塔里木盆地顺北地区顺北1井获得油气发现后,沿断裂带部署的一批评价井均获得高产工业油气流,发现了顺北油田。通过系统梳理研究,一方面认识到在顺北地区,大型断裂破碎带既是油气运移的有利通道,也是油气聚集的有利场所;另一方面则根据该区域奥陶系目的层普遍埋深超过7300m和碳酸盐岩岩溶储集体的特点,提出了超深层断溶体油气藏概念[1-5]。
断溶体油气藏是多期活动的走滑断裂破碎带经深部酸性流体溶蚀改造形成裂缝—洞穴型储层后,油气充注形成的一系列沿深大走滑断裂带分布的特殊油气藏[3-8]。断溶体油气藏与风化壳岩溶缝洞油气藏存在明显差异,主要表现在储层储集空间类型、地震响应特征、受断裂带控制影响程度等方面[6-8]。断溶体圈闭是岩溶缝洞型圈闭的一种,是指受断裂带控制,以构造破碎为主,经流体改造形成的缝洞储集体被致密岩层封盖和侧向遮挡而形成的圈闭。同一断裂带内,在相同或相似应力背景下,具有相同流体作用机制和相似成藏条件的断溶体圈闭划分为一个三级圈闭。三级圈闭内具有相同的构造样式且储集体连通的次级圈闭即为四级圈闭。
现有的碳酸盐岩圈闭描述技术主要基于储层发育控制因素分类,分层系、分区块进行圈闭边界刻画和储层厚度描述,侧重于构造分区、断裂分块、敏感属性定边界、能量体描述储层厚度等方面。上述受层系、构造控制的圈闭描述方法难以满足断溶体圈闭的描述和刻画需求。断溶体的特点和成因决定了走滑断裂体系和溶蚀形成的缝洞体系是圈闭描述的核心,与层控碳酸盐岩岩溶缝洞型圈闭相比,走滑断裂带不仅只是作为封挡或输导条件,同时也可作为储集体。走滑断裂带的识别与描述对于断溶体的研究评价至关重要,缝洞体、裂缝体需作为两大储层类型分别描述。
近年来,国内外学者针对碳酸盐岩储层发育形成机制、储集体分类、储层预测、断裂综合研究等方面开展了一系列工作[9-18],大量文献调研显示,与断溶体圈闭相关的研究工作主要集中在断溶体油藏特征、断溶体预测、断溶体轮廓检测、断溶体内部结构表征、断溶体刻画方法等方面[19-22]。作为断溶体圈闭重要组成部分的断裂带和缝洞两大因素长期被割裂开研究,如何将断溶体作为一个圈闭来整体描述的研究工作很少,这对后续的资源量估算、储量计算带来了较大影响,制约了断溶体发育区资源综合评价和勘探开发部署。
因此,通过断溶体地震识别模式建立、储层分类预测与表征、体积计算等流程,建立一种走滑断裂与断溶体圈闭描述方法,对塔里木盆地及相似背景地区断溶体综合描述、油气资源评价、目标靶区的优选具有不可忽视的重要作用。
1 断溶体地震识别模式顺北地区深层奥陶系储层分布与主干走滑断裂及主干断裂活动相伴生的次级(隐伏)断裂密切相关,断溶体内部结构非常复杂,包括洞穴、孔洞、裂缝及其组合,地震剖面上储层的反射特征多为几种储层类型的综合响应。
本文在前人研究的基础上[9, 23],基于断溶体地震响应特征综合分析,开展了不同类型断溶体模型正演工作。研究过程中,考虑通过断裂带内不同地质体物性特征影响,在断裂带内开展断裂破碎带、裂缝、洞穴等地震模型设计与正演分析,建立了断溶体在不同深度发育时的地震识别模式。
数值模拟正演过程中,参考野外实际采集观测系统将其参数设置为:炮间距为50m,道间距为50m,CDP间隔为25m,排列长度为6000m等;结合实际资料中主要目的层储层段子波主频大小,正演模拟子波是主频为22Hz的雷克子波;模拟采用叠前偏移成像处理方法。
1.1 标志层断裂带地震反射波特征顺北地区一间房组顶面(T74)为上覆泥岩与下伏石灰岩的分界面,地震剖面为强波峰反射,可作为标志层。当断裂穿过T74界面或地层受构造应力作用产生弯曲变形时,T74界面会出现异常反射,因此开展走滑断裂地震数值模拟正演,明确地震反射特征是其识别的基础。建立不同宽度走滑断裂地层模型(图 1),断裂设置为直立断裂,断裂横向宽度分别为5m、10m、15m、20m……依次增大。同时各地层的地震波速度分别为:T74界面以上的桑塔木组泥岩地震波速度为4500m/s;T74界面以下奥陶系一间房组石灰岩地震波速度为6000m/s、鹰山组上段石灰岩地震波速度为6100m/s、鹰山组下段石灰岩地震波速度为6200m/s、蓬莱坝组石灰岩地震波速度为6350m/s;断裂带内充填速度为4950~5350m/s。采用波动方程数值模拟技术并基于交错网格有限差分方法进行数值模拟。
由不同宽度走滑断裂地层模型正演模拟结果可知,断裂通常在T74界面反射波表现为同相轴错断、异常、褶曲等现象(图 2)。当断裂带宽度较小时,T74界面反射出现褶曲比较微弱,随着断裂带宽度增加,T74界面出现弱反射甚至错断或线性空白反射特征。通过研究不同宽度走滑断裂的地震响应特征,结合与模型宽度对比分析,为顺北地区不同级别走滑断裂地震识别预测提供依据。
在T74界面之下的缝洞体储层由于远离强反射界面,受地层强反射界面影响较小,地震反射能量、形态主要反映缝洞体的物性、空间结构和尺度大小。为此建立断裂带缝洞体和裂缝体两种类型储集体模型,开展数值模拟正演研究。其中断裂带缝洞体模型设置的缝洞体发育规模为20m×30m,充填速度为4800~5200m/s;断裂带裂缝体设置的断裂宽度或断距为30m,充填速度为5200m/s,裂缝宽度为2m,裂缝长度为20~60m,裂缝发育的角度为60°~110°,分别以3%、5%、10%的密度随机充填。从正演结果看:断裂带缝洞体主要表现为串珠状强反射、强杂乱反射特征(图 3);断裂带裂缝体表现为线状弱反射(图 4)。实际地层中缝洞体与裂缝体是伴生关系,地震剖面上呈现的反射异常是不同尺度多种储层的综合响应特征。
在断裂带缝洞体和裂缝体地震数值模拟正演基础上,结合钻井、测井及油藏产能所反映的储层信息,分别建立了顺北地区奥陶系以洞穴型、孔洞型及裂缝型为主的3类储层的地震相模式(图 5),分别表现为串珠状强反射相、杂乱状反射相、线状弱反射相3种地震响应特征。
在模型正演与断裂带地震剖面综合对比分析基础上,结合生产评价及部署应用需求,既考虑断距和变形,也考虑因断裂破碎而控制的储层规模,按照T74界面和内幕反射特征差异将断裂带分为大、中、小不同尺度。其中,当T74界面同相轴明显错断或发生较大变形,内幕见杂乱强反射及串珠状强反射较多,断裂带定义为大尺度;当T74界面同相轴明显褶曲,内幕有杂乱反射,偶见串珠状强反射,断裂带定义为中尺度;当T74界面同相轴表现为小褶曲,内幕可见杂乱反射,断裂带定义为小尺度。在此基础上,结合断裂增强解释性处理地震资料,通过实际应用对比分析,最终确定系列断裂分尺度识别检测技术:利用趋势面和高分辨率相干体检测大尺度的断裂构造带和大断层;利用倾角、曲率等属性刻画中小尺度派生断裂和隐蔽断层;利用相干蚂蚁体、最大似然体刻画碳酸盐岩内幕小尺度断层发育区。
2.1 断裂增强解释性处理通过倾角导向增强技术[24]可以进一步提高地震横向信噪比,增强断裂带断点、断面清晰度,为断裂带的准确解释定位和描述评价奠定基础。研究区原始叠前逆时偏移成像处理剖面断裂虽清晰,但反射同相轴的错断并不干脆(图 6a),通过采用线平滑半径分别为3和5、道平滑半径分别为3和5、相关时窗(单位为采样点)分别为21和15的两组参数进行试验,断裂反射同相轴的错断呈现效果均有较为明显改善(图 6b、c)。最终选择线平滑半径为5、道平滑半径为5、相关时窗为15的倾角导向滤波增强参数开展研究区三维断裂增强解释性处理,为后续断裂识别奠定较好基础。
顺北地区勘探研究实践表明,趋势面和相干体分析技术是大尺度断裂检测的常用方法。
趋势面[25]是将原始解释层位与经过平滑后的层位相减得到的时间差进行成图,用来反映局部构造起伏特征的平面分布图。趋势面能够较好地刻画断裂带细节,可以表征断裂变形强度、水平幅度及断裂分段性特征。通过对比趋势面与地震剖面特征(图 7)可以看出,红色等值线代表地层上拱凸起,蓝色等值线表示地层下凹,绿色等值线代表地层相对平缓,趋势面等值线越密,说明地层凸起或者下凹的幅度越大,断裂变形强度越大;断裂水平幅度可直接用外圈等值线的短轴表示并测量出来。
高分辨率相干体[12]技术利用本征值算法,能更好地区分出断层细节变化特征。相干属性数值大小不仅能定性反映断裂断距的大小与构造变形的强弱,而且还能定量反映断裂带在横向上的变形宽度(图 8)。
研究区中尺度断裂通常表现为地震同相轴明显褶曲,不同参数的曲率属性则成为有效的识别预测手段。
将曲率与构造变形中挠曲、褶皱等结合起来预测古应力和天然裂缝分布,一般背斜特征定义曲率值为正值,向斜特征定义曲率值为负值[26]。调整曲率属性计算参数能够较为清晰地识别预测中小尺度断裂和微幅度构造,为中小尺度断裂的精细研究提供可靠的参考依据。大型走滑断裂带两侧常会伴生一系列小断层,同相轴错断迹象不明显,解释难度大,而从T74界面曲率属性图可以看出(图 9a,红色箭头标注平面雁列断层位置),走滑断裂旁伴生一系列雁列断层,从垂直雁列断层的地震剖面来看,T74界面表现为不同程度的褶曲变形(图 9b黄色箭头标注平面雁列断层对应的剖面褶曲位置)。从地质理论上也能证实这种小褶曲就是断裂的一种响应,碳酸盐岩刚性地层受到外力挤压变形形成褶曲,在褶曲上应力集中容易产生断裂与裂缝,从而更有利于碳酸盐岩缝洞型储层发育。
小尺度断裂在地震剖面上检测难度更大,主要表现为变形较微弱的小褶曲、小的振幅能量横向差异等特征,但小尺度断裂对储层改造和油气沟通有着较为重要的作用,因此,检测小尺度断裂发育特征也是勘探研究不可或缺的重要内容,实际工作中主要采取蚂蚁追踪技术识别小尺度断裂。
蚂蚁追踪技术[27-28]以蚁群算法为基础,是一种基于蚁群的启发式仿生算法,能突出地震数据的不连续性,是一种强化断裂特征的属性提取技术。在蚂蚁追踪检测结果中,一般会表现为裂缝呈网状分布且错综复杂,这是由于蚂蚁追踪检测结果受到地震数据体分辨率影响而具有多解性,实际应用中需要结合地震剖面特点及其他断裂检测技术进行综合分析判别。顺北地区某三维区局部T74界面沿层蚂蚁追踪属性如图 10所示,密集的小裂缝连续分布形成大的断裂带,与其他方法检测的大断裂保持一致。同时,在大断裂带之间也能检测到密集程度不等的裂缝发育带,裂缝密集带与大中尺度断裂关系密切,与地质理论中断裂带附近、多组断裂交会处裂缝发育情况相吻合。
断溶体的边界可以作为三维可视化雕刻的约束条件,同时也可作为储量估算时的边界依据。通过属性优选分析,认为结构张量属性对断溶体的边界描述效果最佳[29]。结构张量属性通过识别地震图像中的杂乱纹理,可以有效地刻画断溶体边界。顺北地区水平井钻探情况表明,断溶体结构张量属性与钻时相关性较好,断溶体外基岩为高钻时,断溶体内储层相对更发育,表现为低钻时和放空漏失现象,因此可以把钻时曲线变化点作为断溶体边界。
通过钻时曲线的标定,即可确定结构张量属性的门槛值,进而明确断溶体的空间结构。从过SHB5-12H井的地震剖面与结构张量属性剖面对比图(图 11)可以看出,钻时曲线明显降低处与属性边界对应较好,地震剖面中强异常部位在结构张量属性中也有明显响应,利用钻时曲线对结构张量门槛值进行修正,可确定结构张量属性门槛值为47。
实钻井和正演模型显示,断裂带内的洞穴、孔洞在地震剖面上表现为串珠状强反射,串珠大小及其反射能量强弱与储层规模大小和孔隙度有关。预测描述串珠状反射特征的属性主要有能量体属性、甜点属性、均方根振幅属性、波阻抗属性等。经过属性对比分析,认为能量体属性和波阻抗属性能较好刻画串珠状强反射的空间分布。
针对断裂—裂缝在地震剖面上特征主要为同相轴存在错断或者褶曲,目前基于叠后的断裂表征技术主要有方位检测、倾角检测、高分辨率断裂识别AFE、曲率、本征相干、蚂蚁体、最大似然体,对比分析以上属性体,认为利用高分辨率断裂识别方法AFE能较好反映主断面优质储层发育位置。
3.2.1 洞穴、孔洞刻画叠后稀疏脉冲反演是基于地震的声阻抗反演[30],以叠后保幅地震数据为主,结合测井数据、地质解释成果,充分利用测井资料具有较高的垂向分辨率和地震剖面具有较好的横向连续性优势,将地震剖面转换成波阻抗剖面的一种反演方法。这种反演方法受初始模型的影响小,忠实于地震数据,反映储层的横向变化可靠,但断溶体储层主要在纵向上发育,这种反演方法对断溶体储层适用性不高。因此,以结构张量体为约束建立低频模型,将该模型作为约束条件应用于反演计算过程,能较好地反映断溶体储层纵向变化的特征。通过对比结构张量约束反演得到的波阻抗剖面(图 12a)与常规反演得到的波阻抗剖面(图 12b)可以看出,趋势大致符合地震特征展布,但细节方面有所不同,结构张量约束的反演结果纵向连续性更好,更能体现出断溶体储层发育的模式,与地质理论研究的认识也更为匹配,在此基础上优选合适的储层预测门槛值,就可以充分展示断溶体内幕洞穴、孔洞的轮廓特征。
高分辨率断裂识别方法AFE(automatic fault extract)[11]是通过对相干体数据或不连续体数据进行线性增强的二次特征增强处理,消除由于采集原因所形成的条带噪声,以及消除垂直方向上并没有延伸的非断层引起的线性条带,从而提高断裂影像清晰度,降低识别多解性。
通过研究区钻井标定,对比各类属性检测到的断裂—裂缝发育位置,综合认为AFE属性对地震同相轴变化响应较为敏感,能够有效表征弱能量变化下的断裂—裂缝分布发育区(图 13)。
断溶体多属性融合雕刻需分类描述不同类型储层,通过门槛值来约束储层发育的范围。如图 12所示断溶体通过G井钻时等录井资料标定的裂缝型储层AFE值为28~200,可作为刻画断溶体内裂缝型储层的门槛值。同样,利用钻遇洞穴型储层和孔洞型储层实钻录井资料与波阻抗属性进行标定,确定洞穴型储层波阻抗门槛值为小于13700(g/cm3)·(m/s),孔洞型储层波阻抗门槛值为13700~14900(g/cm3)·(m/s)。
在确定不同类型储层属性门槛值的基础上,对不同类型储层进行分类刻画雕刻,其中以梯度结构张量属性刻画断溶体外部轮廓,并依据洞穴优先、孔洞次之、裂缝最后的原则,将3类储集体地震相融合显示。通过多属性融合立体显示,可以较细致地描述洞穴型储层、孔洞型储层、裂缝型储层在三维空间上的几何轮廓形态和展布特征(图 14)。不同类型储层在空间上相互独立,同时又互相关联,符合断溶体储层发育地质认识。
断溶体圈闭定量化描述主要是通过确定不同类型储层预测断溶体圈闭边界、预测不同类型储层和相应孔隙度描述参数门槛值,获得不同类型储层三维雕刻体积及有效储层厚度,估算圈闭资源量等来实现的。
4.1 断溶体圈闭边界刻画(1)断裂带分段:走滑断裂带具有剖面、平面样式差异分段的特点,不同段由于应力背景不同,破碎程度不同,储层发育程度也不同,利用趋势面、相干体等技术结合地震剖面断裂样式进行分段,不同段作为断溶体圈闭在同一断裂带走向上圈闭的边界(图 15a);
(2)储层发育区预测:断溶体包含不同溶蚀程度的缝洞储集体,在地震上表现为杂乱、异常强反射、空白反射等响应特征,利用重点目的层系振幅变化率等属性结合钻井、测井统计的储层描述参数门槛值,划分纵向不同层断裂带两侧储层延伸发育的边界(图 15b);
(3)圈闭边界的空间校验:断溶体纵横向非均质性强,利用结构张量体刻画的断溶体轮廓约束最大似然体[30]检测的断裂破碎带范围,与振幅变化率属性刻画的储层发育边界在立体空间交互验证,利用结构张量体和最大似然体重叠区域约束振幅变化率属性,综合确定断溶体纵横向圈闭边界(图 15b)。
4.2 储层有效孔隙度等关键参数确定顺北地区奥陶系储层主要类型为裂缝—洞穴型,根据钻井情况来看,洞穴型储层地震剖面上表现为串珠状和断裂,物性较好,多放空漏失,而沿断裂伴生发育的小裂缝物性相对较差。洞穴主要利用波阻抗反演进行刻画,波阻抗和孔隙度之间通过测井解释孔隙度—波阻抗量版来转换。断裂和裂缝采用不同门槛值的AFE属性进行预测,但AFE属性主要根据地震同相轴不连续性来进行检测识别,无法同岩石物理参数建立直接联系,目前断裂和裂缝物性参数预测难度较大,主要依据钻井孔隙度赋值来进行标定。
4.2.1 洞穴型储层(串珠相)孔隙度计算波阻抗反演是洞穴型储层(对应串珠)雕刻的最佳手段。波阻抗反演结果与地震剖面上串珠能量强弱存在一定对应关系,波阻抗与孔隙度又存在一定对应性,因此可通过溶洞空间雕刻体在反演体上提取波阻抗,再利用反演波阻抗体估算储层孔隙度。顺北地区钻井样本点虽少,但结合塔河地区实际测井解释孔隙度数据,仍可以建立波阻抗—孔隙度量版(图 16)。据此可将波阻抗体换算成孔隙度体(图 17),结合储层雕刻体就可以计算出洞穴型储集体有效体积。
由于顺北地区大部分井在钻遇储层段放空漏失,缺乏测井曲线,目前测井资料较全的主要是SHB2井和SHB7井,对于大断裂带洞穴型储层,无法准确估算孔隙度值,只能借鉴塔河地区的钻井资料。但顺北地区钻井特征与塔河地区钻井特征不同,主要表现在3个方面:①少泥质充填的半充填洞穴;②漏失量大(大于100m3);③低钻时(平均小于10min/m)。因此从塔河地区现有的28口发育半充填洞穴型储层的井中筛选出与顺北地区具有类似特征的8口井,8口井测井解释孔隙度为9.67%~43.40%,平均为28.52%,平均钻时为6.8min/m。而顺北地区洞穴型储层测井仅有SHB7井,主要位于侧钻过程中的第一个断片,测井解释孔隙度为17%~22%,落在9.67%~43.40%区间,与塔河地区总结的规律一致,据此将研究区断裂洞穴型储层孔隙度用28.52%统一赋值。
4.2.3 裂缝型储层孔隙度计算裂缝型储层孔隙度一般较小,以塔河地区及哈拉哈塘地区经验来看,该类储层孔隙度一般在2%左右。顺北地区裂缝型储层典型井是SHB2CH井和SHB7CX井,SHB2井在水平段全烃显示较好位置与AFE属性吻合较好,主要有3个断片,断片1位于测深7450m处,测井解释孔隙度为2.969%;断片2位于测深7719m处,测井解释孔隙度为1.754%;断片3位于测深7881m处,测井解释孔隙度为1.810%;3个断片平均孔隙度为2.18%。SHB7CX井主要在第二个断片钻遇裂缝—孔洞型储层,孔隙度为0.78%~4.50%,平均为2.64%。经过综合考虑取这4个断片的孔隙度平均值2.41%,作为整个裂缝型储层的孔隙度赋值。
4.3 断溶体圈闭体积计算与资源量估算在断溶体分类储集体三维雕刻基础上,通过时深转换得到深度域不同属性的数据体,计算机可以自动算出3类储集体体积,结合已钻井的测井曲线统计的孔隙度进行体积参数校正,得到不同类型储集体有效体积,将雕刻的体积和圈闭面积相除,得到有效储层厚度,利用所在区块含油或含气饱和度,参考邻近储量提交区体积系数得到最终圈闭地质资源量。
5 应用效果利用断溶体储层识别与圈闭描述技术,在顺北地区落实描述了29个断溶体圈闭,并优选了45个有利勘探目标。其中SHB3井、SHB7CX井、SHB51X井、SHB501井控制的主干断裂带、次级断裂带相继得到了钻井的证实,实现了油气重大突破, 储层钻遇率基本达到了84%。顺北地区探评井储层钻遇成功率不断提高,证实了断溶体储层识别描述技术的有效性,为顺北油田勘探开发持续推进提供了有效技术支撑。
6 结语(1)顺北地区走滑断裂带与断溶体圈闭识别描述技术为圈闭落实、规模目标优选、井轨迹优化、储量提交等提供了可靠的技术支撑,有效地指导了顺北地区多口探评井的部署,是断溶体油气藏目标描述的有利方法手段。
(2)断溶体储层预测主要基于能量体属性、杂乱属性、不连续检测属性,对内部强能量部分信息反映较多,对弱串珠、弱反射、空白反射信息表征困难,使断溶体内部结构刻画存在较大不完整性。因此,针对这种特殊的复杂储集体模式和油气藏,仍需根据高效勘探的需求,持续开展有针对性的方法技术调研和测试攻关。
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