碳酸盐岩断溶体内部结构识别技术及应用

常少英 曾溅辉 徐旭辉 曹 鹏 崔钰瑶 李 涛

(①中国石油大学(北京)地球科学学院，北京102200； ②中国石油杭州地质研究院，浙江杭州310023； ③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； ④东方地球物理公司国际勘探事业部，河北涿州072751)

0 引言

近年来，塔里木盆地、四川盆地深层缝洞型碳酸盐岩油气藏，尤其是灰岩岩溶油藏的勘探开发成果表明，主要油气富集区大多与深大断裂有密切关系，油气富集于连通油源的深大断裂破碎带，附近的岩溶发育区成为目前探寻岩溶型油藏的重要领域[1]。鲁新便等[2]将这种油气藏正式命名为断溶体油气藏，其成因机理是：地下岩溶水顺着深大断裂带渗流，对断裂破碎带进行溶蚀改造后形成具有复杂三维空间结构的岩溶缝洞系统，即典型的断控岩溶； 油气沿断裂向溶蚀破碎带运移，在上覆泥灰岩或侧向致密灰岩的封挡下，聚集形成特殊类型的油气藏。该类油气藏埋藏深、非均质性强，地震解释精细识别难度很大。实际上，对这类油气藏的认识经历了“古潜山”[3-4]、“不整合岩溶”[5]、“古溶洞系统”、“层间岩溶”[6]等多个阶段，现在“断溶体”的概念被逐渐认可[7-9]，并在油气勘探中得到成功应用。在油藏勘探初期，并未认识到“串珠”反射其实是一系列复杂缝洞系统的综合响应，随着勘探开发的深入，发现断溶体内部缝洞结构存在不同的分隔带，这些分隔带使断溶体内部结构更复杂，而现阶段面临的主要技术难题是断溶体内部结构的量化表征和评价。

物探解释技术是描述断溶体油藏的关键手段，前人研究细致刻画了断溶体的总体形态并取得了一定进展。郑晓丽等[10]研究了塔北地区走滑断裂与断溶体之间的关系，描述了断溶体模型特征； 马乃拜等[11]介绍了断溶体地震反射特征与识别方法，但对断溶体内部结构刻画表述较少； 张文彪等[12]总结了塔河油田托甫台区奥陶系断溶体构型及表征方法； 刘宝增等[13]、李阳[14]提出了断溶体空间刻画方法，但没有考虑上覆地层界面对小尺度缝洞体地震响应的屏蔽作用，致使断溶体内部刻画不够精细。目前，断溶体内部结构刻画不清是制约该类油藏部署高效井以及剩余油挖潜的关键问题。断溶体内部结构刻画主要有两个难点：①断层附近弱地震反射能量的溶洞识别难度大； ②一些小断距走滑断层造成识别断层和溶洞(断溶体系统)难度大[15]。

地震反射特征分析是识别断溶体内部结构特征的重要技术手段。本文以实际地震资料为基础并结合动态资料，在地质模式认识的基础上，探讨应用去除断溶体上覆地层强反射地震响应技术、正交合成张量梯度属性识别断溶体边界技术、张量梯度属性约束下的地震波形反演识别断溶体内部结构技术等刻画断溶体轮廓及内部结构的可行性，为在油水关系复杂的碳酸盐岩油气藏实施高效井位加密部署提供了新的思路。

1 断溶体地质模型及地震响应特征

断溶体内部具有较复杂的三维空间展布特征，不同部位断裂发育程度不同，溶蚀程度及胶结作用也存在差异。溶蚀程度相对低、胶结作用强的部位发育低渗透障壁分隔带[16]，由于分隔带的分割作用，油气富集特征明显差异化，进而制约了开发效果。因此，对断溶体油藏内部结构特征及分隔性的描述具有重要意义。

基于塔里木盆地塔中、塔北、塔河地区断溶体油藏勘探开发实践，逐步认识到断溶体储集体的发育模式呈现以油源断裂为中心，横向呈对称的“五分结构”的特征，即“围岩—破碎带—油源主断裂区—破碎带—围岩”模式，且不同区带内储集体类型、测井及钻井特征各不相同[17]。构建了断溶体地震识别模式(表1)，油源主断裂区以杂乱弱反射、杂乱强反射及较规律的“串珠状”反射特征为主，实际钻遇储层为溶洞型、裂缝—孔洞型，钻井过程中表现为放空漏失； 破碎带以杂乱反射、弱反射特征为主，钻遇储层主要为裂缝—孔洞型，钻井放空漏失率比油源主断裂区低； 围岩带基本无异常反射，实钻储集体不发育[18]。

依据造成断溶体内部结构差异的原因及各部分特征分析，描述断溶体内部结构特征需要解决以下两个方面难题：①断溶体内部弱反射储层预测； ②小断距断裂识别。根据“五分结构”模式建立正演地质模型(图1a)，模拟地质模型的地震响应特征(图1b)表明，断控岩溶体系为强反射特征，与实际地震剖面一致(图1c)。

表1 塔里木盆地塔北断溶体地震识别模式

图1 断溶体地质模型(a)、模拟地震响应特征(b)及实际地震剖面(c)

2 断溶体结构描述

根据钻井、测井及岩心资料分析，断溶体储集空间主要为洞穴、断裂及裂缝[19]。断溶体刻画包括边界刻画、内幕结构刻画及断裂系统表征三个重要内容。断溶体边界主要采用结构张量属性描述，内幕结构刻画分为断裂裂缝、洞穴、孔洞三类储层优选敏感属性分析或储层反演。研究主要利用相位一致性特征去除断溶体上覆地层界面强反射的技术，突出断溶体内部反射特征； 利用张量梯度属性描述断溶体边界； 基于去除地层界面强反射的数据体，将张量梯度属性转化成断溶体内部储层反演的初始模型，反演得到内部储层结构特征； 最后通过单井岩石物理分析，将反演结果划分成断溶体主断裂区、破碎带和围岩带，为下一步部署井位、提高采收率提供基础资料。

2.1 弱反射断溶体地震识别

断溶体初期勘探阶段的研究主要是在地震剖面上寻找强反射特征，然而在实际生产中，一些具有弱反射振幅响应特征的断溶体也钻遇了高产油气流[20]。如何刻画弱反射振幅响应特征断溶体结构是高效开发该类油藏面临的难点。例如塔里木盆地塔北、塔中、塔河地区以及四川盆地二叠系茅口组断溶体发育区，上覆一套较厚的碎屑岩地层，通常在地震剖面上表现为连续强反射特征。这种区域性连续强反射往往会对下伏储层的地震响应产生屏蔽作用，特别是当裂缝—孔洞型储层地震响应特征相对较弱时，易受到屏蔽作用而难以识别。

如图2所示，通过反射系数A与子波B褶积得到地震反射数据体C，此时地震反射同相轴是上覆地层界面强反射地震响应特征与其下储层弱地震响应特征的叠加。采用3个步骤去除上覆地层强反射的屏蔽作用：①将地震数据体转换到Wheeler地层域，目的是消除地震数据体或者其他属性体中由于构造运动产生的变化，恢复古沉积环境，直观了解同时期沉积环境下的地层情况。转换后的数据体地震反射同相轴的产状、相位等信息与地层、沉积等信息的相关性较强。断溶体上覆连续强反射同相轴被恢复到水平状态，其地震波的相位具有较好的一致性。②利用主成分分析法将具有相位一致性的波组提取出来，形成地震数据D，同时用地层域地震数据减去D，即得到wheeler域弱地震反射特征数据体E； 然后对E进行反wheeler域变换，将数据体恢复到构造域。③对E进行分频、反演，进一步凸显弱地震反射储层的特征。以上过程实际上是一个去除了低频特征的滤波过程，因此能够更凸显小断距断裂的地震响应特征。

利用上述波形分离法去除断溶体上覆地层强反射，突出了断溶体内部储层弱反射特征，同时地震剖面上断裂系统更清晰(图3)。原始地震剖面上有一组强反射同向轴(图3a)，经过主成分分析波形分解得到地层地震响应剖面(图3b)，图3c为去除了地层强反射地震响应后的地震剖面, 可以看出，岩溶储层反射特征得到凸显(红色箭头指示处)，剖面上走滑断裂断点更加清晰(绿色箭头指示处)。

图2 去除地层强反射特征原理示意图

图3 岩溶储层地震数据波形分解剖面对比(a)原始地震剖面； (b)地层响应特征地震剖面；(c)突出岩溶储层响应特征地震剖面

2.2 张量梯度属性描述断溶体边界

梯度结构张量分析(GST)法是将图像纹理处理技术引入地震解释领域的新型属性分析方法。将地震数据视为图像，依据

(1)

确定张量特征值相对大小及组合参数。式中：g为高斯函数；S为地震数据；L、T分别为线、道方向；m、n为线、道方向的块大小。

通过识别地震图像中的不同结构特征或纹理单元(层状纹理、杂乱纹理等)描述断溶体，图像中的纹理变化实际上代表地质目标中的异常体(断层、缝洞等)。该方法适用于三维地震数据中断溶体反射结构的解释及其边界特征自动识别[21-22]。

本文采用基于各向异性高斯滤波器的GST法，是一种基于振幅梯度对三维地震数据体图像进行纹理分析的方法。该技术应用范围可以是三维地震数据和大角度断裂发育区，其技术优点包括:①可以实现多尺度边缘检测功能，得到反映沉积结构的混沌体，即检测沉积结构的不连续性； ②可以提取去除了垂向梯度的横向梯度属性，相比常规梯度属性，能突出横向地层内的不连续性，有利于复杂沉积体边界刻画； ③可以得到较准确倾角数据，与第三代相干技术结合可以得到高精度的相干、曲率数据。

地震张量场计算公式为

D=∇S(∇S)T

(2)

式中∇S是地震数据体S的在x、y、z三方向的导数。

采用求取高斯函数一阶导数褶积的方法使计算结果更稳定

∇S=S*Kσ

(3)

式中：σ为高斯函数一阶导数；K为应力集中系数，可通过该区经验图标查得。

D是一个对角阵，计算D的特征值λ1、λ2、λ3和特征向量。在三维空间上，断溶体反射特征与邻近地震道有明显差异，因此三个方向上的特征值均不同，取其和作为梯度结构张量的计算结果，其值越大，表明三个方向的混沌性越强，越有可能是断溶体边界的反映。通过GST法分析技术的应用，断溶体边界特征得到增强，岩溶区(不连续区)与致密区区分效果较好(图4)。

图4 梯度结构张量分析效果图(a)原始地震剖面; (b)张量梯度剖面

2.3 地震反演预测断溶内部缝洞结构

在储层定量或半定量描述中，常用到波阻抗反演技术。常规波阻抗反演可以较好地反映颗粒滩型碳酸盐岩储层，但对纵向上发育的断溶体刻画效果较差[23-25]。为此，采用一种去除地层信息的岩溶储层地震波形指示反演技术。

波形指示反演充分利用地震波形的横向变化反映储层空间的相变特征，进而分析储层垂向岩性组合的高频结构特征。该方法很好地体现了相控的思想，井、震结合高频模拟，反演结果从完全随机到逐步确定，对井位分布的均匀性没有严格要求，可提高储层反演的精度并扩展适用领域。反演的两个主要参数是有效样本数和最佳截止频率。地震波形指示反演结果具有“低频确定、高频随机”特征[26]，低频部分由地震波形特征决定，高频部分会受钻井有效样本数的影响。最佳截止频率参数的选取原则是：如追求反演结果的确定性，则该参数不宜设置太高； 如追求反演结果的高分辨率，则该参数可以取高值。如图5所示，研究工区有10个有效样本，当频率达到63Hz时，拟合相关指数曲线开始趋于水平，该频率就是最大有效频率，即最佳截止频率。因此，选用63Hz为该区最佳截止频率，既能保障反演结果的确定性，又能保障反演的纵向分辨率。

在去除断溶体上覆地层界面强反射的基础上，将相对波阻抗与已知井的井旁阻抗进行交会分析(图6)，得到属性体转换成波阻抗体的关系式

(4)

式中： PI为波阻抗； RPI为相对波阻抗。

利用该关系式把梯度结构张量属性体转换成波组抗体，作为波阻抗反演的初始模型； 再将该初始模型作为约束条件应用到波形指示反演流程中，最后得到既能表征断溶体轮廓特征又能刻画内部结构特征的反演数据。依据已知井标定取得断溶体阻抗值范围为小于1.25×107kg·s-1·m-2，其中阻抗值小于0.85×107kg·s-1·m-2为主断裂岩溶区。

图5 最佳截止频率分析图

图7是应用本文所提方法得到的去除地层反射特征的GST约束反演阻抗剖面(图7b)及断溶体内部结构预测结果(图7c)，后者通过单井岩相岩石物理分析将反演结果划分出不同的岩相带。从该区带的形态判断应为断裂发育区，断溶体纵向长度远大于横向宽度，横向上可分出主断裂带(图中红色、橙色区)、断裂破碎带(黄色区)、围岩致密带(灰色区)的地质结构特征。

图6 纵波阻抗与相对波阻抗交会图

图7 断溶体内部结构地震预测图(井曲线为GR测井曲线)(a)原始地震剖面； (b)GST约束反演剖面； (c)断控岩溶体内部结构剖面

3 应用效果

哈拉哈塘油田位于塔北隆起斜坡区，中、下奥陶统主要发育断裂裂缝、洞穴和孔洞三类储集体，储层发育规模受控于多期活动走滑断裂体系及顺断裂溶蚀作用[27]，是典型的断溶体油藏，埋藏较深(>5500m)，发育玉尔吐斯组烃源岩，油源断裂发育，油气成藏条件优越。目的层各组地层较平缓，表现为向东南方向倾斜的单斜构造,现今构造面貌是多期构造运动叠加改造的结果，断裂展布及发育受控于多期次的构造运动[28]。

采用GST法地震属性约束的断溶体反演内部结构识别技术(图8)对HA-1-F井区单井断溶体进行内部结构解剖，为断裂分段评价提供基础资料，解释了不同断裂带之间、同一断溶体不同部位含油气规模的差异[29]。在断溶体内部结构识别的基础上划分和评价断溶体发育带(图9)。对工区内另外3口井的预测结果如图10所示，分小层统计各储层时间厚度，分别乘以各储层的平均速度以求得各层段储层的厚度，最后将各层段储层厚度相加即得到相应的储层预测厚度。表2统计了工区内3口井的预测储层厚度、实钻厚度及预测绝对误差，数据显示绝对误差小于4m。依据研究成果新钻26口井，钻探成功率由原来的78%提高到86%。证明本文的断溶体划分和评价方法能够在断溶体油藏勘探和高效开发井部署、剩余油挖潜中发挥重要作用[30-32]。

图8 GST地震属性约束断溶体反演剖面

图9 断溶体内部结构划分剖面

图10 工区内3口井断溶体识别预测(a)原始地震剖面; (b)去除不整合强反射地震剖面; (c)断溶体内部结构反演地震剖面

表2 反演预测储层厚度与实钻厚度对比

4 结论与认识

本文基于实际地震资料提出去地层强反射技术、梯度结构张量分析技术、岩溶储层地震波形指示反演技术等断溶体内部结构识别和油藏预测技术系列，取得以下几点认识。

(1)识别出断溶体内部复杂缝洞结构发育模式呈现以油源断裂为中心、横向呈对称的“五分结构”特征，即“围岩—破碎带—油源主断裂区—破碎带—围岩”模式，为断溶体内部结构刻画提供了研究方向和思路。

(2)断溶体地震响应往往是断、洞、缝与上覆地层的综合响应，去除上覆地层地震响应影响能够挖掘断溶体内部结构弱振幅储层响应，是开展断溶体内部精细刻画的重要基础工作； 利用张量梯度属性作为断溶体内部结构反演的初始模型，能够更好地量化断溶体地震描述。

(3)断溶体油藏内部结构量化描述是该类油藏精细开发的必由之路，断溶体目标描述为规模目标优选、井轨迹优化、高效开发、措施建议等提供了直观的资料依据。