陳叔陽,何云峰,王立鑫,尚浩杰,楊昕睿,尹艷樹
(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司,烏魯木齊 830000;2.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室,武漢 430100)
塔里木盆地順北油田的勘探實踐表明,斷裂破碎帶既是油氣輸導通道又是成藏的有利空間,圍繞該地區主干斷裂帶及次級斷裂帶的油氣鉆探均取得了較好的成果[1-2]。眾多學者對順北地區走滑斷裂的構造特征[3-6]、成藏特征[7-8]以及儲集體特征[9]等方面展開了大量的研究攻關,已經認識到該地區巖溶縫洞體的發育與斷裂帶、構造變形帶等均具有較好的匹配關系,且具有明顯的斷控巖溶特征,這種特殊的圈閉類型被定義為斷溶體[3]。圍繞斷溶體的發育和分布特征,結合地震正、反演及不同屬性的融合分析,逐步形成了基于地震資料的斷控縫洞體雕刻與量化描述技術,有效地支撐了規模儲集體預測和動態連通性分析評價[13-15];綜合分析斷層破碎影響帶、斷溶體及其內部洞穴發育的成因與規模間的聯系,形成了斷溶體表征與建模策略[16-17];圍繞巖溶洞穴及內部充填特征,通過露頭、地震、測井以及動態資料構建了洞穴充填模式,采用多點地質統計學方法構建了洞穴內部結構三維模型[18-19],有力地指導了順北地區油氣藏的開發與調整。隨著勘探與開發的深入,順北地區斷裂因素對油藏的控制作用越發突顯,斷控型儲層主要表現為斷裂系統發育,溶蝕作用弱,儲集空間主要為斷層破碎帶和裂縫發育區,其規模較斷溶體的溶蝕孔洞小,儲層非均質性更強,連通性也更復雜,給油藏開發帶來極大的挑戰。尤其是現有的研究對走滑斷裂帶及破碎帶結構特征的認識與實際鉆井及生產動態表現出來的特征存在較大差異,導致實際油藏的動用情況不明確,對破碎帶連通關系和模式也認識不清,剩余油挖潛效果較差,嚴重制約了油藏的高效開發和調整。因此,亟需對斷控型儲集體進行精細刻畫并建立三維地質模型,揭示儲集體內部復雜的結構特征和連通關系,助力油藏剩余油準確預測與開發調整。
以塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系油藏為例,在斷控型碳酸鹽巖儲層內部結構劃分與表征的基礎上,建立定量化三維地質模型,以期服務于油藏剩余油挖潛,為該區及順北地區其他相似儲集體的開發提供參考。
順北油氣田主體位于順托果勒低隆起,東南延伸至古城墟隆起的順南斜坡,北連沙雅隆起,南接卡塔克隆起,東鄰滿加爾坳陷,西接阿瓦提坳陷,處于構造相對較低的“鞍部”,整體表現出北高南低、東高西低、相對平緩的特征。順托果勒低隆起區褶皺變形強度較弱,發育多期活動的走滑斷裂,地層發育較為齊全,僅部分組段有不同程度的缺失。受構造沉積演化控制,寒武紀—中奧陶世發育厚度約3 000 m 的碳酸鹽巖地層,后期經走滑斷裂改造,形成了規模發育的斷控型儲集體(圖1)[9]。

圖1 塔里木盆地順北1 號斷裂帶構造位置(a)及巖性地層綜合柱狀圖(b)(根據文獻[9]修改)Fig.1 Tectonic setting(a)and stratigraphic column(b)of Shunbei No.1 fault zone in Tarim Basin
順北1 號斷裂帶位于順北一區,目前共有21 口鉆井,目的層為奧陶系鷹山組—一間房組,巖性主要為碳酸鹽巖,埋深為7 200~8 800 m,屬于深層—超深層油氣藏,鉆探揭示油氣藏沿區內主干走滑斷裂帶分布[8],儲集空間主要為構造破裂作用形成的縫洞體系。目前,1 號斷裂帶共開井16 口,其中采油井10 口,注水井6 口,在開發過程中存在單井開井生產后壓力下降速率快、壓力不足、水竄情況嚴重以及主力儲層的動用程度低等問題。
順北1 號斷裂帶斷控型碳酸鹽巖儲集體與在塔河油田等地區發現的斷溶體成因相似,都是受走滑斷裂的影響和控制,只是在巖溶作用的強弱上存在差異。因此,該斷控型碳酸鹽巖儲集體的精細解剖可以借鑒斷溶體的研究思路和方式。同時,為了突出與斷溶體的差別及對比,將斷控型碳酸鹽巖儲集體定義為斷控體。張文彪等[17]依據成因約束和規模控制將斷溶體劃分為走滑斷裂影響帶、斷溶體、斷溶體內部縫洞帶以及洞內充填等4 個層級。采用類比方法,將斷控體劃分為走滑斷裂影響帶、斷控體、斷控體內部類洞穴、類洞穴內簇充填和裂縫帶共5 個層級,各層級單元之間具有一定的約束和控制關系,不同層級的儲層結構、規模及分布具有明顯差異。
走滑斷裂影響帶是走滑斷裂形成過程中受扭應力或剪切應力作用所形成的、從斷裂根部至頂部呈現的具有一定影響范圍的大型破碎帶,為斷控體的第1 層級。走滑斷裂影響帶在平面上具有一定的寬度,一般為百米級至千米級,走向延展規模較大,一般為數萬米,受應力差異的影響表現出一定的分段性,在研究區內可識別出擠壓段、拉分段和平移段,通常交替出現。各段具有一定的特征差異,在擠壓段和拉分段,從斷裂根部到頂部因應力釋放呈現出“Y”形或花狀,破碎帶寬度整體呈“下窄上寬”的特征;在平移段,從斷裂根部到頂部破碎帶的寬度變化不大,呈柱狀或單支狀,垂向上延伸距離較長,甚至穿越了基底,通常為幾千米。走滑斷裂影響帶在垂向上穿越了奧陶系鷹山組和一間房組,不同段具有不同的斷裂結構。
斷控體是指在走滑斷裂影響帶范圍內地層破碎程度高、裂縫密度大的輪廓范圍,為斷控體的第2層級。走滑斷裂帶的分段性使得巖石破碎程度與裂縫發育程度均呈現明顯差異,其內部發育的斷控體形態也具有不同的組合樣式。綜合構造背景、地震及鉆井資料分析,將斷控體細分為6 類,其中拉分段包含疊接段斷裂交會型和橋接段單只走滑型2類;平移段分為雙斷裂交錯型和兩段裂交會型2類;擠壓段也分為2 類,為雙斷裂扭曲型和雙斷裂交會型(表1)。不同斷控體的破碎帶發育位置及斷層組合方式均存在差異,破碎帶一般集中在斷裂交會處或局部拉分點,而斷層多位于破碎帶的兩側,一般不穿越破碎帶。整體上,由于溶蝕作用較弱,大型溶蝕孔、洞不發育,破碎帶構成了斷控體的主體儲集空間。

表1 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層6 類斷控體模式特征Table 1 Characteristics of six types of fault-controlled bodies of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
斷控體內部一般由破碎帶和基巖組成。破碎帶作為儲集層是開發對象,基巖是非滲透層,阻礙流體交換。由于巖溶作用較弱,儲集空間主要是斷裂破碎形成的斷面空腔、角礫間孔隙以及構造縫,其中斷面空腔通過斷裂面和裂縫進行溝通。為了突出與斷溶體內部大型洞穴以及小型溶蝕孔、洞、縫的類比,將斷控體內部破碎程度高、儲集空間發育好、規模較大的區域定義為類洞穴;將破碎程度低、儲集空間發育差、規模較小的區域定義為雜亂體,為斷控體的第3 層級。與巖溶形成的大型洞穴和孔縫系統相比,斷控體內部儲集體規模較小,非均質性更強。研究區發育多個類洞穴,在地震剖面上具有典型串珠狀反射特征,如SHB1-23H 井在主干斷裂邊巖層破裂形成破碎帶,在地震能量梯度剖面上顯示為橢球狀,垂向上沿斷裂發育多個橢球狀,組成類似串珠的形態特征(圖2)。
順北1 號斷裂帶的勘探實踐表明,類洞穴內部儲集體的發育具有分段分帶性。其中規模較大的類洞穴(有效儲層)在地震剖面上具有典型的串珠狀形態,鉆井時常發生漏失,電阻率曲線和聲波時差曲線一般有明顯增大或跳躍現象,成像測井顯示裂縫發育;角礫發育區(角礫帶)儲集空間以洞穴和裂縫為主,多豎直發育,寬度較均勻,充填物主要是斷層角礫巖,物性較好;基巖區儲集空間以基巖-裂縫帶組合為主,主要為水平縫和高角度縫,寬度較小,儲層物性相對較差;角礫帶與基巖區通常間互發育(圖3)。將此類儲層結構定義為柵狀結構,角礫帶為簇,基巖-裂縫帶為簇間,簇和簇間構成的簇充填為斷控體的第4 層級結構。
基于順北1 號斷裂帶鉆井資料分析,建立了類洞穴內簇充填模式(圖4)。由于1 號斷裂帶穿過儲集體的鉆井較少,僅5 口,而鄰近的4 號斷裂帶發育的斷控體與1 號斷裂帶具有相似性,為了更好地對簇充填進行分析,將4 號斷裂帶13 口穿過儲集體的井信息一起進行統計。結果表明:簇的規模和發育頻率在不同部位略有差異,在類洞穴核部,簇的平均寬度為5.40 m,發育頻率為8.4 個/100 m;在類洞穴邊部,簇的平均寬度為3.80 m,發育頻率為12.4 個/100 m;簇間整體寬度更大,平均為7.10 m,發育頻率為39.8 個/100 m。

圖4 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層類洞穴內簇充填柵狀結構模式Fig.4 Patterns of intra-cave-like cluster-filling structures of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
裂縫帶為類洞穴主要的儲集空間,在柵間基巖充填體內部、簇內部以及簇間均發育裂縫帶,為斷控體的第5 層級結構。通過取心資料和成像測井對簇內部、簇間及基巖帶裂縫進行識別與統計發現,巖心裂縫主要為水平縫和高角度縫,另有少量斜縫和網狀縫(圖5)。對研究區16 口井的解釋資料進行統計分析可知,一間房組發育的高角度裂縫長度為0.70~14.70 m,平均為3.65 m,寬度為0.10~4.00 mm;高角度縫在基巖帶發育頻率為0.07 條/m,在簇內的發育頻率為0.21 條/m,表明一間房組簇內受力更多,裂縫更發育。鷹山組發育的高角度縫長度為0.40~5.30 m,平均值為2.21 m,寬度為0.02~2.00 mm,發育頻率與一間房組一致。在一間房組與鷹山組交界區域,傾角小于20°的裂縫數量占比為42%,傾角大于70°的裂縫數量占比達28%,傾向為120°~180°的裂縫占比20%,傾向為270°~360°的裂縫占比達64%;高角度縫不發育,水平縫和高角度縫的總數量占比約為70%,以水平縫為主,水平縫長度為1.80~5.20 m,平均值為2.81 m,寬度為0.01~0.30 mm,發育頻率為2.26 個/m。

圖5 塔里木盆地順北1 號斷裂帶典型井奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層裂縫帶特征Fig.5 Characteristics of fracture zones of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs of typical wells in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
在斷控體層級劃分和表征的基礎上進行儲層建模。從斷控體主控因素及規模特征來看,碎屑巖儲層中“層次建模、成因約束”的建模思路也適用于斷控體儲層建模[20-21]。走滑斷裂影響帶經歷多期次構造活動后形成了不同規模的斷裂或裂縫,多期構造活動具有繼承性,造成巖層破裂,組合形成次級斷控體。斷面空腔、角礫間孔隙和構造縫構成了斷控體內部的主要儲集空間,為第3 層級的類洞穴。鉆井資料顯示類洞穴內部具有多段間互漏失的特征,指示柵狀結構發育。柵狀體的物性差異明顯,在裂縫-洞穴帶,儲集體以裂縫、斷層角礫帶以及孔洞組合為特征,為類洞穴的簇充填。在簇間,儲集空間主要為基巖-裂縫帶,如果裂縫發育較好,橫向連通性好,則可將簇連通;如果裂縫不發育,則簇間連通性差,流體不發生交換。簇充填預測與裂縫表征分別是第4 層級和第5 層級表征。由此,形成了從走滑斷裂影響帶到簇內裂縫帶的層次約束體系,在建模過程中采用層次建模的手段逐級進行反映。
斷控體受控于斷裂系統及其影響范圍,發育特征和規模與碎屑巖沉積相略有不同。由于研究區埋藏深,鉆井資料有限,地震資料覆蓋面廣,對宏觀斷裂體系、斷控體以及類洞穴的刻畫,主要是對地震資料進行屬性提取與轉換,采用確定性的方法開展建模工作,而對類洞穴內部簇充填以及裂縫帶的分布則主要采用隨機建模方法。最終將不同層級的模型進行融合,形成了研究區反映不同層級的儲層三維地質模型。建模流程如圖6 所示。

圖6 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖建模流程Fig.6 Modeling process of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
張文彪等[18]采用地震相干體解釋成果,結合走滑斷裂發育模式,對順北1 號斷裂帶走滑斷裂影響帶的主干斷裂及包絡線進行了解釋,采用確定性方法建立了模型。本文在此基礎上,基于地震張量螞蟻和地震相進行走滑斷裂影響帶刻畫。首先以張量表征的整體斷裂帶破碎程度來表征宏觀斷裂破碎帶的分段和連通特征;然后采用多個與斷裂相關的地震屬性,運用聚類分析算法進行裂縫地震相分析,根據斷裂帶破碎程度對斷裂系統的宏觀輪廓進行表征,刻畫出走滑斷裂的宏觀發育特征,構建三維框架模型(圖7)。

圖7 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層走滑斷裂影響帶模型Fig.7 Model of strike-slip fault-influenced zones of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
斷控體為走滑斷裂影響帶內的儲集單元,其分布受走滑斷裂影響帶的約束,發育規模相對較小,組合樣式較多。不同斷裂系統與破碎帶組合構成了6 種斷控體模式。傳統方法通常以地震張量螞蟻進行斷控體輪廓的刻畫,但生產實踐表明張量螞蟻在走滑斷裂發育、破碎程度較高的區域識別準確率高,而在走滑段斷裂不發育的區域(弱走滑斷裂段)識別準確率較低。因此,引入深度學習技術對弱走滑斷裂段的斷控體進行預測,通過構建典型斷控體的訓練數據,采用U-net 圖像分割深度卷積神經網絡進行學習和訓練,并對斷控體進行識別。以SHB1-25H 井區為例,在SHB1-23H 井注水開采前期張量螞蟻表征井區內發育的斷裂不連續,注采井組不連通,而采用U-net 構建的斷控體三維模型預測為連續的斷裂(圖8),注水期間,井區內SHB1-5H 井發生了水竄現象,這一生產動態證明了U-net構建的三維模型預測結果的可靠性,這也說明引入深度學習方法改善了張量螞蟻局部斷裂識別不足的問題,較好地刻畫了弱走滑斷裂帶的斷控體。

圖8 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層斷控體三維模型Fig.8 Three-dimensional model of fault-controlled bodies of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
順北1 號斷裂帶的地震勘探實踐表明,地震能量梯度屬性對類洞穴有很好的響應,同時鉆井鉆遇類洞穴邊緣時會發生漏失、放空現象。利用鉆井漏失、放空點的位置信息逐步確定地震能量梯度的截斷區間為46.0~133.8,進而從地震能量梯度屬性體中雕刻出類洞穴輪廓,再利用輪廓邊界與地質模型開展布爾運算,最終建立三維類洞穴模型(圖9)。

圖9 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層類洞穴模型Fig.9 Cave-like model of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
類洞穴內部發育簇充填及簇間充填,儲集體質量存在差異,這也是影響注水開發的重要因素。由于類洞穴內部簇的柵狀結構形態較簡單,且僅有少量鉆井鉆遇,因此采用基于目標示性點過程模擬方法開展模型建立。
采取層次建模思路,針對每一個類洞穴,先將簇間基巖-裂縫帶作為背景相,再進行簇充填的洞穴-裂縫帶建模。由于洞穴和裂縫帶難以區分,將洞穴-裂縫帶作為一個整體,其形態接近為長方體,刻畫主要取決于洞穴-裂縫帶的相對位置和寬度參數。步驟如下:①根據簇充填的柵狀特征,從統計的簇充填發育頻率隨機抽樣獲得簇充填的數量;②通過圖像學方法確定類洞穴的中線,以中線為基準,向兩側隨機抽樣確定簇充填寬度及中心點位置,確保2 個簇充填不重合;③對簇充填邊界進行隨機擾動,使其邊部不再平整,略微變形能更好地逼近簇充填形態樣式,實現簇充填模型建立(圖10)。

圖10 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層類洞穴內部簇充填結構特征Fig.10 Structure characteristics intra-cave-like clusterfilling of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
簇充填體的走向受應力作用影響,在平移段時,與斷裂方向一致,而位于擠壓段和拉分段時,與斷裂方向發生偏移。因此,在建模過程中,還需要參考應力模型中平移段、擠壓段與拉分段的應力方向,確定擠壓段與拉分段應力場與簇充填體走向的偏移角度。應力場分析表明,研究區擠壓段與平移段相比,簇充填體走向逆時針偏移10°,拉分段與平移段相比,簇充填體走向逆時針偏移16°。在模型建立過程中,對類洞穴內部簇充填體進行相應角度的旋轉,以符合應力場特征,能更準確地表征簇充填的分布(圖11)。

圖11 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層類洞穴內部簇充填模型Fig.11 Model of intra-cave-like cluster-filling of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
建立裂縫模型主要采用離散裂縫網絡模擬(DFN)方法[22],其核心是確定不同部位裂縫發育密度以及裂縫幾何學參數。研究區一間房組上部、鷹山組下部均發育高角度縫和水平縫,在2 套地層之間的接觸帶不發育高角度縫,僅發育水平縫。因此,建模時根據裂縫發育規律在垂向上自下而上劃分為鷹山組、接觸帶和一間房組3 段,設置不同裂縫的產狀數據。
類洞穴內部的測井解釋表明,簇內洞穴-裂縫帶的裂縫發育頻率明顯高于簇間基巖-裂縫帶,裂縫的統計特征參數也存在差異,因此在裂縫建模時以類洞穴模型作為約束條件,分別對簇內洞穴-裂縫帶以及簇間基巖-裂縫帶進行裂縫預測。如圖12 中模型所示,研究區小尺度裂縫非常發育,對油藏滲流起到了明顯的改善作用;垂向上不同層組中裂縫類型的分布差異、簇和簇間裂縫的分布頻率都得到了很好的體現。

圖12 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型碳酸鹽巖儲層裂縫帶模型(a)與裂縫帶截面投影(b)Fig.12 Fracture zone model(a)and fracture zone cross-section projection(b)of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
在上述地質模型的基礎上,采用序貫高斯模擬方法,利用相控的方式建立儲層物性模型與含油飽和度模型。利用地質模型計算順北1 號斷裂帶奧陶系油氣儲量為1 628×104t,而地質分析計算的儲量為1 600×104t,模型預測的油氣儲量絕對誤差為28×104t,誤差率為1.75%,表明建立的地質模型可以較好地反映地質分析成果,具有較高的精度。
基于地質模型成果開展研究區油藏數值模擬,對油井的地層壓力趨勢、累產液等指標進行擬合,并與實際生產數據進行對比,擬合誤差小于10%,模型準確度高。以重點井組SHB1-25H 井組為例,對其中3口生產井SHB1-4H井,SHB1-4HCH井和SHB1-5H 井的井底流壓和累產液曲線進行對比(圖13)。其中,SHB1-4H 井前期累產液擬合效果好,后期的擬合結果比實際生產結果高,井底流壓整體擬合較好,僅在局部與實際有偏差;SHB1-4HCH 井的壓力和累產液曲線的擬合效果均較好,局部區域略有偏差,最大偏差低于5%;SHB1-5H 井累產液擬合結果整體較好,只在研究期的末期存在一定誤差,但擬合的壓力在后期偏差較大,分析認為這可能與區內SHB1-23H 井開始注水有關。井組分析表明模型較好地再現了斷控體的連通性,模擬后期誤差的存在也表明斷控體非均質性強,導致局部結構預測存在不確定性,需要進一步深化地質認識并改進預測方法,以提高模型精度,更好地服務于油田開發。

圖13 塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系斷控型儲層模型擬合3 口典型井油藏數值與實際生產數據對比Fig.13 Comparison of model-fitted reservoir values and actual production data from three typical wells of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone,Tarim Basin
(1)塔里木盆地順北1 號斷裂帶奧陶系發育斷控型碳酸鹽巖儲層,主要受控于斷裂體系,溶蝕作用弱,與斷溶體儲層存在明顯差別;基于成因約束與規模控制,可將斷控型儲集體從大到小劃分為走滑斷裂影響帶、斷控體、類洞穴、類洞穴內簇充填以及裂縫帶等5 個層級單元;大尺度的層級單元對小尺度層級單元具有約束和控制作用。
(2)走滑斷裂影響帶受應力差異影響具有分段性,可細分為擠壓段、拉分段和平移段。斷控體在拉分段發育斷裂交會型、單支走滑型,在平移段發育雙斷裂交錯型和兩斷裂交會型,在擠壓段發育雙斷裂扭曲型和雙斷裂交會型,共有6 種平面組合樣式。類洞穴在地震剖面上呈串珠狀反射特征。類洞穴內部簇充填分為簇(角礫帶)與簇間(基巖裂縫帶),簇充填呈柵狀結構,簇間寬度更大(平均為7.10 m)、發育頻率更高(39.8 個/100 m);簇的規模和發育頻率在不同部位略有差異,在類洞穴核部平均寬度為5.40 m,發育頻率為8.4 個/100 m;在類洞穴邊部,平均寬度為3.80 m,發育頻率為12.4 個/100 m。裂縫帶在簇內部比簇間更發育、在一間房組比鷹山組更發育,在一間房組和鷹山組均以發育高角度裂縫為主,在二者的連接處則以發育水平縫為主。
(3)對順北1 號斷裂帶奧陶系斷裂影響帶、斷控體以及類洞穴采用地震資料(如地震相干體解釋、地震張量螞蟻、地震相、地震能量梯度屬性等),結合深度學習技術進行確定性建模;對類洞穴內簇充填進行地應力約束,采用基于目標的隨機建模方法;對裂縫帶通過DFN 方法建模,最終建立的三維地質模型計算的儲量與地質分析確定儲量間的誤差為1.75%,模型擬合油井地層壓力和累產液與實際生產數據的誤差均小于10%,模型準確度高。