楊曉蘭

(中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司,北京 100029)

眾多學(xué)者利用野外地質(zhì)露頭、地震、鉆井、測井、油藏動(dòng)態(tài)等資料，對(duì)碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間、發(fā)育演化、充填特征以及儲(chǔ)層預(yù)測等開展了研究，建立了碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的地質(zhì)模式，探索了儲(chǔ)層預(yù)測方法[1-8]，但在縫洞充填性識(shí)別研究方面依然非常薄弱[9]。塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏屬于與風(fēng)化殼古巖溶有關(guān)的縫洞型油氣藏[10]，塔河油田12區(qū)東奧陶系酸鹽巖巖溶縫洞型儲(chǔ)集體埋藏深度較大，達(dá)4 000～5 000 m，儲(chǔ)層發(fā)育程度相對(duì)減弱，儲(chǔ)層發(fā)育的尺度及規(guī)模較低，非均質(zhì)性強(qiáng)，工區(qū)油藏縫洞單元結(jié)構(gòu)描述不清，空間結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層內(nèi)部特征也需要更精準(zhǔn)地認(rèn)識(shí)，尤其縫洞單元內(nèi)固態(tài)充填物的發(fā)育，嚴(yán)重影響了儲(chǔ)集空間的形成和物性好壞，因此有必要開展溶洞充填識(shí)別技術(shù)降低儲(chǔ)層不確定性。本文通過正演模型研究，建立了一套基于正演模型的地震相識(shí)別溶洞充填技術(shù)，尋找未充填溶洞，可靠程度達(dá)86%，提高了鉆井成功率和油氣高產(chǎn)率。

1 正演模擬分析溶洞充填性

由于地震正演在解決非均值性強(qiáng)的儲(chǔ)層預(yù)測中具有較好效果[11]，因此本文采用地震波場正演模擬的方法預(yù)測和描述塔河12區(qū)塊的奧陶系縫洞型儲(chǔ)層。

1.1 縫洞模型地震響應(yīng)的模擬步驟

(1)應(yīng)用Tesseral 2-D軟件，采用人機(jī)交互的方法建立相同洞寬不同洞高情形下的溶洞模型(圖1)。

圖1 地層及溶洞模型示意

(2)對(duì)設(shè)計(jì)的縫洞模型進(jìn)行網(wǎng)格離散化：考慮背景速度的縱橫向變化程度、所設(shè)計(jì)的溶洞最小尺度以及差分方程收斂的條件，設(shè)計(jì)網(wǎng)格的大小。本次模型采用的網(wǎng)格大小為2 m×2 m，由人工給定數(shù)值空間插值網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的縱波速度、橫波速度及其密度，網(wǎng)格內(nèi)的彈性參數(shù)為常數(shù)。

(3)采用接近實(shí)際野外采集的觀測系統(tǒng)和采集參數(shù)，進(jìn)行波動(dòng)方程正演模擬：為了使得模擬過程更接近于實(shí)際地震采集過程、波傳播過程和處理過程，采用與野外地震資料采集時(shí)所使用的道間距、最小和最大偏移距、采樣間隔、子波主頻相同的參數(shù)，進(jìn)行炮集記錄正演模擬 (圖2)。試驗(yàn)工區(qū)的每條線長度均為12 000 m，且為了保證正演模型目標(biāo)區(qū)域內(nèi)均為滿疊以及邊界吸收較好，模擬中在模型的左邊延長了2 000 m，右邊延長大于3 000 m，深度范圍為2 000～6 000 m。

模擬的具體采集參數(shù)為：道間距15 m，炮間距100 m，最小偏移距50 m，最大偏移距3 630 m，接收道數(shù)120道，24次覆蓋，采樣間隔1 ms，子波主頻25 Hz。模型中最小介質(zhì)速度1 500 m/s，計(jì)算網(wǎng)格間隔為2 m×2 m。

圖2 相同洞寬不同高度情形下的縫洞模型對(duì)應(yīng)的合成地震共炮點(diǎn)記錄示意

(4)對(duì)炮集記錄進(jìn)行常規(guī)地震資料處理，獲得水平疊加時(shí)間剖面和疊加時(shí)間偏移剖面 (圖3)。

圖3 與溶洞對(duì)應(yīng)的疊加時(shí)間偏移剖面

1.2 精細(xì)地層模型建立

為了更好地表達(dá)洞穴模型的響應(yīng)特征，必須首先建立石炭系-奧陶系(地震T56-T74反射層)細(xì)化地層地質(zhì)模型。嚴(yán)格按照本區(qū)地震資料的采集、處理參數(shù)和接近實(shí)際的地層埋深、速度、密度等參數(shù)(表1)，細(xì)化目的層上下小層地質(zhì)模型。根據(jù)測井曲線特征，地震T56反射層-地震T74反射層之間可以細(xì)化3～4層速度變化層，依據(jù)測井指示速度變化層的平均厚度，細(xì)化地震T56-T74反射層附近的小層模型(圖4)。

表1 實(shí)際縫洞模型的速度和密度值

圖4 地層模型示意

1.3 溶洞充填性地質(zhì)模型建立

為使正演結(jié)果更具代表性，地質(zhì)模型的設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了洞穴大小漸變過程、淺層溶洞(距離表層<50 m)和深層溶洞(距離表層>50 m)組合出現(xiàn)時(shí)的情況。

根據(jù)溶洞距表層的距離，將溶洞分為表層洞和中深層洞。洞頂距離表層0～50 m的為表層洞，洞頂距離表層>50 m的為中深層洞。劃分理由是50 m為奧陶系表層T74對(duì)應(yīng)波峰的平均厚度，根據(jù)實(shí)鉆井正演分析，一般距離表層<50 m，對(duì)表層反射影響較大，距離表層>50m ，對(duì)表層反射影響較小或者沒有影響。

部分充填洞仍存在孔洞空間，劃歸為未充填洞進(jìn)行地震分析。本次模型僅考慮全充填和未充填，分別按照全充填和未充填設(shè)計(jì)溶洞的大小、距離表層距離和洞穴組合。

(1)溶洞大小設(shè)計(jì):本區(qū)實(shí)際鉆井揭示的溶洞單洞縱向大小一般都<25 m，30～50 m的溶洞發(fā)育較少。從分辨率角度分析，最大溶洞設(shè)計(jì)為25 m，是地震可清晰識(shí)別的。本輪設(shè)計(jì)中考慮了2 m、5 m、10 m、15 m、25 m的不同溶洞高度，溶洞橫向大小均為10 m。

(2)雙層溶洞設(shè)計(jì):本區(qū)主要發(fā)育兩層洞，即中上部溶洞和深層洞。中上部溶洞有縱向大小溶洞之分，初步正演模型試驗(yàn)分析表明，高度<5 m的溶洞對(duì)于地震響應(yīng)影響較小。而深層10 m高度的溶洞發(fā)育數(shù)量較多，且對(duì)地震響應(yīng)影響比較明顯，因此深層洞高一般設(shè)計(jì)為10 m。

雙層溶洞洞間距離設(shè)計(jì)為60 m，主要是考慮多層溶洞如果洞間距離較小，如洞間距離若小于20 m，從地震分辨的角度，認(rèn)為不能區(qū)分；而且60 m對(duì)應(yīng)地震時(shí)間約為25 ms左右，對(duì)應(yīng)半個(gè)相位的寬度(1個(gè)波峰或1個(gè)波谷寬度)，是地震相可識(shí)別的一個(gè)比較合適的視分辨率范圍，距離表層60 m的溶洞一般屬于深層洞，對(duì)奧陶系表層地震反射基本沒有影響。

雙層溶洞充填性的設(shè)計(jì)主要考慮了4類特征：雙層溶洞均為未充填溶洞，雙層溶洞均為全充填溶洞，上層溶洞為未充填、下層溶洞為全充填，上層溶洞為全充填、下層溶洞為未充填。

(3)暗河條帶特征設(shè)計(jì)：目標(biāo)區(qū)12區(qū)東發(fā)育條帶狀強(qiáng)反射，發(fā)育暗河特征的溶洞，部分條帶狀強(qiáng)反射充填特征橫向變化上具有較強(qiáng)的地質(zhì)規(guī)律：暗河近源部位為充填，遠(yuǎn)源部位為未充填。部分條帶狀強(qiáng)反射充填特征橫向變化沒有地質(zhì)規(guī)律。因此，依據(jù)溶洞大小漸變特征建立條帶狀溶洞模型(最大洞設(shè)計(jì)為50 m，最小到0 m)，并分段設(shè)計(jì)成充填溶洞和未充填溶洞(圖5)。同時(shí)，為了便于對(duì)比同等規(guī)模的充填洞與未充填洞之間的反射特征，分別建立了50 m、40 m、30 m、20 m、10 m不同規(guī)模洞高的相同的充填洞模型與未充填洞模型。

圖5 雙層未充填溶洞設(shè)計(jì)地質(zhì)模型

1.4 溶洞充填性正演模擬結(jié)果

根據(jù)溶洞地質(zhì)模型，考慮單層溶洞有表層溶洞、中深層溶洞，溶洞又分為未充填和全充填溶洞，設(shè)計(jì)了8條地質(zhì)剖面，并分別正演計(jì)算得到了相應(yīng)的8條地震剖面。

1.4.1 表層洞充填性模擬正演

第1條和第2條地震剖面是按照不同沉積背景區(qū)，在奧陶系表層設(shè)計(jì)不同大小的溶洞，分別設(shè)計(jì)了全充填溶洞和未充填溶洞，目的是為了分析研究表層溶洞形成的反射對(duì)地層界面反射產(chǎn)生的影響。正演地震剖面分析發(fā)現(xiàn)以下特征：2 m左右的溶洞，無論充填與否，現(xiàn)有地震資料的分辨率下地震難以識(shí)別；5m左右充填洞，地震顯示特征整體較弱，但未充填洞對(duì)表層界面反射影響是形成“下拉”形態(tài)；大于10 m洞，未充填溶洞一般造成表層界面地震反射明顯“上凸”，全充填溶洞對(duì)表層地震反射“上凸”特征不明顯，但造成部分表層強(qiáng)反射變?nèi)跫胺骞茸兓?。充填洞和未充填洞均能形成?nèi)幕強(qiáng)反射，且多數(shù)未充填溶洞對(duì)應(yīng)的反射能量更強(qiáng)。

1.4.2 表層與深層復(fù)合洞充填性模擬正演

第3條和第4條地震剖面是按照不同沉積背景區(qū)內(nèi)不同大小溶洞的雙層溶洞設(shè)計(jì)，一條剖面設(shè)計(jì)的雙層溶洞均為未充填溶洞，另一條剖面設(shè)計(jì)的雙層溶洞均為全充填溶洞，模擬剖面特征表現(xiàn)為：全充填深層溶洞下部形成的串珠能量很弱，未充填深層溶洞下部則形成強(qiáng)能量的串珠反射。未充填溶洞形成的串珠尾部具有散射和尾部拖長的特征，即“拖尾”現(xiàn)象(圖6)。

圖6 雙層洞正演地震剖面

第5條地震剖面設(shè)計(jì)上層溶洞為全充填溶洞，下層溶洞為未充填溶洞。正演地震剖面反映出下部未充填溶洞對(duì)形成內(nèi)幕強(qiáng)反射起關(guān)鍵作用，表層全充填溶洞小于20 m時(shí)，對(duì)表層反射影響小或造成表層反射變?nèi)酢?/p>

第6條地震剖面設(shè)計(jì)上層溶洞為未充填溶洞，下層溶洞為全充填溶洞。正演地震剖面反映出內(nèi)幕全充填溶洞形成的串珠較弱，對(duì)未充填洞形成的反射影響較小，整體反映的基本都是未充填溶洞的反射特征。

第7條正演模型剖面是根據(jù)暗河特征設(shè)計(jì)，正演地震剖面特征為：①近似規(guī)模的溶洞，未充填溶洞反射能量更強(qiáng)，并且相位變寬(變寬為低頻特征)。②全充填溶洞對(duì)應(yīng)的反射能量明顯強(qiáng)于圍巖，屬于較強(qiáng)反射，但能量較未充填溶洞對(duì)應(yīng)反射弱，相位縱向較窄(屬于高頻特征)。

第8條正演模型剖面是依據(jù)厚度漸變、考慮未充填與充填溶洞等厚而建立的條帶狀溶洞模型，單層洞地震反映特征與模型7近似，即同等規(guī)模溶洞中，未充填溶洞對(duì)應(yīng)地震反射能量強(qiáng)、頻率低。此外，還探討了雙層洞間距變化引起的影響：未充填雙層洞間距10 m，能量強(qiáng)，類似單層洞；未充填雙層洞間距20 m，反射能量略微變?nèi)?，但相位變得更?低頻特征更強(qiáng))；未充填雙層洞間距30 m(大于25 m分辨率)，振幅變?nèi)?，且變?yōu)閺?fù)波特征，縱向相位變得更寬。另外，當(dāng)全充填與未充填組合出現(xiàn)時(shí)，形成的反射與未充填溶洞地震特征近似。

2 基于正演模型的地震相識(shí)別溶洞充填特征

2.1 串珠反射特征對(duì)比分析

串珠反射雖然整體外形特征近似，但仍有一些細(xì)節(jié)的變化，通過精細(xì)對(duì)比這些細(xì)節(jié)和對(duì)區(qū)內(nèi)鉆遇串珠且具有溶洞發(fā)育的鉆井進(jìn)行充填性質(zhì)與正演模型地震相特征對(duì)比分析[8-11]，可研究溶洞的充填特征。發(fā)現(xiàn)未充填溶洞多數(shù)都具有串珠頂部上凸、下部拖尾或者串珠的下部多形成倒三角形(圖7)。

圖7 典型未充填溶洞地震剖面

全充填溶洞為正常低速層，一般不會(huì)出現(xiàn)由于速度異常引起上下圍巖反射波形的明顯“上凸、拖尾”等現(xiàn)象，全充填溶洞的串珠多為穩(wěn)定無形變(圖8)。根據(jù)這種基于速度異常造成地震相異常的結(jié)論認(rèn)識(shí)，預(yù)測洞穴充填性符合率達(dá)86%。

圖8 典型全充填溶洞地震剖面

2.2 條帶狀暗河特征對(duì)比分析

對(duì)于條帶狀暗河也可根據(jù)前述地震屬性、暗河的走向等進(jìn)行對(duì)比分析。溶洞充填與否和振幅大小、延伸平直或者彎折沒有明顯關(guān)系。研究區(qū)12區(qū)東暗河溶洞規(guī)模大，且現(xiàn)有鉆井多數(shù)揭示為全充填，少部分為未充填。通過不同方向地震剖面對(duì)比，認(rèn)為利用多方位的橫切平面，從串珠角度分析暗河洞穴充填性是可行的。暗河條帶全充填溶洞形成的串珠平滑穩(wěn)定，無頂部上拉、底部“拖尾”現(xiàn)象；未充填暗河區(qū)溶洞有頂?shù)椎姆瓷湫巫儭?2區(qū)東多井地震相標(biāo)定結(jié)果與鉆遇暗河條帶的井解釋結(jié)果全部符合，12區(qū)東全充填的溶洞較多，未充填溶洞較少(僅7口井)，且在地震剖面上具有明顯形變的特征(圖9)。

圖9 暗河條帶內(nèi)解釋未充填的井典型地震相剖面

3 結(jié)論

正演結(jié)果表明洞高、充填性和雙層洞是否發(fā)育在地震反射上具有較明顯特征差異。

(1)洞高小于10 m的溶洞，無論全充填或未充填，反射能量較弱，振幅屬性均難以識(shí)別；洞高大于10 m的溶洞，充填洞和未充填洞均能形成內(nèi)幕強(qiáng)反射，全充填溶洞形成較強(qiáng)反射，未充填溶洞形成反射振幅能量更強(qiáng)。未充填溶洞形成相位變寬的低頻地震反射，全充填溶洞形成相位較窄的相對(duì)高頻地震反射。

(2)未充填溶洞形成的串珠“上凸”特征明顯，甚至造成表層地震反射的“上凸”變化，局部可見上覆地層地震反射“下拉”現(xiàn)象。全充填溶洞對(duì)表層形成的地震反射“上凸”特征不明顯，全充填大洞(25 m)形成的串珠輕微“上凸”。

(3)未充填溶洞形成的串珠尾部多呈現(xiàn)出“▽”形態(tài)(倒三角形)，或形成尾部散射和尾部拖長等“拖尾”現(xiàn)象；全充填溶洞形成的串珠多表現(xiàn)為穩(wěn)定無形變的特征。

(4)發(fā)育的雙層溶洞一般會(huì)造成地震反射能量變?nèi)?。雙層洞未充填時(shí)，洞間距小，深層溶洞下部形成的串珠能量強(qiáng)；洞間距大，則串珠反射能量變?nèi)酰皖l特征更明顯，或變成復(fù)波特征。雙層洞全充填時(shí)，則無論洞間距是大是小，其反射振幅能量都變得更弱。雙層洞包含充填洞和未充填洞時(shí)，其串珠反射振幅、頻率特征與未充填洞的近似。

(5)根據(jù)條帶狀暗河走向，利用多方位橫切平面，從串珠角度也可分析暗河洞穴的充填性。條帶狀暗河全充填溶洞形成的串珠平滑穩(wěn)定，無頂部上拉、底部“拖尾”現(xiàn)象；未充填暗河區(qū)溶洞有頂?shù)椎姆瓷湫巫儭?/p>

(6)利用基于正演的地震相識(shí)別技術(shù)，對(duì)未充填溶洞進(jìn)行識(shí)別，符合率達(dá)到86%，為研究區(qū)尋找未充填溶洞探索出了一套有效的方法，也為尋找物性好的巖溶儲(chǔ)層奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。