辛109断块低序级断层识别及其构造特征

孙 肖,车雄伟,李 萧,杨建磊

(1.中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257061;2.中国石化胜利油田分公司 东辛采油厂地质研究所,山东 东营 257094)

低序级断层是影响注采关系的最重要因素,是油田注水开发中需考虑的首要地质条件,其在断层规模、断层封闭性及断层组合样式等方面均对油藏开发有不同程度的重要影响[1-3]。辛109断块是辛镇构造带上的典型区块,属于多种沉积特征、多种构造样式、多种断裂系统、多种油藏类型特点的复式油气聚集区,其中断层多,断块小,构造复杂,且低序级断层落实程度差。受该油藏复杂构造的影响,对构造认识不清,使得注采井网难以完善,动态注采对应差、注水效果不理想的矛盾日渐突出,致使油田提早进入产量递减期。因此针对辛109断块的低序级断层,在精细地层对比基础上,利用断层加强处理、井震结合、相干体技术、蚂蚁追踪等关键技术,识别出研究区多条低序级断层,并进一步研究其构造特征,为重新认识老区块,发现新的有利圈闭和明确含油范围,深度开发及老区滚动奠定重要基础。

1 区域地质概况

辛镇构造带整体位于东营凹陷内,构造上位于中央隆起断裂背斜带的中东段。辛109断块是辛镇构造带上的典型区块(图1),平面上与辛23、辛1、辛15、辛120等4个断块区自北向南呈平行式分布,剖面上呈现负花状或复式地堑构造。

据钻井及录井资料显示,研究区主要发育有古近系东营组、沙河街组、孔店组,新近系明化镇组、馆陶组,第四系平原组。古近系和新近系岩性序列特征主要为红色砂泥岩、蒸发岩、礁灰岩、厚层暗色泥岩、三角洲砂岩、粒屑灰岩,其中含油层系为沙三段、沙二下、沙二上、沙一段、东营组和馆陶组,主力含油层系为沙二上段和沙二下段。基于前人的地层对比结果,结合研究区储层发育情况及油田精细开发的实际需要,将沙一、沙二段地层划分为21个砂层组、139个小层,其中含油砂层组20个、含油小层101个,对比断点474个,14个小层细分为37个韵律层。同时结合区块内RT曲线和SP曲线,以沉积演化规律为指导,建立“砂—灰—泥”的三角洲沉积“三元模式”,即沿物源方向,岩性变化呈一定规律,依次为砂岩—灰质砂岩—灰质泥岩等,中间过渡有砂质灰岩、灰岩、泥质灰岩等,夹层变化依次为物性夹层—灰质夹层—泥质夹层等。

图1 辛109断块区域构造位置

2 低序级断层定义

断层级别划分通常是以断层规模及其对油气的控制能力为依据,具体可划分为5级[4-5]。其中一级断层控制凹陷内油气聚集,多为凹陷边界;二级断层平行于盆内构造线,控制构造带的油气成藏;三级断层多为断块区边界;四级断层将断块区内部划分为多个油水系统,落差多小于50 m;五级断层落差较小,小至1～2 m,最大不超过几十米,仅局部控制油水分布。一级—三级断层平面规模较大,断层落差可达100 m,四级—五级断层平面延伸较短,断层落差小于100 m。将四级、五级断层定义为低序级断层。

低序级断层分布不均,多集中于盆地陡坡带、中央隆起带等部位的褶皱、断裂发育区,是局部构造应力场的产物。受不同性质构造应力场的影响,不同构造位置可在剖面呈“Y”字型、阶梯状、反“入”字型、地堑型、正花状、负花状等多种低序级断层组合样式(表1)。

表1 低序级断层常见剖面组合样式及主要特征

3 辛109断块低序级断层识别

低序级断层规模小,其可识别性与地震信噪比、地震频带宽度、地震资料主频以及断层落差等因素均有直接关系。因此常规的地球物理方法难以有效识别低序级断层。辛109断块实际地震资料中,目的层段沙一—沙二段含油砂层组介于1.5～2.2 s之间,地震信噪比较高、同相轴相对连续,断点反映较清晰。地震频谱分析结果显示,频带宽度为10～50 Hz,主频为28 Hz,层速度为2 800～3 400 m/s,纵向分辨率为25～30 m,能可靠分辨出相当砂层组厚度。笔者在前述精细地层对比基础上,利用断层加强处理、井震结合、相干体技术、蚂蚁追踪等关键技术,识别出研究区多条低序级断层,并进一步研究其构造特征,以期为重新认识老区块及油区深度开发奠定重要基础。

3.1 断层加强处理

构造导向滤波技术是有效利用地质目标体的倾角和方位角信息提高属性预测精确性和目标探测能力的重要方法,其在提高地震数据体信噪比、保持原地震信号基本状态不变的前提下,更加突出同相轴的不连续性,提供更强的断层、裂缝影像效果,有助于微小断层的识别[6-7]。断层加强处理,即为利用构造导向滤波技术沿地震反射界面的倾向和走向,采用各向异性扩散平滑算法,在保护断层或岩性边界信息的基础上,提高同相轴中止处的侧向分辨率,使断层尖锐性得到改善。过辛109-7井的地震剖面清晰显示,断层加强处理后断层解释精度显著提高(图2)。对比断层加强处理前、后的地震剖面发现,原始地震剖面中地震同相轴多表现为挠曲特征,低序级断层识别难度较大(图2(a)),经断层加强处理后地震剖面中地震同相轴能量集中,且同相轴呈明显错断,断点更加清晰,断层反映更加清晰收敛(图2(b)),低序级断层易于识别,数量明显增加,大大提高了断层解释的精确性。

图2 过X109-7剖面断层加强处理前后对比示意图

3.2 井震结合技术

大量生产实践证明,近年来低序级断层的识别取得了很大进展[8-9],但由于受到地震数据体品质、分辨率及地震响应等诸多因素的影响,利用一种技术或方法识别低序级断层仍存在严重多解性。因此探索基于井震结合的低序级断层识别技术与方法尤为重要。在典型复杂断块油藏辛109断块中,充分利用井点地震数据纵向分辨率高的优势,准确井点断点对比,多井进行全层位标定,确定低序级断层的地震识别标志,多方面挖掘“井震结合”,最大限度上降低低序级断层识别的多解性。图3中,过辛109-65井的地震剖面显示,本应连续沉积的Es21～Es23内部具有突变特征,出现约15 m的地层缺失,结合井上对比出的断点数据,可有效识别出低序级断层。同时利用井深2 103 m处对比出的断点数据,结合层位解释追踪识别出一条倾向N的低序级断层,断开层位Es21～Es23,断距15 m,平面上延伸距离约260 m。

图3 X109-65井震结合识别低序级断层示意图

3.3 相干体技术

地震相干是在假设地层连续,且横向上地质、地球物理参数变化不大的前提条件下,定量研究地震道之间的波形相似性,即对相邻地震道之间地震属性(如:波形、振幅、频率、相位等)相似程度的测量[10]。相干体解释技术,则是通过量化处理地震相干属性,生成可解释的断层和隐蔽地层构造图像,突出显示不相干的地震数据,用于解释断层、岩性异常体等地质现象。当出现断层、地层岩性突变、特殊地质体时,地震道之间的波形特征会发生变化,进而导致局部道与道之间的相关性发生突变[11]。地层边界、特殊岩性体的不连续性则会进一步得到相关值低的轮廓。通过提取三维相关属性体,便可将三维反射振幅数据体转换成三维相似系数或相关值的数据体。此过程基本排除了解释人员的经验及主观判断的参与,完全依赖于数据体的相干程度差别,从而大大提高了解释结果可靠性。

基于上述技术,可对相干算法进一步改进,将地震数据体微分成无数个三维子体进行分析计算,对任意道进行三维体属性及相似分析,估算其相干性。改进后的三维体属性相干算法提供了一个更好的地震相干性测量方法,其以三维相似性为基础,使用任意大小的分析时窗,在最大横向分辨率和提高信噪比二者的矛盾与要求间取得平衡。此技术可更有效地应用于复杂断块油藏中低序级断层的识别,既实现了地震道与道之间相干特征的定量描述,也可将断层及其组合有效平面化展布,同时弥补了常规识别方法的不足,对小断层及特殊岩性体的处理更为清晰,全面实现精细化。以辛109断块为例,1 790 ms的相干切片显示,连续的地震反射发生错断或扭动时,其波形相似性发生明显变化,连续性变差。规模较大的断层极易识别,而相对隐蔽、平面延伸不长,且断距很小的低序级断层,常常在构造解释中被忽略。辛109断块新数据体地震解释断裂与相干切片对比结果显示,依据连续性变化可划分相干低值区,从而有效识别区内低序级断层(图4)。

图4 辛109断块1 790 ms新数据体地震解释断裂与相干切片对比

3.4 蚂蚁追踪技术

蚂蚁追踪技术是以蚂蚁算法为依据产生的一种断层自动解释技术。其基于路径最优化原理,在追踪识别断层过程中,根据研究区地震数据体资料及所需追踪识别断层的实际情况,设定人工蚂蚁参数并随机散播在地震体中;当部分人工蚂蚁发现识别出满足条件的断层时,会号召周围更多的人工蚂蚁在此断层处标记,并继续追踪识别其余可能存在断层痕迹的区域直到完成整个研究区的断层识别,最后获得一个痕迹清晰的断层蚂蚁属性体[12]。与其他断层识别技术相比,蚂蚁追踪技术的优势在于可针对不同级别、形态特征的断层设定追踪参数进行精细刻画,尤其是对低序级断层的反应较强,无需人工逐一解释,减少人为或其他因素对断层识别的影响,从而大大提高了断层解释的精度和效率。

在辛109断块的低序级断层识别过程中,针对研究区断裂系统复杂、具有高精度三维地震体资料的特点,通过构造平滑技术等预处理方法加强地震反射波连续性,降低排除其他噪音干扰的影响;同时采用较常规的方差属性方法,将地震属性体内的不连续点,即“边缘”进行强化,减少其可能带来的解释误差。在此基础上,结合辛109断块实际地质情况进行人工干预,设置参数进行产状提取和断片评估和筛选,提取辛109断块符合研究条件断片,获得三维断裂系统。基于此,在辛109断块获得了一个低噪音、具有清晰断层痕迹的蚂蚁数据体(图5、6),更加有效地识别出了研究区的低序级断层。

图5 蚂蚁追踪技术处理前后地震剖面对比:辛109断块INLine1352

综上所述,断层的解释与层位追踪可以同时进行,并随时在两种解释状态下切换,检查、验证、组合等工作相应也是同步进行的。断层解释与识别是综合应用了以上多种技术与方法,可用任意测线解释纵、横时间剖面不易识别的断层,以及检查断层解释的正确性。

图6 辛109断块1 900～2 050 ms各时窗蚂蚁体水平切片分析

4 辛109断块低序级断层构造特征

4.1 辛109断块低序级断层识别与认识

辛109断块主体构造部位发育辛120断层、辛120南断层、辛109断层、辛109北断层、辛6断层、辛6北断层等6条主干断层。断层平面上近东西向延伸,倾向北,整体呈向北凸出的弧形弯曲,剖面上呈上陡下缓的铲状。总体来看,断层发育继承性较好,形成时期短,平面延伸几百米,断层落差最大可达130～350 m,规模上属高序级断层中的三级断层,控制了研究区典型反向断鼻构造带的形成。基于此,笔者利用断层加强处理、井震结合、相干体切片、蚂蚁追踪等多种低序级断层识别的关键技术,结合研究区大量三维地震资料解释,对辛109断块低序级断层进行了详细的构造解析,在原解释结果基础上新识别、解释低序级断层10条,并进一步对其构造特征取得了系统认识(表2)。

表2 辛109断块新识别低序级断层构造特征

4.2 辛109断块新老构造对比

与辛109断块原解释结果对比发现,整体构造形态和断裂系统未发生明显变化,主要边界断层及分块断层延伸长度大、落差大,分布规律较强,不同组系间的相互交切对断裂带具有明显的分隔作用,整体鼻状构造形态一致;但局部构造特征存在一定变化,具体体现在低序级断层解释与断层组合形态两个方面。

(1)低序级断层解释。辛109断块低序级断层解释与识别过程中,在原解释结果基础上新识别低序级断层10条。以辛109-23井北附近为例,通过对识别目标进行相干切片浏览,同时结合属性分析,在辛109-23井北部识别一条近EW向低序级断层fx1(图7),倾向向北,其最大断距15 m,平面延伸距离约200 m。

(2)断层组合形态。辛109断块低序级断层解释与识别过程中,通过对过辛6-25井的Inline1351南北向地震剖面Es13底面层位解释,新识别低序级断层fb1,且低序级断层fb1与原解释断层F1平面组合后,展布形态发生改变(图8)。其中F1断层继续向东延伸,且弧度变小,而fb1断层向西北方向延伸并与F1断层近似平行展布。

图7 辛109-23井附近新解释低序级断层特征

图8 过辛6-25井的Inline1351南北向地震剖面及断层组合形态

5 结 论

(1)低序级断层规模小,常规的地球物理方法难以对其有效识别。断层加强处理、井震结合、相干体技术、蚂蚁追踪等是复杂断块油藏中识别低序级断层的关键技术。

(2)辛109断块低序级断层识别结果表明,区内低序级断层发育,在原解释结果基础上新增低序级断层10条,平面延伸几百米,断层最大落差仅5～20 m,规模上属低序级断层中的五级断层。

(3)辛109断块新老构造对比表明,整体构造形态和断裂系统未发生明显变化,主要边界断层及分块断层延伸长度大、落差大,分布规律较强,不同组系间的相互交切对断裂带具有明显的分隔作用;但在低序级断层解释、断层组合形态等局部构造特征存在一定变化。