与岩溶作用相关的古洞穴碳酸盐岩缝洞系统是一种重要的油气储集体^[1], 塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏是一种与风化壳古岩溶相关的缝洞型油气藏^[2], 溶洞储集体是该油藏的主要储集体, 具有储集空间大, 钻遇概率高的特点。塔河油田已进入全面开发阶段, 如何提高溶洞储集体地震预测与油藏描述精度是这一阶段亟待解决的问题。碳酸盐岩溶洞储集体的外部形状不规则, 内部结构及缝洞连通性复杂, 溶洞的发育规模不等以及溶洞内填充物类型多样等导致了溶洞储集体地震反射特征复杂, 根据地震振幅属性对溶洞发育规模及内部结构的解释具有多解性。因此, 针对溶洞储集体的地震预测技术必须建立在正确认识溶洞储集体地震反射特征的基础上, 利用地震属性与溶洞储集体储层参数之间的关系, 实现对溶洞储集体结构特征的精细描述。

正演模拟是研究溶洞储集体地震响应特征的重要手段。董良国等^[3]认为, 随着溶洞直径的增大, 溶洞反射波振幅呈现先增强后减弱再增强最后趋于稳定的变化规律。姚姚^[4]基于随机介质模型及非均质弹性波波动方程, 研究了不同宽度和高度溶洞储集体的地震反射波振幅特征。曲寿利等^[5]基于正演模拟定量分析了不同尺度溶洞储集体的地震反射特征。学者们还采用振幅聚类、不连续性、频率及叠后波阻抗等地震属性刻画了溶洞的发育情况^[6-9]。王立华等^[10]设计了溶洞物理模型, 进行了正演模拟, 分析了不同大小溶洞模型的地震响应特征, 并在属性分析时指出利用振幅极值及频率属性可较好地识别溶洞尺度, 但对于溶洞的形态及充填物等因素未做进一步研究。胡向阳等^[11]综合利用塔河油田钻井和测井等资料, 揭示了溶洞充填物的主要类型及充填模式, 并提出了不同充填物的识别方法。

频率属性是广泛应用于溶洞规模判断及充填物识别的属性, 如何利用频率属性判断溶洞规模以及识别充填物一直是我们目前研究的重点与难点。地震剖面的振幅异常综合反映了地下溶洞储集体的规模及充填特征, 因频率异常易受振幅异常的影响, 基于频率属性的溶洞储集体识别存在多解性或误区。为了更好地利用频率属性判识溶洞储集体规模及充填情况, 有必要基于正演模拟开展不同规模和充填特征的溶洞储集体振幅及频率响应特征分析。

我们依据钻井的放空、漏失情况, 岩心分析、成像测井分析, 密度、声波、中子、伽马等电测曲线异常特征判断溶洞是否充填并识别填充物。溶洞测井响应特征通常表现为低密度、低速度、高中子异常, 机械沉积充填(砂泥岩)为高伽马异常。由以上溶洞发育判别标识, 分析塔河油田主体工区钻遇溶洞井溶洞规模及充填特征。图 1显示了塔河油田主体工区钻遇溶洞井溶洞厚度统计结果, 可以看出超过半数的溶洞厚度小于20 m, 图 2显示了塔河油田主体工区钻遇溶洞井溶洞充填情况统计结果, 可以看出溶洞以未充填和半充填为主。本文正演模拟时主要考虑溶洞的充填物类型、充填程度及发育规模3个因素。

图 1(Fig. 1)

图 1 塔河油田主体工区钻遇溶洞井溶洞厚度统计结果

图 2(Fig. 2)

图 2 塔河油田主体工区钻遇溶洞井溶洞充填情况统计结果

岩石物理参数是溶洞模型的数据基础, 明确不同充填特征的溶洞模型岩石物理参数是准确建立不同充填特征溶洞模型的前提。图 3及表 1均为塔河油田主体工区不同充填特征的溶洞模型纵波速度, 溶洞未充填时速度较低, 砂泥质充填溶洞时根据充填物类型及充填程度不同, 纵波速度变化较大, 为2 700~4 100 m/s。总体而言, 泥质充填溶洞时的纵波速度小于砂质充填溶洞时的纵波速度, 即随着泥质含量的增加, 纵波速度逐渐降低。

图 3(Fig. 3)

图 3 塔河油田主体工区不同充填特征的溶洞模型纵波速度直方显示

表 1(Tab. 1)

表 1 塔河油田主体工区不同充填特征的溶洞模型纵波速度 溶洞(未填充) 泥质充填 砂质充填 背景围岩 最小速度/(m·s-1) 1660 2612 2828 6009 最大速度/(m·s-1) 2282 4870 4980 6324 平均速度/(m·s-1) 1988 3509 3910 6178 优势速度/(m·s-1) — 3382 4044 6178

表 1 塔河油田主体工区不同充填特征的溶洞模型纵波速度

常规溶洞储集体地震波场正演模拟是基于等效介质建立的地质模型, 等效介质是对地下介质的一种粗略近似, 通常给定溶洞储集体储层的平均等效速度, 该方法在描述沉积相对稳定的大套地层时有一定的适用性, 但对于非均质性较强的碳酸盐岩储层, 利用该方法建立的等效溶洞介质模型与实际情况存在较大差异, 不能真实反映地下介质的非均匀性。本文采用测井约束下的非均质建模方法^[12], 在测井数据的约束下, 基于地质认识和测井解释成果, 将溶洞储集体的速度分为两部分, 即背景速度和空间随机扰动, 将二者相加, 可构建出纵、横向具有一定非均质特性的溶洞储集体模型。采用空间网格与时间步长均可任意变化的高阶有限差分声波正演模拟方法, 进行不同规模和不同充填特征的溶洞储集体地震波场特征研究。

模型组1如图 4所示, 该组模型中6个溶洞的横向宽度均为200 m, 纵向厚度均为10 m, 6个溶洞内部充填物岩石物理参数如表 2所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 模型组1(规模相同, 充填特征不同的6个溶洞模型)示意

表 2(Tab. 2)

表 2 模型组1中6个溶洞模型内部充填物的岩石物理参数 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 纵波速度/(m·s-1) 3201~3399 3783~4017 4171~4429 4392~4608 4601~4798 4797~5003 横波速度/(m·s-1) 1261~1339 2328~2472 2716~2884 2522~2678 2619~2781 2716~2884 密度/(g·cm-3) 1.79~1.91 2.04~2.16 2.28~2.42 2.38~2.47 2.38~2.52 2.42~2.58

表 2 模型组1中6个溶洞模型内部充填物的岩石物理参数

图 5a为信噪比为5时, 对模型组1中6个溶洞模型正演模拟得到的Kirchhoff叠前深度偏移剖面, 图 5b为根据6个溶洞模型正演模拟的结果拾取的均方根振幅曲线。在溶洞规模相同的情况下, 溶洞储集体内部充填速度越低, 其对应“串珠”能量越强。

图 5(Fig. 5)

图 5 模型组1的正演模拟结果 a模型组1中6个溶洞模型正演模拟得到的偏移剖面(RSN=5); b模型组1中6个溶洞模型正演模拟拾取的均方根振幅曲线

如图 6所示, 采用短时傅里叶变换分别获取6个溶洞模型的单频能量, 可以看出单频能量的异常与“串珠”能量正相关, 即“串珠”能量强, 单频异常能量就强。将频率为50 Hz时的6个溶洞模型横向比较可知, 溶洞①的高频能量要强于溶洞⑥的高频能量。所以仅根据高频能量强度来确定溶洞规模易造成错误的地质解释成果, 这种假象是由“串珠”能量差异引起的。

图 6(Fig. 6)

图 6 模型组1的频率响应特征

从模型组1可以看出, 溶洞充填物纵波速度越低, 地震反射越强。溶洞规模越小, 地震反射振幅越弱, 故同时调整模型组2中6个溶洞模型的规模和充填物纵波速度使它们振幅一致, 并分析其频率响应特征。模型组2如图 7所示, 该组模型为6个宽度为200 m, 厚度分别为5, 10, 15, 20, 25, 40 m的溶洞, 充填速度如表 2所示。

图 7(Fig. 7)

图 7 模型组2(规模不同、充填特征不同的6个溶洞模型)示意

图 8a为信噪比为5时, 对模型组2中6个溶洞模型正演模拟得到的偏移剖面, 图 8b为根据模型组2中6个溶洞模型正演模拟的结果拾取的均方根振幅曲线。随着溶洞规模的增大, 地震反射振幅增大, 同时充填物纵波速度的增加又会导致振幅的减弱。在该组模型中, 随着溶洞规模的增大, 充填物纵波速度也在增加, 这使得6个溶洞所产生的“串珠”能量几乎相等, 溶洞规模和充填物纵波速度这两个因素对振幅的影响相互抵消, 排除了由振幅不同引起频率响应特征差异的可能。

图 8(Fig. 8)

图 8 模型组2的正演模拟结果 a模型组2中6个溶洞模型正演模拟得到的偏移剖面(RSN=5); b模型组2中6个溶洞模型正演模拟拾取的均方根振幅曲线

图 9为模型组2中6个振幅相当的溶洞模型的频率响应特征, 可以看出, 发育规模不同时, 高频异常对薄溶洞响应特征更为明显, 尤其当频率大于50 Hz时, 相较于厚溶洞, 薄溶洞频率异常更明显; 厚溶洞频率响应特征通常表现为低频异常, 高频异常不明显。由此可见, 对于“串珠”能量相当的溶洞, 可将频率异常作为溶洞规模判识的依据之一。

图 9(Fig. 9)

图 9 模型组2的频率响应特征

为了进一步分析频率属性与溶洞规模的关系, 设计一组溶洞模型(模型组3), 使其充填物速度相同, 模型横向宽度不变, 纵向厚度逐渐增加, 如图 10所示。该模型组包括6个宽度为200 m, 纵向厚度分别为5, 10, 15, 20, 25, 40 m的溶洞。溶洞充填物纵波速度范围为3 201~3 399 m/s, 横波速度范围1 261~1 339 m/s, 密度为1.759~1.906 g/cm³。

图 10(Fig. 10)

图 10 模型组3(规模不同、充填特征相同的6个溶洞模型)示意

图 11a为信噪比为5时, 对模型组3中6个溶洞模型正演模拟得到的偏移剖面, 图 11b为根据模型组3中6个溶洞模型正演模拟的结果拾取的均方根振幅曲线。随着溶洞规模的增大, 其振幅也相应地增大, 在调谐厚度内, 地震反射振幅随厚度的增加而增加。图 12为模型组3中6个溶洞模型的频率响应特征, 较厚的溶洞主要为低频异常, 较薄的溶洞无高频异常, 这是由能量差异引起的频率异常的不确定性。

图 11(Fig. 11)

图 11 模型组3的正演模拟结果 a模型组3中6个溶洞模型正演模拟得到的偏移剖面(RSN=5); b模型组3中6个溶洞模型正演模拟拾取的均方根振幅曲线

图 12(Fig. 12)

图 12 模型组3的频率响应特征

对地震道进行谱分析^[13-14], 获得各单频能量; 采用最小二乘方法, 对各单频能量{y_f1, y_f2, …, y_fn}随频率{f₁, f₂, …, f_n}的变化规律进行线性拟合或对数拟合。单频能量y随频率f的变化规律满足线性拟合公式y=a×f+b, 其中, 系数a为单频能量随频率变化的梯度属性, 系数b为拟合关系的截距。

分析模型组3中不同规模溶洞的频率响应特征, 可以看出不同规模的溶洞, 其频率变化的梯度特征不同。规模相对较小的溶洞, 其高频衰减梯度绝对值小, 而随着溶洞规模的增加其高频衰减梯度绝对值越大。模型组1和模型组2的频率响应特征也遵循该规律。图 13为基于模型组2和模型组3计算得到的高频衰减梯度随溶洞厚度变化的情况, 可以看出, 高频衰减梯度不受溶洞充填物的影响, 而与溶洞规模直接相关。

图 13(Fig. 13)

图 13 高频衰减梯度随溶洞厚度变化的情况

研究区岩溶古河道为发育在地层T₇⁴顶面以下(一间房组或鹰山组)的岩溶水道, 岩溶古河道是塔河油田溶洞储集体的重要组成部分。优选地震属性, 结合岩溶古河道地震反射特征, 可精细刻画岩溶古河道平面分布特征, 利用高频衰减梯度属性可进一步确定岩溶古河道的发育规模。如图 14所示, 高频衰减梯度高绝对值处(粉色)对应河道发育规模较大, 高频衰减梯度低绝对值处(蓝色)对应河道发育规模较小, 图 14a中箭头处TH12138井钻遇的溶洞较厚, 测井解释厚度达到50 m, 其高频衰减梯度绝对值高, 而图 14b中箭头处TH10112井钻遇的溶洞较薄, 测井解释厚度为14 m, 其高频衰减梯度绝对值低。

图 14(Fig. 14)

图 14 基于高频衰减梯度属性的岩溶古河道规模识别 a TH12138井; b TH10112井

将工区21口钻遇岩溶古河道井的高频衰减梯度与测井解释得到的溶洞厚度进行交会分析, 发现高频衰减梯度绝对值与河道厚度呈正相关, 其中TH12164和TH12112井离拟合曲线较远(图 15)。原因可能是这两口井处于岩溶斜坡高陡部位, 水力梯度较大, 下切深度明显; 河道的纵向厚度大, 横向宽度小, 综合尺度小, 从而造成高频衰减梯度绝对值大。

图 15(Fig. 15)

图 15 高频衰减梯度与岩溶古河道厚度交会分析

图 16叠合显示了预测得到的岩溶古河道发育情况与断裂体系, 工区主要发育近东西向及北北东向展布的两个断裂, 与岩溶古河道的展布特征匹配关系较好, 说明岩溶古河道发育与断裂密不可分, 分支河规模较小, 河流曲折处、分支河与主体河道交汇处断裂发育规模较大, 并沿河流方向规模逐渐增大。

图 16(Fig. 16)

图 16 岩溶古河道与断裂体系

本文针对碳酸盐岩储层非均质性强的特点, 摒弃基于层状介质或等效介质建立地震地质模型的传统方法, 利用测井约束下的高精度非均质建模技术, 构建了不同尺度和不同充填特征的碳酸盐岩溶洞储集体模型, 利用波动方程正演模拟技术, 研究了不同规模和不同充填物的溶洞储集体地震反射振幅和频率属性, 提出了基于高频衰减梯度的碳酸盐岩溶洞储集体规模识别方法。正演模拟结果表明, 高频衰减梯度不受溶洞充填物影响, 直观反映了溶洞规模。基于高频衰减梯度属性的塔河油田岩溶古河道溶洞储集体规模识别表明, 随着溶洞规模的增加, 高频衰减梯度绝对值随之增大, 溶洞储集体规模识别结果与已钻井结果高度吻合。