薄砂體重疊帶與小斷層的地震多屬性聯(lián)合識別方法研究

尹 成,彭 浩,2,趙 虎,劉藝璇,王長江

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都 610500;2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部,四川成都 610051;3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東東營 257015)

我國東部探區(qū)的砂巖油氣藏一般表現(xiàn)為如下特征:一是斷裂特別是低序級斷層極為發(fā)育[1];二是多套含油層系(明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙河街組等)均表現(xiàn)為多期復(fù)合砂體的疊置構(gòu)型[2];三是單一砂體或疊置砂體的厚度一般都小于地震調(diào)諧厚度[3]。因此,在油氣地震勘探領(lǐng)域,人們一直致力于提高斷塊油氣藏的成像精度[4]、研究低序級斷層的識別方法[5-6]、開展基于地震屬性的復(fù)合砂體構(gòu)型的表征與疊置砂體的不連續(xù)性界限的識別[7-8]、探索識別薄互層砂體厚度的地震預(yù)測方法[9]等。

目前,對于低序級斷層(主要是指6～7級斷層[1],簡稱為小斷層)識別的研究與應(yīng)用,最多的還是地震屬性分析?；诘卣饘傩缘臄鄬幼R別方法一般可以分為3類[10-11]:①沿層地震屬性識別,包括沿層相干屬性、沿層傾角方位角屬性、沿層剩余振幅屬性等;②地震體屬性識別,如相干體、方差體、曲率體、螞蟻體、分頻體、相位調(diào)諧體等;③衍生屬性識別,如基于優(yōu)勢頻帶的相干屬性、基于分頻數(shù)據(jù)體的相位屬性、基于相干或曲率數(shù)據(jù)的螞蟻增強屬性、基于構(gòu)造導(dǎo)向濾波的梯度結(jié)構(gòu)張量屬性、基于相干、曲率和方差的多數(shù)據(jù)RGB融合屬性等。所有這些屬性的研究與應(yīng)用都是為了克服地震數(shù)據(jù)上噪聲的影響和分辨率的限制,同時也說明在小于地震分辨率的條件下,地震剖面上的小斷層識別還需要從不同的方向和角度開展深入的研究與探索[12]。

本文研究主要針對我國東部探區(qū)在地震調(diào)諧厚度下的河流相薄互層砂體,此類砂體在地震剖面上一般表現(xiàn)為一條強反射同相軸,但該同相軸在橫向上既有局部振幅強弱的變化,也有局部波形結(jié)構(gòu)特征的變化,這些變化反映的有可能是具有一定落差的多期河道砂體間的重疊帶,也有可能是河流相薄互層砂體儲層中的小斷層[13]。因此,對于這條同相軸上不同河道砂體的重疊帶與小斷層的區(qū)分問題,本文通過正演模擬開展地震多屬性的聯(lián)合分析研究,以期對河流相薄互層砂體進行可靠描述,以及為薄互層斷塊油氣田中剩余油藏的精細(xì)勘探與滾動開發(fā)提供一些新的思路與方法。

1 問題的提出

由地震勘探原理可知[14],地質(zhì)構(gòu)造運動形成的斷層可以造成地震剖面上同相軸的分叉、合并、扭曲、錯斷和能量突變等特征,但某些由于沉積作用而形成的特殊地質(zhì)體也能夠造成類似的同相軸異常變化,形成“偽斷層”,在解釋時難以辨別,如由于河流頻繁改道形成的弱連通砂體重疊帶等。

李慶忠關(guān)于陸相地層若干問題的文章和劉雯林關(guān)于油氣田開發(fā)地震技術(shù)的專著中,都曾介紹過松遼盆地新立地區(qū)辮狀河流相沉積的地震反射的一個典型實例[15-16],如圖1地震剖面上1.0～1.2s之間的強反射,由兩側(cè)向中心呈類似地塹式的同相軸錯斷,吉林油田的地球物理工作者通過大量的鉆探實踐已認(rèn)識到,這不是斷層,而是泉頭組晚期多條古河道沉積的響應(yīng),反映了河道的擺動、遷移與疊置。

圖1 松遼盆地新立地區(qū)下白堊統(tǒng)“地塹式”河道疊置沉積的地震特征[16]

圖2展示了東部勝利探區(qū)新近系館上段兩期河道砂體疊置后的地震反射特征。在地震剖面上CDP 1110～CDP 1160之間1.3s附近的強反射(紅色箭頭處),初期解釋為被兩條東西向斷層切割的一條南北向河道(L168河道),設(shè)計鉆探該南北向砂體的高部位,實際鉆遇了一條北西西向河道砂體,與L168河道為兩期河道,互不聯(lián)通。仔細(xì)對比該地震剖面發(fā)現(xiàn),在CDP 1130和CDP 1142處,反射同相軸存在細(xì)微的扭曲,可以推測為兩期河道砂體在該重疊帶存在的反射同相軸扭曲,即河道砂體重疊條帶在地震剖面上的響應(yīng)特征。

圖2 勝利探區(qū)埕北新近系館上段兩期河道砂體疊置的地震反射特征(據(jù)王長江,內(nèi)部資料)

受上面兩個實例分析的啟示,設(shè)計了一個不同落差的河道砂體疊置模型,以及同樣落差的正斷層模型(圖3),其中砂體速度為2900m/s,密度2.20g/cm3,泥巖(圍巖)速度為2400m/s,密度2.16g/cm3,單個砂體的最大厚度為24m(即調(diào)諧厚度),采用1ms采樣,30Hz主頻的雷克子波進行褶積得到該模型的合成地震記錄。

從剖面上可以看到,對于落差為12m的砂體重疊帶和斷層分布區(qū),反射同相軸都表現(xiàn)出一個下彎的特征,對于更小落差的砂體重疊和斷層,一般肉眼很難識別反射同相軸的變化。但是仔細(xì)對比重疊帶與斷層區(qū),以及周圍鄰區(qū)之間的反射波強弱和反射波的波形結(jié)構(gòu),還是存在一些細(xì)微的差異。

因此,針對我國東部探區(qū)河流相薄互層砂體與斷塊油氣藏的精細(xì)描述與表征,本文提出了在小于調(diào)諧厚度的薄互層砂體的反射同相軸上,通過地震波振幅類屬性與地震波形結(jié)構(gòu)類屬性[8]等多屬性聯(lián)合應(yīng)用的方法,來實現(xiàn)薄互層砂體重疊帶與小斷層的區(qū)分與識別。

2 理論模型分析

2.1 斷層與砂體疊置模型建立及正演

根據(jù)河道砂體的尖滅與重疊和小斷層共存現(xiàn)象,設(shè)計了如圖4所示的一個既有斷層又有河道砂體重疊的模型。采用30Hz主頻的雷克子波對模型進行正演模擬,模型中的地球物理參數(shù)如表1所示。此時地震調(diào)諧厚度為24m,砂體厚度為20m,砂體中間發(fā)育斷層,斷距范圍為3～20m(圖中紅色數(shù)字標(biāo)注),砂體重疊帶的落差與之一一對應(yīng)(圖中黑色數(shù)字標(biāo)注),即保持重疊帶與斷層的尺度相當(dāng)。模型中單一河道砂體的寬為300m,等分為左右兩個厚度減薄區(qū)和中間厚度恒定區(qū)。另外,模型除了考慮河道砂體重疊帶的落差外,還考慮了兩個河道砂體橫向重疊的范圍不同,以增加不同類型河道砂體重疊的地震響應(yīng)特征的認(rèn)識。

圖4 斷層與砂體疊置模型

表1 斷層與砂體疊置模型的參數(shù)表

圖5為斷層與砂體疊置模型的地震響應(yīng)剖面,可以看出,砂體重疊帶表現(xiàn)為同相軸的扭曲及錯斷現(xiàn)象,與斷層處的響應(yīng)特征十分相似(表2)。斷距為3～5m的斷層在剖面上斷點不清晰,同相軸變化較弱,難以識別,但是落差為3～5m的砂體重疊帶同相軸扭曲幅度要大,橫向延伸也較長,更容易分辨;斷距為10m的斷層在剖面上斷點較為清晰,顯示為同相軸的輕微錯開,與落差為10m的砂體疊置反應(yīng)極為相似;斷距為20m的斷層在剖面上反應(yīng)十分明顯,斷點清晰,同相軸完全錯開,斷面處同相軸瞬間錯斷,無扭曲及漸變現(xiàn)象,而落差為20m的砂體重疊帶同相軸雖完全錯開,但中間出現(xiàn)扭曲和漸變現(xiàn)象。圖5中綠色箭頭指示區(qū)域為同相軸完全錯開的地方,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域均為砂體剛好接觸或已經(jīng)分開的位置。

圖5 斷層與砂體疊置模型的地震響應(yīng)剖面(圖上數(shù)字單位m)

表2 不同斷距和砂體疊置落差的地震響應(yīng)特征

綜上所述,小于調(diào)諧厚度的砂體重疊帶在地震剖面上會形成“偽斷層”響應(yīng),且地下實際資料更為復(fù)雜,僅憑借剖面響應(yīng)特征難以從地震剖面上對其進行識別,更難區(qū)分砂體重疊現(xiàn)象與小斷層,因此,應(yīng)尋找其它方法來進行準(zhǔn)確有效的識別和區(qū)分。

2.2 地震多屬性聯(lián)合模式

從模型正演的地震剖面可以發(fā)現(xiàn),不同落差的小斷層以及不同落差和不同重疊范圍的砂體重疊帶,在地震剖面上表現(xiàn)為同相軸不同程度的扭曲和錯斷以及同相軸的強弱變化現(xiàn)象。結(jié)合我國東部拉張型斷陷湖盆的小斷層和薄互層砂體疊置的特點,當(dāng)砂體厚度小于調(diào)諧厚度時,必然引起反射波振幅調(diào)諧的強弱變化;當(dāng)薄互層砂體疊置時,由于多個砂泥反射界面的存在,也必然引起反射波形的形態(tài)特征的變化,如波形的強弱、尖銳性、對稱性等特征的相對變化[8]。因此,本文提出了從地震振幅類屬性和波形結(jié)構(gòu)類屬性中挖掘二者的差異,進而進行聯(lián)合識別。

隨著地震資料信噪比的提高,以及針對的目標(biāo)和需求的不同,能夠在沿層時窗內(nèi)提取的振幅類屬性和波形結(jié)構(gòu)類屬性可以有幾十種。經(jīng)過對比分析,本文選擇了如表3所示的12種振幅類屬性和7種波形結(jié)構(gòu)類屬性來對比分析它們在砂體重疊帶和小斷層處的響應(yīng)特征。

表3 19種沿層振幅類和波形結(jié)構(gòu)類地震屬性

圖6和圖7分別展示了歸一化后的4個典型的振幅類屬性和4個典型的波形結(jié)構(gòu)類屬性。從屬性圖中可以看出,振幅類屬性(圖6)的響應(yīng)特征基本類似,即在一個強振幅的背景下,斷層處(紅色)和重疊帶(藍色)均表現(xiàn)為一個均值下的一個低值響應(yīng)特征,且屬性的低值隨著斷距和重疊帶落差的增加而增加,但無法區(qū)分二者;而波形結(jié)構(gòu)類屬性(圖7)則表現(xiàn)為在一個低的或中等背景下,斷層和砂體重疊帶同樣都有較好的異常響應(yīng),其中斷層處仍然為一個均值下的低值響應(yīng)特征,而砂體重疊帶則表現(xiàn)為一個均值下的高值響應(yīng)特征,這其中又以波形變異系數(shù)(即時窗內(nèi)地震波振幅的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值[17])屬性最具代表性。

圖6 部分振幅類屬性(紅色突變?yōu)閿鄬游恢?紅色數(shù)字指斷距;藍色突變?yōu)樯绑w重疊帶,藍色數(shù)字指疊置帶砂體的落差)a 均方根振幅; b 振幅的峰態(tài); c 下半時能量; d 振幅的方差

圖7 部分波形結(jié)構(gòu)類屬性(圖中顏色和數(shù)字含義同圖6)a 波形變異系數(shù); b 峰谷面積比; c 復(fù)合包絡(luò)差; d 能量半時間

將均方根振幅屬性和波形變異系數(shù)屬性展示在同一張圖中(圖8),可以看出波形變異系數(shù)屬性在砂體重疊帶的響應(yīng)較為規(guī)律,表現(xiàn)為高值突變,且突變幅度略大于斷層處屬性值的突變幅度,在斷層處的響應(yīng)特征也相對規(guī)律,表現(xiàn)為屬性值的低值突變和雙極值突變,尤其是在尺度較大的斷層處上下斷點明顯時,波形變化差異較大,屬性值多呈現(xiàn)雙極值突變,與砂體重疊帶的高值突變形成了明顯差異。因此本文提出將均方根振幅與波形變異系數(shù)屬性聯(lián)合起來進行小斷層與砂體重疊帶的識別,根據(jù)圖8可以建立聯(lián)合均方根振幅和波形變異系數(shù)屬性共同來識別小斷層與砂體重疊帶的模式準(zhǔn)則(表4)。

表4 砂體重疊帶與小斷層識別模式

圖8 均方根振幅與波形變異系數(shù)屬性對比

1) 當(dāng)均方根振幅為低值突變,波形變異系數(shù)為低值或雙極值突變時,可以判定為小斷層。

2) 當(dāng)均方根振幅為低值突變,波形變異系數(shù)為高值突變時,可以判定為砂體重疊帶。

3 實際數(shù)據(jù)應(yīng)用及分析

對于以上建立的識別模式是否正確,本文選擇了勝利探區(qū)W102斷塊S23儲層的地震資料進行驗證分析。工區(qū)位于東營凹陷南部的王家崗油田。W102斷塊發(fā)育多條斷層,斷塊小而破碎,形成了一個復(fù)雜的破碎帶,該斷塊核心的問題是S23儲層中砂體重疊帶與小斷層識別不清,制約了儲量動用程度。因此對其進行小斷層與砂體重疊帶的精細(xì)識別,可為后續(xù)的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

圖9展示了Inline 3973線的原始地震剖面(圖9a),S23儲層提取的均方根振幅和波形變異系數(shù)曲線(圖9c),以及根據(jù)前面建立的小斷層與疊置砂體的識別模式而得到的該地震剖面的解釋結(jié)果(圖9b)。根據(jù)本文建立的兩種屬性的突變模式,在圖9c中共識別出了F1,F2,F3,F4,F6共5條大斷層,f21,f22,f23,f24,f25,f26共6條小斷層,以及S2,S3,S4共3個砂體重疊帶。其中F1,F2,F3,F4,F6斷層在地震剖面上同相軸追蹤可以清晰分辨,對應(yīng)屬性變化也為均方根振幅出現(xiàn)較低的低值,同時波形變異系數(shù)也為低值或雙極值突變。而f21,f22,f23,f24,f25,f26的6條小斷層在剖面上僅顯示為同相軸微弱扭曲、錯斷和振幅變?nèi)?但在均方根振幅屬性上仍然有小幅度低值突變和波形變異系數(shù)上有低值或雙極值突變的對應(yīng)關(guān)系。

在地震剖面的S2,S3,S4的3個區(qū)域(圖9b中的藍色圓圈),對應(yīng)了明顯的均方根振幅低值突變和波形變異系數(shù)高值突變的特征(圖9c中的藍框)。由W102-80到W102-38的連井剖面(圖10)可以看出,W102-38井鉆遇本文識別出的砂體重疊帶S3,聲波時差曲線在1965～1975m深度段出現(xiàn)兩個正韻律疊置現(xiàn)象(圖10中黑圈部分),每個正韻律現(xiàn)象的聲波時差逐漸增大,說明粒度下粗上細(xì),從下往上為砂-泥-砂-泥的漸變,中間存在薄泥巖夾層,為測井上正韻律疊置的“圣誕樹”形響應(yīng),同時該井段沉積微相為三角洲前緣的水下分流河道,而該處兩個正韻律疊加,證實該處為砂體重疊帶。另外,地質(zhì)人員在連井剖面上分別識別出了f23,f24和f25三條小斷層,與本文通過多屬性聯(lián)合分析識別的小斷層位置基本一致。

圖9 Inline 3973線地震剖面斷層解釋結(jié)果a 原始剖面; b 斷層解釋; c 屬性對比

圖10 W102-80井至W102-38井連井剖面

因此,可以說明按照本文總結(jié)出的兩種地震屬性的變化規(guī)律能夠有效識別小斷層和區(qū)分?jǐn)鄬优c砂體重疊帶。

圖11展示了在平面上地震屬性對斷層和砂體重疊區(qū)的反映能力。圖11a根據(jù)地震剖面上的同相軸對比追蹤的S23儲層頂界面的T0時間數(shù)據(jù),可以看出該地區(qū)存在有5～10條大尺度的北東向斷層,提取沿層的最大正曲率屬性(圖11b),很容易地顯示出了這些北東向的斷層的存在。

將該儲層的均方根振幅屬性(圖11c)和波形變異系數(shù)屬性(圖11d)展示出來后可以看出,在工區(qū)的南部均方根振幅展示有北東向條帶狀的低值異常,而波形變異系數(shù)也同樣表現(xiàn)為北東向的雙極值異常條帶,可以驗證該區(qū)域分布有多條北東向的斷層(包含部分小斷層)。而在工區(qū)的北部被一條北東向斷層(圖中黃色箭頭所示)分割的兩側(cè),存在有兩塊位置基本對應(yīng)的區(qū)域,其均方根振幅為明顯的低值異常,波形變異系數(shù)為明顯的高值異常,可以推斷為砂體重疊發(fā)育區(qū)。

圖11 S23儲層地震屬性的平面分布特征a 目的層T0時間; b 最大正曲率; c 均方根振幅; d 波形變異系數(shù)

綜上所述,經(jīng)過實際資料的應(yīng)用試驗,聯(lián)合利用常規(guī)的地震振幅屬性和地震波形結(jié)構(gòu)屬性,可以有效識別薄互層河流相砂體中的斷層,特別是低序級的小斷層,區(qū)分具有一定落差的砂體重疊帶。

4 結(jié)束語

本文通過理論模型和實際資料的試驗分析,提出了聯(lián)合利用常規(guī)的地震振幅類屬性與地震波形類屬性識別與區(qū)分薄互層砂巖儲層中的小斷層與砂體重疊帶。建立了均方根振幅與波形變異系數(shù)同時為低值突變可以識別斷層存在,均方根振幅為低值突變而波形變異系數(shù)為高值突變則可以識別砂體重疊帶的兩條準(zhǔn)則,在勝利探區(qū)W102斷塊上的初步應(yīng)用已得到了很好的驗證。

接下來可以考慮將均方根振幅數(shù)據(jù)與波形變異系數(shù)數(shù)據(jù),通過一些數(shù)學(xué)方法進行融合,生成一個新的地震準(zhǔn)屬性,從而實現(xiàn)更加智能化的小斷層與砂體重疊帶的識別與區(qū)分。