復雜斷塊區低級序斷層的井-震聯合識別

白青林 楊少春* 路智勇 張艷增 車雄偉 馮建偉

(①中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島 266580； ②中國石化勝利油田分公司現河采油廠，山東東營257068； ③中國石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營 257001)

0 引言

低級序斷層通常指斷距在15m以下、對區域構造格局及沉積環境影響較弱的四級及其以下級別的斷層[1-3]。其在地震和測井資料上均有響應，但是，常規地震資料對低級序斷層識別能力有限[4-5]，主要是因為：縱向上受分辨率制約，往往只能識別1/4波長(約為10m)以上斷距的斷層[6]；橫向上則易受巖相變化等地質因素的影響。測井資料在垂向上的分辨率高達0.125m，能夠識別出斷距小于1m的低級序斷層，但是受橫向分辨率的制約，在斷點的判斷及組合方面需要大量人工經驗的指導，很難做到定量識別低級序斷層[7-8]。復雜斷塊區不同形態及組合樣式的低級序斷層極其發育，成為油氣田注水開發中、后期影響注采關系、控制剩余油分布及水驅開發效果的重要因素[2-3,9-10]。

針對上述問題，本文以東營凹陷永3斷塊為例，計算鄰井之間的低級序斷層發育系數，識別井鉆遇的斷點； 然后利用沿層地震屬性指導斷點的平面組合，通過井-震聯合識別低級序斷層； 將測井資料在垂向上高分辨率的優勢與地震資料在橫向上對低級序斷層的追蹤能力相結合，既可大幅度降低工作量，又可降低人工經驗的干擾，以提高低級序斷層識別的準確性。

1 地質概況

永3斷塊位于東營凹陷東北部的民豐洼陷，是永安鎮油田的主要開發區塊。發育斷鼻構造[11]，受北部永3弧形斷層(二級)控制。永3斷塊被兩條北東東走向的永3-1、永3-2三級斷層切割，同時又被一系列次級張扭斷層復雜化(圖1)。

該斷塊目前處于油氣開發后期的高含水階段，不同時期的探井、評價井及開發井累計達498口，井網密度約為207口/km2，井間距約為69m。由于以前對低級序斷層認識不清，在井網加密的過程中導致了注采及儲采關系矛盾[12]。

圖1 永3斷塊古近系沙河街組二段頂面構造圖

2 低級序斷層測井識別

2.1 原理

通過與鄰井對比小層厚度的突變及測井曲線的差異性，可以定性識別低級序斷層，但是這既不能充分發揮測井資料在垂向上高分辨率的優勢，又容易受到人工經驗值的影響[7-8,13]。為了克服這一弊端，提出了低級序斷層發育系數的概念，以利用測井資料實現低級序斷層的自動化、定量識別。

在高密度井網地區，同一沉積環境中，相鄰兩井同一小層巖性及物性特征相似。測井曲線是地層巖性與孔隙、流體等的綜合響應，在不考慮油氣充注與地層斷缺等因素的情況下，相鄰兩井同一小層的測井曲線形態應相似。但是，低級序斷層也會造成地層斷缺，如圖2c所示，錯斷造成B井地層的缺失(正斷層情況下)，B井中的斷點在鄰井A中有兩個相當點(即圖2c中的P1、P2兩點)，并且斷缺部分為P1、P2兩點之間的地層。在相鄰井之間測井曲線對比時，B井缺失A井相當點(P1、P2兩點)之間曲線段，導致斷點處與鄰井相當點之間的測井曲線的差異明顯增大(圖2)。

另外，盡管低級序斷層規模較小，但仍能誘導圍巖產生裂縫，形成破碎帶，加劇了斷點處相鄰井之間測井曲線的差異性[9,14]。如果壓制地層物性、含油氣性等因素對測井數據的影響，放大低級序斷層對地層錯斷、破碎作用造成的相鄰井之間測井曲線的差異性，就可以實現定量識別井鉆遇低級序斷層的斷點。

在低級序斷層處，深、淺雙側向電阻率值均減小，但是減小幅度相差較大，導致二者出現明顯幅度差。含油氣層往往導致深側向電阻率增大而表現出正幅度差[13-15]。雖然均能造成深、淺側向電阻率出現明顯的幅度差，但是含油氣層處是深側向電阻率增大所致，而低級序斷層處則是由于深側向電阻率減小所致。根據深、淺側向電阻率在含油氣層與低級序斷層處響應特征的差異性，將深、淺側向的電阻率差值與深側向的比值構建為區分低級序斷層與油氣層測井響應的一項，在同一刻度之下，該項在低級序斷層處的值明顯要高于含油氣層處。將該項與其他表征鄰井測井特征差異性的項共同構建低級序斷層發育系數(Flg)

圖2 低級序斷層發育系數計算原理示意圖

b×|SPA-SPB|+c×|GRA-GRB|+

d×|(AC-AC×φ)A-(AC-AC×φ)B|

(1)

式中： RD、 RS分別為深、 淺側向電阻率； SP為自然電位； GR為自然伽馬； AC為聲波時差；φ為孔隙度；a、b、c、d為差值系數； 下標A、B對應A、B井。

2.2 方法與流程

低級序斷層測井識別方法與流程(圖3)如下。

(1)測井數據整理。在計算低級序斷層發育系數時，首先，需要對測井數據進行標準化處理，使全區同類測井數據處在同一刻度之下；其次，對標準化后的數據進行濾波及光滑處理，剔除數據采集過程中因施工等因素造成的異常值的干擾；最后，對測井數據進行歸一化處理，使相鄰兩口井的不同種類測井數據具有可比性[16]。

圖3 低級序斷層發育系數測井計算流程

(2)低級序斷層發育系數計算。在小層精細劃分與對比的基礎上，對相同沉積微相中相鄰兩井(如A井與B井)的同一小層測井數據分別進行局部線性插值，使A與B兩井在該小層具相同的采樣點數[9]。然后以其中的一口井(如A井)為參考目標，自上而下逐點計算A井與B井在該小層內的低級序斷層發育系數Flg，1。同樣按照該流程計算A井與另一相鄰井(如C井)在該小層內的低級序斷層發育系數Flg，2。

(3)低級序斷層的斷點識別。將上述兩次計算出的低級序斷層發育系數與A井在該小層的深度相匹配，繪制Flg，1與Flg，2在A井深度域的分布圖，挑選出Flg，1、Flg，2均大于門檻值(Flg，c)的共深度點，作為A井在該小層內的低級序斷層的斷點。

通過這種將目標井分別與相鄰兩井計算低級序斷層發育系數，優選兩次計算結果的異常值在目標井中共深度點的方法，能有效地避免將鄰井的斷點誤判為待識別井斷點的現象，達到準確、定量識別目標井低級序斷層斷點的目的。

2.3 低級序斷層發育系數門檻值確定

巖心證實：式(1)中各項值在低級序斷層發育段較低，分布范圍為0.005～0.165，優勢分布區間為0.080～0.150； 非低級序斷層發育段則更小，分布范圍為0.003～0.163，優勢分布區間主要為0.010～0.095。二者雖然有一定的差異，但是在同一口井中二者差異相對較小，主要分布在0.002～0.105。

在非油氣層段，式(1)中各項值在低級序斷層發育段均不同程度的高于不發育段。在含油層段，除式(1)第一項之外，后3項在低級序斷層發育段與不發育段無明顯的差異，尤其是最后兩項。在此種情況下，第1項系數a越大，后3項系數b、c、d越小(尤其是最后兩項的系數c、d越小)，相比低級序斷層不發育段，低級序斷層發育段的Flg就越高。根據這一規律，在區內已知的低級序斷層發育井段經過多次試驗，當系數a大于650、系數b、c、d小于200時，Flg能有效識別低級序斷層斷點。

在沉積微相邊緣，式(1)中的后3項在低級序斷層發育段明顯高于不發育段，而第1項卻對低級序斷層的識別能力明顯減弱。在此種情況下，第1項系數a越小，后三項系數b、c、d越大，所計算出的Flg對低級序斷層的識別能力越強。當系數b、c、d大于100、系數a小于1000時，Flg對低級序斷層斷點的識別效果較好； 當a大于1000時，對部分井段低級序斷層斷點的識別精度會降低。

在待識別井位于沉積微相邊緣，且目標層段為含油氣層段的情況下，式(1)中的各項差值對低級序斷層的識別能力均不同程度地減弱，但是相較于后兩項，前兩項對低級序斷層的識別能力稍強。在這種情況下，前兩項系數a與b越大，后兩項系數c與d越小，計算出的Flg對低級序斷層的識別能力越強。當系數a大于950、系數b大于150、系數c、d小于100時，Flg便能有效識別沉積微相邊緣井位油氣層段中發育的低級序斷層。

由上述可知，對于垂向上含油氣層段和平面上沉積微相邊緣發育的低級序斷層，各項的識別能力存在較大差異，增加系數a會提高Flg對含油氣層段低級序斷層的識別能力，但是，超過一定數值會影響沉積微相邊緣發育的低級序斷層的識別。相反地，增加系數b、c、d會提高Flg對沉積微相邊緣發育的低級序斷層的識別能力，但是，超過一定數值會影響含油氣層段低級序斷層的識別。對于在沉積微相邊緣井位的含油氣層段，情況相對復雜，增加系數a、b并減小系數c、d會提高Flg對低級序斷層的識別效果，但是考慮到對單純的含油氣層段和沉積微相邊緣部位井位的影響，系數a、b增加的程度與系數c、d減小的程度要適當，以保證Flg對全區的適用性。

因此，設置不同的項系數對區內的498口井計算Flg，發現a為1000、b為200、c為100、d為100的情況下，對區內沙二段的低級序斷層識別效果好，能夠很好地放大不同情況下低級序斷層在測井曲線上的響應，并且壓制其他因素對識別結果的干擾。

在設置低級序斷層的判別門檻值時，需通過多次試驗，直至能有效剔除低級序斷層以外的其他因素造成的異常響應。在上述設置的項系數的控制下，巖心證實低級序斷層發育層段Flg主要分布在360～650，最小值也大于320；而不發育低級序斷層段Flg主要分布在40～260，即便是受巖性變化及含油氣的影響，Flg也小于320。因此，將低級序斷層發育系數門檻值定為320，能有效識別沙二段發育的低級序斷層，最大程度地降低其他因素造成的誤判率。

2.4 輔助識別方法

為了提高低級序斷層發育系數識別結果的精度，同時也為了驗證其在含油氣層段及巖性變化較快地帶的準確性，利用高頻AC和低頻RD測井輔助識別低級序斷層斷點。通常高頻信息描繪局部異常變化，而低頻信息刻畫的是整體變化趨勢。小波變換能夠有效地分離高、低頻信息，大幅度提高測井曲線在低、高頻域的分辨率[17]。低級序斷層發育處，地層破碎，裂縫發育，導致AC曲線齒化嚴重。對AC曲線進行高頻信號的小波重構以突出低級序斷層對其造成的齒化程度，對RD曲線進行低頻信號的小波重構以描述低級序斷層處電阻率的回返趨勢，進而放大低級序斷層在測井曲線的響應特征，可以作為測井發育系數識別低級序斷層斷點時的輔助證據，對于低級序斷層發育系數在門檻值以上的深度段進行驗證。

通過多次試驗，發現經db2基小波2層高頻重構后的AC曲線和db6基小波5層低頻重構后的RD曲線能夠很好地表征低級序斷層在兩類測井曲線的響應特征。將重構后的高頻AC曲線和低頻RD曲線與低級序斷層發育系數聯合分析，相互驗證，大幅度提高了識別結果的準確性。

2.5 實例

永3斷塊沙二段5砂組1小層(Es25-1)發育一套厚層辮狀河三角洲河口壩砂體，Y3J1井與鄰井(Y3-53井和Y3-146井)的SP、GR與AC等曲線特征相似，只在曲線的齒化與回返等方面存在微弱的差異(圖4)。Y3J1井的雙側向電阻率曲線在2063.1～2066.7m井段(紅色虛線框)表現為半月型回返，且RS的回返幅度高于RD，二者出現明顯的正幅度差，而Y3-53井與Y3-146井雙側向電阻率曲線則呈箱型，不見回返現象，與Y3J1井差異明顯。

將Y3J1井與Y3-146井的低級序斷層發育系數Flg，1以及Y3J1井與Y3-53井的低級序斷層發育系數Flg，2與Y3J1在該小層的深度匹配后，二者均在2063.1～2065.9m井段表現為尖峰狀突起，尖峰值在320(Flg，c綠色虛線)以上。對應位置處，小波重構后的低頻RD曲線表現明顯的回返，高頻AC曲線則表現為嚴重齒化，說明了在該深度段內發育低級序斷層。該深度段的砂巖巖心斷面明顯，可見清晰的擦痕與階步，并且伴有方解石脈的發育，附近的砂巖較為破碎(圖5a)。另外，斷面裂縫發育較為密集，巖心呈油浸狀，裂縫中可見瀝青質膠結物的充填。其余深度段的Flg則表現為相對平緩的低值，偶見200左右的尖峰值，但值均在Flg，c以下。各項特征說明了Y3J1井在2063.1m處發育低級序斷層，并且存在一條較窄的破碎帶，破碎帶大約分布在2063.1～2065.9m。

圖4 Y3J1井在沙二段5砂組低級序斷層點斷識別

同樣的，在沙二段5砂組3小層的辮狀河三角洲水下分流間灣泥質沉積中，Y3J1井與相鄰兩井Y3-146和Y3-53的低級序斷層發育系數Flg，1與Flg，2在2089.8～2091.6m為高于Flg，c的尖峰狀突起，對應深度段的低頻RD表現為一定程度的回返，高頻AC則表現為嚴重的齒化。各曲線的響應指示著Y3J1井在2089.8m處發育低級序斷層，并且形成了2089.8～2091.6m的破碎帶(圖4)。這條低級序斷層在巖心上也有明顯的證據，可見一條厚約1.8m的泥質破碎帶將泥巖層一分為二，破碎帶內的泥巖呈油浸狀，發育明顯的擦痕、階步及鏡面，部分碎裂的巖石甚至發育瀝青膠結現象(圖5b)。破碎帶上、下的泥質圍巖中裂縫極其發育并被油氣充填，說明了低級序斷層能夠改善泥巖的儲集性能并引導油氣向破碎帶及其圍巖中的裂縫充注。

在沙二段5砂組1小層2071.5～2072.3m(粉色虛線框)，Y3J1井與Y3-53井的低級序斷層發育系數Flg，2為高于Flg，c的尖峰狀突起，但是Y3J1井與Y3-146井的低級序斷層發育系數Flg，1卻為呈貼近基線的低平狀，高頻AC曲線不見齒狀的異常響應，低頻RD曲線也無回返現象，對應深度段的Y3J1井巖心上也不發育斷裂痕跡。表明該井段Y3J1井不發育低級序斷層。但分析Y3-53井與其鄰井的低級序斷層發育系數，發現其在沙二段5砂組1小層內發育一條低級序斷層。

上述結果充分表明，在高頻AC曲線和低頻RD曲線的輔助下，篩選與不同鄰井間低級序斷層發育系數異常值，有效地避免了將鄰井斷點誤判到待識別目標井。該方法對低級序斷層的識別能力較強。

圖5 Y3J1井5砂組砂巖與泥巖中低級序斷層巖心發育特征

3 低級序斷層的井—震聯合識別

永3斷塊具有高密度的井網資料和高精度的三維地震數據(主頻為37Hz)，為井—震聯合識別低級序斷層提供了條件，也避免了因單一資料而造成低級序斷層識別的多解性，可以起到優勢互補、相互驗證的作用[18]。

3.1 斷點標定

為了識別低級序斷層，要求井鉆遇斷點嚴格對應于地震剖面和平面位置，以便于利用井資料分析地震波形的異常變化，減小巖性變化等因素對低級序斷層識別的干擾[18-19]。本文以Y3J1等井的VSP資料為基礎，在區域標準層約束下，按照合成記錄與地震波波形匹配的原則完成鉆井地質層位與地震反射層位的嚴格對應?？紤]到斜井合成地震記錄與地震剖面吻合程度不高的問題，分段提取時變子波[20]，并在井眼軌跡的拐點處加密，依據子波的變化制作合成地震記錄，最后將鉆井層位在三維空間進行歸位，提高井—震標定的精度。

張扭作用下，永3斷塊的低級序斷層斷距小、延伸較短，一般只能引起少數幾個地震同相軸連續性、光滑程度或振幅強弱的變化。而由沉積因素造成的巖性變化等在地震剖面上也有類似的響應特征，這就增加了利用地震資料識別低級序斷層的難度。

在地震剖面(圖6a)上可見沙二段10砂層組(Es210)3或4條反射同相軸明顯變弱并有輕微扭曲，其表現出的不連續性與低級序斷層的響應十分相似。經過Y3-60井標定，該處為中厚層河口壩細砂質沉積與分流河道間泥質沉積的交會處，巖相的變化造成了地震波的“偽斷層”響應。而Y3J1井則與Y3-60井處相反，其Es25頂部地震剖面表現為一條強同相軸突然變弱，類似于沉積等因素造成的砂體減薄的響應，但是井資料證實該處發育一條低級序斷層。

如若僅依靠地震資料，不論采用何種地震處理技術和屬性分析，都很難將上述兩井處真正的低級序斷層識別出來。而通過時深轉換，將井鉆遇低級序斷層的斷點與地震剖面結合后，則可識別真正的低級序斷層。最后將驗證后的斷點按照井眼軌跡投影到其所在的各開發層系的頂面(圖6b)，可指導沿層地震屬性對低級序斷層展布特征的刻畫。

圖6 井鉆遇斷點對地震剖面斷點真偽性的驗證及沿層面頂部的投影

3.2 低級序斷層識別

曲率、傾角等構造類屬性以及相干、邊緣檢測等連續性屬性是斷層解釋中的常用屬性。它們能夠發揮地震橫向高分辨率的能力，在平面上刻畫常規地震不易識別的低級序斷層[21-22]。但是，永3斷塊內的大部分低級序斷層在地震同相軸上只表現為振幅的微弱變化，上述屬性所展示的斷層形態較模糊；另外，主力含油層系沙二段為辮狀河三角洲沉積，砂體橫向變化快，橫向相變等其他非斷層類因素影響了低級序斷層的有效識別。

螞蟻屬性作為近幾年興起的仿真算法[22-24]，能較為清晰地刻畫斷距在5m以上的低級序斷層。但是，由于其對同相軸微弱變化的敏感性，造成了識別結果中含有較多的非斷層信息。另外，螞蟻屬性對大斷層的連續性刻畫能力較弱，而相干與曲率屬性則對具有一定規模的斷層連續捕捉能力較強，能夠清晰地刻畫斷層帶的形態[25-26]。

因此，本文首先以沿層相干屬性為基礎，參考沿層曲率屬性，明確高級序斷層的分布特征(圖7a)；然后，將高級序斷層與對應的沿層螞蟻屬性相疊合(圖7b、圖7c)；最后將測井資料識別出的斷點投影到沿層螞蟻屬性切片上(圖7d)，在高級序斷裂格架的約束下，利用井鉆遇斷點指導螞蟻屬性對低級序斷層的識別。

圖7 高級序斷層格架約束下井鉆遇斷點對沿層(Es25)螞蟻屬性識別低級序斷層

在圖7中可以清晰地觀察到螞蟻屬性把永3斷層、永3-1斷層與永3-2斷層間的斷層帶分解成一系列密集分布的次級斷層系(紅色、綠色及亮藍色螞蟻痕跡)，而表征低級序斷層的螞蟻痕跡則清晰程度不一，形態與組合樣式多變。測井低級序斷層發育系數等識別出的斷點絕大部分位于表征斷層的螞蟻痕跡之上，將與井鉆遇斷點吻合關系較好的螞蟻痕跡刻畫下來，作為發育在Es25砂層組的低級序斷層。缺乏螞蟻痕跡相對應的井鉆遇斷點主要位于高級序斷層的附近，并且與斷層的距離在30m以內，處于受斷層影響較大的圍巖破碎帶及誘導裂縫帶的發育區[27]。巖心及野外露頭等資料顯示，由于內部低級序斷層的斷距遠遠超出了螞蟻識別能力的下限，致使在這些部位缺乏有效的螞蟻痕跡與井鉆遇斷點相對應。對于那些分布缺乏規律性的螞蟻痕跡，在巖心、測井曲線等井資料的驗證下，發現其主要為巖性變化等因素形成的“偽斷層”(圖7d中綠色斷裂痕跡)，這些螞蟻痕跡相對較淡，并且在平面上延伸相對較短，與其余螞蟻痕跡的組合關系較差。對于缺乏井鉆遇斷點驗證且與已知低級序斷層具有一定組合關系的個別螞蟻痕跡，其真偽性需要借助生產動態等其他數據做進一步分析。

按照井上低級序斷層發育系數計算→井鉆遇斷點指導地震剖面真偽斷點識別→井鉆遇斷點引導螞蟻痕跡追蹤低級序斷層的流程，由點→線→面識別出的低級序斷層斷距最小處僅為3m。

4 應用效果

20世紀80年代初期，永3斷塊進入注水開發階段，由于當時對低級序斷層認識不清，在部署井網時忽略了其對注水開發的影響。隨著井網的加密，低級序斷層成為影響油氣開發效果的一個主要因素[28]。永3-1次級斷塊是由永3斷層、永3-1斷層及兩條南北向的次級斷層所圍而成，Es25砂組1小層在斷塊內部的油水界面約位于-2097.5m，含油面積占整個斷塊面積的92%以上，是永3斷塊內部的一個富油區(圖8a)。

從2007年3月開始，在注水井Y3X143井和Y3-37井射孔，分別向生產井Y3X147井、Y3-100井與Y3-55井、Y3X146井進行水驅(圖8a)，其中Y3X147井與Y3-55井在注水2個月后日液能力急速上升，5個月后便上升到永3斷塊的平均日液量180t/d以上，含水率從初期的20%左右迅速上升到60%以上，注水效果顯著。但是Y3-100井與Y3X146井則是注水兩年半也未見效果，日液量保持在50t/d左右，含水率維持在20%上下。

考慮到未見效的注采井之間可能存在低級序斷層等影響了注采井網的對應關系，于2009年11月和2010年1月分別在注水井Y3-14井和Y3-16井的Es25砂組1小層內射孔，對應地向Y3X146井與Y3-100井進行水驅，并相應地降低Y3-37井與Y3X143井注水量。其中Y3X146井在Y3-14井轉注的1個月后日液量迅速上升，6個月后便達到平均日液量，Y3-100井則在Y3-16井轉注的2個月后日液量迅速上升，并在7個月后達到平均日液量(圖8b)。

圖8 永3-1斷塊內低級序斷層對注水開發的影響

在低級序斷層發育系數及螞蟻屬性的聯合分析下，明確了在早期的注水井Y3X143井和Y3-37井與采油井Y3-100井和Y3X146井之間存在一條呈東西向橫貫整個永3-1斷塊的Y3J1低級序斷層(圖7d，圖8a)，切斷了兩組注采井網的對應關系。采油井Y3X147井和Y3-55井與早期的兩口注水井Y3X143井和Y3-37井均位于斷層的南側，不受斷層的影響，因而注采對應關系好。后期轉注的Y3-14井和Y3-16井與采油井Y3X146井和Y3-100井同處于該低級序斷層的北側，避免了其對注采關系的影響，改善了注水效果。將識別出的低級序斷層的形態及分布位置與注采井組的生產動態相結合，既分析了注采矛盾的影響因素，有利于后期注采井網的調整，同時也驗證了井—震聯合識別低級序斷層的準確性。

5 結論

通過井—震聯合的方法對復雜斷塊區低級序斷層進行識別，得出以下結論。

(1)在辮狀河三角洲沉積環境中，張扭性的低級序斷層能造成井鉆遇地層的缺失，并發育破碎帶或裂縫帶，在測井資料上均有相應的響應，這為利用測井數據識別低級序斷層提供了條件。

(2)高密度井網條件下，基于測井曲線相似性的低級序斷層發育系數能夠充分利用測井資料垂向上的高分辨率，放大低級序斷層造成的與鄰井測井曲線的差異性。與不同的鄰井對其計算，篩選異常值的共深度點作為斷點，在高頻AC和低頻RD曲線的輔助下，能夠實現對井鉆遇低級序斷層斷點的定量化精確識別。

(3)在相干屬性等刻畫出的高級序斷層格架的約束下，與對低級序斷層具有較強識別能力的螞蟻屬性相結合，進行井—震聯合的低級序斷層識別，能夠有效地剔除“偽斷層”，提高低級序斷層識別的準確性。

(4)對識別出的低級序斷層與注采井組的開發動態數據聯合分析，不但能夠驗證井—震聯合識別低級序斷層的正確性，而且有助于分析注采矛盾的控制因素，為后期注采井網的調整等提供依據。