順北地區(qū)斷控縫洞型儲層反射特征與預測技術探討

廖茂輝，劉 軍，龔 偉，王 鵬，劉 群

(中石化西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

1 引 言

順北地區(qū)經過幾年勘探，實現(xiàn)了油氣勘探的重大突破，開辟了北塔里木盆地奧陶系勘探的新陣地，展示了較好的勘探開發(fā)前景。隨著勘探的持續(xù)推進，揭示了順北地區(qū)及鄰區(qū)發(fā)育的克拉通內中小滑移距走滑斷裂體系對奧陶系碳酸鹽巖具有明顯的“控儲、控藏、控富”作用[1]。順北地區(qū)走滑斷裂體系伴生的縫洞儲層與塔河油田儲層的表生暴露成因不同，順北油氣田處于塔河油田外圍的上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)，上覆地層發(fā)育完整(未暴露)，狹義巖溶型儲層欠發(fā)育，但鉆探表明，在中—下奧陶統(tǒng)中，沿走滑斷裂仍發(fā)育大量非暴露巖溶縫洞型儲集層，且在中奧陶統(tǒng)一間房組頂界面之下，洞穴多數(shù)沿大、中型走滑斷裂帶的走向分布，沿斷裂帶方向側鉆井的成功率很高，不同級次斷裂對于縫洞儲集層均有極強的控制作用，油氣田高產、穩(wěn)產且不含水[2]。順北地區(qū)縫洞型儲層的形成與斷裂的發(fā)育關系密切，斷裂與縫洞型儲層是一種伴生關系。斷裂的發(fā)育控制了縫洞型儲層的規(guī)模，斷裂的走向、期次及分段性控制了縫洞型儲層的復雜性。順北油氣田在勘探思路和技術方法上借鑒了塔河油田的經驗，主要借助地球物理上相干與振幅的異常值定位鉆井靶點[3]。但是順北地區(qū)與塔河地區(qū)油氣藏成因及特征是有差別的，其儲層地震反射特征和預測思路與以前的經驗也有差異，本文針對這兩方面進行探討。

2 斷控縫洞型儲集體地震反射特征

塔里木盆地順北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲層屬于主干斷裂控制下經多期巖溶改造形成的縫洞型儲層，油氣藏埋深普遍大于7 000 m，構造復雜。深大斷裂在多期運動和溶蝕作用下，伴生了大量次級斷裂，既可能是底部烴源巖通向儲層的油氣運移通道，也可能產生封閉效應而有利于圈閉的形成，斷裂系統(tǒng)是影響碳酸鹽巖儲層分布的重要因素[4]。順北地區(qū)斷控縫洞型儲層是以斷裂帶為核心，圍繞斷裂帶進一步溶蝕形成儲集空間。斷裂帶既是儲層形成的主控因素又是全部儲層總的表征；簡單地說，斷裂既是油氣運移通道，又是油氣儲集的空間。通過歷年來的研究認識到，有效儲層地震反射類型主要有“串珠、雜亂、片狀和弱反射”類型，其中“串珠”反射為最優(yōu)質的儲層類型[5]。地震反射類型對應到地質目標即為洞穴型、孔洞型、孔洞-裂縫型、斷裂類型，它們并不是相互獨立的，而是相互影響交織形成若干亞級儲集類型。

2.1 T74界面地震反射特征

順北地區(qū)T74界面為奧陶系碳酸鹽巖與碎屑巖的分界面，地震反射特征為波峰強反射。當T74界面附近存在斷裂時，地震波場會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，T74界面的反射特征就會出現(xiàn)異常。如圖1(a)所示，設計一組斷裂帶距離T74界面不同距離，目的是了解T74界面與斷裂帶的相互干涉現(xiàn)象。根據(jù)已鉆井和前人研究及經驗設計地質模型，斷裂帶寬度60 m，內部充填均勻介質，速度5 000 m/s；斷裂帶頂端距離T74界面分別為0、19 m、38 m、50 m、60 m、76 m、90 m、120 m、180 m、200 m。桑塔木組速度4 600 m/s，一間房組速度6 100 m/s，鷹山組上段速度6 200 m/s，鷹山組下段速度6 300 m/s。通過波動方程正演及偏移成像，地震剖面如圖1(b)所示。從圖1分析可知，斷裂帶頂部接近T74界面，T74反射軸呈現(xiàn)空白反射、弱反射或T74反射面錯斷，如圖1(b)中的①所示。隨著斷裂帶頂部與T74界面的距離增大，T74反射軸出現(xiàn)輕微褶曲，波峰波谷能量有所增強，如圖1(b)中的②～④所示。當斷裂帶頂部與T74界面的距離繼續(xù)增大至1/4波長附近，T74反射軸的能量達到最強，如圖1(b)中的⑥所示。當斷裂帶頂部與T74界面的距離超過1/4波長時，T74界面下波谷出現(xiàn)下拉現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)“串珠”特征，如圖1(b)中的⑧～所示。總的來說當T74界面附近有斷裂帶時，T74反射軸表現(xiàn)為弱反射、小褶曲、波谷能量增強、波谷同相軸下拉和“串珠”五種類型反射特征。

圖1 斷裂帶頂部與T74不同距離的地質模型和正演剖面Fig.1 Geological model and forward section at different distance between the top of fault zone and interface T74

2.2 奧陶系內幕儲層地震反射特征

奧陶系內幕斷裂充當儲集空間時，與洞穴、孔洞是有區(qū)別的，相同點是橫向尺寸有限；不同點是洞穴、孔洞縱向尺寸很小，斷裂縱向貫穿多個地層且平面上延伸很遠。從塔河地區(qū)的經驗可知，洞穴、孔洞的地震反射特征為“串珠”。順北地區(qū)以走滑斷裂為主，斷裂的地震反射特征從模型正演入手分析。

2.2.1 儲層內部為均勻介質

設計地質模型，如圖2(a)所示，儲集空間橫向寬度為60 m，縱向長度依次增大(1/16波長～9波長)，距離T74界面230 m，儲集體速度為5 000 m/s，地層背景速度6 100～6 400 m/s。模型設計的目的是模擬從洞穴到斷裂演變的地震波長特征。經過波動方程正演及偏移成像處理，得到地震偏移剖面如圖2(b)所示。從圖2分析，儲集體的縱向尺寸小于1/2波長時，儲集體的地震響應特征為單“串珠”，如圖2(b)中的①～④所示。當儲集體的縱向尺寸為1/2波長～1波長時，儲集體的地震響應特征為長“串珠”，如圖2(b)中的⑤和⑥所示。當儲集體的縱向尺寸大于1波長時，儲集體的頂、底地震響應特征為“串珠”，儲集體的內部地震響應特征為空白反射或弱反射，如圖2(b)中的⑦～所示。

孔洞、洞穴與斷裂的區(qū)別主要表現(xiàn)為空間尺寸的不同，孔洞、洞穴地震響應特征通常是孤立的“串珠”；斷裂的地震響應特征除了“串珠”特征，根部同相軸還有錯斷的現(xiàn)象，如圖2(b)中的～所示。

2.2.2 儲層內部為非均勻介質

設計地質模型，如圖3(a)所示，斷裂帶底部寬度400 m，頂部寬度1 000 m，斷裂帶內部充填隨機介質，隨機介質速度為5 000 m/s。斷裂帶內部隨機介質密度從左到右依次增大，密度為3 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %、40 %，以模擬斷裂帶內部的破碎程度和了解斷裂帶不同破碎程度的地震響應特征。碳酸鹽巖背景速度為6 100～6 300 m/s，通過波動方程正演及偏移處理，得到地震剖面如圖3(b)所示。從圖3(b)的正演剖面分析，斷裂帶在低破碎程度充填下表現(xiàn)為雜亂弱反射特征，隨著斷裂帶破碎程度的增加，雜亂弱反射特征能量逐漸增強，能量增強到一定程度，雜亂反射區(qū)域局部表現(xiàn)為類似強“串珠”反射特征。

圖2 洞穴向斷裂帶演變的地質模型和正演剖面Fig.2 Geological model and forward section of cave to fault zone evolution

圖3 斷裂帶內部充填隨機介質的地質模型和正演剖面Fig.3 Geological model and forward section filled with random medium in the fault zone

3 斷控縫洞型儲集體儲層地震預測技術

通過斷裂帶及內幕儲集體的模型正演及對比分析，得到其地震反射特征認識；斷裂對碳酸鹽巖優(yōu)質儲層的發(fā)育具有十分重要的作用，理清斷裂帶及其展布情況對于儲層預測尤為重要[6-9]。下面就不同儲集體類型和地震反射特征的預測方法技術進行討論。

3.1 斷裂帶輪廓刻畫技術

結構張量，也叫二階累積量矩陣，是矩陣的偏導數(shù)的表達式。在圖像處理和計算機可視化等研究領域，該方法主要用于梯度計算、邊緣檢測或信息相似性分析[10]。

地震結構張量屬性識別地震同相軸的走向，其核心就是參照判斷流體勢能相同的方法判斷地震同相軸的產狀。三維地震數(shù)據(jù)體中按x線方向、y道方向、z雙程旅行時方向計算每一點的梯度矢量。計算公式如下：

g=

(1)

其中,g是梯度矢量；u是三維地震數(shù)據(jù)體。

通過梯度矢量可以構建梯度結構張量場T，計算公式如下：

(2)

進一步計算梯度結構張量T的特征值，具體公式如下：

|TV-λV|=0

(3)

其中λ和V分別是特征值和特征向量，由于矩陣T為實對稱矩陣，所以滿足三個特征值λ1≥λ2≥λ3>0。由實對稱矩陣的性質可知，三個特征向量V1，V2，V3兩兩正交。

根據(jù)特征值可以判斷地層各向異性和斷裂帶特征：

①λ1=λ2=λ3>0，這是各向同性的情況，由于地震數(shù)據(jù)是成層的，所以這種情況很少見，即使在地震資料非常好的情況下也很少出現(xiàn)這種情況。

②λ1>λ2=λ3≈0，λ1值較大，λ2和λ3接近于0，這種情況常出現(xiàn)在地震資料品質好、而且地震同相軸比較平的條件下，這里的λ1對應的矢量方向接近Z方向。

③λ1>λ2>λ3≈0，這種情況需要根據(jù)特征值和特征向量準確計算濾波向量，λ1的高值主要反應水平同相軸，為能量變化最為劇烈的部位；λ2主要體現(xiàn)雜亂反射特征。適當對特征值進行平滑濾波，可以體現(xiàn)斷裂帶的特征和整體輪廓。

順北地區(qū)儲層主要是走滑斷裂控制下縫洞體，實踐表明結構張量屬性能很好的刻畫斷裂帶的邊界，為儲層預測、圈閉刻畫、儲量估算等提供指導和邊界約束。圖4(a)為實際地震剖面，圖4(b)為結構張量屬性剖面，地震剖面與結構張量屬性剖面相似，但結構張量屬性刻畫斷裂帶邊界更清晰。圖4(c)為結構張量描述的斷裂帶范圍，圖4(d)為結構張量三維雕刻的斷裂空間。從圖4分析，結構張量屬性是斷裂帶輪廓刻畫的敏感屬性，能很好地描述斷裂帶的空間結構，也可展現(xiàn)斷裂帶內部破碎地層的分段性。

3.2 斷裂及裂縫預測技術

相干數(shù)據(jù)體是通過計算相鄰地震道之間的相似性測量地震波的橫向變化特征，從而反映地質體三維展布規(guī)律。它是用來計算由構造、地層、巖性等各種地質因素引起的地震響應橫向變化的一種方法，可以突出相鄰道的不連續(xù)性，壓制其連續(xù)性，使各種地質構造異常和巖性變化的顯示更加清晰、直觀[11]。

本征值相干算法以多道或多個子體為對象進行道比較和相似性計算，同時進行基于層位的傾角和方位角估計，從常規(guī)數(shù)據(jù)的縱測線地震顯示上估計真傾角最大值來定義離散視傾角范圍。通常當?shù)貙泳哂凶呦蚝蛢A向多變特征值時，如巖底辟、前積三角洲、火山巖地層等，計算出獨立的相干數(shù)據(jù)體、傾角數(shù)據(jù)體和方位角數(shù)據(jù)體，傾角和方位角等屬性的變化指示地層、褶皺和巖體的邊界。此算法最大的優(yōu)點是抗噪能力和分辨率更高。

在三維地震數(shù)據(jù)體中，由相鄰的I道，每道J個樣點的數(shù)據(jù)子體構成矩陣為：

D|xi,j|I×J

(4)

式中：D是地震數(shù)據(jù)子體矩陣，I是計算的地震道數(shù)，J是每道地震數(shù)據(jù)的樣點數(shù)。則D的協(xié)方差矩陣為：

(5)

方程(2)中協(xié)方差矩陣C的本征值的數(shù)目表示數(shù)據(jù)子體中自由度的個數(shù)，因此最大本征值在整體中所占有的份額就是該子體中的相似性，即

(6)

式中：Rc表示互相關系數(shù)；λi是矩陣的第i個本征值。

應用本征值相干算法對順北地區(qū)5號斷裂帶進行斷裂檢測。圖5(a)為相干與地震的疊合剖面，從剖面上看斷裂帶清晰，主干斷裂縱向連續(xù)性好，與地震軸匹配。圖5(b)為相干平面圖，從圖5看5號主干斷裂特征明顯，斷裂帶內幕結構特征突出。

圖5 地震與相干疊合剖面和相干平面Fig.5 Seismic and coherent superposition section and coherent map

3.3 洞穴、孔洞預測技術

地震反演是利用地表觀測的地震資料，以已知地質規(guī)律和鉆井、測井資料為約束，對地下巖層空間結構和物理性質進行成像(求解)的過程。通俗的講就是由地震資料為基礎加上其他條件為約束推測出地層巖性構造的過程叫地震反演。

約束稀疏脈沖反演是基于褶積模型的遞推反演方法[12]，約束稀疏脈沖反演的基本原理是基于地下的強反射系數(shù)界面是稀疏分布的這一認識來實現(xiàn)的[13]，它是以疊后保幅地震數(shù)據(jù)為主，以地質、測井為約束。從地震道中根據(jù)稀疏的原則提取反射系數(shù)，與子波褶積后生成合成地震記錄；利用合成地震記錄與原始地震道殘差的大小修改參與褶積的反射系數(shù)個數(shù)，再做合成地震記錄；如此迭代，最終得到一個能最佳逼近原始地震道的反射系數(shù)序列[14-17]。

洞穴、孔洞型儲層的主要特征是在地震剖面中形成“串珠、強振幅”反射異常，儲層預測的關鍵在于識別“強振幅”異常體的空間分布，地震反演通常能識別強反射異常。圖6為地震剖面與波阻抗雕刻的孔洞剖面對比，從圖6中可知，通過波阻抗反演能將“串珠反射”、強異常反射表現(xiàn)出來，再利用空間雕刻技術能詳細刻畫孔洞特征(圖6(b))。

圖6 地震剖面與波阻抗雕刻的孔洞剖面Fig.6 Seismic profile and hole profile carved by wave impedance

3.4 特征屬性融合技術

地震屬性是由地震數(shù)據(jù)衍生出來的幾何形態(tài)、運動學、動力學以及統(tǒng)計特征的特殊量度，是反映地震波的特征參數(shù)[18-23]。地震屬性與儲層巖性、流體性質、儲層參數(shù)之間的關系復雜，每一種屬性只是儲層一個或幾個特征參數(shù)的地球物理響應，并不能反映儲層整個性質特征，使用單一屬性分析并預測儲層往往會帶來多解性。為了較好地解決單一屬性的局限性問題，最大程度地克服使用單一屬性的盲目性，通常采用多屬性分析技術，亦即從繁多的地震屬性中優(yōu)選出有效的屬性信息，同時參與儲層預測研究，充分運用地震數(shù)據(jù)具有較好橫向連續(xù)性的特征，優(yōu)選出與儲層特征有關的優(yōu)化地震屬性及屬性組合，刻畫儲層的平面展布特征，有效提高地震儲層預測精度。因此，地震多屬性聯(lián)合預測開展研究是降低地震屬性多解性、重點突出有利儲層的有效方法。

通過結構張量屬性刻畫斷裂帶空間輪廓，作為斷控儲集體預測的約束條件。在張量輪廓刻畫的基礎上結合斷裂預測、孔洞洞穴預測進行多種地質目標的融合，即斷溶體。圖7為斷裂帶輪廓約束下多種儲層融合體，其中黃色為溶洞，紅色為斷裂，綠色為孔洞和裂縫。多屬性融合體描述了斷裂帶的展布、斷裂帶內部特征，體現(xiàn)了斷裂帶內幕儲層的結構特點，因此多屬性特征融合是儲層預測的綜合描述方法。

圖7 多屬性融合體Fig.7 Multi attribute fusion body

4 結 語

通過對順北地區(qū)斷控縫洞型儲層進行正演模擬以及預測方法技術探討，初步取得了幾點認識：

1)奧陶系碳酸鹽巖頂面附近斷裂帶反射特征為同相軸錯斷、“空白”反射或弱反射，遠離灰?guī)r頂面斷裂帶表現(xiàn)為“串珠”狀強異常反射；

2)奧陶系碳酸鹽巖內幕斷控儲集體表現(xiàn)為雜亂反射、局部為“串珠”狀反射，反射強度與斷裂、裂縫破碎程度相關；

3)奧陶系碳酸鹽巖內幕洞穴為孤立的“串珠”反射，斷裂帶為垂向的長“串珠”反射；

4)結構張量技術、相干技術、地震反演技術、屬性雕刻及融合技術等是斷控縫洞型儲集體預測的有效手段，在順北地區(qū)取得了很好的效果。