2017, Vol. 32
2. 中国石油华北油田勘探开发研究院, 河北 任丘 062552
, LÜ Yan-fang1 , FU Guang1 , SUN Tong-wen1 , WANG Chao1 , LIU Zhe1 , CAO Lan-zhu2 , HU Xin-lei1 , ZHANG Huan1
2. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company, Hebei Renqiu 062552, China
断层对油气的保存作用主要体现在“活动期的断层为油气的输导通道，静止期的断层对油气产生遮挡作用”(Scholz，1990；Goddard and Evans, 1995)，如果油气在静止期断层控制的圈闭中聚集的油气数量超过断层侧向封闭能力时，将突破断层继续侧向运移 (付晓飞等，2009).因此，断层侧向封闭能力决定油气在断层相关圈闭中的聚集量 (吕延防等，2002).目前常采用SGR方法模拟断裂带内细粒物质成分含量来定量评价断层侧向封闭能力 (Yielding et al., 1997；Knipe，1997；付晓飞等，2012；孟令东等，2013).
计算SGR所需的参数包括断距、地层厚度及地层泥质含量.断距和地层厚度可通过地震资料获取，而泥质含量通常是由断层两盘的钻井资料获取 (吕延防等，2009；刘哲等，2012)，利用一口井或几口井代表上、下盘所有岩性的展布特征，并用其计算断面SGR分布，进而对断层封闭性进行评价.但是SGR计算在实际勘探过程中存在以下两种情况制约了泥质含量的准确求取，一是目标断层两盘未钻井，无法求取泥质含量而导致断层封闭性评价无法进行；二是在目标断层附近钻井资料非常少，甚至仅有一口，用其代表断层两盘岩性，无法正确反映两盘岩性对接情况 (图 1)，必然导致地层泥质含量求取错误，从而严重影响断裂带SGR值的求取及断层侧向封闭性定量评价的精度，制约断层相关圈闭的精细勘探.
|
图 1 一口井建立的断层封闭性评价模型存在的问题 Figure 1 Question of the evaluation model of falut sealing built on one well |
针对以上两个问题，本文利用拟声波约束反演方法求取断层两盘泥质含量，基于SGR算法对目标断层的封闭性进行评价.这样不但可以提高少井区断层封闭性评价的准确性，而且可以对无井区断层封闭性进行评价，有效降低断层相关圈闭的勘探风险.
1 SGR值求取及断层侧向封闭性评价方法影响断层侧向封闭能力的关键性因素是断裂带内部泥岩所占比重，而断裂带内部细小颗粒的百分含量可以通过断裂带侧向封闭属性值来表示.目前国内陆相盆地应用效果最好的的侧向封闭属性值为SGR (Yielding et al., 1997)，它主要受断裂断距和所断移砂泥岩地层对断裂带细粒物质的供给等地质因素的影响.随着SGR值增大，断裂带内细粒物质也越多，断层侧向封闭能力越强.
断裂带内泥质含量SGR等于断移地层的泥岩厚度与地层厚度的比值，求取方法是利用泥质含量曲线、断距及地层厚度参数，进行断裂面泥质含量SGR值的求取，公式为
|
(1) |
式中：SGR为断裂带中泥质含量，%；ΔZ为地层厚度，m；Vsh为地层的泥质含量；D为断距，m.
在SGR值求取后可以开展断层侧向封闭性的定量评价，目前评价断层侧向封闭性最有效的方法是：基于已知封闭断层断裂带SGR与两盘压力差之间的关系，建立断层岩侧向封闭烃柱高度与SGR之间的定量关系 (Bretan et al., 2003)(式2)，对于未标定区可以通过实际油藏油水界面和烃柱高度分布，反推定量关系中的d值，进而确定断层侧向封闭烃柱高度与SGR之间的定量关系，从而对未知断裂侧向封闭能力进行定量评价.因此，在少井或无井地区，需要借助储层地震反演方法来准确计算断面SGR值所需的地层泥质含量，公式 (2) 为
|
(2) |
式中：SGR为断裂带泥质含量，%；c为常数，埋深不同该参数赋值不同，埋深小于3.0 km时，c为0.5；埋深介于3.0~3.5 km时，c为0.25；当埋深超过3.5 km时，c为0；ρw为地层水密度，g/cm3；ρh为烃类密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2；H为烃柱高度，m.
2 拟声波约束反演方法及原理储层地震反演在储层及煤层预测过程中是一种非常重要的手段 (边树涛等，2010；刘振峰等，2012；撒利明等，2015).在井资料较少的情况下，一般采用稀疏脉冲反演方法，它能够有效的弥补地震数据带宽不足的缺点，并且反演的结果取决于原始数据.本次地震反演的目的是在地震反演得到的三维声波反演体基础上，提取目标断层附近虚拟井的声波曲线，进而计算泥质含量曲线.但是单纯利用稀疏脉冲反演存在两个问题：一是得到的声波时差三维体的垂向分辨率较低；二是受高电阻率的围岩或井壁垮塌等因素影响，声波时差曲线不能够很好的反映岩性差异.因此采用拟声波曲线稀疏脉冲反演方法来获取地层的泥质含量，利用拟声波曲线进行地震反演除了能够解决以上两个问题，它最大的优点是拟声波时差曲线是由声波时差曲线与对岩性较敏感的自然伽马曲线重构而成的，因此拟声波曲线与自然伽马曲线有着更好的相关性，由于最后根据地震反演数据体提取的曲线是拟声波曲线，所以拟声波曲线比声波曲线可以更加准确的计算虚拟井的自然伽马曲线值，据其求取的泥质含量曲线也更为准确.拟声波约束反演 (赵继龙等，2014；黄凯等，2015) 关键技术主要包括拟声波曲线重构和稀疏脉冲反演.
2.1 拟声波曲线重构目前常用的重构曲线方法为信息统计加权，经验公式或统计拟合等 (付志方等，2006；刘淑华和张宗和，2008；张静等，2008)，这些方法本质上均是将其他储层敏感曲线的信息与声波时差曲线相互融合，使重构曲线能够突出储层岩性差异.通过对各测井曲线与砂泥岩的储层敏感性分析，可以得到对砂泥岩较为敏感的测井曲线，如自然伽马曲线，电阻率曲线等，通过声波时差曲线的低频信息结合敏感曲线的高频信息来做拟声波曲线，既保留了声波属性，又能很好的识别岩性.
2.2 稀疏脉冲反演原理稀疏脉冲反演是基于稀疏脉冲反褶积的波阻抗反演方法，该方法认为地震反射系数由一系列大的反射系数叠加在高斯分布的小反射系数的背景上构成，大反射系数是主要岩性界面或不整合面所产生的阻抗界面.其主要目的是利用约束井资料及地震反射系数建立声波阻抗数据体 (式3)，其运算模型为
|
(3) |
式中，J为反演后地震道；ri为反射系数样点；zi为声波阻抗样点；di为地震道样点；si为合成地震道样点；ti为约束趋势；λ为数据匹配系数；a为趋势匹配系数；p，q为标准优化因子；i为反演的道数.
3 虚拟井泥质含量曲线计算本次断层侧向封闭性评价所需的井上资料主要为泥质含量曲线.通过三维的拟声波时差反演体获取虚拟井的泥质含量曲线需要4个步骤：(1) 在距离目标断层的断面上下两盘50 ms处设置虚拟井，以避免断裂带内的地震假象对反演结果的影响，虚拟井沿断层走向的井距应以能够控制住岩性在横向上的变化为原则；(2) 在拟声波时差三维反演体的基础上，利用jason软件提取虚拟井的拟声波时差曲线；(3) 通过拟声波时差与自然伽马曲线的关系公式，计算虚拟井的自然伽马曲线；(4) 最后应用测井解释方法计算虚拟井的泥质含量 (汪爱云等，2000)，计算公式为
|
(4) |
式中IGR=(GR－GRmin)/(GRmax－GRmin)；Vsh为泥质含量；IGR为自然伽马相对值；GRmin为纯砂岩的自然伽马测井值，API；GRmin为邻近泥岩层的自然伽马测井值，API; G为Hilchie指数，随地层的地质年代而改变 (由经验确定，对第三系地层取3.7，对老地层取2.0).
4 应用实例 4.1 研究区地质概况渤海湾盆地饶阳凹陷留楚构造位于渤海湾盆地饶阳凹馅中南部 (图 2)，勘探面积约344 km2，完钻探井58口，全区覆盖三维地震.留楚构造是主体受东侧留楚-皇甫村断层和西侧大王庄东断层的双向挤压作用并后期塌陷所形成的NE走向不对称塌陷背斜构造.该区发育沙河街组一段下亚段和沙河街组三段上亚段两套烃源岩，通过前人的油源对比认识 (易士威等，2010)，东营组二段和东营组三段储层中的油气主要来源于沙河街组一段下亚段烃源岩，配合东营组一段优质的盖层，构成浅部的生储盖组合 (图 3).
|
图 2 留楚构造位置和主要油源断裂、目标圈闭及钻井分布 Figure 2 Location of Liuchu Structure and Distribution of main oil source faluts, objective traps and drilling wells |
|
图 3 楚18x圈闭地震剖面 Figure 3 Seismic section of Chu 18x trap |
本文以留楚地区楚18斜断层圈闭为例，利用留楚地区地震反演的拟声波时差体获取虚拟井泥质含量曲线，对该圈闭的遮挡断层侧向封闭性进行定量评价.
楚18x圈闭内已钻井楚18x和楚12两口探井，两口井在东营组三段油气显示情况分别为油层和油气显示，F1是该圈闭重要的遮挡断裂，平面上延伸长度约为5.5 km，走向北东东，断面倾向南南东向，目的储层东营组三段垂直断距为80~150 m，水平断距90~180 m，断层倾角35°~45°(图 3).
留楚构造浅部的生储盖组合是典型的下生上储、先垂向后侧向运移的油气成藏模式，两个圈闭的储层下倾方向均发育油源断裂，遮挡断裂的封闭性强弱直接决定圈闭中聚集油气的数量多少.
4.2 留楚地区拟声波反演在测井曲线归一化的基础上，通过储层敏感性分析 (图 4) 可以看出，研究区声波时差曲线并不能很好的区分岩性的变化，自然伽马曲线对岩性变化较为敏感，因此利用自然伽马曲线对声波时差曲线进行重构，制作拟声波曲线 (图 5).从结果来看，重构的拟声波曲线振幅谱的整体趋势没有发生变化，而且频率得到了一定的提高，并且拟声波曲线与自然伽马曲线相关性很高 (图 6)，这为后续利用拟声波曲线计算自然伽马曲线进而获取泥质含量曲线奠定基础.
|
图 4 声波时差和自然伽马曲线敏感性分析 Figure 4 Sensitivity analysis of DT and GR Curve |
|
图 5 曲线重构前后声波时差曲线及岩性区分能力对比 Figure 5 Contrast of DT curve and ability on lithology distinguish befor and after curve reconstruction |
|
图 6 拟声波时差曲线与自然伽马曲线相关性分析 Figure 6 Correlation Analysis of DTl and Gr curve |
在地震数据处理、精细的构造解释、合成地震记录以及初始波阻抗模型建立的基础上，完成了研究区的拟声波稀疏脉冲反演，得到了拟声波时差三维反演体 (图 7).
|
图 7 楚18x圈闭拟声波约束反演剖面 Figure 7 Profile of quasi-acousti restrained inversion of Chu 18x trap |
为了能够反映岩性在沿断层走向方向的变化，在F1断层设计了38口虚拟井 (图 8)；在此基础上，利用全区的声波时差三维反演体提取虚拟井的拟声波时差曲线.为了验证提取的拟声波时差曲线的准确性，根据拟声波反演体，对楚18x井位置提取拟声波曲线；通过与该井自然伽马和声波时差重构的拟声波曲线对比 (图 9) 可以看出，利用拟声波时差反演体提取的拟声波时差曲线与井资料重构的拟声波时差基本相符.同时利用图 6中的公式和公式2对两种方法提取的拟声波曲线计算泥质含量曲线，从对比结果来看，二者也基本相符，证实了利用该方法获取泥质含量的准确性，为准确计算断面SGR值提供保证.
|
图 8 楚18x断层圈闭虚拟井位设计及有效圈闭范围 Figure 8 Design of virtual well location and effective range of Chu 18x fault trap |
|
图 9 利用楚18x井资料和反演结果提取曲线计算的拟声波时差、泥质含量曲线对比 Figure 9 Contrast of DTl and shale content curve calculated by Chu 18x well data and curve extracted by inversion results |
利用圈闭内楚18x和楚12井测井解释得到的泥质含量曲线、断层的断距、倾角以及埋深，计算得到F1断层岩的SGR分布 (图 10a)，同时利用所提取38口虚拟井的泥质含量资料计算该断层断面的SGR值，对比两种算法的断面SGR值发现其结果存在较大差异.从利用新方法计算的SGR值可以看出，断层的北东端的断面在东营组三段储层为SGR值低值区，根据开发区SGR值与油气显示情况进行相关性分析，确定研究区东营组三段储层SGR封油下限为20%，因此这个位置是圈闭溢出点，油气易发生渗透继续向上盘侧向运移 (图 10b).
|
图 10 两种方法求取断面SGR值对比图 Figure 10 Contrast diagram about SGR figure calculated by two methods |
基于开发区已知断层圈闭油水界面以及SGR值，利用公式4可以确定研究区东营组三段储层的d值为14，同样利用公式4，可以反推目标圈闭封闭油气的高度进而确定平面上圈闭的有效范围 (图 8).从对比结果来看，两种方法对断层侧向封闭性定量评价的结果存在较大差异，利用井资料计算的评价结果是整个断面均具有封闭能力，圈闭预测的油水界面OWC=-2950 m，目的储层最大封油气高度为190 m，圈闭平面有效范围为整个圈闭的面积；利用新方法获取的泥质含量资料评价断层封闭结果显示：断层在东营组三段存在溢出点，圈闭预测的油水界面OWC=-2852 m，目的储层最大封油气高度为102 m，圈闭平面有效范围为部分圈闭面积.
利用新方法获取的泥质含量曲线对断层侧向封闭性评价的结果符合实际的勘探情况：楚18斜井在东营组三段为油层，而圈闭内处于构造低部位的楚12井是油气显示，说明油气在该井处有运移过的踪迹但是没有形成聚集，楚12井东三段储层处于油水界面之下，证明了该圈闭东营组三段的油水界面应该在两井在该层段埋深 (-2875~-2825 m) 之间，与预测的油水界面OWC=-2852 m相符，证实了该方法在无井区和少井区对断层封闭性评价结果的准确性.
5 讨论及结论在断层侧向封闭性定量评价过程中，往往因钻井资料较少或无钻井导致评价结果不准确甚至无法进行评价，利用拟声波约束反演结果获取虚拟井的泥质含量曲线进行断层侧向封闭性定量评价，一方面可以提高少井地区断层侧向封闭性定量评价的精度，另一方面也可以解决无井地区断层侧向封闭性无法评价的问题.
1) 利用拟声波约束反演结果提取虚拟井的拟声波曲线可以较为准确的计算出虚拟井的泥质含量曲线，利用该方法可以增加断层断面SGR值计算的数据点，提高断层侧向封闭性评价的准确性；
2) 利用虚拟井提取的泥质含量资料计算并评价F1断层封闭性的结果显示：断层在东营组三段存在溢出点，圈闭预测的油水界面OWC=-2852 m，目的储层最大封油气高度为102 m，圈闭平面有效范围为部分圈闭面积，与实际勘探情况相符.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | BIAN Shu-Tao, DI Bang-Rang, DONG Yan-Lei, et al. 2010. Application of geostatistical inversion in reservoir prediction in the third member of Shahejie Formation, Baimiao Gas-field, Dongpu Depression[J]. Oil Geophysical Prospecting, 45(3): 398–405. |
| [] | Bretan P, Yielding G, Jones H. 2003. Using calibrated shale gouge ratio to estimate hydrocarbon column heights[J]. AAPG Bulletin, 87(3): 397–413. DOI:10.1306/08010201128 |
| [] | FU Xiao-Fei, GUO Xue, ZHU Li-Xu, et al. 2012. Formation and evolution of clay smear and hydrocarbon migration and sealing[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 41(1): 52–63. |
| [] | FU Xiao-Fei, PAN Guo-Qiang, HE Xiang-Yang, et al. 2009. Lateral sealing of faults for shallow biogas in Heidimiao Formation of the southern Daqing placanticline[J]. Acta Petrolei Sinica, 30(5): 678–684. |
| [] | FU Zhi-Fang, ZHANG Jun, XING Wei-Xin, et al. 2006. Application of quasi-acoustic constructing technique to reservoir prediction of thin interbed[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 45(4): 415–417. |
| [] | Goddard J V, Evans J P. 1995. Chemical changes and fluid-rock interaction in faults of crystalline thrust sheets, northwestern Wyoming, U.S.A.[J]. Journal of Structural Geology, 17(4): 533–547. DOI:10.1016/0191-8141(94)00068-B |
| [] | HUANG Kai, CHEN Jian-Bo, LV Zuo-Bin, et al. 2015. Application of pseudo-acoustic curve rebuilding in reservoir predication of fractured metamorphic buried hill[J]. Journal of Chongqing University of Science and Technology (Natural Sciences Edition), 17(1): 57–61. |
| [] | Knipe R J. 1997. Juxtaposition and seal diagrams to help analyze fault seals in hydrocarbon reservoirs[J]. AAPG Bulletin, 81(2): 187–195. |
| [] | LIU Shu-Hua, ZHANG Zong-He. 2008. Construction of characteristic curve and inversion of reservoir property:A case study in Nanpu depression of Jidong oilfield[J]. Progress in Exploration Geophysics, 31(1): 53–58. |
| [] | LIU Zhe, FU Guang, SUN Yong-He, et al. 2012. Comprehensive evaluation of fault lateral sealing ability in Qijia-Yuanyanggou area, Liaohe depression[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 43(4): 1394–1404. |
| [] | LIU Zhen-Feng, DONG Ning, ZHANG Yong-Gui, et al. 2012. Seismic inversion program for tight clastic reservoir and its application[J]. Oil Geophysical Prospecting, 47(2): 298–304, 352. |
| [] | LV Yan-Fang, HUANG Jin-Song, FU Guang, et al. 2009. Quantitative study on fault sealing ability in sandstone and mudstone thin interbed[J]. Acta Petrolei Sinica, 30(6): 824–829. |
| [] | MENG Ling-Dong, FU Xiao-Fei, LV Yan-Fang. 2013. Quantitive analysis of fault seal influencing factors of extensional normal fault in clastic rock formations[J]. Geological Science and Technology Information, 32(2): 15–28. |
| [] | SA Li-Ming, YANG Wu-Yang, YAO Feng-Chang, et al. 2015. Past, present, and future of geophysical inversion[J]. Oil Geophysical Prospecting, 50(1): 184–202. |
| [] | Scholz C H. 1990. The Mechanics of Earthquakes and Faulting[M]. New York: Cambridge University Press: 1-439. |
| [] | WANG Ai-Yun, LIU Jiang, ZHANG Jun-Long. 2000. On universal suitability of reservoir shale content algorithm[J]. Well Logging Technology, 24(S1): 502–504. |
| [] | YI Shi-Wei, JIANG You-Lu, FAN Bing-Da, et al. 2010. Neogene petroleum source and characteristic of paleogene hydrocarbon source rock in the Raoyang sag, Bohai bay basin[J]. Petroleum Geology & Experiment, 32(5): 475–479. |
| [] | Yielding G, Freeman B, Needham D T. 1997. Quantitative Fault Seal Prediction[J]. AAPG Bulletin, 81(6): 897–917. |
| [] | ZHANG Jing, WANG Yan-Chun, CHEN Qi-Lin, et al. 2008. Application of log curve reconstruction in the prediction of reservoirs[J]. Natural Gas Geoscience, 19(3): 396–401. |
| [] | ZHAO Ji-Long, XIONG Ran, CHEN Ge, et al. 2013. Seismic inversion of frequency divisions reconstruction and its application thin interbedded sand reservoir prediction[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 36(4): 47–54. |
| [] | 边树涛, 狄帮让, 董艳蕾, 等. 2010. 地质统计反演在东濮凹陷白庙气田沙三段储层预测中的应用[J]. 石油地球物理勘探, 45(3): 398–405. |
| [] | 付晓飞, 郭雪, 朱丽旭, 等. 2012. 泥岩涂抹形成演化与油气运移及封闭[J]. 中国矿业大学学报, 41(1): 52–63. |
| [] | 付晓飞, 潘国强, 贺向阳, 等. 2009. 大庆长垣南部黑帝庙浅层生物气的断层侧向封闭性[J]. 石油学报, 30(5): 678–684. DOI:10.7623/syxb200905008 |
| [] | 付志方, 张君, 邢卫新, 等. 2006. 拟声波构建技术在砂泥岩薄互层储层预测中的应用[J]. 石油物探, 45(4): 415–417. |
| [] | 黄凯, 陈建波, 吕坐彬, 等. 2015. 拟声波曲线重构反演在裂缝性变质岩潜山储层预测中的应用[J]. 重庆科技学院学报 (自然科学版), 17(1): 57–61. |
| [] | 刘淑华, 张宗和. 2008. 储层特征曲线重构反演技术-以冀东油田南堡凹陷为例[J]. 勘探地球物理进展, 31(1): 53–58. |
| [] | 刘哲, 付广, 孙永河, 等. 2012. 辽河坳陷齐家-鸳鸯沟地区断层侧向封闭性综合评价[J]. 中南大学学报 (自然科学版), 43(4): 1394–1404. |
| [] | 刘振峰, 董宁, 张永贵, 等. 2012. 致密碎屑岩储层地震反演技术方案及应用[J]. 石油地球物理勘探, 47(2): 298–304, 352. |
| [] | 吕延防, 黄劲松, 付广, 等. 2009. 砂泥岩薄互层段中断层封闭性的定量研究[J]. 石油学报, 30(6): 824–829. DOI:10.7623/syxb200906006 |
| [] | 吕延防, 付广, 张云峰. 2002. 断层封闭性研究[M]. 北京: 石油工业出版社: 10-30. |
| [] | 孟令东, 付晓飞, 吕延防. 2013. 碎屑岩层系中张性正断层封闭性影响因素的定量分析[J]. 地质科技情报, 32(2): 15–28. |
| [] | 撒利明, 杨午阳, 姚逢昌, 等. 2015. 地震反演技术回顾与展望[J]. 石油地球物理勘探, 50(1): 184–202. |
| [] | 汪爱云, 刘江, 张军龙. 2000. 储集层泥质含量普适性算法探讨[J]. 测井技术, 24(S1): 502–504. |
| [] | 易士威, 蒋有录, 范炳达, 等. 2010. 渤海湾盆地饶阳凹陷古近系源岩特征与新近系油气来源[J]. 石油实验地质, 32(5): 475–479. DOI:10.11781/sysydz201005475 |
| [] | 张静, 王彦春, 陈启林, 等. 2008. 储层特征曲线重构技术在储层预测中的应用研究[J]. 天然气地球科学, 19(3): 396–401. DOI:10.11764/j.issn.1672-1926.2008.03.396 |
| [] | 赵继龙, 熊冉, 陈戈, 等. 2014. 分频重构反演及在薄互层储层预测中的应用[J]. 西南石油大学学报 (自然科学版), 36(4): 47–54. |