鄂北HJQ地區(qū)微幅巖溶古地貌恢復(fù)技術(shù)及實踐

伍國勇,王彬權(quán),王瀟然,魏三妹,白 俊

(中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京211103)

發(fā)育于不整合之下的碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶型氣藏是一種重要的碳酸鹽巖氣藏類型,風(fēng)化殼附近的碳酸鹽巖經(jīng)過長期風(fēng)化淋濾與暴露剝蝕作用,易發(fā)育溶蝕孔、洞、縫,故具備良好的油氣儲集條件[1-2]。

巖溶風(fēng)化殼型天然氣勘探的關(guān)鍵是尋找儲層[3],古地貌形態(tài)對巖溶型優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育與分布起著重要的控制作用,是天然氣富集程度的主要影響因素,因此,古地貌恢復(fù)對于碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶型油氣資源勘探開發(fā)至關(guān)重要。目前,國內(nèi)外有關(guān)古地貌恢復(fù)方面的方法較多且較為成熟,針對鄂爾多斯盆地的古地貌恢復(fù),前人進(jìn)行了較多的方法及技術(shù)研究。胡華蕊等[4]根據(jù)地層厚度結(jié)合地層對比方法對鄂爾多斯盆地奧陶世晚古生代地貌進(jìn)行了恢復(fù),對古地貌演化進(jìn)行了探討;王建民等[5]利用奧陶系風(fēng)化殼殘余厚度與不整合面上覆石炭系厚度變化關(guān)系進(jìn)行古地貌綜合恢復(fù),建立了古地貌單元屬性綜合地質(zhì)模型;喬博等[6]綜合利用印模法和殘厚法,提出一種基于任意虛擬參考面開展古地貌高程表征與侵蝕溝槽預(yù)測方法;閆海軍等[7]和劉永濤等[8]在常用古地貌恢復(fù)方法對比分析基礎(chǔ)上,提出了“雙界面”古地貌恢復(fù)方法,開展古地貌恢復(fù)的半定量化分析;高照普[9]、付曉燕等[10]、歐陽誠等[11]主要通過填平補(bǔ)齊印模法進(jìn)行古地貌單元劃分。此外,王建國等[12]對構(gòu)造趨勢面進(jìn)行轉(zhuǎn)換,推算了克拉通盆地弱變形區(qū)沉積期微幅度古地貌;陳泉鍵等[13]在研究巖溶白云巖儲層主控因素的基礎(chǔ)上,對不同巖溶相帶水平井進(jìn)行測井解釋,并分析了巖溶微古地貌對巖溶白云巖儲層的控制作用。

上述方法不同程度解決了鄂爾多斯盆地區(qū)域性古地貌恢復(fù)難題,當(dāng)古地貌宏觀格局及奧陶系殘留地層保存相對較全時方法適用性較好。從前人對本研究區(qū)區(qū)域古地貌恢復(fù)結(jié)果[4]可知,盡管本區(qū)總體處于古地貌斜坡部位,但由于古地貌次級單元微小變化難以準(zhǔn)確刻畫,造成鉆井充填特征及產(chǎn)能差異大,因此需要進(jìn)行更高精度的微幅古地貌精細(xì)恢復(fù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地屬于華北地臺,以中央古陸為界,西側(cè)為祁連陸緣海,東側(cè)為華北陸表海[14]。構(gòu)造特征上呈現(xiàn)從南部盆內(nèi)平緩斜坡區(qū)向北部盆緣隆起區(qū)過渡的特點,盆地北部因接收低能的陸表海沉積,故地層沉積穩(wěn)定,下奧陶統(tǒng)馬家溝組自下而上分為6段,其中馬一段、馬三段和馬五段形成于海退階段,以含粘土的白云巖為主;馬二段、馬四段和馬六段形成于海侵階段,以泥晶灰?guī)r夾不同程度白云巖為主[1]。

鄂北HJQ地區(qū)馬四段頂部發(fā)育一套碳酸鹽巖風(fēng)化殼儲層。晚奧陶世受加里東運(yùn)動影響,華北地臺整體抬升,奧陶系碳酸鹽巖經(jīng)歷了長達(dá)1.4億年風(fēng)化淋濾,為油氣聚集成藏提供了有利的儲集空間[15],HJQ地區(qū)處于盆地北部的伊盟隆起邊緣,地層剝蝕厚度大,風(fēng)化殼開殼層位低,勘探程度低。近年來,HJQ地區(qū)馬四段灰?guī)r縫洞型儲層中多口井鉆遇工業(yè)氣流,顯示本區(qū)下古生界風(fēng)化殼巖溶型氣藏具有較大的天然氣勘探潛力。

受加里東運(yùn)動影響,盆地北部地層大幅抬升并遭受多期風(fēng)化剝蝕作用,上古生界地層由南向北逐漸超覆尖滅,呈角度不整合覆蓋于寒武系、長城系及太古界之上,缺失下奧陶統(tǒng)冶里組、亮甲山組、馬一段和馬二段[1],不整合面以下開殼層位自南向北依次變老。由于剝蝕、暴露時間長,在前石炭紀(jì)表現(xiàn)為準(zhǔn)平原化階段[16],整個鄂北地區(qū)古地貌起伏較小,上覆上古生界厚度差別僅為100m左右,因此,古地貌恢復(fù)時,尤其需要提高對細(xì)節(jié)的恢復(fù)精度。

HJQ研究區(qū)巖溶目的層為馬四段,巖性為灰黑色泥晶灰?guī)r,形成于潮下開闊海,基質(zhì)孔隙基本不發(fā)育,多口井鉆遇溶蝕孔、洞及裂縫,部分井獲高產(chǎn)工業(yè)氣流。但巖溶縫洞尺度小(小于15m),不同井泥質(zhì)充填程度不一,油氣顯示及測試產(chǎn)能差距大,這種強(qiáng)非均質(zhì)性的特征,反映本區(qū)古地貌單元具有快速橫向變化的特點。

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)條件及地震資料,HJQ研究區(qū)高精度微幅古地貌恢復(fù)難點主要體現(xiàn)在3個方面。

1) 地層接觸關(guān)系不穩(wěn)定。奧陶系僅殘留馬三段和馬四段地層,馬三段地層與下伏寒武系地層呈平行不整合接觸,馬四段地層與上覆太原組、山西組陸相地層呈角度不整合接觸,自南向北馬四段頂部逐漸被剝蝕殆盡。由于奧陶系地層內(nèi)部及下伏寒武系地層無穩(wěn)定標(biāo)志層,故無法利用殘厚法恢復(fù)古地貌。

2) 根據(jù)現(xiàn)有地震資料無法得到低幅度馬四段目的層殘余厚度變化情況。沿構(gòu)造軸向的南西—北東(SW—NE)地震剖面上(圖1),現(xiàn)今馬四段頂部不整合面(T9b)向北東平緩抬升,構(gòu)造幅度變化小;奧陶系地層表現(xiàn)為“兩峰夾一谷”特征。目的層馬四段殘留厚度0～80m,隱藏于馬三段底(T10)及馬四段頂(T9b)兩套波峰之間的紅波谷上部,故殘余厚度的變化在地震剖面上無法得到反映。

圖1 鄂北HJQ研究區(qū)典型地震剖面

3) 受地震資料分辨率低及煤層影響,現(xiàn)有標(biāo)志層難以滿足古地貌恢復(fù)精度的要求。奧陶系上覆山二段泥巖沉積穩(wěn)定,地震剖面上其頂部反射(T9d)表現(xiàn)為低頻、中等振幅且連續(xù)性較強(qiáng)的特點,基本符合印模法標(biāo)志層條件,但受地震資料縱向分辨率較低的限制,山二段頂(T9d)準(zhǔn)確位置落實程度不足;同時緊鄰?qiáng)W陶系的上部太原組還發(fā)育多套厚度不等的煤層,受低速煤層強(qiáng)反射干擾,奧陶系頂界面準(zhǔn)確位置落實程度同樣偏低。將山二段頂(T9d)作為標(biāo)志層,利用印模法得到前石炭紀(jì)古地貌恢復(fù)結(jié)果如圖2所示,反映的微古地貌單元細(xì)節(jié)并不突出,無法解釋巖溶鉆井差異(表1),難以建立古地貌與巖溶作用之間的客觀關(guān)系。

表1 HJQ研究區(qū)5口井鉆探結(jié)果

圖2 鄂北HJQ研究區(qū)將山二段頂(T9d)作為標(biāo)志層得到的古地貌恢復(fù)結(jié)果

2 巖溶微古地貌恢復(fù)

2.1 古地貌恢復(fù)方法選取

巖溶古地貌決定著下伏地層的保存程度[1],也控制著影響巖溶發(fā)育的地表和地下水系,古地貌與巖溶作用強(qiáng)度及縫洞儲層充填程度有著密切的關(guān)系。巖溶古地貌恢復(fù)方法有很多,但都是基于印模法和殘余厚度法這兩大類基本方法。

印模法是一種逆推測量方法,主要通過選擇風(fēng)化殼上覆具有“填平補(bǔ)齊”沉積作用的穩(wěn)定標(biāo)志層作為基準(zhǔn)面,求其與侵蝕面的厚度來鏡像地反映侵蝕面的古地貌格局;殘余厚度法則主要通過選擇風(fēng)化殼下伏某個穩(wěn)定標(biāo)志層作為基準(zhǔn)面,利用該基準(zhǔn)面與之上的侵蝕面殘余厚度對古地貌形態(tài)進(jìn)行分析[5,7,17]。

前人在盆地的區(qū)域古地貌研究中[17],使用印模法和殘厚法時主要選用不整合面上覆的本溪組、太原組厚度及不整合面下伏的馬五段厚度。由于本區(qū)總體處于區(qū)域古地貌相對較高的斜坡位置,本溪組未接受沉積,太原組局部發(fā)育,馬五段遭受剝蝕,奧陶系僅殘留馬三段、馬四段的部分地層,同時底部馬三段與下伏寒武系地層為平行不整合接觸關(guān)系,沒有穩(wěn)定標(biāo)志層作為殘厚法恢復(fù)的基礎(chǔ)。因此需要在不整合面之上重新尋求離剝蝕面最近的具有填平補(bǔ)齊作用的穩(wěn)定標(biāo)志層作為基準(zhǔn)面,再利用印模法進(jìn)行古地貌恢復(fù)。

2.2 基于頻譜延拓的地震資料高分辨率處理

研究區(qū)目的層較為平緩,印模地層厚度的微小變化對古地貌形態(tài)影響巨大,因此古地貌基準(zhǔn)面與目標(biāo)面(馬四段頂不整合面)的精確拾取對于本區(qū)微古地貌的恢復(fù)起決定性作用。原始地震資料主頻較低、頻帶偏窄,不整合面反射(T9b)受上覆太原組、山西組多套煤層影響,表現(xiàn)為低頻強(qiáng)振幅特點,部分區(qū)域出現(xiàn)寬幅復(fù)波,解釋追蹤多解性強(qiáng),需要進(jìn)行基于頻譜延拓的地震資料高分辨率處理。

地震頻譜延拓技術(shù)是一種基于連續(xù)小波變換的信號分解與重構(gòu)來提高特定頻段能量的技術(shù),對于地震信號來說,連續(xù)小波變換可以將信號表示成一系列不同尺度、不同頻率的小波之和[18]。Morlet小波頻域能量比較集中,通頻帶較窄,頻率混疊影響較小,故適于對地震信號進(jìn)行分解和重建[19],根據(jù)(1)式利用連續(xù)小波變換將地震信號分解為主諧波,然后在小波域內(nèi)按倍頻在高、低頻段獲取延拓諧波,再將改進(jìn)后的主諧波和延拓諧波根據(jù)(2)式從小波域反變換到時間域,實現(xiàn)高頻端和低頻端的信號重建[20-22]。

(1)

(2)

式中:Ψ為morlet小波基;s為尺度;τ表示時移;CΨ為常數(shù);W(τ,s)為小波正變換;f(t)為小波反變換。

地震頻譜拓頻技術(shù)不涉及地震子波的提取,通過井震結(jié)合,利用測井信息及合成記錄進(jìn)行約束,選取適合于目的層段地質(zhì)特征和地震反射特點的不同主軸頻率子波,分別對高頻段和低頻段的頻率成分進(jìn)行地震信號重建,優(yōu)選補(bǔ)償延拓因子進(jìn)行頻譜外推,從而獲得最佳分辨率的目的層段的成像剖面。與傳統(tǒng)疊前高分辨率處理技術(shù)[23-26]或傳統(tǒng)疊后拓頻方式如譜藍(lán)化[27]、反褶積相比,針對有效信號,地震頻譜拓頻技術(shù)能在高頻段頻譜延拓的同時,較好地保護(hù)低頻信息且不改變各頻率段相對能量關(guān)系。

如圖3所示,拓頻后的地震資料相對原始地震資料主頻提高11Hz,達(dá)到33Hz,頻帶也拓寬了10Hz。自下而上對比圖3所示的兩張剖面可知,馬三段底(T10)連續(xù)可追蹤性得到提高,馬四段頂(T9b)、山二段頂(T9d)對應(yīng)的原兩套強(qiáng)波峰之間新辟分出一個穩(wěn)定連續(xù)相位,對應(yīng)為山一段底地震反射(T9c)。相較于原始地震剖面,頻譜延拓后得到的剖面較好地保持了波組能量關(guān)系,地震資料信噪比和分辨率得到了大幅提高。

圖3 鄂北HJQ地區(qū)頻譜延拓前(a)、后(b)效果對比

圖3a中W5井位置處,馬四段頂(地質(zhì)分層為太原組底C3t)地震反射在原始剖面上表現(xiàn)為低頻復(fù)波特征,層位多解性強(qiáng),與鉆井標(biāo)定存在較大誤差,而經(jīng)過基于頻譜延拓的高分辨率處理后得到的圖3b中,馬四段頂(T9b)地震反射波形更穩(wěn)定,消除了井震不吻合現(xiàn)象,拾取的4套地層界面更為精確。

利用井震標(biāo)定對拓頻結(jié)果進(jìn)行質(zhì)控,W3井分別采用主頻為33Hz和22Hz的雷克子波,在相同時深關(guān)系下,拓頻前、后合成地震記錄(圖4第5道和第6道紅色)與井旁地震道(圖4第5道和第6道黑色)井震波組特征及能量關(guān)系均較為吻合(圖4)。值得注意的是,當(dāng)?shù)卣鸱直媛侍岣吆?山二段頂界面反射(T9d)位置未發(fā)生變化,山一段底界面反射(T9c)由波谷變?yōu)椴ǚ?馬四段頂反射界面(T9b)發(fā)生下移半個相位的現(xiàn)象,更貼近不整合面實際位置,各同相軸均具有明確的地質(zhì)意義。上述結(jié)果證明拓頻后的地震資料可靠,具有較高的保真性。

圖4 鄂北HJQ地區(qū)地震頻譜延拓前、后W3井合成記錄標(biāo)定對比(1ft≈30.48cm)

此外,基于頻譜延拓的地震資料高分辨率處理還有利于降低上覆煤層的影響。如圖5所示,馬四段灰?guī)r與太原組低速煤層間發(fā)育一套約為10m的泥巖夾層。在原始地震資料分辨率下,對W1井去煤層正演前、后的結(jié)果進(jìn)行對比,當(dāng)不存在煤層影響時,馬四段頂反射界面位置相對會下移半個相位,這與拓頻后馬四段頂?shù)卣鸱瓷浣缑嫖恢靡恢?圖5b)。進(jìn)行基于頻譜延拓的地震資料高分辨率處理后,太原組底部泥巖與奧陶系灰?guī)r波阻抗界面可被識別,進(jìn)而解決了煤層影響造成的不整合面拾取精度不足的問題,為后續(xù)高精度微古地貌恢復(fù)提供了更可靠的地震資料。圖5a中,太原組兩套低速煤層與泥巖圍巖形成兩正一負(fù)強(qiáng)反射系數(shù),在兩套正反射和一套負(fù)反射強(qiáng)振幅波形疊加影響下,馬四段頂界面位于波峰90°相位處,也就是說該地震界面與馬四段頂實際位置存在半個相位的時差,原始地震資料追蹤得到的最大波峰處并不一定是風(fēng)化殼的準(zhǔn)確位置。去除兩套煤層引起的3套強(qiáng)反射波形后,由于上覆波形不再產(chǎn)生強(qiáng)疊加效應(yīng),故真實奧陶系頂?shù)卣鸾缑娉霈F(xiàn)半個相位下移(圖5b)。

圖5 鄂北HJQ地區(qū)W1井去煤層前(a)、后(b)正演結(jié)果對比

精細(xì)追蹤馬四段頂(T9b)拓頻前、后的平面展布不難發(fā)現(xiàn),拓頻前、后剝蝕面現(xiàn)今構(gòu)造面貌基本一致,均整體表現(xiàn)為向北東抬升的單斜形態(tài),但拓頻后的巖溶細(xì)節(jié)更加清楚,局部發(fā)育孤立的橢圓狀落水洞、條帶狀溶蝕溝谷等地質(zhì)現(xiàn)象更加豐富自然(圖6)。

圖6 鄂北HJQ地區(qū)馬四段頂(T9b)拓頻前(a)、后(b)平面展布

2.3 基準(zhǔn)面的選取

利用印模法進(jìn)行微古地貌精細(xì)恢復(fù),關(guān)鍵在于尋求奧陶系頂部不整合面上覆盡可能靠近的標(biāo)志層作為基準(zhǔn)面,要求巖性界面易識別且全區(qū)穩(wěn)定分布。不整合面之上的山一段底部發(fā)育一套低速煤層與相對高速泥巖組合正好滿足這一條件,橫向可對比性強(qiáng)(圖7),地震反射表現(xiàn)為高頻中、強(qiáng)振幅、連續(xù)穩(wěn)定的沉積特征(圖3中T9c),井震聯(lián)合分析認(rèn)為該組合沉積完成后,奧陶系巖溶地貌已被填平補(bǔ)齊,可作為理想的印?；鶞?zhǔn)面。

2.4 巖溶微古地貌特征

在山一段底(T9c)基準(zhǔn)面及馬四段頂(T9b)目標(biāo)面精細(xì)追蹤基礎(chǔ)上,利用三維速度場開展變速時深轉(zhuǎn)換,利用印模法進(jìn)行研究區(qū)微古地貌深度域恢復(fù)。如圖8所示,研究區(qū)盡管地形較為平坦,前石炭紀(jì)古地貌高差小(40m以內(nèi)),但微古地貌地質(zhì)細(xì)節(jié)突出,古地貌單元類型多樣,不同單元界限清楚,顯示出本區(qū)不同位置溶蝕作用存在明顯差異,橫向變化快的特點。與前期古地貌恢復(fù)結(jié)果相比(圖2),古地貌恢復(fù)精度大幅提高。

圖8 鄂北HJQ地區(qū)前石炭紀(jì)巖溶微古地貌

結(jié)合前人認(rèn)識,將研究區(qū)劃分為巖溶高地、巖溶斜坡2個二級古地貌單元,即北東部巖溶高地、中西部巖溶斜坡。其中巖溶斜坡進(jìn)一步劃分為殘丘、溝谷、洼地、落水洞等4個三級古地貌單元。

巖溶高地:小范圍出現(xiàn)在北東角,古地勢相對較高,風(fēng)化殼開殼層位為馬三段,以垂向滲流為主導(dǎo)致的巖溶作用較弱,儲集性較差。

巖溶斜坡:位于中西部,占據(jù)區(qū)內(nèi)絕大部分面積,古地勢適中,風(fēng)化殼開殼層位為馬四段,巖溶作用以垂向滲流和水平潛流為主,碳酸鹽巖儲層改造強(qiáng)烈,地貌復(fù)雜多樣,區(qū)內(nèi)5口鉆井均揭示在馬四段發(fā)育不同程度的溶蝕孔洞。

溝谷和洼地是經(jīng)受強(qiáng)烈侵蝕、下切而形成的樹枝狀、條帶狀古水系匯流帶,為地表和地下水排泄的主渠道[7]。在古地形及古水動力場作用控制下,發(fā)育于周邊相對高地勢區(qū)的古水系沿著古巖溶斜坡地形,緩慢匯聚到工區(qū)中部相對低勢的洼地。由于水力梯度小,巖溶作用充分,為斜坡區(qū)古風(fēng)化殼巖溶縫洞的發(fā)育創(chuàng)造了良好條件,在差異化溶蝕作用下,斜坡區(qū)南西部形成局部分布的丘狀古殘丘。在斜坡區(qū)中南部,由于地表水系垂直滲流及下切侵蝕作用,還存在多處孤立狀的落水洞。

3 油氣勘探意義

HJQ區(qū)內(nèi)5口井均處于巖溶作用有利的古地貌斜坡區(qū),實鉆結(jié)果表明三級古地貌單元發(fā)育了不同程度的溶蝕縫洞,且與縫洞充填性關(guān)系較密切,從而直接影響了油氣產(chǎn)能。從這5口井分別所處的古地貌單元位置、馬四段殘留厚度、縫洞厚度、縫洞充填性及測試產(chǎn)量等鉆探統(tǒng)計結(jié)果可知,W1井和W2井獲得3×104m3/d左右的工業(yè)氣流,效果最佳,W3井次之,W4井和W5井失利。

從精細(xì)恢復(fù)的微古地貌上看,W1井和W2井處于殘丘發(fā)育區(qū),馬四段殘留地層保存較全,溶蝕作用較充分,縫洞基本未充填,產(chǎn)量最高;W3井靠近巖溶高地,盡管縫洞未被充填,但巖溶作用以垂向滲流為主導(dǎo),對儲層改造程度較弱,測試產(chǎn)能偏低;W4井和W5井分別處于溝谷及洼地單元,水動力條件強(qiáng)。馬四段在漫長的侵蝕作用下一方面會導(dǎo)致殘余地層厚度明顯減小,另外由于古水系的匯聚,發(fā)育的溶蝕縫洞被泥質(zhì)完全充填,測試無產(chǎn)能。

綜上,實際鉆井證實,古地貌斜坡區(qū)殘丘部位及溝谷周邊溶蝕作用較強(qiáng),易形成良好的溶蝕縫洞儲集體,縫洞不易被泥質(zhì)充填,是油氣聚集成藏的有利指向區(qū);溝谷及洼地中心部位儲集空間易被泥質(zhì)充填,在油氣滾動勘探中應(yīng)盡力避免。

4 結(jié)論

1) 高分辨率地震資料有利于目標(biāo)地質(zhì)體反射界面的縱向歸位,在構(gòu)造幅度小、殘留地層薄的鄂北HJQ地區(qū),采用基于連續(xù)小波變換的地震頻譜延拓技術(shù),能有效提高地震資料的分辨能力,同時降低上覆煤層影響導(dǎo)致的層位多解性,獲取高精度基準(zhǔn)面及目標(biāo)界面信息。

2) 在采用相同方法的情況下,對于古地貌恢復(fù),其參考基準(zhǔn)面的合理選擇及待恢復(fù)目標(biāo)面的準(zhǔn)確拾取至關(guān)重要。經(jīng)過基于頻譜延拓的地震資料高分辨率處理后,本研究區(qū)確定了與山一段底部穩(wěn)定發(fā)育的煤-泥組合相對應(yīng)的地震反射層(T9c),其地質(zhì)意義明確,同相軸穩(wěn)定連續(xù)易追蹤,可作為理想的參考基準(zhǔn)面。

3) 不同微古地貌單元對碳酸鹽巖巖溶縫洞的發(fā)育程度、泥質(zhì)充填性及油氣分布等具有重要控制作用,斜坡區(qū)的殘丘及溝谷周邊是值得重點關(guān)注的滾動勘探有利區(qū),洼地及溝谷中心部位不利于油氣聚集成藏。