順北1號斷裂帶洞穴型儲集體地震表征方法

盧志強(qiáng), 楊 敏

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發(fā)研究院, 烏魯木齊 830011)

順北油氣田位于塔里木盆地腹地,構(gòu)造處于塔北、塔中兩大古隆起的構(gòu)造鞍部—順托果勒低隆起上,是一個受斷裂控制的特深碳酸鹽巖斷溶體藏群組成的油氣田(圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置與主干斷裂分布

順北油氣田斷裂是主控因素,在碳酸鹽巖地層中,發(fā)育一種特殊的受斷裂影響的復(fù)雜縫洞系統(tǒng),在多期構(gòu)造活動過程中形成新的斷裂空腔、角礫間孔隙、構(gòu)造裂縫,斷控體成因-結(jié)構(gòu)類型比較復(fù)雜,是指發(fā)育在巨厚致密碳酸鹽巖內(nèi)部,單純由走滑斷裂的構(gòu)造運(yùn)動作用所形成的裂縫和斷裂“空腔”型儲集體,這類空腔型儲集體主要發(fā)育洞穴,且連通關(guān)系復(fù)雜,空間展布差異大,油藏埋深大(7 000～8 000 m),地震資料分辨率低,縫洞儲集體表征描述難度大。

早期勘探針對目標(biāo)較大洞穴可獲得高產(chǎn),隨著開發(fā)的不斷深入,大洞穴所剩無幾,更多的目標(biāo)是小洞穴,由于油藏埋,鉆井成本高,若只動用一個小洞穴,不經(jīng)濟(jì);因此需要一井多控,同時控制多個小洞穴,且要求軌跡所控制洞穴鉆進(jìn)過程中不能漏失,但要離洞的距離足夠近,保證完井酸壓能高效溝通洞穴(圖2),這樣就對洞穴的頂?shù)准皩挾茸R別精度要求非常高。

圖2 一個軌跡控制多個小洞穴示意圖

前人結(jié)合地質(zhì)理論、地震技術(shù)方法等已開展了深入研究,馬乃拜等[1]、馬永生[2]分析認(rèn)為地震剖面上的串珠反射為溶洞的表現(xiàn);張長建等[3]基于地震及鉆井資料,利用層拉平法、構(gòu)造趨勢面、振幅異常等方法,還原了古水文地貌條件和古巖溶水系統(tǒng),劃分了深切曲流峽谷區(qū)巖溶洞穴類型,但是未對洞穴空間形態(tài)進(jìn)行刻畫;陳華鑫等[4]、漆立新[5]、焦方正[6]應(yīng)用測井對溶洞的充填程度進(jìn)行了描述;王紅漫和漆立新[7]、徐嘉宏等[8]、鄧光校等[9]、劉寶增等[10]、姜應(yīng)兵和李興娟[11]用振幅變化率和層間算數(shù)平均瞬時相位屬性表征串珠反射平面特征,與實(shí)鉆井情況較為吻合;劉軍等[12]、韓長城等[13]應(yīng)用瞬時能量屬性預(yù)測串珠在剖面上的外輪廓效果顯著;王震等[14]、伍齊喬等[15]、劉軍等[16]、姜曉宇等[17]利用反演得到的縱波阻抗體預(yù)測溶洞頂位置,在塔河油田探井部署中取得一定的效果;曹飛等[18]、曹飛和盧志強(qiáng)[19]對溶洞注水提高采收率及利用相約束貝葉斯同時反演技術(shù)將貝葉斯分類與疊前同時反演相結(jié)合對洞的頂部位置開展了研究與識別取得了一定效果;但是到了開發(fā)后期需要全方位對洞頂、洞底、洞寬等進(jìn)行詳細(xì)識別從而支撐高效開發(fā)。

針對不同尺度縫洞儲集體,結(jié)合前人的研究成果,設(shè)計(jì)不同高度、寬度縫洞的二維數(shù)值模型;通過數(shù)值模擬方法研究不同尺度縫洞的地震響應(yīng)特征,并對比分析不同地震屬性對縫洞的刻畫能力;利用優(yōu)選的微分振幅和瞬時能量融合屬性,對研究區(qū)實(shí)際資料進(jìn)行試驗(yàn),并與實(shí)際鉆井放空漏失資料對比,驗(yàn)證不同尺度縫洞儲集體表征的有效性。

1 基于波動方程正演的屬性優(yōu)選

研究區(qū)目的層段主頻在23 Hz左右,有效頻寬為10～60 Hz(圖3)。實(shí)際地震資料對2 m、8 m等小尺度縫洞無明顯響應(yīng),但是對多個8 m的縫洞集合體可以識別,單個洞大小在20 m以上的可以識別。

基于波動方程原理:利用SIMO,建立針對復(fù)雜斷溶體聲波介質(zhì)模型,進(jìn)行交錯網(wǎng)格差分,應(yīng)用地震波的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的基本原理,進(jìn)行波動方程模擬,計(jì)算出所給地質(zhì)模型的地震響應(yīng),研究斷溶體地震反射特征(圖4),主頻頻寬等參數(shù)均引用研究區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)。

圖4 波動方程正演軟件

波動方程正演工作流程分為地質(zhì)模型建立、觀測系統(tǒng)設(shè)置、地震波場模擬、水平疊加、偏移處理5個步驟(圖5)。其中,介質(zhì)地質(zhì)模型建立是波動方程正演核心,包含地層速度、儲層速度、震源參數(shù)、觀測系統(tǒng)4個參數(shù)。

圖5 波動方程正演工作流程

根據(jù)順北斷控儲集體特點(diǎn),建立了斷溶體的正演模型,開展地震響應(yīng)特征分析(圖6)。正演結(jié)果顯示,破碎帶(裂縫-孔洞儲層)和小型孔洞群為雜亂反射特征,溶洞為“串珠”狀反射特征。

圖6 斷溶體正演模型和地震響應(yīng)

使用正演結(jié)果地震數(shù)據(jù)計(jì)算了多個地震屬性,包括振幅類、能量類、頻率類、幾何類共10個屬性。將這些屬性與正演模型對比,分析各個屬性對儲層的敏感性,優(yōu)選5個敏感屬性,包括結(jié)構(gòu)張量、最大相似傾角、瞬時能量、微分振幅、剩余波阻抗。其中,結(jié)構(gòu)張量和最大相似性傾角對斷溶體邊界識別較好,瞬時能量和微分振幅對洞穴識別較好,剩余波阻抗對雜亂反射的裂縫-孔洞儲層識別較好(圖7),本文重點(diǎn)刻畫洞穴型儲集體。

圖7 斷溶體正演模型和不同屬性剖面

能量屬性用于識別振幅異常或?qū)有蛱卣?用于碳酸巖串珠狀反射儲集體儲層預(yù)測有較好的效果。瞬時能量為瞬時振幅的平方,具有與瞬時振幅類似的地球物理意義和作用。

結(jié)構(gòu)張量分析(GST)是近年來從圖像處理領(lǐng)域引入到地震解釋中的一種新的屬性分析方法。其實(shí)質(zhì)是將地震數(shù)據(jù)視為圖像,通過識別地震圖像中的不同結(jié)構(gòu)特征,而圖像中紋理變化實(shí)際上代表地質(zhì)目標(biāo)中的異常體如縫洞等。

在地震勘探中,由于地表激發(fā)和接受因素的限制,使得地震子波延續(xù)時間較長,頻帶較窄,在剖面上對儲層的分辨能力不足。在信號處理中,微分表達(dá)信號的變化率,可以將波形中隱含的高頻弱信息放大,凸顯其細(xì)節(jié)。因此,在地震剖面上被子波干涉所掩蓋的儲層信息,就可以通過微分將其挖掘出來。

地震記錄S(t)的n階微分振幅譜為

Sn(f)=S(f)·|2πf|n

式中:f為頻率;S(f)為地震記錄的振幅譜;n為微分階數(shù)。對于某一地震記錄,微分階數(shù)越大,微分后信號的主頻越高,但會損傷低頻信息,因此選擇微分階數(shù)為2來計(jì)算微分振幅。

通過多屬性優(yōu)選,瞬時能量和微分振幅能較好反映洞穴展布特征,因此采用瞬時能量和微分振幅融合屬性來預(yù)測洞穴型儲集體發(fā)育特征。

2 不同尺度模型正演模擬

單個溶洞尺度較大,為100 m×40 m,單個小溶孔為6 m×6 m,單個微溶孔為3 m×3 m,裂縫寬度為0.5 m,波動方程正演表明,洞穴和高密度小孔洞表現(xiàn)為串珠反射,低密度溶孔表現(xiàn)為雜亂反射,裂縫為弱反射,地震反射特征具有多解性,溶洞和小孔洞儲集體也能形成串珠反射(圖8)。

圖8 4種儲層類型正演剖面

設(shè)置了31個大小不同、形狀不一的縫洞集合體,開展溶洞正演(圖9)。

圖9 溶洞復(fù)雜地質(zhì)模型二維聲學(xué)波動方程正演疊后時間域偏移剖面

從溶洞正演結(jié)果來分析,可以得出如下結(jié)論:①地震剖面上串珠形態(tài)與溶洞的實(shí)際空間分布特征有一定的對應(yīng)性;②溶洞的縱橫間距小于20 m時,從地震“串珠”反射特征上是不可分辨的,距離越大越易識別;③溶洞大于20 m時串珠形態(tài)可識別,且振幅值較大。

結(jié)合上述正演成果,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(jì)一組寬度為50 m不變、高度變化(8 m、16 m、24 m、32 m、40 m、48～120 m)的縫洞模型(圖10a)及高度為50 m不變、寬度變化(2 m、10 m、18 m、26 m、34 m、42 m、50 m)的縫洞模型(圖10b)。一間房組地層的平均速度為6 000 m/s,其中6個縫洞體單元的充填等效速度為5 400 m/s。

圖10 縫洞高度、寬度變化模型

對微分振幅和瞬時能量的分辨能力進(jìn)行正演分析(圖10)。對于微分振幅縱向識別能力的分析,依據(jù)圖10(a)正演模型。統(tǒng)計(jì)正演結(jié)果洞穴頂?shù)椎奈⒎终穹?表明微分振幅對洞穴頂面的識別能力更好,高度大于40 m洞穴識別準(zhǔn)確,高度小于40 m時有較小誤差,對洞穴底面的識別有一定誤差,高度大于40 m時對底部識別較準(zhǔn)確,高度小于40 m時有一定誤差。所以,微分振幅對于高度大于40 m的洞穴頂?shù)鬃R別比較準(zhǔn)確,但是寬度不能很好表征。

對于瞬時能力橫向分辨能力的分析,依據(jù)圖10(b)正演模型。統(tǒng)計(jì)正演結(jié)果洞穴兩側(cè)邊界的瞬時能量值,對于每個洞穴,兩側(cè)邊界能量對稱,數(shù)值相等,當(dāng)寬度大于30 m時,洞穴邊界瞬時能量值變得穩(wěn)定,說明瞬時能量屬性對寬度大于30 m洞穴識別準(zhǔn)確,隨著寬度的減小,瞬時能量的誤差變大,但是對頂?shù)撞荒芎芎帽碚鳌?/p>

綜合以上正演分析結(jié)果,對于洞穴高度大于40 m,寬度大于30 m的尺度,微分振幅刻畫洞頂?shù)纵^好,瞬時能量刻畫洞寬度較好,因此利用微分振幅和瞬時能量融合屬性可以較準(zhǔn)確地確定洞的頂?shù)准皩挾?。在?shí)際地震中,該尺度分布對應(yīng)高約13 m,寬約1.2個CDP,包含了大部分可識別的“串珠”,因此微分振幅和瞬時能量融合屬性在研究區(qū)可用來識別洞穴的頂?shù)孜恢眉皩挾取?/p>

實(shí)際資料中,以wellA井為例,通過放空位置確定洞頂后,對比常規(guī)波阻抗反演與微分振幅和瞬時能量融合屬性效果發(fā)現(xiàn),識別洞頂效果較好,但是在識別洞底及洞寬度方面差異較大(圖11)。

圖11 wellA井常規(guī)波阻抗反演與微分振幅和瞬時能量融合屬性對比

3 實(shí)際資料洞穴型儲集體表征

根據(jù)模型正演結(jié)果及屬性優(yōu)選的結(jié)論與認(rèn)識,采用微分振幅和瞬時能量融合屬性,并結(jié)合實(shí)鉆井放空漏失等動態(tài)信息,對順北1號斷裂帶上的井進(jìn)行了實(shí)鉆標(biāo)定。

選取1號斷裂帶上19口串珠反射特征的鉆井,按井軌跡與洞穴接觸關(guān)系分為三大類,第一類是軌跡鉆至洞頂?shù)你@井,第二類是軌跡鉆至洞底的鉆井,第三類是軌跡鉆至洞側(cè)邊的鉆井。

第一類井中以wellB井為例,wellB井鉆井過程中鉆至預(yù)測洞頂?shù)奈恢冒l(fā)生放空,放空長度0.41 m,漏失泥漿847 m3,初期日產(chǎn)油70t,后因井底垮塌向深層洞穴加深側(cè)鉆,鉆井過程中鉆至預(yù)測洞頂?shù)奈恢猛瑯影l(fā)生放空,放空長度3.3 m,漏失泥漿576 m3,初期日產(chǎn)油75 t,常規(guī)波阻抗反演與微分振幅和瞬時能量融合屬性對洞頂均有較好的刻畫效果(圖12)。

圖12 wellB井常規(guī)波阻抗反演與微分振幅和瞬時能量融合屬性刻畫洞頂

第二類井中以wellC井為例, wellC井鉆井過程中鉆至預(yù)測洞的側(cè)面發(fā)生放空,放空長度0.41 m,漏失泥漿616 m3,初期日產(chǎn)油90t,常規(guī)波阻抗反演范圍較大,刻畫誤差大,微分振幅和瞬時能量融合屬性對洞的寬度位置有較好的刻畫效果(圖13)。

圖13 wellC井常規(guī)波阻抗反演與微分振幅和瞬時能量融合屬性刻畫洞寬

第三類井中以wellD井為例,wellD井鉆井過程中鉆至預(yù)測洞底附近位置發(fā)生漏失,漏失泥漿570 m3,初期日產(chǎn)油90t,常規(guī)波阻抗反演與微分振幅和瞬時能量融合屬性對洞頂均有較好的刻畫效果,但是對洞底刻畫上常規(guī)反演誤差大,融合屬性刻畫精度高(圖14)。

WellE井軌跡與預(yù)測洞穴的頂縱向上距離35米(圖15),鉆進(jìn)過程中未發(fā)生放空與漏失,但通過酸壓完井,實(shí)現(xiàn)了軌跡與縫洞的溝通,初期日產(chǎn)油80t;進(jìn)一步證實(shí)微分振幅和瞬時能量融合屬性在研究區(qū)預(yù)測結(jié)果的可靠性。

圖15 well5井軌跡與預(yù)測洞穴關(guān)系剖面

4 結(jié)語

針對順北油氣田奧陶系斷控儲集體建立了斷溶體的正演模型,開展地震響應(yīng)正演模擬,使用正演結(jié)果地震數(shù)據(jù)計(jì)算了多個地震屬性體,通過對比優(yōu)選出瞬時能量和微分振幅融合屬性表征洞穴型儲集體。

針對洞穴類儲集體,設(shè)計(jì)了兩組正演模型,正演分析結(jié)果表明,對于洞穴高度大于40 m,寬度大于30 m的尺度,微分振幅和瞬時能量融合屬性可以較準(zhǔn)確地確定洞的頂?shù)准皩挾取?/p>

由于順北油田奧陶系縫洞儲集體埋深較大(大于7 000 m),受地震資料分辨率較低等因素的限制,針對洞穴儲集體常規(guī)反演方法在識別洞頂有很好的效果,但是對洞底及洞寬度識別誤差大,針對洞穴不能精準(zhǔn)識別影響一井多控多個小洞穴軌跡設(shè)計(jì)的問題,利用微分振幅與瞬時能量融合屬性較好地刻畫順北1號斷裂帶洞穴的頂?shù)准皩挾?預(yù)測與實(shí)鉆吻合率達(dá)89%,驗(yàn)證了順北1號斷裂帶洞穴型儲集體表征方法的可靠性。