顺北1号断裂带洞穴型储集体地震表征方法

卢志强, 杨 敏

(中国石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探开发研究院, 乌鲁木齐 830011)

顺北油气田位于塔里木盆地腹地,构造处于塔北、塔中两大古隆起的构造鞍部—顺托果勒低隆起上,是一个受断裂控制的特深碳酸盐岩断溶体藏群组成的油气田(图1)。

图1 研究区构造位置与主干断裂分布

顺北油气田断裂是主控因素,在碳酸盐岩地层中,发育一种特殊的受断裂影响的复杂缝洞系统,在多期构造活动过程中形成新的断裂空腔、角砾间孔隙、构造裂缝,断控体成因-结构类型比较复杂,是指发育在巨厚致密碳酸盐岩内部,单纯由走滑断裂的构造运动作用所形成的裂缝和断裂“空腔”型储集体,这类空腔型储集体主要发育洞穴,且连通关系复杂,空间展布差异大,油藏埋深大(7 000～8 000 m),地震资料分辨率低,缝洞储集体表征描述难度大。

早期勘探针对目标较大洞穴可获得高产,随着开发的不断深入,大洞穴所剩无几,更多的目标是小洞穴,由于油藏埋,钻井成本高,若只动用一个小洞穴,不经济;因此需要一井多控,同时控制多个小洞穴,且要求轨迹所控制洞穴钻进过程中不能漏失,但要离洞的距离足够近,保证完井酸压能高效沟通洞穴(图2),这样就对洞穴的顶底及宽度识别精度要求非常高。

图2 一个轨迹控制多个小洞穴示意图

前人结合地质理论、地震技术方法等已开展了深入研究,马乃拜等[1]、马永生[2]分析认为地震剖面上的串珠反射为溶洞的表现;张长建等[3]基于地震及钻井资料,利用层拉平法、构造趋势面、振幅异常等方法,还原了古水文地貌条件和古岩溶水系统,划分了深切曲流峡谷区岩溶洞穴类型,但是未对洞穴空间形态进行刻画;陈华鑫等[4]、漆立新[5]、焦方正[6]应用测井对溶洞的充填程度进行了描述;王红漫和漆立新[7]、徐嘉宏等[8]、邓光校等[9]、刘宝增等[10]、姜应兵和李兴娟[11]用振幅变化率和层间算数平均瞬时相位属性表征串珠反射平面特征,与实钻井情况较为吻合;刘军等[12]、韩长城等[13]应用瞬时能量属性预测串珠在剖面上的外轮廓效果显著;王震等[14]、伍齐乔等[15]、刘军等[16]、姜晓宇等[17]利用反演得到的纵波阻抗体预测溶洞顶位置,在塔河油田探井部署中取得一定的效果;曹飞等[18]、曹飞和卢志强[19]对溶洞注水提高采收率及利用相约束贝叶斯同时反演技术将贝叶斯分类与叠前同时反演相结合对洞的顶部位置开展了研究与识别取得了一定效果;但是到了开发后期需要全方位对洞顶、洞底、洞宽等进行详细识别从而支撑高效开发。

针对不同尺度缝洞储集体,结合前人的研究成果,设计不同高度、宽度缝洞的二维数值模型;通过数值模拟方法研究不同尺度缝洞的地震响应特征,并对比分析不同地震属性对缝洞的刻画能力;利用优选的微分振幅和瞬时能量融合属性,对研究区实际资料进行试验,并与实际钻井放空漏失资料对比,验证不同尺度缝洞储集体表征的有效性。

1 基于波动方程正演的属性优选

研究区目的层段主频在23 Hz左右,有效频宽为10～60 Hz(图3)。实际地震资料对2 m、8 m等小尺度缝洞无明显响应,但是对多个8 m的缝洞集合体可以识别,单个洞大小在20 m以上的可以识别。

基于波动方程原理:利用SIMO,建立针对复杂断溶体声波介质模型,进行交错网格差分,应用地震波的运动学和动力学的基本原理,进行波动方程模拟,计算出所给地质模型的地震响应,研究断溶体地震反射特征(图4),主频频宽等参数均引用研究区实际数据。

图4 波动方程正演软件

波动方程正演工作流程分为地质模型建立、观测系统设置、地震波场模拟、水平叠加、偏移处理5个步骤(图5)。其中,介质地质模型建立是波动方程正演核心,包含地层速度、储层速度、震源参数、观测系统4个参数。

图5 波动方程正演工作流程

根据顺北断控储集体特点,建立了断溶体的正演模型,开展地震响应特征分析(图6)。正演结果显示,破碎带(裂缝-孔洞储层)和小型孔洞群为杂乱反射特征,溶洞为“串珠”状反射特征。

图6 断溶体正演模型和地震响应

使用正演结果地震数据计算了多个地震属性,包括振幅类、能量类、频率类、几何类共10个属性。将这些属性与正演模型对比,分析各个属性对储层的敏感性,优选5个敏感属性,包括结构张量、最大相似倾角、瞬时能量、微分振幅、剩余波阻抗。其中,结构张量和最大相似性倾角对断溶体边界识别较好,瞬时能量和微分振幅对洞穴识别较好,剩余波阻抗对杂乱反射的裂缝-孔洞储层识别较好(图7),本文重点刻画洞穴型储集体。

图7 断溶体正演模型和不同属性剖面

能量属性用于识别振幅异常或层序特征,用于碳酸岩串珠状反射储集体储层预测有较好的效果。瞬时能量为瞬时振幅的平方,具有与瞬时振幅类似的地球物理意义和作用。

结构张量分析(GST)是近年来从图像处理领域引入到地震解释中的一种新的属性分析方法。其实质是将地震数据视为图像,通过识别地震图像中的不同结构特征,而图像中纹理变化实际上代表地质目标中的异常体如缝洞等。

在地震勘探中,由于地表激发和接受因素的限制,使得地震子波延续时间较长,频带较窄,在剖面上对储层的分辨能力不足。在信号处理中,微分表达信号的变化率,可以将波形中隐含的高频弱信息放大,凸显其细节。因此,在地震剖面上被子波干涉所掩盖的储层信息,就可以通过微分将其挖掘出来。

地震记录S(t)的n阶微分振幅谱为

Sn(f)=S(f)·|2πf|n

式中:f为频率;S(f)为地震记录的振幅谱;n为微分阶数。对于某一地震记录,微分阶数越大,微分后信号的主频越高,但会损伤低频信息,因此选择微分阶数为2来计算微分振幅。

通过多属性优选,瞬时能量和微分振幅能较好反映洞穴展布特征,因此采用瞬时能量和微分振幅融合属性来预测洞穴型储集体发育特征。

2 不同尺度模型正演模拟

单个溶洞尺度较大,为100 m×40 m,单个小溶孔为6 m×6 m,单个微溶孔为3 m×3 m,裂缝宽度为0.5 m,波动方程正演表明,洞穴和高密度小孔洞表现为串珠反射,低密度溶孔表现为杂乱反射,裂缝为弱反射,地震反射特征具有多解性,溶洞和小孔洞储集体也能形成串珠反射(图8)。

图8 4种储层类型正演剖面

设置了31个大小不同、形状不一的缝洞集合体,开展溶洞正演(图9)。

图9 溶洞复杂地质模型二维声学波动方程正演叠后时间域偏移剖面

从溶洞正演结果来分析,可以得出如下结论:①地震剖面上串珠形态与溶洞的实际空间分布特征有一定的对应性;②溶洞的纵横间距小于20 m时,从地震“串珠”反射特征上是不可分辨的,距离越大越易识别;③溶洞大于20 m时串珠形态可识别,且振幅值较大。

结合上述正演成果,依据研究区域奥陶系地层结构及各地层岩石物理参数,设计一组宽度为50 m不变、高度变化(8 m、16 m、24 m、32 m、40 m、48～120 m)的缝洞模型(图10a)及高度为50 m不变、宽度变化(2 m、10 m、18 m、26 m、34 m、42 m、50 m)的缝洞模型(图10b)。一间房组地层的平均速度为6 000 m/s,其中6个缝洞体单元的充填等效速度为5 400 m/s。

图10 缝洞高度、宽度变化模型

对微分振幅和瞬时能量的分辨能力进行正演分析(图10)。对于微分振幅纵向识别能力的分析,依据图10(a)正演模型。统计正演结果洞穴顶底的微分振幅值,表明微分振幅对洞穴顶面的识别能力更好,高度大于40 m洞穴识别准确,高度小于40 m时有较小误差,对洞穴底面的识别有一定误差,高度大于40 m时对底部识别较准确,高度小于40 m时有一定误差。所以,微分振幅对于高度大于40 m的洞穴顶底识别比较准确,但是宽度不能很好表征。

对于瞬时能力横向分辨能力的分析,依据图10(b)正演模型。统计正演结果洞穴两侧边界的瞬时能量值,对于每个洞穴,两侧边界能量对称,数值相等,当宽度大于30 m时,洞穴边界瞬时能量值变得稳定,说明瞬时能量属性对宽度大于30 m洞穴识别准确,随着宽度的减小,瞬时能量的误差变大,但是对顶底不能很好表征。

综合以上正演分析结果,对于洞穴高度大于40 m,宽度大于30 m的尺度,微分振幅刻画洞顶底较好,瞬时能量刻画洞宽度较好,因此利用微分振幅和瞬时能量融合属性可以较准确地确定洞的顶底及宽度。在实际地震中,该尺度分布对应高约13 m,宽约1.2个CDP,包含了大部分可识别的“串珠”,因此微分振幅和瞬时能量融合属性在研究区可用来识别洞穴的顶底位置及宽度。

实际资料中,以wellA井为例,通过放空位置确定洞顶后,对比常规波阻抗反演与微分振幅和瞬时能量融合属性效果发现,识别洞顶效果较好,但是在识别洞底及洞宽度方面差异较大(图11)。

图11 wellA井常规波阻抗反演与微分振幅和瞬时能量融合属性对比

3 实际资料洞穴型储集体表征

根据模型正演结果及属性优选的结论与认识,采用微分振幅和瞬时能量融合属性,并结合实钻井放空漏失等动态信息,对顺北1号断裂带上的井进行了实钻标定。

选取1号断裂带上19口串珠反射特征的钻井,按井轨迹与洞穴接触关系分为三大类,第一类是轨迹钻至洞顶的钻井,第二类是轨迹钻至洞底的钻井,第三类是轨迹钻至洞侧边的钻井。

第一类井中以wellB井为例,wellB井钻井过程中钻至预测洞顶的位置发生放空,放空长度0.41 m,漏失泥浆847 m3,初期日产油70t,后因井底垮塌向深层洞穴加深侧钻,钻井过程中钻至预测洞顶的位置同样发生放空,放空长度3.3 m,漏失泥浆576 m3,初期日产油75 t,常规波阻抗反演与微分振幅和瞬时能量融合属性对洞顶均有较好的刻画效果(图12)。

图12 wellB井常规波阻抗反演与微分振幅和瞬时能量融合属性刻画洞顶

第二类井中以wellC井为例, wellC井钻井过程中钻至预测洞的侧面发生放空,放空长度0.41 m,漏失泥浆616 m3,初期日产油90t,常规波阻抗反演范围较大,刻画误差大,微分振幅和瞬时能量融合属性对洞的宽度位置有较好的刻画效果(图13)。

图13 wellC井常规波阻抗反演与微分振幅和瞬时能量融合属性刻画洞宽

第三类井中以wellD井为例,wellD井钻井过程中钻至预测洞底附近位置发生漏失,漏失泥浆570 m3,初期日产油90t,常规波阻抗反演与微分振幅和瞬时能量融合属性对洞顶均有较好的刻画效果,但是对洞底刻画上常规反演误差大,融合属性刻画精度高(图14)。

WellE井轨迹与预测洞穴的顶纵向上距离35米(图15),钻进过程中未发生放空与漏失,但通过酸压完井,实现了轨迹与缝洞的沟通,初期日产油80t;进一步证实微分振幅和瞬时能量融合属性在研究区预测结果的可靠性。

图15 well5井轨迹与预测洞穴关系剖面

4 结语

针对顺北油气田奥陶系断控储集体建立了断溶体的正演模型,开展地震响应正演模拟,使用正演结果地震数据计算了多个地震属性体,通过对比优选出瞬时能量和微分振幅融合属性表征洞穴型储集体。

针对洞穴类储集体,设计了两组正演模型,正演分析结果表明,对于洞穴高度大于40 m,宽度大于30 m的尺度,微分振幅和瞬时能量融合属性可以较准确地确定洞的顶底及宽度。

由于顺北油田奥陶系缝洞储集体埋深较大(大于7 000 m),受地震资料分辨率较低等因素的限制,针对洞穴储集体常规反演方法在识别洞顶有很好的效果,但是对洞底及洞宽度识别误差大,针对洞穴不能精准识别影响一井多控多个小洞穴轨迹设计的问题,利用微分振幅与瞬时能量融合属性较好地刻画顺北1号断裂带洞穴的顶底及宽度,预测与实钻吻合率达89%,验证了顺北1号断裂带洞穴型储集体表征方法的可靠性。