基于正演模型的地震相識別溶洞充填技術—以塔河油田12區東奧陶系儲層為例

楊曉蘭

(中國石化集團國際石油勘探開發有限公司,北京 100029)

眾多學者利用野外地質露頭、地震、鉆井、測井、油藏動態等資料，對碳酸鹽巖縫洞型儲層的儲集空間、發育演化、充填特征以及儲層預測等開展了研究，建立了碳酸鹽巖縫洞型儲層的地質模式，探索了儲層預測方法[1-8]，但在縫洞充填性識別研究方面依然非常薄弱[9]。塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏屬于與風化殼古巖溶有關的縫洞型油氣藏[10]，塔河油田12區東奧陶系酸鹽巖巖溶縫洞型儲集體埋藏深度較大，達4 000～5 000 m，儲層發育程度相對減弱，儲層發育的尺度及規模較低，非均質性強，工區油藏縫洞單元結構描述不清，空間結構和儲層內部特征也需要更精準地認識，尤其縫洞單元內固態充填物的發育，嚴重影響了儲集空間的形成和物性好壞，因此有必要開展溶洞充填識別技術降低儲層不確定性。本文通過正演模型研究，建立了一套基于正演模型的地震相識別溶洞充填技術，尋找未充填溶洞，可靠程度達86%，提高了鉆井成功率和油氣高產率。

1 正演模擬分析溶洞充填性

由于地震正演在解決非均值性強的儲層預測中具有較好效果[11]，因此本文采用地震波場正演模擬的方法預測和描述塔河12區塊的奧陶系縫洞型儲層。

1.1 縫洞模型地震響應的模擬步驟

(1)應用Tesseral 2-D軟件，采用人機交互的方法建立相同洞寬不同洞高情形下的溶洞模型(圖1)。

圖1 地層及溶洞模型示意

(2)對設計的縫洞模型進行網格離散化：考慮背景速度的縱橫向變化程度、所設計的溶洞最小尺度以及差分方程收斂的條件，設計網格的大小。本次模型采用的網格大小為2 m×2 m，由人工給定數值空間插值網格節點上的縱波速度、橫波速度及其密度，網格內的彈性參數為常數。

(3)采用接近實際野外采集的觀測系統和采集參數，進行波動方程正演模擬：為了使得模擬過程更接近于實際地震采集過程、波傳播過程和處理過程，采用與野外地震資料采集時所使用的道間距、最小和最大偏移距、采樣間隔、子波主頻相同的參數，進行炮集記錄正演模擬 (圖2)。試驗工區的每條線長度均為12 000 m，且為了保證正演模型目標區域內均為滿疊以及邊界吸收較好，模擬中在模型的左邊延長了2 000 m，右邊延長大于3 000 m，深度范圍為2 000～6 000 m。

模擬的具體采集參數為：道間距15 m，炮間距100 m，最小偏移距50 m，最大偏移距3 630 m，接收道數120道，24次覆蓋，采樣間隔1 ms，子波主頻25 Hz。模型中最小介質速度1 500 m/s，計算網格間隔為2 m×2 m。

圖2 相同洞寬不同高度情形下的縫洞模型對應的合成地震共炮點記錄示意

(4)對炮集記錄進行常規地震資料處理，獲得水平疊加時間剖面和疊加時間偏移剖面 (圖3)。

圖3 與溶洞對應的疊加時間偏移剖面

1.2 精細地層模型建立

為了更好地表達洞穴模型的響應特征，必須首先建立石炭系-奧陶系(地震T56-T74反射層)細化地層地質模型。嚴格按照本區地震資料的采集、處理參數和接近實際的地層埋深、速度、密度等參數(表1)，細化目的層上下小層地質模型。根據測井曲線特征，地震T56反射層-地震T74反射層之間可以細化3～4層速度變化層，依據測井指示速度變化層的平均厚度，細化地震T56-T74反射層附近的小層模型(圖4)。

表1 實際縫洞模型的速度和密度值

圖4 地層模型示意

1.3 溶洞充填性地質模型建立

為使正演結果更具代表性，地質模型的設計重點考慮了洞穴大小漸變過程、淺層溶洞(距離表層<50 m)和深層溶洞(距離表層>50 m)組合出現時的情況。

根據溶洞距表層的距離，將溶洞分為表層洞和中深層洞。洞頂距離表層0～50 m的為表層洞，洞頂距離表層>50 m的為中深層洞。劃分理由是50 m為奧陶系表層T74對應波峰的平均厚度，根據實鉆井正演分析，一般距離表層<50 m，對表層反射影響較大，距離表層>50m ，對表層反射影響較小或者沒有影響。

部分充填洞仍存在孔洞空間，劃歸為未充填洞進行地震分析。本次模型僅考慮全充填和未充填，分別按照全充填和未充填設計溶洞的大小、距離表層距離和洞穴組合。

(1)溶洞大小設計:本區實際鉆井揭示的溶洞單洞縱向大小一般都<25 m，30～50 m的溶洞發育較少。從分辨率角度分析，最大溶洞設計為25 m，是地震可清晰識別的。本輪設計中考慮了2 m、5 m、10 m、15 m、25 m的不同溶洞高度，溶洞橫向大小均為10 m。

(2)雙層溶洞設計:本區主要發育兩層洞，即中上部溶洞和深層洞。中上部溶洞有縱向大小溶洞之分，初步正演模型試驗分析表明，高度<5 m的溶洞對于地震響應影響較小。而深層10 m高度的溶洞發育數量較多，且對地震響應影響比較明顯，因此深層洞高一般設計為10 m。

雙層溶洞洞間距離設計為60 m，主要是考慮多層溶洞如果洞間距離較小，如洞間距離若小于20 m，從地震分辨的角度，認為不能區分；而且60 m對應地震時間約為25 ms左右，對應半個相位的寬度(1個波峰或1個波谷寬度)，是地震相可識別的一個比較合適的視分辨率范圍，距離表層60 m的溶洞一般屬于深層洞，對奧陶系表層地震反射基本沒有影響。

雙層溶洞充填性的設計主要考慮了4類特征：雙層溶洞均為未充填溶洞，雙層溶洞均為全充填溶洞，上層溶洞為未充填、下層溶洞為全充填，上層溶洞為全充填、下層溶洞為未充填。

(3)暗河條帶特征設計：目標區12區東發育條帶狀強反射，發育暗河特征的溶洞，部分條帶狀強反射充填特征橫向變化上具有較強的地質規律：暗河近源部位為充填，遠源部位為未充填。部分條帶狀強反射充填特征橫向變化沒有地質規律。因此，依據溶洞大小漸變特征建立條帶狀溶洞模型(最大洞設計為50 m，最小到0 m)，并分段設計成充填溶洞和未充填溶洞(圖5)。同時，為了便于對比同等規模的充填洞與未充填洞之間的反射特征，分別建立了50 m、40 m、30 m、20 m、10 m不同規模洞高的相同的充填洞模型與未充填洞模型。

圖5 雙層未充填溶洞設計地質模型

1.4 溶洞充填性正演模擬結果

根據溶洞地質模型，考慮單層溶洞有表層溶洞、中深層溶洞，溶洞又分為未充填和全充填溶洞，設計了8條地質剖面，并分別正演計算得到了相應的8條地震剖面。

1.4.1 表層洞充填性模擬正演

第1條和第2條地震剖面是按照不同沉積背景區，在奧陶系表層設計不同大小的溶洞，分別設計了全充填溶洞和未充填溶洞，目的是為了分析研究表層溶洞形成的反射對地層界面反射產生的影響。正演地震剖面分析發現以下特征：2 m左右的溶洞，無論充填與否，現有地震資料的分辨率下地震難以識別；5m左右充填洞，地震顯示特征整體較弱，但未充填洞對表層界面反射影響是形成“下拉”形態；大于10 m洞，未充填溶洞一般造成表層界面地震反射明顯“上凸”，全充填溶洞對表層地震反射“上凸”特征不明顯，但造成部分表層強反射變弱及峰谷變化。充填洞和未充填洞均能形成內幕強反射，且多數未充填溶洞對應的反射能量更強。

1.4.2 表層與深層復合洞充填性模擬正演

第3條和第4條地震剖面是按照不同沉積背景區內不同大小溶洞的雙層溶洞設計，一條剖面設計的雙層溶洞均為未充填溶洞，另一條剖面設計的雙層溶洞均為全充填溶洞，模擬剖面特征表現為：全充填深層溶洞下部形成的串珠能量很弱，未充填深層溶洞下部則形成強能量的串珠反射。未充填溶洞形成的串珠尾部具有散射和尾部拖長的特征，即“拖尾”現象(圖6)。

圖6 雙層洞正演地震剖面

第5條地震剖面設計上層溶洞為全充填溶洞，下層溶洞為未充填溶洞。正演地震剖面反映出下部未充填溶洞對形成內幕強反射起關鍵作用，表層全充填溶洞小于20 m時，對表層反射影響小或造成表層反射變弱。

第6條地震剖面設計上層溶洞為未充填溶洞，下層溶洞為全充填溶洞。正演地震剖面反映出內幕全充填溶洞形成的串珠較弱，對未充填洞形成的反射影響較小，整體反映的基本都是未充填溶洞的反射特征。

第7條正演模型剖面是根據暗河特征設計，正演地震剖面特征為：①近似規模的溶洞，未充填溶洞反射能量更強，并且相位變寬(變寬為低頻特征)。②全充填溶洞對應的反射能量明顯強于圍巖，屬于較強反射，但能量較未充填溶洞對應反射弱，相位縱向較窄(屬于高頻特征)。

第8條正演模型剖面是依據厚度漸變、考慮未充填與充填溶洞等厚而建立的條帶狀溶洞模型，單層洞地震反映特征與模型7近似，即同等規模溶洞中，未充填溶洞對應地震反射能量強、頻率低。此外，還探討了雙層洞間距變化引起的影響：未充填雙層洞間距10 m，能量強，類似單層洞；未充填雙層洞間距20 m，反射能量略微變弱，但相位變得更寬(低頻特征更強)；未充填雙層洞間距30 m(大于25 m分辨率)，振幅變弱，且變為復波特征，縱向相位變得更寬。另外，當全充填與未充填組合出現時，形成的反射與未充填溶洞地震特征近似。

2 基于正演模型的地震相識別溶洞充填特征

2.1 串珠反射特征對比分析

串珠反射雖然整體外形特征近似，但仍有一些細節的變化，通過精細對比這些細節和對區內鉆遇串珠且具有溶洞發育的鉆井進行充填性質與正演模型地震相特征對比分析[8-11]，可研究溶洞的充填特征。發現未充填溶洞多數都具有串珠頂部上凸、下部拖尾或者串珠的下部多形成倒三角形(圖7)。

圖7 典型未充填溶洞地震剖面

全充填溶洞為正常低速層，一般不會出現由于速度異常引起上下圍巖反射波形的明顯“上凸、拖尾”等現象，全充填溶洞的串珠多為穩定無形變(圖8)。根據這種基于速度異常造成地震相異常的結論認識，預測洞穴充填性符合率達86%。

圖8 典型全充填溶洞地震剖面

2.2 條帶狀暗河特征對比分析

對于條帶狀暗河也可根據前述地震屬性、暗河的走向等進行對比分析。溶洞充填與否和振幅大小、延伸平直或者彎折沒有明顯關系。研究區12區東暗河溶洞規模大，且現有鉆井多數揭示為全充填，少部分為未充填。通過不同方向地震剖面對比，認為利用多方位的橫切平面，從串珠角度分析暗河洞穴充填性是可行的。暗河條帶全充填溶洞形成的串珠平滑穩定，無頂部上拉、底部“拖尾”現象；未充填暗河區溶洞有頂底的反射形變。12區東多井地震相標定結果與鉆遇暗河條帶的井解釋結果全部符合，12區東全充填的溶洞較多，未充填溶洞較少(僅7口井)，且在地震剖面上具有明顯形變的特征(圖9)。

圖9 暗河條帶內解釋未充填的井典型地震相剖面

3 結論

正演結果表明洞高、充填性和雙層洞是否發育在地震反射上具有較明顯特征差異。

(1)洞高小于10 m的溶洞，無論全充填或未充填，反射能量較弱，振幅屬性均難以識別；洞高大于10 m的溶洞，充填洞和未充填洞均能形成內幕強反射，全充填溶洞形成較強反射，未充填溶洞形成反射振幅能量更強。未充填溶洞形成相位變寬的低頻地震反射，全充填溶洞形成相位較窄的相對高頻地震反射。

(2)未充填溶洞形成的串珠“上凸”特征明顯，甚至造成表層地震反射的“上凸”變化，局部可見上覆地層地震反射“下拉”現象。全充填溶洞對表層形成的地震反射“上凸”特征不明顯，全充填大洞(25 m)形成的串珠輕微“上凸”。

(3)未充填溶洞形成的串珠尾部多呈現出“▽”形態(倒三角形)，或形成尾部散射和尾部拖長等“拖尾”現象；全充填溶洞形成的串珠多表現為穩定無形變的特征。

(4)發育的雙層溶洞一般會造成地震反射能量變弱。雙層洞未充填時，洞間距小，深層溶洞下部形成的串珠能量強；洞間距大，則串珠反射能量變弱，低頻特征更明顯，或變成復波特征。雙層洞全充填時，則無論洞間距是大是小，其反射振幅能量都變得更弱。雙層洞包含充填洞和未充填洞時，其串珠反射振幅、頻率特征與未充填洞的近似。

(5)根據條帶狀暗河走向，利用多方位橫切平面，從串珠角度也可分析暗河洞穴的充填性。條帶狀暗河全充填溶洞形成的串珠平滑穩定，無頂部上拉、底部“拖尾”現象；未充填暗河區溶洞有頂底的反射形變。

(6)利用基于正演的地震相識別技術，對未充填溶洞進行識別，符合率達到86%，為研究區尋找未充填溶洞探索出了一套有效的方法，也為尋找物性好的巖溶儲層奠定了技術基礎。