基于地震數(shù)值模擬的溶洞型儲(chǔ)層地震特征分析

鄭多明 ，汪家洪，肖又軍，肖 文，高宏亮

1.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500

引言

碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層是塔里木奧陶系重要的油氣產(chǎn)層，該類儲(chǔ)層埋藏較深（6 500～8 000 m），且受后期成巖作用及多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的復(fù)合影響，儲(chǔ)層空間分布異常復(fù)雜，縱橫向都具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性。巖溶孔洞發(fā)育等因素導(dǎo)致地震反射特征異常復(fù)雜，在地震剖面上表現(xiàn)為反射能量不同的“串珠”狀反射特征[1-4]。因此，如何真實(shí)有效地建立縫洞型儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征與儲(chǔ)層參數(shù)之間的關(guān)系是碳酸鹽巖縫洞體儲(chǔ)層定量描述和油氣預(yù)測的關(guān)鍵[5-11]。

針對(duì)碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層“串珠”狀反射特征，前人利用數(shù)值模擬和物理模擬技術(shù)做了大量研究。在碳酸鹽巖縫洞儲(chǔ)層數(shù)值模擬方面取得了較多成果。唐文榜[12]將溶洞表示為半流體介質(zhì)、含流體松散體介質(zhì)以及含流體致密體介質(zhì)，對(duì)溶洞充填物的地震響應(yīng)特征進(jìn)行了對(duì)比分析。姚姚[13]分析和總結(jié)了“串珠狀”反射的地震波場特征，認(rèn)為溶洞橫向尺度對(duì)反射振幅的影響比縱向尺度的影響大，并指出應(yīng)以繞射波的觀念對(duì)溶洞的反射振幅進(jìn)行研究。胡中平[14]和葉勇等[15]先后分析了縫洞體形成“串珠狀”反射的基本原理，發(fā)現(xiàn)縫洞體的多次繞射波成像是“串珠狀”反射的本質(zhì)，并進(jìn)一步討論了影響“串珠狀”反射能量強(qiáng)弱的因素。孫東等[6]對(duì)比分析了溶洞頂?shù)走吔缭凇按榉瓷洹敝械木唧w位置，并嘗試對(duì)碳酸鹽巖“串珠狀”反射的地質(zhì)含義進(jìn)行了初步解釋。朱仕軍等[16]總結(jié)了溶洞在正演偏移剖面上最大波峰振幅與溶洞大小的關(guān)系，同時(shí)對(duì)波形做了相關(guān)分析。孫萌思等[17]總結(jié)了碳酸鹽巖儲(chǔ)層的地震相特征，建立了典型的基于井震標(biāo)定的地質(zhì)模型，并針對(duì)溶洞型、裂縫型及縫洞型儲(chǔ)層進(jìn)行了系統(tǒng)的正演模擬。

物理模擬技術(shù)被許多學(xué)者用于研究碳酸鹽巖縫洞體的“串珠狀”反射特征，并取得了一些成果。曹均等[18]分析了縫洞體孔隙度和密度變化對(duì)地震響應(yīng)的影響，指出地震屬性參數(shù)與縫洞體孔隙度和密度成反比。李瓊等[19]研究了縫洞體的大小、形狀與地震屬性參數(shù)之間的關(guān)系。王立華等[20]研究了溶洞內(nèi)充填物質(zhì)對(duì)“串珠反射”的振幅和頻率的影響。李凡異等[21]研究了溶洞寬度對(duì)“串珠狀”反射特征的影響，指出溶洞實(shí)際尺度與“串珠”尺度之間存在較大差異。唐志遠(yuǎn)等[22]利用物理模擬技術(shù)，對(duì)縫洞體積進(jìn)行定量雕刻研究，認(rèn)為縫洞體越大，雕刻誤差越小。Yang 等[23]研究了縫洞體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其地震反射的影響。Xu 等[24]研究了流體性質(zhì)對(duì)“串珠”相對(duì)振幅的影響，發(fā)現(xiàn)含油氣溶洞的相對(duì)振幅大于含水溶洞。以上工作試圖利用“串珠狀”反射能量的變化建立地震反射特征與縫洞儲(chǔ)層參數(shù)之間的關(guān)系，但對(duì)縫洞儲(chǔ)層勘探過程中常見的“串珠反射”與縫洞儲(chǔ)層類型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系缺乏系統(tǒng)總結(jié)，且采用的縫洞體模型比較簡單，忽略了上層介質(zhì)對(duì)“串珠狀”反射振幅的影響。

本文以實(shí)際地震資料為背景，建立全層系的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂不同類型溶洞的三維數(shù)值模型，進(jìn)行地震波場數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)縫洞體儲(chǔ)層勘探過程中常見的變量類型進(jìn)行單因素變量控制，研究縫洞儲(chǔ)層的流體類型、強(qiáng)軸干涉距離、縫洞體大小、溶洞間縱向距離、溶洞間橫向距離、充填類型和孔隙度等因素對(duì)“串珠狀”反射振幅的影響，為進(jìn)一步研究縫洞型儲(chǔ)層反射特征以及儲(chǔ)層預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 斷裂和溶洞的全層系三維模型

構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)取自塔里木盆地塔河南地區(qū)，該地區(qū)受后期成巖作用的控制、多期次構(gòu)造與成巖作用的復(fù)合作用下，形成現(xiàn)今的多期巖溶型儲(chǔ)集層，在地震剖面圖形上顯示清晰，模式豐富，斷層的位置和樣式沿走滑斷裂帶走向有較大變化，具有明顯的分段性和典型性[25-27]，因此，選取該工區(qū)作為背景資料構(gòu)建三維模型。

塔里木碳酸鹽巖全層系三維模型主要包括走滑斷裂帶和溶洞兩個(gè)部分。它們都是以實(shí)際地震資料為背景，利用屬性提取、斷層解釋和縫洞體雕刻等技術(shù)對(duì)實(shí)際地震資料進(jìn)行處理，構(gòu)建符合真實(shí)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂帶模型。

1.1 走滑斷裂三維體建模

塔里木碳酸鹽巖走滑斷裂生長演化主要分為雁列斷裂階段、斷裂連接階段、側(cè)列疊覆階段和辮狀貫穿階段4 個(gè)階段，可能會(huì)形成線性段、斜列段、辮狀段、疊覆段、雁列段及馬尾段6 種斷裂模式[28]。本文利用實(shí)際地震資料具有的斷裂模式，對(duì)其在空間上進(jìn)行精細(xì)解釋，在此基礎(chǔ)上對(duì)斷裂進(jìn)行模式化調(diào)整，使其成為一條符合實(shí)際生長規(guī)律的走滑斷裂三維模型，如圖1 所示。

圖1 走滑斷裂三維模型Fig.1 Three-dimensional model of strike-slip fracture

1.2 基于單因素變量條件下建立碳酸鹽巖溶洞模型

為了更好地模擬地下地質(zhì)情況，需利用實(shí)際工區(qū)地震資料雕刻溶洞模型。先對(duì)實(shí)際地震資料提取梯度結(jié)構(gòu)張量第二特征值屬性體，再對(duì)梯度結(jié)構(gòu)張量第二特征值屬性進(jìn)行閾值雕刻，得到實(shí)際數(shù)據(jù)溶洞雕刻形態(tài)。為了便于后期對(duì)比分析正演數(shù)據(jù)，對(duì)溶洞模型進(jìn)行單因素控制，因此，只選取了實(shí)際雕刻數(shù)據(jù)中的形態(tài)相對(duì)典型的3 種溶洞，用于構(gòu)建單因素條件下的溶洞模型。在此基礎(chǔ)上，建立了不同的單因素變量控制模式，從左到右依次放入走滑斷裂模型中進(jìn)行分段對(duì)比分析，如圖2 所示，其中，紅色線代表走滑斷裂，藍(lán)色點(diǎn)代表溶洞分布。

圖2 走滑斷裂與溶洞平面圖Fig.2 Plan of strike-slip faults and karst caves

1.3 全層系的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂三維模型

以碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂模型為目的層段建模，在實(shí)際地質(zhì)資料中埋藏較深，為了更好地模擬地下地質(zhì)情況，將建立全層系的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂模型。先利用白堊系頂?shù)綂W陶系頂?shù)娜珜酉祵游唬Y(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)以及實(shí)際地震剖面偏移速度場，對(duì)上覆層狀模型進(jìn)行速度填充，構(gòu)建上覆層模型。再將構(gòu)建的縫洞體與走滑斷裂三維模型與上覆層模型合并，得到全層系的多種類型碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂匹配的三維模型，如圖3 所示。

圖3 全層系的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂三維模型Fig.3 Three-dimensional model of carbonate fracture-vuggy bodies and strike-slip faults in the whole series

2 碳酸鹽巖縫洞體逆時(shí)偏移成像及反射特征分析

模擬采用觀測系統(tǒng)為120L2S540R，與實(shí)際野外采集觀測系統(tǒng)近似。部分觀測系統(tǒng)參數(shù)為：炮線距750 m，炮間距50 m，接收線距100 m，道間距25 m，最小偏移距25 m，最大偏移距9 005.25 m，采樣間隔2 ms。模擬所用子波提取自目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際地震資料，再通過統(tǒng)計(jì)平均求取，子波主頻為25 Hz。正演記錄如圖4 所示。對(duì)比不含溶洞模型與含溶洞模型模擬的單炮記錄，從圖4b 可以清晰地看出溶洞產(chǎn)生的繞射波。對(duì)正演模擬得到的炮集記錄進(jìn)行逆時(shí)偏移成像處理，如圖5所示，偏移結(jié)果可以很好地反映地下真實(shí)構(gòu)造及儲(chǔ)層形態(tài)。

圖4 地震數(shù)值模擬炮記錄Fig.4 Forward modeling records

圖5 逆時(shí)偏移結(jié)果Fig.5 Reverse time migration results

為使成像結(jié)果更具代表性，重點(diǎn)考慮了縫洞型儲(chǔ)集體的流體類型、強(qiáng)軸干涉距離、縫洞體大小、溶洞間縱向距離、溶洞間橫向距離、充填類型和孔隙度參數(shù)對(duì)反射特征的影響，研究這些參數(shù)有利于縫洞體在實(shí)際地震剖面中反射特征的認(rèn)識(shí)及識(shí)別，且能夠?yàn)閷?shí)際地震資料中縫洞型儲(chǔ)層參數(shù)的估算及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2.1 流體類型對(duì)反射特征的影響

保持溶洞大小及孔隙度不變，對(duì)比溶洞不同流體類型對(duì)成像結(jié)果的影響。在走滑斷裂的線性斜列段設(shè)置不同油、氣和水的組合模式，圖6a 為過不同流體類型溶洞體模型，從左到右分別為油、氣、水、氣+水+油、油+水、氣+水及氣+油等7 種組合模式。圖6b 為圖6a 所對(duì)應(yīng)的逆時(shí)偏移剖面，儲(chǔ)層流體內(nèi)幕的變化基本無法在疊后“串珠”響應(yīng)形態(tài)上進(jìn)行區(qū)分，這是因?yàn)橛?、氣和水的彈性參?shù)差異小，響應(yīng)能量不足以干涉“串珠”形態(tài)，影響主要表現(xiàn)為振幅能量（振幅的平方）隨平均彈性參數(shù)變化，從圖7和圖8 可以看出，水模式的振幅能量小于氣模式和油模式，當(dāng)為氣+水模式時(shí)，振幅能量達(dá)到最高，且振幅能量會(huì)隨縱波速度增大而逐漸降低。

圖6 不同流體類型的縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.6 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different fluid types

圖7 振幅能量隨縱波速度變化Fig.7 Variation of amplitude energy with P-wave velocity

圖8 流體類型與振幅能量關(guān)系Fig.8 Relationship between reservoir model and amplitude energy

2.2 強(qiáng)軸干涉距離對(duì)反射特征的影響

保持縫洞體大小、孔隙度及流體類型不變，在走滑斷裂的線性段分別對(duì)比了溶洞相對(duì)于不同強(qiáng)軸干涉距離造成的干涉影響。

溶洞與強(qiáng)軸干涉距離見圖9a，其中，強(qiáng)軸深度為5 320～5 600 m，從左到右溶洞相對(duì)于強(qiáng)軸干涉距離為6、12、24、48、96 和192 m，溶洞縱波速度為3 925 m/s、溶洞寬62.5 m、高92.0 m。由于縫洞體大小和彈性參數(shù)的關(guān)系，“串珠”響應(yīng)能量較強(qiáng)，不同干涉距離的縫洞體都可在地震剖面中識(shí)別。

不同強(qiáng)軸干涉距離縫洞體地震響應(yīng)特征如圖9b所示，干涉距離為6、12 和24 m 時(shí)，其“串珠”響應(yīng)為寬150 m，高216 m 的振幅串，振幅能量分別為16.964、17.521 和17.105；干涉距離為48 m 時(shí)，其“串珠”響應(yīng)為寬175 m，高204 m 的振幅串，振幅能量為33.49；干涉距離為96 m 時(shí)，其“串珠”響應(yīng)為寬200 m，高216 m 的振幅串，振幅能量33.419；干涉距離為192 m 時(shí)，其“串珠”響應(yīng)為寬188 m，高216 m 的振幅串，振幅能量23.612?？梢钥闯?，當(dāng)干涉距離小于1/4 波長時(shí)，“串珠”極性與強(qiáng)軸相反；當(dāng)干涉距離大于1/4 但小于1/2 波長時(shí)，“串珠”極性與強(qiáng)軸相同；當(dāng)干涉距離大于1/2 波長時(shí)，“串珠”與強(qiáng)軸分離。因此，干涉距離為6、12 和24 m時(shí)“串珠”極性與強(qiáng)軸相反，干涉距離48 和96 m 時(shí)“串珠”極性與強(qiáng)軸相同，干涉距離192 m 時(shí)串珠與強(qiáng)軸分離。

2.3 縫洞體大小對(duì)反射特征的影響

保持溶洞孔隙度及流體類型不變，在走滑斷裂的辮狀段對(duì)比不同縫洞體大小對(duì)結(jié)果的影響?？p洞體參數(shù)以及地震響應(yīng)參數(shù)如表1。

表1 縫洞體參數(shù)和地震響應(yīng)參數(shù)Tab.1 Fractured-cave parameters and seismic parameters

不同大小縫洞體模型及地震響應(yīng)特征見圖10，當(dāng)溶洞尺度小于25 m 時(shí)，地震反射特征不明顯，大于25 m 后溶洞特征清楚，從縫洞體與“串珠”響應(yīng)振幅能量關(guān)系（圖11）可以看出，兩者基本呈線性關(guān)系，且縫洞體大小會(huì)對(duì)“串珠”響應(yīng)呈現(xiàn)放大效應(yīng)。

圖10 不同大小縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.10 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of fractured-cavity bodies with different sizes

圖11 振幅能量與縫洞體體積的關(guān)系Fig.11 Relationship between amplitude energy and fractured-cavity bodies size

當(dāng)溶洞規(guī)模較小時(shí)，橫向反射寬度會(huì)明顯大于實(shí)際寬度，隨著溶洞的規(guī)模不斷增大，橫向的反射寬度會(huì)逐漸趨近于真實(shí)寬度，兩者關(guān)系可以用二項(xiàng)式進(jìn)行擬合（圖12），當(dāng)溶洞橫向長度小于1/8 波長，“串珠”能量難以識(shí)別。

圖12 縫洞體體積對(duì)“串珠”橫向放大效應(yīng)Fig.12 Transverse amplification effect of fractured-cavity bodies size on “beads”

2.4 溶洞間縱向距離對(duì)反射特征的影響

保持縫洞體體積、孔隙度、流體類型不變，在走滑斷裂的線性段，對(duì)比兩溶洞不同縱向距離對(duì)成像結(jié)果的影響。不同縱向距離的疊置縫洞體模型及其地震相應(yīng)特征如圖13 所示，圖13a 中，從左到右分別為縱向距離12、24、48、72 和0 m 的單一大溶洞，96、192 和192 m 的縱向疊置溶洞和384 m 的縫洞體模型，從圖13b 可以看到，當(dāng)疊置的溶洞縱向間距小于12 m 時(shí)，從地震分辨率的角度，將無法區(qū)分溶洞頂?shù)?；?dāng)溶洞縱向距離為24、48、72 和96 m時(shí)，從地震響應(yīng)中可以分辨雙洞；直至溶洞縱向距離大于1/2 波長，溶洞的“串珠”響應(yīng)完全分離。在逆時(shí)偏移成像處理下，縫洞體縱向疊置不會(huì)影響單串珠“負(fù)正負(fù)”的響應(yīng)形式，且具有明顯的規(guī)律。

圖13 不同縱向距離的縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.13 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of vertical distance

2.5 溶洞間橫向距離對(duì)反射特征的影響

保持縫洞體大小、孔隙度及流體類型不變，在走滑斷裂的疊覆段對(duì)比兩溶洞不同橫向距離對(duì)成像結(jié)果的影響?？p洞體橫向距離和分辨能力如表2所示。不同橫向距離的縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征如圖14所示，圖14a 中，從左到右橫向距離分別為20、50、75、100、125、175 和225 m。

表2 縫洞體橫向距離和分辨能力Tab.2 Lateral distance and resolution of double-slit caverns

圖14 不同橫向距離的縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.14 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of lateral distance

從地震響應(yīng)特征（圖14b）可以看出，當(dāng)兩溶洞橫向距離小于1/4 波長時(shí)，橫向雙縫洞體無法分辨，會(huì)出現(xiàn)大“串珠”狀假象；當(dāng)橫向距離大于1/4 波長且小于1/2 波長時(shí)，橫向雙縫洞體可分辨，但橫向間隔處能量較弱；當(dāng)橫向距離大于1/2 波長時(shí)，橫向縫洞體完全分離。

2.6 溶洞內(nèi)部充填特征對(duì)地震響應(yīng)的影響

保持縫洞體大小、孔隙度及流體類型不變，在走滑斷裂的斜裂段比較不同的充填物、充填程度對(duì)“串珠”響應(yīng)的影響。分別模擬充填物為硅質(zhì)和泥質(zhì)，每種充填物充填程度從低到高的狀態(tài)，圖15a中，從左到右分別為硅質(zhì)水平充填100%、泥質(zhì)水平充填100%、泥質(zhì)水平充填80%、泥質(zhì)水平充填60%、泥質(zhì)水平充填40%、泥質(zhì)豎直充填33%、泥質(zhì)水平充填20%、泥質(zhì)水平充填10%和無泥質(zhì)充填，地震成像結(jié)果見圖15b。

圖15 不同充填類型縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.15 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different filling types

充填特征能量的影響主要取決于對(duì)縫洞體彈性參數(shù)的影響，彈性參數(shù)與圍巖彈性參數(shù)的差越大，則響應(yīng)越強(qiáng)，同時(shí)充填與儲(chǔ)層的分界位置也影響振幅能量與縫洞體大小。且縫洞體產(chǎn)生的相位與背景圍巖產(chǎn)生的相位由于波的疊加作用也會(huì)導(dǎo)致“串珠”狀能量的強(qiáng)弱變化。

地震波振幅能量隨泥質(zhì)充填曲線如圖16 所示，隨著泥質(zhì)充填程度增大，振幅能量先上升后下降至平穩(wěn)。

圖16 振幅能量隨泥質(zhì)充填程度的變化Fig.16 Variation of amplitude energy with filling degree of mud

2.7 孔隙度對(duì)反射特征的影響

保持縫洞體大小及流體類型不變，在走滑斷裂的馬尾段比較孔隙度對(duì)成像結(jié)果的影響。不同孔隙度縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征見圖17。

圖17 不同孔隙度縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.17 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different porosity

圖17a 中，從左到右分別是孔隙度為5%、10%、15%、20%、25%和30%的縫洞體，其中，縫洞體大小均為寬50 m、高56 m。成像結(jié)果見圖17b，對(duì)于相同的充填物，孔隙度越大，地震反射越強(qiáng)。

孔隙度與振幅能量關(guān)系如圖18 所示，“串珠”振幅能量與孔隙度呈指數(shù)關(guān)系，隨著溶洞孔隙度的增大，溶洞與圍巖的彈性參數(shù)差異增大，使繞射響應(yīng)增強(qiáng)。

圖18 振幅能量隨孔隙度的變化Fig.18 Variation of amplitude energy with porosity

孔隙度變化會(huì)使得縫洞體地震響應(yīng)的橫向大小大于實(shí)際縫洞體大小，橫向放大效應(yīng)與孔隙度關(guān)系如圖19 所示，“串珠”橫向反射寬度的放大倍數(shù)與孔隙度呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

圖19 孔隙度對(duì)“串珠”的橫向放大效應(yīng)Fig.19 Transverse amplification effect of porosity on “beads”

3 結(jié)論

1）溶洞地震響應(yīng)的相對(duì)振幅會(huì)隨著溶洞體積增大而增大，隨溶洞速度的增大而減小。如果溶洞上方存在強(qiáng)軸反射，則強(qiáng)軸與溶洞間的干涉距離會(huì)影響“串珠”響應(yīng)振幅能量。

2）溶洞在空間上的分布會(huì)導(dǎo)致不同的響應(yīng)，兩個(gè)縱向疊置的溶洞會(huì)形成長“串珠”狀反射，當(dāng)其間距超過1/2 波長時(shí)會(huì)形成垂向分布的雙“串珠”。橫向疊置的溶洞間水平距離過小，會(huì)使兩個(gè)溶洞的“串珠”響應(yīng)合并，從而導(dǎo)致大溶洞的“串珠”假象。

3）對(duì)于相同孔隙度，溶洞內(nèi)的泥質(zhì)充填程度會(huì)影響“串珠”響應(yīng)振幅能量，隨著泥質(zhì)充填程度增大，振幅能量先上升后下降至平穩(wěn)。且彈性參數(shù)差異越大，地震反射越強(qiáng)，因此，含油氣溶洞的相對(duì)振幅會(huì)大于含水溶洞的相對(duì)振幅，但流體類型變化無法在疊后剖面的“串珠”響應(yīng)形態(tài)上進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于相同充填物，“串珠”響應(yīng)的振幅能量會(huì)隨孔隙度增大呈指數(shù)增大。