断溶体是碳酸盐岩特有的一种圈闭类型^[1-2], 为受多期次构造挤压作用, 沿深断裂带发育的局部脆性灰岩破碎带, 多期岩溶水沿断裂下渗或局部热液上涌导致在破碎带内发生溶蚀而形成的缝洞系统, 在上覆泥灰岩、泥岩等盖层封堵以及侧向致密灰岩遮挡下, 形成的一种不规则断控岩溶圈闭类型, 简称断溶体圈闭。

大型溶蚀断裂带是油气疏导的有利通道, 也是油气富集成藏的有利空间。不同级次走滑断裂的变形样式和差异溶蚀, 控制了断溶体油藏的空间分布及油藏形态, 构成了一种与传统砂岩层状介质油藏完全不同的油藏类型, 其形态以条带状、夹心饼状和平板状为主^[1]。基于塔河地区断裂性质、样式及钻井特征、测井曲线、地震反射特征, 认为断控岩溶区储集体呈对称的“三分结构”发育模式, 即“基岩-过渡带-核部-过渡带-基岩”的特征, 且不同区带有不同储集体类型、测井及钻井特征。核部反射特征以杂乱弱、杂乱强及整体串珠为主, 实际钻遇储集体为溶洞型、裂缝孔洞型, 钻井过程中表现为放空漏失或钻遇放空段; 过渡带反射特征以弱、杂乱反射为主, 钻遇储集体主要为裂缝孔洞型, 钻井放空漏失率相对核部低; 而基岩带基本无异常反射, 实钻储集体不发育。

自2012年在塔河油田进行断溶体油藏开发实践以来, 该类型油藏的开发规模已经达到该油田碳酸盐岩新建产能的2/3, 断溶体的精确刻画对开发建设意义重大。目前国内针对断溶体油藏的刻画研究较少, 主要应用相干、曲率、自动断裂提取(AFE)与能量、波阻抗组合进行解析, 如徐红霞等^[3]、李鹏飞等^[4]主要利用了细相干、曲率及纹理属性刻画碳酸盐岩断溶体; 鲍典等^[5]应用分时窗蚂蚁体融合能量体描述断溶体的纵向变化及横向分隔性。本文以塔河油田实际地震资料为例, 探讨应用结构张量结合反演孔隙度、蚂蚁体进行断溶体轮廓及内部结构刻画的可行性。

1 常规碳酸盐岩断溶体刻画技术分析

前期塔河油田碳酸盐岩断溶体刻画主要利用了精细相干及蚂蚁体等技术。精细相干断裂检测技术有基于互相关的相干、相似性的倾斜叠加与基于数据协方差矩阵本征结构的不连续性检测技术。蚂蚁体追踪断裂检测技术的基础是一种随机优化算法, 该算法是一种正反馈机制, 通过不断更新信息量来达到最终收敛于最优路径的目的。精细相干与蚂蚁体检测结构具有一定的相似性, 对断溶体的刻画存在以下不足:

1) 精细相干与蚂蚁体属性异常主要体现断溶体与基岩的边界或具有较明显断距的断层, 结果以线状特征为主。但碳酸盐岩断溶体是具有一定宽度的破碎带, 依据塔河油田多口水平井实钻分析, 其发育宽度可达100~1 000 m, 因此常规属性检测结果与断溶体的“体”概念在横向尺度上不相符。

2) 精细相干与蚂蚁体受奥陶系内幕同相轴的能量差异影响严重, 同相轴能量强的层段属性异常比弱能量区域更为突出, 不符合奥陶系断裂内部纵向上较为一致的发育规律, 在空间上不能体现断溶体连续分布的特征。

3) 因属性检测形态与实际地质体差异较大, 属性值不具有可标定性。

2 基于振幅梯度结构张量的断溶体刻画

结构张量在图像分析领域应用较为广泛, 20世纪初, RANDEN等^[6]和BAKKER^[7]将该分析法引入地震解释领域, 国内主要应用于预测河道砂体^[8]及识别煤矿坑道, 有少量应用于改进相干属性^[9-11]或应用混沌属性等检测断裂^[12]。本文以塔河油田碳酸盐岩断溶体为目标, 系统分析应用不同结构张量特征值及组合特征值刻画断溶体轮廓的效果, 并融合反演阻抗及蚂蚁体等属性, 精细刻画断溶体的内部结构。

2.1 振幅梯度结构张量特征值计算

结构张量特征值及特征向量的计算前人研究及应用较多^[8-11], 主要包含以下几个步骤。

1) 计算三维地震数据体每一点的振幅梯度矢量:

$ \mathit{\boldsymbol{g}} = \nabla u\left( \mathit{\boldsymbol{w}} \right) = \left[\begin{array}{l} \frac{{\partial u\left( \mathit{\boldsymbol{w}} \right)}}{{\partial x}}\\ \frac{{\partial u\left( \mathit{\boldsymbol{w}} \right)}}{{\partial y}}\\ \frac{{\partial u\left( \mathit{\boldsymbol{w}} \right)}}{{\partial z}} \end{array} \right] = \left[\begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{g}}_1}\\ {\mathit{\boldsymbol{g}}_2}\\ {\mathit{\boldsymbol{g}}_3} \end{array} \right] $

(1)

式中:x, y, z分别为三维地震数据体的线、道位置及双程旅行时间方向; g₁, g₂, g₃分别为振幅沿x, y, z方向的方向导数。

2) 为保证信噪比, 利用高斯窗对梯度进行卷积处理:

$ {\mathit{\boldsymbol{g}}_i} = u\left( \mathit{\boldsymbol{w}} \right)*\frac{\partial }{{\partial {\mathit{\boldsymbol{w}}_i}}}G(\mathit{\boldsymbol{w}}, {\sigma _g})\\ i \in \left\{ {1,2,3} \right\} $

(2)

其中, σ_g为尺度参数; G(w, σ_g)为高斯核函数:

$ G(\mathit{\boldsymbol{w}}, {\sigma _g}) = \frac{1}{{{\sigma _{{g_1}}}{\sigma _{{g_2}}}{\sigma _{{g_3}}}{{(2\sqrt \pi )}^3}}}{{\rm{e}}^{\frac{1}{2}{{(\frac{x}{{{\sigma _{{g_1}}}}} \cdot \frac{y}{{{\sigma _{{g_2}}}}} \cdot \frac{z}{{{\sigma _{{g_3}}}}})}^2}}} $

(3)

3) 应用平滑后的梯度矢量构建梯度结构张量:

$ \mathit{\boldsymbol{T}} = \mathit{\boldsymbol{g}}\cdot{\mathit{\boldsymbol{g}}^{\rm{T}}} = \left[{\begin{array}{*{20}{c}} {\mathit{\boldsymbol{g}}_1^2}&{{\mathit{\boldsymbol{g}}_1}{\mathit{\boldsymbol{g}}_2}}&{{\mathit{\boldsymbol{g}}_1}{\mathit{\boldsymbol{g}}_3}}\\ {{\mathit{\boldsymbol{g}}_2}{\mathit{\boldsymbol{g}}_1}}&{\mathit{\boldsymbol{g}}_2^2}&{{\mathit{\boldsymbol{g}}_2}{\mathit{\boldsymbol{g}}_3}}\\ {{\mathit{\boldsymbol{g}}_3}{\mathit{\boldsymbol{g}}_1}}&{{\mathit{\boldsymbol{g}}_3}{\mathit{\boldsymbol{g}}_2}}&{\mathit{\boldsymbol{g}}_3^2} \end{array}} \right] $

(4)

4) 计算特征值及特征向量:

$ \left| {\mathit{\boldsymbol{Tv}}{\rm{-}}\lambda \mathit{\boldsymbol{v}}} \right| = 0 $

(5)

式中:λ和ν分别是特征值和特征向量, 求取的特征值、特征向量分别为(λ₁, λ₂, λ₃)与(v₁, v₂, v₃)。矩阵T为实对称矩阵, 所以λ₁≥λ₂≥λ₃＞0, 3个特征向量v₁, v₂, v₃两两正交。

2.2 特征值应用分析

特征值的应用有多种方法(图 1), 以往以组合应用为主, 如RANDEN构建了混沌(chaos)属性用于检测断裂, 其度量公式为:

$ {C_{{\rm{chaos}}}} = \frac{{2{\lambda _2}}}{{{\lambda _1} + {\lambda _2}}}-1 $

(6)

该属性异常(图 1b)与断溶体原始剖面(图 1a)上的断溶体直立、窄线状特征差异较大, 刻画效果不理想。图 1c到图 1e分别给出了对单个特征值进行分析得到的剖面。图 1c为第一特征值剖面, 图中高值异常主要反映水平同相轴或“串珠”异常的边界, 受同相轴影响大; 第二特征值(图 1d)主要体现分析窗口内次一级的变化特征, 如“串珠”、杂乱反射等, 与断溶体的剖面异常特征较为吻合; 第三特征值(图 1e)信噪比较低, 与背景差异较小。因此确定利用振幅梯度结构张量的第二特征值(简称张量)作为断溶体轮廓检测的基础。

2.3 属性值标定及轮廓刻画

应用实钻井资料来标定属性值。以奥陶系缝洞储集体为目标的钻井, 钻遇缝洞体时会发生放空漏失, 无法取得测井曲线, 但可利用水平井的钻时曲线标定张量属性的门槛值。为实现实钻储层与属性间的相互对应, 按0.125 m采样率沿井轨迹提取张量属性曲线。在张量属性曲线与钻时曲线交会分析图中(图 2a), 当实钻轨迹进入断溶体后, 钻时小于1 200 s/m, 相对基岩明显下降, 选取对应的张量属性值9作为该区域断溶体轮廓刻画的门槛值。在标定的基础上, 提取目的层以下一定时窗的张量属性, 可便捷地刻画出断溶体的平面轮廓(图 2b)。

2.4 断溶体内部结构刻画

断溶体内部的差异性主要体现在破碎程度上, 以张量属性确定的“断溶体”边界作为弱溶蚀储层与致密灰岩的界限, 在“断溶体”内部融合反演孔隙度体及蚂蚁体进行内部结构表征。反演孔隙度分3步完成:首先进行叠后反演; 其次将反演得到的纵波阻抗体转换为孔隙度体^[13], 并划定其储层下限门槛值; 最后将孔隙度体、蚂蚁体及结构张量属性进行融合, 展示断溶体内部结构。

3 应用效果分析

在塔河油田托甫台工区, 将结构张量的断溶体检测结果与精细相干剖面及蚂蚁体剖面对比(图 3), 其特点体现在两个方面:一是检测结果为实心体(图 3d), 与断溶体地质形态特征更为相符, 且属性值可标定, 可信度高; 二是不同于相干与蚂蚁体属性(图 3b, 图 3c), 其纵向上受同相轴影响小, 连续性强, 横向上检测到的“断溶体”与基岩区分明显。

以此为基础进行断溶体轮廓立体刻画。图 4a为该区一条典型断溶体的张量属性立体雕刻图; 图 4b为对应的叠前深度偏移叠加剖面。该断溶体发育规模在平面上延伸超过20 km, 利用基于张量的轮廓立体雕刻图可直观地将该断溶体分为5段。从南至北其溶蚀规模逐步增大, 且北部断裂溶蚀至寒武系地层(T₈⁰)的面积明显大于南部。

将张量属性应用于塔河油田3种典型类型断溶体的轮廓检测(表 1)。条带状断溶体的张量属性平面宽度较大, 剖面异常为上宽下窄, 纵向上发育深度大, 受控于花状断裂特征明显; 平板状断溶体的平面属性宽度相对较窄, 剖面呈条带状分布, 符合该类断裂活动强度、岩溶改造作用弱于主干断裂的地质特征; 夹心饼状断溶体平面发育密度大, 单个断溶体宽度窄, 纵向上切割深度小, 为次级断裂特征。因此张量属性适用于碳酸盐岩3种典型断溶体的轮廓刻画。

图 5a为一个典型的垂直于断溶体走向方向的横切剖面, 反射异常以“串珠”及杂乱反射为主; 图 5b为精细相干剖面, 可较好检测出该部位发育的断裂, 但无法表征断溶体的展布范围; 图 5c为张量属性剖面, 可有效表征断溶体的轮廓; 图 5d为张量属性融合反演孔隙度体及蚂蚁体剖面, 其中, 红黄色部位其孔隙度大于5%, 为溶洞型储集体, 黑色部位为蚂蚁体属性, 代表断溶体内部的裂缝, 绿色和淡蓝色部位为结构张量属性, 代表孔洞型储集体。与原始剖面及精细相干剖面相比, 本文提出的张量融合反演孔隙度体、蚂蚁体的方法显著提高了对断溶体的刻画能力。

4 结论

不同的结构张量特征值及组合对于断溶体刻画效果不同, 应用标定后的第二特征值能较好刻画断溶体的空间轮廓特征;

结构张量融合反演孔隙度体及蚂蚁体等属性, 可以较好地刻画断溶体内部结构, 突出主要溶蚀部位及主干破碎面, 为精细描述断溶体油藏提供手段;

基于结构张量的断溶体刻画技术比常规断裂检测属性刻画断溶体能力更强。