塔里木盆地西南巴探井区石炭系非常规气藏圈闭的预测——基于地震波衰减的含气检测方法

陈庆龙,姜 楠,王 凯,于梦涵,许 政,赵 鑫

(1. 西北大学 地质学系,西安 710069; 2. 西北大学 大陆动力学国家重点实验室,西安 710069;3. 中国石油物资有限公司西安分公司,西安 710000; 4. 中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司 伴生气综合利用项目部轻烃销售部,西安 710016; 5. 中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第四采气厂,内蒙古 鄂尔多斯 017399; 6. 西安川秦石油科技有限公司,西安 710018)

1 研究背景

石油勘探开发从常规油气领域向非常规油气发展迈进。20世纪90年代以来,中国出现了多类非常规油气概念,包括深盆气[1]、根源气[2]、深盆油[3]、致密油[4]、页岩气[5]和页岩油[6]等。区分常规油气与非常规油气的关键在于油气圈闭界限和储层参数。对非常规油气的评价更加看重烃源岩的特性、岩性、物性、脆性及含油气性与应力各向异性之间的匹配关系[7]。关于非常规油气的地质研究,主要集中在储层、沉积环境、勘探方法及圈闭评价等方面。非常规油气的储层参数规定其孔隙度小于10%,孔喉直径小于1 μm,表现为纳米-微米孔喉,结构复杂,物性较差,具有低孔和低渗的特征[8]。鄂尔多斯盆地延长组的致密砂岩油和页岩油,平均孔隙度约为5%～10%,渗透率基本小于1 mD甚至更低。四川盆地龙马溪组页岩气孔隙度为1%～3%,渗透率小于0.01 mD。中国典型盆地非常规油气储层特征见表1[7]。沉积环境研究认为,非常规油气的储层一般发育在水下沉积环境,多出现在三角洲前缘,沉积微相以席状砂和砂坝为主。非常规油气的勘探核心主要是寻找大面积储集体,即“甜点区”[9]。“甜点区”的寻找是一个多关键问题的糅合体,涉及烃源岩发育、储集体分布、流体流动性、高油气饱和度以及裂缝发育程度等问题[10]。

表1 中国典型盆地非常规油气储层特征Table 1 Characteristics of unconventional hydrocarbon reservoirs in China’s typical basin

针对上述问题,该文的研究重点集中在“寻找大面积储集体”上。利用三维地震衍生下的地震烃类检测技术,结合储层含气特性,可以预测含烃圈闭。这类方法通常利用岩石物理参数或地震属性对含气储层的特殊信号进行反馈完成圈闭预测[11],包括亮点技术、AVO技术、低频阴影和频谱分解技术等[12-14]。亮点技术加强了地震剖面振幅的强度,提高了气层识别成功率,但波阻抗差带来的多解性也提升了含气储层的分辨难度。AVO技术的原理来源于反射振幅与偏移距之间的对应关系,但太多的条件假设[15],同样造成含气储层预测的多解性。低频阴影技术的弊端在于真实的含气层可能被强反射界面掩盖,从而影响预测效果[16]。对此,该文利用地震波衰减的含气检测方法,借助不同频率地震数据体能量之间的差异,对不同地层进行预测。结合储层、烃源岩、盖层和可能存在的构造之间的相互匹配关系,对可能存在的含气圈闭进行预测。

该文以塔里木盆地巴楚隆起的巴探井区为例,对已经勘探成功的奥陶系鹰山组灰岩气藏进行方法验证,同时检测出上石炭统卡拉沙依组地层可能存在较大面积的含气圈闭。结合沉积相分析以及生、储、盖的匹配关系,对研究区可能存在的圈闭进行可靠性论证。

2 区域地质背景

塔里木盆地是一个由古生界克拉通盆地和中、新生界前陆盆地组成的大型叠合盆地[17]。巴楚隆起作为塔里木盆地西南地区主要的次级构造单元之一,经历多期构造活动,对烃源岩、储集层、盖层及油气运移具有明显控制作用。海米罗斯构造带位于巴楚隆起西南部,形成于喜马拉雅期构造运动,平面上呈北西—南东延伸,是巴探井区的主要构造单元。塔里木盆地巴楚地区构造单元与研究区位置如图1所示。

图1 塔里木盆地巴楚地区构造单元与研究区位置Fig.1 Structural units and research area location in Bachu Area, Tarim Basin

巴楚地区上古生界烃源岩发育于上石炭统,主要为开阔海台地潮下低能泥页岩沉积,与潮间砂坪间互,以IIa型有机质为主,有机质丰度较高。下古生界烃源岩发育于中下寒武统,主要为台地内凹陷和泻湖等低能环境且与膏岩共生,赋存于大套膏岩之下的碳酸盐岩烃源岩,岩性主要为灰黑色含膏泥质泥晶白云岩、泥质泥晶灰岩及含膏泥质烃源岩等,最大厚度超过600 m,有机质主要为腐泥型,成熟度中等[18],具备良好生烃条件。现已探明的气藏储层主要为奥陶系鹰山组灰岩气藏和寒武系肖尔布拉克组,寒武系可能存在的盐下白云岩储层也包括阿瓦塔格组和吾松格尔组[19]。寒武系白云岩储层以粉-泥晶白云岩为主,奥陶系灰岩储层以亮晶灰岩和微晶灰岩为主[20]。寒武系盖层为上部的膏岩和岩盐;奥陶系盖层为上部泥页岩;但对石炭系储层及盖层的研究较少,基本认为储、盖层为三角洲相沉积下的砂岩和泥岩。总体来说,巴楚地区的生烃条件和储盖组合良好,具备较好的气藏圈闭成藏条件。

3 鹰山组气藏含气验证

巴探井区发现的奥陶系鹰山组灰岩气藏储层为岩溶缝洞型,属于岩性气藏。巴探5井钻井落实圈闭面积17.6 km2,圈闭范围受岩性和构造双重控制。该段储层在巴探5井的生产过程中具有较高产能,日产气约为24 910 m3。对于已经证实的储气圈闭,利用含气检测方法对其进行了验证。不含气、低饱和度和高饱和度气藏的频率随振幅变化如图2所示,当地震波在通过含烃地层时,会导致地层产生低频能量升高、高频能量降低的现象[21]。将三维地震数据体分隔为间隔5 Hz的能量体,通过傅里叶变换,计算目标能量体与相隔两侧能量体之间的平均值,从而识别20～50 ms时窗内可能存在的含气区域。同时,利用该方法在塔里木盆地寒武系阿瓦塔格组和吾松格尔组盐下白云岩气藏[19],鄂尔多斯盆地南部延长组长63段气藏[22]及塔河油田于奇东地区岩性气藏[23]等多个区域完成了研究。

图2 不含气、低饱和度和高饱和度气藏的频率随振幅变化Fig.2 Frequency varies with amplitude in gas-free, low-saturation and high-saturation gas reservoirs

奥陶系鹰山组气藏具体表现为:该地层的地震反射界面为T74,该界面地震剖面表现为两峰两谷的中强振幅特征。对鹰山组地层主频和含气主频分析发现,地层主频约为25 Hz,而含气地层主频约为20 Hz,奥陶系鹰山组过巴探5井地震剖面及频谱图如图3所示。含气地层的主频降低与地震波在含气层的传播过程中受到一定程度阻挡而产生的纵波衰减有关,表现为高频能量相对降低,频率峰值相对降低的特点。另外,将地层主频因含气降低率先达到的最大振幅作为调谐振幅,调谐振幅与相邻振幅之间的差值,在含气区域表现为正值,在不含气区域则表现为负值。因此,表现为正值的衰减能量可以反映含气区域。在鹰山组20 Hz的衰减异常平面图中,可以看到巴探5井所在的区域存在北东东向的红色异常区域,该区域即为已探明的灰岩气藏。将鹰山组顶部的衰减异常平面图与构造图叠合,结果显示,巴探5井所在的断背斜圈闭正位于衰减异常范围的最西端,东段还存在更大面积的含气区域(如图4所示)。从而表明,构造条件对于该气藏起到了局部控制作用,更大面积的含气区域与储层岩性相关。因此,奥陶系鹰山组灰岩气藏应该进一步定义为构造-岩性复合气藏。

图3 过巴探5井地震剖面及频谱图Fig.3 Seismic profile and spectrum map of well Bt5

图4 奥陶系鹰山组(时窗T74+50 ms)等T0时间域构造图与含气圈闭Fig.4 T0 time domain structure map and gas trap of Ordovician Yingshan Formation (time window T74+50 ms)

4 上石炭统卡拉沙依组地层含气特征

同样的,利用该方法在石炭系卡拉沙依组地层识别出可能存在的含气圈闭。对石炭系卡拉沙依组底面(T56)向上50 ms时窗做频谱分析,对目的层(T56-50 ms)每隔5 Hz做不同频率均方根振幅分析。图5所示为上石炭统卡拉沙依组(时窗T56-50 ms)频谱图,结果显示,5 Hz时振幅强度最弱,20～30 Hz时振幅最强,地层主频约为25 Hz。而10～15 Hz时振幅能量达到最大,发生调谐,表明该区域可能含气。其频率特征表现为高频能量相对下降,低频能量相对增高,含气频率峰值向低移动。图6 所示为上石炭统卡拉沙依组(时窗T56-50 ms)不同频率均方根振幅属性图,图6显示,在地层主频为25 Hz甚至更大时,过井区域并无较强振幅区域出现。而在小于地层主频时,过井区域存在不同于其他主频的较强振幅。

图5 上石炭统卡拉沙依组(时窗T56-50 ms)频谱图Fig.5 Spectrum of Upper Carboniferous Karashayi Formation (time window T56-50 ms)

图6 上石炭统卡拉沙依组(时窗T56-50 ms)不同频率均方根振幅属性图Fig.6 Attribute map of RMS amplitude at different frequencies of Upper Carboniferous Karashayi Formation (time window T56-50 ms)

5 卡拉沙依组含气解释

对石炭系卡拉沙依组底部地震衰减分析如图7所示。卡拉沙依组底部地层存在的衰减异常区域,表现为巴探5井南约15 km的北东东向红色条带,其南北宽约15～20 km,东西长约70 km。但在这个衰减异常区的均方根振幅图上,自北向南存在3个基本呈东西走向的条带状绿色强振幅。对比这3个绿色强震幅和含气衰减异常范围,可以看出只有中间的这条绿色强震幅与含气衰减范围重合,另外2个重合性较差(如图7a和图7c所示)。均方根振幅图上绿色强震幅的出现,是由岩性差异造成的波阻抗差导致(如图7b所示)。一般来说,砂岩的反射系数高于泥页岩,考虑到地层的整体岩性特征,基本可以认为绿色强震幅与砂岩的关联更加紧密。

另外,对于3条绿色强震幅所代表的条带状砂岩的东西向分布,基于地震剖面的叠瓦状前积反射,可以解释为是前积朵叶状砂体的形成。在卡拉沙依组底部向上的地震剖面,出现了叠瓦状前积反射结构(如图7d所示)。该反射结构一般出现在三角洲及陆架边缘等沉积环境中[24],特别是在三角洲前缘地带常见,多数情况反映了携带沉积物的流水以一定坡度快速卸载从而富砂的沉积环境,是三角洲前缘亚相河口坝的典型标志。结合巴探5井卡拉沙依组沉积亚相和微相研究,认为这3条绿色带状强震幅很大可能是三角洲前缘河口坝砂体展布。同时,单个带状内部的强震幅呈现串珠状不连续分布特征,与不同时期叠瓦状前积朵叶体中心吻合。

6 圈闭控制因素

卡拉沙依组时间域构造图显示,该地层底部为南东倾向的斜坡,存在北西西向和北东向2组断裂。含气异常与构造叠合表明气藏主要分布在斜坡上,与2组断裂的分布位置紧密相关。北东向的雁列式断裂与该范围的气藏完全吻合,个别断裂正好处于气藏分布的边界,说明断裂既可能为下伏地层的油气进入圈闭提供通道,也可能作为边界进行圈闭封堵。

另外,图7b中的北、中和南3个带状河口坝砂体只有中部砂体出现了含气衰减异常,可能与断裂构造的控制有关。该地震数据区域内巴探5井的测井解释表明,卡拉沙依组下部为滨岸—三角洲沉积,底部发育约35 m的含砾中-细砂岩,该砂岩自然伽马测井曲线呈低值箱型,略具向上变细的正旋回,具有三角洲前缘分流河口沙坝特点。该层砂岩上覆泥岩和泥灰岩,下伏巴楚组泥岩,是一个良好的储盖组合(如图8所示)。烃源岩可能以下部泥页岩或上部泥页岩和煤层为主。中部砂体含气表明,该区域存在达到生烃门限的烃源岩,并且盖层的区域性封堵能力也不会有太大差异,因此认为断裂构造对其气藏的储存能力具有主要控制作用。南北2个带状砂体可能无断裂沟通,导致下部地层生成的气体无法利用有效通道进入卡拉沙依组地层砂体当中。因此可以认为,卡拉沙依组的气藏圈闭受储层和断裂的共同控制,可以定义为断裂-岩性复合气藏圈闭。图9所示为石炭系卡拉沙依组底界T56时间域构造图与(T56-50 ms)时窗衰减异常叠合平面图,西侧和东侧2个气藏圈闭面积分别为31.45 km2和48.82 km2,闭合度分别为160 ms(约280 m)和220 ms(约385 m)。

图8 巴探5井石炭系地层综合柱状图Fig.8 Comprehensive column map of Carboniferous strata in well Bt5

图9 石炭系卡拉沙依组底界T56时间域构造图与时窗T56-50 ms衰减异常叠合平面图Fig.9 T56time-domain tectonic map and time window T56-50 ms attenuation anomaly overlapping plane map of Carboniferous Karashayi Formation bottom boundary

与常规气藏不同的是,常规气藏中的断裂可以直接作为圈闭的界限;而卡拉沙依组气藏仅有海米罗斯断裂北部一小段作为西侧气藏圈闭的边界,气藏其他边界均无断裂控制。因此,在该气藏圈闭的形成过程中,断裂的作用仅是部分边界和沟通下部地层。对于该气藏来说,圈闭的主要范围还是依靠储层砂岩。尽管缺乏储层孔隙数据,但仍可以认为气藏属于致密气藏,圈闭边界的储层孔隙度和渗透率一定很低,从而实现圈闭边界的限制作用。

7 结论

1)基于地震波衰减特性下的三维地震数据体分频能量差异的含气检测方法,对已探明的奥陶系鹰山组灰岩气藏圈闭进行了含气验证,其检测气藏范围与灰岩气藏一致,证明了该方法的可靠性。

2)对石炭系卡拉沙依组的可能含气圈闭进行了预测,结合地震剖面和单井柱状分析,认为卡拉沙依组底部的前积反射结构指示了该气藏的储集体为三角洲前缘河口坝。

3)卡拉沙依组自北向南的3个砂岩条带中仅有中部砂岩含气,其原因是该地区发育的北东向雁列式断层组沟通了下部地层,形成的有效通道利于气藏运移。

4)巴楚探区的非常规气藏以岩性类气藏为主,包括卡拉沙依组致密砂岩气和奥陶系鹰山组灰岩气藏。卡拉沙依组气藏圈闭的范围与鹰山组气藏圈闭范围吻合,表明断裂对圈闭的形成和边界的封堵仍具有主导作用。