碳酸鹽巖小縫洞群儲集體地震表征方法

鄧光校， 馬永強(qiáng)， 謝瑋

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院， 武漢 430074；2.中國石化西北油田分公司， 烏魯木齊 830011； 3.中國石化石油物探技術(shù)研究院， 南京 211103)

塔河油田奧陶系勘探開發(fā)成果表明，其主要產(chǎn)層為中下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖儲層，是由一套或者多套成熟期—過成熟期的溶洞系統(tǒng)組成的古油藏[1]，該區(qū)儲層經(jīng)歷的地質(zhì)時期長，由于受到后期多期次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動、巖溶作用和成巖作用疊加改造，形成了分布極不均勻、非均質(zhì)性極強(qiáng)的縫洞型巖溶系統(tǒng)?？p洞儲層空間結(jié)構(gòu)多樣，連通關(guān)系復(fù)雜，空間展布差異大，油藏埋深大(5 000～7 500 m)，地震資料分辨率低，縫洞儲集體表征描述難度大[2-4]。

在勘探開發(fā)實(shí)踐中，針對大尺度溶洞總結(jié)出了一套基于地震反射特征的縫洞儲集體地震識別和表征方法，取得了較好的效果。然而，隨著油田開發(fā)的不斷深入，屬于較大尺度的“串珠”狀反射和雜亂強(qiáng)反射特征的縫洞儲集體動用程度越來越高，開發(fā)對象也逐漸由大尺度縫洞、溶洞集合體向小尺度縫洞、小溶洞集合體(雜亂弱反射、長連續(xù)紅波射)轉(zhuǎn)移，因此，開展小尺度縫洞、小溶洞集合體識別與描述研究，進(jìn)一步深化對此類儲集體的發(fā)育和分布特征的認(rèn)識，意義尤為重要。

針對塔河油田小尺度縫洞儲集體，結(jié)合前人研究成果，分別設(shè)計了不同高度縫洞的二維數(shù)值模型，以及不同尺度縫洞的三維物理模型；通過數(shù)值和物理兩種模擬方法研究了小尺度縫洞的地震響應(yīng)特征，并對比分析了不同地震屬性對縫洞的刻畫能力；利用優(yōu)選的振幅曲率技術(shù)和反射強(qiáng)度調(diào)諧累計頻率衰減屬性，對研究區(qū)實(shí)際資料進(jìn)行了試驗，并與實(shí)際鉆井成像測井資料進(jìn)行對比，驗證了小尺度縫洞儲集體表征的有效性。

1 小尺度縫洞儲集體特征分析

1.1 響應(yīng)特征分析

根據(jù)實(shí)鉆井的錄井、巖心和測井資料、地震資料分析研究，將塔河油田碳酸鹽巖儲集體分為三種類型：溶洞、裂縫-孔洞型和裂縫型[5]，從測井識別模式上，小尺度縫洞測井響應(yīng)特征主要以漏失量少于100 m3、部分漏失或無漏失、聲波時差略高于或小于50 μs/ft、井徑無明顯變化、中子測井較低一般在10%以內(nèi)等特征為主(表1)。

表1 儲集體類型及評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Reservoir types and evaluation criteria

通過塔河油田縫洞型油藏實(shí)鉆井鉆遇巖溶洞穴統(tǒng)計結(jié)果分析，溶洞鉆遇率達(dá)到55.6%，截至目前共鉆遇洞穴976個，洞穴高度小于5 m的中小縫洞583個(平均洞高2.5 m)，平均累液3.42萬t，平均累油2.51萬t，綜合實(shí)鉆揭示溶洞高度、累液、累油等分析，將鉆遇實(shí)際溶洞初步分為三類：洞穴高度大于10 m的大型洞穴(大尺度)、洞穴高度在3～10 m的小型洞穴(小尺度)和高度小于3 m裂縫孔洞(小尺度)。

1.2 數(shù)值模型正演模擬

地震反射波場理論表明，地震反射特征與縫洞發(fā)育有密切的關(guān)系，縫洞體的形態(tài)、尺度范圍、組合形式、距風(fēng)化面距離，都影響縫洞體的反射特征[6-9]。為了分析小尺度縫洞的地球物理響應(yīng)特征，結(jié)合鉆井、測井及地震解釋資料，依據(jù)研究區(qū)域奧陶系地層結(jié)構(gòu)及各地層巖石物理參數(shù)，設(shè)計了一組寬度為20 m，高度變化(5、10、15、20、30、40 m)的縫洞模型(圖1)?？梢钥闯?，5 000 m以上為水平層狀均勻介質(zhì)，代表良里塔格組地層，其平均速度為4 900 m/s；下覆一間房組地層的平均速度為5 800 m/s，其中6個縫洞體單元的充填等效速度為5 400 m/s。

依據(jù)實(shí)際地震資料目標(biāo)層位地震子波類型及頻譜特征，正演模擬采用主頻為22 Hz雷克子波。利用波動方程進(jìn)行正演模擬計算，觀測系統(tǒng)的炮間距10 m，道間距5 m，記錄長度為2 100 ms，采樣率為1 ms。對正演模擬得到的炮集記錄進(jìn)行偏移成像處理，如圖2所示，可以看出，當(dāng)溶洞的高度小于10 m時，地震記錄的振幅較弱，串珠狀反射特征不明顯。實(shí)際采集中，地震資料含有較強(qiáng)噪音干擾及吸收衰減，這種情況下地震記錄識別小于10 m溶洞難度更大。塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖鉆遇的雜亂弱反射、長連續(xù)紅波谷反射特征儲層，其孔洞、縫的高度均小于5 m，與地震正演結(jié)果相符，以小尺度縫洞為主。

圖1 縫洞高度變化數(shù)值模型Fig.1 Numerical model with height variation of fractured-cave

圖2 數(shù)值模型的地震波場響應(yīng)特征Fig.2 Seismic wave field response characteristics of numerical model

2 小尺度縫洞儲集體地震表征分析

隨著開發(fā)對象向小縫洞、小溶洞集合體的轉(zhuǎn)移，如何結(jié)合塔河油田高精度地震資料，借助模型正演模擬開展各種動力學(xué)類(振幅類屬性、頻率類屬性、能量衰減類屬性)、幾何類(邊緣檢測類屬性、幾何曲率類屬性)和統(tǒng)計類地震屬性的提取及其應(yīng)用研究[10-12]，更好地優(yōu)選地震屬性進(jìn)行小尺度縫洞儲集體預(yù)測與表征，建立雜亂弱反射、紅波谷等地震反射特征的識別模式顯得尤為重要。

2.1 物理模型正演模擬

為了分析不同尺度和類型縫洞的地球物理響應(yīng)特征，通過有機(jī)高分子材料設(shè)計了圖3所示的物理模型。物理模型包含了4組不同尺度和類型的縫洞體，模型與實(shí)際地質(zhì)體的速度比例為1∶2、尺寸比例為1∶10 000。所設(shè)計的物理模型長、寬均為1 200 mm，厚260 mm，所模擬的實(shí)際地質(zhì)體長、寬各12 000 m，厚2 600 m。物理模型由兩層水平層狀各向同性介質(zhì)組成，第一層為環(huán)氧樹脂材料，速度為2 450 m/s；第二層是混合材料，速度為2 900 m/s，兩層介質(zhì)所模擬的地層實(shí)際速度分別為4 900 m/s和5 800 m/s。

物理模型放置在水槽中進(jìn)行地震資料采集(圖4)，模型與實(shí)際情況的采樣間隔比例為1∶5 000。水深為120 mm(地質(zhì)尺寸為1 200 m)，水的速度為1 480 m/s(模擬實(shí)際速度為2 960 m/s)。在第二層混合材料中設(shè)計了四組洞體，洞體的填充速度為2 700 m/s，分布在邊長為500 m(地質(zhì)尺寸，下同)的正方體四角。1號洞體中心位于坐標(biāo)(L80，T100)，為一直徑為80 m的半球狀(大尺度溶洞)；2號洞體為5個直徑為10 m橢球狀洞體所組成直徑約為70 m范圍的洞群(小尺度縫洞集合體)；3號為不規(guī)則洞體，最大直徑80 m，最小50 m左右；4號為大小為50 m×70 m的半橢球狀洞體。3號和4號洞體見有一彎曲的管道直徑約10 m(小尺度管道、縫)，并向下方延伸。物理模型的T160測線時間偏移地震剖面如圖5所示，4號和3號縫洞體所對應(yīng)的L80、L140位置處均有地震異常響應(yīng)。

圖3 縫洞物理模型俯視圖Fig.3 Top view of fractured-cave physical model

圖4 物理模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of physical model

圖5 物理模型T160測線地震剖面Fig.5 T160 seismic profile of physical model

2.2 基于物理模型正演的地震屬性表征

根據(jù)物理模型的時間偏移結(jié)果進(jìn)行了單一屬性的提取，包括振幅變化率、振幅曲率橫向變化率、Sobel邊緣檢測、反射強(qiáng)度調(diào)諧累計頻率衰減屬性、傾角、標(biāo)準(zhǔn)偏差和混相分頻等地震屬性，如圖6所示。由圖6中屬性平面異常分布可知，這些單一屬性均能識別和刻畫出模型中尺度較大的1號洞體的邊界，差異之處在于對小尺度的2號洞群、3號與4號之間的小尺度彎曲管道的識別精度。經(jīng)過屬性對比分析，Sobel邊緣檢測、振幅變化率及混相分頻屬性較其他屬性較清楚地刻畫縫洞異常體特征，特別是反射強(qiáng)度調(diào)諧累計頻率衰減屬性，不但能清楚地刻畫出理想洞體(1號洞和4號洞)的邊界，而且能夠刻畫出了復(fù)雜洞體(2號洞、3號洞)的形態(tài)，而且對巖溶廊道(縫)的邊界刻畫也能保持連續(xù)性，其預(yù)測精度有較明顯提高，針對小尺度孔、縫、洞及其集合體，用這種方法表征更為適合。

圖6 復(fù)雜縫洞物理模型的單一屬性提取Fig.6 Single attribute extraction of complex fractured-cave physical model

3 實(shí)際資料小縫洞儲集體表征

實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)選兩種典型小縫洞儲集體進(jìn)行識別與表征，其地震響應(yīng)特征分別為雜亂弱反射和典型紅波谷地震反射。針對大尺度溶洞，總結(jié)出了一套基于地震反射特征的縫洞儲集體地震識別和表征方法，取得了較好的效果。圖7(a)為實(shí)鉆三種類型地震反射特征的縫洞儲集體地震剖面，圖7(b)為利用振幅聚類檢測技術(shù)縫洞儲集體識別效果。圖中振幅聚類屬性能夠較好的識別“串珠”與雜亂強(qiáng)反射異常特征縫洞儲集體，但是對于雜亂弱反射(如TK620井)等小尺度縫洞儲集體的表征效果一般。

圖7 3種不同類型的縫洞儲集體地震反射特征與振幅聚類檢測技術(shù)識別效果Fig.7 Seismic reflection characteristics of three different types of fractured-cave reservoirs and identification effect of amplitude clustering detection technology

3.1 振幅曲率橫向變化技術(shù)

根據(jù)模型正演結(jié)果及屬性優(yōu)選的結(jié)論與認(rèn)識，采用振幅曲率橫向變化技術(shù)對TK620井區(qū)縫洞儲集體進(jìn)行識別與表征(圖8)。圖8(a)為過TK620井連井地震剖面，圖8(b)為利用振幅曲率橫向變化技術(shù)表征縫洞儲集體空間展布，可以看出，振幅曲率橫向變化屬性預(yù)測TK620井上部、下部發(fā)育兩套縫洞儲集體，TK620井鉆井過程中鉆至5 483.61 m發(fā)生井漏，強(qiáng)鉆至5 511.07 m完鉆，漏失泥漿219 m3，初期日產(chǎn)油50 t，實(shí)鉆特征與預(yù)測結(jié)果吻合度高，表明該屬性能夠識別雜亂弱反射特征小縫洞儲集體，該結(jié)果較好地反映了該類型縫洞儲集體的空間展布，后期鉆井進(jìn)一步證實(shí)了該技術(shù)的有效性。

3.2 反射強(qiáng)度調(diào)諧累計頻率衰減技術(shù)

TK346H井的水平段為典型紅波谷地震反射特征[圖9(a)]，通過反射強(qiáng)度調(diào)諧累計頻率衰減屬性檢測結(jié)果[圖9(b)]，可以看出，反射強(qiáng)度調(diào)諧累計頻率技術(shù)能夠較好表征出TK346井水平段儲集體異常，突出了紅波谷反射特征對應(yīng)的溶蝕孔洞、裂縫等儲集體信息。實(shí)際鉆井成像測井資料表明(圖10)，水平段①、②段的溶洞及高角度裂縫發(fā)育，鉆井過程中漏失泥漿14.31 m3，初期日產(chǎn)油33.76 t，累產(chǎn)油1 296 t，累產(chǎn)液3 356 t后因高含水轉(zhuǎn)單元注水井，也進(jìn)一步驗證了該方法對于小尺度縫洞儲集體表征的有效性。

圖8 過TK620井連井地震剖面與振幅曲率橫向變化屬性Fig.8 Cross well seismic profile of TK620 well and corresponding lateral variation attribute ofamplitude curvature

圖9 TK346井過井剖面與反射強(qiáng)度調(diào)諧累計頻率衰減屬性Fig.9 Cross section of TK346 well and corresponding reflection intensity tuning cumulative frequency attenuation property

圖10 TK346H井水平井段成像測井Fig.10 Imaging logging in horizontal section of TK346H well

4 結(jié)論

(1)根據(jù)實(shí)鉆井的錄井、巖心和測井資料、地震資料分析研究，將塔河油田碳酸鹽巖儲集體分為溶洞、裂縫-孔洞型和裂縫型；通過二維數(shù)值模擬與三維物理模擬正演，研究了小尺度縫洞的地震響應(yīng)特征，并對比分析了地震屬性對不同尺度縫洞的刻畫能力，很好地指導(dǎo)了后期實(shí)際縫洞儲集體識別與表征。

(2)針對塔河實(shí)際資料中兩種典型地震響應(yīng)特征的小縫洞儲集體，優(yōu)選了振幅曲率橫向變化技術(shù)和反射強(qiáng)度調(diào)諧累計頻率衰減技術(shù)進(jìn)行識別與表征，并與實(shí)鉆井進(jìn)行分析，結(jié)果表明這兩種方法能夠較好表征雜亂弱反射和紅波谷反射特征小縫洞儲集體，對后期鉆井具有很好的指導(dǎo)意義。

(3)由于塔河油田奧陶系縫洞儲集體埋深較大(大于5 000 m)，受地震資料分辨率較低等因素的限制，針對以弱反射、紅波谷為主要反射特征的小尺度縫洞儲集體的識別與表征還存在精度低、多解性強(qiáng)等問題，因此隨著開發(fā)地震技術(shù)的進(jìn)步，還需不斷提高地震資料的精度，進(jìn)一步深化多屬性優(yōu)化組合及融合分析，同時加強(qiáng)多學(xué)科的綜合研究，提高小尺度縫洞儲集體綜合預(yù)測精度，降低鉆探風(fēng)險。