何成江　張慧濤

（1.西南石油大學2.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院）

負向構造塌陷體的地震正演模擬——以塔河油田為例

何成江1，2張慧濤2

（1.西南石油大學2.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院）

位于塔里木盆地沙雅隆起阿克庫勒凸起西南部的塔河油田的外擴評價揭示了負向構造區(qū)也存在油氣富集區(qū)，而在地震處理與解釋上，負向構造塌陷體的縫洞成像與識別難度大。通過建立垮塌巖溶儲層空間分布的地質構造模型，并利用全波場交錯網格差分算法開展正演模擬研究。結果表明，負向構造巖溶塌陷在正演地震剖面上的反射具有表層“下凹”、內幕串珠狀及同相軸“短小”的特征，與圍巖特征存在著明顯的差異，與塌陷體實際的地震剖面吻合度較高；利用疊前深度偏移能夠更加準確地對溶洞塌陷形成的強反射進行歸位，可較為準確地成像地下巖溶系統(tǒng)，通過正演地震成果可指導負向構造塌陷體的識別，對進一步開展巖溶塌陷體識別與刻畫具有重要意義。圖6表2參12

負向構造塌陷體全波場交錯網格差分算法地質模型正演模擬地震反射塔里木盆地塔河油田

0　引言

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏發(fā)育于塔里木盆地沙雅隆起阿克庫勒凸起的西南部，儲集空間主要為溶蝕孔洞、大型洞穴和溶蝕裂縫，其中洞穴和孔洞的儲集性能最好，各類巖溶儲集體的空間展布具有極強的非均質性，空間形態(tài)極不規(guī)則且發(fā)育規(guī)模懸殊，故其縫洞體的預測識別難度大［1-3］。

在塔河油田的開發(fā)過程中，基于“古潛山”巖溶圈閉概念，通過準確識別“殘丘”大型隆起的有利特征，實現了碳酸鹽巖阿克庫勒凸起軸部的高效開發(fā)。隨著開發(fā)對象向巖溶溝谷、洼地等負向構造區(qū)擴展，油田單井產能逐年降低，動用風險不斷增大。近年來塔河油田在外擴評價過程中揭示了局部巖溶溝谷、洼地區(qū)存在較大規(guī)模的巖溶塌陷縫洞，部分井獲得高產油氣，證實此類負向構造區(qū)也存在油氣富集?？抵竞辍Ⅳ斝卤愕热碎_展了有關古洞穴垮塌體地震反射結構與識別方案研究，已經認識到“古殘丘”巖溶塌陷體的主體地震反射為“強振幅”，兩側（垮塌圍巖角礫）邊界的地震反射表現為“雜亂”狀和“串珠”狀。

對于潛力巨大的負向構造區(qū)塌陷體，目前尚無相關地震識別技術支撐，其縫洞成像與識別難度大，故依據借鑒波動方程正演方法原理，利用全波場交錯網格差分算法對負向構造地質模型做正演模擬，對開展巖溶塌陷體識別與刻畫具有重要的指導意義［4-8］。

1　地震波正演理論

地震波場的數值模擬技術是在已知地下介質結構和參數的情況下，利用理論計算的方法研究地震波在地下介質中的傳播規(guī)律并合成地震記錄的一種技術。隨著地震勘探技術的發(fā)展，數值模擬成為貫穿地震數據采集、處理和解釋過程的一種重要方法，在確定觀測系統(tǒng)的合理性，檢驗處理和解釋的正確性等方面有著越來越廣泛的應用。

地震勘探中的數值模擬方法主要以射線理論和波動方程理論為基礎，有射線追蹤法、柯?；舴蚍e分法、有限元法、有限差分法等，本次采用波動方程正演方法原理，利用全波場交錯網格差分算法對地質模型做正演模擬，以反映地質體結構和反射特征。

考慮到碳酸鹽巖溶洞模型復雜性，采用彈性波波動方程模型，不僅考慮密度和縱波的分布，還兼顧了對應橫波的速度，由于橫波速度在模型的某些區(qū)域可以設置為零，故可以用來區(qū)分模型中的固體和液體兩種介質［9-10］。

2　溶洞正演模擬

2.1建立塌陷地質體物理模型

地震正演模型建立在巖溶系統(tǒng)的地質模型基礎上，在設計用于彈性波波動方程模擬的巖石物理模型時，要充分考慮垮塌巖溶儲層的空間展布，且不同地質體具有不同的縱橫波速度和密度。其中，將基巖參數設計為致密并且密度相當大；洞穴系統(tǒng)最底層的部分是由基質和具有粒間孔的硅質碎屑沉積物組成的；上覆崩落的角礫化頂板含有角礫孔隙和基質-粒間孔，甚至是破裂的角礫孔隙。參考Louks描述的塌陷帶地層相分布，在塔河油田奧陶系油藏負向構造評價研究的基礎上，對具有一定代表性特征的巖溶塌陷復合體進行結構簡化，建立地質模型。

負向構造的巖溶縫洞體受地質成因的控制，表現出不同的空間結構和規(guī)模，在與縫洞體發(fā)育主方向斜交或垂直的方向上，具有明顯的負向構造特征。根據對負向構造巖溶縫洞體的研究結果，負向構造的巖溶縫洞體多為多個串珠反射的集合體，形成負向構造的巖溶縫洞體埋藏淺，充填程度相對較弱，洞的塌陷可以在上部形成不同程度的負向構造。塔河油田奧陶系油藏實鉆揭示其大洞發(fā)育機率較低，鉆井鉆遇溶洞的發(fā)育規(guī)模（洞高）89.8%都在20 m以內（表1），因此，在正演模型設計中考慮了三個相鄰溶洞的模型：中間的溶洞最大，設計了兩層溶洞碎屑角礫，單層厚約20 m，兩側溶洞分別設計了兩段溶洞碎屑角礫段，單層厚約10 m。由于負向構造的巖溶縫洞體充填程度相對較弱，溶洞碎屑角礫段應該具有最小的波阻抗，其次為溶穴內的砂泥巖、垮塌洞頂角礫、垮塌圍巖角礫和圍巖（石灰?guī)r）。根據井震結合所得波阻抗的統(tǒng)計，溶洞碎屑角礫段與圍巖有最大的波阻抗差，將圍巖與溶洞碎屑角礫的波阻抗比值設定為1.75，圍巖與碎屑巖的波阻抗比值設定為1.65，圍巖與垮塌洞頂角礫的波阻抗比值設定為1.5，圍巖與垮塌圍巖角礫的波阻抗比值設定為1.25（表2）。

表1　塔河油田奧陶系油藏鉆遇溶洞統(tǒng)計表

表2　實鉆波阻抗參數統(tǒng)計表

建立負向構造塌陷體地質模型如圖1所示，根據常規(guī)測井的不同縫洞儲集體類型相應的縱橫波速度和密度，建立了相應的巖石物理模型。該剖面垂直于縫洞體儲層發(fā)育的主方向，能最大程度地反映負向構造特征。

模型設計相關參數：

圖1　負向構造塌陷體地質模型圖

（1）為模擬縫洞集合體響應，采用了三個相鄰溶洞的模型；

（2）為了模擬地震波調諧作用對地下溶洞識別精度的影響程度，溶洞規(guī)模具有一定差異；中間的溶洞模型由兩個20 m厚的溶洞碎屑角礫組成；兩邊的溶洞模型由兩個10 m厚的溶洞碎屑角礫組成；

（3）對地震數據的分析，主頻為25 Hz，各巖石的波阻抗比值為:

石灰?guī)r/垮塌圍巖角礫=1.25；

石灰?guī)r/垮塌洞頂角礫=1.5；

石灰?guī)r/溶洞碎屑角礫=1.75；

溶洞模型設計寬為2 000 m，高175 m。為了更清晰地找出溶洞特征，在溶洞區(qū)的上面采用了厚層志留系碎屑巖與下伏碳酸鹽巖的高阻抗對比。不同的著色區(qū)塊代表不同的巖性或縱波速度和密度。利用不同的速度和密度來代表不同類型的角礫體，比如垮塌頂板角礫、層間崩落和碎屑物及破裂的頂板角礫。通過不同的值來表現盡可能多的非均質性，便于觀察地震正演成果識別的精度。

2.2正演模擬

在復雜油氣藏勘探過程中，地震正演模型和分析是以地震響應分析為基礎的，首先建立各種復雜油氣藏的地質模型，然后通過地震正演模擬得到一系列的地層地震響應，以提高地震資料解釋的準確度，降低地震資料解釋過程中的風險。

溶洞模型正演模擬參數設置及流程如下：

（1）根據測井和巖石物理參數設計好相關速度模型；

（2）用高精度的有限差分算法可以計算各炮在各個時刻的波場值（波場快照和單炮記錄）；

（3）為了能夠準確地描述地質模型中塌陷地質體的溶洞儲層分布，模型采用的網格大小為2 m×2 m，網格節(jié)點上的縱波速度、橫波速度及密度由人工給定的數值進行空間插值，網格內的彈性參數為常數；

（4）為盡可能地貼近實際工區(qū)地震采集參數，同時又不影響地震正演模擬的計算精度，在正演模擬過程中對觀測系統(tǒng)參數設置如下：采用單邊激發(fā)，炮間距50 m，最小偏移距30 m，道間距20 m，每炮100道接，采樣間隔0.4 ms，采樣深度600 ms；

（5）基于模型速度，對每個炮點記錄進行水平疊加和疊后偏移，按照波動方程正演理論，得到頻率為25 Hz的溶洞地質模型的正演地震剖面。

基于地質模型的正演速度模型如圖2所示：

實際模擬過程中，為了驗證模型的適用性，采用了相對較快的估計反射波時間和振幅的垂直入射模型，該方法假設地震能量傳播是嚴格垂直的一維傳播。可以由垂直波場模擬得到的地震時間剖面看到，對應地質模型溶洞區(qū)域出現了不連續(xù)的強短軸反射，匹配關系較好（圖3）。

圖2　正演速度模型圖

圖4是彈性波動方程計算得到的炮集的水平時間疊加剖面和對應的疊后偏移剖面對比，從水平疊加剖面可以看出，溶洞產生的繞射波特征比較明顯，同時也看到“短軸”反射出現的位置和溶洞位置一致，溶洞區(qū)域同相軸連續(xù)性變差，強弱反射互層。經過疊后偏移處理后的地震剖面繞射波收斂，傾斜層歸位，橫向分辨率提高，可以看到比較明顯的溶洞的“串珠狀反射”特征。

圖5是彈性波動方程計算得到的炮集在分別進行過疊前時間偏移PSTM和疊前深度偏移PSDM后的溶洞正演模擬結果對比。偏移結果表明，疊前深度偏移較疊前時間偏移能夠更加準確地對溶洞塌陷形成的強反射（串珠反射）進行歸位，達到較為準確地成像地下巖溶系統(tǒng)的目的。

圖3　垂直波場得到的地震剖面圖

圖4　水平疊加（左）和疊后偏移（右）正演時間剖面圖

圖5　疊前時間（左）和疊前深度偏移（右）正演時間剖面圖

2.3實際地震剖面對比

圖6為實際鉆遇負向構造塌陷體的過井地震剖面，可以看出，實鉆塌陷體上部地層存在明顯“下凹”，形態(tài)與志留系和奧陶系分界面起伏相似，“下凹”的程度向上逐漸減小，T74層位之下，塌陷主體發(fā)育強振幅的多個串珠反射，與周圍致密原巖有明顯不同。負向構造塌陷體的地震正演模擬結果（圖4、圖5）與實際地震剖面的表現形式非常接近，可有效指導負向構造區(qū)塌陷體識別。

圖6　曲率屬性識別的負向構造區(qū)分布圖（左）和兩條實際地震剖面圖（右）

儲層負向構造正演模擬表明，負向構造塌陷體，由于巖溶角礫與圍巖的波阻抗差，形成了強能量的串珠反射，這一特征可以用于識別可能存在的巖溶儲集體。由于地震波的調諧作用，僅靠地震數據難以確定洞體的位置和厚度，必須輔以井數據的標定（如波阻抗，孔隙度等）和約束。

3　結論

（1）負向構造區(qū)巖溶塌陷具有表層“下凹”，內幕串珠狀、小“短軸”特征，溶洞區(qū)域同相軸連續(xù)性變差，強弱反射相間，與圍巖特征具有明顯差異。

（2）疊前時間偏移和疊前深度偏移的溶洞正演模擬的結果對比證實，疊前深度偏移能夠更加準確地對溶洞塌陷形成的強反射（串珠反射）進行歸位，達到較為準確地成像地下巖溶系統(tǒng)的目的。

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（修改回稿日期2016-06-13編輯陳玲）

何成江，男，1981年出生，工程師；現從事油氣藏開發(fā)研究工作。地址：（830011）新疆烏魯木齊市長春南路466號中石化西北油田分公司科研生產園區(qū)。電話：18999831321。E－mail：46870654@qq.com