渤海油田渤中A構(gòu)造太古宙潛山裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

李堯，張笑桀，劉恭利，龔敏

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 渤海石油研究院,天津 300459)

0 引言

潛山油氣藏常常具有埋藏深、地層壓力大及構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，其內(nèi)部?jī)?chǔ)集空間主要是以裂縫為主[1-2]，勘探開(kāi)發(fā)潛力較大，因此潛山油氣藏一直是國(guó)內(nèi)外尋找大型油氣田的一個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域。潛山油藏中裂縫發(fā)育程度與油氣儲(chǔ)集情況密切相關(guān)，所以可靠而有效地識(shí)別和預(yù)測(cè)潛山裂縫發(fā)育情況是實(shí)現(xiàn)該類(lèi)油藏成功勘探和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵[3-4]。

渤中A構(gòu)造位于渤海海域渤中凹陷、黃河口凹陷與沙南凹陷交接處，整體具有洼中隆的構(gòu)造背景，成藏條件優(yōu)越。1井在太古宙潛山獲得重大發(fā)現(xiàn)，解釋氣層106 m，揭示了太古宙變質(zhì)巖潛山巨大的天然氣勘探潛力。然而渤中A構(gòu)造作為渤海首個(gè)大型深埋太古宙潛山評(píng)價(jià)目標(biāo)，平均埋深在4 000 m以上，潛山內(nèi)幕地震資料成像質(zhì)量較差，噪聲干擾嚴(yán)重，利用常規(guī)地震屬性開(kāi)展裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)效果不理想。另外，潛山裂縫儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，橫向變化快，由于研究區(qū)地震資料方位角較窄，常規(guī)基于方位各向異性裂縫檢測(cè)的方法在該區(qū)并不適用，所以缺乏有效的裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)手段，制約了該區(qū)勘探評(píng)價(jià)的順利實(shí)施。

1 研究區(qū)特點(diǎn)

研究區(qū)太古宙潛山裂縫儲(chǔ)層主要受構(gòu)造及風(fēng)化作用雙重影響，在垂向上存在明顯的分帶性，根據(jù)主控因素不同，可劃分為風(fēng)化裂縫帶以及內(nèi)幕裂縫帶(圖1)。其中風(fēng)化裂縫帶由于其長(zhǎng)期暴露于地表,主要以風(fēng)化溶蝕縫為主，發(fā)育層段在潛山表層以下120 m以內(nèi)，在地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)的強(qiáng)反射。而內(nèi)幕裂縫帶受風(fēng)化作用弱，主要是受構(gòu)造活動(dòng)影響形成的構(gòu)造縫，在地震剖面上呈雜亂反射，局部具有較明顯的高角度反射特征(圖2)。由于風(fēng)化裂縫帶與內(nèi)幕裂縫帶地震反射及巖石物理特征存在較大差異，因此需要根據(jù)其不同特點(diǎn)分別采用針對(duì)性的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)。

圖1 1井潛山分帶Fig.1 Zoning map of buried hill in well 1 圖2 潛山裂縫儲(chǔ)層分帶模式Fig.2 Fracture reservoir zoning pattern in buried hill

本文從潛山裂縫儲(chǔ)層成因分析及分帶性研究出發(fā)，針對(duì)風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫帶儲(chǔ)層不同的裂縫響應(yīng)特征，分別開(kāi)展了針對(duì)性的技術(shù)攻關(guān)探索。其中針對(duì)風(fēng)化帶裂縫儲(chǔ)層，基于雙參數(shù)疊前裂縫儲(chǔ)層孔隙度預(yù)測(cè)技術(shù)，采用三維彈性參數(shù)交會(huì)分析建立橫波阻抗、密度與裂縫儲(chǔ)層孔隙度的擬合關(guān)系，通過(guò)疊前彈性參數(shù)反演實(shí)現(xiàn)裂縫儲(chǔ)層孔隙度預(yù)測(cè)，精細(xì)描述了風(fēng)化帶裂縫儲(chǔ)層物性發(fā)育規(guī)律。針對(duì)內(nèi)幕裂縫帶，通過(guò)F-K域相干增強(qiáng)技術(shù)改善潛山內(nèi)幕有效高陡反射成像，并運(yùn)用走向和傾向聚類(lèi)增強(qiáng)的邊緣檢測(cè)技術(shù)對(duì)潛山內(nèi)幕裂縫發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了綜合表征。最終的研究結(jié)果有力支持了目標(biāo)區(qū)的勘探評(píng)價(jià)，并得到了新鉆井的驗(yàn)證，也為目標(biāo)區(qū)繼續(xù)尋找潛力及下一步勘探評(píng)價(jià)提供了重要依據(jù)。

2 基于疊前彈性參數(shù)的風(fēng)化帶裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)

通過(guò)對(duì)目標(biāo)區(qū)潛山裂縫儲(chǔ)層巖石物理參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化帶裂縫儲(chǔ)層受風(fēng)化剝蝕作用明顯，儲(chǔ)層物性較好。彈性參數(shù)進(jìn)行交會(huì)分析發(fā)現(xiàn)(圖3)，橫波阻抗和密度參數(shù)能夠較好地識(shí)別風(fēng)化帶的裂縫儲(chǔ)層，其中風(fēng)化帶優(yōu)質(zhì)裂縫儲(chǔ)層主要表現(xiàn)為明顯的低橫波阻抗、低密度和高孔隙度特征(藍(lán)色圈所示)，而在潛山內(nèi)幕裂縫儲(chǔ)層與非裂縫儲(chǔ)層的致密段具有較明顯的疊置特征，區(qū)分效果不明顯。因此，借助疊前彈性參數(shù)反演得到橫波阻抗和密度體屬性能夠有效地用于識(shí)別風(fēng)化帶裂縫儲(chǔ)層[5-10]。

圖3 1井和2井彈性參數(shù)交會(huì)分析Fig.3 Well 1 and well 2 crossplot of elastic parameters

針對(duì)以往僅利用橫波阻抗或者密度等單參數(shù)線性預(yù)測(cè)，導(dǎo)致預(yù)測(cè)裂縫孔隙度準(zhǔn)確度不高、線性化嚴(yán)重的問(wèn)題，本文基于三維彈性參數(shù)的交會(huì)分析(圖4a)，交會(huì)結(jié)果顯示橫波阻抗和密度參數(shù)與裂縫總孔隙度之間具有較好的三維相關(guān)關(guān)系，提出了基于雙參數(shù)的裂縫儲(chǔ)層孔隙度預(yù)測(cè)方法，首先以裂縫總孔隙度曲線作為目標(biāo)曲線，橫波阻抗曲線與密度曲線作為計(jì)算曲線，通過(guò)參與計(jì)算曲線的線性匹配關(guān)系模擬目標(biāo)曲線，并與先驗(yàn)?zāi)繕?biāo)曲線進(jìn)行誤差分析，優(yōu)選誤差最小的組合關(guān)系作為最終的雙參數(shù)擬合關(guān)系輸出，從而得到預(yù)測(cè)的總孔隙度曲線。

a—三維彈性參數(shù)交會(huì)分析;b—裂縫孔隙度曲線預(yù)測(cè)a—3D elastic parameter analysis;b—prediction of fracture porosity curve圖4 基于二元結(jié)構(gòu)的裂縫孔隙度擬合Fig.4 Fracture porosity fitting based on dual structure

如圖4b所示，橫波阻抗與密度進(jìn)行的雙參數(shù)裂縫孔隙度預(yù)測(cè)結(jié)果與原始裂縫孔隙度曲線具有較好的一致性。該方法不僅拓展了以疊前彈性參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行裂縫孔隙度預(yù)測(cè)的思路，而且對(duì)該區(qū)進(jìn)一步開(kāi)展疊前裂縫孔隙度研究具有重要的借鑒意義。

通過(guò)疊前同時(shí)反演方法得到橫波阻抗體和密度體，再根據(jù)彈性參數(shù)立體交會(huì)的雙參數(shù)孔隙度擬合關(guān)系，得到預(yù)測(cè)的孔隙度體(圖5)。結(jié)合已鉆井結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆井吻合效果非常理想，其中2井位于構(gòu)造相對(duì)較高部位，受風(fēng)化作用較強(qiáng)，預(yù)測(cè)結(jié)果指示該井上部風(fēng)化裂縫帶儲(chǔ)層相對(duì)發(fā)育，與鉆井規(guī)律相吻合。預(yù)測(cè)的孔隙度平面屬性與古地貌圖也有較好的一致性(圖6、7)，其中古地貌的高部位主要對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)風(fēng)化裂縫帶儲(chǔ)層相對(duì)發(fā)育的高孔隙度區(qū)域。以該研究結(jié)果作為依據(jù)，設(shè)計(jì)的4井位于斷塊的局部高點(diǎn)，在風(fēng)化裂縫帶發(fā)現(xiàn)很好的裂縫儲(chǔ)層，其中有效裂縫儲(chǔ)層117.9 m，從而證實(shí)了風(fēng)化帶裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。

圖5 疊前預(yù)測(cè)孔隙度體剖面Fig.5 Porosity profile of pre-stack prediction

圖6 孔隙度體平面屬性Fig.6 Plane attribute of the porosity

圖7 潛山頂面古地貌Fig.7 Paleogeomorphic map of buried hill top

3 潛山內(nèi)幕裂縫帶儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)

渤中A構(gòu)造潛山內(nèi)幕主要發(fā)育以構(gòu)造作用為主的構(gòu)造縫，裂縫發(fā)育與斷裂特征有很好的相關(guān)性，地震剖面局部發(fā)育明顯的高角度反射特征，這種高陡反射與潛山內(nèi)幕裂隙組發(fā)育程度具有密切聯(lián)系。但是由于潛山內(nèi)幕反射連續(xù)性差，受噪聲影響嚴(yán)重，原始地震資料難以有效表征內(nèi)幕裂縫儲(chǔ)層發(fā)育情況。本文首先基于F-K域相干增強(qiáng)技術(shù)對(duì)潛山內(nèi)幕連續(xù)有效反射進(jìn)行增強(qiáng)處理，凸顯潛山內(nèi)幕有效高陡反射成像，進(jìn)一步創(chuàng)新應(yīng)用基于聚類(lèi)分析邊緣增強(qiáng)裂縫檢測(cè)技術(shù)，對(duì)潛山內(nèi)幕裂縫帶儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律進(jìn)行綜合表征。

3.1 基于F-K域的相干增強(qiáng)技術(shù)

連續(xù)信號(hào)與非連續(xù)信號(hào)在頻率—波數(shù)域內(nèi)存在差異，因此可采用F-K變換將信號(hào)從時(shí)間空間域轉(zhuǎn)換到頻率波數(shù)域進(jìn)行分析，將反射時(shí)間t和地震道空間位置x表示的函數(shù)f(t,x)變換為以頻率f和空間波數(shù)k表示的函數(shù)：

(1)

式中：f為頻率；k為空間波數(shù)；t為反射時(shí)間；x為地震道所在位置；F(f,k)為數(shù)據(jù)的頻率—波數(shù)譜。有效信號(hào)和干擾信號(hào)在頻率和視速度上是可區(qū)分的，這也為采用頻率—波數(shù)域?yàn)V波方法壓制干擾，增強(qiáng)有效連續(xù)信號(hào)提供了條件[11-13]。

為了驗(yàn)證不同裂縫延伸長(zhǎng)度下的F-K域特征，通過(guò)建立如圖8所示高陡模型進(jìn)行分析，其中圖8為無(wú)噪聲的正演結(jié)果，圖9是加入隨機(jī)噪聲后的正演結(jié)果。

圖8 高陡反射無(wú)噪聲模型Fig.8 Noiseless model of steep reflection

圖9 高陡反射有噪聲模型Fig.9 Noise model of steep reflection

分別將上述模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率—波數(shù)域，如圖10和圖11所示，在地震剖面中傾角相同的同相軸，無(wú)論反射延伸長(zhǎng)度為多少，在F-K域中都集中在一條線上，即視速度相同的同相軸在F-K域中主要集中在某一個(gè)f/k角度附近。因此，選取優(yōu)勢(shì)角度范圍的數(shù)據(jù)在F-K域內(nèi)進(jìn)行增強(qiáng)，再將其反變換到時(shí)空域，可以達(dá)到對(duì)連續(xù)有效反射進(jìn)行增強(qiáng)的目的。圖12是圖9模型數(shù)據(jù)通過(guò)F-K域相干增強(qiáng)后的結(jié)果，增強(qiáng)后剖面同相軸能量更突顯，信噪比更高。

圖10 無(wú)噪聲F-K域模型Fig.10 Noiseless model in F-K domain

圖11 有噪聲F-K域模型Fig.11 Noise model in F-K domain

圖12 F-K域相干增強(qiáng)后的模型Fig.12 F-K domain coherent enhanced model

圖13為1井完鉆后部署的兩口設(shè)計(jì)井的地震剖面，能夠看出渤中A構(gòu)造太古宙潛山地層普遍存在高陡反射，由于受到地震資料品質(zhì)的制約，表現(xiàn)為斷續(xù)反射，從而影響了潛山內(nèi)幕裂縫儲(chǔ)層表征精度。

圖13 原始純波地震剖面Fig.13 Seismic profile of original pure wave

圖14是采用F-K域相干增強(qiáng)技術(shù)處理后的地震剖面，它不但能夠有效地突出潛山內(nèi)幕的高角度連續(xù)有效反射，而且降低了隨機(jī)噪聲的干擾，為進(jìn)一步開(kāi)展?jié)撋絻?nèi)幕裂縫發(fā)育表征奠定了良好的資料基礎(chǔ)。

圖14 F-K域相干增強(qiáng)處理后剖面Fig.14 Seismic profile after F-K domain coherent enhancement

3.2 基于聚類(lèi)分析的邊緣增強(qiáng)裂縫檢測(cè)技術(shù)

常規(guī)潛山內(nèi)幕裂縫檢測(cè)方法大多是基于斷裂檢測(cè)方法的拓展應(yīng)用，如相干體類(lèi)裂縫檢測(cè)方法、曲率屬性裂縫檢測(cè)方法以及構(gòu)造不連續(xù)性裂縫檢測(cè)方法等。由于研究區(qū)潛山內(nèi)幕地震反射產(chǎn)狀變化較大，高、低角度傾斜反射并存，將這些檢測(cè)方法直接應(yīng)用于研究區(qū)內(nèi)幕潛山裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中，會(huì)將地層的傾角與斷裂、裂縫帶的信息混淆，應(yīng)用效果往往存在不確定性。而且常規(guī)檢測(cè)手段通常以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為主，沒(méi)有將斷裂或裂縫帶的傾向和走向等信息納入到檢測(cè)結(jié)果計(jì)算中，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果難以滿足精確檢測(cè)裂縫走向和富集程度的需求。

在F-K相干增強(qiáng)處理后的地震資料基礎(chǔ)上，采用基于聚類(lèi)分析的邊緣增強(qiáng)裂縫檢測(cè)技術(shù)對(duì)渤中A構(gòu)造內(nèi)幕裂縫帶儲(chǔ)層進(jìn)行預(yù)測(cè)。該方法可根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的大小調(diào)節(jié)計(jì)算尺度，從地震資料提取大型斷裂、小型斷裂或裂縫發(fā)育區(qū)的信息，使得檢測(cè)結(jié)果清晰、精確、平剖一致，進(jìn)一步通過(guò)聚類(lèi)分析將斷裂或裂縫帶的走向、傾向納入到了最后的結(jié)果計(jì)算中，提高預(yù)測(cè)結(jié)果信噪比的同時(shí)，進(jìn)一步反映裂縫帶的走向和發(fā)育程度[14-21]。

圖15為雙向聚類(lèi)的邊緣增強(qiáng)裂縫檢測(cè)實(shí)現(xiàn)流程，首先基于地震數(shù)據(jù)計(jì)算得到傾角相干體，由于采用主、聯(lián)測(cè)線模型進(jìn)行逐點(diǎn)、逐道的方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對(duì)振幅變化更加敏感，包含有更多的地質(zhì)體信息和更高的分辨率；其次，對(duì)于傾角相干體分別沿水平和縱向提取斷裂、裂縫帶走向和傾向體，能夠解決預(yù)測(cè)裂縫儲(chǔ)層走向的難題；最后，將走向體與傾向體進(jìn)行聚類(lèi)分析，進(jìn)一步增強(qiáng)有效成像，最終結(jié)果能更加精確地描述裂縫帶的走向和裂縫發(fā)育程度。

圖15 基于聚類(lèi)分析的邊緣增強(qiáng)裂縫檢測(cè)流程Fig.15 Flow of clustering analysis edge enhancement fracture detection

從潛山內(nèi)幕地震反射特征(圖16b)可以發(fā)現(xiàn)，2井內(nèi)幕地震反射較破碎，高角度反射特征發(fā)育，1井次之，3井潛山內(nèi)幕同相軸主要表現(xiàn)為層狀連續(xù)的反射特征。通過(guò)聚類(lèi)邊緣增強(qiáng)裂縫檢測(cè)結(jié)果的過(guò)井剖面分析(圖16a)，裂縫檢測(cè)結(jié)果上的響應(yīng)異常與地震資料中的高角度反射具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中2井區(qū)結(jié)果表明內(nèi)幕裂縫帶相對(duì)發(fā)育，1井處內(nèi)幕裂縫帶響應(yīng)相對(duì)較弱，而3井鉆遇處基本無(wú)斷裂或裂縫響應(yīng)。該結(jié)果有效指導(dǎo)了2井井位部署，并為2井在內(nèi)幕裂縫帶的加深鉆探提供直接依據(jù)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆信息吻合度較高，最終2井內(nèi)幕裂縫帶解釋有效裂縫儲(chǔ)層175.1 m，同時(shí)研究成果也為后續(xù)4井的鉆探提供了重要依據(jù)。

a—F-K增強(qiáng)處理后的聚類(lèi)增強(qiáng)裂縫檢測(cè)剖面;b—F-K增強(qiáng)處理后的地震剖面a—profile of clustering edge enhancement fracture detection after F-K domain coherent enhancement;b—seismic profile after F-K domain coherent enhancement圖16 基于聚類(lèi)分析邊緣增強(qiáng)裂縫檢測(cè)效果Fig.16 Result of bidirectional clustering edge enhancement fracture detection

4 應(yīng)用效果

針對(duì)渤中A構(gòu)造太古宙潛山裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的難題，對(duì)風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫帶儲(chǔ)層分別開(kāi)展了針對(duì)性的裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法攻關(guān)，研究成果有效解決了該構(gòu)造勘探評(píng)價(jià)階段面臨的諸多難點(diǎn)，能夠有效地描述該區(qū)風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫儲(chǔ)層主要發(fā)育區(qū)域，為該構(gòu)造的初步評(píng)價(jià)提供了有效技術(shù)支撐。

在該研究成果的指導(dǎo)下，2井和4井在太古宙潛山風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫帶均獲得很好的勘探發(fā)現(xiàn)(圖17)，其中2井潛山有效裂縫儲(chǔ)層累計(jì)271 m，4井潛山有效裂縫儲(chǔ)層累計(jì)220 m。研究成果也進(jìn)一步揭示了研究區(qū)裂縫儲(chǔ)層發(fā)育的潛力區(qū)域，有力助推了渤中A構(gòu)造天然氣勘探評(píng)價(jià)。

a—風(fēng)化裂縫帶儲(chǔ)層預(yù)測(cè)效果;b—內(nèi)幕裂縫帶儲(chǔ)層預(yù)測(cè)效果;c—鉆井柱狀圖a—the distribution of the fractured reservoir in the weathered zone;b—the distribution of reservoir in the inner fracture zone;c—the drill bore column圖17 太古宙潛山裂縫儲(chǔ)層綜合預(yù)測(cè)效果Fig.17 Comprehensive prediction effect of fractured reservoir in Archean buried hill

5 結(jié)論

從渤中A構(gòu)造太古宙潛山風(fēng)化帶和潛山內(nèi)幕不同裂縫儲(chǔ)層的響應(yīng)特征分析入手，開(kāi)展了針對(duì)性的技術(shù)方法研究。針對(duì)風(fēng)化裂縫帶儲(chǔ)層，通過(guò)巖石物理機(jī)理分析，創(chuàng)新利用基于三維彈性參數(shù)交會(huì)的裂縫儲(chǔ)層孔隙度預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)化帶裂縫儲(chǔ)層物性發(fā)育規(guī)律的有效表征，是一種有效的裂縫儲(chǔ)層物性預(yù)測(cè)方法；針對(duì)潛山內(nèi)幕裂縫儲(chǔ)層，從構(gòu)造縫發(fā)育的規(guī)律入手，重點(diǎn)開(kāi)展針對(duì)潛山內(nèi)幕高陡有效反射特征的F-K域增強(qiáng)處理，提升內(nèi)幕資料品質(zhì)，并通過(guò)聚類(lèi)增強(qiáng)的邊緣檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)幕裂縫發(fā)育規(guī)律有效表征，對(duì)以構(gòu)造縫為主的潛山內(nèi)幕勘探是一種快速有效的方法。

本文提出的研究方法成功指導(dǎo)了渤中A構(gòu)造勘探評(píng)價(jià)井位設(shè)計(jì)，尤其在海上地震資料方位角較窄，且勘探初期井位較少的情況下，為目標(biāo)區(qū)太古宙潛山裂縫儲(chǔ)層發(fā)育模式研究及潛力尋找提供直接依據(jù)，也為渤海相近油田潛山目標(biāo)研究提供很好的借鑒，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。