塔河油田碳酸鹽巖斷溶體刻畫技術研究與應用

王 震,文 歡,鄧光校,丁 維,王 鑫

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司,新疆烏魯木齊830011;2.中石化石油工程地球物理有限公司華北分公司,河南鄭州450000)

斷溶體是碳酸鹽巖特有的一種圈閉類型[1-2],為受多期次構造擠壓作用,沿深斷裂帶發育的局部脆性灰巖破碎帶,多期巖溶水沿斷裂下滲或局部熱液上涌導致在破碎帶內發生溶蝕而形成的縫洞系統,在上覆泥灰巖、泥巖等蓋層封堵以及側向致密灰巖遮擋下,形成的一種不規則斷控巖溶圈閉類型,簡稱斷溶體圈閉。

大型溶蝕斷裂帶是油氣疏導的有利通道,也是油氣富集成藏的有利空間。不同級次走滑斷裂的變形樣式和差異溶蝕,控制了斷溶體油藏的空間分布及油藏形態,構成了一種與傳統砂巖層狀介質油藏完全不同的油藏類型,其形態以條帶狀、夾心餅狀和平板狀為主[1]。基于塔河地區斷裂性質、樣式及鉆井特征、測井曲線、地震反射特征,認為斷控巖溶區儲集體呈對稱的“三分結構”發育模式,即“基巖-過渡帶-核部-過渡帶-基巖”的特征,且不同區帶有不同儲集體類型、測井及鉆井特征。核部反射特征以雜亂弱、雜亂強及整體串珠為主,實際鉆遇儲集體為溶洞型、裂縫孔洞型,鉆井過程中表現為放空漏失或鉆遇放空段;過渡帶反射特征以弱、雜亂反射為主,鉆遇儲集體主要為裂縫孔洞型,鉆井放空漏失率相對核部低;而基巖帶基本無異常反射,實鉆儲集體不發育。

自2012年在塔河油田進行斷溶體油藏開發實踐以來,該類型油藏的開發規模已經達到該油田碳酸鹽巖新建產能的2/3,斷溶體的精確刻畫對開發建設意義重大。目前國內針對斷溶體油藏的刻畫研究較少,主要應用相干、曲率、自動斷裂提取(AFE)與能量、波阻抗組合進行解析,如徐紅霞等[3]、李鵬飛等[4]主要利用了細相干、曲率及紋理屬性刻畫碳酸鹽巖斷溶體;鮑典等[5]應用分時窗螞蟻體融合能量體描述斷溶體的縱向變化及橫向分隔性。本文以塔河油田實際地震資料為例,探討應用結構張量結合反演孔隙度、螞蟻體進行斷溶體輪廓及內部結構刻畫的可行性。

1 常規碳酸鹽巖斷溶體刻畫技術分析

前期塔河油田碳酸鹽巖斷溶體刻畫主要利用了精細相干及螞蟻體等技術。精細相干斷裂檢測技術有基于互相關的相干、相似性的傾斜疊加與基于數據協方差矩陣本征結構的不連續性檢測技術。螞蟻體追蹤斷裂檢測技術的基礎是一種隨機優化算法,該算法是一種正反饋機制,通過不斷更新信息量來達到最終收斂于最優路徑的目的。精細相干與螞蟻體檢測結構具有一定的相似性,對斷溶體的刻畫存在以下不足:

1) 精細相干與螞蟻體屬性異常主要體現斷溶體與基巖的邊界或具有較明顯斷距的斷層,結果以線狀特征為主。但碳酸鹽巖斷溶體是具有一定寬度的破碎帶,依據塔河油田多口水平井實鉆分析,其發育寬度可達100～1000m,因此常規屬性檢測結果與斷溶體的“體”概念在橫向尺度上不相符。

2) 精細相干與螞蟻體受奧陶系內幕同相軸的能量差異影響嚴重,同相軸能量強的層段屬性異常比弱能量區域更為突出,不符合奧陶系斷裂內部縱向上較為一致的發育規律,在空間上不能體現斷溶體連續分布的特征。

3) 因屬性檢測形態與實際地質體差異較大,屬性值不具有可標定性。

2 基于振幅梯度結構張量的斷溶體刻畫

結構張量在圖像分析領域應用較為廣泛,20世紀初,RANDEN等[6]和BAKKER[7]將該分析法引入地震解釋領域,國內主要應用于預測河道砂體[8]及識別煤礦坑道,有少量應用于改進相干屬性[9-11]或應用混沌屬性等檢測斷裂[12]。本文以塔河油田碳酸鹽巖斷溶體為目標,系統分析應用不同結構張量特征值及組合特征值刻畫斷溶體輪廓的效果,并融合反演阻抗及螞蟻體等屬性,精細刻畫斷溶體的內部結構。

2.1 振幅梯度結構張量特征值計算

結構張量特征值及特征向量的計算前人研究及應用較多[8-11],主要包含以下幾個步驟。

1) 計算三維地震數據體每一點的振幅梯度矢量:

(1)

式中:x,y,z分別為三維地震數據體的線、道位置及雙程旅行時間方向;g1,g2,g3分別為振幅沿x,y,z方向的方向導數。

2) 為保證信噪比,利用高斯窗對梯度進行卷積處理:

(2)

i∈{1,2,3}

其中,σg為尺度參數;G(w,σg)為高斯核函數:

(3)

3) 應用平滑后的梯度矢量構建梯度結構張量:

(4)

4) 計算特征值及特征向量:

(5)

式中:λ和ν分別是特征值和特征向量,求取的特征值、特征向量分別為(λ1,λ2,λ3)與(v1,v2,v3)。矩陣T為實對稱矩陣,所以λ1≥λ2≥λ3>0,3個特征向量v1,v2,v3兩兩正交。

2.2 特征值應用分析

特征值的應用有多種方法(圖1),以往以組合應用為主,如RANDEN構建了混沌(chaos)屬性用于檢測斷裂,其度量公式為:

(6)

該屬性異常(圖1b)與斷溶體原始剖面(圖1a)上的斷溶體直立、窄線狀特征差異較大,刻畫效果不理想。圖1c到圖1e分別給出了對單個特征值進行分析得到的剖面。圖1c為第一特征值剖面,圖中高值異常主要反映水平同相軸或“串珠”異常的邊界,受同相軸影響大;第二特征值(圖1d)主要體現分析窗口內次一級的變化特征,如“串珠”、雜亂反射等,與斷溶體的剖面異常特征較為吻合;第三特征值(圖1e)信噪比較低,與背景差異較小。因此確定利用振幅梯度結構張量的第二特征值(簡稱張量)作為斷溶體輪廓檢測的基礎。

圖1 試驗區不同特征值剖面a 原始剖面; b 混沌屬性剖面; c 第一特征值剖面; d 第二特征值剖面; e 第三特征值剖面

2.3 屬性值標定及輪廓刻畫

應用實鉆井資料來標定屬性值。以奧陶系縫洞儲集體為目標的鉆井,鉆遇縫洞體時會發生放空漏失,無法取得測井曲線,但可利用水平井的鉆時曲線標定張量屬性的門檻值。為實現實鉆儲層與屬性間的相互對應,按0.125m采樣率沿井軌跡提取張量屬性曲線。在張量屬性曲線與鉆時曲線交會分析圖中(圖2a),當實鉆軌跡進入斷溶體后,鉆時小于1200s/m,相對基巖明顯下降,選取對應的張量屬性值9作為該區域斷溶體輪廓刻畫的門檻值。在標定的基礎上,提取目的層以下一定時窗的張量屬性,可便捷地刻畫出斷溶體的平面輪廓(圖2b)。

圖2 TP243CH井張量屬性曲線與鉆時曲線交會分析(a)及張量屬性平面分布(b)

2.4 斷溶體內部結構刻畫

斷溶體內部的差異性主要體現在破碎程度上,以張量屬性確定的“斷溶體”邊界作為弱溶蝕儲層與致密灰巖的界限,在“斷溶體”內部融合反演孔隙度體及螞蟻體進行內部結構表征。反演孔隙度分3步完成:首先進行疊后反演;其次將反演得到的縱波阻抗體轉換為孔隙度體[13],并劃定其儲層下限門檻值;最后將孔隙度體、螞蟻體及結構張量屬性進行融合,展示斷溶體內部結構。

3 應用效果分析

在塔河油田托甫臺工區,將結構張量的斷溶體檢測結果與精細相干剖面及螞蟻體剖面對比(圖3),其特點體現在兩個方面:一是檢測結果為實心體(圖3d),與斷溶體地質形態特征更為相符,且屬性值可標定,可信度高;二是不同于相干與螞蟻體屬性(圖3b,圖3c),其縱向上受同相軸影響小,連續性強,橫向上檢測到的“斷溶體”與基巖區分明顯。

圖3 塔河油田典型斷溶體地震剖面與各類屬性剖面a 原始剖面; b 相干剖面; c 螞蟻體剖面; d 張量剖面

圖4 塔河油田典型斷溶體張量屬性立體刻畫結果(a)及其對應的疊前深度偏移剖面(b)

將張量屬性應用于塔河油田3種典型類型斷溶體的輪廓檢測(表1)。條帶狀斷溶體的張量屬性平面寬度較大,剖面異常為上寬下窄,縱向上發育深度大,受控于花狀斷裂特征明顯;平板狀斷溶體的平面屬性寬度相對較窄,剖面呈條帶狀分布,符合該類斷裂活動強度、巖溶改造作用弱于主干斷裂的地質特征;夾心餅狀斷溶體平面發育密度大,單個斷溶體寬度窄,縱向上切割深度小,為次級斷裂特征。因此張量屬性適用于碳酸鹽巖3種典型斷溶體的輪廓刻畫。

圖5a為一個典型的垂直于斷溶體走向方向的橫切剖面,反射異常以“串珠”及雜亂反射為主;圖5b為精細相干剖面,可較好檢測出該部位發育的斷裂,但無法表征斷溶體的展布范圍;圖5c為張量屬性剖面,可有效表征斷溶體的輪廓;圖5d為張量屬性融合反演孔隙度體及螞蟻體剖面,其中,紅黃色部位其孔隙度大于5%,為溶洞型儲集體,黑色部位為螞蟻體屬性,代表斷溶體內部的裂縫,綠色和淡藍色部位為結構張量屬性,代表孔洞型儲集體。與原始剖面及精細相干剖面相比,本文提出的張量融合反演孔隙度體、螞蟻體的方法顯著提高了對斷溶體的刻畫能力。

表1 3種典型斷溶體張量屬性特征

圖5 垂直于斷溶體的原始地震剖面與斷溶體內部結構刻畫剖面a 原始剖面; b 精細相干; c 張量; d 張量+反演+螞蟻體

4 結論

不同的結構張量特征值及組合對于斷溶體刻畫效果不同,應用標定后的第二特征值能較好刻畫斷溶體的空間輪廓特征;結構張量融合反演孔隙度體及螞蟻體等屬性,可以較好地刻畫斷溶體內部結構,突出主要溶蝕部位及主干破碎面,為精細描述斷溶體油藏提供手段;基于結構張量的斷溶體刻畫技術比常規斷裂檢測屬性刻畫斷溶體能力更強。