顺北走滑断裂-断溶体物理模拟及地震响应特征分析

司文朋,薛诗桂,马灵伟,赵 群,焦艳艳,王辉明,刘东方

(1.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103;2.中国石化地球物理重点实验室,江苏南京211103)

碳酸盐岩石油储量约占世界石油总储量的一半,产量占世界总产量的60%以上。目前,塔里木盆地塔中地区包括塔中隆起及其围斜部位,是中国石化在碳酸盐岩储层领域的重要探区。前期的勘探结果证实,塔中碳酸盐岩断裂带与油气储集有着密切关系[1-3]。塔中奥陶系碳酸盐岩断裂以直立走滑断裂为主,大部分断裂断入基底,垂直断距较小。走滑断裂在改造碳酸盐岩(尤其对原生孔隙不发育的塔里木碳酸盐岩)的储层性能方面具有重要的作用,断裂带不仅是大气淡水渗滤及岩溶作用的有利部位,同时也是埋藏期溶蚀作用发生的有利部位,大型缝洞往往受控于断裂[4]。由此可见,断裂对碳酸盐岩优质储层的发育具有十分重要的作用,理清断裂带及其展布情况对于储层预测尤为重要[5-8]。

近年来,在塔中顺北地区断裂带相继获得重大油气突破。勘探进展表明,断裂带和缝洞体储层地震成像质量直接影响碳酸盐岩储层预测和圈闭描述的精度[9-15]。但目前在不同类型断裂带成像、断裂带与储层发育关系研究方面仍有不足[16-22]。比较典型的亟待解决的关键问题有：垂向及纵向不同尺度断裂带的识别和分辨;不同类型的走滑断裂的地震响应特征不明确;断裂系统内幕(断裂带不同破碎程度、不同速度岩性填充)以及与断裂伴生的缝洞储层(断溶体)的地震响应特征等。通过地震物理模拟手段,能够更加真实地建立断裂带地质-地球物理模型。针对不同类型走滑断裂的宽度、非均质程度、横向可分辨能力、断裂样式及溶洞发育形式等要素,本文开展了走滑断裂物理模型建立和实验地震数据的采集分析,总结了走滑断裂及断溶体的地震响应特征,通过模型与实际资料对比形成典型断裂识别模式,支撑了顺北地区实际断裂带的精细刻画和断溶体预测方法的研究。

1 走滑断裂物理模拟

顺北地区的储层分布与主干走滑断裂及主干断裂活动伴生的次级(隐伏)断裂密切相关,断裂大小不一、规模不等。走滑断裂从地质角度描述具有4个要素：①走滑断裂的水平位移;②走滑断裂的切向位移;③走滑断裂的构造样式;④走滑断裂的控储特征。将走滑断裂的地质要素转化为地球物理要素分别对应为：走滑断裂的宽度及延伸长度;走滑断裂带的破碎程度;走滑断裂形态;断溶体发育特征。

设计、制作断裂带物理模型时,对于断裂的宽度及延伸长度,能够较容易地进行精细控制,但是对于断裂带破碎程度的模拟,难以进行量化控制,只能模拟具有不同速度变化范围的断裂带破碎区。

1.1 断裂非均质模拟材料

顺北断裂在地震尺度上具有明显的岩性非均匀性,受地层应力作用的不同,断裂带内部可能形成几十米、几米、几厘米级别的破裂岩体。为了模拟这种具有非均质性的破碎岩体,采用将石英砂嵌入到低速均匀基质中的实验方案,石英砂模拟破裂岩体,低速均匀介质模拟填充在破裂岩体之间的断层泥。采用不同粒径范围的石英砂,来模拟岩体的破裂程度。模型材料中选用的石英砂粒径较小,代表模拟的断裂带岩体破裂程度越大。利用分选性较差的石英砂,可以增加模拟断裂带内模拟岩体尺度的随机性。

断裂非均质模型材料制作过程如下：①按照特定质量比例称取环氧树脂、聚氨酯、硅橡胶等有机材料,加入固化剂后进行充分搅拌形成基底介质;②将石英颗粒加入到基底介质中,充分搅拌放入真空系统,抽去气泡后浇筑至模具内。待环氧树脂固化后,从模具中取出后即可进行精细的形态加工。图1为固化后的断裂非均质模型材料。分别研发了环氧树脂-石英砂、硅橡胶-石英砂、聚氨酯-石英砂系列非均质物理模型材料,在速度比为1∶2的情况下能够模拟速度变化范围为3600～5800m/s的非均质断裂带。

1.2 走滑断裂物理模型构建

对于不同尺度垂直断裂的模拟,工艺相对简单。模型制作过程为：首先制备不同规格的非均质材料,随后将非均质断裂竖立在模具中,最后根据模型设计方案浇筑各层,在浇筑过程中要保证非均质断裂始终处于竖立状态,待模型固化后即可进行试验数据的采集。

图1 非均质断裂物理模型材料

对不同样式物理模型的制作,采用先浇筑完整地层模型,后根据断裂样式对模型进行切割,最后在断裂处进行非均质填充的工艺流程。由于固化后的物理模型强度非常大,且需要切割的断裂宽度非常小,因此采用了线切割方式,少量、多次地完成断裂切割。最后,按照设定的断裂宽度固定好切割下的断裂构造,在断裂处进行非均质模型材料的填充,待材料固化后即完成模型的制作。

2 走滑断裂要素的物理模拟及地震响应特征分析

2.1 断裂宽度及非均质性

首先考虑断裂宽度及非均质性对地震响应特征的影响,设计制作了垂直断裂物理模型。断裂贯穿3层水平层,分别由不同宽度的非均质材料进行模拟。图2a为垂直断裂物理模型示意图,图2b为基于图2a 模拟的地震记录的叠后偏移剖面,图2c为顺北地区实际断裂地震剖面。由图2可见,各条断裂在地震剖面上均呈现杂乱反射长条带特征(图2b),与野外实际地震资料中断裂响应(图2c)一致。

另外,从图2b上可以看出,对于具有相同宽度、不同破裂程度(模型中断裂3,4,5)的断裂以及具有相同破裂程度但宽度不同(模型中断裂1,5,7)的断裂,其振幅反射强度及特征均不同。沿着图2a中绿色层位底界面R3拾取不同断裂的瞬时振幅能量进行对比,结果如图2d所示,可见,由于断裂非均质性的影响,振幅的差异相当明显,说明断裂带的振幅反射特征是断裂带横向尺度、破碎程度及充填特征的综合体现。

为了进一步对比断裂宽度及破裂程度对地震响应的影响,建立了多组非均质充填断裂数值模型进行量化分析。图3为基于数值模拟的断裂带能量特征量化结果。由图3可知,走滑断裂带能量异常与断裂宽度之间呈阶梯变化;断裂带能量异常与断裂带破碎程度之间为渐变关系,引起地震剖面上走滑断裂带振幅异常主因是断裂带宽度,其次是断裂带破碎程度。

2.2 断裂横向可分辨能力

在顺北地区,沿主干断裂发育了很多次级断裂,这些断裂的分辨是断裂刻画的难题之一。为了分析断裂的横向分辨率问题,设计了“Y”形断裂物理模型。利用3D打印技术制作了一系列具有不同横向间隔距离的“Y”形断裂。图4a为断裂示意图,断裂由一条高角度近竖直主干断裂和顶部分叉的两条次级断裂组成,主干断裂的自身宽度均为15m,两条次级断裂之间间隔距离分别为20,40,60,80,100,120,140,160,180,200m。为使模拟能够更加逼近顺北地区深大断裂的深度,将模型置于水深650mm(模拟实际深度6500m)处进行实验地震数据采集。如图4b所示,对断裂模型分别进行无上覆层、上覆高速层、上覆高速层+非均质高衰减层3种方式地震数据采集,以对比不同上覆层对断裂横向分辨能力的影响。模型顶部上覆高速层是模拟火山岩高速层侵入对断裂分辨能力的影响,而上覆非均质高衰减层则是模拟野外低速高衰减地层对断裂横向分辨能力的影响。

图2 不同宽度及非均质性断裂物理模型分析a 不同宽度及非均质性断裂物理模型示意; b 叠后偏移剖面; c 顺北地区实际断裂地震剖面; d 沿模型界面R3拾取的断裂振幅曲线

分别对这3种上覆层采集方案得到的地震实验数据进行处理分析,结果如图5至图7所示,可见每个断裂均呈现出微弱能量的杂乱反射长条带特征。无上覆层时,“Y”形断裂在间隔距离为120m时能够区分(图5)。上覆高速层时,间隔距离为20～100m的断裂在横向上难以区分;而间隔距离为120～200m的断裂能够明显区分(图6)。对比图5和图6的振幅曲线可以看出,上覆高速层时拾取的断裂顶界面处的能量比无上覆层时拾取的断裂顶部的能量明显变小,但仍能清晰地看出当断裂间隔距离达到120m时,横向上能够明显区分。从图7可以看出,当非均质高衰减层存在时,地震剖面信噪比进一步降低,断裂的反射能量变得非常微弱,在间隔距离达到120m时,断裂可以区分。

图3 基于数值模拟的断裂带能量特征量化结果

图4 “Y”形断裂物理模型及采集方案a “Y”形断裂示意; b 3种上覆层采集方案

图5 无上覆层时“Y”形断裂模型地震剖面(左)及振幅拾取结果(右)a 断裂间隔距离为20～100m; b 断裂间隔距离为120～200m

图6 上覆高速层时“Y”形断裂模型地震剖面(左)及振幅拾取结果(右)a 断裂间隔距离为20～100m; b 断裂间隔距离为120～200m

图7 上覆高速层+高衰减层时“Y”形断裂模型地震剖面(左)及振幅拾取结果(右)a 断裂间隔距离为20～100m; b 断裂间隔距离为120～200m

从上述3个上覆层断裂模型地震响应及振幅曲线可知,在6500m埋深处断裂横向分辨能力能够达到120m,即当间隔距离小于120m时两个断裂难以区分;当间隔距离大于120m能够清晰区分。从物理模型3种上覆层振幅曲线看,断裂横向分辨能力与上覆层无密切关系。为了对比通过同相轴得到的断裂的视间隔距离与真实间隔距离的关系,将3种上覆层模型振幅曲线求得的视间隔距离与真实间隔距离进行标定对比,结果如图8所示。从图8中可以看出,对于这3种上覆层情况,当断裂间隔距离大于160m时,通过振幅曲线能够得到真实的断裂间隔距离;而断裂间隔距离小于160m时,振幅曲线放大了断裂的实际间隔距离。

图8 断裂间隔真实间隔宽度与视间隔宽度对比

值得注意的是,在物理模型的数据采集中所使用的子波主频为20Hz,在此情况下6500m深度时断裂的横向分辨率可认为是120m。实际上,具体的分辨率与子波的主频有着密切的关系。如果上覆地层吸收衰减严重,则会导致频带变窄,地震波长变长,从而降低横向分辨能力。由一系列的数值模拟分析结果可知,当子波主频为30Hz时,横向分辨尺度达到70m;当子波主频为40Hz时,横向分辨尺度达到60m。图9显示了由数值模拟得到的横向分辨尺度与子波主频的关系,可见子波主频越高,横向分辨能力越高,可分辨尺度越小。

图9 基于数值模拟的横向分辨尺度与子波主频关系

2.3 断裂样式及溶洞发育位置

为了对顺北实际断裂样式进行归纳总结,设计了典型样式走滑断裂物理模型。图10a为顺北典型走滑断裂样式物理模型示意图,自左至右分别是正花状、负花状、地堑走滑断裂。图10b为不同样式断裂模型。图10c为在正花状及负花状断裂处设置的溶洞,分别模拟发育在断裂内部及地层界面处的溶洞,另外溶洞具有不同的尺度和内部充填物。图10d为处理得到的叠后偏移地震剖面。

经过分析可知,对于不同样式的走滑断裂,正花状和负花状断裂带在地震剖面上均呈现出“V”形的特征,断裂带整体呈现出杂乱反射能量异常的特征,二者的区别在于正花状断裂带内地层反射同相轴呈现上拉特征,而负花状断裂带内地层反射同相轴呈现下拉特征;在断裂带边缘,高角度的断裂呈现长条状类“串珠”反射特征;而在断裂带内部,次级断裂很难准确成像。对于地堑样式断裂带,在地震剖面上最显著特征是地层反射同相轴的断裂和上下同宽的杂乱能量异常,同样内部的次级断裂难以准确成像。

而对于断裂内发育的溶洞,并不具有常规缝洞储层体在地震剖面上的明显“串珠”特征,这可能是由于溶洞响应与断裂响应混叠造成的,增加了溶洞识别的难度。当多个溶洞形成规模较大的储集体后(图10d红圈处)以及界面处发育的溶洞(图10d蓝圈处)能够出现“串珠”现象,但仍难以与断裂响应明显区分。因此在实际断溶体预测中,需要针对溶洞识别进行更加深入的研究。

2.4 实际资料对比

通过模型与实际资料的对比,结合实际钻井资料,梳理出顺北地区3种典型断裂地震响应特征,建立了实际断裂的识别模式(图11)。模式1为断裂弱反射：走滑断裂在地震剖面上呈现出空白条带或微弱长条带反射特征,说明断裂处于岩体弱破碎的发育程度。模式2为断裂强反射：走滑断裂在地震剖面上显示出内幕杂乱异常反射特征,能量的强弱受破裂程度影响,无明显“串珠”特征说明没有与断裂伴生的大型岩溶缝洞体。模式3为断裂杂乱反射+“串珠”：在地震剖面上断裂长条状杂乱反射特征明显,并伴有显著的局部“串珠”状反射,说明断裂岩体较为破碎,并有较大规模的断裂伴生岩溶缝洞储层(断溶体)。

图10 顺北走滑断裂典型样式物理模型a 顺北走滑断裂典型样式模型示意; b 走滑断裂典型样式物理模型; c 溶洞发育位置设置; d 物理模型叠后偏移地震剖面

图11 顺北地区典型断裂地震响应特征识别模式a 弱反射; b 强反射; c杂乱反射+“串珠”

3 结论

为了明确顺北地区走滑断裂的地震响应特征,针对走滑断裂的宽度、非均质程度、横向可分辨能力、断裂样式及溶洞发育形式等要素分别进行了物理模型的构建及实验地震数据的采集分析。基于物理模型结果,经过分析得到以下结论：

1) 不同类型的走滑断裂带在地震剖面上均呈现出长条状杂乱反射特征,反射能量是断裂带宽度及破碎程度的综合效应;

2) 断裂横向分辨能力与上覆层无密切关系,主要受子波因素影响,但如果上覆地层吸收衰减严重,则会导致频带变窄,地震波长变长,从而降低横向分辨能力;

3) 断裂带内部发育溶洞无明显“串珠”特征,大规模溶洞及反射界面处发育的溶洞能够产生“串珠”特征,但仍难与断裂产生的杂乱反射进行明显区分。

4) 通过模型与实际地震资料对比,形成了3种典型断裂响应特征识别模式:断裂弱反射、断裂强反射、断裂杂乱反射+“串珠”,为顺北地区实际断裂的识别与精细刻画提供了有效参考。