朱仕軍 唐緒磊 朱鵬宇 吳曉華 路 遠(yuǎn)

1.西南石油大學(xué) 2.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司

模型正演為進(jìn)一步研究溶洞的響應(yīng)機(jī)理、溶洞形狀與地震剖面“串珠”狀反射特征的關(guān)系提供了手段，從而為碳酸鹽巖儲(chǔ)層的半定量或定量預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。利用正演模擬技術(shù)，可以極大地提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度，并能進(jìn)行定量或半定量的刻畫(huà)，降低勘探風(fēng)險(xiǎn)、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(guò)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(jì)算方法[5]；李凡異等通過(guò)物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)溶洞橫向?qū)挾仍龃髸r(shí)，除溶洞的繞射能量增強(qiáng)外，串珠中珠的數(shù)目也會(huì)有所增多；②溶洞頂?shù)奈恢貌皇苋芏磳挾鹊挠绊慬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(zhì)背景為基礎(chǔ)，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(lái)講奧陶系縫洞儲(chǔ)層在含油氣情況下速度低于5 800 m／s，故溶洞速度設(shè)計(jì)為5 500m／s。觀(guān)測(cè)系統(tǒng)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(xué)者進(jìn)行了碳酸鹽巖溶洞寬度對(duì)振幅影響的研究[5－7]，然而他們大都將溶洞設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形，但地下溶洞的形狀是千姿百態(tài)的，長(zhǎng)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(shè)計(jì)了不同形狀的溶洞，變化其橫向上的尺度進(jìn)行模型正演，對(duì)正演結(jié)果做了相關(guān)分析和研究。

1.1.1 長(zhǎng)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(zhǎng)方形溶洞模型相關(guān)數(shù)據(jù)圖

圖1－b為長(zhǎng)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(duì)應(yīng)位置的振幅是增加的。為了更直觀(guān)地了解振幅的變化，以偏移剖面中550～700ms（溶洞對(duì)應(yīng)位置）間每一道的最大波峰振幅為縱坐標(biāo)，道號(hào)為橫坐標(biāo)，得到長(zhǎng)方形溶洞模型偏移剖面最大波峰振幅曲線(xiàn)圖（圖1－c）。從圖1－c可以直觀(guān)看到：當(dāng)溶洞寬度小于250m時(shí)，隨著溶洞寬度的增大，最大波峰振幅是在增大的；當(dāng)溶洞寬度大于250m時(shí)，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(shè)計(jì)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(xiàn)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(xiàn)圖?？梢钥吹?，無(wú)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(zhǎng)方形溶洞正演模擬結(jié)果很相似。

圖2 橢圓形溶洞模型相關(guān)數(shù)據(jù)圖

圖3 菱形溶洞模型相關(guān)數(shù)據(jù)圖

1.2 溶洞橫向尺度影響振幅的極限

以長(zhǎng)方形溶洞模型為例，提取偏移數(shù)據(jù)溶洞響應(yīng)中心道，其波形圖如圖4所示。由圖4可見(jiàn)：各個(gè)地震道除振幅強(qiáng)弱不同外，其波形特征大致相同，為兩強(qiáng)谷夾一強(qiáng)峰且峰強(qiáng)于谷的特征；各道波形時(shí)長(zhǎng)大致相同，這說(shuō)明溶洞地震響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)與溶洞寬度沒(méi)有必然聯(lián)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(dāng)溶洞寬度大于200m后，溶洞對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的最大波峰振幅值與溶洞寬度的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)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(shí)振幅值幾乎不再增加，而根據(jù)菲涅爾帶半徑計(jì)算公式可知本次正演模擬菲涅爾帶半徑為280m[8]。由此可見(jiàn)，當(dāng)溶洞寬度小于菲涅爾帶半徑時(shí)，溶洞越寬其對(duì)應(yīng)振幅越大；當(dāng)溶洞寬度大于菲涅爾帶半徑時(shí)溶洞寬度對(duì)振幅影響不大。

1.3 溶洞形態(tài)對(duì)振幅的敏感

圖5 波峰振幅最大值隨溶洞寬度變化曲線(xiàn)圖

前面對(duì)長(zhǎng)方形，橢圓形，菱形的溶洞進(jìn)行正演模擬，得到相似的結(jié)論：隨著溶洞橫向尺度的增加，振幅呈增加的趨勢(shì)，三者最大波峰振幅曲線(xiàn)的形態(tài)很相似，這讓我們猜想在菲涅爾帶內(nèi)，模型橫向尺寸對(duì)振幅是敏感的，而對(duì)其具體是什么形態(tài)不敏感。對(duì)比三者振幅曲線(xiàn)有：在同一高度和寬度下振幅的關(guān)系為長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，長(zhǎng)方形模型＞橢圓形模型＞菱形模型，看來(lái)振幅大小還與溶洞形態(tài)有關(guān)。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)這一結(jié)論，設(shè)計(jì)了兩個(gè)正演模型，模型一在深1 190m處設(shè)計(jì)了3個(gè)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(zhǎng)方形，半圓形，以一個(gè)表面凹凸不平的隨機(jī)圖形，面積大小關(guān)系為：長(zhǎng)方形模型＞不規(guī)則模型＞半圓形模型；模型二在深1 190 m處設(shè)計(jì)了4個(gè)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(zhǎng)方形變?yōu)樘菪卧僮優(yōu)槿切?，面積是逐漸減小的。

圖6、7分別是模型一和模型二的相關(guān)數(shù)據(jù)，由圖6－c可知，模型一中溶洞對(duì)應(yīng)振幅的關(guān)系為：長(zhǎng)方形溶洞＞不規(guī)則溶洞＞半圓形溶洞，這與溶洞面積關(guān)系是一致的，且模型一中第1個(gè)溶洞和第3個(gè)溶洞形態(tài)大小差距很小，但在最大波峰振幅曲線(xiàn)上依然可以將兩者區(qū)分開(kāi)，由圖7－c可知模型二也有相似的結(jié)論，故而在菲涅爾帶內(nèi)溶洞形態(tài)對(duì)于振幅是敏感的。

綜上所述，在菲涅爾帶內(nèi)，不單是橫向尺度，溶洞形態(tài)對(duì)振幅也是敏感的，當(dāng)溶洞最大縱橫向尺寸固定時(shí)，溶洞形態(tài)越接近于由溶洞最大縱橫向尺寸構(gòu)成的長(zhǎng)方形（即是溶洞面積越大），其對(duì)應(yīng)振幅越大。

圖6 模型一相關(guān)數(shù)據(jù)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(shí)對(duì)應(yīng)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(yīng)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(dá)到最大。

圖8 振幅半幅衰減道距中心道距離圖

2 溶洞的識(shí)別及其與產(chǎn)量的關(guān)系

塔里木盆地北部TH油氣田為奧陶系溶縫洞型，提高對(duì)溶洞的識(shí)別與檢測(cè)對(duì)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(shí)上述對(duì)溶洞寬度和形態(tài)研究表明，溶洞越大，其對(duì)應(yīng)的振幅越強(qiáng)。

圖9為某區(qū)塊連井剖面與其儲(chǔ)層段最大波峰振幅曲線(xiàn)疊合圖。由圖9可見(jiàn)，這些井除井2、井6外，都設(shè)計(jì)在“串珠”或“羊排”這些具有溶洞反射特征的位置上，同時(shí)它們都對(duì)應(yīng)著最大波峰振幅曲線(xiàn)的極大值點(diǎn)，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(fā)育的證據(jù)，而井2位于兩“串珠”之間，井6未在“串珠”上，這兩口井均無(wú)放空漏失現(xiàn)象，即是無(wú)溶洞發(fā)育，可見(jiàn)振幅曲線(xiàn)出現(xiàn)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(fā)育。隨著這些井對(duì)應(yīng)振幅的減小，其產(chǎn)量總的來(lái)說(shuō)是減小的，而產(chǎn)量作為一種衡量溶洞大小及發(fā)育程度的指標(biāo)，可見(jiàn)反射振幅越大的溶洞，其尺寸越大，發(fā)育程度越高，這與前面的結(jié)論是相符合的。所以通過(guò)這種手段識(shí)別溶洞，可指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，提高鉆探成功率。

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)于不同形態(tài)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(jié)論：碳酸鹽巖溶洞主要反射特征為兩強(qiáng)谷夾一強(qiáng)峰且峰強(qiáng)于谷的特征，即所謂的“串珠”“羊排”狀。

2）當(dāng)溶洞寬度小于菲涅爾帶半徑時(shí)，溶洞越寬其對(duì)應(yīng)振幅越大；當(dāng)溶洞寬度大于菲涅爾帶半徑時(shí)溶洞寬度對(duì)振幅影響不大；隨著溶洞寬度的增加，其對(duì)應(yīng)振幅最終逼近于一個(gè)極值。

圖9 高產(chǎn)井連井剖面與最大波峰振幅疊加圖

3）溶洞形態(tài)對(duì)其繞射波振幅大小是敏感的，當(dāng)溶洞中橫向尺寸固定時(shí)，溶洞形態(tài)越接近于由其最大縱橫向尺寸構(gòu)成的長(zhǎng)方形，其產(chǎn)生振幅越強(qiáng)。

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