劉 波, 王 瑞, 許 剛, 陳柏平

(1.河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038; 2. 中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院,上海 200120; 3.中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司勘探事業(yè)部,甘肅 敦煌 736202; 4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地測學(xué)院,北京 100083)

0 引言

20世紀(jì)80年代以來,古巖溶縫洞儲(chǔ)集體一直是全球油氣勘探與開發(fā)的重要目標(biāo)儲(chǔ)層,縫洞儲(chǔ)集體的研究成為熱點(diǎn)[1-3]。我國西部奧陶系發(fā)育碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層,是在巖溶作用下的洞穴、孔洞以及裂縫的儲(chǔ)層系統(tǒng)。該儲(chǔ)層在區(qū)域構(gòu)造作用下,首先形成大斷裂,之后地層抬升暴露地表,受到大氣水的淋濾作用,地層沿?cái)嗔堰M(jìn)行溶蝕,從而形成有利的儲(chǔ)集空間,屬于斷溶體成藏模式,其中溶洞型油藏賦存了豐富的油氣資源[4-6]。塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層埋藏深且非均質(zhì)性強(qiáng),溶洞儲(chǔ)層在地震剖面上表現(xiàn)為“串珠”強(qiáng)振幅特征,一般認(rèn)為“串珠”頂部的負(fù)反射系數(shù)表征為洞穴頂部[3,7]。裂縫型儲(chǔ)層多發(fā)育在奧陶系碳酸鹽巖頂部不整合風(fēng)化帶附近,在地震剖面表現(xiàn)為雜亂反射或者略強(qiáng)的振幅[8]。碳酸鹽巖頂界與上覆蓋層、碳酸鹽巖洞穴與圍巖都具有較大的反射系數(shù),這種強(qiáng)反射背景導(dǎo)致地震儲(chǔ)層反演彈性參數(shù)受到旁瓣效應(yīng)的影響,導(dǎo)致了奧陶系灰?guī)r頂界儲(chǔ)層彈性參數(shù)異常低值和溶洞儲(chǔ)層頂界彈性參數(shù)異常高值,這是一種不合理的結(jié)果,與實(shí)際鉆探明顯不符,影響儲(chǔ)層解釋與認(rèn)識(shí)。韓東等[9]利用波阻抗反演對(duì)縫洞型儲(chǔ)層進(jìn)行研究,較好地刻畫了溶洞的空間分布; 喻定成等[10]用疊前反演得到多參數(shù)綜合分析碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層,取得了較好的效果; 楊鵬飛等[11]將地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)地震反演技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)層巖相和孔隙度建模中,實(shí)現(xiàn)了縫洞型儲(chǔ)層的定量地震描述。

前人研究成果表明,地震反演技術(shù)在縫洞型儲(chǔ)層已經(jīng)廣泛應(yīng)用。在研究“串珠”類儲(chǔ)層時(shí),發(fā)現(xiàn)反演預(yù)測結(jié)果與地震子波關(guān)系很大,其中子波旁瓣是影響反演結(jié)果是否符合地質(zhì)特征的關(guān)鍵因素,在很大程度上影響儲(chǔ)層的識(shí)別和解釋[12]。低頻信息能有效恢復(fù)地震信號(hào)中缺失的背景信息[13]。碳酸鹽巖洞穴與圍巖都具有較大的反射系數(shù),多數(shù)現(xiàn)有地震資料往往缺少10 Hz以下的低頻信息,有的甚至缺失20 Hz以下的低頻信息,導(dǎo)致速度分析困難,造成深部地層成像差,普遍存在強(qiáng)反射界面反演不合理、不穩(wěn)定以及反演結(jié)果出現(xiàn)異常值等不利影響。因此,要獲得合理的彈性參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層精細(xì)描述,必須要克服強(qiáng)反射界面影響,并提供合理地震低頻信息,建立適用于塔河碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的低頻模型。本文建立了一套壓制旁瓣效應(yīng)的低頻迭代方法,用實(shí)際采集參數(shù)、波動(dòng)方程算法生成的正演地震數(shù)據(jù)做為反演數(shù)據(jù)基礎(chǔ),通過該方法的應(yīng)用研究壓制子波旁瓣效應(yīng),提高儲(chǔ)層定量預(yù)測精度,解決奧陶系碳酸鹽巖強(qiáng)反射界面反演不精確的問題,為致密碳酸鹽巖頂界風(fēng)化帶儲(chǔ)層預(yù)測、恢復(fù)洞穴頂部真實(shí)的彈性參數(shù)值提供思路和方法。

1 研究區(qū)概況

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層是目前我國已發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量規(guī)模最大的深部縫洞型油(氣)藏。鉆井目標(biāo)類別較多,從地震反射特征分析可知,主要分為大—中型洞穴型儲(chǔ)層的串珠狀反射特征和孔洞型儲(chǔ)層的雜亂反射特征[14]。從鉆井資料分析可知,洞穴型儲(chǔ)層頂部的物性以及連通性是關(guān)鍵,而孔洞型儲(chǔ)層需要鉆孔直接鉆遇,兩類儲(chǔ)層的物性都比較好,容易發(fā)生放空漏失,屬于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層; 從地震數(shù)據(jù)資料分析可知,這兩類奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層都是受地震強(qiáng)反射系數(shù)影響,洞穴型儲(chǔ)層的強(qiáng)反射系數(shù)是致密碳酸鹽巖圍巖和溶洞造成的(圖1),塔河油田區(qū)域內(nèi)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層上覆巴楚組、桑塔木組、良里塔格組為低阻抗泥巖或者泥灰?guī)r蓋層,該低阻抗巖層致密碳酸鹽巖形成連續(xù)強(qiáng)反射系數(shù),而孔洞型儲(chǔ)層主要發(fā)育在該套致密碳酸鹽巖頂部的風(fēng)化帶內(nèi),受到上覆地層形成的強(qiáng)反射系數(shù)的影響。地震構(gòu)造解釋結(jié)果表明,上述兩種儲(chǔ)層的頂界是較為容易識(shí)別的,但對(duì)于儲(chǔ)層描述來說,構(gòu)造解釋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,需要開展儲(chǔ)層反演,獲得合理的儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行碳酸鹽巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)[15]。由于洞穴型和孔洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的鉆井成本較高,因而非常依賴地震數(shù)據(jù)儲(chǔ)層描述,儲(chǔ)層地震反演是最為重要的預(yù)測數(shù)據(jù)依據(jù)之一,在反演過程中壓制地震強(qiáng)反射的影響至關(guān)重要。

(a) 碳酸鹽巖洞穴型儲(chǔ)層地震“串珠”特征 (b) 碳酸鹽巖洞穴型儲(chǔ)層地質(zhì)特征

圖1 碳酸鹽巖洞穴型儲(chǔ)層地震“串珠”特征及地質(zhì)特征Fig.1 Seismic “beading” characteristics and geological characteristics of carbonate cavernous reservoir

為了更加直觀展示在地震儲(chǔ)層反演過程中通過壓制強(qiáng)反射界面旁瓣效應(yīng)獲得合理地質(zhì)參數(shù)的效果,本文基于全三維波動(dòng)方程正演合成得到的地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展研究[16]。該地震數(shù)據(jù)基于塔河實(shí)際工區(qū)觀測系統(tǒng)參數(shù)及資料主頻,在模擬過程中采用理論30 Hz的雷克子波作為震源子波,開展三維波動(dòng)方程有限差分法正演模擬合成地震炮集,采用柯西霍夫疊前時(shí)間偏移對(duì)地震炮集進(jìn)行處理,獲得三維偏移地震結(jié)果,通過這一數(shù)據(jù)處理流程最大程度模擬實(shí)際的地震數(shù)據(jù)[17]。所得到的地震數(shù)據(jù)是進(jìn)行后續(xù)儲(chǔ)層反演的基礎(chǔ),在整個(gè)反演過程中采用的地震子波是地震炮集正演模擬所用的震源子波,采集模擬和反演解釋采用相同的地震子波。雖然實(shí)際地震記錄到的子波與震源子波會(huì)有變化,可能會(huì)變成非零相位的,但地震子波具體變化分析比較困難,且會(huì)增加不確定性,因此,本文地震炮集正演模擬和處理過程盡量保證地震子波的零相位化。為了保證研究過程的連貫性以及減少不確定偏差的影響,本文采用30 Hz雷克子波作為地震子波。

2 強(qiáng)反射子波旁瓣效應(yīng)

地震子波旁瓣效應(yīng)是子波缺少低頻成分導(dǎo)致的。Knapp等[18]已經(jīng)對(duì)低頻成分對(duì)子波旁瓣效應(yīng)的影響進(jìn)行了論述,并指出可以通過增加低頻成分來壓制旁瓣效應(yīng),但是子波旁瓣完全壓制在數(shù)學(xué)方法上不能完全實(shí)現(xiàn)。只要是帶限數(shù)據(jù)就會(huì)形成子波旁瓣效應(yīng),表現(xiàn)為在一定時(shí)間范圍內(nèi)地震上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)真主瓣反射同向軸,伴隨若干由旁瓣形成的相對(duì)弱的假反射同向軸。Karsh[19]利用不同低頻截止的子波分析后認(rèn)為,主瓣與旁瓣的比值隨著低頻成分減少而降低,如果數(shù)據(jù)缺少較多的低頻成分,則在強(qiáng)反射系數(shù)界面處會(huì)出現(xiàn)較多強(qiáng)反射特征的假同向軸(旁瓣效應(yīng)),這些假同向軸由于沒有地質(zhì)意義,會(huì)嚴(yán)重影響解釋精度。

圖2為本次研究區(qū)塔河油田奧陶系產(chǎn)生旁瓣效應(yīng)的解釋。圖中地質(zhì)界面1為碳酸鹽巖儲(chǔ)層頂部界面,地質(zhì)界面2為洞穴儲(chǔ)層頂部界面。兩個(gè)反射界面縱波阻抗發(fā)生較大變化,都是強(qiáng)反射系數(shù)界面。地質(zhì)界面1上覆泥巖與致密灰?guī)r波阻抗差異大,產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的強(qiáng)地震同向軸(圖3(a)),會(huì)形成強(qiáng)波峰反射,同時(shí)跟隨強(qiáng)的子波旁瓣(波谷),該旁瓣從常規(guī)反演結(jié)果看是一套在灰?guī)r頂部穩(wěn)定分布的低縱波阻抗(圖3(b)),受子波旁瓣效應(yīng)影響明顯。

圖2 塔河碳酸鹽巖儲(chǔ)層界面示意圖Fig.2 Schematic diagram of carbonate reservoir interface in Tahe

(a) 全波動(dòng)方程正演合成地震數(shù)據(jù)

如圖3(c)所示的正演模擬所用的原始速度場中碳酸鹽巖頂界沒有穩(wěn)定連續(xù)的低速層,所以常規(guī)反演結(jié)果中的碳酸鹽巖儲(chǔ)層頂部穩(wěn)定連續(xù)分布的低縱波阻抗特征是由于地質(zhì)界面1的強(qiáng)子波旁瓣引起的不合理假象。從儲(chǔ)層的角度分析認(rèn)為,碳酸鹽巖頂部風(fēng)化帶中發(fā)育的儲(chǔ)層反射有可能完全與地質(zhì)界面1的旁瓣摻雜在一起,儲(chǔ)層被地質(zhì)界面1的旁瓣完全掩蓋,無法有效地預(yù)測,甚至出現(xiàn)誤判。地質(zhì)界面2是溶洞和致密灰?guī)r圍巖的界面,該界面的波阻抗差異大,在地震上形成強(qiáng)波谷特征,有一系列強(qiáng)反射旁瓣,表現(xiàn)為串珠型強(qiáng)振幅,“串珠”的橫向范圍和垂向范圍與溶洞的大小、充填物相關(guān)。如圖3(b)所示,溶洞頂部是縫洞型儲(chǔ)層鉆探的主要目標(biāo),多數(shù)鉆井在溶洞頂部會(huì)發(fā)生放空漏失,測井曲線上表現(xiàn)為相對(duì)較低的阻抗,但是在常規(guī)反演結(jié)果上由于強(qiáng)反射旁瓣效應(yīng)溶洞頂部表現(xiàn)為高縱波阻抗異常,這與實(shí)際鉆探不符,與初始地質(zhì)模型差異較大,會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層預(yù)測出現(xiàn)誤判,屬于典型的子波旁瓣效應(yīng)造成的儲(chǔ)層高縱波阻抗異常。

3 迭代低頻模型

一般來說地震數(shù)據(jù)去除旁瓣效應(yīng)的根本方法是通過寬頻數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的,但在塔河碳酸鹽巖儲(chǔ)層研究過程中多數(shù)采用常規(guī)地震數(shù)據(jù),而常規(guī)地震數(shù)據(jù)在反演中壓制旁瓣效應(yīng)的方法主要通過在反演過程提供合理低頻模型來實(shí)現(xiàn)。本文基于常規(guī)頻帶的地震數(shù)據(jù),建立合適的低頻模型可以壓制地震反演中強(qiáng)反射界面旁瓣效應(yīng)的影響。塔河碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層具有強(qiáng)非均質(zhì)性和局限性,不能應(yīng)用已知井層位約束插值的方法構(gòu)建低頻模型,因此解決碳酸鹽巖儲(chǔ)層的子波旁瓣效應(yīng)需要從現(xiàn)有地震數(shù)據(jù)和速度場出發(fā),構(gòu)建合理的低頻模型。本次提出的低頻模型構(gòu)建方法利用多輪地震反演成果迭代,達(dá)到去除旁瓣效應(yīng)增加儲(chǔ)層預(yù)測精度的目的。構(gòu)建的低頻模型主要針對(duì)地震儲(chǔ)層反演波阻抗低頻模型中頻率為0～10 Hz部分的信息[20]。圖4為本次新建低頻模型流程圖,首先消除圖2中地質(zhì)界面1的強(qiáng)反射旁瓣效應(yīng),其次在波阻抗反演結(jié)果上進(jìn)行溶洞異常體解釋,進(jìn)而更新低頻模型消除地質(zhì)界面2的強(qiáng)反射旁瓣效應(yīng)。反復(fù)迭代直到建立一個(gè)可靠、準(zhǔn)確的去除子波旁瓣效應(yīng)的反演低頻模型(圖4)。

圖4 優(yōu)化低頻模型反演流程Fig.4 Optimized low-frequency model inversion process

(1)初始低頻模型。利用疊前時(shí)間偏移處理提供的速度場作為初始低頻模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(圖5(a)),通過區(qū)域的巖石物理關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為縱波阻抗低頻模型,并開展第一輪地震反演。

(a) 初始低頻模型

(b) 碳酸鹽巖儲(chǔ)層頂部低頻模型更新

圖5 迭代低頻模型Fig.5 Iterative low-frequency model

(2)碳酸鹽巖儲(chǔ)層頂部界面(地質(zhì)界面1)低頻模型更新。塔河地區(qū)奧陶系圍巖可看做致密碳酸鹽巖,故縱波阻抗值為常數(shù)值,將該數(shù)值與上一輪的反演結(jié)果(非洞穴位置)進(jìn)行差值運(yùn)算,而后分層段進(jìn)行差值統(tǒng)計(jì)分析獲得補(bǔ)償值,并應(yīng)用到第一輪的低頻模型中,進(jìn)而獲得新的第二輪低頻模型(圖5(b)),這一輪低頻模型已經(jīng)消除了部分頂界面的低波阻抗影響,應(yīng)用該模型開展第二輪地震反演。

(3)洞穴儲(chǔ)層頂部界面(地質(zhì)界面2)低頻模更新。利用第二輪的地震反演結(jié)果將溶洞空間分布提取出來,結(jié)合第二步產(chǎn)生的低頻體,迭代建立最終的壓制子波旁瓣低頻模型(圖5(c)),從圖中可以看出,第三輪低頻模型消除了溶洞頂部的高波阻抗影響,在此基礎(chǔ)上開展第三輪地震反演。

低頻模型可以根據(jù)反演結(jié)果是否與鉆遇認(rèn)識(shí)一致不斷迭代優(yōu)化,在儲(chǔ)層地震反演過程中逐漸補(bǔ)充有效的低頻成分壓制強(qiáng)反射旁瓣效應(yīng)。

4 應(yīng)用效果

塔河碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層在地震數(shù)據(jù)上的特征屬于“串珠”形態(tài)(圖6),與圖1特征一致,出現(xiàn)多套波峰波谷組成強(qiáng)振幅反射,對(duì)比模型數(shù)據(jù)可知,地震反射展現(xiàn)的“串珠”并不能從地震上準(zhǔn)確識(shí)別溶洞儲(chǔ)層個(gè)數(shù)與位置。通過地震儲(chǔ)層反演可以將“串珠”聚焦,反應(yīng)出溶洞的數(shù)量和位置,第一輪反演預(yù)測溶洞數(shù)量,反演結(jié)果僅在溶洞底部有虛增的響應(yīng),但是能量較弱,與模型中溶洞個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)較為準(zhǔn)確,第一輪反演應(yīng)用的低頻模型沒有消除強(qiáng)反射旁瓣效應(yīng),生成不合理的反演結(jié)果: 奧陶系致密碳酸鹽巖頂部有一套穩(wěn)定的低縱波阻抗,溶洞頂部出現(xiàn)強(qiáng)高波阻抗,該結(jié)果會(huì)干擾儲(chǔ)層解釋,造成后續(xù)反演解釋為碳酸鹽巖風(fēng)化殼,掩蓋頂部儲(chǔ)層的響應(yīng)特征,造成誤判,嚴(yán)重影響儲(chǔ)量計(jì)算和井位部署; 通過第二輪反演消除奧陶系碳酸鹽巖頂界面的強(qiáng)地震反射在反演過程受子波旁瓣影響,如圖6(b)中藍(lán)色箭頭所示,第二輪低頻迭代反演的結(jié)果壓制了儲(chǔ)層頂部低波阻抗造成的干擾,為尋找有效的孔洞型儲(chǔ)層提供合理的反演成果,降低碳酸鹽巖風(fēng)化區(qū)孔洞型儲(chǔ)層的勘探風(fēng)險(xiǎn); 第三輪反演在去除致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層頂部干擾后,減少洞穴型儲(chǔ)層頂部強(qiáng)反射子波旁瓣效應(yīng)的影響(圖6(c)所示藍(lán)色箭頭),使溶洞頂部的彈性參數(shù)值回歸正常,溶洞頂部位置預(yù)測更為準(zhǔn)確,保證了儲(chǔ)層預(yù)測的精度,為洞穴型儲(chǔ)層的井位靶點(diǎn)選取提供有效支撐。

(a) 未壓制強(qiáng)反射旁瓣效應(yīng)利用初始低頻模型反演結(jié)果(第一輪反演) (b) 壓制碳酸鹽巖頂界強(qiáng)反射旁瓣效應(yīng)的低頻模型反演結(jié)果(第二輪反演) (c) 同時(shí)壓制碳酸鹽巖頂界強(qiáng)反射和溶洞儲(chǔ)層頂部旁瓣效應(yīng)低頻模型反演結(jié)果(第三輪反演)

應(yīng)用該方法迭代低頻模型反演對(duì)于碳酸鹽巖儲(chǔ)層的刻畫有較為明顯的提高,儲(chǔ)層模型更加真實(shí)。但是仍舊有一些不足,包括“串珠”底部的弱虛假儲(chǔ)層、洞穴型儲(chǔ)層間的彈性參數(shù)值不能回歸正常值以及反演溶洞體積偏大,本次研究對(duì)于這些問題進(jìn)行了直觀地暴露,便于后續(xù)研究在研究奧陶系縫洞型儲(chǔ)層時(shí)更加客觀看待反演所預(yù)測的儲(chǔ)層。

5 結(jié)論

(1)奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層反演長期以來對(duì)學(xué)者是比較棘手的問題,強(qiáng)反射界面引起儲(chǔ)層解釋的不確定性往往容易被忽視。本文以最大程度模擬實(shí)測地震數(shù)據(jù)的全波動(dòng)方程正演模擬地震數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),清晰地反映了子波旁瓣效應(yīng)對(duì)于地震反演的影響,說明常規(guī)地震反演會(huì)導(dǎo)致奧陶系碳酸鹽巖頂部的縫洞型儲(chǔ)層產(chǎn)生預(yù)測中出現(xiàn)誤判,主要表現(xiàn)為在該位置出現(xiàn)與實(shí)際地質(zhì)模型不符合的低縱波阻抗,而往往低縱波阻抗被認(rèn)為是有效儲(chǔ)層的特征。

(2)通過分析子波旁瓣效應(yīng)與低頻之間的關(guān)系,利用本次提出的迭代低頻流程方法,有效消除了地震反演過程中強(qiáng)反射子波旁瓣響應(yīng)對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層反演結(jié)果的影響,獲得了合理的彈性參數(shù),使溶洞儲(chǔ)層從個(gè)數(shù)到頂部位置都更符合實(shí)際的地質(zhì)特征,降低了塔河碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層的勘探風(fēng)險(xiǎn)。

(3)火成巖層、煤層等特殊巖性造成強(qiáng)反射界面在地震反演儲(chǔ)層預(yù)測過程中經(jīng)常遇到,去偽存真變得非常重要,本文為解決強(qiáng)反射界面的地震反演提供了一種思路,但是要完全消除這種影響必定要從原始地震數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)方面提升。