萬效國,鄔光輝,謝 恩,張銀濤,高蓮花

(1.中國石油 塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 8410001； 2.中山大學(xué) 海洋學(xué)院,廣州 廣東 510006)

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塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)碳酸鹽巖斷層破碎帶地震預(yù)測

萬效國1,鄔光輝2,謝 恩1,張銀濤1,高蓮花1

(1.中國石油 塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 8410001； 2.中山大學(xué) 海洋學(xué)院,廣州 廣東 510006)

碳酸鹽巖斷裂帶往往具有較寬闊的破碎帶，是縫洞體儲層發(fā)育的有利部位，斷層破碎帶的識別與預(yù)測對油氣井位的優(yōu)選具有重要意義。在塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖井-震響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，通過地震方法與技術(shù)的對比分析，利用相干加強(AFE)與裂縫地震相分析技術(shù)，結(jié)合地震均方根振幅、地震曲率、縫洞體雕刻等多技術(shù)手段，可以進行碳酸鹽巖斷層破碎帶的預(yù)測與刻畫。結(jié)果表明,哈拉哈塘地區(qū)碳酸鹽巖斷層破碎帶沿斷裂帶條帶狀、扇狀展布，一般具有200～2 500 m的較寬范圍，與鉆探結(jié)果吻合程度高。哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖大型縫洞體儲層的分布受控于斷層破碎帶，破碎帶規(guī)模越大，縫洞體越發(fā)育。

破碎帶寬度；走滑斷裂；碳酸鹽巖；塔里木盆地

斷裂帶通常具有由斷層核和破碎帶組成的復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)，不僅是自然科學(xué)研究與工程應(yīng)用研究的熱點和難點[1-3]，而且與油氣運聚成藏關(guān)系密切[4-5]。斷層破碎帶是裂縫發(fā)育的變形帶，可能寬達數(shù)千米[3,6]，具有復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造變形、流體-巖石作用和滲流作用[3-8]，是斷裂帶儲層發(fā)育與流體作用的主體部位，其結(jié)構(gòu)特征與變形作用引起廣泛關(guān)注[3,5-6]，變形機制及其對滲流作用研究取得重要進展。由于斷層破碎帶非均質(zhì)性強烈，與圍巖一般漸變過渡，而且含油氣盆地內(nèi)部資料有限，井下識別與預(yù)測困難，一般進行地質(zhì)模型研究與地震預(yù)測[2,5,7]。

塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖是石油勘探與開發(fā)的重點領(lǐng)域，油氣主要沿斷層破碎帶分布，其識別與預(yù)測對油氣井位優(yōu)選與評價具有重要意義。本文在斷裂帶精細解釋的基礎(chǔ)上，通過地震信息的篩選，優(yōu)選斷層破碎帶識別與描述的有效方法與技術(shù)，為碳酸鹽巖油氣高效勘探開發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

哈拉哈塘地區(qū)位于塔里木盆地塔北隆起輪南低凸起奧陶系潛山西部[9]，整體為向西南傾伏的鼻狀構(gòu)造，面積達8 000 km2。本區(qū)顯生宙地層齊全，主要目的層為上奧陶統(tǒng)良里塔格組、中奧陶統(tǒng)一間房組和中-下奧陶統(tǒng)鷹山組灰?guī)r，厚度逾500 m，碳酸鹽巖頂面埋深在6 000～7 500 m。

哈拉哈塘地區(qū)斷裂發(fā)育，以走滑斷裂為主，主要分布在下古生界碳酸鹽巖地層，發(fā)育北西向與北東向兩組方向斷裂系統(tǒng)。發(fā)育于志留系—二疊系的斷裂主要為直立型、半花狀為主，多為繼承性發(fā)育，但發(fā)生性質(zhì)轉(zhuǎn)換。中生界走滑斷裂集中在北部，沿早期北東向大型走滑帶發(fā)育一系列雁列構(gòu)造，形成一系列微型地塹。走滑斷裂主要發(fā)育在加里東晚期、晚海西期和燕山期3個階段。

哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲層以灰?guī)r為主，主要發(fā)育大型縫洞體儲層[9-11]，沿斷裂帶2 km范圍內(nèi)分布，向南部主要集中在斷層破碎帶內(nèi)。本區(qū)油氣資源豐富[10]，已發(fā)現(xiàn)含油面積達3 000 km2，主要沿大型縫洞體分布。不同于碳酸鹽巖原生孔隙型儲層，碳酸鹽巖油水產(chǎn)出變化大，同一部位或同一口井都可能出現(xiàn)不同的生產(chǎn)特征，70%以上油氣產(chǎn)量來自于不到30%的高效井，且均位于大型斷層破碎帶上。

2 斷層破碎帶刻畫方法

斷層破碎帶是圍繞斷層核周圍受斷裂發(fā)育及其相互作用形成的變形地質(zhì)體[4,6]，并以裂縫發(fā)育為特征，具有與圍巖不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖石物理特征[5,12-13]。由于裂縫帶的發(fā)育通常在地震資料上存在不同于圍巖的地球物理特征[13-15]，因此，通過不同地震儲層預(yù)測與描述方法技術(shù)的對比分析，可以優(yōu)選有效的技術(shù)手段，從不同角度刻畫斷層破碎帶的特征。

2.1 斷層破碎帶地震響應(yīng)特征

塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖往往具有較寬斷裂帶，通過井-震標(biāo)定，可以識別出與圍巖不同的地震響應(yīng)特征(圖1)。

斷層核多發(fā)生在相對較窄的高應(yīng)變帶，包含斷層泥、構(gòu)造角礫、碎裂巖、超碎裂巖及局部滑動帶[4-7]。地震資料上，斷層核通常表現(xiàn)為雜亂無連續(xù)波組，弱振幅或局部異常強振幅，高頻異常，波形錯斷、分叉或無反射。

破碎帶可以分為內(nèi)帶與外帶。內(nèi)帶鄰近斷層核，與斷層核突變接觸或漸變接觸。破碎帶內(nèi)帶發(fā)育多組方向的裂縫[4-7]，形成裂縫密集分布區(qū)域，局部構(gòu)造變形強烈，形成角礫巖、碎裂巖發(fā)育區(qū)，地層不連續(xù)，碳酸鹽巖內(nèi)部沒有明顯的地層界面與波阻抗界面。斷層破碎帶內(nèi)帶在地震資料上通常呈弱振幅，波組不穩(wěn)定、波形變化大，同相軸突變，發(fā)生扭曲、分叉。破碎帶內(nèi)帶與斷層核通常連為一體，表現(xiàn)為雜亂弱振幅，區(qū)分困難。

斷層破碎帶外帶以裂縫發(fā)育為特征[4-7]，通常以單一的1～2組裂縫為主。裂縫發(fā)育程度較內(nèi)帶明顯降低，地層連續(xù)性好，缺少角礫巖與碎裂巖，在地震剖面上通常呈現(xiàn)同相軸連續(xù)，振幅減弱，頻率降低的特征。破碎帶外帶與內(nèi)帶、圍巖呈漸變關(guān)系，常規(guī)地震剖面通常較難識別外帶的分布，需要精細的裂縫與儲層預(yù)測方法判識。

2.2 地震均方根振幅屬性

振幅是地震波的主要屬性之一，與地震反射系數(shù)密切相關(guān)。地震均方根振幅則是將振幅平方的平均值再開平方，對振幅異常敏感，與碳酸鹽巖縫洞系統(tǒng)密切相關(guān)[14-16]，在塔里木盆地海相碳酸鹽巖地震儲層預(yù)測中得到廣泛的應(yīng)用。碳酸鹽巖斷層核與斷層破碎帶的內(nèi)帶由于裂縫系統(tǒng)和大型縫洞體發(fā)育，往往容易形成地震振幅異常響應(yīng)。通過典型實例對地震數(shù)據(jù)體的振幅等地震屬性與斷層破碎帶的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)均方根振幅屬性對斷層破碎帶具有較好的響應(yīng)(圖2)。異常的均方根振幅多沿斷層破碎帶分布，呈條帶狀展布，或是團塊狀分布。由于斷層破碎帶外帶廣大范圍內(nèi)的裂縫不足以形成明顯的振幅異常響應(yīng)，振幅屬性往往難以反映破碎帶外帶。

圖2 哈拉哈塘地區(qū)奧陶系一間房組頂面均方根振幅屬性平面圖Fig.2 Root-mean-square amplitude attribute map on the top of the Ordovician Yijianfang Formation in Halahatang area(圖中紅色-黃色代表均方根振幅異常區(qū)域)

2.3 地震曲率屬性體與裂縫地震相

地震曲率屬性通過描述地下曲面的彎曲程度，來預(yù)測與識別微小斷層、縫洞體和裂縫帶[17]。與地震傾角屬性不同，地震曲率屬性能更好地描述儲層的斷裂特征和垂向上的非連續(xù)性。通過曲率屬性的提取分析，發(fā)現(xiàn)最大曲率屬性較好地反映了與斷裂和巖溶作用相關(guān)的裂縫帶。在最大曲率屬性剖面上(圖3a)，微斷裂和裂縫帶往往表現(xiàn)為黑色的線狀構(gòu)造特征(較大的曲率值)，在橫向上可切割儲層。曲率屬性提供了成像斷裂系統(tǒng)、描述裂縫帶空間分布的有效工具。

利用地震反射傾角、最大曲率和非連續(xù)性屬性進行地震相分析，可以有效地從這些地震幾何屬性中提取出與微斷裂-裂縫相關(guān)的共同特征，并對微斷裂-裂縫進行識別和幾何尺度意義上的分級[18]。微斷裂-裂縫通道會表現(xiàn)為大的地震傾角值、大的最大曲率值和小的地震相似性，地震相空間的分布可以作為斷層破碎帶劃分與分級的依據(jù)。地震相分析結(jié)果與斷層破碎帶分布對應(yīng)較好(圖3b)，微斷裂與大型裂縫帶沿斷裂帶密集分布，具有較強的地震相，與斷層核和斷層破碎帶內(nèi)帶位置相當(dāng)。周邊分布是更為廣泛的次級規(guī)模的地震相(黃色、綠色)，為破碎帶的主體部位。遠離斷裂帶的藍色地震相代表圍巖分布區(qū)。

2.4 相干加強(AFE)裂縫預(yù)測

相干體是對地震數(shù)據(jù)道之間相似性的數(shù)學(xué)描述，能清晰指示地層的非連續(xù)性，直接從3D地震數(shù)據(jù)體中定量地得到斷層和地層特征[14-15]。

常規(guī)相干屬性可以定性判斷斷層的展布(圖4a)，對斷層破碎帶的寬度及大型縫洞體的團塊狀、點狀為地震“串珠”也有一定的響應(yīng)。但由于哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖埋深大、地震分辨率較低，常規(guī)相干屬性對斷層破碎帶的邊界、裂縫帶的發(fā)育與分布響應(yīng)模糊。

高精度相干加強裂縫掃描技術(shù)(AFE)可以將一定范圍內(nèi)的相干信息按照一定的參數(shù)進行線性組合，通過線性加強，最終得到裂縫掃描結(jié)果[19]。然后利用測井解釋結(jié)果來標(biāo)定與檢查驗證，從而預(yù)測裂縫發(fā)育區(qū)，確定斷層破碎帶的分布范圍(圖4b)。結(jié)果表明，新墾-熱瓦普區(qū)塊裂縫密集程度受控于斷裂帶，總體上分為北東-南西走向和北西-南東走向兩組斷層破碎帶，與區(qū)內(nèi)發(fā)育的X型大斷裂的延伸方向一致。另外，工區(qū)內(nèi)還發(fā)育其它方向延伸的微裂縫，其方向規(guī)律性不強，主要為巖溶裂縫和受各期構(gòu)造運動影響形成的構(gòu)造縫。測井約束的AFE研究成果可以直觀反映裂縫的發(fā)育程度和發(fā)育特征，與鉆探實際吻合較好，該技術(shù)是研究碳酸鹽巖斷層破碎帶發(fā)育特征的有效手段。

圖3 哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖頂面曲率屬性體(a)和裂縫地震相沿層切片(b)Fig.3 Curvature attribute (a) and horizon slice of fracture seismic facies (b) on the top of the Ordovician carbonate in Halahatang area(a.黑色代表較大曲率。b.紅色、橘黃色代表微斷裂與大型裂縫帶，黃色、綠色代表裂縫發(fā)育區(qū)，藍色代表基質(zhì)分布區(qū)。)

圖4 哈拉哈塘地區(qū)奧陶系一間房組頂相干平面圖(a)與AFE裂縫預(yù)測平面圖(b)Fig.4 Coherence graph (a) and AFE fracture map (b) on the top of the OrdovicianYijianfang Formation in Halahatang area(a.黑色為極弱相干，條帶狀弱相干主要為斷裂響應(yīng)；淺黑色-深灰色為中弱相干，指示小斷裂、裂縫；團塊狀、點狀為強相干，為大 型縫洞體的響應(yīng)。b.黃色為裂縫帶發(fā)育部位，線條方向代表裂縫帶走向，顏色加深代表裂縫帶密度加強。)

2.5 縫洞體雕刻

近年來，縫洞體雕刻技術(shù)在碳酸鹽巖儲層預(yù)測與評價中發(fā)揮了重要作用[14-16]?？p洞體雕刻在利用地震體幾何屬性信息進行地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合單井測井相建模、構(gòu)造信息、反演波組抗信息，求取縫洞連通體有效孔隙度地質(zhì)模型，雕刻有效孔隙度體，計算出有效儲集空間。

通過井區(qū)的實鉆對比分析表明，大型縫洞體儲層基本分布在斷層破碎帶，其形成和分布與斷層破碎帶密切相關(guān)(圖5)。大型縫洞體主要分布在斷層破碎帶的內(nèi)帶，在外帶也有分布，其外邊界與斷層破碎帶的邊界大體一致，具有很好的對應(yīng)關(guān)系，可以用來劃分斷層破碎帶的分布。

綜合各種方法、技術(shù)特點與適用條件，地震均方根振幅與曲率可以進行斷層破碎帶展布分析，刻畫斷層核-破碎帶內(nèi)帶較發(fā)育的區(qū)塊。相干加強(AFE)結(jié)合裂縫地震相可以進行斷層破碎帶的平面分帶分塊劃分對比。相干加強(AFE)、縫洞體雕刻與地震屬性結(jié)合可以進行局部有利斷層破碎帶發(fā)育區(qū)的刻畫與預(yù)測。

3 斷層破碎帶分布

通過地震方法與技術(shù)優(yōu)選，可以綜合進行斷層破碎帶的劃分與描述。在斷層與層位精細解釋的基礎(chǔ)上，大體確定斷裂帶的展布。通過地震均方根振幅屬性、地震曲率分析，進行斷層破碎帶分布的初步劃分。結(jié)合鉆井資料的標(biāo)定，重點進行相干加強裂縫帶的預(yù)測，并輔以其他疊前與疊后裂縫預(yù)測資料，厘定斷層破碎帶的平面分布范圍(圖6)。繼而在局部縫洞體雕刻與儲層裂縫預(yù)測資料的基礎(chǔ)上，進行斷層破碎帶的內(nèi)部分段與分塊，開展次一級的細分。

通過多種方法的刻畫，哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖斷層破碎帶沿斷裂帶呈條帶狀分布，斷裂兩盤的破碎帶多不對稱，主要集中在其中一盤。沿走向上形態(tài)與發(fā)育程度變化大，具有分段性，單一斷裂多呈條塊狀展布，斷層疊覆區(qū)多呈條帶狀，有分支斷裂或斷裂相交則多呈撒開的扇形。斷層破碎帶輪廓寬度較大，寬度變化范圍一般在200～2 500 m。部分發(fā)育部位寬達3 000 m，多條斷裂帶疊合部位逾5 000 m，遠大于數(shù)百米范圍的垂向斷距。而世界其他地區(qū)斷裂規(guī)模較大時,斷距多大于破碎帶的寬度[3,6,20]。斷層破碎帶的成因受斷裂的性質(zhì)、規(guī)模、局部應(yīng)力場和巖性等多因素控制[2,4-6,20-22]。本區(qū)可能與奧陶系碳酸鹽巖巖性、走滑斷層及多期構(gòu)造作用相關(guān)，受多種因素影響。

結(jié)合巖心物性統(tǒng)計與地震儲層預(yù)測分析(圖2，圖5，圖6)，哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞體儲層發(fā)育，并主要集中在斷層破碎帶上。哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙度一般小于3%，滲透率一般小于1×10-3μm2，油氣基本來自大型縫洞體[14-16]。而斷層破碎帶裂縫發(fā)育，不僅可以使?jié)B透率增加1～3個數(shù)量級，而且有利于巖溶和埋藏溶蝕作用形成大型縫洞體儲層[16]。由此可見，斷層規(guī)模越大，斷層破碎帶越發(fā)育，縫洞體儲層分布也越多，縫洞體規(guī)模也越大。大型斷裂帶上，破碎帶寬度往往大于1.5 km，大型縫洞體儲層也可能延伸2 km范圍。而小規(guī)模斷裂帶的斷層破碎帶往往較窄，多小于1 km，縫洞體分布多在800 m范圍內(nèi)。距斷層核越近，縫洞體越發(fā)育，單個縫洞體規(guī)模也較大。統(tǒng)計分析，大型縫洞體多集中在距斷層核1.2 km范圍內(nèi)。

通過鉆井與生產(chǎn)資料分析，在遠離哈拉哈塘奧陶系風(fēng)化殼以南的內(nèi)幕區(qū)，絕大多數(shù)油流井與斷層破碎帶密切相關(guān)。統(tǒng)計表明90%以上的高產(chǎn)油流井位于斷層破碎帶范圍內(nèi)，僅有極少量破碎帶之外的井獲得高產(chǎn)，揭示斷層破碎帶對低孔、低滲致密碳酸鹽巖油氣產(chǎn)出的重要性。更值得關(guān)注的是，累計產(chǎn)量大于2×104t的高效井都分布在距主斷層核1.5 km的破碎帶范圍內(nèi)，揭示高效井的分布受控于破碎帶，與鉆前預(yù)測一致。而大于2.5 km的鉆井很難獲得穩(wěn)定的產(chǎn)能，分析多位于破碎帶的外圍區(qū)或不在破碎帶范圍內(nèi)。然而，并非鉆遇斷層破碎帶就一定獲得高產(chǎn)。雖然少部分井鉆前預(yù)測破碎帶發(fā)育，實鉆卻未鉆遇裂縫發(fā)育帶，但通過側(cè)鉆獲得成功，可見井點選擇雖有一定誤差，但破碎帶預(yù)測基本可行。還有少部分井(小于10%)預(yù)測在破碎帶內(nèi)，但實鉆為致密帶，這類“破碎帶”還需要進一步地震攻關(guān)與破碎帶預(yù)測方法的提升。

圖5 哈拉哈塘地區(qū)奧陶系一間房組頂儲層縫洞體雕刻圖Fig.5 Reservoir fracture-cave description on the top of the Ordovician Yijianfang Formation in Halahatang area

圖6 哈拉哈塘地區(qū)奧陶系一間房組頂斷層破碎帶劃分Fig.6 Fault damage zone division of the Ordovician Yijianfang Formation in Halahatang area

4 結(jié)論

1) 哈拉哈塘地區(qū)奧陶系斷層破碎帶可以利用地震均方根振幅與曲率判別斷層核-破碎帶內(nèi)帶，利用相干加強(AFE)結(jié)合裂縫地震相進行區(qū)帶劃分，相干加強、縫洞體雕刻與地震屬性結(jié)合進行局部破碎帶發(fā)育區(qū)的刻畫與預(yù)測。

2) 哈拉哈塘地區(qū)一間房組斷層破碎帶沿斷裂帶條帶狀或扇狀展布，一般具有200～2500 m的較寬范圍。斷層規(guī)模越大，斷層破碎帶越寬。

3) 哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖大型縫洞體儲層主要分布在斷層破碎帶，受控斷層破碎帶的規(guī)模與部位，并為實際鉆井所驗證。

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(編輯 張玉銀)

Seismic prediction of fault damage zones in carbonates in Halahatang area,Tarim Basin

Wan Xiaoguo1,Wu Guanghui2,Xie En1，Zhang Yintao1,Gao Lianhua1

(1.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment，TarimOilfieldCompany，PetroChina,Korla,Xingjiang841000，China；2.SchoolofMarineSciences，SunYat-senUniversity，Guangzhou，Guangdong510006，China)

Carbonate fault zone often has relatively wide damage zone,which is favorable for the development of fracture-cave system,and its identification and prediction is of great significance for oil/gas target optimization.On the basis of well-seismic responses analysis of the Ordovician carbonates in Halahatang area of the Tarim basin,comparative analysis of various seismic techniques reveals that the carbonate fault fractured zone can be identified and described by using coherent enhancement technique(AFE) and fracture seismic facies analysis technique,combining with the seismic root-mean-square amplitude,seismic curvature and fracture-cave system description.The results show that the carbonate fault damage zones are in stripped,fan-shaped distribution along the fault zone,generally with a width of 200-2 500 m，which have good agreement with the well data.The fault fractured zone controlled the distribution of large scale fracture-cave system,and the wider the damage zone is,the larger the fracture-cave system is.

damage zone width,strike-slip fault,carbonate rock,Tarim Basin

0253-9985(2016)05-0786-06

10.11743/ogg20160519

2015-07-22;

2016-07-10。

萬效國(1984—)，男,工程師，地震解釋與儲層預(yù)測。

國家科技重大專項(2011ZX05004-004)。

P631

A