變質(zhì)巖潛山裂縫型儲(chǔ)層精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)
——以渤海海域A油田為例

田 濤，李少軒，高 陽，韋 紅

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

渤海灣盆地已發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)巖潛山油氣田中，裂縫儲(chǔ)層是油氣的主要儲(chǔ)層類型[1]。由于變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層受風(fēng)化、多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的共同控制，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性極強(qiáng)。潛山埋藏深，地震資料分辨率低、品質(zhì)差，對(duì)儲(chǔ)層的刻畫存在較大的困難，從而約束了變質(zhì)巖潛山油氣藏的進(jìn)一步勘探和開發(fā)效果。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在裂縫儲(chǔ)層刻畫中主要使用以下幾類方法：基于野外露頭直接觀測(cè)裂縫的發(fā)育情況，結(jié)合取心資料進(jìn)行裂縫儲(chǔ)層的描述；從成像測(cè)井資料上開展裂縫解釋，基于HTI介質(zhì)的P波方位各向異性的裂縫預(yù)測(cè)方法[2-3]；基于疊后屬性裂縫檢測(cè)技術(shù)等方法[4-6]。本文綜合應(yīng)用地質(zhì)、鉆井、地震資料，首先在垂向上對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分類，結(jié)合裂縫儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征優(yōu)選出針對(duì)性的技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)，結(jié)果與研究區(qū)內(nèi)鉆井資料吻合較好，為研究區(qū)下一步的高效開發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

1 區(qū)域概況

A油田位于渤海灣盆地渤中凹陷西南部，西部與埕北低凸起相鄰，南部與黃河口凹陷相接，東南部與渤南低凸起相鄰，整體上呈現(xiàn)凹中隆的構(gòu)造背景，具有多凹供烴的特點(diǎn)。另外，研究區(qū)斷裂系統(tǒng)較為復(fù)雜，受南北向走滑斷層及近東西向張性斷層的共同控制，為圈閉的形成和油氣運(yùn)移提供了良好的條件，成藏條件優(yōu)越[7]。已鉆井表明，研究區(qū)自下而上分別發(fā)育太古界、中生界和新生界地層，太古界潛山地層是主要含油氣層系。太古界變質(zhì)巖潛山由于長期遭受風(fēng)化、淋濾、剝蝕，發(fā)育大量的構(gòu)造縫、風(fēng)化縫等，儲(chǔ)集物性較好。

2 儲(chǔ)層表征技術(shù)流程

與碎屑巖儲(chǔ)層相比，變質(zhì)巖潛山裂縫儲(chǔ)層更為復(fù)雜，縱向上不具有成層性且儲(chǔ)層界面不明確，平面上儲(chǔ)層的發(fā)育情況具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，距離很近的兩口井儲(chǔ)層發(fā)育情況可能完全不同。變質(zhì)巖儲(chǔ)層的品質(zhì)受母巖的礦物成分、埋深、風(fēng)化時(shí)間、古地貌位置和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等多種因素的共同影響，進(jìn)一步加大了預(yù)測(cè)的精度和難度。綜合巖心、鑄體薄片和測(cè)井資料，將研究區(qū)變質(zhì)巖潛山裂縫型儲(chǔ)層自上而下分為風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫帶(圖1)。

圖1 變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層發(fā)育模式

風(fēng)化裂縫帶受風(fēng)化作用較強(qiáng)，儲(chǔ)層中發(fā)育大量的溶蝕孔縫。構(gòu)造抬升導(dǎo)致潛山暴露地表，在長期的風(fēng)化作用下潛山頂部形成大量風(fēng)化淋濾孔以及沿裂縫的溶蝕孔擴(kuò)大孔，儲(chǔ)集空間類型為孔隙型和裂縫-孔隙型。這類儲(chǔ)層物性較好，主要位于潛山面以下200 m以內(nèi)，在地震剖面上表現(xiàn)為較連續(xù)的強(qiáng)軸；內(nèi)幕裂縫帶主要受構(gòu)造應(yīng)力作用發(fā)育構(gòu)造裂縫，地震資料上主要表現(xiàn)為雜亂反射的地震相特征，局部地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)高角度強(qiáng)反射。本文充分挖掘目的層段的疊后地震資料信息，總結(jié)出一套針對(duì)研究區(qū)垂向裂縫發(fā)育特征的技術(shù)流程(圖2)。

圖2 變質(zhì)巖裂縫型儲(chǔ)層表征技術(shù)流程

3 裂縫型儲(chǔ)層地震響應(yīng)機(jī)理

地震反射波在地表受到激發(fā)后向下傳播過程中受到震源、接收條件、地層結(jié)構(gòu)、波阻抗差異等多種因素的影響。通過彈性波的傳播理論可知，地震波在地下介質(zhì)傳播時(shí)遇到波阻抗界面就會(huì)產(chǎn)生反射波，反射波的振幅與反射界面的反射系數(shù)大小成正比，因此可以通過振幅值的大小定性甚至半定量地判斷地下儲(chǔ)層發(fā)育情況。巖石物理分析表明，太古界變質(zhì)巖潛山具有高速、高密、高波阻抗的特征，太古界上覆地層相對(duì)于太古界具有低速、低密、低阻抗特征，因此在地震剖面上變質(zhì)巖潛山頂面往往表現(xiàn)為“兩谷夾一峰”的地震響應(yīng)特征(正極性地震資料)。由于波阻抗差異較大，波峰的能量往往較強(qiáng)，易于全區(qū)追蹤解釋。

針對(duì)潛山儲(chǔ)層的特點(diǎn)構(gòu)建了風(fēng)化裂縫帶、內(nèi)幕裂縫帶及風(fēng)化裂縫帶與內(nèi)幕裂縫帶共存的地質(zhì)模型(圖3a)：A區(qū)為風(fēng)化裂縫帶發(fā)育區(qū)，B區(qū)風(fēng)化裂縫帶與內(nèi)幕裂縫帶都較為發(fā)育，C區(qū)為內(nèi)幕裂縫帶發(fā)育區(qū)，其余區(qū)域?yàn)槲达L(fēng)化且無裂縫存在的變質(zhì)巖地層，模型中假定上覆圍巖的速度和密度在橫向上不發(fā)生變化。對(duì)模型進(jìn)行正演模擬后可以看到，由于潛山地層與上覆地層具有較大的波阻抗差異，潛山頂面的地震反射能量較強(qiáng)，容易識(shí)別。風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫帶地震反射同相軸的強(qiáng)度和波形特征都發(fā)生了一定的變化：①在風(fēng)化裂縫帶(A區(qū))由于波阻抗差異變小，子波主瓣和下旁瓣能量都變?nèi)?圖3b)，說明可以通過潛山面能量的變化來識(shí)別儲(chǔ)層是否發(fā)育；②風(fēng)化裂縫帶與內(nèi)幕裂縫帶都發(fā)育的區(qū)域(B區(qū))，潛山面處地震同相軸發(fā)生不同程度的扭曲，同時(shí)反射能量要弱于原狀地層，內(nèi)幕區(qū)域由于高角度斷裂的存在，在模擬結(jié)果上表現(xiàn)為高角度反射；③內(nèi)幕裂縫帶(C區(qū))發(fā)育區(qū)，在潛山頂部地震同相軸的反射強(qiáng)度也發(fā)生了一定的減弱和扭曲，潛山內(nèi)部產(chǎn)生很多高陡反射和雜亂反射，因此潛山內(nèi)幕的地震反射特征可以有效判斷內(nèi)幕儲(chǔ)層的發(fā)育情況。

圖3 裂縫正演模型(a)及模擬結(jié)果(b)

4 疊后地震屬性的裂縫型儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

地震屬性是指從地震數(shù)據(jù)中變換得出的與地震波幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及統(tǒng)計(jì)特征有關(guān)的具體參數(shù)值,包含地震數(shù)據(jù)的所有信息[8]。這些信息既可直接度量,又可通過基于邏輯或?qū)嵺`的推理而得到。地震屬性分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于構(gòu)造解釋、地層巖性解釋、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、油藏特征描述以及油藏流體動(dòng)態(tài)檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域[9]。從運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的角度,將地震屬性分為振幅、頻率、相位、能量、波形、相關(guān)和衰減等多個(gè)類別[10]。

由于地震屬性與所預(yù)測(cè)目標(biāo)之間的關(guān)系復(fù)雜,不同地質(zhì)條件和不同儲(chǔ)層類型對(duì)所預(yù)測(cè)對(duì)象敏感的地震屬性不完全相同,即使在同一地質(zhì)條件、同一類型儲(chǔ)層,預(yù)測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體不同,敏感地震屬性也可能有所差異，因此有必要對(duì)敏感的地震屬性進(jìn)行優(yōu)選?；诘刭|(zhì)條件和地震資料的特點(diǎn)，提取了最大振幅、能量半衰時(shí)、弧長和瞬時(shí)相位等多種地震屬性，常規(guī)屬性上對(duì)儲(chǔ)層刻畫也不盡相同，根據(jù)與已鉆井的吻合關(guān)系來看，研究區(qū)弧長屬性具有較好的效果?；￠L屬性顯示(圖4)，靠近南部邊界斷層高部位為儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)，向低部位儲(chǔ)層變差，這與研究區(qū)裂縫發(fā)育規(guī)律也是一致的。而最大振幅、能量半衰時(shí)和瞬時(shí)相位屬性在平面上無明顯變化規(guī)律且與已鉆井的吻合較差?？傮w上來看，雖然常規(guī)屬性對(duì)裂縫具有一定的刻畫效果，但刻畫精度還不足以指導(dǎo)開發(fā)井的部署和實(shí)施。

圖4 弧長屬性

5 基于裂縫檢測(cè)技術(shù)的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果及研究區(qū)實(shí)際情況開展了多種裂縫預(yù)測(cè)方法研究，實(shí)踐證明構(gòu)造導(dǎo)向的相干、三維曲率、邊緣檢測(cè)和螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)對(duì)裂縫都具有較好的刻畫效果(圖5)。傳統(tǒng)相干體在運(yùn)算時(shí)不考慮地層傾角的影響，本文引入基于構(gòu)造導(dǎo)向的相干，用地層傾角來約束相干的運(yùn)算方向，從而使結(jié)果更加真實(shí)可靠。圖5a是研究區(qū)的構(gòu)造導(dǎo)向相干切片，相干切片與已鉆井具有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，高部位A2、A3和A4井的裂縫要明顯好于A1、A5井。曲率、邊緣檢測(cè)、螞蟻體切片與基于構(gòu)造導(dǎo)向的相干對(duì)裂縫的反映基本一致，但細(xì)節(jié)方面有一定的區(qū)別。螞蟻體切片可以較好地反映裂縫的有利發(fā)育區(qū)及精細(xì)的裂縫密度和裂縫發(fā)育方向(圖5d)。

圖5 裂縫檢測(cè)平面屬性

6 基于繞射波的裂縫型儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

在常規(guī)地震勘探中最有價(jià)值的地震波是反射波，這是目前研究構(gòu)造和儲(chǔ)層最為常用的地震信息，在特殊巖性體或構(gòu)造的識(shí)別中繞射波也具有重要價(jià)值。地震波在地表激發(fā)后向下傳播過程中，反射波及繞射波的形成受地下地質(zhì)體和地震子波波長的共同控制。地震波向下傳播過程中，當(dāng)子波波長遠(yuǎn)小于地質(zhì)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，當(dāng)子波長度與地質(zhì)體的大小接近或基本一致時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射波。由此可見，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ミ^程中遇到介質(zhì)突變或橫向非連續(xù)性構(gòu)造等非均質(zhì)地層時(shí)將產(chǎn)生繞射波[10]。研究區(qū)潛山裂縫型儲(chǔ)層埋藏較深(大于4 500 m)，地震資料的分辨率較低，而裂縫型儲(chǔ)層或微小斷裂的規(guī)模較小，即地質(zhì)體的尺度要小于地震波的波長。因此，運(yùn)用繞射波開展儲(chǔ)層的研究是非常有利的[11]。

疊后地震資料中繞射波提取的主要思想是通過識(shí)別繞射波與反射波的傳播路徑差異，進(jìn)行繞射波信息的針對(duì)性提取。依據(jù)疊后地震資料中繞射波運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特征，采用主成分分析技術(shù)進(jìn)行繞射波信息的提取。PCA(主成分分析技術(shù))是一種常用的數(shù)據(jù)分析方法，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)壓縮、多尺度降維等多個(gè)方面[12]，將該方法引入到反射波和繞射波波場(chǎng)的分離，通過兩種波場(chǎng)振幅值、空間分布和傳播規(guī)律的差異進(jìn)行波場(chǎng)有效分離。

PCA算法通過線性變換將原始數(shù)據(jù)變換為一組各維度線性無關(guān)的表示，可用于提取數(shù)據(jù)的主要特征分量。該方法將所要處理的目標(biāo)數(shù)據(jù)分離為相互正交的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)在每個(gè)正交基上投影后的方差最大，那么同樣滿足在正交基所構(gòu)成的平面上投影距離最大。PCA算法的簡化計(jì)算公式如下:

K=PCPT

(1)

式中：K為特征值矩陣；C為多維向量X的協(xié)方差矩陣，為實(shí)對(duì)稱矩陣可相似對(duì)角化；P為C的特征向量向量之間相互垂直；T為轉(zhuǎn)置。

根據(jù)上面的方法對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行繞射波提取。常規(guī)地震資料中構(gòu)造高部位潛山內(nèi)幕帶高角度反射特征并不明顯(圖6a)，但是存在明顯的繞射或散射現(xiàn)象，這也說明了構(gòu)造高部位潛山內(nèi)幕儲(chǔ)層是較為發(fā)育的。在繞射波剖面中(圖6b)可以看到，進(jìn)行繞射信息分離后，目標(biāo)區(qū)會(huì)保留裂縫系統(tǒng)所產(chǎn)生的繞射波。

圖6 常規(guī)地震剖面與繞射波剖面對(duì)比

潛山內(nèi)幕地震資料有效信號(hào)的能量較弱，為了壓制噪音，在提取屬性時(shí)通常選取較大的時(shí)窗。從繞射波平面屬性(圖7)上可以看到，屬性值在古地貌高的地方較強(qiáng)即儲(chǔ)層較為發(fā)育，古地貌低的地方較弱即儲(chǔ)層較差。因此，得到的裂縫型儲(chǔ)層的平面展布范圍與該區(qū)整體的地質(zhì)認(rèn)識(shí)高度一致，可靠性較強(qiáng)。

圖7 繞射波平面屬性

7 結(jié)論

(1)風(fēng)化裂縫帶的儲(chǔ)層較為發(fā)育時(shí)，潛山面波峰和下波谷的能量會(huì)減弱，因此可以通過潛山表面的能量變化定性判斷風(fēng)化裂縫帶儲(chǔ)層的發(fā)育情況。

(2)內(nèi)幕裂縫帶發(fā)育時(shí)，高角度的裂縫地震資料上會(huì)出現(xiàn)高角度或雜亂反射，通過內(nèi)幕帶的反射特征可以較好地定性分析內(nèi)幕帶儲(chǔ)層。

(3)基于正演模擬結(jié)果，從潛山裂縫地震響應(yīng)機(jī)理出發(fā)，提出了通過PCA進(jìn)行地震繞射信息分離的計(jì)算方法，并形成了基于地震繞射波數(shù)據(jù)的裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法。