縫洞型碳酸鹽巖油藏儲層結構表征方法
——以塔里木盆地塔河S67單元奧陶系油藏為例

呂心瑞，孫建芳，鄔興威，魏荷花，肖鳳英，馬翠玉，宋傳真

(中國石化 石油勘探開發研究院，北京 100083)

塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起阿克庫勒凸起中南部，奧陶系碳酸鹽巖地層為古巖溶發育和海相縫洞型油氣藏分布的主要層位，是世界范圍內罕見的復雜油藏，縫洞發育不均一，非均質性極強，主要有效儲集空間為古巖溶縫洞系統[1-2]。由于經歷多期構造、巖溶和充填改造作用，古巖溶縫洞體成因類型多樣，尺度差異大，分布規律復雜，縫洞體形態、結構及物性的表征異常困難。隨著此類油藏的開發，對縫洞系統刻畫和表征技術的需求越來越大，逐漸成為開發地質領域研究的熱點和難點[3-4]。目前，眾多學者在儲層成因與分布[5-11]、縫洞體識別與預測[12-17]、縫洞結構與發育模式[18-22]、分類建模與融合等方面[23-25]，開展了諸多研究工作，在儲層宏觀分布規律與縫洞體形態的刻畫方面，取得很多積極進展。隨著塔河油田老區開發程度的不斷提高，區塊面臨整體含水上升快，穩產期短，老井產量遞減大，措施調整困難等問題，亟需開展精細油藏描述研究，明確高含水期油藏剩余油分布特征，調整井網注采結構，進一步提高油田開發效果和油藏采收率[26-33]。因此，在縫洞油藏儲集體外部輪廓刻畫的基礎上，進一步研究儲層縫洞結構特征，明確不同成因類型的巖溶縫洞分布規律與結構關系，定量表征油藏的強非均質性，為油藏數值模擬和剩余油分布研究奠定可靠地質基礎，對此類油藏的高效開發具有重要意義。

根據巖溶形成主控因素的不同，從成因關系角度將古巖溶劃分為表層巖溶、斷控巖溶和地下河系統3類。基于不同成因類型巖溶特點，利用露頭、鉆、錄、測井、地震、生產動態等多學科信息，采用地震振幅譜梯度屬性結合序貫指示模擬表征表層巖溶分布；基于波阻抗反演結合梯度結構張量刻畫斷控巖溶特征；利用分頻能量屬性結合基于目標的方法構建地下河系統模型。在儲集體外部形態刻畫基礎上，綜合多學科資料描述古巖溶連通、充填及物性特征，定量表征縫洞結構特點，并通過“先分類、再融合”的方法建立精細三維地質模型，取得了較好應用效果。

1 單元地質特征

如圖1a所示，S67單元位于塔里木盆地塔河六、七區中南部，面積約12 km2，利用容積法初步評價地質儲量2 170×104t，完鉆井39口，開井14口，單元日產油180 t，綜合含水率41.6%，采出程度不足15%。該單元自1999年投入開發以來經歷了試采、天然能量開采、注水、注氣補充能量開采等時期，目前處于中高含水、低產開發階段，面臨進一步落實可開發儲量和提高開發效果的難題。

單元整體位于二級古地貌巖溶緩坡帶，巖溶發育層位為中奧陶統一間房組和中-下奧陶統的鷹山組，厚度260～420 m，巖性主要為灰色泥晶灰巖和含砂屑泥晶灰巖，是典型的縫洞型碳酸鹽巖油藏。一間房組尖滅線橫穿單元中部(圖1b)，奧陶系頂面構造呈北東高、南西低特點，中北部為剝蝕區，位于巖溶殘丘高部位，南部處于巖溶緩坡低洼帶。根據巖溶發育程度、致密段分布、測井曲線差異結合生產特征，縱向上儲層分為上、中、下3段。單元內NE向高角度走滑斷裂較發育，縱向切割深度大，平面延展長，剖面上具有花狀斷裂特征；其次為NW向斷裂，多為次級小斷裂；中部發育少量EW向斷裂。受古地貌、斷裂和潛水面等多重因素控制，縫洞體整體較為發育，儲集空間表現為地下暗河、溶洞、溶蝕孔洞、不同尺度裂縫等多種類型，形態各異，縫洞結構復雜。通過綜合識別和預測，按照成因將單元內古巖溶主要劃分為3類，分別為受風化淋濾作用形成的表層巖溶縫洞體、沿斷裂帶溶蝕擴大形成的斷控巖溶縫洞體及受潛水面波動溶蝕形成的地下河系統。

圖1 塔里木盆地塔河S67單元邊界區劃(a)及構造圖(b) Fig.1 Unit S67 boundary delineation (a)and structure map (b) in Tahe area,Tarim Basin

2 巖溶成因及結構類型

受構造、巖性和潛水面等多重控制因素影響，使得S67單元縫洞型油藏表層巖溶、斷控巖溶和古地下河系統形成的主控因素、成因關系及結構類型各不相同。

表層巖溶主要受風化淋濾作用形成，地表水流多順坡度流動，形成下切河道、溶蝕縫槽和落水洞等，水流遇可溶巖溶蝕形成順層溶蝕孔、縫等，在斷裂、構造縫和風化縫處會發育高角度的溶蝕裂縫[18]。通過將巖心與測井曲線進行對比識別，S67單元表層巖溶儲集層涵蓋洞穴型、裂縫-孔洞型和裂縫型等，縫洞體機械砂泥充填和垮塌角礫充填率達79%，結構類型以小型溶洞、溶蝕孔和裂縫等小縫洞體為主，鉆遇儲集體厚度85%以上小于3 m，多沿不整合面局部連片分布，儲層整體厚度位于不整合面以下0～50 m，鉆遇油井初產60～200 t/d，累產在(6～18)×104t，是良好的含油巖溶儲層。

斷控巖溶為地表水流沿長度幾十米以上的大斷裂形成垂向流動，遇到強可溶巖或斷裂交叉處溶蝕擴大形成的駐水洞及在斷裂和駐水洞周圍形成的大量溶蝕孔洞和溶蝕裂縫[20]。綜合識別該單元斷控巖溶主要結構類型以斷控復雜斷裂、大型溶洞和溶蝕孔縫為主，平面上溶洞主要呈離散狀分布在斷裂附近，以垮塌角礫充填為主，充填程度較低，斷控巖溶規模整體較大，縱向沿斷裂的儲集體較發育。結合生產動態分析，S67單元西南部位沿斷裂的TK711-TK625-TK602井區，油井單井初產130～180 t/d，單井累產油大于15×104t，單井生產特征類似，井間連通性較好；西北部TK650-TK620井區發育北東向斷控溶洞，單井初產70～90 t/d，單井累產(5～7)×104t，為較小的斷控巖溶縫洞體，井間連通性較好；TK649 -TK623井區表現為孤立溶洞特征，洞穴較小，單井初期產量40～70 t/d，且初產含水，單井累產油(1～2)×104t，為定容生產，含封存水，屬于連通程度較低溶洞；此外，單元中、南部發育受斷層控制的少量孤立溶洞。

地下河系統由水流匯聚長期沖刷溶蝕形成，受控于潛水面波動，可發育多層巖溶河道，整體規模大，類型多樣，結構復雜，存在大量的機械沉積物和垮塌角礫充填，為塔河油田重要的儲集空間[11,18]。綜合識別S67單元地下河系統主要結構類型以巖溶河道、廳堂洞及沿河道的溶蝕孔、縫為主，在不整合面300 m以內，主要發育2層地下河道，淺層河道位于不整合面以下0～90 m，深層河道位置在不整合面以下160～240 m，起伏均與石炭系巴楚組頂部構造具有較好一致性，河道高度5～30 m，發育方向均自東北向西南延展，結合古地貌與水系特征分析，河道系統入水口位于TK610井以南位置，出水口位于TK743附近。巖心觀察結合測井解釋分析東部淺層分支河道充填程度高，部分充填角礫和方解石，大多充填砂泥，且具有一定韻律性(圖2)。淺層河道充填程度高于深層河道，以全充填和部分充填為主，且南部構造低部位充填程度更高；深層河道以部分充填和未充填為主，僅在局部地區存在全充填特征。

圖2 塔里木盆地塔河S67單元河道系統充填程度平面圖Fig.2 Plane map of underground river filling degree in Unit S67 of Tahe area,Tarim Basina. 淺層河道；b. 深層河道

3 不同成因巖溶縫洞體表征

3.1 表層巖溶縫洞體

S67單元表層巖溶縫洞體測井曲線呈現深、淺電阻率小于400 Ω·m，多為正差異，自然伽馬比基巖段略高，聲波時差和中子增大，密度降低等特征，儲層以裂縫-孔洞型和裂縫型為主。儲集體類型、大小、分布規律的不同，導致其在地震剖面響應特征的差異，通過模型正演結合實鉆統計確定表層小尺度縫洞體的主要地震響應呈“弱反射”特征，縫洞發育程度低于“強串珠”型儲層[13]。

根據表層巖溶縫洞體的發育特征，優選地震振幅譜梯度屬性預測表層小尺度縫洞體，該屬性是指在地震資料有效頻帶內地震反射波振幅隨頻率的變化率，結合了地震資料不同頻率和振幅的變化特征，消除了巖石骨架對地震響應的影響，能更加直觀揭示儲層儲集性能的平面分布和橫向變化特征[14,17]。利用振幅譜梯度預測的表層小尺度縫洞體與實鉆井識別結果符合率達到80%以上。

單元表層巖溶縫洞體分布主要受古殘丘高點和斜坡控制，存在4個小縫洞體集中發育區，也是高產井集中區。在井、震識別和預測的基礎上，結合表層巖溶分布規律，采用確定性方法建立少量高度3 m以上的大尺度溶洞模型；人工解釋結合螞蟻追蹤建立大尺度裂縫模型；3 m以下的小型溶洞、溶蝕孔、小裂縫等均等效為小縫洞體，統計不同類型的小縫洞體在垂向上的發育深度，分類建立小縫洞體在垂向上的發育概率體，以井點硬數據為基礎，在振幅譜梯度屬性和垂向發育概率體的協同約束下，利用序貫指示模擬建立表層小縫洞體分布模型；并以分布模型為基礎，采用序貫高斯模擬方法建立表層巖溶物性模型。圖3為融合后的表層巖溶地質模型，定量表征了表層巖溶縫洞體和物性參數分布特征。圖3a所示表層巖溶厚度最大48.6 m，儲集體類型主要為小縫洞體，橫向連續性較好，僅存少量零散的大尺度溶洞及裂縫；圖3b所示孔隙度的分布特征，局部存在孔隙度高的區域，整體物性較好，差異較大，最大30%，平均3.7%，溶洞及巖溶殘丘處的孔隙度相對較高，表層巖溶連通性較好，模擬結果與實際認識相符。

圖3 塔里木盆地塔河S67單元表層巖溶儲集體三維地質模型Fig.3 3D geological model of epi-karst reservoir in Unit S67 of Tahe area,Tarim Basina. 縫洞體分布模型；b. 孔隙度模型

3.2 斷控巖溶縫洞體

斷裂的存在增加了水與巖石的接觸面積，使溶蝕作用增強，早期形成的溶蝕孔洞可進一步擴大形成溶洞，同時可以形成新的溶蝕孔洞，裂縫本身溶蝕擴大也可成為有利儲集空間，斷裂相交處、相互平行破裂的疊接處是裂縫、溶洞的有利發育區[8-9]。S67單元受多期構造作用形成沿斷裂發育的脆性灰巖破碎帶，由于水流沿斷裂的下滲或上涌溶蝕形成不同空間結構的縫洞系統，測井解釋結合地震剖面識別，縫洞體主要包括在地震剖面上呈“強串珠”反射特征的大尺度斷控溶洞和呈“雜亂”反射的小尺度溶蝕孔、溶蝕縫。

根據斷控巖溶發育特點，優選地震梯度結構張量屬性刻畫S67單元的斷控巖溶外部輪廓，該屬性與相干體相比，運算前增加了平滑處理，消除了弱差異背景，凸顯主要差異，能夠較好反映斷控巖溶雜亂異常，有效刻畫其縱向厚度和橫向寬度。以斷控巖溶結構和發育模式為指導，地震結構張量屬性截斷與人工修正相結合確定外部輪廓模型，反映了受斷裂控制形成的巖溶發育范圍。對于在地震剖面上呈“強串珠”反射特征的大尺度斷控溶洞，采用融合波阻抗反演和分頻能量屬性，優選二者均反映大尺度縫洞體區域作為地震協同約束屬性，采用基于目標的方法建立斷控溶洞分布模型；對于在地震剖面上呈弱反射特征的小尺度斷控溶蝕孔洞、縫，以梯度結構張量屬性結合斷裂、溶洞分布模型作為約束條件，隨機模擬建立小尺度溶蝕孔、縫模型；在縫洞體分布模型基礎上，采用序貫高斯模擬方法建立斷控巖溶物性模型[23]。圖4為斷控巖溶儲集體三維地質模型，定量表征了斷控巖溶形狀輪廓、縫洞體及物性參數分布特征。圖4a為斷控巖溶形狀輪廓，巖溶發育位置在不整合面以下0～240 m，也反映了沿斷裂分布的縫洞體發育范圍各異，寬度多位于90 m以內；圖4b所示斷控溶洞發育程度不同，多沿斷裂分布，尺度較大且相對離散，直接或通過溶蝕孔、縫與斷裂連通；圖4c所示斷控溶洞孔隙度相對較好，位于0～40%，平均值5.2%，呈現出斷裂尺度越大，溶洞規模越大、物性越好的特征。

圖4 塔里木盆地塔河S67單元斷控巖溶儲集體三維地質模型Fig.4 3D geological model of fault-controlled karst in Unit S67 of Tahe area,Tarim Basina. 斷控巖溶輪廓； b. 斷控溶洞儲集體； c. 斷控巖溶孔隙度模型

3.3 地下河系統

地下河系統是S67單元重要的巖溶類型，河道在測井上表現為高GR跳躍，測井解釋儲層類型為溶洞型，部分有砂泥充填特征，順河道的地震反射特征為橫向連續強反射。結合暗河分布特征，利用分頻能量屬性刻畫地下河系統，分頻處理是提高深層地震資料的有效手段，其本質是不同尺度的地質目標對地震信號的不同頻率成分敏感程度不同。該技術是利用短時窗離散傅里葉變換或基于Z變換的最大熵譜方法，將地震數據變換到頻率域[16]。

通過正演模擬研究發現，河道寬窄、位置的不同會造成分頻能量不同，寬河道低頻能量強，窄河道高頻能量強，河道中部低頻能量強，邊部高頻能量強。因此，分別提取S67單元不同頻帶能量沿層屬性平面圖，其反映了該單元不同位置、厚度河道的形態，20～40 Hz分頻能量屬性反映河道較寬和較厚部位，整體上河道展布較連續，50～70 Hz分頻能量屬性反映河道較窄和較薄部位，通過屬性平面統計，結合井點信息分別賦予不同分頻能量屬性權重系數，實現多頻帶能量屬性融合，能夠較完整的展現河道的空間展布，如圖5a所示為該單元淺層河道預測結果，整體古河道系統展布較為清晰，但與實鉆井相比河道預測規模偏大，同時地震異常體較難反映出古暗河系統的結構特征。

圖5 塔里木盆地塔河S67單元淺層河道系統表征結果Fig.5 Characterization of shallow river system in Unit S67 of Tahe area,Tarim Basina. 分頻能量預測結果； b. 地質模型

綜合巖心、測井、地震、生產動態等多學科資料，在暗河描述成果與地震預測屬性雙重約束下，采用基于目標的方法，井震結合建立地下河系統三維分布模型，實現了河道幾何形態和屬性特征的空間定量表征。建模過程中利用水平井鉆遇河道寬度和直井鉆遇河道的厚度對地震預測結果進行校正，結合巖溶成因及結構類型的研究，對地下河系統進行結構識別、劃分與表征，實際地下河系統建模結果與井點鉆遇河道系統相符，地下河形態與地震預測結果一致，同時符合巖溶地質對地下河特征的認識，河道寬度、厚度均為真實河道描述特征，消除了地震雕刻視體積偏大的影響，有效表征了地下河系統的結構特征。如圖5b所示為S67單元淺層河道系統建模結果，較好反映了地下河系統幾何形態和復雜結構特征，模型共有1條主河道和3條分支河道，地下河系統入水口、出水口分別位于單元北部和南部，河道分叉或轉彎處發育2個規模較大的廳堂洞，受斷裂影響主河道局部區域會形成廊道。兩層暗河整體孔隙度值范圍為0～36.7%，平均值4.5%，呈現較強非均質性。

4 模型融合與應用

4.1 不同成因縫洞體模型融合

在分別對不同成因的巖溶縫洞體進行建模的基礎上，將分類縫洞體模型進行融合，融合內容復雜多樣，具體包括：不同成因巖溶縫洞體間的融合；表層巖溶中大溶洞、小縫洞體和大裂縫的融合；斷控巖溶中巖溶輪廓、大溶洞和大裂縫的融合；地下河系統中河道不同結構的融合；屬性參數模型的融合等。因此，融合過程綜合考慮巖溶成因和縫洞體發育規律，確定分類儲集體模型的融合原則，該單元表層巖溶、斷控巖溶和地下河系統有成因上的相關性，在空間上也存在一定的重疊，考慮三者分布規律、主控因素及成因次序上的差異，確定宏觀巖溶背景的融合原則為“古地下河系統—斷控巖溶—表層巖溶”；根據縫洞體形成規律的不同確定表層巖溶縫洞體的融合順序為“大型溶洞—大裂縫—小縫洞體”；斷控巖溶縫洞體中巖溶輪廓反映了各種縫洞體的綜合邊界范圍，輪廓內含有大溶洞、大裂縫、小尺度縫洞體等，因此融合規律確定為“大溶洞—大裂縫—巖溶輪廓”；古地下河系統則根據淺層河和深層河的空間位置及發育期次確定融合規律，該單元2層地下河發育在不同期次，空間位置上并無重疊之處；屬性參數模型的融合采用參考文獻[23]的方法。

圖6為S67單元油藏模型融合結果，圖6a為縫洞體模型融合結果，圖6b為孔隙度模型融合結果。融合模型較好反映了油藏儲集體分布及復雜結構特征，整體發育表層巖溶、斷控巖溶和地下河系統3種不同成因的巖溶類型。表層巖溶主要結構類型為大尺度溶洞、裂縫和小縫洞體，連續性較好，斷控巖溶結構類型主要為大尺度斷控溶洞、斷裂和溶蝕孔、洞、縫，縱向連通較好，地下河系統包含上、下2期河道，結構復雜，由多個主河道、分支河道、出-入水口、廳堂、廊道等結構類型組成。油藏整體孔隙度分布范圍在0～40%，不同類型縫洞體物性差異較大，大尺度溶洞孔隙度分布范圍在2.1%～40.0%，小尺度縫洞體孔隙度在1.5%～33%，大尺度裂縫滲透率高達350 10-3μm2以上。

圖6 塔里木盆地塔河S67單元油藏融合模型Fig.6 Fusion model of reservoirs in Unit S67 of Tahe area,Tarim Basina. 不同類型縫洞體模型融合； b. 孔隙度融合模型

4.2 模型應用

基于模型計算該單元縫洞型油藏儲量為1 494×104t。表層巖溶縫洞體儲量為589.6×104t，其中大尺度溶洞占34.6%，大尺度裂縫占2.8%，小縫洞體占62.6%；斷控巖溶縫洞體儲量為744.4×104t，其中大尺度溶洞占63.8%，大尺度裂縫占3.5%，其它縫洞體占32.7%；古地下河系統儲量為160×104t。儲量分類評價結果為開發技術政策調整奠定了可靠物質基礎。

以建立的精細地質模型為基礎，采用“平面分區，縱向分段，縫洞體分類”的策略進行網格粗化。平面上，井周圍100 m范圍內采用20 m×20 m的網格，100 m范圍之外采用40 m×40 m的網格進行劃分；縱向上，表層采用1.2 m的網格，中部采用3 m的網格，深部采用5 m的網格進行劃分；縫洞體方面，在8個大尺度溶洞和13條裂縫周圍進行了局部的加密。粗化模型較好地保留了地質模型非均質性特征，同時能夠滿足油藏數值模擬計算能力的要求。圖7為S67單元數值模擬結果，其中，圖7a，b分別為數值模擬日產油量和含水率的擬合曲線，基于模型計算結果與實際生產擬合較好，模擬較好地體現了不同縫洞體的原始儲量分布狀況及在開發過程中的儲量動用狀況，圖7c為油藏剩余油豐度分布平面圖。

圖7 塔里木盆地塔河S67單元數值模擬結果Fig.7 Results of reservoir numerical simulation in Unit S67 of Tahe area,Tarim Basina. 日產油量擬合曲線；b. 含水擬合曲線；c. 剩余儲量豐度分布

模擬結果表明：剩余儲量主要分布在溶洞中，其中大尺度縫洞體和地下河道系統占67.7%，小尺度縫洞體占32.3%，剩余油類型主要以洞頂油、高導流通道屏蔽剩余油和井間未井控剩余油為主，裂縫是油水流動的主要通道，底水沿大裂縫竄進明顯，油井見水時間與裂縫分布密切相關，也是產生屏蔽剩余油的主要原因。剩余油分布結果指導了開發方案的調整，制定了側鉆、上返酸壓、恢復注氣、改善注水等措施，單元開發效果顯著改善，單元日產油增加約80 t，含水率明顯下降，有效減緩了單元產量的遞減。

5 結論

1) 綜合考慮主控因素、成因關系和結構類型將縫洞型碳酸鹽巖油藏古巖溶儲層劃分為表層巖溶、斷控巖溶和地下河系統3類。表層巖溶結構類型以小型溶洞、溶蝕孔、裂縫等小縫洞體為主，斷控巖溶結構類型以大型溶洞、復雜斷裂、溶蝕孔縫為主；地下河系統結構類型以巖溶河道、大型廳堂洞及沿河道的溶蝕孔、縫為主。

2) 針對不同成因巖溶發育特點，采用地震振幅譜梯度屬性結合序貫指示模擬方法表征表層巖溶分布，基于波阻抗反演結合梯度結構張量刻畫斷控巖溶特征，利用分頻能量屬性結合基于目標的方法構建古地下河系統模型，綜合測井、地質、生產動態等多學科資料表征了古巖溶連通、充填及物性特征，并通過融合建立了三維地質模型，較好地表征了此類油藏縫洞系統結構及強非均質特征。

3) 模型較好地應用于油藏數值模擬和開發方案調整，基于模型細化了S67單元縫洞油藏儲量構成，模擬較好體現了不同類型縫洞體的原始儲量分布及在開發過程中的儲量動用狀況。剩余油分布結果為開發方案調整提供了依據，實施后單元開發效果顯著改善，單元日產油增加約80 t，含水率明顯下降，有效減緩了單元產量的遞減。