碳酸鹽巖縫洞儲層地震反射波特征及其與油氣的關系

朱仕軍 唐緒磊 朱鵬宇 吳曉華 路 遠

1.西南石油大學 2.中國石油川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司

模型正演為進一步研究溶洞的響應機理、溶洞形狀與地震剖面“串珠”狀反射特征的關系提供了手段，從而為碳酸鹽巖儲層的半定量或定量預測提供了依據。利用正演模擬技術，可以極大地提高儲層預測的精度，并能進行定量或半定量的刻畫，降低勘探風險、提高鉆探成功率[1－4]。前人在這方面做了很多研究，孫東等通過大量正演模擬建立了一套行之有效的碳酸鹽巖溶洞體積計算方法[5]；李凡異等通過物理模擬和數值模擬相結合研究發現：①當溶洞橫向寬度增大時，除溶洞的繞射能量增強外，串珠中珠的數目也會有所增多；②溶洞頂的位置不受溶洞寬度的影響[6]。

1 碳酸鹽巖地震正演模擬分析

本次正演模擬以塔河地質背景為基礎，模型分為兩層，上覆地層速度為3 100m／s，厚度為750m，下層奧陶系速度為6 400m／s，厚度為1 600m，而一般來講奧陶系縫洞儲層在含油氣情況下速度低于5 800 m／s，故溶洞速度設計為5 500m／s。觀測系統采用36道接收、6次覆蓋，道間距為20m。子波為雷克子波，主頻為30Hz。

1.1 固定高度變化寬度

有許多學者進行了碳酸鹽巖溶洞寬度對振幅影響的研究[5－7]，然而他們大都將溶洞設計成長方形，但地下溶洞的形狀是千姿百態的，長方形的溶洞雖然具有代表性但并不具有普遍性，因而本次研究設計了不同形狀的溶洞，變化其橫向上的尺度進行模型正演，對正演結果做了相關分析和研究。

1.1.1 長方形溶洞

溶洞頂部均位于1 190m處，高度均為20m，從左到右溶洞的寬度依次為20m、40m、60m、80m、100 m、200m、400m、600m、800m，如圖1－a所示。

圖1 長方形溶洞模型相關數據圖

圖1－b為長方形溶洞模型正演偏移剖面，從中可以看出隨著溶洞寬度的增加，溶洞對應位置的振幅是增加的。為了更直觀地了解振幅的變化，以偏移剖面中550～700ms（溶洞對應位置）間每一道的最大波峰振幅為縱坐標，道號為橫坐標，得到長方形溶洞模型偏移剖面最大波峰振幅曲線圖（圖1－c）。從圖1－c可以直觀看到：當溶洞寬度小于250m時，隨著溶洞寬度的增大，最大波峰振幅是在增大的；當溶洞寬度大于250m時，振幅幾乎不受溶洞寬度影響。

1.1.2 橢圓形和菱形溶洞

將溶洞設計成橢圓形和菱形，固定橢圓的豎軸為20m，橫軸從左至右依次為20m、60m、100m、200 m，如圖2－a所示。固定菱形高度為20m，寬度從左到右依次為20m、60m、100m、200m，如圖3－a所示。

圖2－b是橢圓形溶洞偏移剖面，圖2－c為橢圓形溶洞最大波峰振幅曲線圖；圖3－b、圖3－c分別是菱形溶洞偏移剖面及最大波峰振幅曲線圖。可以看到，無論是橢圓形模型還是菱形模型，隨著溶洞橫向尺度的增加最大波峰振幅是增加的，這和長方形溶洞正演模擬結果很相似。

圖2 橢圓形溶洞模型相關數據圖

圖3 菱形溶洞模型相關數據圖

1.2 溶洞橫向尺度影響振幅的極限

以長方形溶洞模型為例，提取偏移數據溶洞響應中心道，其波形圖如圖4所示。由圖4可見：各個地震道除振幅強弱不同外，其波形特征大致相同，為兩強谷夾一強峰且峰強于谷的特征；各道波形時長大致相同，這說明溶洞地震響應時長與溶洞寬度沒有必然聯系；振幅雖然隨著溶洞橫向尺度的增大而增大，但是增大的幅度是在不斷減小的，尤其當溶洞寬度大于200m后，溶洞對應的最大波峰振幅的增加近乎停止。

圖4 溶洞中心道波形圖

溶洞對應的最大波峰振幅值與溶洞寬度的關系如圖5所示。當溶洞寬度約大于280m后，最大波峰振幅是在逐漸逼近6.5的，此時振幅值幾乎不再增加，而根據菲涅爾帶半徑計算公式可知本次正演模擬菲涅爾帶半徑為280m[8]。由此可見，當溶洞寬度小于菲涅爾帶半徑時，溶洞越寬其對應振幅越大；當溶洞寬度大于菲涅爾帶半徑時溶洞寬度對振幅影響不大。

1.3 溶洞形態對振幅的敏感

圖5 波峰振幅最大值隨溶洞寬度變化曲線圖

前面對長方形，橢圓形，菱形的溶洞進行正演模擬，得到相似的結論：隨著溶洞橫向尺度的增加，振幅呈增加的趨勢，三者最大波峰振幅曲線的形態很相似，這讓我們猜想在菲涅爾帶內，模型橫向尺寸對振幅是敏感的，而對其具體是什么形態不敏感。對比三者振幅曲線有：在同一高度和寬度下振幅的關系為長方形模型＞橢圓形模型＞菱形模型，且雖然縱橫向尺寸相同，但就面積來說，長方形模型＞橢圓形模型＞菱形模型，看來振幅大小還與溶洞形態有關。為進一步認識這一結論，設計了兩個正演模型，模型一在深1 190m處設計了3個溶洞，溶洞最大高度均為20m，最大寬度均為100m，從左到右依次為長方形，半圓形，以一個表面凹凸不平的隨機圖形，面積大小關系為：長方形模型＞不規則模型＞半圓形模型；模型二在深1 190 m處設計了4個溶洞，溶洞的最大高度均為20m，最大寬度均為100m，底部寬度不變，從左到右頂部寬度依次為100m、60m、20m、0m，即溶洞由長方形變為梯形再變為三角形，面積是逐漸減小的。

圖6、7分別是模型一和模型二的相關數據，由圖6－c可知，模型一中溶洞對應振幅的關系為：長方形溶洞＞不規則溶洞＞半圓形溶洞，這與溶洞面積關系是一致的，且模型一中第1個溶洞和第3個溶洞形態大小差距很小，但在最大波峰振幅曲線上依然可以將兩者區分開，由圖7－c可知模型二也有相似的結論，故而在菲涅爾帶內溶洞形態對于振幅是敏感的。

綜上所述，在菲涅爾帶內，不單是橫向尺度，溶洞形態對振幅也是敏感的，當溶洞最大縱橫向尺寸固定時，溶洞形態越接近于由溶洞最大縱橫向尺寸構成的長方形（即是溶洞面積越大），其對應振幅越大。

圖6 模型一相關數據圖

1.4 半幅衰減道距中心道距離

圖8為不同寬度溶洞反射的振幅衰減至最大振幅一半時對應地震道距溶洞中心道的距離圖，這一屬性可以反映溶洞在剖面上的響應寬度隨溶洞寬度的變化情況。從圖中可以看到，隨著溶洞寬度的增加，半幅衰減道與中心道距離是不斷增加的，增大幅度是先變大再變小，在菲涅爾帶半徑附近增大幅度達到最大。

圖8 振幅半幅衰減道距中心道距離圖

2 溶洞的識別及其與產量的關系

塔里木盆地北部TH油氣田為奧陶系溶縫洞型，提高對溶洞的識別與檢測對該油田有著重要意義。綜合以上研究，溶洞在地震剖面上的一般特征為“串珠”狀或“羊排狀”，同時上述對溶洞寬度和形態研究表明，溶洞越大，其對應的振幅越強。

圖9為某區塊連井剖面與其儲層段最大波峰振幅曲線疊合圖。由圖9可見，這些井除井2、井6外，都設計在“串珠”或“羊排”這些具有溶洞反射特征的位置上，同時它們都對應著最大波峰振幅曲線的極大值點，且井1、井3、井4、井5和井7都有鉆具放空、鉆井液漏失等表征溶洞發育的證據，而井2位于兩“串珠”之間，井6未在“串珠”上，這兩口井均無放空漏失現象，即是無溶洞發育，可見振幅曲線出現極值是溶洞反射特征之一，但并不是所有極值都意味著溶洞發育。隨著這些井對應振幅的減小，其產量總的來說是減小的，而產量作為一種衡量溶洞大小及發育程度的指標，可見反射振幅越大的溶洞，其尺寸越大，發育程度越高，這與前面的結論是相符合的。所以通過這種手段識別溶洞，可指導實際生產，提高鉆探成功率。

3 結論

1）通過對于不同形態溶洞，固定最大高度改變寬度及不同表面積溶洞的正演模擬，得出結論：碳酸鹽巖溶洞主要反射特征為兩強谷夾一強峰且峰強于谷的特征，即所謂的“串珠”“羊排”狀。

2）當溶洞寬度小于菲涅爾帶半徑時，溶洞越寬其對應振幅越大；當溶洞寬度大于菲涅爾帶半徑時溶洞寬度對振幅影響不大；隨著溶洞寬度的增加，其對應振幅最終逼近于一個極值。

圖9 高產井連井剖面與最大波峰振幅疊加圖

3）溶洞形態對其繞射波振幅大小是敏感的，當溶洞中橫向尺寸固定時，溶洞形態越接近于由其最大縱橫向尺寸構成的長方形，其產生振幅越強。

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