ISSN 1004-4140
CN 11-3017/P

鄂尔多斯盆地隐蔽性断裂识别方法技术探索与分析

李鹏飞, 张亚东, 丁富峰, 张鹏, 姚志纯, 黄祥虎, 马玉龙

李鹏飞, 张亚东, 丁富峰, 等. 鄂尔多斯盆地隐蔽性断裂识别方法技术探索与分析[J]. CT理论与应用研究(中英文), 2024, 33(5): 568-576. DOI: 10.15953/j.ctta.2023.159.
引用本文: 李鹏飞, 张亚东, 丁富峰, 等. 鄂尔多斯盆地隐蔽性断裂识别方法技术探索与分析[J]. CT理论与应用研究(中英文), 2024, 33(5): 568-576. DOI: 10.15953/j.ctta.2023.159.
LI P F, ZHANG Y D, DING F F, et al. Exploration and Analysis of Hidden Fault Identification Methods in the Ordos Basin[J]. CT Theory and Applications, 2024, 33(5): 568-576. DOI: 10.15953/j.ctta.2023.159. (in Chinese).
Citation: LI P F, ZHANG Y D, DING F F, et al. Exploration and Analysis of Hidden Fault Identification Methods in the Ordos Basin[J]. CT Theory and Applications, 2024, 33(5): 568-576. DOI: 10.15953/j.ctta.2023.159. (in Chinese).

鄂尔多斯盆地隐蔽性断裂识别方法技术探索与分析

详细信息
    通讯作者:

    李鹏飞: 男,长江大学地球探测与信息技术专业硕士研究生,中国石油长庆油田分公司工作,主要从事油气藏地球物理综合研究,E-mail:lipfandhc_cq@petrochina.com.cn

  • 中图分类号: P  315;P  631.4

Exploration and Analysis of Hidden Fault Identification Methods in the Ordos Basin

  • 摘要:

    近年来,为进一步加大鄂尔多斯盆地油气资源勘探开发力度,地震勘探由二维向三维规模转变,三维地震随着处理解释技术进步,资料品质逐年提升。陇东地区上古生界断裂属隐蔽性低序级,断距小(<5 m)、多数钻遇无明显工程异常,在地震剖面上表现为以扭曲为主、同相轴无明显错断,识别难度大。结合实钻与地质认识综合分析认为该区断裂在控储、控藏、控水侵方面突出,有效识别该区断裂对于指导下步勘探尤为关键。目前断裂识别以相干、曲率等常规地震属性为主,存在断裂属性差异大、识别精度低、期次确定难等问题。鉴于此,依托典型三维资料,通过地震信号分解、正演模拟、残差分析、振幅张量计算、空间属性约束断面建立等手段,解决隐蔽性断裂识别难问题。通过本次方法攻关,断裂识别结果与油气地质认识及实钻情况基本相符,初步建立一套针对隐蔽性断裂识别的方法技术流程,为指导类似地区断裂高精度识别奠定技术基础。

    Abstract:

    Recently, in order to strengthen the exploration and development of oil and gas resources in the Ordos Basin, seismic exploration has changed from a two-dimensional to a three-dimensional (3D) scale. With the progress of 3D seismic processing and interpretation technology, the data quality has improved each year. The Upper Paleozoic faults in the eastern Longdong region are of hidden low sequences with small fault spacings (<5 m); no obvious engineering anomalies exist in most drilling cases. The faults are characterized by distortion and no obvious dislocation in the in-phase axis in the seismic section, which is difficult to identify. Together with the comprehensive analysis of actual drilling and geological knowledge, it was concluded that the faults in this area were prominent in controlling reservoirs and water invasion. Effective identification of the faults in this area is critical in guiding further exploration. At present, the fault identification is based mainly on conventional seismic attributes, such as coherence and curvature; there are some issues, such as large differences in fault attributes, low identification accuracy, and difficulty in determining the duration. The difficulty in identifying hidden faults was solved by means of seismic signal decomposition, forward modeling, residual analysis, amplitude tensor calculation, and section construction constrained by spatial attributes, relying on typical 3D data. The fault identification results using this method are basically consistent with the oil and gas geological knowledge and the actual drilling situation. A preliminary set of methods and technical processes for the identification of hidden faults has been established, which lays a technical foundation for guiding the high-precision identification of faults in similar areas.

  • 近年来,断裂检测一直是研究的热点,也是鄂尔多斯盆地油气资源勘探和开发关心的问题。鄂尔多斯盆地油气资源丰富,以岩性油气藏勘探开发为主,古生界气藏、中生界油藏是勘探开发主要目的层系,受传统地质认识影响,普遍认为鄂尔多斯盆地相对稳定,断裂整体欠发育。

    随着盆地地震采集由二维向三维规模转变,尤其是黄土塬区采集、处理、解释技术进步,地震资料品质提升明显。结合油气勘探开发实践证实,鄂尔多斯盆地盆内断裂相对发育,断裂在油源沟通、油气输导、储层改造、圈闭形成、钻井预警、工程压裂等方面表现出一定控制作用。目前断裂识别以几何与相干类为主[1-6]。断裂识别时易造成方法选择不当、方法适用性不强,导致识别结果与区域地质认识及实钻结果差异大。鉴于此,本文初步探索建立一套从资料分析、敏感属性优选、双重滤波、张量属性计算、定量表征、断裂解释到钻井验证的识别方法与技术流程。

    通过在鄂尔多斯盆地陇东地区上古断裂识别中应用,本次攻关成果取得一定应用成效。结合地震、钻录井资料,对研究区断裂进行精细解释,相对于常规断裂识别,本次攻关断裂展布规律性更好,落实北西向海西-印支期断裂带和多组断层,进一步明确该区断裂体系特征和构造样式,断裂识别结果与实钻吻合率达90%。结合断裂与上古生界天然气赋存关系,本次研究成果为鄂尔多斯盆地陇东上古气藏勘探开发提供策略,同时对指导类似地区断裂解释具有一定参考意义。

    鄂尔多斯盆地是一个多旋回叠合的克拉通盆地,经历了复杂、多期次的构造运动[7-8]。在区域构造应力作用控制下,陇东地区断裂多期活动,古生界构造发育主要受盆地西缘晚期挤压及南侧古隆起构造运动改造叠加影响,具体表现为:早期(吕梁-加里东)断裂在陇东东南部较发育,晚期(印支-喜山)断裂在陇东西北部较发育,断裂体系发育特征较为复杂。

    本次研究区位于鄂尔多斯盆地陇东环县地区(图1中紫色框),该区以晚期(印支-喜山)近直立走滑断层发育为主,断至古生界断层较多。二叠系山西组、太原组煤层及暗色泥岩,是该区上古生界天然气藏的主力烃源岩。主力产层山西组、下石盒子组的砂岩与上石盒子组、石千峰组的泥岩为天然气成藏提供了储集与封盖作用[9-10]

    图  1  研究区位置图
    Figure  1.  Location map of the research area

    研究区上古断裂整体表现为隐蔽性低序级,断距小,多数钻遇无明显工程异常,在地震剖面上同相轴无明显错断,以扭曲为主(图2),基于地震资料开展断裂识别难度大。经研究及实践证实陇东地区断裂与储层(砂岩、煤、灰岩、铝土岩)规模、气藏富集、水侵关系密切,具体可表现为:针对北物源致密区断裂及其伴生节理可形成微裂缝,改善致密砂岩储层物性;针对常规储层区,在形成的网状断裂体系中,表现出断裂越大、离断裂越近越易水侵;针对铝土岩非常规储层,其储层发育规模受太原-马家沟组泄水通道控制,泄水通道分布受断裂控制,因此有效识别断裂是陇东地区上古气藏研究的基础与关键。

    图  2  陇东地区上古典型地震剖面
    Figure  2.  Typical paleoseismic section in eastern Gansu Province

    目前该区以相干、曲率属性为主开展断裂识别,考虑地震资料信噪比、分辨率及断裂本身特征,断裂属性差异大(图3)、识别精度低、期次确定难。

    图  3  二叠系底相干属性(a)与曲率属性(b)效果对比分析
    Figure  3.  Comparative analysis of the effect of coherence (a) and curvature attributes (b) on the bottom of the Permian system

    图4揭示YT1井实钻断层在地震资料上难精准表征,基于地震资料常规断裂属性难综合指导断裂,尤其是微小断裂有效识别。

    图  4  过YT1实际地震剖面
    Figure  4.  YT1 actual seismic profile

    本次方法攻关整体思路:依托环县三维,结合地质、工程需求及地震资料本身特点,通过地震信号分解、正演分析、双重滤波、地震残差分析、断裂属性计算、基于属性空间约束权重插值等手段,解决断裂敏感属性针对性问题、实际资料去噪合理性问题、断裂识别问题及断面定量表征问题。

    众所周知,地震资料蕴含信息丰富多样,我们将时间域地震信号进行Hilbert变换可以得到复地震道,从公式1中可以看出,地震信号可以分解得到振幅与相位信息,其中振幅反映反射强度,相位反映反射连续性。众学者根据地震振幅或相位信息开展了大量断裂(不连续性)检测研究[11-15]

    $$ S\left(x,y,t\right)=s\left(x,y,t\right)+js_H\left(x,y,t\right)=A\left(x,y,t\right)\exp\left(j\exp\left(x,\text{ }y,\text{ }t\right)\right)\text{,} $$ (1)

    其中$ S $为复地震道;$ s $为实部;$ {s_H} $为虚部;$ A $为振幅信息;$ \exp $为相位信息。

    研究区构造相对稳定,断裂断距小,基于实际地震资料表明断裂处同相轴无明显错断,地震反射振幅变化较为明显(图5)。

    图  5  地震剖面断裂特征表现
    Figure  5.  Fault characteristics of the seismic profile

    针对典型地震剖面开展断裂属性分析,结果揭示断裂处振幅张量属性较相干、曲率、方位等对断裂识别更敏感,从图6中可看到:地震剖面上存在3条断距不明显断裂,图中不同属性中相干、曲率、方位属性对于断裂的识别刻画在剖面上连续性及规律性较差,张量属性对于指导断裂在剖面上的解释精度更高。

    图  6  典型地震剖面与不同断裂属性剖面
    Figure  6.  Typical seismic profiles and profiles with different fault attributes

    梯度结构张量是分析和描述地震数据中结构特征的一种强有力工具[16-17],其实质性定义是利用地震图像中的梯度变化分量来表征实际地质目标中异常体(断层、河道等)探测。根据获得的张量矩阵可以计算特征向量与特征值,张量所获得的3个特征向量代表了与地层相关的3个方向,第1特征向量垂直反射同相轴;第2特征值与断层方向和地层产状垂直;第3特征向量平行断层方向和地层产状,对应的特征值就是3个特征向量方向能量强度[18-20]

    具体计算过程包括:①基于地震数据沿着x,y,t 三个方向求取一阶偏导,得到每个地震数据点处三维梯度向量(公式(2));②计算梯度向量与其转置的乘积(梯度向量并矢),构建地震数据结构张量(公式(3));③对并矢各个元素分量引入高斯核函数或复数道加权因子进行平滑滤波,解决计算不稳定性问题(公式(4));④基于特征值分解法计算得到特征向量与特征值,通过特征值构建表征构造特征的相应参数。

    $${\boldsymbol{ g }}= \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\displaystyle\frac{{\partial u(w)}}{{\partial x}}} \\ {\displaystyle\frac{{\partial u(w)}}{{\partial y}}} \\ {\displaystyle\frac{{\partial u(w)}}{{\partial z}}} \end{array}} \right) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{g_1}} \\ {{g_2}} \\ {{g_3}} \end{array}} \right) \text{,} $$ (2)
    $$ {\boldsymbol{T}} = {\boldsymbol{g}}{{\boldsymbol{g}}^{\mathrm{T}}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\left\langle {{g_1}{g_1}} \right\rangle }&{\left\langle {{g_1}{g_{\text{2}}}} \right\rangle }&{\left\langle {{g_1}{g_{\text{3}}}} \right\rangle } \\ {\left\langle {{g_{\text{2}}}{g_1}} \right\rangle }&{\left\langle {{g_{\text{2}}}{g_{\text{2}}}} \right\rangle }&{\left\langle {{g_{\text{2}}}{g_{\text{3}}}} \right\rangle } \\ {\left\langle {{g_{\text{3}}}{g_1}} \right\rangle }&{\left\langle {{g_{\text{3}}}{g_{\text{2}}}} \right\rangle }&{\left\langle {{g_{\text{3}}}{g_{\text{3}}}} \right\rangle } \end{array}} \right) \text{,} $$ (3)
    $$ G\left( {u,\rho } \right) = \frac{1}{{\sqrt {2\text{π} } \rho }}\exp\left( {-\frac{{{u^2}}}{{2{\rho ^2}}}} \right) \text{,} $$ (4)

    其中$ {\boldsymbol{g}} $为梯度向量;$ {\boldsymbol{T}} $为构建的张量矩阵;$ \rho $为标准差;$ u $为采样点数。

    为进一步测试振幅张量属性对隐蔽断层的表征能力,我们根据实际地质情况建立相应地质模型,模型中包含独立断层、地质体及断层与地质体伴生的情况,对地质模型进行弹性参数填充得到数值模型,对数值模型开展正演模拟,得到合成地震正演数据体。我们利用Matlab程序基于正演模拟数据实现张量特征值求取,从图中可以看到当特殊地质体与断层同时存在时,地质体的规模特征与断层特征分别在特征值2和3中体现(图7)。当模型中只包含断层时,断层在特征值3中亦能得到较好表征。通过上述分析认为,张量属性在隐蔽断层识别方面具有一定表征能力。

    图  7  合成地震数据与特征值分解
    Figure  7.  Synthetic seismic data and eigenvalue decomposition

    高品质地震资料是断裂识别的关键,依托环县三维攻关双重滤波方法:第1步去除随机噪音,第2步去除由于采集或偏移引起的线性相干噪音。在去除噪音合理性方面,从平、剖地震残差结果上分析滤波是否伤及有效信号,在不影响资料保真性及断裂识别精度前提下,反复测试分析确定针对资料特点的双重滤波参数,滤波后地震成果数据信噪比提升,断裂信息有效保持。

    为进一步获得针对断裂成像的高品质资料,基于双重滤波后地震资料沿着构造方向进行主分量分析。在相干体等不连续性检测结果约束基础上,断裂面获得高清晰成像,局部断点更加干脆、清晰,识别精度更高,为断裂高精度识别提供坚实的资料基础。

    在正演模拟指导下,依托高品质地震资料开展振幅张量属性计算,本次攻关的振幅张量属性相对于相干属性对断裂平面展布特征描述更清晰,相对于曲率属性对大断裂的识别精度更高。

    攻关后平面上识别出一组北西向展布的海西-印支期断裂(图8),该组断裂与南边古隆起尖灭线近乎平行,与陇东地区古隆起东翼上古断裂整体表现出的小断距、上下同步变形特征一致,同时与区域断裂整体展布规律相符。鉴于此,我们认为以本次攻关断裂属性为主,其他类属性为辅开展研究区断裂精细识别。

    图  8  断裂属性与断裂解释平面展布
    Figure  8.  Fault properties and plane interpretation

    本次攻关创新采用基于属性空间约束权重插值技术手段解决断面定量表征问题,首先基于断裂属性开展剖面断层自动追踪,然后基于断裂属性约束对断层约束插值形成断面。相对于线性插值等常规手段,本次攻关结果对断面的空间整体形态描述更合理,更符合地质认识(图9)。

    图  9  线性插值(a)与空间约束插值(b)断裂面空间展布
    Figure  9.  Spatial distribution of fracture surface in linear interpolation (a) and spatially-constrained interpolation (b)

    一般地,处于开启断裂可以为油气的垂向运移提供运输通道,后期改造过程中形成的断裂可对原始油气藏起到调整作用,晚期断至地表断裂一般对油气藏具有破坏作用。环县三维上古生界主要的储集层是盒8下、山1砂体,山1属浅湖沉积,山1顶部有厚层泥岩发育(盒8下底板),二叠系山西组、太原组煤层及暗色泥岩,是该区天然气藏的主力烃源岩。

    研究区内四口井分布如图8(b)所示:A1井处于盒8混源区,该井石盒子组发现工业气藏,同时下古风化壳也产气,分析认为古生界天然气发生了一定规模的垂向运移调整与分配;A2井在太原组试气产水;A3井在山西组解释为含气水层;A4井是本次方法技术攻关前针对上古生界盒8、山1开钻的一口预探井,目前正钻。

    结合本次攻关结果(图8(b))及地质认识综合分析认为:①A1井处于断裂发育带内,盒8属远源成藏,断裂具备一定控藏作用,储层、断裂与构造共同控制是该井在盒8获高产的主要因素;②A2井处于近断裂处,该井构造也相对较低,分析认为断裂与构造是该井试气产水的主要原因;③A3井井底处于断裂面上,分析认为由于断裂的存在沟通了水侵(图10),造成在山西组解释为含气水层;④A4井目前已钻至下古寒武系,钻井过程显示该井在盒8、山1段储层发育,但全烃显示弱,通过本次攻关结果可以看出该井处于断裂欠发育位置,推测该井区断裂不发育是造成在盒8、山1段气测不活跃的原因之一。

    图  10  A3井测井解释与地震剖面
    Figure  10.  The logging interpretation and seismic profile of the well, A3

    综上研究分析认为该区上古断裂在控藏、控水侵方面表现明显,建议针对该区的下步勘探应注重对断裂的识别与认识,尤其针对盒8混源区,储层发育区与断裂叠合带应该作为下一步高效勘探重点区带。

    针对鄂尔多斯陇东地区,结合已钻井及地质认识分析认为该区断裂是气藏通道,为气藏运移提供方便,受断裂改造,断裂附近破碎带也是有效的储集空间,同时断裂也是水侵通道。因此针对该区勘探,断裂精准识别尤为关键。

    随着陇东上古生界气藏风险甩开勘探力度加大,对断裂检测精度的要求越来越高。本文从实际地震资料出发,通过开展断裂识别方法攻关,在环县三维断裂识别与断裂体系认识研究中取得一定成效,并形成以下几点认识。

    (1)断裂识别前地震解释性处理是关键。本文介绍的解释性处理是基于残差分析的针对性双重滤波技术,其原则是针对实际资料,去除随机、偏移等噪音影响。通过残差反复对比分析,确定合理滤波参数,目的是在不伤害有效信号基础上有效提高地震资料信噪比。然后沿着地震资料获取的构造方向进行主分量分析,在相干体等不连续性检测结果约束的基础上对断裂面高清晰成像,为高精度断裂识别提供可靠的基础数据。

    (2)本文探索建立了一套针对隐蔽性低序级断裂识别方法与技术流程。包括资料分析、敏感属性优选、双重滤波、张量属性计算、定量表征、断裂解释与实钻井验证。

    (3)本次攻关方法可对断距不明显或挠曲微小尺度断裂进行识别。较常规属性检测出的断裂精度更高,对陇东地区上古断裂研究具有重要指导意义,其他类似地区应根据实际地震资料特点和不同地质、工程需求,针对性做好方法攻关。

    (4)通过本次攻关,基本落实了北西向展布的海西-印支期断裂。该方向断裂与南边古隆起尖灭线近乎平行,同时与陇东地区上古断裂整体展布规律及区域地质认识相符。

    (5)结合实钻及地质认识综合,分析认为断裂对于研究区成藏控制明显。针对陇东地区上古气藏勘探,下步建议应注重储层与断裂的双重影响研究,同时尽量规避晚期断裂对气藏的调整及断层带来的如沟通水体的破坏性作用。

    直接基于地震数据开展断裂识别方法精度有限,在实际工作中还应结合区域应力、构造演化、岩性特征等综合认识,通过多学科联合攻关以期获得更逼近真实的解。

  • 图  1   研究区位置图

    Figure  1.   Location map of the research area

    图  2   陇东地区上古典型地震剖面

    Figure  2.   Typical paleoseismic section in eastern Gansu Province

    图  3   二叠系底相干属性(a)与曲率属性(b)效果对比分析

    Figure  3.   Comparative analysis of the effect of coherence (a) and curvature attributes (b) on the bottom of the Permian system

    图  4   过YT1实际地震剖面

    Figure  4.   YT1 actual seismic profile

    图  5   地震剖面断裂特征表现

    Figure  5.   Fault characteristics of the seismic profile

    图  6   典型地震剖面与不同断裂属性剖面

    Figure  6.   Typical seismic profiles and profiles with different fault attributes

    图  7   合成地震数据与特征值分解

    Figure  7.   Synthetic seismic data and eigenvalue decomposition

    图  8   断裂属性与断裂解释平面展布

    Figure  8.   Fault properties and plane interpretation

    图  9   线性插值(a)与空间约束插值(b)断裂面空间展布

    Figure  9.   Spatial distribution of fracture surface in linear interpolation (a) and spatially-constrained interpolation (b)

    图  10   A3井测井解释与地震剖面

    Figure  10.   The logging interpretation and seismic profile of the well, A3

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图(10)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-10
  • 修回日期:  2023-12-14
  • 录用日期:  2023-12-17
  • 网络出版日期:  2024-03-07
  • 刊出日期:  2024-09-04

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