大慶長垣油田斷層陰影地震正演模擬及校正方法

姜 巖 程順國 王元波 李 操

(中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712)

1 研究區(qū)概況

大慶長垣油田經(jīng)過50多年的開發(fā)，現(xiàn)階段斷層附近已成為剩余油富集潛力區(qū)及主要挖潛目標(biāo)區(qū)。油氣開發(fā)一般要求識別斷距為5m以上低級序斷層及3～5m的微幅度構(gòu)造。利用地震資料進行構(gòu)造解釋過程中發(fā)現(xiàn)，在大斷層下盤經(jīng)常存在疑似伴生小斷層、微幅度構(gòu)造解釋的陷阱。已有研究表明，長垣油田淺層區(qū)域上普遍發(fā)育的嫩二段低速地層是產(chǎn)生上述陷阱的原因，該地層埋藏深度范圍是400～800m，為深水—半深水環(huán)境下沉積的一套厚度約300m的暗色泥巖，存在比正常速度趨勢低約400m/s的速度異常[1]，在斷穿該低速地層的斷層下盤附近普遍存在構(gòu)造假象。

密井網(wǎng)區(qū)井資料也證明確實存在該構(gòu)造假象。圖1所示的地層精細(xì)對比結(jié)果表明，相鄰的A、B兩口井目的層地質(zhì)分層深度相差7m，而在地震時間剖面上相差約20ms(換算成深度相當(dāng)于30m)，地質(zhì)層位與地震解釋層位存在明顯的矛盾； 同時，根據(jù)大量密井網(wǎng)測井曲線精細(xì)對比、核查，發(fā)現(xiàn)所有穿過地震解釋的逆斷層的井也沒有揭示地層重復(fù)及斷點的存在。井震結(jié)合精細(xì)對比解釋結(jié)果表明，大斷層下盤存在構(gòu)造和斷層解釋陷阱，該解釋陷阱阻礙了老油田斷層附近剩余油潛力落實，因此需查明較大斷層附近的真實的構(gòu)造特征，指導(dǎo)精細(xì)挖潛。

上述在斷層下盤存在的三角形地震成像不可靠區(qū)域，即斷層陰影，表現(xiàn)為兩種地震成像畸變：一種是地震同相軸“上拉”或“下拉”的時間異常，可能被解釋為正向或負(fù)向微幅度構(gòu)造；另一種是斷層下盤地層反射同相軸的錯斷，可能會被解釋為大斷層伴生的小斷層或斷層破碎帶。Stuart[2]分析垂直旅行時關(guān)系后認(rèn)為，斷層陰影是由斷層兩側(cè)地層速度的橫向變化引起的，并且只要層速度隨地層時代變化斷層陰影問題就會產(chǎn)生。目前，國內(nèi)外對斷層陰影區(qū)的研究比較少，從公開發(fā)表的文獻[2-11]來看，研究主要集中在定性分析及如何利用疊前深度偏移成像方法減少或消除斷層陰影，研究結(jié)果多數(shù)情況下僅依靠地震資料而無法用足夠的井資料加以證明，并且在斷層陰影定量分析方面的研究更少。為此，作者根據(jù)長垣油田密井網(wǎng)開發(fā)區(qū)的實際資料情況，利用地震正演模擬技術(shù)，嘗試從斷層斷距、斷層傾角、地層厚度、地層速度等方面做定量分析，并在此基礎(chǔ)上，提出適合密井網(wǎng)開發(fā)區(qū)的斷層陰影區(qū)校正方法，并已見到較好的應(yīng)用效果，期望為解釋人員提供一種降低斷層陰影區(qū)構(gòu)造解釋多解性的思路和方法，對類似長垣油田這種地質(zhì)條件下的斷層陰影研究提供一定的借鑒。

圖1 長垣油田大斷層下盤典型地震反射特征圖

2 地震正演模擬分析

地震正演模擬是根據(jù)已有地質(zhì)模型生成地震記錄的過程，在合理地質(zhì)模型建立和相應(yīng)物理參數(shù)已知的基礎(chǔ)上，通過正演模擬研究地震波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，明確地質(zhì)體的地震響應(yīng)特征。一方面可消除由于采集、處理等多因素導(dǎo)致的實際地震資料難以準(zhǔn)確成像的弊端； 另一方面可讓解釋人員更直觀地觀察到地質(zhì)體的地震響應(yīng)特征，從而提高地震解釋的可靠性。為此，根據(jù)長垣油田實際構(gòu)造特點，設(shè)計正斷層地震正演模型，系統(tǒng)地分析了斷層陰影區(qū)的地震成像特征。

2.1 斷層陰影產(chǎn)生機理分析

斷層上、下盤地層由于地質(zhì)年代與壓實程度差異造成速度的橫向變化，使地震反射波經(jīng)過斷面時射線路徑具有不對稱非雙曲線特征，在時間偏移成像處理過程中利用雙曲線假設(shè)無法正確成像，從而導(dǎo)致斷層陰影的出現(xiàn)。

為了更好地描述斷層陰影產(chǎn)生機理，設(shè)計了正斷層兩側(cè)的地層都是水平的、且同一地層橫向速度、密度都為常數(shù)的理論單層速度異常模型(圖2a、圖2b)。從圖2中正演模擬結(jié)果可見，斷層上盤地層的反射同相軸水平，沒有畸變；斷層下盤地層在斷層面正下方的地震反射同相軸發(fā)生明顯變化。對于低速地層單元，在離開斷層低速層正常厚度位置時(圖中藍(lán)色圓圈位置處)，斷層面正下方的地層反射旅行時小于地層反射時間，地震反射同相軸產(chǎn)生“上拉”畸變(圖2c)，上拉最高點位于低速地層單元厚度最薄處(圖2e藍(lán)色虛框內(nèi))； 同樣對于高速地層，斷層面正下方地層反射旅行時大于地層反射時間，地震反射同相軸產(chǎn)生“下拉”畸變(圖2d)，最低點也必然位于高速地層厚度最薄處(圖2f藍(lán)色虛框內(nèi))。這種對應(yīng)關(guān)系與一般高速地層同相軸“上拉”、低速地層同相軸“下拉”情況相反，產(chǎn)生上述地震反射異常主要緣于速度異常單元變薄或缺失。

圖2 斷層陰影區(qū)理論模型及正演模擬

2.2 斷層陰影區(qū)的影響因素分析

根據(jù)長垣油田的構(gòu)造特點、測井曲線速度、密度統(tǒng)計結(jié)果以及地震資料品質(zhì)，從低速層速度、斷層斷距、斷層傾角、低速層厚度四個方面分析了斷層陰影區(qū)的影響因素。模型的基本結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)如表1所示。采用主頻為50Hz的零相位雷克子波，面元尺寸為10m×10m，采樣率為1ms，利用自激自收方式進行地震合成記錄正演模擬。

2.2.1 低速層速度變化及地震正演模擬

設(shè)計了低速異常層的速度為2200～3000m/s、間隔100m/s變化的速度模型(圖3a)。從地震正演模擬剖面可見，整體上斷層陰影區(qū)地層的地震反射同相軸形態(tài)變化較大。在低速層厚度、斷層傾角及斷距不變的情況下，統(tǒng)計結(jié)果表明當(dāng)?shù)退賹铀俣却笥谙路貙铀俣?0%以上時，斷層下盤構(gòu)造假象變得更加復(fù)雜，此時斷層陰影區(qū)的地震反射呈現(xiàn)出 “壘—塹—壘” 假象，且越往深部地層該現(xiàn)象越明顯(圖3b～圖3d)。對圖中低速層下伏目的層位的地震反射時間進行分析表明，隨著低速層速度的增加，下伏地層的地震反射時間、反射時差均減小； 當(dāng)?shù)退賹铀俣却笥谙路貙铀俣葧r，下伏地層的地震反射時間由正向微幅度逐漸向負(fù)向微幅度過渡(圖3e、圖3f)。

表1 地層及填充物理參數(shù)表

圖3 時間域不同構(gòu)造畸變與速度關(guān)系

2.2.2 斷距變化及地震正演模擬

為了分析斷距對斷層下盤地震成像的影響，設(shè)計了斷距為10～80m、間隔10m變化的斷層模型(圖4)。從地震正演模擬結(jié)果可見，整體上斷距越大，斷層陰影區(qū)的斷層假象越明顯，這種現(xiàn)象近垂直分布。當(dāng)斷距小于20m時，斷層下盤地層的地震反射同相軸發(fā)生扭曲、上拉，出現(xiàn)微幅度構(gòu)造假象； 當(dāng)斷距大于30m時，隨著斷距的增大，斷層下盤斷層的地震反射同相軸錯斷，斷層假象的反射特征越來越明顯。抽取地震模型第38道數(shù)據(jù)進行構(gòu)造畸變情況對比分析發(fā)現(xiàn)，在斷層傾角、低速層速度及厚度不變的情況下，隨著斷層斷距的增加，地震反射同相軸的構(gòu)造畸變量增大，反映微幅度構(gòu)造假象的反射時差則相應(yīng)減小(圖5)。

圖4 不同斷距地質(zhì)模型(左)及其地震響應(yīng)(右)

圖5 時間域不同構(gòu)造畸變(a)及其與斷距關(guān)系(b)

2.2.3 傾角變化及地震正演模擬

根據(jù)長垣油田大斷層傾角的分布特征，設(shè)計了斷層傾角為50°～80°、間隔10°變化的地質(zhì)模型。從地震正演模擬結(jié)果可見，隨著斷層傾角的增加，斷層陰影區(qū)構(gòu)造畸變形態(tài)變化不大，只是逐漸向斷層面靠近，斷層陰影區(qū)范圍變小，陰影區(qū)地層的地震反射同相軸由扭曲向錯斷變化，變得更加復(fù)雜(圖6)； 當(dāng)斷層斷距、低速層速度及厚度不變時，不同斷層傾角情況下，其下伏地層的最大、最小反射時間一致(圖7a)，只是構(gòu)造變化率隨著斷層傾角的增加而逐漸減小(圖7b)，說明傾角的變化對斷層陰影區(qū)的影響范圍較大。

圖6 斷層傾角分別為50°(a)和70°(b)的地質(zhì)模型(左)及其地震響應(yīng)(右)

圖7 時間域斷層陰影區(qū)不同傾角時的構(gòu)造畸變(a)及其與傾角關(guān)系(b)

2.2.4 低速層厚度變化及地震正演模擬

在地層總厚度不變的情況下，設(shè)計了低速層上覆地層厚度間隔60m逐漸增厚、低速層厚度為330～90m間隔60m逐漸減薄的不同厚度地質(zhì)模型(圖8a)。從地震正演模擬剖面看出，當(dāng)?shù)退賹雍穸仍?30～270m范圍時，低速層下伏地層的地震反射同相軸形態(tài)變化不大(圖8b、圖8c)； 隨著低速層厚度逐漸減薄，斷層陰影區(qū)下伏地層的地震反射同相軸也呈現(xiàn)出“壘—塹—壘”構(gòu)造假象，當(dāng)厚度減薄至約200m時，受斷面兩側(cè)上覆地層速度橫向變化的影響，斷層陰影區(qū)低速地層頂面反射同相軸錯斷，也形成斷層假象(圖8d)，斷層F1斷穿低速層L3，斷層陰影區(qū)構(gòu)造變得更加復(fù)雜。從斷層陰影區(qū)時間域地震反射構(gòu)造畸變圖可看出，隨著低速層厚度的減薄，下伏地層反射同相軸由扭曲變?yōu)殄e斷，反映微幅度假象的地震反射時差與低速層厚度呈正相關(guān)(圖9)。

圖8 厚度變化低速層地質(zhì)模型(a)及其對應(yīng)地震響應(yīng)(b，330m； c，270m； d，210m)

圖9 時間域斷層陰影區(qū)不同構(gòu)造畸變(a)及其與低速層厚度的關(guān)系(b)

根據(jù)長垣油田實際地質(zhì)特點，利用單因素方法從低速層速度、低速層厚度、斷層斷距、斷層傾角四個方面分析了斷層陰影區(qū)斷層與構(gòu)造畸變的關(guān)系。從分析結(jié)果看，前三個因素是影響長垣油田斷層陰影區(qū)存在的主要因素。然而，究其本質(zhì)仍然是地層速度的橫向變化導(dǎo)致的地震反射不能實現(xiàn)真正的共反射點疊加，因此所有導(dǎo)致斷層兩側(cè)地層速度橫向變化的因素，都會導(dǎo)致斷層陰影區(qū)的構(gòu)造畸變成像。從前面分析結(jié)果看出，斷層陰影區(qū)的斷層畸變假象一般表現(xiàn)為斷層在垂向上較陡、近似直立，平面上斷層的位置基本不隨深度增加而變化，在解釋過程中利用多種敏感地震屬性分析手段，綜合密井網(wǎng)鉆測井資料，可有效減少地震構(gòu)造解釋陷阱。

3 斷層陰影的校正方法

3.1 校正方法

理論上，若速度模型準(zhǔn)確，采用疊前深度偏移技術(shù)可提高構(gòu)造成像精度，有效消除斷層陰影區(qū)的構(gòu)造假象，呈現(xiàn)真實的構(gòu)造形態(tài)特征[12-20]。但在實際陸地地震資料處理過程中，往往很難求取準(zhǔn)確的深度—速度模型，導(dǎo)致疊前深度偏移方法常常在實際生產(chǎn)應(yīng)用中并不能消除斷層陰影區(qū)反射特征。長垣油田井網(wǎng)密度大，平均約100口/km2，井位分布均勻且有相當(dāng)數(shù)量的井位于大斷層附近，因此，在長垣油田密井網(wǎng)開發(fā)區(qū)最簡單實用的方法是通過高精度三維空變速度場把時間域的地震數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換到深度域，降低斷層陰影區(qū)的構(gòu)造假象的影響。其主要步驟如下。

(1)逐井精細(xì)制作合成記錄，得到目的層準(zhǔn)確時深關(guān)系。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，采用全三維自動追蹤與人機交互方法對油層組或砂巖組進行精細(xì)層位解釋。

(2)以解釋的層位為約束，建立時間域構(gòu)造模型，采用網(wǎng)格節(jié)點收斂算法建立初始三維空變速度場； 在此基礎(chǔ)上，井震結(jié)合，建立精細(xì)深度域小層級構(gòu)造模型。

(3)對深度域構(gòu)造模型與時深轉(zhuǎn)換的層位進行殘差分析，并將該殘差換算成速度差值對初始速度場進行迭代校正，最終獲得準(zhǔn)確的三維空變速度場，利用該速度場對時間域地震數(shù)據(jù)進行時深轉(zhuǎn)換。在深度域數(shù)據(jù)體上進行斷層、構(gòu)造解釋，大大降低了大斷層下盤陰影區(qū)的地震解釋風(fēng)險。如圖10所示，在時間域地震剖面上，過F2斷層的WC井并沒有解釋出斷點，說明該斷層是不存在的；同時，大斷層附近的構(gòu)造趨勢與實際井的分層趨勢存在較大的差異，WD、WE兩口井S11層位深度差為21m，對應(yīng)的時間應(yīng)相差約15ms，而實際時間域地震剖面上僅差1ms，說明時間域兩口井之間的趨勢不正確，而深度域剖面則較好地反映了井間的構(gòu)造趨勢，突出了微幅度構(gòu)造特征，并且消除了時間域剖面上大斷層附近伴生小斷層及微幅度構(gòu)造假象，提高了地震資料反映地下真實地質(zhì)特征的能力。

圖10 時深轉(zhuǎn)換前(a)、后(b)地震剖面對比

3.2 應(yīng)用效果

N2x是長垣油田斷層最發(fā)育的區(qū)塊之一，斷層以北西向為主，同時也發(fā)育北東向斷層，其間交切關(guān)系復(fù)雜。開發(fā)初期由二維數(shù)據(jù)解釋的斷層欠準(zhǔn)確，因而在薩爾圖高密度三維地震采集完成后，對該區(qū)塊進行了第一次開發(fā)地震構(gòu)造目標(biāo)解釋。此過程中盡可能挖掘地震信息，側(cè)重解釋具有小斷層特征的細(xì)微信息。以薩Ⅱ組為例，此次共解釋出97條斷層(圖11a)，而原來依靠井及二維資料僅解釋出26條斷層，且其中的多數(shù)低序級小斷層難以厘清。

前文正演模擬結(jié)果表明大斷層附近存在伴生的低序級小斷層、微幅度構(gòu)造假象，因此，為進一步提高該區(qū)塊構(gòu)造解釋精度，滿足斷層附近開發(fā)部署及精細(xì)調(diào)整挖潛的需要，以正演模擬結(jié)果及斷層陰影校正方法為指導(dǎo)，對該區(qū)塊進行了二次構(gòu)造目標(biāo)精細(xì)解釋。解釋過程中，綜合考慮了所有已知井和井?dāng)帱c的信息、巖性與小斷層變化的地震響應(yīng)特征及斷層陰影區(qū)構(gòu)造假象等因素。與原構(gòu)造解釋方案相比，整體構(gòu)造格局及大斷層分布特征基本一致，小斷層變化較大，最終落實了44條斷層(圖11b)。

圖11 薩Ⅱ組頂面重新解釋前(a)、后(b)斷層分布對比

應(yīng)用上述方法提高了地震斷層、構(gòu)造解釋的精度，使得斷層附近剩余油挖潛由原來“躲斷層”向“靠斷層”轉(zhuǎn)變。自2009年以來，大慶長垣井震結(jié)合精細(xì)解釋成果在油田開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。完善了斷層附近注采關(guān)系，充分挖掘了斷層附近的剩余油。在大斷層附近已累計投產(chǎn)高效井368口，從初期產(chǎn)能上看，平均單井日產(chǎn)液為35.6t，日產(chǎn)油為7.7t，含水約78.6%，見到了明顯的開發(fā)效果。

4 結(jié)論

通過長垣油田斷層陰影區(qū)的地震響應(yīng)特征及影響因素分析，可得出以下幾點認(rèn)識：

(1)需正確認(rèn)識地震剖面上大斷層下盤存在的斷層陰影區(qū)，其實質(zhì)是斷層兩側(cè)地層由于地質(zhì)年代與壓實程度差異造成速度橫向變化，該地層異常速度單元的變化往往使地震波旅行時發(fā)生變化，引起下伏地層產(chǎn)生構(gòu)造畸變，因此只要存在上述地層速度橫向變化，斷層陰影就將存在。

(2)疊前時間偏移地震剖面上在大斷層下盤附近相伴生的小斷層、微幅度構(gòu)造假象是客觀存在的，長垣油田低速層速度、低速層厚度、斷層斷距是斷層下盤構(gòu)造成像畸變的主要影響因素。低速層的速度越大，下伏地層的斷層反射畸變越復(fù)雜、微幅度構(gòu)造假象變化越小；低速層厚度越大，下伏地層產(chǎn)生的斷層反射畸變越小，反映的微幅度假象變化越大；斷距越大，下伏地層產(chǎn)生的斷層反射畸變越大，反映的微幅度假象變化越小；斷層傾角只影響斷層陰影區(qū)的范圍，對下伏地層的構(gòu)造畸變影響有限。

(3)本次研究是針對相對均質(zhì)的地質(zhì)模型，采用單一因素分析方法對斷層陰影區(qū)的反射特征及影響因素進行分析，實際地質(zhì)情況是由多種因素綜合形成斷層陰影區(qū)的反射特征，因此，文中正演模擬的結(jié)果可能具有一定的局限性，但所有導(dǎo)致斷層兩側(cè)地層速度橫向變化的因素，都會影響斷層陰影區(qū)的構(gòu)造畸變結(jié)論應(yīng)該是適用的，只是針對不同的研究區(qū)、不同的地質(zhì)條件，各影響因素存在一定的差異。

(4)從油田實際應(yīng)用效果看，利用井震結(jié)合方法建立的三維空變速度場對時間域地震資料進行時深轉(zhuǎn)換是密井網(wǎng)開發(fā)區(qū)消除斷層陰影區(qū)經(jīng)濟、有效的手段，對于類似長垣油田這種地層速度橫向變化不大，通過對時深轉(zhuǎn)換后的地震數(shù)據(jù)進行構(gòu)造解釋，可提高斷層陰影區(qū)的構(gòu)造解釋精度，對斷層附近剩余油精細(xì)調(diào)整挖潛具有一定的指導(dǎo)意義。