摘 要：碳酸鹽巖復(fù)雜的成巖作用和儲集空間的演化史，導(dǎo)致了其特有的、以縫洞體為主的儲集空間在橫向上有著較強(qiáng)的非均質(zhì)性，使得鉆探成功率降低，提高對碳酸鹽巖縫洞體反射特征的認(rèn)識，則可大大降低勘探風(fēng)險。為此，采用彈性波動方程模擬了不同形態(tài)碳酸鹽巖溶洞儲層模型的地震反射波特征，總結(jié)了溶洞在正演偏移剖面上最大波峰振幅與溶洞大小的關(guān)系，同時對波形做了相關(guān)分析，得到以下結(jié)論：①隨著溶洞寬度的增加，溶洞對應(yīng)的振幅是不斷增大的；②振幅隨溶洞寬度增加是有極限的，當(dāng)溶洞寬度大于菲涅爾帶半徑時，其寬度對振幅幾乎無影響；③溶洞在剖面上的一般表現(xiàn)特征為“串珠”狀或“羊排”狀，在寬度和高度固定的情況下，溶洞表面積越大，振幅越大；④最大波峰振幅曲線有助于識別溶洞。塔里木盆地TH油氣藏的勘探實踐證明了該方法的可靠性，也為類似油氣藏的勘探提供了技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：地震勘探 正演模擬 地震屬性 儲集層 巖溶 波動方程 最大波峰振幅 塔里木盆地
Reflection characteristics of seismic waves of carbonate cave reservoirs and their significance to the oil and gas discovery
Abstract：Due to the complex diagenesis of carbonate rocks and the long-term evolution of reservoir space，the carbonate cave reservoirs dominated by caves and fractures are of great heterogeneous laterally，which lowers the oil and gas exploration SUCcess ratie．Therefore，it is quite necessary to have a better understanding of seismic reflection curve characteristics of carbonate cave reservoirs thus to significantly mitigate the exploration risk．In view of this，elastic wave equations were applied to simulate the seismic reflection waves of different carbonate cave reservoir models．The relationship between the nlaximum peak amplitude and karst cave size on the forward migration section was also summarized and the related analysis was made of the seismic waveforrns．The following findings were made．First，with the enlarging width of caves，the corresponding amplitude is increasin9；however，when being larger than the Fresnel zone radius，the cave width has no effect on the amplitude．Second，on the section profile，caves are Dresented in beaded-like or lamp chops shapes；with the fixed width and height of caves，the larger the superficial area of caves，the higher the amplitude．In conclusion，the maximum peak amplitude of seismic curves contributes a lot tO the identification of caves．The successful practice in the TH oil and gas field，northern Tarim Basin，validates that this method is reliable and provides a robust technical support for the discovery of those similar hydrocarbon reservoirs．
Keywords：seismic exploration，forward modelin9，seismic attributes，reservoir，karst，elastic wave equation．maximum peak amplitude，Tarim Basin
模型正演為進(jìn)一步研究溶洞的響應(yīng)機(jī)理、溶洞形狀與地震剖面“串珠”狀反射特征的關(guān)系提供了手段，從而為碳酸鹽巖儲層的半定量或定量預(yù)測提供了依據(jù)。利用正演模擬技術(shù)，可以極大地提高儲層預(yù)測的精度，并能進(jìn)行定量或半定量的刻畫，降低勘探風(fēng)險、提高鉆探成功率[1-4]。前人在這方面做了很多研究，孫東等通過大量正演模擬建立了一套行之有效的碳酸鹽巖溶洞體積計算方法[5]；李凡異等通過物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)溶洞橫向?qū)挾仍龃髸r，除溶洞的繞射能量增強(qiáng)外，串珠中珠的數(shù)目也會有所增多；②溶洞頂?shù)奈恢貌皇苋芏磳挾鹊挠绊?/font>[6]。
1 碳酸鹽巖地震正演模擬分析
本次正演模擬以塔河地質(zhì)背景為基礎(chǔ)，模型分為兩層，上覆地層速度為3100m／s，厚度為750m，下層奧陶系速度為6400m／s，厚度為l600m，而一般來講奧陶系縫洞儲層在含油氣情況下速度低于5800m／s，故溶滑速度設(shè)計為5500m／s。觀測系統(tǒng)采用36道接收、6次覆蓋，道間距為20m。子波為雷克子波，主頻為30Hz。
1．1 固定高度變化寬度
有許多學(xué)者進(jìn)行了碳酸鹽巖溶洞寬度對振幅影響的研究[5-7]，然而他們大都將溶洞設(shè)計成長方形，但地下溶洞的形狀是千姿百態(tài)的，長方形的溶洞雖然具有代表性但并不具有普遍性，因而本次研究設(shè)計了不同形狀的溶洞，變化其橫向上的尺度進(jìn)行模型正演，對正演結(jié)果做了相關(guān)分析和研究。
1．1．1長方形溶洞
溶洞頂部均位于1190m處，高度均為20m，從左到右溶洞的寬度依次為20m、40m、60m、80m、100m、200m、400m、600m、800m，如圖1-a所示。
圖1-b為長方形溶洞模型正演偏移剖面，從中可以看出隨著溶洞寬度的增加，溶洞對應(yīng)位置的振幅是增加的。為了更直觀地了解振幅的變化，以偏移剖而中550～700ms(溶洞對應(yīng)位置)間每一道的最大波峰振幅為縱坐標(biāo)，道號為橫坐標(biāo)，得到長方形溶洞模型偏移剖面最大波峰振幅曲線圖(圖1-c)。從圖1-c可以直觀看到：當(dāng)溶洞寬度小于250m時，隨著溶澗寬度的增大，最大波峰振幅是在增大的；當(dāng)溶洞寬度大于250m時，振幅幾乎不受溶洞寬度影響。
1．1．2橢圓形和菱形溶洞
將溶澗設(shè)計成橢圓形和菱形，固定橢圓的豎軸為20m，橫軸從左至右依次為20m、60m、l00m 200m，如圖2-a所示。固定菱形高度為20m，寬度從左到右依次為20m、60m、100m、200m，如圖3-a所示。
圖2-b是橢圓形溶洞偏移剖面，圖2-c為橢圓形溶洞最大波峰振幅曲線圖；圖3-b、圖3-c分別是菱形溶洞偏移剖面及最大波峰振幅曲線圖?？梢钥吹?，無論是橢圓形模型還是菱形模型，隨著溶洞橫向尺度的增加最大波峰振幅是增加的，這和長方形溶洞正演模擬結(jié)果很相似。
1．2 溶洞橫向尺度影響振幅的極限
以長方形溶洞模型為例，提取偏移數(shù)據(jù)溶洞響應(yīng)中心道，其波形圖如圖4所示。由圖4可見：各個地震道除振幅強(qiáng)弱不同外，其波形特征大致相同，為兩強(qiáng)谷夾一強(qiáng)峰且峰強(qiáng)于谷的特征；各道波形時長大致相同，這說明溶洞地震響應(yīng)時長與溶洞寬度沒有必然聯(lián)系；振幅雖然隨著溶洞橫向尺度的增大而增大，但是增大的幅度是在不斷減小的，尤其當(dāng)溶洞寬度大于200m后，溶洞對應(yīng)的最大波峰振幅的增加近乎停止。
溶洞對應(yīng)的最大波峰振幅值與溶洞寬度的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)溶洞寬度約大于280m后，最大波峰振幅是在逐漸逼近6.5的，此時振幅值幾乎不再增加，而根據(jù)菲涅爾帶半徑計算公式可知本次正演模擬菲涅爾帶半徑為280m[8]。由此可見，當(dāng)溶洞寬度小于菲涅爾帶半徑時，溶洞越寬其對應(yīng)振幅越大；當(dāng)溶洞寬度大于菲涅爾帶半徑時溶洞寬度對振幅影響不大。
1．3 溶洞形態(tài)對振幅的敏感
前面對長方形，橢圓形，菱形的溶洞進(jìn)行正演模擬，得到相似的結(jié)論：隨著溶洞橫向尺度的增加，振幅呈增加的趨勢，三者最大波峰振幅曲線的形態(tài)很相似，這讓我們猜想在菲涅爾帶內(nèi)，模型橫向尺寸對振幅是敏感的，而對其具體是什么形態(tài)不敏感。對比三者振幅曲線有：在同一高度和寬度下振幅的關(guān)系為長方形模型>橢圓形模型>菱形模型，且雖然縱橫向尺寸相同，但就面積來說，長方形模型>橢圓形模型>菱形模型，看來振幅大小還與溶洞形態(tài)有關(guān)。為進(jìn)一步認(rèn)識這一結(jié)論，設(shè)計了兩個正演模型，模型一在深1190m處設(shè)計了3個溶洞，溶洞最大高度均為20m，最大寬度均為100m，從左到右依次為長方形，半圓形，以一個表面凹凸不平的隨機(jī)圖形，面積大小關(guān)系為：長方形模型>不規(guī)則模型>半圓形模型；模型二在深1190m處設(shè)計了4個溶洞，溶洞的最大高度均為20m，最大寬度均為100m，底部寬度不變，從左到右頂部寬度依次為100m、60m、20m、0m，即溶洞由長方形變?yōu)樘菪卧僮優(yōu)槿切危娣e是逐漸減小的。
圖6、7分別是模型一和模型二的相關(guān)數(shù)據(jù)，由圖6-c可知，模型一中溶洞對應(yīng)振幅的關(guān)系為：長方形溶洞>不規(guī)則溶洞>半圓形溶洞，這與溶洞面積關(guān)系是一致的，且模型一中第l個溶洞和第3個溶洞形態(tài)大小差距很小，但在最大波峰振幅曲線上依然可以將兩者區(qū)分開，由圖7-c可知模型二也有相似的結(jié)論，故而在菲涅爾帶內(nèi)溶洞形態(tài)對于振幅是敏感的。
綜上所述，在菲涅爾帶內(nèi)，不單是橫向尺度，溶洞形態(tài)對振幅也是敏感的，當(dāng)溶洞最大縱橫向尺寸固定時，溶洞形態(tài)越接近于由溶洞最大縱橫向尺寸構(gòu)成的長方形(即是溶洞面積越大)，其對應(yīng)振幅越大。
1．4 半幅衰減道距中心道距離
圖8為不同寬度溶洞反射的振幅衰減至最大振幅一半時對應(yīng)地震道距溶洞中心道的距離圖，這一屬性可以反映溶洞在剖面上的響應(yīng)寬度隨溶洞寬度的變化情況。從圖中可以看到，隨著溶洞寬度的增加，半幅衰減道與中心道距離是不斷增加的，增大幅度是先變大再變小，在菲涅爾帶半徑附近增大幅度達(dá)到最大。
2 溶洞的識別及其與產(chǎn)量的關(guān)系
塔里木盆地北部TH油氣田為奧陶系溶縫洞型，提高對溶洞的識別與檢測對該油田有著重要意義。綜合以上研究，溶洞在地震剖面上的一般特征為“串珠”狀或“羊排狀”，同時上述對溶洞寬度和形態(tài)研究表明，溶洞越大，其對應(yīng)的振幅越強(qiáng)。
圖9為某區(qū)塊連井剖面與其儲層段最大波峰振幅曲線疊合圖。由圖9可見，這些井除井2、井6外，都設(shè)計在“串珠”或“羊排”這些具有溶洞反射特征的位置上，同時它們都對應(yīng)著最大波峰振幅曲線的極大值點(diǎn)，且井l、井3、井4、井5和井7都有鉆具放空、鉆井液漏失等表征溶洞發(fā)育的證據(jù)，而井2位于兩“串珠”之間，井6未在“串珠”上，這兩口井均無放空漏失現(xiàn)象，即是無溶洞發(fā)育，可見振幅曲線出現(xiàn)極值是溶洞反射特征之一，但并不是所有極值都意味著溶洞發(fā)育。隨著這些井對應(yīng)振幅的減小，其產(chǎn)量總的來說是減小的，而產(chǎn)量作為一種衡量溶洞大小及發(fā)育程度的指標(biāo)，可見反射振幅越大的溶洞，其尺寸越大，發(fā)育程度越高，這與前面的結(jié)論是相符合的。所以通過這種手段識別溶洞，可指導(dǎo)實際生產(chǎn)，提高鉆探成功率。
3 結(jié)論
1)通過對于不同形態(tài)溶洞，固定最大高度改變寬度及不同表面積溶洞的正演模擬，得出結(jié)論：碳酸鹽巖溶洞主要反射特征為兩強(qiáng)谷夾一強(qiáng)峰且峰強(qiáng)于谷的特征，即所謂的“串珠”“羊排”狀。
2)當(dāng)溶洞寬度小于菲涅爾帶半徑時，溶洞越寬其對應(yīng)振幅越大；當(dāng)溶洞寬度大于菲涅爾帶半徑時溶洞寬度對振幅影響不大；隨著溶洞寬度的增加，其對應(yīng)振幅最終逼近于一個極值。
3)溶洞形態(tài)對其繞射波振幅大小是敏感的，當(dāng)溶洞中橫向尺寸固定時，溶洞形態(tài)越接近于由其最大縱橫向尺寸構(gòu)成的長方形，其產(chǎn)生振幅越強(qiáng)。
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本文作者：朱仕軍 唐緒磊 朱鵬宇 吳曉華 路遠(yuǎn)
作者單位：西南石油大學(xué)
中國石油川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司
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