碳酸鹽巖高角度裂縫油氣藏表現特征研究

丁建榮

(江蘇油田分公司 科技裝備處,揚州 225000)

0 引言

碳酸鹽巖油氣藏約占世界石油儲量的52%、全球油氣總產量的 60%，油藏物性較好，以裂縫型油藏為主，油田產量高，是世界重要的石油增儲上產領域之一[1-2]。碳酸鹽巖裂縫型儲集體有別于砂巖油氣藏，常規砂巖油氣藏儲集空間主要以孔隙為主，儲層三維方向均質性較好，而碳酸鹽巖裂縫型儲集空間以孔隙、裂縫維為主，儲層三維方向非均質性非常強烈。在成藏過程中，裂縫既是油氣儲集空間也是連接孔洞的主要溝通通道[3-5]，儲層中以高角度裂縫發育為主。在這類儲層中，作為連通油氣的裂縫通道，其尺寸遠大于多孔介質孔隙尺寸，這造成了這類油氣藏的地震特征應不同于常規砂巖多孔介質的油氣藏，正確認識地震特征是這類油氣藏勘探開發的關鍵。眾所周知，地震正演手段是解決油氣藏特征認識的重要手段[6-8]，對于簡單地震勘探目標進行研究時，一般對假設地層屬于均勻介質或層狀均勻為基礎，然而對于非均質性較強的裂縫型油氣藏，這種以均勻介質或層狀均勻介質的假設已無法較好用來幫助對裂縫特征進行正確認識。碳酸鹽巖裂縫型油氣藏，其儲層非均質非常嚴重，需要考慮非均質和小尺度產生的異常，才能夠更好地進行精細的儲層研究。為了考慮非均質性和小尺度產生的異常，應從地下介質的描述和相應的波場傳播理論等基礎工作來進行考慮。

有關地下介質的描述和相應的波場傳播理論的研究，從已有發表的文獻[9-11]來看，成果還是比較豐富的，但大部分這些成果所依據的模型均是確定性模型，所使用的方法均是確定性方法。然而，由于地下介質的復雜性，特別是某些儲層的復雜性，用確定性的模型和方法難以準確地描述，因此需要發展新的、更為靈活方便的描述介質方法及建立相應的波場傳播理論。Aminzadeh F[12]指出：“以不確定的介質為對象的方法研究將是未來正演模擬更切實際的方法”。因此，建立和發展隨機正演模擬方法是地震學、特別是開發地震學中一個有意義的研究方向。對于裂縫性儲層，需要利用統計學方法對介質進行描述，建立隨機介質模型并研究與之相關的地震波傳播特征。基于此利用地震正演手段開展了碳酸鹽巖裂縫型油氣藏裂地震特征研究。

1 模型的基本概念與描述方法

在隨機介質中, 介質參數可以表示為

ρ(x,z)=ρ0+δρ(x,z)

(1)

υ(x,z)=υ0+δυ(x,z)

(2)

式中:ρ0、υ0為背景介質參數，假設為常數或隨空間坐標緩慢變化；δρ、δυ為在上述背景上的非均勻隨機擾動，通常假設其為具有零均值及一定自相關函數、方差的空間平穩隨機過程。

假定空間隨機擾動σ=σ(x,y)為二階平穩隨機過程，且均值為零，方差為ε2，協方差函數為C(x,y)，自相關函數為式(3)。

φ(x,z)=C(x,y)/ε2

(3)

在實際工作中可以根據實際情況選擇自相關函數, 并由此構造相應的隨機介質模型。地震勘探中，隨機介質模型的自相關函數通常可選擇為高斯型、指數型或馮·卡爾曼型的函數[13]。它們分別具有不同的特點，適應不同的地質情況。

這里選擇比較常用的指數型橢圓自相關函數，其表達形式為公式(4)。

φ(x,z)=exp[-(x2/a2+z2/b2)1/2]

(4)

式中：a、b分別是介質在x方向和z方向上的自相關長度。

圖1是二維隨機裂縫模型，模型寬度為400 m，模型高為200 m。圖1展示了兩種類型的隨機裂縫模型：①二維水平隨機裂縫模型(水平裂縫模型)；②二維垂直裂縫模型(垂直裂縫模型)。圖1(a)和圖1(b)為水平裂縫模型，圖1(c)和圖1(d)為垂直裂縫模型。裂縫為水平還是垂直，是由參數式(4)中a、b來控制的，當參數a>b時，則由公式(4)可生成水平裂縫模型，當a

圖1 具有不同自相關長度的高密度分布隨機裂縫模型

圖2 隨機垂直裂縫介質模型

圖3 80 Hz疊加剖面

2 二維垂直隨機裂縫地震正演模擬

圖2是兩層地質模型，地質模型寬度為4 000 m，高為600 m。第一層是均質的上覆蓋層，第二層是局部含垂直裂縫的不均勻碳酸鹽巖儲層(裂縫范圍在1 400 m～1 800 m之間)，生成裂縫所用的自相關參數與圖1(d)所用的參數一致為a=1 m，b(1 m,5 m]。圖2中以不同顏色表示地震縱波在介質中傳播時的速度大小，上覆地層速度用深灰色標色，速度為5 000 m/s；裂縫層段背景層的速度用藍色表示，速度為6 000 m/s；對于裂縫中的速度用近乎黑色表示，速度大致在4 500 m/s附近。

圖4 40 Hz疊加剖面

圖5 80 Hz偏移剖面

圖6 40 Hz偏移剖面

圖7 隨機傾斜裂縫介質模型

對圖2的碳酸鹽巖裂縫模型，由于裂縫尺度比較小，如果用常規地震正演所用1 ms或2 ms低分辨率采樣間隔對圖2中的裂縫進行采樣，則很多裂縫可能因采樣間隔過大導致離散采樣模型中不包括一些裂縫信息或只包括不完整的裂縫信息，進而會在后續成像模擬無法把裂縫成像特征正確的展示出來，為此這里采用高分辨率采樣間隔以保證裂縫成像特征能夠被表現出來，所用采樣間隔約為40 us。圖3、圖4分別是依據圖2獲得基于波動方程形成的80 Hz和40 Hz疊加剖面，在疊加剖面上，在裂縫發育部位存在大量的繞射現象，圖5、圖6是對圖3、圖4進行偏移獲得的偏移剖面，在偏移剖面上，因界面突變點和裂縫形成的繞射現象得到了較好收斂。由圖5、圖6可知，在垂直裂縫發育段存在明顯的異常反射，而沒有垂直裂縫或垂直裂縫發育較弱的地方則無反射或弱反射，且垂直裂縫發育段表現為具有長度不同似面條線段間斷現象的特點，80 Hz的高頻偏移剖面相對40 Hz低頻偏移剖面在表現裂縫能力方面更強一些。

3 二維高傾角隨機裂縫地震正演模擬

圖7與圖2類似，為兩層地質模型，地質模型寬度為4 000 m，高為600 m。第一層是均質的上覆蓋層，第二層是局部含70°高傾角裂縫的不均勻碳酸鹽巖儲層(裂縫范圍在1 400 m～1 800 m之間)，生成裂縫所用的自相關參數a=1 m，b∈(1 m,5 m]，圖7中不同顏色代表的縱波速度大小，在整體模型中，傾斜裂縫顯示并不清晰，圖8將圖7中包含裂縫的局部進行放大顯示，可以清晰看出傾斜裂縫在模型中的分布情況。

圖8 隨機傾斜裂縫介質模型局部顯示

圖9 70°裂縫模型形成40 Hz的偏移剖面

圖10 70°裂縫模型形成100 Hz的偏移剖面

圖9、圖10分別是依據圖7獲得基于波動方程形成的40 Hz和100 Hz的偏移剖面局部顯示。由圖9、圖10可知，在70°裂縫發育段存在明顯的異常反射，而沒有高傾斜裂縫或高傾斜裂縫發育較弱的地方則無反射或弱反射，但傾斜裂縫發育特征表現特點不同于垂直裂縫發育表現的特點，在低頻偏移剖面上可以看出裂縫發育段表現為具有不同傾角的蝌蚪狀特征，而在高頻剖面上，有表現為左傾的蝌蚪、有表現為右傾的蝌蚪、有表現為近乎水平的蝌蚪，但總體以左傾的蝌蚪占絕對優勢，這與模型裂縫整體左傾具有較好的一致性，也說明高分辨地震剖面在表現裂縫能力具有優勢。

4 結論

1)在疊加剖面上，裂縫發育在地震剖面上存在繞射現象，儲層中裂縫越發育，繞射現象越明顯，裂縫條數越多繞射曲線就越多，反之越少。

2)在垂直型裂縫發育的碳酸鹽巖偏移剖面上，垂直型裂縫儲層會表現為斷續的掛面條狀，垂直方向裂縫越發育，面條狀線段越多，反之越少。另外在高頻剖面上，面條總體表現為細面條型線段，而在低頻剖面上，存在一些寬的面條型線段。

3)在高傾角70°高傾角裂縫發育的碳酸鹽巖偏移剖面上，裂縫發育的地方會表現為具有不同傾角的蝌蚪狀，但在低頻剖面上蝌蚪狀傾角表現出關聯性與實際裂縫傾角不大，而在高頻剖面上蝌蚪狀傾角總體與實際裂縫傾角傾向一致，總體表現為左傾特征，說明高頻剖面更有利于裂縫特征的表現。