近年来, 塔里木盆地顺北油气田勘探开发不断取得进展, 其主要目标储层为奥陶系一间房组的海相碳酸盐岩断控缝洞体, 储层普遍埋深超过7 000 m, 属于超深层油气藏^[1-2]。该断控缝洞型储集体沿断裂带发育, 断裂带内部地层破碎、非均质性极强, 断裂带既是油气疏导通道, 又是有利的油气储集空间^[3-6]。勘探开发经验表明, 高产井主要分布于主干断裂带或与主干断裂带连通性好的次级断裂带上^[7-8]。本文以顺北地区超深层断控缝洞体的高精度地震成像及储层预测为目标, 对顺北地区地震勘探面临的问题与技术瓶颈进行了系统的分析和研究, 建立了针对性的技术方案和对策, 提升了复杂地质条件下超深层碳酸盐岩断控缝洞体成像精度和预测的可靠性, 为顺北油气田的持续高质量勘探开发提供了技术支撑。

1 储层地质特征及难点对策 1.1 储层地质特征

顺北油气田位于顺托果勒低隆起带, 区域内走滑断裂广泛发育, 断裂主体发育在古生代地层中, 走滑断裂构造样式复杂多样, 向下断穿寒武系地层。

由钻测井、岩心等资料可知, 储集体类型主要包括裂缝-洞穴型储集体、孔洞和裂缝等。裂缝-洞穴型储层通常与断裂性质有关, 孔洞大多沿裂缝或微裂隙发生溶蚀作用形成。在储层空间展布特征上, 裂缝-洞穴型储层一般沿走滑断裂带发育, 溶蚀作用较弱。圈闭的形成还受盖层分布的控制, 顺北地区桑塔木组发育巨厚的泥岩层, 形成对奥陶系断控裂缝-洞穴型圈闭有利的盖层, 在奥陶系内幕发育的致密灰岩可作为奥陶系内幕缝洞型圈闭形成的有利顶封和侧封条件。

1.2 问题及难点分析

顺北地区地震勘探面临的主要问题包括地表条件复杂、目的层埋深大、断裂带内部非均质性强等, 具体体现在以下3个方面^[9-13]。

1) 受沙丘等地表因素影响, 地震采集资料中强能量面波、线性噪声和异常噪声等干扰波严重; 同时由于上覆地层厚度大, 造成超深层目的层地震资料信噪比低、吸收衰减严重、有效信号能量弱。

2) 二叠系地层广泛发育不同规模的火成岩高速异常体, 横向速度变化快, 若偏移速度模型精度不足, 会严重影响下伏地层构造形态和断层的归位精度、可靠性和合理性, 甚至会在深部产生诸多虚假断裂, 极大地干扰储层的刻画; 同时, 深部断裂为高倾角走滑断裂, 断距不明显, 因偏移剖面低频不足, 导致断面成像不清晰。

3) 奥陶系目的层埋藏深度大, 有效反射能量弱, 地层内部波阻抗差异小, 横向变化快。其断控缝洞体地震波场特征复杂, 不同类型、不同尺度的缝洞体地震识别模式存在差异, 断裂带内部受油气充注及多期构造运动的改造影响, 使得常规地震储层识别技术对断裂带的边界及内幕难以准确识别。

1.3 思路与对策

面对超深层碳酸盐岩断控缝洞体高精度成像及储层预测难题, 本文提出了“目标导向、逐级攻关、分步推进、综合显效”的地震处理及预测思路: 以明确奥陶系断裂及断裂带内幕的清晰刻画为最终目标, 通过弱信号恢复、火成岩建模、正演模拟及多尺度描述等技术对策的攻关研究, 克服地震信号吸收衰减严重、储集体反射特征认识不清等难题, 从地震资料预处理到速度建模与成像再到多属性预测分步推进, 最终形成多项策略叠加的储层成像及预测综合技术。

首先, 根据顺北地区地震资料特点及地质特征认识, 研究沙漠地表吸收衰减的深层弱信号恢复的方法, 形成针对性的预处理关键技术。以预处理数据为基础, 以火成岩高斯束层析速度建模为关键, 以优化的逆时偏移成像为核心, 建立顺北地区复杂断控缝洞体高精度成像技术系列。而后, 在断控缝洞体地震响应模式的指导下, 以高精度地震成像资料为基础, 结合断裂-裂缝、溶洞、孔洞地质认识, 通过解释性处理、属性降维等技术手段, 优选面向不同尺度的断控缝洞体边界及内幕的敏感属性, 实现储层的高精度预测。超深层碳酸盐岩断控缝洞体高精度成像及储层预测技术流程如图 1所示。

2 超深层断控缝洞体高精度成像 2.1 基于矢量面元的弱信号恢复

国内外沙漠区地震资料都面临相似的问题, 如噪声干扰严重、近地表能量衰减导致深层地震信号能量弱等。曾庆才等^[14]、杜耀斌等^[15]、袁燎等^[16]针对沙漠地区地表条件异常复杂, 原始资料信噪比低的特点, 采用沙丘曲线、两次浮动基准面、折射静校正及多域去噪、优势频带静校正和分偏移距组合等技术, 较好地解决了地震资料的低信噪比问题, 提高了深层叠加成像精度。借鉴前人研究成果, 在静校正、地表一致性振幅恢复及反褶积等常规处理的基础上, 应用基于矢量面元的超深层弱信号恢复技术进一步恢复了深层-超深层信号的能量, 该技术基于CMP道集构建矢量面元片, 通过Hilbert变换形成瞬时振幅道集和余弦相位道集、正弦相位道集, 具体变换公式为:

$ \left\{\begin{array}{l} x_{\mathrm{h}}(t)=\frac{1}{{\rm{ \mathsf{π} }}} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{x(\tau)}{t-\tau} \mathrm{d} \tau=x(t) * \frac{1}{{\rm{ \mathsf{π} }} t} \\ a(t)=\sqrt{x^2(t)+x_{\mathrm{h}}^2(t)} \\ \theta(t)=\arccos \frac{x(t)}{a(t)}=\arcsin \frac{x_{\mathrm{h}}(t)}{a(t)} \end{array}\right. $

(1)

式中: t是实值函数的自变量; τ是实值函数积分变量; x(t)与x_h(t)分别表示输入信号与Hilbert变换后的信号; a(t)表示瞬时振幅; θ(t)表示瞬时相位。该技术的优势在于可以先通过Hilbert变换将振幅和相位分离, 再采用去噪及振幅恢复等方法对分离后的振幅进行处理, 以保证相位不变, 最后利用Hilbert反变换得到恢复后的信号x(t), 以实现振幅和频率的保真恢复, 利用(2)式即可完成信号重构, 实现弱信号恢复:

$ \bar{x}(t)=\cos \theta(t) \cdot \bar{a}(t) $

(2)

式中: a(t)表示处理后的瞬时振幅。超深层矢量面元弱信号动态恢复技术流程见图 2。

图 3是超深层地震资料弱信号恢复处理前、后的CMP道集, 可以看出弱信号恢复后地震资料品质得到了明显改善, CMP道集的信噪比显著提高, 同相轴连续性更好, 尤其是4 000~5 000 ms的目的层以及更深地层的反射信号能量得以增强。实际应用中, 通过超深层地震资料弱信号恢复等预处理, 最终可得到信噪比高、保真性好的高品质叠前道集, 这为后续的速度建模和深度偏移成像奠定了良好的数据基础。

2.2 高精度层析速度建模与成像

顺北地区二叠系火成岩高速异常体严重影响了深部断裂的成像精度。如图 4所示, 火成岩速度异常在深层产生虚假断裂, 原因如下: ①相较于围岩, 火成岩属于高速异常体, 具有尺度较小的特点, 超越层析反演的分辨率极限; ②岩性横向变化剧烈, 速度跳变大, 不满足常规层析理论假设。

2.2.1 高斯束局部层析速度建模技术

要解决火成岩的成像难题, 关键是建立准确的火成岩区域速度模型。针对此问题, 提出了地质层位约束的高斯束局部层析速度建模技术(以下简称“局部层析速度建模技术”), 实现了对顺北火成岩的高分辨速度反演, 提高了火成岩速度建模的精度及稳定性。该技术针对常规层析反演速度建模的缺陷及火成岩速度变化复杂性的特点, 通过地质层位约束的局部层析技术, 实现了火成岩对应层位内的精细速度反演。

传统层析反演是全局反演, 对局部突变异常体的反演分辨率不够, 容易导致异常体下的目标层位畸变。运用层位约束局部层析反投影技术, 构建新的火成岩高分辨率层析目标函数((3)式), 加大了火成岩发育区速度更新权重, 可实现对火成岩高速异常体的精细刻画^[17]:

$ S(m)=\left\|z^{\text {true }}-z^{\text {pick }}\right\|_2^2+\varepsilon_1\left\|\Delta z_{\text {local }}\right\|_2^2 $

(3)

式中: 等式右边第1项是道集拉平项, 属于常规层析反演准则, 其中z^true表示期望深度, z^pick表示拾取深度; 等式右边第2项是局部层析反演项, ε₁是权重因子, 用来控制层位约束下的局部构造反演权重, Δz_local表示局部异常体区域对应的深度差。该算法的关键是如何获得准确的深度差Δz_local进行局部层析, 本文采用了一种层位约束技术用于准确计算Δz_local, 具体流程如下。

1) 追踪目标层: 追踪火成岩顶及火成岩下第一个“上拱”的异常层位(定义该层位为速度反演目标层)。如图 5所示, 绿色为火成岩顶界面, 蓝色为火成岩底界面下的第一个异常层位。

2) 计算局部深度差: 先根据测井分层与地质认识进行线性拟合得到符合地质规律的期望构造层位, 如图 6中蓝线所示, 而后利用目标层位(红线)与期望层位(蓝线)计算局部深度差, 该深度差即包含了火成岩的速度异常信息。

3) 局部层位约束层析反投影: 根据计算得到的局部深度差Δz_local构建新的火成岩高分辨率层析目标函数, 通过层析计算将深度差转化为火成岩局部速度更新量Δv_local。

4) 局部更新量应用: 利用局部速度更新量Δv_local, 得到局部层析后的精细速度模型。

图 7为常规速度建模与局部层析速度建模的偏移成果, 显然局部层析算法得到的速度模型能够更加精确地刻画二叠系火成岩局部高速异常体, 从而实现火成岩对应层位内的速度反演。

2.2.2 面向深大断裂的宽频RTM成像技术

逆时偏移是用于复杂高陡构造成像的一种有效技术, 目前常规的逆时偏移技术主要包括两种实现方式: 一种是采用互相关成像条件及叠后滤波的组合方式进行成像, 但互相关成像条件会产生低波数、强振幅的偏移噪声, 降低成像精度, 且叠后滤波方法易损失成像剖面中的低波数信息, 影响深层高陡断裂构造的成像质量; 另一种是基于波场分解的逆时偏移方法, 该方法可在消除偏移噪声的同时保持数据频带不受损失, 但对存储及计算要求较高, 计算能力常常不能满足实际海量数据的生产应用。为了兼顾效率与效果, 在分析常规波场分解逆时偏移方法的基础上, 本文采用基于解析波场隐式分解的逆时偏移成像条件, 高效地实现了时间-空间域波场的隐式分解, 有效地保护了低频信号, 实现了宽频成像, 因此明显改善了成像质量。

常密度声波介质中, 对于VTI介质逆时偏移, 通过求解二阶耦合形式的VTI介质拟声波方程实现波场外推, 其表达式为:

$ \left\{\begin{array}{l} \frac{\partial^2}{\partial t^2} p=v_{\mathrm{P}_x}^2\left(\frac{\partial^2 p}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 p}{\partial y^2}\right)+v_{\mathrm{P}_0}^2 \frac{\partial^2 q}{\partial z^2} \\ \frac{\partial^2}{\partial t^2} q=v_{\mathrm{P}_n}^2\left(\frac{\partial^2 p}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 p}{\partial y^2}\right)+v_{\mathrm{P}_0}^2 \frac{\partial^2 q}{\partial z^2} \end{array}\right. $

(4)

式中: p=p(x, y, z, t)为伪应力波场; q=q(x, y, z, t)为简化计算而引入的辅助波场; v_Px表示对称平面内的qP波速度, v_Px²=v_P0²(1+2ε); v_Pn表示qP波的正常时差速度, v²_Pn=v_P0²(1+2δ); v_P0表示垂直纵波速度; t为时间; v(x)为介质速度场。震源波场与检波点波场的零延迟互相关成像条件为:

$ I(\boldsymbol{x})=\int_0^{T_{\max }} s(t, \boldsymbol{x}) r(t, \boldsymbol{x}) \mathrm{d} t $

(5)

式中: s(t, x), r(t, x)表示时刻空间位置x=(x, y, z)处的震源正传波场与检波点反传波场; T_max为波场延拓最大时间。由逆时偏移低频噪声的产生机制可知, 当存在强烈的背向散射时, 互相关成像条件会在炮检波场传播方向相同时产生严重的强振幅、低频偏移噪声。为此, 通过构建新的逆时偏移成像条件压制偏移噪声, 将炮点与检波点波场进行上、下行波场分解:

$ \left\{\begin{array}{l} s(t, \boldsymbol{x})=s_d(t, \boldsymbol{x})+s_u(t, \boldsymbol{x}) \\ r(t, \boldsymbol{x})=r_d(t, \boldsymbol{x})+r_u(t, \boldsymbol{x}) \end{array}\right. $

(6)

式中: s_d(t, x)为炮点下行波, s_u(t, x)为炮点上行波, r_d(t, x)为检波点下行波, r_u(t, x)为检波点上行波。将(6)式代入(5)式, 得到新的逆时偏移成像条件为:

$ \begin{gathered} I(\boldsymbol{x})=\int_0^{T_{\max }} s_d(t, \boldsymbol{x}) r_u(t, \boldsymbol{x}) d t+\int_0^{T_{\max }} s_u(t, \boldsymbol{x}) r_d 。\\ (t, \boldsymbol{x}) d t+\int_0^{T_{\max }} s_d(t, \boldsymbol{x}) r_d(t, \boldsymbol{x}) \mathrm{d} t+\int_0^{T_{\max }} s_u(t, \boldsymbol{x}) 。\\ r_u(t, \boldsymbol{x}) \mathrm{d} t=I_1(\boldsymbol{x})+I_2(\boldsymbol{x})+I_3(\boldsymbol{x})+I_4(\boldsymbol{x}) \end{gathered} $

(7)

式中: I₁(x)与I₂(x)为与传播方向相反的波场成像结果, 反映了地下界面成像信息; I₃(x)与I₄(x)为与传播方向相同的波场成像结果, 对地下构造成像结果不产生贡献, 是低频偏移噪声产生的根本原因。在成像过程中, 若只选择有贡献的项作为最终的成像结果, 则消除低频噪声项后的波场分解互相关成像条件为:

$ \begin{aligned} I(\boldsymbol{x})=& \int_0^{T_{\max }} s_d(t, \boldsymbol{x}) r_u(t, \boldsymbol{x}) \mathrm{d} t+\\ & \int_0^{T_{\max }} s_u(t, \boldsymbol{x}) r_d(t, \boldsymbol{x}) \mathrm{d} t \end{aligned} $

(8)

通过完善面向深大断裂的宽频RTM成像技术, 可以提高RTM低频陡倾角的成像质量, 使低频能量更加丰富, 有利于断面波成像, 将该技术应用于高陡倾角地层得到的成像结果优于常规偏移成像结果。

3 超深层断控缝洞体精细预测

顺北油气田超深层断控缝洞体内部油气赋存状况复杂, 富集程度差异大。地震杂乱反射背景下的储集空间与断裂的精细预测是实现油气藏开发的关键步骤之一。基于复杂地质条件下的超深层高精度成像成果, 面向奥陶系碳酸盐岩断控缝洞体, 建立了以地震响应模式分析、叠后多属性预测为主的顺北超深层断控缝洞体综合预测技术流程(图 8)。

3.1 地震响应识别模式

针对顺北断控缝洞体地质特征(空间位置、尺度、形态及组合类型等情况), 进行正演模拟与实际地震剖面相结合的地震波场特征研究, 明确断控缝洞体地震波场特征影响因素, 搭建断控缝洞体(地质)与地震响应(地球物理)之间的关系桥梁。在塔里木盆地岩石物理参数统计分析基础上, 基于“逼近实际地震采集参数、逼近实际地震主频、逼近真实地质模型、逼近实际的储层深度”的四逼近原则, 建立符合顺北地区实际地层结构的走滑断裂带及断裂带控制下的缝洞储集体正演模型, 基于非均匀介质波动方程正演模拟进行断控缝洞体的地震响应特征研究^[17]。

分析实际钻井及地震剖面特征, 建立不同组合类型的断控缝洞体地震识别模式: 断裂带内部发育大尺度洞时, 地震反射特征表现为“串珠”反射和弱杂乱反射; 断裂带性质为受剪切应力为主的走滑断裂, 破碎带较窄, 发育中尺度洞与裂缝时, 地震剖面表现为垂向“线状”反射与“串珠”反射; 断裂带内部发育非均匀的小缝洞体时, 地震剖面亦可表现为强杂乱反射特征(图 9)^[18]。通过对断控缝洞体地震识别模式的研究与总结, 可以提高储层预测的针对性, 为实际应用提供理论指导。对正演结果的属性分析, 亦可以为后续的储层预测提供参考依据。

3.2 地震多属性储层预测

由地质分析结果可知, 断控缝洞体受通源主干走滑断裂带控制, 横向非均质性强, 纵向连通性较好。经过多期改造后, 断裂带内储层物性由内而外逐渐变差, 上覆泥灰岩、泥岩盖层以及侧向的致密灰岩形成封堵和遮挡, 成为储集体边界。断裂带内幕是油气富集的主要空间, 储集体类型包括溶洞、裂缝以及小型溶蚀孔洞等。根据同相轴的错段、变形及能量变化情况对断裂带内幕进行分级: 同相轴存在明显错段或较大变形时, 内幕为强串珠或强杂乱状反射的定义为大尺度断裂带; 同相轴存在明显褶曲, 内幕有杂乱反射偶有串珠状强反射定义为中尺度断裂带; 同相轴表现为小褶曲或弱空白反射, 内幕为杂乱反射, 则定义为小尺度断裂带。大尺度及中尺度的断裂带内幕储层构成了顺北油气田的主要油气储集空间^[12]。不同规模的断裂是沟通储层与深层油源的主要通道, 对油气富集与成藏具有重要作用。针对不同的地质目标采用了地震多属性降维的技术策略, 优选出对所求解问题敏感性最高、属性个数最少的地震属性或属性组合, 以提高储层预测精度, 改善与地震属性有关的解释效果^[19-22]。

面向边界与内幕分别进行地震属性降维研究, 以不同地质模式下断控缝洞体的地震识别模式为指导, 优选边缘检测类及结构类属性为断裂带边界及内幕描述的优势属性。从优势属性正演模拟结果及与实际地震数据剖面属性的对应关系可以看出, 不同属性对边界及内幕缝洞体的敏感程度存在差异(图 10)。

断裂带边界主要采用纹理、张量以及多属性融合的技术手段进行识别; 对于内幕, 通过属性降维明确不同尺度目标的敏感属性, 再进行预测。我们利用波阻抗反演或者能量类属性对洞穴型储集体进行准确描述; 利用地层信息重构方法或者分频分尺度的方法对孔洞型储集体进行预测; 对于地震同相轴明显“错断”的断裂, 主要利用较大门槛值的大尺度相干或自动断层提取(automatic fault extract, AFE)等边缘检测类属性进行描述; 对于裂缝, 利用较小门槛值的裂缝强度、倾角属性来进行描述。针对不同地质目标体的地震降维属性组合如表 1所示。实践证明, 上述敏感多属性的串联和融合技术可以提高顺北超深层断控缝洞体储层预测的可靠性。

4 应用效果

图 11是图 7中对应速度模型的偏移成像结果, 从蓝色箭头处可以看出, 对于常规层析反演对应的成像剖面(图 11a), 由于火成岩建模精度不足, 下伏地层出现了继承性扭曲构造。在局部层析建模对应的成像剖面(图 11b)中, 火成岩下伏继承性虚假构造得到消除, 构造更加合理真实, 同时断裂带内的“串珠”收敛效果更好。

对比图 12中利用宽频RTM成像技术得到的成像剖面与常规RTM成像剖面, 可以看出, 无论是同相轴的稳定性还是断裂的垂向连续性均是宽频RTM的成像结果更优, 可以清晰识别出断裂的纵向贯通性。宽频RTM技术可有效提高成像精度, 补偿低频损失, 改善高陡构造和断裂系统的成像效果, 拓展地震成像资料频带, 提高陡倾角断裂及小缝洞体的成像分辨率。

图 13为利用常规属性与降维优化属性分别对断控缝洞体与断裂预测结果的平面显示, 可以看出, 利用降维优化属性得到的预测精度明显高于利用常规属性得到的结果, 主干断裂的连续性以及次级断裂的清晰度明显提升。以TT1与TT2井为例, 利用常规属性对这两口井进行预测得到的结果并不清楚, 实际钻井中出现大规模放空漏失, TT1、TT2井漏失量分别达到912 m³、217 m³, 利用降维优化属性则实现了对该两口井的高精度预测, 井点位置断裂清晰、储集体属性能量强。

5 结论

针对复杂地质条件下超深层碳酸盐岩断控缝洞体地震成像及预测难题, 提出了“目标导向、逐级攻关、分步推进、综合显效”的地震处理及预测思路, 形成了适用于顺北地区地震资料的弱信号恢复、高精度火成岩速度建模及宽频RTM成像的处理技术, 提高了超深层断裂系统成像精度, 建立了超深层断控缝洞体综合预测技术流程, 通过正演模拟分析以及不同类型断控缝洞体的地震属性降维等技术的应用, 有效提高了超深层碳酸盐岩断控缝洞体边界及内幕预测精度。

随着超深层油气勘探开发的不断深入, 如何通过地震采集补充低频信息, 实现保真保幅处理, 以及量化描述断裂带内幕缝洞连通性等难题将是下一步的重点研究方向。