小斷層識別方法在海上油田開發(fā)中的應(yīng)用研究

李熙盛， 楊平華 ， 嚴(yán)浩雁* ， 王成龍 ， 關(guān)偉龍

(1.中海石油有限公司深圳分公司，深圳 510000 ；2.中海油能源發(fā)展鉆采院地球物理研究所， 湛江 524057)

0 前言

斷層是指巖層或巖體順破裂面發(fā)生位移這樣一種地質(zhì)現(xiàn)象[1]。在油田勘探中,斷層解釋是整個(gè)構(gòu)造解釋的關(guān)鍵,斷層解釋的精確性和合理性直接影響著構(gòu)造成果的精度。在常規(guī)的構(gòu)造解釋中，解釋人員通常是根據(jù)地震剖面上同相軸的錯(cuò)斷、扭曲、分叉、合并等形態(tài)特征或者是特殊波的出現(xiàn)來識別斷層的[2-3]。但是受地震分辨率的限制，對于中-深層小斷層，采用常規(guī)方法來進(jìn)行解釋是很困難的，但對開發(fā)中后期的油田如果不能準(zhǔn)確地解釋小斷層，鉆井可能會(huì)發(fā)生事故。作者結(jié)合珠江口盆地X油田開發(fā)項(xiàng)目，討論了多項(xiàng)用于小斷層識別的技術(shù)，以期達(dá)到識別工區(qū)小斷層(斷距8 m～10 m)的目的。

1 工區(qū)研究背景

該油田是在前震旦基巖斷塊背景上發(fā)育起來的一個(gè)披覆背斜構(gòu)造，背斜的形態(tài)是完整的。在構(gòu)造高部位有兩條相向而傾的北西向正斷層，工區(qū)主體部位斷層斷距基本大于25 m，較易識別，但主體構(gòu)造區(qū)域還發(fā)育有一定數(shù)量的斷距相對較小的小斷層。

在油田之前的構(gòu)造及斷裂研究中，受限于地震資料的分辨能力以及對小斷層重要性的認(rèn)識不足，小斷層沒有進(jìn)行較系統(tǒng)的識別。因此在鉆探調(diào)整井T1井的時(shí)候發(fā)生了鉆入斷裂帶情況(圖1)，對生產(chǎn)造成了影響。對地震資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在斷裂帶處有一條人工解釋難以發(fā)現(xiàn)的小斷層F-1。這使研究人員意識到了三點(diǎn)：①本區(qū)的小斷層對調(diào)整井的順利實(shí)施影響很大；②小斷層在解釋人員工作過程中極容易被漏掉；③地震數(shù)據(jù)如果具備更高的質(zhì)量，對斷層的解釋就會(huì)更加有利。

圖1 T1井鉆入斷裂帶位置Fig．1 Fault zone with well T1 drilling

2 斷層識別方法原理

基于項(xiàng)目研究識別標(biāo)準(zhǔn)，在斷裂解釋方面不漏掉斷距大于8 m～10 m、延伸長度大于 500 m～1 000 m的斷層。通過對實(shí)際地震數(shù)據(jù)的解釋，15 m斷距以上的斷層可以較好地確定，但小于此斷距的斷層，人工解釋難以達(dá)到目的。因此在調(diào)研國內(nèi)、外使用的斷層解釋技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)測試了三種主要的技術(shù)以及對應(yīng)的軟件。

2.1 螞蟻體追蹤斷層識別技術(shù)

螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)是模擬螞蟻群體覓食的路徑選擇行為模式，螞蟻在尋找食物過程中發(fā)現(xiàn)路徑的行為，可以總結(jié)為一種在圖形中尋找并優(yōu)化路徑的機(jī)率型選擇技術(shù),即是對無數(shù)路徑進(jìn)行歸納概括形成最佳路徑的過程[4-5]。螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)基于地震反射斷裂處的條帶狀異常痕跡，即只要數(shù)據(jù)上存在這種痕跡，就會(huì)計(jì)算出異常。但在實(shí)際的工作中，地震數(shù)據(jù)中存在不確定的隨機(jī)噪音，這些決定了螞蟻體技術(shù)的識別極限。在部分陸地油田的應(yīng)用研究表明，螞蟻體追蹤的斷層識別精度超過了10 m，效果很好[13]。

作者運(yùn)用PE建模軟件中的螞蟻?zhàn)粉檶傩?進(jìn)行三維地震資料的斷裂自動(dòng)追蹤與解釋[6-7], 克服了人工地震解釋工作中主觀性大、容易漏掉小斷層的缺點(diǎn)。區(qū)域的斷裂具有系統(tǒng)性，而螞蟻體的計(jì)算完全由地震數(shù)據(jù)出發(fā)，為了進(jìn)一步優(yōu)化螞蟻體結(jié)果，結(jié)合本區(qū)主要斷層形態(tài)北西向的特點(diǎn)，對追蹤結(jié)果進(jìn)行了濾波，濾除了相反方向的干擾(圖2)。通過分析，發(fā)現(xiàn)螞蟻體切片對大斷層的特征值很強(qiáng)，小斷層特征值較弱，優(yōu)化后依然分布很多較弱特征值，是否皆為需要識別的小斷層需要仔細(xì)甄別(圖2)。

2.2 相干體識別斷層技術(shù)

三維相干數(shù)據(jù)體技術(shù),是利用三維地震數(shù)據(jù)體中相鄰道地震信號之間的相似性，來描述地層和巖性的橫向非均勻性。當(dāng)?shù)貙又写嬖跀鄬踊蛘呤菐r性發(fā)生突變的時(shí)候，相鄰道地震信號之間的相干性會(huì)變差，因此便可以識別微小的斷層，或者研究巖性的橫向非均勻變化，以識別特殊地質(zhì)體的邊界[8-9]。

地層中存在斷層，必然會(huì)造成相鄰地震信號相干性的變化。但基于地震資料現(xiàn)狀，當(dāng)研究的尺度達(dá)到小斷層的時(shí)候，信噪比對識別精度影響很大[8-9,15]。調(diào)研顯示勝利油田某凹陷的研究中，面對斷距最大 1 000 m、最小 3 m 的復(fù)雜斷塊環(huán)境，相干體技術(shù)有效地完成了小斷層及斷層系統(tǒng)的精細(xì)解釋，效果很好[16]。

作者精選了二種軟件進(jìn)行相干斷層識別：①側(cè)重于地震數(shù)據(jù)處理的 P 軟件；②側(cè)重于地震解釋的 G 軟件。P 軟件實(shí)際測試顯示高分辨率相似性展示的斷層形態(tài)最好；G 軟件測試中選取和三維數(shù)據(jù)最吻合的矩陣形式進(jìn)行相干計(jì)算。對比二者計(jì)算的結(jié)果，認(rèn)為P軟件其分辨能力在本區(qū)較強(qiáng)(圖3)。

圖3 G(左)與P(右)軟件相干計(jì)算結(jié)果比較Fig．3 The comparison of coherence cube between G sofrware (left) and P software (rigth)(a)G軟件；(b)P軟件

針對相干性方法的試驗(yàn)，通過不同軟件不同計(jì)算模式結(jié)果的對比，最終選擇P軟件中高分辨率相似性為最合適本區(qū)的斷層識別相干實(shí)現(xiàn)手段。

2.3 曲率屬性技術(shù)[10]

近年來, 隨著人們對曲率屬性分析技術(shù)的不斷深入研究, 掌握了有關(guān)曲率的很多重要性質(zhì), 發(fā)現(xiàn)了曲率屬性與張裂縫之間的密切關(guān)系, 并利用曲率屬性進(jìn)行斷層描述和裂縫預(yù)測。曲率分析包含平均曲率、高斯曲率、極大曲率、極小曲率、最大正曲率和最小負(fù)曲率等, 每一種曲率屬性都可以從不同角度來描述地層界面的形態(tài)信息[11]。

曲率作為描述曲線(或曲面)上任一點(diǎn)的彎曲程度的數(shù)據(jù)參數(shù)[10,12], 在基本表達(dá)式[11]的基礎(chǔ)上，可以推導(dǎo)計(jì)算三維空間的各種曲率值：平均曲率、主曲率、高斯曲率。進(jìn)一步應(yīng)用到地震數(shù)據(jù)進(jìn)行曲率計(jì)算，將用于反映幾何體彎曲程度的曲率開發(fā),應(yīng)用到了可以通過地震數(shù)據(jù)及解釋的層位來定量描述構(gòu)造的特征的功能。在地震剖面解釋中，人工無法解釋的小尺度斷層在理論上具備曲率特征，但是由于噪音以及地層本身的空間特征，識別的精度難于一概而論之。就國內(nèi)的主要應(yīng)用來看，某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室高精度曲率斷層識別研究表明斷層識別符合率達(dá)到 92%[11];在華北地區(qū)的生產(chǎn)研究表明曲率屬性對微小斷層和裂縫識別很敏感，在要求識別 10 m 以下斷層的生產(chǎn)任務(wù)中曲率屬性與已鉆井結(jié)果吻合率達(dá)到 91%[14]。

本次曲率計(jì)算測試選取了兩套軟件，①某商業(yè)軟件，效果較差;②國內(nèi)某大學(xué)開發(fā)的曲率計(jì)算方法，測試了地震數(shù)據(jù)體 Time = 1 784 ms 時(shí)各種曲率屬性：曲率、最大曲率、最小曲率、傾角曲率、最大正曲率、最大負(fù)曲率等(圖4)。通過對比螞蟻體(圖2)、相干體(圖3)，認(rèn)為曲率計(jì)算技術(shù)對本區(qū)的適用性一般，傾角曲率展現(xiàn)的形態(tài)最好，但相比而言，其對大斷層系統(tǒng)的描述、小斷層細(xì)節(jié)的展示都相對較差。

3 應(yīng)用效果評價(jià)

通過測試螞蟻體、相干體、曲率體在本區(qū)的應(yīng)用效果(圖2及圖4)，建立起了適合本區(qū)的小斷層解釋方法：以螞蟻體為主進(jìn)行小斷層描述，相干體為輔進(jìn)行斷層系統(tǒng)掌控，結(jié)合地震剖面進(jìn)行斷層綜合識別。

對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了重處理之后，開展多方法小斷層識別效果明顯。在老的地震數(shù)據(jù)上F-1小斷層基本無法解釋，在新的地震數(shù)據(jù)和螞蟻體上，小斷層F-1的分布特征非常清楚(圖4及圖5)。

通過綜合判斷，解釋出來的小斷層最大斷距約為 7 m(地層速度約 3 540 m/s,斷點(diǎn)時(shí)差 4 ms)，達(dá)到了識別斷距大于 8 m～10 m 斷層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(圖6)。平面斷層解釋結(jié)果顯示，本區(qū)解釋大小斷層41條，其中延伸長度大于 500 m 斷層 21條，小于研究要求尺寸的斷層即小斷層 20條。

如圖7所示，斷層集中發(fā)育在工區(qū)南部東西走向的斷裂帶內(nèi)，該斷裂帶控制了本區(qū)的整體構(gòu)造形態(tài)，目前檢測均為正斷層，且以反向斷層為主。北面為油田生產(chǎn)區(qū)，目前檢測出 F8至 F21 系列斷層皆為人工難以解釋的小斷層。由于這些小斷層形成圈閉的不多，對油氣的聚集一般不起控制作用，但對生產(chǎn)調(diào)節(jié)井的實(shí)施至關(guān)重要。

圖5 T1井?dāng)嗔褞幮鄬咏忉屝Ч鸉ig．5 Identification of minor fault in the fault zone of well T1

圖6 小斷層識別Fig．6 Identification of minor fault

圖7 斷層分布圖(含小斷層)Fig．7 Distribution map of fault (with minor fault)(Ha is the top horizon、Hb is the base horizon) Ha為研究層段頂界面；Hb為研究層段底界面

另外，相干數(shù)據(jù)體不但對斷裂敏感，對巖性邊界、特殊地質(zhì)體亦有一定的敏感度，進(jìn)行小斷層識別時(shí)要加以注意。在研究Hc界面斷層平面展布的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)工區(qū)北偏東區(qū)域有一系列較為連續(xù)的相干極值點(diǎn)(圖8左下)，顯示了一系列連續(xù)的極值條帶，但其分布形態(tài)和一般斷層不同。通過對比螞蟻體(圖8右下)以及地震剖面(圖8上)，最終認(rèn)為極值邊界表現(xiàn)的是砂體尖滅的邊界，不是小斷層。

圖8 甄別地質(zhì)體反映Fig．8 Discriminate flaut from geological body

4 結(jié)束語

通過多種技術(shù)的應(yīng)用,本次小斷層識別達(dá)到了生產(chǎn)需要的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步完善了局部構(gòu)造形態(tài)。總結(jié)認(rèn)為：

(1) 螞蟻體技術(shù)、相干體技術(shù)、曲率技術(shù)等對于區(qū)域大斷裂的識別皆有較高準(zhǔn)確度，在大斷層的識別上可以綜合利用。

(2) 螞蟻體技術(shù)對小斷層較為敏感，但其干擾也是最多的，要注意結(jié)合本區(qū)主要斷裂特征以及其它信息進(jìn)行干擾識別；相干體檢測較為可靠，但對小斷層敏感度較差一些，同時(shí)其異常特征亦可能表現(xiàn)的是地質(zhì)體邊界，識別時(shí)要注意。

在該油田區(qū)建立的以螞蟻體為主、相干體為輔，平面剖面結(jié)合，通過地震剖面排查可能產(chǎn)生的假斷層的綜合方法,有效地完成了識別小斷層的研究任務(wù)。通過項(xiàng)目研究，作者認(rèn)為先進(jìn)技術(shù)的使用固然重要，但研究人員對區(qū)域地質(zhì)概況的掌握以及慎重的分析態(tài)度，才是解釋出最接近地下的真實(shí)構(gòu)造形態(tài)的成果和達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)需要的關(guān)鍵。

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