碳酸鹽巖斷溶體內部結構識別技術及應用

常少英 曾濺輝 徐旭輝 曹 鵬 崔鈺瑤 李 濤

(①中國石油大學(北京)地球科學學院，北京102200； ②中國石油杭州地質研究院，浙江杭州310023； ③中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院，江蘇南京 211103； ④東方地球物理公司國際勘探事業部，河北涿州072751)

0 引言

近年來，塔里木盆地、四川盆地深層縫洞型碳酸鹽巖油氣藏，尤其是灰巖巖溶油藏的勘探開發成果表明，主要油氣富集區大多與深大斷裂有密切關系，油氣富集于連通油源的深大斷裂破碎帶，附近的巖溶發育區成為目前探尋巖溶型油藏的重要領域[1]。魯新便等[2]將這種油氣藏正式命名為斷溶體油氣藏，其成因機理是：地下巖溶水順著深大斷裂帶滲流，對斷裂破碎帶進行溶蝕改造后形成具有復雜三維空間結構的巖溶縫洞系統，即典型的斷控巖溶； 油氣沿斷裂向溶蝕破碎帶運移，在上覆泥灰巖或側向致密灰巖的封擋下，聚集形成特殊類型的油氣藏。該類油氣藏埋藏深、非均質性強，地震解釋精細識別難度很大。實際上，對這類油氣藏的認識經歷了“古潛山”[3-4]、“不整合巖溶”[5]、“古溶洞系統”、“層間巖溶”[6]等多個階段，現在“斷溶體”的概念被逐漸認可[7-9]，并在油氣勘探中得到成功應用。在油藏勘探初期，并未認識到“串珠”反射其實是一系列復雜縫洞系統的綜合響應，隨著勘探開發的深入，發現斷溶體內部縫洞結構存在不同的分隔帶，這些分隔帶使斷溶體內部結構更復雜，而現階段面臨的主要技術難題是斷溶體內部結構的量化表征和評價。

物探解釋技術是描述斷溶體油藏的關鍵手段，前人研究細致刻畫了斷溶體的總體形態并取得了一定進展。鄭曉麗等[10]研究了塔北地區走滑斷裂與斷溶體之間的關系，描述了斷溶體模型特征； 馬乃拜等[11]介紹了斷溶體地震反射特征與識別方法，但對斷溶體內部結構刻畫表述較少； 張文彪等[12]總結了塔河油田托甫臺區奧陶系斷溶體構型及表征方法； 劉寶增等[13]、李陽[14]提出了斷溶體空間刻畫方法，但沒有考慮上覆地層界面對小尺度縫洞體地震響應的屏蔽作用，致使斷溶體內部刻畫不夠精細。目前，斷溶體內部結構刻畫不清是制約該類油藏部署高效井以及剩余油挖潛的關鍵問題。斷溶體內部結構刻畫主要有兩個難點：①斷層附近弱地震反射能量的溶洞識別難度大； ②一些小斷距走滑斷層造成識別斷層和溶洞(斷溶體系統)難度大[15]。

地震反射特征分析是識別斷溶體內部結構特征的重要技術手段。本文以實際地震資料為基礎并結合動態資料，在地質模式認識的基礎上，探討應用去除斷溶體上覆地層強反射地震響應技術、正交合成張量梯度屬性識別斷溶體邊界技術、張量梯度屬性約束下的地震波形反演識別斷溶體內部結構技術等刻畫斷溶體輪廓及內部結構的可行性，為在油水關系復雜的碳酸鹽巖油氣藏實施高效井位加密部署提供了新的思路。

1 斷溶體地質模型及地震響應特征

斷溶體內部具有較復雜的三維空間展布特征，不同部位斷裂發育程度不同，溶蝕程度及膠結作用也存在差異。溶蝕程度相對低、膠結作用強的部位發育低滲透障壁分隔帶[16]，由于分隔帶的分割作用，油氣富集特征明顯差異化，進而制約了開發效果。因此，對斷溶體油藏內部結構特征及分隔性的描述具有重要意義。

基于塔里木盆地塔中、塔北、塔河地區斷溶體油藏勘探開發實踐，逐步認識到斷溶體儲集體的發育模式呈現以油源斷裂為中心，橫向呈對稱的“五分結構”的特征，即“圍巖—破碎帶—油源主斷裂區—破碎帶—圍巖”模式，且不同區帶內儲集體類型、測井及鉆井特征各不相同[17]。構建了斷溶體地震識別模式(表1)，油源主斷裂區以雜亂弱反射、雜亂強反射及較規律的“串珠狀”反射特征為主，實際鉆遇儲層為溶洞型、裂縫—孔洞型，鉆井過程中表現為放空漏失； 破碎帶以雜亂反射、弱反射特征為主，鉆遇儲層主要為裂縫—孔洞型，鉆井放空漏失率比油源主斷裂區低； 圍巖帶基本無異常反射，實鉆儲集體不發育[18]。

依據造成斷溶體內部結構差異的原因及各部分特征分析，描述斷溶體內部結構特征需要解決以下兩個方面難題：①斷溶體內部弱反射儲層預測； ②小斷距斷裂識別。根據“五分結構”模式建立正演地質模型(圖1a)，模擬地質模型的地震響應特征(圖1b)表明，斷控巖溶體系為強反射特征，與實際地震剖面一致(圖1c)。

表1 塔里木盆地塔北斷溶體地震識別模式

圖1 斷溶體地質模型(a)、模擬地震響應特征(b)及實際地震剖面(c)

2 斷溶體結構描述

根據鉆井、測井及巖心資料分析，斷溶體儲集空間主要為洞穴、斷裂及裂縫[19]。斷溶體刻畫包括邊界刻畫、內幕結構刻畫及斷裂系統表征三個重要內容。斷溶體邊界主要采用結構張量屬性描述，內幕結構刻畫分為斷裂裂縫、洞穴、孔洞三類儲層優選敏感屬性分析或儲層反演。研究主要利用相位一致性特征去除斷溶體上覆地層界面強反射的技術，突出斷溶體內部反射特征； 利用張量梯度屬性描述斷溶體邊界； 基于去除地層界面強反射的數據體，將張量梯度屬性轉化成斷溶體內部儲層反演的初始模型，反演得到內部儲層結構特征； 最后通過單井巖石物理分析，將反演結果劃分成斷溶體主斷裂區、破碎帶和圍巖帶，為下一步部署井位、提高采收率提供基礎資料。

2.1 弱反射斷溶體地震識別

斷溶體初期勘探階段的研究主要是在地震剖面上尋找強反射特征，然而在實際生產中，一些具有弱反射振幅響應特征的斷溶體也鉆遇了高產油氣流[20]。如何刻畫弱反射振幅響應特征斷溶體結構是高效開發該類油藏面臨的難點。例如塔里木盆地塔北、塔中、塔河地區以及四川盆地二疊系茅口組斷溶體發育區，上覆一套較厚的碎屑巖地層，通常在地震剖面上表現為連續強反射特征。這種區域性連續強反射往往會對下伏儲層的地震響應產生屏蔽作用，特別是當裂縫—孔洞型儲層地震響應特征相對較弱時，易受到屏蔽作用而難以識別。

如圖2所示，通過反射系數A與子波B褶積得到地震反射數據體C，此時地震反射同相軸是上覆地層界面強反射地震響應特征與其下儲層弱地震響應特征的疊加。采用3個步驟去除上覆地層強反射的屏蔽作用：①將地震數據體轉換到Wheeler地層域，目的是消除地震數據體或者其他屬性體中由于構造運動產生的變化，恢復古沉積環境，直觀了解同時期沉積環境下的地層情況。轉換后的數據體地震反射同相軸的產狀、相位等信息與地層、沉積等信息的相關性較強。斷溶體上覆連續強反射同相軸被恢復到水平狀態，其地震波的相位具有較好的一致性。②利用主成分分析法將具有相位一致性的波組提取出來，形成地震數據D，同時用地層域地震數據減去D，即得到wheeler域弱地震反射特征數據體E； 然后對E進行反wheeler域變換，將數據體恢復到構造域。③對E進行分頻、反演，進一步凸顯弱地震反射儲層的特征。以上過程實際上是一個去除了低頻特征的濾波過程，因此能夠更凸顯小斷距斷裂的地震響應特征。

利用上述波形分離法去除斷溶體上覆地層強反射，突出了斷溶體內部儲層弱反射特征，同時地震剖面上斷裂系統更清晰(圖3)。原始地震剖面上有一組強反射同向軸(圖3a)，經過主成分分析波形分解得到地層地震響應剖面(圖3b)，圖3c為去除了地層強反射地震響應后的地震剖面, 可以看出，巖溶儲層反射特征得到凸顯(紅色箭頭指示處)，剖面上走滑斷裂斷點更加清晰(綠色箭頭指示處)。

圖2 去除地層強反射特征原理示意圖

圖3 巖溶儲層地震數據波形分解剖面對比(a)原始地震剖面； (b)地層響應特征地震剖面；(c)突出巖溶儲層響應特征地震剖面

2.2 張量梯度屬性描述斷溶體邊界

梯度結構張量分析(GST)法是將圖像紋理處理技術引入地震解釋領域的新型屬性分析方法。將地震數據視為圖像，依據

(1)

確定張量特征值相對大小及組合參數。式中：g為高斯函數；S為地震數據；L、T分別為線、道方向；m、n為線、道方向的塊大小。

通過識別地震圖像中的不同結構特征或紋理單元(層狀紋理、雜亂紋理等)描述斷溶體，圖像中的紋理變化實際上代表地質目標中的異常體(斷層、縫洞等)。該方法適用于三維地震數據中斷溶體反射結構的解釋及其邊界特征自動識別[21-22]。

本文采用基于各向異性高斯濾波器的GST法，是一種基于振幅梯度對三維地震數據體圖像進行紋理分析的方法。該技術應用范圍可以是三維地震數據和大角度斷裂發育區，其技術優點包括:①可以實現多尺度邊緣檢測功能，得到反映沉積結構的混沌體，即檢測沉積結構的不連續性； ②可以提取去除了垂向梯度的橫向梯度屬性，相比常規梯度屬性，能突出橫向地層內的不連續性，有利于復雜沉積體邊界刻畫； ③可以得到較準確傾角數據，與第三代相干技術結合可以得到高精度的相干、曲率數據。

地震張量場計算公式為

D=?S(?S)T

(2)

式中?S是地震數據體S的在x、y、z三方向的導數。

采用求取高斯函數一階導數褶積的方法使計算結果更穩定

?S=S*Kσ

(3)

式中：σ為高斯函數一階導數；K為應力集中系數，可通過該區經驗圖標查得。

D是一個對角陣，計算D的特征值λ1、λ2、λ3和特征向量。在三維空間上，斷溶體反射特征與鄰近地震道有明顯差異，因此三個方向上的特征值均不同，取其和作為梯度結構張量的計算結果，其值越大，表明三個方向的混沌性越強，越有可能是斷溶體邊界的反映。通過GST法分析技術的應用，斷溶體邊界特征得到增強，巖溶區(不連續區)與致密區區分效果較好(圖4)。

圖4 梯度結構張量分析效果圖(a)原始地震剖面; (b)張量梯度剖面

2.3 地震反演預測斷溶內部縫洞結構

在儲層定量或半定量描述中，常用到波阻抗反演技術。常規波阻抗反演可以較好地反映顆粒灘型碳酸鹽巖儲層，但對縱向上發育的斷溶體刻畫效果較差[23-25]。為此，采用一種去除地層信息的巖溶儲層地震波形指示反演技術。

波形指示反演充分利用地震波形的橫向變化反映儲層空間的相變特征，進而分析儲層垂向巖性組合的高頻結構特征。該方法很好地體現了相控的思想，井、震結合高頻模擬，反演結果從完全隨機到逐步確定，對井位分布的均勻性沒有嚴格要求，可提高儲層反演的精度并擴展適用領域。反演的兩個主要參數是有效樣本數和最佳截止頻率。地震波形指示反演結果具有“低頻確定、高頻隨機”特征[26]，低頻部分由地震波形特征決定，高頻部分會受鉆井有效樣本數的影響。最佳截止頻率參數的選取原則是：如追求反演結果的確定性，則該參數不宜設置太高； 如追求反演結果的高分辨率，則該參數可以取高值。如圖5所示，研究工區有10個有效樣本，當頻率達到63Hz時，擬合相關指數曲線開始趨于水平，該頻率就是最大有效頻率，即最佳截止頻率。因此，選用63Hz為該區最佳截止頻率，既能保障反演結果的確定性，又能保障反演的縱向分辨率。

在去除斷溶體上覆地層界面強反射的基礎上，將相對波阻抗與已知井的井旁阻抗進行交會分析(圖6)，得到屬性體轉換成波阻抗體的關系式

(4)

式中： PI為波阻抗； RPI為相對波阻抗。

利用該關系式把梯度結構張量屬性體轉換成波組抗體，作為波阻抗反演的初始模型； 再將該初始模型作為約束條件應用到波形指示反演流程中，最后得到既能表征斷溶體輪廓特征又能刻畫內部結構特征的反演數據。依據已知井標定取得斷溶體阻抗值范圍為小于1.25×107kg·s-1·m-2，其中阻抗值小于0.85×107kg·s-1·m-2為主斷裂巖溶區。

圖5 最佳截止頻率分析圖

圖7是應用本文所提方法得到的去除地層反射特征的GST約束反演阻抗剖面(圖7b)及斷溶體內部結構預測結果(圖7c)，后者通過單井巖相巖石物理分析將反演結果劃分出不同的巖相帶。從該區帶的形態判斷應為斷裂發育區，斷溶體縱向長度遠大于橫向寬度，橫向上可分出主斷裂帶(圖中紅色、橙色區)、斷裂破碎帶(黃色區)、圍巖致密帶(灰色區)的地質結構特征。

圖6 縱波阻抗與相對波阻抗交會圖

圖7 斷溶體內部結構地震預測圖(井曲線為GR測井曲線)(a)原始地震剖面； (b)GST約束反演剖面； (c)斷控巖溶體內部結構剖面

3 應用效果

哈拉哈塘油田位于塔北隆起斜坡區，中、下奧陶統主要發育斷裂裂縫、洞穴和孔洞三類儲集體，儲層發育規模受控于多期活動走滑斷裂體系及順斷裂溶蝕作用[27]，是典型的斷溶體油藏，埋藏較深(>5500m)，發育玉爾吐斯組烴源巖，油源斷裂發育，油氣成藏條件優越。目的層各組地層較平緩，表現為向東南方向傾斜的單斜構造,現今構造面貌是多期構造運動疊加改造的結果，斷裂展布及發育受控于多期次的構造運動[28]。

采用GST法地震屬性約束的斷溶體反演內部結構識別技術(圖8)對HA-1-F井區單井斷溶體進行內部結構解剖，為斷裂分段評價提供基礎資料，解釋了不同斷裂帶之間、同一斷溶體不同部位含油氣規模的差異[29]。在斷溶體內部結構識別的基礎上劃分和評價斷溶體發育帶(圖9)。對工區內另外3口井的預測結果如圖10所示，分小層統計各儲層時間厚度，分別乘以各儲層的平均速度以求得各層段儲層的厚度，最后將各層段儲層厚度相加即得到相應的儲層預測厚度。表2統計了工區內3口井的預測儲層厚度、實鉆厚度及預測絕對誤差，數據顯示絕對誤差小于4m。依據研究成果新鉆26口井，鉆探成功率由原來的78%提高到86%。證明本文的斷溶體劃分和評價方法能夠在斷溶體油藏勘探和高效開發井部署、剩余油挖潛中發揮重要作用[30-32]。

圖8 GST地震屬性約束斷溶體反演剖面

圖9 斷溶體內部結構劃分剖面

圖10 工區內3口井斷溶體識別預測(a)原始地震剖面; (b)去除不整合強反射地震剖面; (c)斷溶體內部結構反演地震剖面

表2 反演預測儲層厚度與實鉆厚度對比

4 結論與認識

本文基于實際地震資料提出去地層強反射技術、梯度結構張量分析技術、巖溶儲層地震波形指示反演技術等斷溶體內部結構識別和油藏預測技術系列，取得以下幾點認識。

(1)識別出斷溶體內部復雜縫洞結構發育模式呈現以油源斷裂為中心、橫向呈對稱的“五分結構”特征，即“圍巖—破碎帶—油源主斷裂區—破碎帶—圍巖”模式，為斷溶體內部結構刻畫提供了研究方向和思路。

(2)斷溶體地震響應往往是斷、洞、縫與上覆地層的綜合響應，去除上覆地層地震響應影響能夠挖掘斷溶體內部結構弱振幅儲層響應，是開展斷溶體內部精細刻畫的重要基礎工作； 利用張量梯度屬性作為斷溶體內部結構反演的初始模型，能夠更好地量化斷溶體地震描述。

(3)斷溶體油藏內部結構量化描述是該類油藏精細開發的必由之路，斷溶體目標描述為規模目標優選、井軌跡優化、高效開發、措施建議等提供了直觀的資料依據。