薄砂體重疊帶與小斷層的地震多屬性聯合識別方法研究

尹 成,彭 浩,2,趙 虎,劉藝璇,王長江

(1.西南石油大學地球科學與技術學院,四川成都 610500;2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司開發事業部,四川成都 610051;3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發研究院,山東東營 257015)

我國東部探區的砂巖油氣藏一般表現為如下特征:一是斷裂特別是低序級斷層極為發育[1];二是多套含油層系(明化鎮組、館陶組、東營組、沙河街組等)均表現為多期復合砂體的疊置構型[2];三是單一砂體或疊置砂體的厚度一般都小于地震調諧厚度[3]。因此,在油氣地震勘探領域,人們一直致力于提高斷塊油氣藏的成像精度[4]、研究低序級斷層的識別方法[5-6]、開展基于地震屬性的復合砂體構型的表征與疊置砂體的不連續性界限的識別[7-8]、探索識別薄互層砂體厚度的地震預測方法[9]等。

目前,對于低序級斷層(主要是指6～7級斷層[1],簡稱為小斷層)識別的研究與應用,最多的還是地震屬性分析?；诘卣饘傩缘臄鄬幼R別方法一般可以分為3類[10-11]:①沿層地震屬性識別,包括沿層相干屬性、沿層傾角方位角屬性、沿層剩余振幅屬性等;②地震體屬性識別,如相干體、方差體、曲率體、螞蟻體、分頻體、相位調諧體等;③衍生屬性識別,如基于優勢頻帶的相干屬性、基于分頻數據體的相位屬性、基于相干或曲率數據的螞蟻增強屬性、基于構造導向濾波的梯度結構張量屬性、基于相干、曲率和方差的多數據RGB融合屬性等。所有這些屬性的研究與應用都是為了克服地震數據上噪聲的影響和分辨率的限制,同時也說明在小于地震分辨率的條件下,地震剖面上的小斷層識別還需要從不同的方向和角度開展深入的研究與探索[12]。

本文研究主要針對我國東部探區在地震調諧厚度下的河流相薄互層砂體,此類砂體在地震剖面上一般表現為一條強反射同相軸,但該同相軸在橫向上既有局部振幅強弱的變化,也有局部波形結構特征的變化,這些變化反映的有可能是具有一定落差的多期河道砂體間的重疊帶,也有可能是河流相薄互層砂體儲層中的小斷層[13]。因此,對于這條同相軸上不同河道砂體的重疊帶與小斷層的區分問題,本文通過正演模擬開展地震多屬性的聯合分析研究,以期對河流相薄互層砂體進行可靠描述,以及為薄互層斷塊油氣田中剩余油藏的精細勘探與滾動開發提供一些新的思路與方法。

1 問題的提出

由地震勘探原理可知[14],地質構造運動形成的斷層可以造成地震剖面上同相軸的分叉、合并、扭曲、錯斷和能量突變等特征,但某些由于沉積作用而形成的特殊地質體也能夠造成類似的同相軸異常變化,形成“偽斷層”,在解釋時難以辨別,如由于河流頻繁改道形成的弱連通砂體重疊帶等。

李慶忠關于陸相地層若干問題的文章和劉雯林關于油氣田開發地震技術的專著中,都曾介紹過松遼盆地新立地區辮狀河流相沉積的地震反射的一個典型實例[15-16],如圖1地震剖面上1.0～1.2s之間的強反射,由兩側向中心呈類似地塹式的同相軸錯斷,吉林油田的地球物理工作者通過大量的鉆探實踐已認識到,這不是斷層,而是泉頭組晚期多條古河道沉積的響應,反映了河道的擺動、遷移與疊置。

圖1 松遼盆地新立地區下白堊統“地塹式”河道疊置沉積的地震特征[16]

圖2展示了東部勝利探區新近系館上段兩期河道砂體疊置后的地震反射特征。在地震剖面上CDP 1110～CDP 1160之間1.3s附近的強反射(紅色箭頭處),初期解釋為被兩條東西向斷層切割的一條南北向河道(L168河道),設計鉆探該南北向砂體的高部位,實際鉆遇了一條北西西向河道砂體,與L168河道為兩期河道,互不聯通。仔細對比該地震剖面發現,在CDP 1130和CDP 1142處,反射同相軸存在細微的扭曲,可以推測為兩期河道砂體在該重疊帶存在的反射同相軸扭曲,即河道砂體重疊條帶在地震剖面上的響應特征。

圖2 勝利探區埕北新近系館上段兩期河道砂體疊置的地震反射特征(據王長江,內部資料)

受上面兩個實例分析的啟示,設計了一個不同落差的河道砂體疊置模型,以及同樣落差的正斷層模型(圖3),其中砂體速度為2900m/s,密度2.20g/cm3,泥巖(圍巖)速度為2400m/s,密度2.16g/cm3,單個砂體的最大厚度為24m(即調諧厚度),采用1ms采樣,30Hz主頻的雷克子波進行褶積得到該模型的合成地震記錄。

從剖面上可以看到,對于落差為12m的砂體重疊帶和斷層分布區,反射同相軸都表現出一個下彎的特征,對于更小落差的砂體重疊和斷層,一般肉眼很難識別反射同相軸的變化。但是仔細對比重疊帶與斷層區,以及周圍鄰區之間的反射波強弱和反射波的波形結構,還是存在一些細微的差異。

因此,針對我國東部探區河流相薄互層砂體與斷塊油氣藏的精細描述與表征,本文提出了在小于調諧厚度的薄互層砂體的反射同相軸上,通過地震波振幅類屬性與地震波形結構類屬性[8]等多屬性聯合應用的方法,來實現薄互層砂體重疊帶與小斷層的區分與識別。

2 理論模型分析

2.1 斷層與砂體疊置模型建立及正演

根據河道砂體的尖滅與重疊和小斷層共存現象,設計了如圖4所示的一個既有斷層又有河道砂體重疊的模型。采用30Hz主頻的雷克子波對模型進行正演模擬,模型中的地球物理參數如表1所示。此時地震調諧厚度為24m,砂體厚度為20m,砂體中間發育斷層,斷距范圍為3～20m(圖中紅色數字標注),砂體重疊帶的落差與之一一對應(圖中黑色數字標注),即保持重疊帶與斷層的尺度相當。模型中單一河道砂體的寬為300m,等分為左右兩個厚度減薄區和中間厚度恒定區。另外,模型除了考慮河道砂體重疊帶的落差外,還考慮了兩個河道砂體橫向重疊的范圍不同,以增加不同類型河道砂體重疊的地震響應特征的認識。

圖4 斷層與砂體疊置模型

表1 斷層與砂體疊置模型的參數表

圖5為斷層與砂體疊置模型的地震響應剖面,可以看出,砂體重疊帶表現為同相軸的扭曲及錯斷現象,與斷層處的響應特征十分相似(表2)。斷距為3～5m的斷層在剖面上斷點不清晰,同相軸變化較弱,難以識別,但是落差為3～5m的砂體重疊帶同相軸扭曲幅度要大,橫向延伸也較長,更容易分辨;斷距為10m的斷層在剖面上斷點較為清晰,顯示為同相軸的輕微錯開,與落差為10m的砂體疊置反應極為相似;斷距為20m的斷層在剖面上反應十分明顯,斷點清晰,同相軸完全錯開,斷面處同相軸瞬間錯斷,無扭曲及漸變現象,而落差為20m的砂體重疊帶同相軸雖完全錯開,但中間出現扭曲和漸變現象。圖5中綠色箭頭指示區域為同相軸完全錯開的地方,經過分析發現這些區域均為砂體剛好接觸或已經分開的位置。

圖5 斷層與砂體疊置模型的地震響應剖面(圖上數字單位m)

表2 不同斷距和砂體疊置落差的地震響應特征

綜上所述,小于調諧厚度的砂體重疊帶在地震剖面上會形成“偽斷層”響應,且地下實際資料更為復雜,僅憑借剖面響應特征難以從地震剖面上對其進行識別,更難區分砂體重疊現象與小斷層,因此,應尋找其它方法來進行準確有效的識別和區分。

2.2 地震多屬性聯合模式

從模型正演的地震剖面可以發現,不同落差的小斷層以及不同落差和不同重疊范圍的砂體重疊帶,在地震剖面上表現為同相軸不同程度的扭曲和錯斷以及同相軸的強弱變化現象。結合我國東部拉張型斷陷湖盆的小斷層和薄互層砂體疊置的特點,當砂體厚度小于調諧厚度時,必然引起反射波振幅調諧的強弱變化;當薄互層砂體疊置時,由于多個砂泥反射界面的存在,也必然引起反射波形的形態特征的變化,如波形的強弱、尖銳性、對稱性等特征的相對變化[8]。因此,本文提出了從地震振幅類屬性和波形結構類屬性中挖掘二者的差異,進而進行聯合識別。

隨著地震資料信噪比的提高,以及針對的目標和需求的不同,能夠在沿層時窗內提取的振幅類屬性和波形結構類屬性可以有幾十種。經過對比分析,本文選擇了如表3所示的12種振幅類屬性和7種波形結構類屬性來對比分析它們在砂體重疊帶和小斷層處的響應特征。

表3 19種沿層振幅類和波形結構類地震屬性

圖6和圖7分別展示了歸一化后的4個典型的振幅類屬性和4個典型的波形結構類屬性。從屬性圖中可以看出,振幅類屬性(圖6)的響應特征基本類似,即在一個強振幅的背景下,斷層處(紅色)和重疊帶(藍色)均表現為一個均值下的一個低值響應特征,且屬性的低值隨著斷距和重疊帶落差的增加而增加,但無法區分二者;而波形結構類屬性(圖7)則表現為在一個低的或中等背景下,斷層和砂體重疊帶同樣都有較好的異常響應,其中斷層處仍然為一個均值下的低值響應特征,而砂體重疊帶則表現為一個均值下的高值響應特征,這其中又以波形變異系數(即時窗內地震波振幅的標準差與平均值的比值[17])屬性最具代表性。

圖6 部分振幅類屬性(紅色突變為斷層位置,紅色數字指斷距;藍色突變為砂體重疊帶,藍色數字指疊置帶砂體的落差)a 均方根振幅; b 振幅的峰態; c 下半時能量; d 振幅的方差

圖7 部分波形結構類屬性(圖中顏色和數字含義同圖6)a 波形變異系數; b 峰谷面積比; c 復合包絡差; d 能量半時間

將均方根振幅屬性和波形變異系數屬性展示在同一張圖中(圖8),可以看出波形變異系數屬性在砂體重疊帶的響應較為規律,表現為高值突變,且突變幅度略大于斷層處屬性值的突變幅度,在斷層處的響應特征也相對規律,表現為屬性值的低值突變和雙極值突變,尤其是在尺度較大的斷層處上下斷點明顯時,波形變化差異較大,屬性值多呈現雙極值突變,與砂體重疊帶的高值突變形成了明顯差異。因此本文提出將均方根振幅與波形變異系數屬性聯合起來進行小斷層與砂體重疊帶的識別,根據圖8可以建立聯合均方根振幅和波形變異系數屬性共同來識別小斷層與砂體重疊帶的模式準則(表4)。

表4 砂體重疊帶與小斷層識別模式

圖8 均方根振幅與波形變異系數屬性對比

1) 當均方根振幅為低值突變,波形變異系數為低值或雙極值突變時,可以判定為小斷層。

2) 當均方根振幅為低值突變,波形變異系數為高值突變時,可以判定為砂體重疊帶。

3 實際數據應用及分析

對于以上建立的識別模式是否正確,本文選擇了勝利探區W102斷塊S23儲層的地震資料進行驗證分析。工區位于東營凹陷南部的王家崗油田。W102斷塊發育多條斷層,斷塊小而破碎,形成了一個復雜的破碎帶,該斷塊核心的問題是S23儲層中砂體重疊帶與小斷層識別不清,制約了儲量動用程度。因此對其進行小斷層與砂體重疊帶的精細識別,可為后續的勘探開發提供依據。

圖9展示了Inline 3973線的原始地震剖面(圖9a),S23儲層提取的均方根振幅和波形變異系數曲線(圖9c),以及根據前面建立的小斷層與疊置砂體的識別模式而得到的該地震剖面的解釋結果(圖9b)。根據本文建立的兩種屬性的突變模式,在圖9c中共識別出了F1,F2,F3,F4,F6共5條大斷層,f21,f22,f23,f24,f25,f26共6條小斷層,以及S2,S3,S4共3個砂體重疊帶。其中F1,F2,F3,F4,F6斷層在地震剖面上同相軸追蹤可以清晰分辨,對應屬性變化也為均方根振幅出現較低的低值,同時波形變異系數也為低值或雙極值突變。而f21,f22,f23,f24,f25,f26的6條小斷層在剖面上僅顯示為同相軸微弱扭曲、錯斷和振幅變弱,但在均方根振幅屬性上仍然有小幅度低值突變和波形變異系數上有低值或雙極值突變的對應關系。

在地震剖面的S2,S3,S4的3個區域(圖9b中的藍色圓圈),對應了明顯的均方根振幅低值突變和波形變異系數高值突變的特征(圖9c中的藍框)。由W102-80到W102-38的連井剖面(圖10)可以看出,W102-38井鉆遇本文識別出的砂體重疊帶S3,聲波時差曲線在1965～1975m深度段出現兩個正韻律疊置現象(圖10中黑圈部分),每個正韻律現象的聲波時差逐漸增大,說明粒度下粗上細,從下往上為砂-泥-砂-泥的漸變,中間存在薄泥巖夾層,為測井上正韻律疊置的“圣誕樹”形響應,同時該井段沉積微相為三角洲前緣的水下分流河道,而該處兩個正韻律疊加,證實該處為砂體重疊帶。另外,地質人員在連井剖面上分別識別出了f23,f24和f25三條小斷層,與本文通過多屬性聯合分析識別的小斷層位置基本一致。

圖9 Inline 3973線地震剖面斷層解釋結果a 原始剖面; b 斷層解釋; c 屬性對比

圖10 W102-80井至W102-38井連井剖面

因此,可以說明按照本文總結出的兩種地震屬性的變化規律能夠有效識別小斷層和區分斷層與砂體重疊帶。

圖11展示了在平面上地震屬性對斷層和砂體重疊區的反映能力。圖11a根據地震剖面上的同相軸對比追蹤的S23儲層頂界面的T0時間數據,可以看出該地區存在有5～10條大尺度的北東向斷層,提取沿層的最大正曲率屬性(圖11b),很容易地顯示出了這些北東向的斷層的存在。

將該儲層的均方根振幅屬性(圖11c)和波形變異系數屬性(圖11d)展示出來后可以看出,在工區的南部均方根振幅展示有北東向條帶狀的低值異常,而波形變異系數也同樣表現為北東向的雙極值異常條帶,可以驗證該區域分布有多條北東向的斷層(包含部分小斷層)。而在工區的北部被一條北東向斷層(圖中黃色箭頭所示)分割的兩側,存在有兩塊位置基本對應的區域,其均方根振幅為明顯的低值異常,波形變異系數為明顯的高值異常,可以推斷為砂體重疊發育區。

圖11 S23儲層地震屬性的平面分布特征a 目的層T0時間; b 最大正曲率; c 均方根振幅; d 波形變異系數

綜上所述,經過實際資料的應用試驗,聯合利用常規的地震振幅屬性和地震波形結構屬性,可以有效識別薄互層河流相砂體中的斷層,特別是低序級的小斷層,區分具有一定落差的砂體重疊帶。

4 結束語

本文通過理論模型和實際資料的試驗分析,提出了聯合利用常規的地震振幅類屬性與地震波形類屬性識別與區分薄互層砂巖儲層中的小斷層與砂體重疊帶。建立了均方根振幅與波形變異系數同時為低值突變可以識別斷層存在,均方根振幅為低值突變而波形變異系數為高值突變則可以識別砂體重疊帶的兩條準則,在勝利探區W102斷塊上的初步應用已得到了很好的驗證。

接下來可以考慮將均方根振幅數據與波形變異系數數據,通過一些數學方法進行融合,生成一個新的地震準屬性,從而實現更加智能化的小斷層與砂體重疊帶的識別與區分。