基于井震融合的碳酸盐岩古岩溶残丘储层刻画方法

夏国朝，刘凤和，杨 艳，周宗良，何雄涛，张凡磊

(1.中国石油大港油田公司 勘探开发研究院, 天津 300280;2.中国石油大港油田公司, 天津 300280;3.中国石油大学(北京) 经济管理学院, 北京 102249)

1 引言

区域上华北地台在整个早古生代都是一个巨大的陆表海,以碳酸盐岩台地相沉积为主,华北地台东部地区早古生代沉积了巨厚的海相碳酸盐岩[1-3]。整个华北奥陶系经历了两期主要岩溶改造作用,第一期即晚加里东期-海西早期抬升裸露型岩溶,华北地台自中奥陶世末期抬升后,经历了1.5亿年的长期风化剥蚀,直至晚石炭世,海水才开始重新入侵接受沉积;第二期是印支末期-燕山中期抬升、褶皱、浅埋藏-裸露型岩溶,强烈的断裂褶皱改造、抬升再剥蚀,上覆沉积地层石炭-中下侏罗统不同程度剥蚀、奥陶系经历浅埋藏岩溶,奥陶系地层又一次进入裸露岩溶状态,此次剥蚀、风化、岩溶的强度与深度明显增加[4-5]。勘探开发实践表明,奥陶系顶发育的碳酸盐岩古岩溶残丘是一种重要的古地貌和油气储集单元,而当时的古地貌形态控制了碳酸盐岩风化壳岩溶作用的发展及演化,同时也控制着地表和地下岩溶水流的流向,进而控制了碳酸盐岩风化壳岩溶作用带内的孔洞发育。因此,针对碳酸盐岩古潜山的岩溶、古地貌研究是奥陶系天然气勘探开发取得突破的关键。

图1 千米桥潜山凝析气田地质综合图Fig.1 Comprehensive geological map of Qianmiqiao buried hill condensate gas field

千米桥奥陶系潜山气田构造位置位于黄骅坳陷中区北大港潜山构造带东北倾没端,东临歧口凹陷,西接板桥凹陷,潜山东北部以大张坨断层与板桥凹陷相隔,东南部以港东断层与歧口凹陷相连,奥陶系储层正好位于两大生油凹陷烃源岩之上或中间,油气运移通道畅通,油气源充足(图1)[6]。潜山奥陶系储层经历了两期主要岩溶改造作用,即晚加里东期-海西早期抬升裸露型岩溶,印支末期-燕山中期抬升、褶皱、浅埋藏-裸露型岩溶,两期岩溶作用相互叠覆,形成了较厚的、缝洞发育的风化残丘、沟谷相间的风化壳储层[7-8]。残丘部位风化淋漓作用强,地层时代较新,保存较完整,以风化壳表溶储层为主,发育高角度裂缝和溶蚀孔洞。沟谷部位受水体溶切作用强,缺失部分上覆风化壳,地层较老,在沟谷或部分断层侧翼,地层水受重力作用沿断层和易溶岩层侧向渗滤,常在潜山内幕形成较大规模的似层状顺层岩溶储层。优势储层区受孔、洞、缝多重介质控制,风化壳表溶区储集渗流条件最好,内幕顺层岩溶区储层受岩相控制,规模分布[9-11]。

2 井震融合古地貌恢复方法

2.1 印模法恢复古地貌

分析奥陶系风化壳古地貌特征,在地震剖面上有三种古残丘的基本形态,即丘状、平台状和大斜坡,实际上丘状与平台状在不同方向可能相互转换,平台状的某一个方向可能是丘状,丘状的某一个方向可能是平台状[12]。碳酸盐岩储层发育一般受到古地貌的控制,古地貌恢复是研究某一时期的某个界面上等深度线所表示的此界面表面凹凸状态,要点是确定厚度估算的基准面。奥陶系潜山风化壳顶面接触的中生界早期及沙三晚期都是等厚剥蚀,应用印模法能较好地确定古地貌。

印模法是一种逆推测量方法,由于风化壳是一个高低不平的起伏面,随着上覆地层的不断沉积,逐渐将起伏的层面“填平补齐”,测量风化壳顶到上覆标志层的厚度即可反过来推测残余风化壳厚度[13-15]。其技术原理是假设各层序的原始厚度不变,在三维地震体系中,参照沉积基准面或最大洪泛面选择对比层序的参考顶底面,将底面时间减去顶面时间,即将顶面拉平,将拉平的面视为古沉积时的湖平面,就可以得到底面的形态,此时底面的形态就可以认为是层序地层沉积前的相对古地貌。

钻探和地震资料综合分析表明,奥陶系潜山具有残丘型潜山特点,根据沉积地层填平补齐的原理,应用地震印模法恢复奥陶系顶部岩溶古地貌,中生界地层岩溶沟谷内具有地层上超充填现象,地层明显增厚,奥陶系岩溶残丘上中生界地层薄。岩溶残丘奥陶系残留地层全、厚度大,岩溶沟谷内奥陶系缺失地层多、残留地层薄,整体地层自南向北剥蚀程度逐渐增加(图2)。研究区潜山之上发育5个岩溶残丘,4个岩溶沟谷,表现为山上有山(岩溶残丘)的特征(图3),残丘面积20.85 km2(表1)。

图2 千米桥潜山沙三底界拉平地震剖面Fig.2 Flattening seismic profile of the Es3 bottom boundary of Qianmiqiao buried hill

图3 千米桥潜山印支-燕山期岩溶古地貌立体图Fig.3 Stereoscopic map of karst ancient landform during Indosinian to Yanshan periods of Qianmiqiao buried hill

表1 千米桥潜山岩溶残丘参数

2.2 古潜山风化壳厚度刻画

经历印支、燕山两期主要岩溶改造作用[16-17],奥陶系古地貌普遍存在以下两个特征：①在奥陶系顶部的侵蚀风化面上普遍发育一套古风化壳层,同时在古风化壳层顶面普遍发育厚约1～2 m古土壤层,由细小黏土矿物组成,岩性为褐铁矿、黏土岩、铁矾土、铝土矿、铝土质页岩等;②差异风化剥蚀、侵蚀岩溶形成高低不一的残丘、沟谷地貌。两期岩溶作用的相互叠覆,形成了较厚的、缝洞发育的潜山风化壳层,厚度通常在150～200 m[18]。

测井及碳氧同位素测试结果显示,古岩溶决定了储层垂向发育厚度,潜山风化壳型储层大多分布在风化壳面以下0～200 m范围内(图4),垂直岩溶渗滤作用强,测井孔隙度曲线值异常高,宽度大,结合潜山风化壳顶面古地貌恢复技术分析,应用完钻井测井资料对千米桥风化壳残余厚度进行标定,主潜山各区块风化壳残余厚度差别较大,岩溶残丘之上构造高点残余厚度大,主要分布在BS8、BS7和BS4井区风化壳岩溶残丘上,远离高点残余厚度减薄(图5)。测井物性解释显示,奥陶系顶面残丘风化壳型储层测井孔隙度普遍超过10 %,成像测井显示裂缝、溶洞发育,储层厚度各地差别较大,多在100～200 m之间(图6)。

图5 千米桥潜山风化壳厚度等值线图Fig.5 Contour map of weathering crust thickness in Qianmiqiao buried hill

3 风化壳岩溶储层响应特征及刻画

奥陶系潜山风化壳遭受风化淋滤、溶蚀,形成表溶块状储层,主要发育洞穴型、裂缝—孔洞型、孔洞型和裂缝型储集层,储集渗流条件好。优势储层区受孔洞和裂缝双重介质控制,具备良好的成藏条件[19-21]。根据对实钻井钻遇岩溶洞穴统计结果分析,溶洞钻遇率达30 %,钻遇洞穴58个,单井平均漏失量196 m3,平均漏失速度0.8 m3/min(表2),如何识别和刻画风化壳岩溶储层是潜山整体效益动用的关键。

表2 千米桥潜山钻遇岩溶洞穴泥浆漏失量

3.1 溶洞的测井响应特征

根据岩溶洞穴大小不同对测井响应的差异,可以定性地将岩溶洞穴分为两类：大溶洞和中小溶蚀孔洞。大溶洞一般能在井壁四周造成扩径,而中小溶蚀孔洞只在井壁的某一部分造成扩径,通过成像测井资料可以观察其形状、大小和分布状态[22]。通过对岩心和成像测井资料的观察,千米桥溶洞主要为中小溶蚀孔洞,且溶洞在纵向上的分布具有明显的层段性。

3.1.1 大溶洞的测井响应特征

研究表明,奥陶系潜山发育的大溶洞一般有充填物,但由于溶洞的充填物未经受压实作用,其充填物的各种物理特性与正常沉积地层有很大的差异。大溶洞会造成井眼不规则或异常扩大,径向延伸远,大大超过了测井仪器的径向探测深度,在测井资料上反映出明显异常,可据此来识别大溶洞。针对BS4井,应用现有测井资料分析,识别出两个切割井壁的大溶洞,位于深度4 580.25～4 582.9 m及4 584.63～4 585.45 m处(图7)。

图7 大溶洞在常规测井及成像测井上的响应特征(BS4井4 580.25～4 585.45 m)Fig.7 Response characteristics of large karst caves on conventional and imaging logging (4 580.25～4 585.450 m of well BS4)

通过分析,认为大溶洞一般有两种成因,一种是地表风化带的岩溶形成的溶洞,另一种可能是断层带附近沿裂缝的岩溶形成的溶洞。无论哪一种方式形成的溶洞,它们造成的测井响应类似。大溶洞在测井曲线上具有以下特征：

1)自然伽玛曲线。如果溶洞未充填或充填物含泥质少,可出现低自然伽玛幅度值;如果溶洞有泥质充填,则出现由泥质引起的高自然伽玛值。

2)井径曲线。井径异常增大,对于洞穴无充填,井径可达到仪器的最大探测范围。对于洞穴有充填,由于充填物的压实程度差,易被泥浆侵蚀垮塌,造成井径增大或呈锯齿状变化,如果泥质充填程度高,井径可能无明显变化。

3)补偿中子曲线。对于井壁附近无矿物充填的溶洞,其内被泥浆充满,中子孔隙度将异常增大,通常可增到30 %以上;在溶洞有泥质充填时,由于这些泥质未遭到上覆岩层的压实作用,故其束缚水含量远比正常压实地层中泥质的束缚水含量高,溶洞中泥质的中子含氢指数要比正常沉积地层中泥质的含氢指数高得多。

4)双侧向电阻率曲线发生异常。在溶洞段,双侧向电阻率明显低于正常沉积地层的电阻率,深浅双侧向具有大幅度正差异,即使在溶洞有泥质全充填的情况下,深浅双侧向仍具有较大的正差异,用此特征可区别溶洞充填泥质和正常沉积泥质。

5)声波时差曲线。在溶洞发育段,声波时差往往出现跳波异常;同时声波幅度也将严重衰减,多数情况下,纵横波能量均会衰减。

3.1.2 中小溶蚀孔洞的测井响应特征

中小溶蚀孔洞在成像测井图像上特征明显,表现为低的电导率异常,类似于岩心上观察到的孔洞形状,表现为黑色斑块(图8),可利用成像测井资料对溶蚀孔洞的大小、分布、连通性、与裂缝的关系以及充填物的充填状况进行详细分析[23-25]。中小溶蚀孔洞在常规测井曲线上的响应特征如下：

1)自然伽玛曲线。溶蚀孔洞往往发生在岩性较纯的灰岩或白云岩段,因此溶蚀孔洞段自然伽玛为低值,常小于20 API。

2)密度曲线。溶蚀孔洞往往造成密度值下降。其下降的幅度与溶洞的发育程度密切相关,一般说来溶洞越发育,密度值越低。

3)声波时差曲线。在中小溶洞发育段,声波时差增大,同时声波幅度也将衰减。其声波时差增大的幅度和能量衰减的程度与溶洞的发育程度、溶洞的大小和分布特征有关。

图8 沿裂缝分布的串珠状小溶洞(BS16-21井4 826～4 831 m)Fig.8 Beaded small karst caves distributed along fractures (4 826～4 831 m of well BS16-21)

3.2 风化壳储层地震响应特征

图9 过BS8井岩性预测剖面与正演剖面Fig.9 Lithology prediction profile and forward modeling seismic profile through well BS8

研究区潜山原始地震资料分辨率较低(主频12 Hz),风化壳主力层系均为波谷反射,对储层和流体识别能力有限。针对利用地震波形识别储层难的问题,利用复赛谱提取原始地震体的子波,与期望子波之间进行最小熵反褶积,提高地震主频,拓宽地震频带,目的层奥陶系主频提高约5 Hz,频带拓宽6～10 Hz。利用提频数据体,结合研究区完钻井地质资料,优选BS8、BS7井作为典型储层结构井进行正演模拟。正演结果反映,目的层马5段顶部残留有峰峰组地层时,马5段底部岩溶高产层表现为一套波峰反射特征(图9a,图9b);而马5段之上无峰峰组地层时,马5段底部岩溶高产层则处于波谷向波峰转换的零相位上部,且在奥陶系顶的波谷和波峰均有所变弱(图10a,图10b)。

3.3 基于张量方向场缝洞复合体模拟技术

本次研究优选基于张量方向场的裂缝模拟技术实现了裂缝定量表征,通过多信息融合的方式,能够在保留原属性信息的情况下进一步提高属性预测的准确性,与成像测井分析结果更为符合[26]。基于张量方向场的裂缝定量预测技术是在高精度本征值相干体的基础上,在脊线增强的约束下,使用基于方向一致性的蚁群追踪算法对相干体进行处理,以达到相干增强的目标;然后以模拟点张量方向场为基础,计算邻域内各方向的权值核函数,使用最优化聚类方法加权拟合模拟点主要方向的裂缝属性值;最后基于裂缝属性值模拟结果,统计单位半径内的相对裂缝密度与裂缝发育主方位,得到相对裂缝密度和裂缝发育方向,实现了基于叠后地震数据定量表征裂缝发育程度。结构张量表示了区域的结构纹理的变化方向和沿变化方向的变化量大小,可以精细地表征地震地层纹理和断层纹理,主要由局部各点的方位信息变化关系来确定,即

(1)

图11 过BS8和Q12-18井裂缝、溶洞预测与地震叠加剖面Fig.11 The stacked profile of prediction of fractures and karst caves with seismic through well BS8 and Q12-18

式中：fx、fy分别表示函数f在x和y方向的偏导数;w(r)是关于半径r的分布函数,是表示窗口内数据的权重函数;S(p)是关于向量p(i,j)的矩阵,即结构张量场。

假定裂缝方向的分布符合高斯分布,可以通过建立不同方向的裂缝模型,模拟窗口内各点的裂缝分布张量场方向建立权值函数,并对模拟窗口内的裂缝模型进行加权,就完成了裂缝模拟的工作,通过拟合优化裂缝敏感属性,原属性与裂缝发育程度的正相关关系得到了加强,预测的裂缝孔隙度与实钻井的测井解释结果符合率较高。

不同尺度的溶洞、裂缝具有不同的地震属性响应特征。针对不同尺度的溶洞、裂缝等缝洞复合体,应用张量方向场缝洞复合体模拟技术,开展溶洞、裂缝的预测。图11是针对千米桥BS8-Q12-18连井方向采用张量方向场的裂缝模拟技术进行的裂缝、溶洞预测,可以看出,岩溶缝洞受断层、微裂缝和岩性控制,呈缝洞复合体特征。缝洞复合体预测结果应用于新井部署,并在新井钻探中通过常规测井、成像测井及钻井放空、泥浆漏失、钻时下降、属性雕刻等标志得到证实,缝洞体储层预测综合符合率达90 %。

4 结论

1)千米桥奥陶系潜山岩溶残丘受古地貌的控制,岩溶残丘上奥陶系残留地层全、厚度大,岩溶沟谷内奥陶系缺失地层多、残留地层薄。应用印模法能较好地对风化壳岩溶古地貌进行精细刻画,全区发育5个岩溶残丘,4个岩溶沟谷,表现为山上有山的特征。

2)古岩溶决定了储层垂向发育厚度,潜山风化壳型储层大多分布在风化壳面以下0～200 m范围内,主潜山各区块风化壳残余厚度差别较大,岩溶残丘之上构造高点残余厚度大;岩溶残丘储集空间主要为洞穴型、裂缝孔洞型、孔洞型和裂缝型储层,具备良好的成藏条件。

3)碳酸盐岩潜山岩溶洞穴主要有大溶洞和中小溶蚀孔洞两种,大溶洞在成像测井和常规测井曲线上异常明显,中小溶蚀孔洞需结合岩性、声波密度曲线及成像测井显示资料进行综合识别。

4)应用提频地震体开展正演模拟,明确优势缝洞体储层的地震反射特征,结合张量方向场裂缝定量预测技术,能精细地预测缝洞复合体储层,以指导残丘风化壳储层油气潜力目标区的评价开发。