塔里木盆地西南巴探井區石炭系非常規氣藏圈閉的預測
——基于地震波衰減的含氣檢測方法

陳慶龍,姜 楠,王 凱,于夢涵,許 政,趙 鑫

(1. 西北大學 地質學系,西安 710069; 2. 西北大學 大陸動力學國家重點實驗室,西安 710069;3. 中國石油物資有限公司西安分公司,西安 710000; 4. 中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司 伴生氣綜合利用項目部輕烴銷售部,西安 710016; 5. 中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第四采氣廠,內蒙古 鄂爾多斯 017399; 6. 西安川秦石油科技有限公司,西安 710018)

1 研究背景

石油勘探開發從常規油氣領域向非常規油氣發展邁進。20世紀90年代以來,中國出現了多類非常規油氣概念,包括深盆氣[1]、根源氣[2]、深盆油[3]、致密油[4]、頁巖氣[5]和頁巖油[6]等。區分常規油氣與非常規油氣的關鍵在于油氣圈閉界限和儲層參數。對非常規油氣的評價更加看重烴源巖的特性、巖性、物性、脆性及含油氣性與應力各向異性之間的匹配關系[7]。關于非常規油氣的地質研究,主要集中在儲層、沉積環境、勘探方法及圈閉評價等方面。非常規油氣的儲層參數規定其孔隙度小于10%,孔喉直徑小于1 μm,表現為納米-微米孔喉,結構復雜,物性較差,具有低孔和低滲的特征[8]。鄂爾多斯盆地延長組的致密砂巖油和頁巖油,平均孔隙度約為5%～10%,滲透率基本小于1 mD甚至更低。四川盆地龍馬溪組頁巖氣孔隙度為1%～3%,滲透率小于0.01 mD。中國典型盆地非常規油氣儲層特征見表1[7]。沉積環境研究認為,非常規油氣的儲層一般發育在水下沉積環境,多出現在三角洲前緣,沉積微相以席狀砂和砂壩為主。非常規油氣的勘探核心主要是尋找大面積儲集體,即“甜點區”[9]?！疤瘘c區”的尋找是一個多關鍵問題的糅合體,涉及烴源巖發育、儲集體分布、流體流動性、高油氣飽和度以及裂縫發育程度等問題[10]。

表1 中國典型盆地非常規油氣儲層特征Table 1 Characteristics of unconventional hydrocarbon reservoirs in China’s typical basin

針對上述問題,該文的研究重點集中在“尋找大面積儲集體”上。利用三維地震衍生下的地震烴類檢測技術,結合儲層含氣特性,可以預測含烴圈閉。這類方法通常利用巖石物理參數或地震屬性對含氣儲層的特殊信號進行反饋完成圈閉預測[11],包括亮點技術、AVO技術、低頻陰影和頻譜分解技術等[12-14]。亮點技術加強了地震剖面振幅的強度,提高了氣層識別成功率,但波阻抗差帶來的多解性也提升了含氣儲層的分辨難度。AVO技術的原理來源于反射振幅與偏移距之間的對應關系,但太多的條件假設[15],同樣造成含氣儲層預測的多解性。低頻陰影技術的弊端在于真實的含氣層可能被強反射界面掩蓋,從而影響預測效果[16]。對此,該文利用地震波衰減的含氣檢測方法,借助不同頻率地震數據體能量之間的差異,對不同地層進行預測。結合儲層、烴源巖、蓋層和可能存在的構造之間的相互匹配關系,對可能存在的含氣圈閉進行預測。

該文以塔里木盆地巴楚隆起的巴探井區為例,對已經勘探成功的奧陶系鷹山組灰巖氣藏進行方法驗證,同時檢測出上石炭統卡拉沙依組地層可能存在較大面積的含氣圈閉。結合沉積相分析以及生、儲、蓋的匹配關系,對研究區可能存在的圈閉進行可靠性論證。

2 區域地質背景

塔里木盆地是一個由古生界克拉通盆地和中、新生界前陸盆地組成的大型疊合盆地[17]。巴楚隆起作為塔里木盆地西南地區主要的次級構造單元之一,經歷多期構造活動,對烴源巖、儲集層、蓋層及油氣運移具有明顯控制作用。海米羅斯構造帶位于巴楚隆起西南部,形成于喜馬拉雅期構造運動,平面上呈北西—南東延伸,是巴探井區的主要構造單元。塔里木盆地巴楚地區構造單元與研究區位置如圖1所示。

圖1 塔里木盆地巴楚地區構造單元與研究區位置Fig.1 Structural units and research area location in Bachu Area, Tarim Basin

巴楚地區上古生界烴源巖發育于上石炭統,主要為開闊海臺地潮下低能泥頁巖沉積,與潮間砂坪間互,以IIa型有機質為主,有機質豐度較高。下古生界烴源巖發育于中下寒武統,主要為臺地內凹陷和瀉湖等低能環境且與膏巖共生,賦存于大套膏巖之下的碳酸鹽巖烴源巖,巖性主要為灰黑色含膏泥質泥晶白云巖、泥質泥晶灰巖及含膏泥質烴源巖等,最大厚度超過600 m,有機質主要為腐泥型,成熟度中等[18],具備良好生烴條件?，F已探明的氣藏儲層主要為奧陶系鷹山組灰巖氣藏和寒武系肖爾布拉克組,寒武系可能存在的鹽下白云巖儲層也包括阿瓦塔格組和吾松格爾組[19]。寒武系白云巖儲層以粉-泥晶白云巖為主,奧陶系灰巖儲層以亮晶灰巖和微晶灰巖為主[20]。寒武系蓋層為上部的膏巖和巖鹽;奧陶系蓋層為上部泥頁巖;但對石炭系儲層及蓋層的研究較少,基本認為儲、蓋層為三角洲相沉積下的砂巖和泥巖?？傮w來說,巴楚地區的生烴條件和儲蓋組合良好,具備較好的氣藏圈閉成藏條件。

3 鷹山組氣藏含氣驗證

巴探井區發現的奧陶系鷹山組灰巖氣藏儲層為巖溶縫洞型,屬于巖性氣藏。巴探5井鉆井落實圈閉面積17.6 km2,圈閉范圍受巖性和構造雙重控制。該段儲層在巴探5井的生產過程中具有較高產能,日產氣約為24 910 m3。對于已經證實的儲氣圈閉,利用含氣檢測方法對其進行了驗證。不含氣、低飽和度和高飽和度氣藏的頻率隨振幅變化如圖2所示,當地震波在通過含烴地層時,會導致地層產生低頻能量升高、高頻能量降低的現象[21]。將三維地震數據體分隔為間隔5 Hz的能量體,通過傅里葉變換,計算目標能量體與相隔兩側能量體之間的平均值,從而識別20～50 ms時窗內可能存在的含氣區域。同時,利用該方法在塔里木盆地寒武系阿瓦塔格組和吾松格爾組鹽下白云巖氣藏[19],鄂爾多斯盆地南部延長組長63段氣藏[22]及塔河油田于奇東地區巖性氣藏[23]等多個區域完成了研究。

圖2 不含氣、低飽和度和高飽和度氣藏的頻率隨振幅變化Fig.2 Frequency varies with amplitude in gas-free, low-saturation and high-saturation gas reservoirs

奧陶系鷹山組氣藏具體表現為:該地層的地震反射界面為T74,該界面地震剖面表現為兩峰兩谷的中強振幅特征。對鷹山組地層主頻和含氣主頻分析發現,地層主頻約為25 Hz,而含氣地層主頻約為20 Hz,奧陶系鷹山組過巴探5井地震剖面及頻譜圖如圖3所示。含氣地層的主頻降低與地震波在含氣層的傳播過程中受到一定程度阻擋而產生的縱波衰減有關,表現為高頻能量相對降低,頻率峰值相對降低的特點。另外,將地層主頻因含氣降低率先達到的最大振幅作為調諧振幅,調諧振幅與相鄰振幅之間的差值,在含氣區域表現為正值,在不含氣區域則表現為負值。因此,表現為正值的衰減能量可以反映含氣區域。在鷹山組20 Hz的衰減異常平面圖中,可以看到巴探5井所在的區域存在北東東向的紅色異常區域,該區域即為已探明的灰巖氣藏。將鷹山組頂部的衰減異常平面圖與構造圖疊合,結果顯示,巴探5井所在的斷背斜圈閉正位于衰減異常范圍的最西端,東段還存在更大面積的含氣區域(如圖4所示)。從而表明,構造條件對于該氣藏起到了局部控制作用,更大面積的含氣區域與儲層巖性相關。因此,奧陶系鷹山組灰巖氣藏應該進一步定義為構造-巖性復合氣藏。

圖3 過巴探5井地震剖面及頻譜圖Fig.3 Seismic profile and spectrum map of well Bt5

圖4 奧陶系鷹山組(時窗T74+50 ms)等T0時間域構造圖與含氣圈閉Fig.4 T0 time domain structure map and gas trap of Ordovician Yingshan Formation (time window T74+50 ms)

4 上石炭統卡拉沙依組地層含氣特征

同樣的,利用該方法在石炭系卡拉沙依組地層識別出可能存在的含氣圈閉。對石炭系卡拉沙依組底面(T56)向上50 ms時窗做頻譜分析,對目的層(T56-50 ms)每隔5 Hz做不同頻率均方根振幅分析。圖5所示為上石炭統卡拉沙依組(時窗T56-50 ms)頻譜圖,結果顯示,5 Hz時振幅強度最弱,20～30 Hz時振幅最強,地層主頻約為25 Hz。而10～15 Hz時振幅能量達到最大,發生調諧,表明該區域可能含氣。其頻率特征表現為高頻能量相對下降,低頻能量相對增高,含氣頻率峰值向低移動。圖6 所示為上石炭統卡拉沙依組(時窗T56-50 ms)不同頻率均方根振幅屬性圖,圖6顯示,在地層主頻為25 Hz甚至更大時,過井區域并無較強振幅區域出現。而在小于地層主頻時,過井區域存在不同于其他主頻的較強振幅。

圖5 上石炭統卡拉沙依組(時窗T56-50 ms)頻譜圖Fig.5 Spectrum of Upper Carboniferous Karashayi Formation (time window T56-50 ms)

圖6 上石炭統卡拉沙依組(時窗T56-50 ms)不同頻率均方根振幅屬性圖Fig.6 Attribute map of RMS amplitude at different frequencies of Upper Carboniferous Karashayi Formation (time window T56-50 ms)

5 卡拉沙依組含氣解釋

對石炭系卡拉沙依組底部地震衰減分析如圖7所示?？ɡ骋澜M底部地層存在的衰減異常區域,表現為巴探5井南約15 km的北東東向紅色條帶,其南北寬約15～20 km,東西長約70 km。但在這個衰減異常區的均方根振幅圖上,自北向南存在3個基本呈東西走向的條帶狀綠色強振幅。對比這3個綠色強震幅和含氣衰減異常范圍,可以看出只有中間的這條綠色強震幅與含氣衰減范圍重合,另外2個重合性較差(如圖7a和圖7c所示)。均方根振幅圖上綠色強震幅的出現,是由巖性差異造成的波阻抗差導致(如圖7b所示)。一般來說,砂巖的反射系數高于泥頁巖,考慮到地層的整體巖性特征,基本可以認為綠色強震幅與砂巖的關聯更加緊密。

另外,對于3條綠色強震幅所代表的條帶狀砂巖的東西向分布,基于地震剖面的疊瓦狀前積反射,可以解釋為是前積朵葉狀砂體的形成。在卡拉沙依組底部向上的地震剖面,出現了疊瓦狀前積反射結構(如圖7d所示)。該反射結構一般出現在三角洲及陸架邊緣等沉積環境中[24],特別是在三角洲前緣地帶常見,多數情況反映了攜帶沉積物的流水以一定坡度快速卸載從而富砂的沉積環境,是三角洲前緣亞相河口壩的典型標志。結合巴探5井卡拉沙依組沉積亞相和微相研究,認為這3條綠色帶狀強震幅很大可能是三角洲前緣河口壩砂體展布。同時,單個帶狀內部的強震幅呈現串珠狀不連續分布特征,與不同時期疊瓦狀前積朵葉體中心吻合。

6 圈閉控制因素

卡拉沙依組時間域構造圖顯示,該地層底部為南東傾向的斜坡,存在北西西向和北東向2組斷裂。含氣異常與構造疊合表明氣藏主要分布在斜坡上,與2組斷裂的分布位置緊密相關。北東向的雁列式斷裂與該范圍的氣藏完全吻合,個別斷裂正好處于氣藏分布的邊界,說明斷裂既可能為下伏地層的油氣進入圈閉提供通道,也可能作為邊界進行圈閉封堵。

另外,圖7b中的北、中和南3個帶狀河口壩砂體只有中部砂體出現了含氣衰減異常,可能與斷裂構造的控制有關。該地震數據區域內巴探5井的測井解釋表明,卡拉沙依組下部為濱岸—三角洲沉積,底部發育約35 m的含礫中-細砂巖,該砂巖自然伽馬測井曲線呈低值箱型,略具向上變細的正旋回,具有三角洲前緣分流河口沙壩特點。該層砂巖上覆泥巖和泥灰巖,下伏巴楚組泥巖,是一個良好的儲蓋組合(如圖8所示)。烴源巖可能以下部泥頁巖或上部泥頁巖和煤層為主。中部砂體含氣表明,該區域存在達到生烴門限的烴源巖,并且蓋層的區域性封堵能力也不會有太大差異,因此認為斷裂構造對其氣藏的儲存能力具有主要控制作用。南北2個帶狀砂體可能無斷裂溝通,導致下部地層生成的氣體無法利用有效通道進入卡拉沙依組地層砂體當中。因此可以認為,卡拉沙依組的氣藏圈閉受儲層和斷裂的共同控制,可以定義為斷裂-巖性復合氣藏圈閉。圖9所示為石炭系卡拉沙依組底界T56時間域構造圖與(T56-50 ms)時窗衰減異常疊合平面圖,西側和東側2個氣藏圈閉面積分別為31.45 km2和48.82 km2,閉合度分別為160 ms(約280 m)和220 ms(約385 m)。

圖8 巴探5井石炭系地層綜合柱狀圖Fig.8 Comprehensive column map of Carboniferous strata in well Bt5

圖9 石炭系卡拉沙依組底界T56時間域構造圖與時窗T56-50 ms衰減異常疊合平面圖Fig.9 T56time-domain tectonic map and time window T56-50 ms attenuation anomaly overlapping plane map of Carboniferous Karashayi Formation bottom boundary

與常規氣藏不同的是,常規氣藏中的斷裂可以直接作為圈閉的界限;而卡拉沙依組氣藏僅有海米羅斯斷裂北部一小段作為西側氣藏圈閉的邊界,氣藏其他邊界均無斷裂控制。因此,在該氣藏圈閉的形成過程中,斷裂的作用僅是部分邊界和溝通下部地層。對于該氣藏來說,圈閉的主要范圍還是依靠儲層砂巖。盡管缺乏儲層孔隙數據,但仍可以認為氣藏屬于致密氣藏,圈閉邊界的儲層孔隙度和滲透率一定很低,從而實現圈閉邊界的限制作用。

7 結論

1)基于地震波衰減特性下的三維地震數據體分頻能量差異的含氣檢測方法,對已探明的奧陶系鷹山組灰巖氣藏圈閉進行了含氣驗證,其檢測氣藏范圍與灰巖氣藏一致,證明了該方法的可靠性。

2)對石炭系卡拉沙依組的可能含氣圈閉進行了預測,結合地震剖面和單井柱狀分析,認為卡拉沙依組底部的前積反射結構指示了該氣藏的儲集體為三角洲前緣河口壩。

3)卡拉沙依組自北向南的3個砂巖條帶中僅有中部砂巖含氣,其原因是該地區發育的北東向雁列式斷層組溝通了下部地層,形成的有效通道利于氣藏運移。

4)巴楚探區的非常規氣藏以巖性類氣藏為主,包括卡拉沙依組致密砂巖氣和奧陶系鷹山組灰巖氣藏?？ɡ骋澜M氣藏圈閉的范圍與鷹山組氣藏圈閉范圍吻合,表明斷裂對圈閉的形成和邊界的封堵仍具有主導作用。