔距離大于120m能夠清晰區(qū)分。從物理模型3種上覆層振幅曲線看,斷裂橫向分辨能力與上覆層無(wú)密切關(guān)系。為了對(duì)比通過(guò)同相軸得到的斷裂的視間隔距離與真實(shí)間隔距離的關(guān)系,將3種上覆層模型振幅曲線求得的視間隔距離與真實(shí)間隔距離進(jìn)行標(biāo)定對(duì)比,結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,對(duì)于這3種上覆層情況,當(dāng)斷裂間隔距離大于160m時(shí),通過(guò)振幅曲線能夠得到真實(shí)的斷裂間隔距離;而斷裂間隔距離小于160m時(shí),振幅曲線放大了斷裂的實(shí)際間隔距離。

圖8 斷裂間隔真實(shí)間隔寬度與視間隔寬度對(duì)比

值得注意的是,在物理模型的數(shù)據(jù)采集中所使用的子波主頻為20Hz,在此情況下6500m深度時(shí)斷裂的橫向分辨率可認(rèn)為是120m。實(shí)際上,具體的分辨率與子波的主頻有著密切的關(guān)系。如果上覆地層吸收衰減嚴(yán)重,則會(huì)導(dǎo)致頻帶變窄,地震波長(zhǎng)變長(zhǎng),從而降低橫向分辨能力。由一系列的數(shù)值模擬分析結(jié)果可知,當(dāng)子波主頻為30Hz時(shí),橫向分辨尺度達(dá)到70m;當(dāng)子波主頻為40Hz時(shí),橫向分辨尺度達(dá)到60m。圖9顯示了由數(shù)值模擬得到的橫向分辨尺度與子波主頻的關(guān)系,可見(jiàn)子波主頻越高,橫向分辨能力越高,可分辨尺度越小。

圖9 基于數(shù)值模擬的橫向分辨尺度與子波主頻關(guān)系

2.3 斷裂樣式及溶洞發(fā)育位置

為了對(duì)順北實(shí)際斷裂樣式進(jìn)行歸納總結(jié),設(shè)計(jì)了典型樣式走滑斷裂物理模型。圖10a為順北典型走滑斷裂樣式物理模型示意圖,自左至右分別是正花狀、負(fù)花狀、地塹走滑斷裂。圖10b為不同樣式斷裂模型。圖10c為在正花狀及負(fù)花狀斷裂處設(shè)置的溶洞,分別模擬發(fā)育在斷裂內(nèi)部及地層界面處的溶洞,另外溶洞具有不同的尺度和內(nèi)部充填物。圖10d為處理得到的疊后偏移地震剖面。

經(jīng)過(guò)分析可知,對(duì)于不同樣式的走滑斷裂,正花狀和負(fù)花狀斷裂帶在地震剖面上均呈現(xiàn)出“V”形的特征,斷裂帶整體呈現(xiàn)出雜亂反射能量異常的特征,二者的區(qū)別在于正花狀斷裂帶內(nèi)地層反射同相軸呈現(xiàn)上拉特征,而負(fù)花狀斷裂帶內(nèi)地層反射同相軸呈現(xiàn)下拉特征;在斷裂帶邊緣,高角度的斷裂呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀類“串珠”反射特征;而在斷裂帶內(nèi)部,次級(jí)斷裂很難準(zhǔn)確成像。對(duì)于地塹樣式斷裂帶,在地震剖面上最顯著特征是地層反射同相軸的斷裂和上下同寬的雜亂能量異常,同樣內(nèi)部的次級(jí)斷裂難以準(zhǔn)確成像。

而對(duì)于斷裂內(nèi)發(fā)育的溶洞,并不具有常規(guī)縫洞儲(chǔ)層體在地震剖面上的明顯“串珠”特征,這可能是由于溶洞響應(yīng)與斷裂響應(yīng)混疊造成的,增加了溶洞識(shí)別的難度。當(dāng)多個(gè)溶洞形成規(guī)模較大的儲(chǔ)集體后(圖10d紅圈處)以及界面處發(fā)育的溶洞(圖10d藍(lán)圈處)能夠出現(xiàn)“串珠”現(xiàn)象,但仍難以與斷裂響應(yīng)明顯區(qū)分。因此在實(shí)際斷溶體預(yù)測(cè)中,需要針對(duì)溶洞識(shí)別進(jìn)行更加深入的研究。

2.4 實(shí)際資料對(duì)比

通過(guò)模型與實(shí)際資料的對(duì)比,結(jié)合實(shí)際鉆井資料,梳理出順北地區(qū)3種典型斷裂地震響應(yīng)特征,建立了實(shí)際斷裂的識(shí)別模式(圖11)。模式1為斷裂弱反射：走滑斷裂在地震剖面上呈現(xiàn)出空白條帶或微弱長(zhǎng)條帶反射特征,說(shuō)明斷裂處于巖體弱破碎的發(fā)育程度。模式2為斷裂強(qiáng)反射：走滑斷裂在地震剖面上顯示出內(nèi)幕雜亂異常反射特征,能量的強(qiáng)弱受破裂程度影響,無(wú)明顯“串珠”特征說(shuō)明沒(méi)有與斷裂伴生的大型巖溶縫洞體。模式3為斷裂雜亂反射+“串珠”：在地震剖面上斷裂長(zhǎng)條狀雜亂反射特征明顯,并伴有顯著的局部“串珠”狀反射,說(shuō)明斷裂巖體較為破碎,并有較大規(guī)模的斷裂伴生巖溶縫洞儲(chǔ)層(斷溶體)。

圖10 順北走滑斷裂典型樣式物理模型a 順北走滑斷裂典型樣式模型示意; b 走滑斷裂典型樣式物理模型; c 溶洞發(fā)育位置設(shè)置; d 物理模型疊后偏移地震剖面

圖11 順北地區(qū)典型斷裂地震響應(yīng)特征識(shí)別模式a 弱反射; b 強(qiáng)反射; c雜亂反射+“串珠”

3 結(jié)論

為了明確順北地區(qū)走滑斷裂的地震響應(yīng)特征,針對(duì)走滑斷裂的寬度、非均質(zhì)程度、橫向可分辨能力、斷裂樣式及溶洞發(fā)育形式等要素分別進(jìn)行了物理模型的構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)地震數(shù)據(jù)的采集分析?；谖锢砟Ｐ徒Y(jié)果,經(jīng)過(guò)分析得到以下結(jié)論：

1) 不同類型的走滑斷裂帶在地震剖面上均呈現(xiàn)出長(zhǎng)條狀雜亂反射特征,反射能量是斷裂帶寬度及破碎程度的綜合效應(yīng);

2) 斷裂橫向分辨能力與上覆層無(wú)密切關(guān)系,主要受子波因素影響,但如果上覆地層吸收衰減嚴(yán)重,則會(huì)導(dǎo)致頻帶變窄,地震波長(zhǎng)變長(zhǎng),從而降低橫向分辨能力;

3) 斷裂帶內(nèi)部發(fā)育溶洞無(wú)明顯“串珠”特征,大規(guī)模溶洞及反射界面處發(fā)育的溶洞能夠產(chǎn)生“串珠”特征,但仍難與斷裂產(chǎn)生的雜亂反射進(jìn)行明顯區(qū)分。

4) 通過(guò)模型與實(shí)際地震資料對(duì)比,形成了3種典型斷裂響應(yīng)特征識(shí)別模式:斷裂弱反射、斷裂強(qiáng)反射、斷裂雜亂反射+“串珠”,為順北地區(qū)實(shí)際斷裂的識(shí)別與精細(xì)刻畫(huà)提供了有效參考。