正演模擬技術在碳酸鹽巖溶洞響應特征研究中的應用

李勝軍，劉偉方，高建虎

（中國石油勘探開發研究院西北分院）

正演模擬技術在碳酸鹽巖溶洞響應特征研究中的應用

李勝軍，劉偉方，高建虎

（中國石油勘探開發研究院西北分院）

在塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲層識別中，“串珠狀”反射是十分重要的地震響應特征之一。文中利用波動方程正演模擬技術，設計了不同的溶洞模型，分析了溶洞寬度和高度變化時對“串珠狀”響應特征的影響。結果表明：溶洞寬度增加時，“串珠”響應振幅增強，但響應時間長度不變；溶洞高度增加時，“串珠”振幅呈先增大后減小的趨勢，且響應時間長度變長。模型正演為進一步研究溶洞的響應機理、溶洞形狀與“串珠”特征的關系提供了手段，從而為碳酸鹽巖儲層的半定量或定量預測提供了依據。

碳酸鹽巖溶洞；正演模擬；溶洞寬度；溶洞高度

0 引言

碳酸鹽巖縫洞型油氣藏是最重要的油氣藏類型之一。近年來，在塔里木盆地深層碳酸鹽巖縫洞型油氣藏相繼發現了相當可觀的油氣儲量，形成了大型油氣田。受地貌、構造、成巖等地質因素的影響，碳酸鹽巖儲層的孔、洞分布多種多樣，其分布的隨機性、形態的復雜性及充填物的多樣性，增加了使用地震勘探方法進行儲層預測的難度和風險[1-2］。

研究區域為塔里木盆地ZG8井區，位于巖溶斜坡和巖溶次高地，且風化殼巖溶、裂縫發育，勘探前景良好。隨著勘探開發程度的加深，要求碳酸鹽巖儲層預測從定性向定量轉化。疊后地震屬性分析中，波形、振幅、相位、分頻、吸收衰減等疊后地震屬性可以較好地反映儲層縱、橫向分布規律，但受其分辨率影響，只能相對準確地識別厚度大或者物性特別好的儲層[3-4］。疊前地震屬性主要是利用AVO分析流體因子屬性來進一步提高儲層預測的精度，但受模型約束的影響，導致其橫向分辨率降低，增加了強非均質性縫洞儲層橫向預測的多解性。這些方法和技術，雖提高了縫洞型儲層有效性的預測精度，但很難對其進行定量刻畫。

姚姚等[3，5］應用正演模擬技術，基于隨機介質模型和非均質彈性波理論，進行了地震頻帶（20～40Hz）條件下的溶洞高度對垂直分量和水平分量影響的定性研究，這對用正演模擬技術識別縫洞型油氣藏產生了積極影響。魏建新等[1］用物理模擬的方法研究了孔、洞型儲層的物理響應特征，并作了繞射能量與溶洞寬度相關等定性的分析。何建軍等[6］通過模型正演技術對各種常用的地震波動力學屬性參數的縫洞特征進行了分析，建立了一套利用地震波波場參數識別和劃分碳酸鹽巖儲層縫洞單元的方法。通過以上研究，對不同尺度溶洞的地震響應特征得出了一些重要的認識，但對于不同尺度（寬度與高度）溶洞與地震響應的定量關系的研究尚不夠深入。筆者利用鉆井、測井資料，設計了不同大小的地質模型，采用野外實際二維觀測系統進行了模擬研究，總結了溶洞型儲層的地震響應特征與溶洞的定量關系，建立了定量解釋量版，并進行了縫洞型儲層半定量描述，這將有利于提高對縫洞型儲層識別的有效性及鉆探成功率。

1 基本原理

模擬采用的是對一階速度-應力方程離散的差分算法，該算法具有模擬精度高，能適應地層劇烈變化的優點。由應力、應變關系和牛頓第二定律可以導出各向同性、完全彈性、非均勻介質中的二維速度-應力方程

式中： fx，fy為質點速度；gx，gy為法線壓力；gs為剪切力；P，Q，Qs，L 均為中間變量； ρ為密度，g/cm3；α 為縱波速度，m/s；β 為橫波速度，m/s；λ，μ 為拉梅常數。

2 模型設計及正演模擬分析

碳酸鹽巖儲層中溶洞尺度從毫米級到百米級不等，本次研究主要是針對橫向尺度與縱向尺度的變化對地震響應特征的影響。為此，在模型設計中對溶洞的形狀進行了簡化，即在設計模型時，僅考慮了溶洞尺度的變化，而未涉及形狀和充填物的變化。通過對式（1）～式（5）進行離散，采用交錯網格差分算法進行模擬，網格間距設為5 m。該方法計算效率高[7-8］，且適用于非均勻介質、復雜構造和復雜地質體的地震波波場數值模擬。模型采用的是野外二維觀測方式，該方式與實際野外采集觀測系統近似（炮間距20 m、道間距20 m、每炮351道、總炮數650炮、最小偏移距0 m、最大偏移距7 000 m、采樣間隔2 ms）。模擬所用子波提取自目標區域的實際地震資料，最后通過統計平均求取，子波主頻為25 Hz。

2.1 溶洞寬度對地震響應的影響

設計水平層狀各向同性溶洞寬度變化的地質模型。根據鉆井和測井資料統計結果，目的層圍巖縱波速度為6 000 m/s，橫波速度為3 510 m/s，密度為2.65 g/cm3；溶洞縱波速度為4 500 m/s，橫波速度為2 605 m/s，密度為2.43 g/cm3。設計溶洞埋深為6 700 m，洞高為60 m，洞寬從左到右依次為10 m，20 m，40 m，80 m，120 m，160 m，200 m，240 m。

圖1為在上述觀測系統及子波前提下該模型對應的偏移剖面。從剖面上可以定性地看出，隨著溶洞寬度的增加，地震響應強度增強，所占用的地震道數也相應增加。響應寬度與溶洞寬度的定量關系還需進一步研究。

圖1 溶洞寬度變化時的疊前深度偏移剖面Fig.1 The section of prestack depth migration when the cave width changes

為進一步準確地對比響應強度與溶洞寬度的關系，從偏移數據中抽取溶洞中心響應對應的地震道，以10 m，40 m，80 m，160 m寬溶洞為例進行對比分析（圖2）。可以得出：由溶洞頂部響應為2.935 s處的波谷可以確定溶洞頂的位置；其次，各個地震道波形基本未變，呈兩峰兩谷特征，說明了溶洞地震響應時間長度與溶洞寬度基本沒有直接關系。進一步拾取各個溶洞對應地震響應的最大振幅值，并以240 m溶洞寬度響應為標準作歸一化處理，如圖3所示，進一步定量地顯示出溶洞響應強度隨寬度增加的趨勢。因此，可以根據溶洞的響應強度半定量或定量預測溶洞寬度。 根據前人研究[1，9-11］，在塔里木盆地塔中地區，奧陶系碳酸鹽巖儲層埋深一般在6 000 m左右，溶洞響應一般在3 s左右，菲涅爾帶半徑為775 m，模型設計的溶洞寬度都遠遠小于該值，故所觀測到的響應應該是繞射波能量。因此，不同寬度的溶洞參與相長干涉疊加的繞射點的面積（實際菲涅爾帶）不同。當溶洞越寬時，此面積越大，觀測到的地震波振幅就越大，這就是溶洞寬度對地震波振幅影響較大的原因。

圖2 不同寬度溶洞對應地震道波形圖Fig.2 Seismic trace waveform correspondingto caves with different widths

圖3 振幅隨溶洞寬度變化關系圖Fig.3 Relationship between amplitude and cave width

2.2 溶洞高度對地震響應的影響

為了研究溶洞高度對溶洞地震響應的影響，設計水平層狀各向同性溶洞高度變化的地質模型。洞寬為40 m，洞高從左到右依次為10 m，20 m，40 m，60 m，80 m，120 m，150 m，180 m，其余參數同溶洞寬度變化模型參數。

圖4為與溶洞高度變化模型對應的成像剖面。從圖中可以看出：隨著溶洞高度的增加，響應最大振幅先增大后減小，且“串珠”響應長度增加。

圖4 溶洞高度變化時的疊前深度偏移剖面Fig.4 The section of prestack depth migration when the cave height changes

為進一步研究溶洞對應地震響應的波形變化，以10 m，40 m，80 m，150 m高溶洞對應的地震響應為例，抽取響應中間地震道，波形如圖5所示。從圖中可以看出：洞頂響應為2.935 s處的波谷，除10 m高的洞由于相消干涉引起的洞頂振幅較弱之外，其它響應強度基本一致，這說明洞高較小時對洞頂的反射能量有一定的影響；但緊隨其后的波峰響應與洞高的關系就發生了變化，洞高40 m對應的響應振幅最強；隨著溶洞高度的增加，頂、底反射的干涉減弱，又由于洞內多次波的影響，使整個波形變長，呈“長串珠”反射特征，對溶洞有較明顯的放大作用。

提取各個洞對應最大振幅并做歸一化處理，形成振幅與洞高的關系，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著洞高的增加，振幅呈先增大后減小的趨勢，經計算剛好在調諧厚度處呈最強響應，這可作為估計溶洞大小的一項依據。

圖5 不同高度溶洞對應地震道波形圖Fig.5 Seismic trace waveform corresponding to caves with different heights

圖6 振幅隨溶洞高度變化關系圖Fig.6 Relationship between amplitude and cave height

3 結束語

通過設計2個模型，得到如下認識：

（1）在菲涅爾帶內，隨著溶洞寬度的增大，溶洞響應強度逐漸增強，但增加趨勢逐漸減緩；溶洞的“串珠”響應時間長度與洞寬沒有直接的關系，隨洞寬的增加，其響應由“串珠狀”變為“羊排狀”。

（2）溶洞響應振幅強度隨洞高的增加呈先增大后減小的趨勢，在調諧厚度處達最大；隨洞高的逐漸增大，頂、底干涉減弱，由于洞內多次波等原因引起波形變長，呈“長串珠”響應，對溶洞有一定的放大作用。

在碳酸鹽巖發育區，溶洞識別技術至關重要，從地球物理的角度來講，要深入研究“串珠”響應形成的機理、運動學特征和動力學特征，就需要分析振幅強度、相位、頻率等信息與縫洞的關系，這將為碳酸鹽巖儲層的定量預測提供依據，進而提高儲層預測的精確度和準確度。

[1]魏建新，狄幫讓，王立華.孔洞儲層地震物理模擬研究[J］.石油物探，2008，47（2）：156-160.

[2]滕團余，余建平，崔海峰，等.YH地區碳酸鹽巖儲層預測方法研究及應用[J］.巖性油氣藏，2008，20（2）：119-123.

[3]姚姚，唐文榜.深層碳酸鹽巖巖溶風化殼洞縫型油氣藏可檢測性的理論研究[J］.石油地球物理勘探，2003，38（6）：623-629.

[4]唐文榜，劉來祥，樊桂芳，等.溶洞充填物判識的頻率差異分析技術[J］.石油與天然氣地質，2002，23（1）：41-44.

[5]姚姚.菲涅爾帶與洞縫型油氣藏地震波場[J］.石油物探，2005，44（5）：491-494.

[6]何建軍，劉家鐸，魯新便，等.基于模型正演的地震屬性分析技術識別和劃分碳酸鹽巖儲層縫洞單元[J］.石油地球物理勘探，2009，44（4）：472-477.

[7]李勝軍，孫成禹，高建虎，等.地震波數值模擬中的頻散壓制方法分析[J］.石油物探，2008，47（5）：444-448.

[8]孫東，張虎權，王宏斌.碳酸鹽巖溶洞體的空間定位與體積計算[C］∥《巖性油氣藏》編輯部.2010年國際石油地球物理技術交流會會議專刊.蘭州，2010：137-140.

[9]張永剛.復雜介質地震波場模擬分析與應用[M］.北京：石油工業出版社，2007：174-206.

[10]張虎權，衛平生，潘建國，等.碳酸鹽巖地震儲層學[J］.巖性油氣藏，2010，22（2）：14-17.

[11]王宏斌，張虎權，衛平生，等.碳酸鹽巖地震儲層學在塔中地區生物礁灘復合體油氣勘探中的應用[J］.巖性油氣藏，2010，22（2）：18-23.

Application of forward modeling to research of carbonate cave response

LI Sheng-jun，LIU Wei-fang，GAO Jian-hu
（Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Northwest， PetroChina， Lanzhou 730020， China）

The“stringbead”reflection is one ofthe important seismic response features in identification ofOrdovician carbonation reservoir in TarimBasin.The mechanismof “stringbeads” is verycomplex.Base on forward modelingofwave equation,some different models are designed,and the influence ofcave width and height on “stringbead”characteristics is analyzed.The result shows that the amplitude of“string bead”intensifies with the cave width increasing,but the length of“stringbead”donot change.The amplitude of“stringbead”firstlyintensifies and then decreases with the cave height increasing,and the“string bead” lengthens.Forward modeling provides approach for further study of response mechanismofcave,cave shape and “stringbead”features,and criterion for semi-quantitative and quantitative forecast of carbonate reservoir.

carbonatecave；forwardmodeling；cavewidth；caveheight

TE132.1

A

1673-8926（2011）04-0106-04

2010-12-07；

2011-02-23

國家科技重大專項（編號：2011ZX05007-006）與國家重點基礎研究發展計劃“973”項目（編號：2007CB209604）資助。

李勝軍，1979年生，男，工程師，主要從事地震波傳播理論及正演模擬研究。地址：（730020）甘肅省蘭州市城關區雁兒灣路535 號。 電話：（0931）8686013。 E-mail：li_sj@petrochina.com.cn

涂曉燕）