顺北油田获油气发现后, 认识到走滑断裂带既是油气疏导通道, 又是成藏有利空间^[1-2], 根据顺北油气藏普遍埋深超过7000m的特点, 提出超深断溶体油藏概念。断溶体油藏由走滑断裂带经历多期构造活动与流体溶蚀改造作用在中—下奥陶统碳酸盐岩层系形成良好的洞穴、裂缝及沿缝溶蚀孔洞型储集体, 断裂带外围致密碳酸盐岩作为侧向封挡, 上覆巨厚却尔却克组泥岩作为区域封盖层, 源自下寒武统的油气沿走滑断裂垂向运移聚集形成油气藏, 断裂既是油气运移通道又是油气富集场所^[3-4]。

前期三维地震勘探取得较好勘探开发效果, 顺北地区主干及次级断裂钻井均获较好油气资源, 形成了一系列碳酸盐岩储层预测技术^[5-6]。但对于断溶体这种特殊复杂的勘探对象来讲, 受沙漠地表、埋深条件以及断裂带信息采集处理难度大等限制, 断溶体内部非均质性强, 横向和纵向分段, 储层空间展布十分复杂, 因而储层预测描述难以满足进一步精细勘探的需求。

为此, 本文根据顺北地区勘探目标的地质特点和地表、地下地质条件的特殊性, 总结前期勘探技术的经验和不足, 通过采集、处理、解释一体化攻关研究, 逐步形成了针对顺北超深断溶体油气藏的三维地震勘探技术, 为超深断溶体的勘探开发提供了技术支撑。

顺北地区由于地表沙漠覆盖且沙丘起伏大、中—下奥陶统目的层埋藏深, 因而深层地震资料存在信噪比低、主频低、有效频带窄、干扰波发育且能量强等特点。同时, 断溶体储集体规模主要受断裂带发育情况、碳酸盐岩溶蚀程度控制, 如何提高地震资料的信噪比、获取较全面的断裂信息及缝洞体产生的绕射信息是该区地震采集的重点和难点。因此, 地震采集技术主要通过优化采用中小面元、长排列、宽方位、高覆盖的观测系统, 最终达到保护断裂绕射、缝洞体低频信息的目的, 为成像处理提供高质量基础数据。

面元大小的确定主要考虑目标地质体的尺度、满足最高无混叠频率和横向分辨率的要求, 同时要考虑满足断点绕射收敛及偏移归位需求。采集面元大小直接决定了最终资料的成像精度。小面元不仅提高缝洞及深部小断裂成像精度, 而且还能对地震干扰波进行空间无假频采样, 更好地压制干扰, 提高地震资料的信噪比。

当目的层最高频率小于空间假频f_max, 也即炮集记录道间距dx < v_rms/(2f_maxsinθ), 叠后地震资料处理时的道间距(即面元)dx < v_rms/(4f_maxsinθ)时, 就可以避免空间假频对目的层主频范围产生干扰。其中θ为目的层最大倾角, v_rms为目的层上方的均方根速度。

顺北地区目的层主频范围一般为18~22Hz, 根据周边已实施三维地震及已钻井地层模型参数和小道距二维地震试验资料的分析结果, 当道距为25m时, 地震记录上的空间假频干扰频率在35Hz以上, 这样不会对该区目的层的主频范围产生干扰。因此, 从经济、高效角度考虑, 顺北地区地震采集主要采用25m×25m面元。

由于顺北地区断裂、缝洞体绕射波发育, 方位角的宽窄直接影响到绕射波横向信息的接收, 窄方位观测接收的横向信息少, 横向覆盖次数低, 不利于绕射波的归位成像, 所以宽方位观测是该区的必然选择。

对全方位观测系统采集的三维资料进行不同方位角退化处理后发现, 方位角宽窄对层间小断裂成像精度存在一定差异(图 1), 从图 1可看到, 横纵比在0.75以下时层间断裂较模糊, 横纵比达到0.75时层间断裂成像清晰, 有利于断裂的识别解释。宽方位对断裂成像精度有较明显优势, 方位角越宽(横纵比越大), 断裂成像清晰度越高。顺北属于断裂岩溶发育区, 采用宽方位高精度采集有利于断裂带和缝洞清晰成像。与此同时, 方位角较宽时, 炮检距分布均匀, 也有利于速度分析, 从而进一步提高目的层成像精度。

图 1(Fig. 1)

图 1 全方位三维地震资料退化处理后不同横纵比成像的效果

覆盖次数是否最优应满足以下两个要求。

1) 能充分压制干扰、有助于提高资料的整体信噪比, 保证目的层有足够的有效覆盖次数。

由于区内面波、浅层折射、次生干扰等干扰波较为发育, 且深层反射能量弱、信噪比较低, 因此覆盖次数的选择首先要保证能充分压制干扰、增加深层反射能量, 从而提高资料的信噪比, 确保后期资料处理的成像效果。同时, 还应考虑前期三维地震采集不同覆盖次数的叠加效果及目的层不同埋深段的有效覆盖次数, 确保浅、中、深层有一定的信噪比。

2) 能满足Inline方向速度分析精度和Crossline方向静校正耦合精度要求。

对比顺北地区前期三维地震不同覆盖次数的叠加剖面(图 2)可以看出, 高覆盖次数对深层成像效果更好, 随着覆盖次数的增加, 信噪比明显增大, 当覆盖次数大于252次时, 信噪比提升不明显, 剖面整体信噪比较高, 层间信息丰富, 252~294次覆盖次数是顺北地区最优且经济高效的覆盖次数。

图 2(Fig. 2)

图 2 顺北地区某三维地震不同覆盖次数的叠加剖面

在地震资料处理中, 如何获取准确合理的速度模型是处理成像的核心问题。因此, 在顺北地区地震资料处理中, 以断裂控藏的地质认识为指导, 以地质目标为问题导向, 提出了“三层一带”针对性速度建模理念和技术, 即二叠系火成岩地层、奥陶系碳酸盐岩地层、寒武系深部地层和深大断裂带特殊目标的针对性速度建模方法。

为消除火成岩对下伏地层成像的影响, 在地震资料处理中, 建立了顺北地区火成岩纵横向展布及速度变化模型, 并作为约束条件进行速度建模, 采用模型层析反演刻画火成岩背景速度, 结合网格层析反演在数据驱动条件下对背景速度模型进行细节雕刻, 经过多轮次小网格层析迭代获得高精度火成岩速度模型。

首先, 采用高分辨率层析反演迭代技术加密成像点, 使剩余曲率拾取更密, 增加反演精度, 确保拾取到高速层速度信息; 其次, 通过迭代由大尺度向小尺度转变控制迭代精度, 提高分辨率后, 更加精细地刻画火成岩速度的横向变化(图 3), 采用该速度进行偏移成像, 有效消除了火成岩对下伏地层成像造成的假象(图 4)。

图 3(Fig. 3)

图 3 高分辨率层析反演前(a)、后(b)速度剖面

图 4(Fig. 4)

图 4 二叠系火成岩速度建模前(a)、后(b)的成像效果

奥陶系碳酸盐岩地层是主要目的层段, 奥陶系内幕地质目标的准确成像对预测储层和描述圈闭至关重要。受沙漠表层吸收衰减和奥陶系顶界面强反射的影响, 奥陶系内幕普遍能量弱、信噪比低, 速度趋势难以把握, 给速度建模的准确性和可靠性带来了很大困难。

在速度分析中, 以提高奥陶系内幕信噪比为目标, 利用CRP道集高信噪比的特点, 在随机噪声衰减、多次波压制等道集净化处理基础上, 进行反动校速度拾取或剩余速度分析, 提高纵向速度分析的精度和可靠性。此外, 针对奥陶系内幕地层非均质性强, 地层速度横向变化快的特点, 采用密点速度分析方法, 提高横向速度分析的分辨能力, 有效提高了断裂、小缝洞体的成像精度。

由于与下伏地层波阻抗差较大, 寒武系地层主要表现为低频强振幅的地震响应特征。在常规地震处理中, 一般深层的速度谱选择以趋势控制为主, 但这种方式往往受人为因素的影响大, 速度选择不尽合理。为了提高寒武系深层速度分析的合理性, 实际处理时, 需借助邻区实钻井上寒武系不同岩性速度分析统计规律, 总结寒武系深层速度的分布规律, 整体把握深层速度趋势, 从而提高寒武系深层的成像质量。

针对断裂带速度建模, 在常规速度分析基础上, 注重剖面和平面对比分析, 利用断裂体系在地震属性上的空间分布特征, 在断裂带位置进行重点关注和加密速度分析点。

断溶体受走滑断裂带控制, 走滑断裂带在空间上表现为平移、挤压和拉张3种不同构造样式, 不同构造样式下的断溶体发育模式、储层类型、空间规模及地震响应特征差异较大。依据顺北地区钻井资料、地震资料及地质成果资料, 建立不同构造样式下断溶体地质模型, 对比分析断溶体响应特征, 总结规律认识, 建立断溶体地震识别模式。

模型正演结果表明, 在走滑断裂带平移、拉张及挤压段等不同构造样式下, 断溶体储层在地震剖面上呈现的识别模式有所不同, 例如:平移段(图 5a)主要呈现为线性弱反射+“串珠”特征, 拉张段(图 5b)主要呈现为“串珠”+杂乱反射特征, 挤压段(图 5c)主要呈现为“串珠”状反射, 断溶体的几种地震反射特征有时会叠合出现, 围岩背景表现为连续或较连续平行反射。断溶体内幕“串珠”状反射主要是断裂带内发育的缝洞体产生, 其能量的强弱受缝洞体发育规模及充填物影响, 杂乱弱反射特征主要为小尺度破碎带的地震响应, 线性弱反射主要为裂缝带的地震响应。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同类型断溶体模型地震响应特征 a平移; b拉张; c挤压

依据顺北地区断溶体储层地震识别模式, 结合断溶体储层特点, 分断裂带、内幕不同类型储层开展了地震预测敏感属性分析研究, 建立了断裂带、不同类型储层预测技术组合^[7-9]。

顺北地区断溶体勘探实践表明, 虽然组成断溶体的多类型、多层段碳酸盐岩缝洞型储层受多种因素控制, 但断裂带是控制储层发育的关键因素。因此, 对于断溶体储集体目标勘探来说, 断裂带的精细解释与描述至关重要, 经过不断的研究总结, 形成了走滑断裂带精细解释描述“六定法”技术, 具体包括6步。

1) 定地质模式:解决断裂样式及成因。从走滑断裂带形成机制出发, 结合野外剖面研究, 明确研究区走滑断裂带平面上、剖面上可能存在的样式, 同时解析塔里木盆地区域应力演化背景, 明确不同区域应力差异和断裂带的应力场特征, 针对不同的区域建立符合该区应力背景的地质解释模式。

2) 定地震响应:明确目标及物性。通过建立不同情况下的断裂带模型, 开展物理和数值模拟分析研究, 明确不同构造样式断裂带的地震平面、剖面响应特征, 建立研究区断裂带识别模式, 开展断裂检测、解释方法研究。

3) 定活动期次:在解释的同时, 通过断裂带断穿的层位、深浅层地震同相轴变形差异(断距、褶曲幅度等)、沉积响应特征(不整合面、火成岩、膏盐岩等变形), 结合不同时期应力特征及断裂叠加、切割关系, 明确断裂带活动期次。

4) 定强度级别:在分期基础上, 从断裂带规模、是否断穿基底、断距及延伸等方面考虑将断裂带划分为主、次级别。其中主断裂带主要表现为断穿基底、延伸长度大、变形幅度大、多期活动等特征; 次级断裂带主要表现为不断穿基底(或断穿基底特征不明显)、延伸长度较大、宽度小、活动强度较弱、样式单一、单期或多期活动等特征。主次关系可通过平面属性分析并结合剖面特征研究进一步明确。

5) 定组合类型:在断裂带解释组合基础上, 描述出断裂带细节特征以及不同部位断裂带类型差异, 主要利用趋势面、曲率等反映断裂带变形幅度、宽度、性质、分段性等细节, 利用断裂带样式结合缝洞发育特征明确不同断裂类型差异。

6) 定储集体规模。断裂带规模包含边界刻画、内幕结构刻画以及断裂与储层关系研究等方面。定规模是指如何去描述这些内容。

顺北地区断溶体储集体主要分布在奥陶系一间房组—鹰山组, 受断裂带控制, 储集性能良好, 上覆奥陶系上统致密灰岩、灰质泥岩、泥岩等, 它们是良好的盖层。根据钻井揭示情况, 依据储集空间不同, 断溶体内幕储层具体可分为洞穴、断裂和裂缝3种类型。因此断溶体储层预测主要考虑对储集体边界(断裂带包络面)及内部结构两方面进行刻画。

常规的属性很难有效刻画走滑断裂的外部轮廓, 通过大量的属性对比与分析, 基于梯度结构张量分析^[10-18]的地震属性能够有效识别走滑断裂带边界特征(图 6)。从图 6b可以看出, 梯度结构张量属性刻画的断控缝洞储集体边界更符合走滑断裂带发育地质模式。

图 6(Fig. 6)

图 6 地震剖面(a)与梯度结构张量属性剖面(b)

断溶体内部储层类型包括溶洞、断裂-裂缝、孔洞3种。实钻井和正演模型的结果显示, 断溶体内幕的大型洞穴或孔洞在地震剖面上表现为“串珠”状强反射, “串珠”的大小、能量强弱与储层规模大小和物性有关。在储层定量或半定量描述中, 常用到波阻抗反演技术。但常规波阻抗反演结果横向展布较连续, 纵向不连续, 不符合断溶体贯穿地层的特征, 因此我们采用一种断溶体属性约束的相控反演技术方法, 即优选描述断溶体边界的结构张量属性为约束建立一个低频模型, 再将这个低频模型作为约束条件应用到反演中。图 7对比了地震剖面、常规波阻抗反演剖面以及与结构张量相控反演剖面, 可以看出, 采用结构张量相控反演的结果纵向连续性特征更强, 更能体现断溶体模式(图 7c), 在此基础上选择合适的门槛值, 就可以充分展示断溶体内幕洞穴、孔洞的轮廓特征。

图 7(Fig. 7)

图 7 地震剖面(a)、常规波阻抗反演剖面(b)与结构张量相控反演剖面(c)

在图 8a所示的地震剖面中, 通过地震同相轴横向变化特征大致可以识别出断裂带, 内幕“串珠”反射是缝洞储层的响应, 但断溶体纵向轮廓较为模糊, 孔洞储层描述难度大, 而将能刻画断溶体边界轮廓的张量属性作为反演约束条件, 不仅能将断溶体内幕较大的“串珠”相反映的物性较好的储层清晰刻画出来(图 8b中红色部分), 还能将杂乱背景下规模较小的孔洞型储层描述出来(图 8b中绿色、蓝色), 实钻过程中放空漏失反映的洞穴类储层与反演结果吻合率高, 断溶体内幕储层描述精度得到了明显提高。

图 8(Fig. 8)

图 8 地震剖面(a)与结构张量属性约束反演剖面(b)

断溶体内幕断层或裂缝发育时, 地震剖面上波形特征会发生变化, 自动断层提取(automatic fault extraction, AFE)^[19-23]是对相干体或不连续体数据进行断裂增强处理的技术, 它对断层(或岩性变化带)、裂缝等因素引起的地震道间变化反应敏感, 在相干数据体切片上就能得到断层面附近有规律的低相干值, 这些低相干值能真实反映断裂的展布规律。通过地震数据增强处理结合AFE相干组合, 断裂、裂缝的预测精度明显提高, 纵向连续性变好, 检测结果也更加符合地质规律(图 9)。

图 9(Fig. 9)

图 9 不同条件下地震数据体与AFE体融合剖面 a原始体与T74相干体融合剖面; b断裂增强体与T74加强相干体融合剖面

在洞穴、断裂、裂缝储集体敏感属性优选的基础上, 开展断溶体融合。以梯度结构张量属性刻画断溶体轮廓, 在此基础上利用断溶体属性约束的相控反演技术刻画洞穴, 利用不同门槛值的AFE属性刻画主干断裂和裂缝, 最终用“AFE、阻抗、张量”参数开展“三元(洞穴、断裂、裂缝)一体(断溶体)”综合立体雕刻, 建立断溶体三维构造网格模型, 依据洞穴优先、主干断裂次之、裂缝最后的原则, 将三类储集体融合显示。通过多属性融合立体显示, 可以较细致地描述洞穴、主干断裂、裂缝等各类储层在三维空间上的几何轮廓形态和展布特征, 为优选靶点目标提供依据(图 10)。

图 10(Fig. 10)

图 10 顺北5号断裂带不同角度断溶体三维雕刻立体显示

断溶体圈闭的体边界刻画主要基于不同类型储层所对应的敏感属性, 结合张量属性刻画断溶体纵向轮廓; 圈闭平面边界刻画则要考虑一定的勘探层系, 选择特定目的层段, 首先利用趋势面、相干、剖面断裂特征进行断裂带分段, 断裂带不同段之间具有储层、油气藏富集等方面的差异, 可作为圈闭沿断裂走向的边界, 然后利用振幅变化率、相干等属性划分储层横向边界; 最后, 平面、纵向结合刻画出整个断溶体圈闭的边界(图 11)。

图 11(Fig. 11)

图 11 断溶体圈闭平面边界刻画方法

在不同类型储层预测门槛值约束下, 对洞穴(串珠、主干断裂带)、裂缝(小断裂、细小裂缝)等不同类型储层分别雕刻, 估算不同类型储层视体积, 赋予相应孔隙度值, 得到不同类型储层有效体积, 最终结合含油饱和度、体积系数、原油密度等地质参数, 计算出圈闭资源量。

在断溶体模式指导下, 围绕钻井生产高产、久产、稳产目标, 以规模储层(大裂隙或洞穴), 储层之间具有较好的连通性为导向, 寻找垂向具有多层异常反射+通源断裂发育的地震响应特征作为有利目标区。

针对这种有利的断溶体目标, 形成了“断裂通源、异常多层、断缝连通、围断选异”的目标优选技术, 断溶体目标优选建立在断溶体储层预测描述基础之上, 关键在于断裂带尤其是主断面的预测, 核心在断裂带主断面周围寻找可靠异常反射。

图 12a是过顺北7井直井和侧钻轨迹地震剖面。顺北7井位于7号断裂带, 断裂带向下直通基底, 通源条件优越, 断溶体内幕异常反射丰富且多层贯通, 直井实钻异常边部, 测井解释裂缝但储层物性相对较差。

图 12(Fig. 12)

图 12 顺北7CX井目标优选评价案例分析 a过顺北7直井及侧钻轨迹地震剖面; b过顺北7井断裂地质模型; c顺北7井井周均方根振幅属性; d顺北7井井周相干属性

正演研究结果表明, 缝洞储层集合体中心整体在异常核部, 储集体顶面在异常的红波谷中心附近, 围绕核部设计轨迹或进行储层改造, 钻探成功率更高, 基于此, 结合断裂带勘探实践, 逐步形成了“打主断、过异常、穿核部”的井轨迹优化技术(图 12)。在该技术的指导下, 优化设计了顺北7井侧钻轨迹, 轨迹过异常核部(图 12c), 穿两条断面(图 12d), 实钻在两条断裂带位置发生漏失, 在异常红波谷中心部位出现全烃升高(图 12a), 酸压改造后获得油气突破。通过目标优选评价与井轨迹优化技术的应用, 在顺北1号、5号、7号断裂带优选了一批钻探目标, 钻探成效显著, 大批勘探开发井获得油气发现。

经过采集、处理、解释一体化三维地震勘探技术攻关研究, 形成了适合顺北地区超深断溶体目标的系列勘探技术, 取得了可靠的三维地震采集数据, 基本获得了能够反映不同尺度断溶体储层特征的三维地震成像资料, 描述评价了顺北地区断溶体轮廓及内幕特征, 发现落实了一批优质圈闭, 优选提交了45个有利勘探目标。其中主干断裂带、次级断裂带储层相继得到了钻井证实, 实现了油气勘探重大突破, 储层钻遇成功率达到了84%, 顺北断溶体油气藏累产油气当量189.69×10⁴t(石油137.89×10⁴t, 天然气5.18×10⁸m³)。该区探评井储层钻遇成功率不断提高, 证实了顺北超深断溶体油气藏三维地震勘探技术的有效性, 同时, 也为塔里木盆地其它地区超深层海相碳酸盐岩断溶体油气藏, 以及国内外相似条件下与走滑断裂带相关的油气勘探开发提供了技术借鉴和思路指导。

1) 针对顺北地区沙漠地表、火成岩极为发育的复杂地表、地下地质条件和超深断溶体地质目标的特殊性, 采用长排列、小面元、宽方位、高覆盖地震采集技术, 能够取全、取准断溶体波场信息, 为获得可靠地震基础数据奠定了基础。

2) 针对顺北地区地震资料主频及信噪比偏低、二叠系火成岩影响严重、断裂带成像精度不高的问题, 建立了适合该区的“三层一带”处理思路和流程, 提高了断溶体成像精度, 为储层预测和目标评价打下了坚实基础。

3) 根据顺北地区断溶体地质特点, 建立了走滑断裂带及断溶体地震识别模式, 优选了梯度结构张量、AFE属性、波阻抗反演等系列储层预测方法, 提出了“打主断、过异常、穿核部”目标优选与井轨迹优化技术, 描述评价了一批圈闭, 优选论证了多口井位, 经过钻井验证, 储层吻合率高, 油气成果丰富, 取得了良好效果。