鄭多明 ，汪家洪，肖又軍，肖 文，高宏亮

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 841000 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500

引言

碳酸鹽巖縫洞型儲層是塔里木奧陶系重要的油氣產(chǎn)層，該類儲層埋藏較深（6 500～8 000 m），且受后期成巖作用及多期次構(gòu)造運動的復(fù)合影響，儲層空間分布異常復(fù)雜，縱橫向都具有很強的非均質(zhì)性。巖溶孔洞發(fā)育等因素導(dǎo)致地震反射特征異常復(fù)雜，在地震剖面上表現(xiàn)為反射能量不同的“串珠”狀反射特征[1-4]。因此，如何真實有效地建立縫洞型儲層地震響應(yīng)特征與儲層參數(shù)之間的關(guān)系是碳酸鹽巖縫洞體儲層定量描述和油氣預(yù)測的關(guān)鍵[5-11]。

針對碳酸鹽巖縫洞儲層“串珠”狀反射特征，前人利用數(shù)值模擬和物理模擬技術(shù)做了大量研究。在碳酸鹽巖縫洞儲層數(shù)值模擬方面取得了較多成果。唐文榜[12]將溶洞表示為半流體介質(zhì)、含流體松散體介質(zhì)以及含流體致密體介質(zhì)，對溶洞充填物的地震響應(yīng)特征進行了對比分析。姚姚[13]分析和總結(jié)了“串珠狀”反射的地震波場特征，認(rèn)為溶洞橫向尺度對反射振幅的影響比縱向尺度的影響大，并指出應(yīng)以繞射波的觀念對溶洞的反射振幅進行研究。胡中平[14]和葉勇等[15]先后分析了縫洞體形成“串珠狀”反射的基本原理，發(fā)現(xiàn)縫洞體的多次繞射波成像是“串珠狀”反射的本質(zhì)，并進一步討論了影響“串珠狀”反射能量強弱的因素。孫東等[6]對比分析了溶洞頂?shù)走吔缭凇按榉瓷洹敝械木唧w位置，并嘗試對碳酸鹽巖“串珠狀”反射的地質(zhì)含義進行了初步解釋。朱仕軍等[16]總結(jié)了溶洞在正演偏移剖面上最大波峰振幅與溶洞大小的關(guān)系，同時對波形做了相關(guān)分析。孫萌思等[17]總結(jié)了碳酸鹽巖儲層的地震相特征，建立了典型的基于井震標(biāo)定的地質(zhì)模型，并針對溶洞型、裂縫型及縫洞型儲層進行了系統(tǒng)的正演模擬。

物理模擬技術(shù)被許多學(xué)者用于研究碳酸鹽巖縫洞體的“串珠狀”反射特征，并取得了一些成果。曹均等[18]分析了縫洞體孔隙度和密度變化對地震響應(yīng)的影響，指出地震屬性參數(shù)與縫洞體孔隙度和密度成反比。李瓊等[19]研究了縫洞體的大小、形狀與地震屬性參數(shù)之間的關(guān)系。王立華等[20]研究了溶洞內(nèi)充填物質(zhì)對“串珠反射”的振幅和頻率的影響。李凡異等[21]研究了溶洞寬度對“串珠狀”反射特征的影響，指出溶洞實際尺度與“串珠”尺度之間存在較大差異。唐志遠(yuǎn)等[22]利用物理模擬技術(shù)，對縫洞體積進行定量雕刻研究，認(rèn)為縫洞體越大，雕刻誤差越小。Yang 等[23]研究了縫洞體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對其地震反射的影響。Xu 等[24]研究了流體性質(zhì)對“串珠”相對振幅的影響，發(fā)現(xiàn)含油氣溶洞的相對振幅大于含水溶洞。以上工作試圖利用“串珠狀”反射能量的變化建立地震反射特征與縫洞儲層參數(shù)之間的關(guān)系，但對縫洞儲層勘探過程中常見的“串珠反射”與縫洞儲層類型之間的對應(yīng)關(guān)系缺乏系統(tǒng)總結(jié)，且采用的縫洞體模型比較簡單，忽略了上層介質(zhì)對“串珠狀”反射振幅的影響。

本文以實際地震資料為背景，建立全層系的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂不同類型溶洞的三維數(shù)值模型，進行地震波場數(shù)值模擬實驗。在此基礎(chǔ)上，對縫洞體儲層勘探過程中常見的變量類型進行單因素變量控制，研究縫洞儲層的流體類型、強軸干涉距離、縫洞體大小、溶洞間縱向距離、溶洞間橫向距離、充填類型和孔隙度等因素對“串珠狀”反射振幅的影響，為進一步研究縫洞型儲層反射特征以及儲層預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 斷裂和溶洞的全層系三維模型

構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)取自塔里木盆地塔河南地區(qū)，該地區(qū)受后期成巖作用的控制、多期次構(gòu)造與成巖作用的復(fù)合作用下，形成現(xiàn)今的多期巖溶型儲集層，在地震剖面圖形上顯示清晰，模式豐富，斷層的位置和樣式沿走滑斷裂帶走向有較大變化，具有明顯的分段性和典型性[25-27]，因此，選取該工區(qū)作為背景資料構(gòu)建三維模型。

塔里木碳酸鹽巖全層系三維模型主要包括走滑斷裂帶和溶洞兩個部分。它們都是以實際地震資料為背景，利用屬性提取、斷層解釋和縫洞體雕刻等技術(shù)對實際地震資料進行處理，構(gòu)建符合真實地質(zhì)結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂帶模型。

1.1 走滑斷裂三維體建模

塔里木碳酸鹽巖走滑斷裂生長演化主要分為雁列斷裂階段、斷裂連接階段、側(cè)列疊覆階段和辮狀貫穿階段4 個階段，可能會形成線性段、斜列段、辮狀段、疊覆段、雁列段及馬尾段6 種斷裂模式[28]。本文利用實際地震資料具有的斷裂模式，對其在空間上進行精細(xì)解釋，在此基礎(chǔ)上對斷裂進行模式化調(diào)整，使其成為一條符合實際生長規(guī)律的走滑斷裂三維模型，如圖1 所示。

圖1 走滑斷裂三維模型Fig.1 Three-dimensional model of strike-slip fracture

1.2 基于單因素變量條件下建立碳酸鹽巖溶洞模型

為了更好地模擬地下地質(zhì)情況，需利用實際工區(qū)地震資料雕刻溶洞模型。先對實際地震資料提取梯度結(jié)構(gòu)張量第二特征值屬性體，再對梯度結(jié)構(gòu)張量第二特征值屬性進行閾值雕刻，得到實際數(shù)據(jù)溶洞雕刻形態(tài)。為了便于后期對比分析正演數(shù)據(jù)，對溶洞模型進行單因素控制，因此，只選取了實際雕刻數(shù)據(jù)中的形態(tài)相對典型的3 種溶洞，用于構(gòu)建單因素條件下的溶洞模型。在此基礎(chǔ)上，建立了不同的單因素變量控制模式，從左到右依次放入走滑斷裂模型中進行分段對比分析，如圖2 所示，其中，紅色線代表走滑斷裂，藍色點代表溶洞分布。

圖2 走滑斷裂與溶洞平面圖Fig.2 Plan of strike-slip faults and karst caves

1.3 全層系的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂三維模型

以碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂模型為目的層段建模，在實際地質(zhì)資料中埋藏較深，為了更好地模擬地下地質(zhì)情況，將建立全層系的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂模型。先利用白堊系頂?shù)綂W陶系頂?shù)娜珜酉祵游?，結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)以及實際地震剖面偏移速度場，對上覆層狀模型進行速度填充，構(gòu)建上覆層模型。再將構(gòu)建的縫洞體與走滑斷裂三維模型與上覆層模型合并，得到全層系的多種類型碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂匹配的三維模型，如圖3 所示。

圖3 全層系的碳酸鹽巖縫洞體與走滑斷裂三維模型Fig.3 Three-dimensional model of carbonate fracture-vuggy bodies and strike-slip faults in the whole series

2 碳酸鹽巖縫洞體逆時偏移成像及反射特征分析

模擬采用觀測系統(tǒng)為120L2S540R，與實際野外采集觀測系統(tǒng)近似。部分觀測系統(tǒng)參數(shù)為：炮線距750 m，炮間距50 m，接收線距100 m，道間距25 m，最小偏移距25 m，最大偏移距9 005.25 m，采樣間隔2 ms。模擬所用子波提取自目標(biāo)區(qū)域的實際地震資料，再通過統(tǒng)計平均求取，子波主頻為25 Hz。正演記錄如圖4 所示。對比不含溶洞模型與含溶洞模型模擬的單炮記錄，從圖4b 可以清晰地看出溶洞產(chǎn)生的繞射波。對正演模擬得到的炮集記錄進行逆時偏移成像處理，如圖5所示，偏移結(jié)果可以很好地反映地下真實構(gòu)造及儲層形態(tài)。

圖4 地震數(shù)值模擬炮記錄Fig.4 Forward modeling records

圖5 逆時偏移結(jié)果Fig.5 Reverse time migration results

為使成像結(jié)果更具代表性，重點考慮了縫洞型儲集體的流體類型、強軸干涉距離、縫洞體大小、溶洞間縱向距離、溶洞間橫向距離、充填類型和孔隙度參數(shù)對反射特征的影響，研究這些參數(shù)有利于縫洞體在實際地震剖面中反射特征的認(rèn)識及識別，且能夠為實際地震資料中縫洞型儲層參數(shù)的估算及儲層評價提供依據(jù)。

2.1 流體類型對反射特征的影響

保持溶洞大小及孔隙度不變，對比溶洞不同流體類型對成像結(jié)果的影響。在走滑斷裂的線性斜列段設(shè)置不同油、氣和水的組合模式，圖6a 為過不同流體類型溶洞體模型，從左到右分別為油、氣、水、氣+水+油、油+水、氣+水及氣+油等7 種組合模式。圖6b 為圖6a 所對應(yīng)的逆時偏移剖面，儲層流體內(nèi)幕的變化基本無法在疊后“串珠”響應(yīng)形態(tài)上進行區(qū)分，這是因為油、氣和水的彈性參數(shù)差異小，響應(yīng)能量不足以干涉“串珠”形態(tài)，影響主要表現(xiàn)為振幅能量（振幅的平方）隨平均彈性參數(shù)變化，從圖7和圖8 可以看出，水模式的振幅能量小于氣模式和油模式，當(dāng)為氣+水模式時，振幅能量達到最高，且振幅能量會隨縱波速度增大而逐漸降低。

圖6 不同流體類型的縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.6 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different fluid types

圖7 振幅能量隨縱波速度變化Fig.7 Variation of amplitude energy with P-wave velocity

圖8 流體類型與振幅能量關(guān)系Fig.8 Relationship between reservoir model and amplitude energy

2.2 強軸干涉距離對反射特征的影響

保持縫洞體大小、孔隙度及流體類型不變，在走滑斷裂的線性段分別對比了溶洞相對于不同強軸干涉距離造成的干涉影響。

溶洞與強軸干涉距離見圖9a，其中，強軸深度為5 320～5 600 m，從左到右溶洞相對于強軸干涉距離為6、12、24、48、96 和192 m，溶洞縱波速度為3 925 m/s、溶洞寬62.5 m、高92.0 m。由于縫洞體大小和彈性參數(shù)的關(guān)系，“串珠”響應(yīng)能量較強，不同干涉距離的縫洞體都可在地震剖面中識別。

不同強軸干涉距離縫洞體地震響應(yīng)特征如圖9b所示，干涉距離為6、12 和24 m 時，其“串珠”響應(yīng)為寬150 m，高216 m 的振幅串，振幅能量分別為16.964、17.521 和17.105；干涉距離為48 m 時，其“串珠”響應(yīng)為寬175 m，高204 m 的振幅串，振幅能量為33.49；干涉距離為96 m 時，其“串珠”響應(yīng)為寬200 m，高216 m 的振幅串，振幅能量33.419；干涉距離為192 m 時，其“串珠”響應(yīng)為寬188 m，高216 m 的振幅串，振幅能量23.612?？梢钥闯觯?dāng)干涉距離小于1/4 波長時，“串珠”極性與強軸相反；當(dāng)干涉距離大于1/4 但小于1/2 波長時，“串珠”極性與強軸相同；當(dāng)干涉距離大于1/2 波長時，“串珠”與強軸分離。因此，干涉距離為6、12 和24 m時“串珠”極性與強軸相反，干涉距離48 和96 m 時“串珠”極性與強軸相同，干涉距離192 m 時串珠與強軸分離。

2.3 縫洞體大小對反射特征的影響

保持溶洞孔隙度及流體類型不變，在走滑斷裂的辮狀段對比不同縫洞體大小對結(jié)果的影響?？p洞體參數(shù)以及地震響應(yīng)參數(shù)如表1。

表1 縫洞體參數(shù)和地震響應(yīng)參數(shù)Tab.1 Fractured-cave parameters and seismic parameters

不同大小縫洞體模型及地震響應(yīng)特征見圖10，當(dāng)溶洞尺度小于25 m 時，地震反射特征不明顯，大于25 m 后溶洞特征清楚，從縫洞體與“串珠”響應(yīng)振幅能量關(guān)系（圖11）可以看出，兩者基本呈線性關(guān)系，且縫洞體大小會對“串珠”響應(yīng)呈現(xiàn)放大效應(yīng)。

圖10 不同大小縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.10 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of fractured-cavity bodies with different sizes

圖11 振幅能量與縫洞體體積的關(guān)系Fig.11 Relationship between amplitude energy and fractured-cavity bodies size

當(dāng)溶洞規(guī)模較小時，橫向反射寬度會明顯大于實際寬度，隨著溶洞的規(guī)模不斷增大，橫向的反射寬度會逐漸趨近于真實寬度，兩者關(guān)系可以用二項式進行擬合（圖12），當(dāng)溶洞橫向長度小于1/8 波長，“串珠”能量難以識別。

圖12 縫洞體體積對“串珠”橫向放大效應(yīng)Fig.12 Transverse amplification effect of fractured-cavity bodies size on “beads”

2.4 溶洞間縱向距離對反射特征的影響

保持縫洞體體積、孔隙度、流體類型不變，在走滑斷裂的線性段，對比兩溶洞不同縱向距離對成像結(jié)果的影響。不同縱向距離的疊置縫洞體模型及其地震相應(yīng)特征如圖13 所示，圖13a 中，從左到右分別為縱向距離12、24、48、72 和0 m 的單一大溶洞，96、192 和192 m 的縱向疊置溶洞和384 m 的縫洞體模型，從圖13b 可以看到，當(dāng)疊置的溶洞縱向間距小于12 m 時，從地震分辨率的角度，將無法區(qū)分溶洞頂?shù)?；?dāng)溶洞縱向距離為24、48、72 和96 m時，從地震響應(yīng)中可以分辨雙洞；直至溶洞縱向距離大于1/2 波長，溶洞的“串珠”響應(yīng)完全分離。在逆時偏移成像處理下，縫洞體縱向疊置不會影響單串珠“負(fù)正負(fù)”的響應(yīng)形式，且具有明顯的規(guī)律。

圖13 不同縱向距離的縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.13 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of vertical distance

2.5 溶洞間橫向距離對反射特征的影響

保持縫洞體大小、孔隙度及流體類型不變，在走滑斷裂的疊覆段對比兩溶洞不同橫向距離對成像結(jié)果的影響?？p洞體橫向距離和分辨能力如表2所示。不同橫向距離的縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征如圖14所示，圖14a 中，從左到右橫向距離分別為20、50、75、100、125、175 和225 m。

表2 縫洞體橫向距離和分辨能力Tab.2 Lateral distance and resolution of double-slit caverns

圖14 不同橫向距離的縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.14 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of lateral distance

從地震響應(yīng)特征（圖14b）可以看出，當(dāng)兩溶洞橫向距離小于1/4 波長時，橫向雙縫洞體無法分辨，會出現(xiàn)大“串珠”狀假象；當(dāng)橫向距離大于1/4 波長且小于1/2 波長時，橫向雙縫洞體可分辨，但橫向間隔處能量較弱；當(dāng)橫向距離大于1/2 波長時，橫向縫洞體完全分離。

2.6 溶洞內(nèi)部充填特征對地震響應(yīng)的影響

保持縫洞體大小、孔隙度及流體類型不變，在走滑斷裂的斜裂段比較不同的充填物、充填程度對“串珠”響應(yīng)的影響。分別模擬充填物為硅質(zhì)和泥質(zhì)，每種充填物充填程度從低到高的狀態(tài)，圖15a中，從左到右分別為硅質(zhì)水平充填100%、泥質(zhì)水平充填100%、泥質(zhì)水平充填80%、泥質(zhì)水平充填60%、泥質(zhì)水平充填40%、泥質(zhì)豎直充填33%、泥質(zhì)水平充填20%、泥質(zhì)水平充填10%和無泥質(zhì)充填，地震成像結(jié)果見圖15b。

圖15 不同充填類型縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.15 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different filling types

充填特征能量的影響主要取決于對縫洞體彈性參數(shù)的影響，彈性參數(shù)與圍巖彈性參數(shù)的差越大，則響應(yīng)越強，同時充填與儲層的分界位置也影響振幅能量與縫洞體大小。且縫洞體產(chǎn)生的相位與背景圍巖產(chǎn)生的相位由于波的疊加作用也會導(dǎo)致“串珠”狀能量的強弱變化。

地震波振幅能量隨泥質(zhì)充填曲線如圖16 所示，隨著泥質(zhì)充填程度增大，振幅能量先上升后下降至平穩(wěn)。

圖16 振幅能量隨泥質(zhì)充填程度的變化Fig.16 Variation of amplitude energy with filling degree of mud

2.7 孔隙度對反射特征的影響

保持縫洞體大小及流體類型不變，在走滑斷裂的馬尾段比較孔隙度對成像結(jié)果的影響。不同孔隙度縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征見圖17。

圖17 不同孔隙度縫洞體模型及其地震響應(yīng)特征Fig.17 Fractured-cavity model and seismic responses characteristics of different porosity

圖17a 中，從左到右分別是孔隙度為5%、10%、15%、20%、25%和30%的縫洞體，其中，縫洞體大小均為寬50 m、高56 m。成像結(jié)果見圖17b，對于相同的充填物，孔隙度越大，地震反射越強。

孔隙度與振幅能量關(guān)系如圖18 所示，“串珠”振幅能量與孔隙度呈指數(shù)關(guān)系，隨著溶洞孔隙度的增大，溶洞與圍巖的彈性參數(shù)差異增大，使繞射響應(yīng)增強。

圖18 振幅能量隨孔隙度的變化Fig.18 Variation of amplitude energy with porosity

孔隙度變化會使得縫洞體地震響應(yīng)的橫向大小大于實際縫洞體大小，橫向放大效應(yīng)與孔隙度關(guān)系如圖19 所示，“串珠”橫向反射寬度的放大倍數(shù)與孔隙度呈對數(shù)關(guān)系。

圖19 孔隙度對“串珠”的橫向放大效應(yīng)Fig.19 Transverse amplification effect of porosity on “beads”

3 結(jié)論

1）溶洞地震響應(yīng)的相對振幅會隨著溶洞體積增大而增大，隨溶洞速度的增大而減小。如果溶洞上方存在強軸反射，則強軸與溶洞間的干涉距離會影響“串珠”響應(yīng)振幅能量。

2）溶洞在空間上的分布會導(dǎo)致不同的響應(yīng)，兩個縱向疊置的溶洞會形成長“串珠”狀反射，當(dāng)其間距超過1/2 波長時會形成垂向分布的雙“串珠”。橫向疊置的溶洞間水平距離過小，會使兩個溶洞的“串珠”響應(yīng)合并，從而導(dǎo)致大溶洞的“串珠”假象。

3）對于相同孔隙度，溶洞內(nèi)的泥質(zhì)充填程度會影響“串珠”響應(yīng)振幅能量，隨著泥質(zhì)充填程度增大，振幅能量先上升后下降至平穩(wěn)。且彈性參數(shù)差異越大，地震反射越強，因此，含油氣溶洞的相對振幅會大于含水溶洞的相對振幅，但流體類型變化無法在疊后剖面的“串珠”響應(yīng)形態(tài)上進行區(qū)分。對于相同充填物，“串珠”響應(yīng)的振幅能量會隨孔隙度增大呈指數(shù)增大。