复杂断块区低级序断层的井-震联合识别

2019-09-28白青林杨少春路智勇张艳增车雄伟冯建伟

石油地球物理勘探 2019年5期

白青林杨少春* 路智勇张艳增车雄伟冯建伟

(①中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580； ②中国石化胜利油田分公司现河采油厂，山东东营257068； ③中国石化胜利油田分公司东辛采油厂，山东东营 257001)

0 引言

低级序断层通常指断距在15m以下、对区域构造格局及沉积环境影响较弱的四级及其以下级别的断层[1-3]。其在地震和测井资料上均有响应，但是，常规地震资料对低级序断层识别能力有限[4-5]，主要是因为：纵向上受分辨率制约，往往只能识别1/4波长(约为10m)以上断距的断层[6]；横向上则易受岩相变化等地质因素的影响。测井资料在垂向上的分辨率高达0.125m，能够识别出断距小于1m的低级序断层，但是受横向分辨率的制约，在断点的判断及组合方面需要大量人工经验的指导，很难做到定量识别低级序断层[7-8]。复杂断块区不同形态及组合样式的低级序断层极其发育，成为油气田注水开发中、后期影响注采关系、控制剩余油分布及水驱开发效果的重要因素[2-3,9-10]。

针对上述问题，本文以东营凹陷永3断块为例，计算邻井之间的低级序断层发育系数，识别井钻遇的断点；然后利用沿层地震属性指导断点的平面组合，通过井-震联合识别低级序断层；将测井资料在垂向上高分辨率的优势与地震资料在横向上对低级序断层的追踪能力相结合，既可大幅度降低工作量，又可降低人工经验的干扰，以提高低级序断层识别的准确性。

1 地质概况

永3断块位于东营凹陷东北部的民丰洼陷，是永安镇油田的主要开发区块。发育断鼻构造[11]，受北部永3弧形断层(二级)控制。永3断块被两条北东东走向的永3-1、永3-2三级断层切割，同时又被一系列次级张扭断层复杂化(图1)。

该断块目前处于油气开发后期的高含水阶段，不同时期的探井、评价井及开发井累计达498口，井网密度约为207口/km2，井间距约为69m。由于以前对低级序断层认识不清，在井网加密的过程中导致了注采及储采关系矛盾[12]。

图1 永3断块古近系沙河街组二段顶面构造图

2 低级序断层测井识别

2.1 原理

通过与邻井对比小层厚度的突变及测井曲线的差异性，可以定性识别低级序断层，但是这既不能充分发挥测井资料在垂向上高分辨率的优势，又容易受到人工经验值的影响[7-8,13]。为了克服这一弊端，提出了低级序断层发育系数的概念，以利用测井资料实现低级序断层的自动化、定量识别。

在高密度井网地区，同一沉积环境中，相邻两井同一小层岩性及物性特征相似。测井曲线是地层岩性与孔隙、流体等的综合响应，在不考虑油气充注与地层断缺等因素的情况下，相邻两井同一小层的测井曲线形态应相似。但是，低级序断层也会造成地层断缺，如图2c所示，错断造成B井地层的缺失(正断层情况下)，B井中的断点在邻井A中有两个相当点(即图2c中的P1、P2两点)，并且断缺部分为P1、P2两点之间的地层。在相邻井之间测井曲线对比时，B井缺失A井相当点(P1、P2两点)之间曲线段，导致断点处与邻井相当点之间的测井曲线的差异明显增大(图2)。

另外，尽管低级序断层规模较小，但仍能诱导围岩产生裂缝，形成破碎带，加剧了断点处相邻井之间测井曲线的差异性[9,14]。如果压制地层物性、含油气性等因素对测井数据的影响，放大低级序断层对地层错断、破碎作用造成的相邻井之间测井曲线的差异性，就可以实现定量识别井钻遇低级序断层的断点。

在低级序断层处，深、浅双侧向电阻率值均减小，但是减小幅度相差较大，导致二者出现明显幅度差。含油气层往往导致深侧向电阻率增大而表现出正幅度差[13-15]。虽然均能造成深、浅侧向电阻率出现明显的幅度差，但是含油气层处是深侧向电阻率增大所致，而低级序断层处则是由于深侧向电阻率减小所致。根据深、浅侧向电阻率在含油气层与低级序断层处响应特征的差异性，将深、浅侧向的电阻率差值与深侧向的比值构建为区分低级序断层与油气层测井响应的一项，在同一刻度之下，该项在低级序断层处的值明显要高于含油气层处。将该项与其他表征邻井测井特征差异性的项共同构建低级序断层发育系数(Flg)

图2 低级序断层发育系数计算原理示意图

b×|SPA-SPB|+c×|GRA-GRB|+

d×|(AC-AC×φ)A-(AC-AC×φ)B|

(1)

式中： RD、 RS分别为深、浅侧向电阻率； SP为自然电位； GR为自然伽马； AC为声波时差；φ为孔隙度；a、b、c、d为差值系数；下标A、B对应A、B井。

2.2 方法与流程

低级序断层测井识别方法与流程(图3)如下。

(1)测井数据整理。在计算低级序断层发育系数时，首先，需要对测井数据进行标准化处理，使全区同类测井数据处在同一刻度之下；其次，对标准化后的数据进行滤波及光滑处理，剔除数据采集过程中因施工等因素造成的异常值的干扰；最后，对测井数据进行归一化处理，使相邻两口井的不同种类测井数据具有可比性[16]。

图3 低级序断层发育系数测井计算流程

(2)低级序断层发育系数计算。在小层精细划分与对比的基础上，对相同沉积微相中相邻两井(如A井与B井)的同一小层测井数据分别进行局部线性插值，使A与B两井在该小层具相同的采样点数[9]。然后以其中的一口井(如A井)为参考目标，自上而下逐点计算A井与B井在该小层内的低级序断层发育系数Flg，1。同样按照该流程计算A井与另一相邻井(如C井)在该小层内的低级序断层发育系数Flg，2。

(3)低级序断层的断点识别。将上述两次计算出的低级序断层发育系数与A井在该小层的深度相匹配，绘制Flg，1与Flg，2在A井深度域的分布图，挑选出Flg，1、Flg，2均大于门槛值(Flg，c)的共深度点，作为A井在该小层内的低级序断层的断点。

通过这种将目标井分别与相邻两井计算低级序断层发育系数，优选两次计算结果的异常值在目标井中共深度点的方法，能有效地避免将邻井的断点误判为待识别井断点的现象，达到准确、定量识别目标井低级序断层断点的目的。

2.3 低级序断层发育系数门槛值确定

岩心证实：式(1)中各项值在低级序断层发育段较低，分布范围为0.005～0.165，优势分布区间为0.080～0.150；非低级序断层发育段则更小，分布范围为0.003～0.163，优势分布区间主要为0.010～0.095。二者虽然有一定的差异，但是在同一口井中二者差异相对较小，主要分布在0.002～0.105。

在非油气层段，式(1)中各项值在低级序断层发育段均不同程度的高于不发育段。在含油层段，除式(1)第一项之外，后3项在低级序断层发育段与不发育段无明显的差异，尤其是最后两项。在此种情况下，第1项系数a越大，后3项系数b、c、d越小(尤其是最后两项的系数c、d越小)，相比低级序断层不发育段，低级序断层发育段的Flg就越高。根据这一规律，在区内已知的低级序断层发育井段经过多次试验，当系数a大于650、系数b、c、d小于200时，Flg能有效识别低级序断层断点。

在沉积微相边缘，式(1)中的后3项在低级序断层发育段明显高于不发育段，而第1项却对低级序断层的识别能力明显减弱。在此种情况下，第1项系数a越小，后三项系数b、c、d越大，所计算出的Flg对低级序断层的识别能力越强。当系数b、c、d大于100、系数a小于1000时，Flg对低级序断层断点的识别效果较好；当a大于1000时，对部分井段低级序断层断点的识别精度会降低。

在待识别井位于沉积微相边缘，且目标层段为含油气层段的情况下，式(1)中的各项差值对低级序断层的识别能力均不同程度地减弱，但是相较于后两项，前两项对低级序断层的识别能力稍强。在这种情况下，前两项系数a与b越大，后两项系数c与d越小，计算出的Flg对低级序断层的识别能力越强。当系数a大于950、系数b大于150、系数c、d小于100时，Flg便能有效识别沉积微相边缘井位油气层段中发育的低级序断层。

由上述可知，对于垂向上含油气层段和平面上沉积微相边缘发育的低级序断层，各项的识别能力存在较大差异，增加系数a会提高Flg对含油气层段低级序断层的识别能力，但是，超过一定数值会影响沉积微相边缘发育的低级序断层的识别。相反地，增加系数b、c、d会提高Flg对沉积微相边缘发育的低级序断层的识别能力，但是，超过一定数值会影响含油气层段低级序断层的识别。对于在沉积微相边缘井位的含油气层段，情况相对复杂，增加系数a、b并减小系数c、d会提高Flg对低级序断层的识别效果，但是考虑到对单纯的含油气层段和沉积微相边缘部位井位的影响，系数a、b增加的程度与系数c、d减小的程度要适当，以保证Flg对全区的适用性。

因此，设置不同的项系数对区内的498口井计算Flg，发现a为1000、b为200、c为100、d为100的情况下，对区内沙二段的低级序断层识别效果好，能够很好地放大不同情况下低级序断层在测井曲线上的响应，并且压制其他因素对识别结果的干扰。

在设置低级序断层的判别门槛值时，需通过多次试验，直至能有效剔除低级序断层以外的其他因素造成的异常响应。在上述设置的项系数的控制下，岩心证实低级序断层发育层段Flg主要分布在360～650，最小值也大于320；而不发育低级序断层段Flg主要分布在40～260，即便是受岩性变化及含油气的影响，Flg也小于320。因此，将低级序断层发育系数门槛值定为320，能有效识别沙二段发育的低级序断层，最大程度地降低其他因素造成的误判率。

2.4 辅助识别方法

为了提高低级序断层发育系数识别结果的精度，同时也为了验证其在含油气层段及岩性变化较快地带的准确性，利用高频AC和低频RD测井辅助识别低级序断层断点。通常高频信息描绘局部异常变化，而低频信息刻画的是整体变化趋势。小波变换能够有效地分离高、低频信息，大幅度提高测井曲线在低、高频域的分辨率[17]。低级序断层发育处，地层破碎，裂缝发育，导致AC曲线齿化严重。对AC曲线进行高频信号的小波重构以突出低级序断层对其造成的齿化程度，对RD曲线进行低频信号的小波重构以描述低级序断层处电阻率的回返趋势，进而放大低级序断层在测井曲线的响应特征，可以作为测井发育系数识别低级序断层断点时的辅助证据，对于低级序断层发育系数在门槛值以上的深度段进行验证。

通过多次试验，发现经db2基小波2层高频重构后的AC曲线和db6基小波5层低频重构后的RD曲线能够很好地表征低级序断层在两类测井曲线的响应特征。将重构后的高频AC曲线和低频RD曲线与低级序断层发育系数联合分析，相互验证，大幅度提高了识别结果的准确性。

2.5 实例

永3断块沙二段5砂组1小层(Es25-1)发育一套厚层辫状河三角洲河口坝砂体，Y3J1井与邻井(Y3-53井和Y3-146井)的SP、GR与AC等曲线特征相似，只在曲线的齿化与回返等方面存在微弱的差异(图4)。Y3J1井的双侧向电阻率曲线在2063.1～2066.7m井段(红色虚线框)表现为半月型回返，且RS的回返幅度高于RD，二者出现明显的正幅度差，而Y3-53井与Y3-146井双侧向电阻率曲线则呈箱型，不见回返现象，与Y3J1井差异明显。

将Y3J1井与Y3-146井的低级序断层发育系数Flg，1以及Y3J1井与Y3-53井的低级序断层发育系数Flg，2与Y3J1在该小层的深度匹配后，二者均在2063.1～2065.9m井段表现为尖峰状突起，尖峰值在320(Flg，c绿色虚线)以上。对应位置处，小波重构后的低频RD曲线表现明显的回返，高频AC曲线则表现为严重齿化，说明了在该深度段内发育低级序断层。该深度段的砂岩岩心断面明显，可见清晰的擦痕与阶步，并且伴有方解石脉的发育，附近的砂岩较为破碎(图5a)。另外，断面裂缝发育较为密集，岩心呈油浸状，裂缝中可见沥青质胶结物的充填。其余深度段的Flg则表现为相对平缓的低值，偶见200左右的尖峰值，但值均在Flg，c以下。各项特征说明了Y3J1井在2063.1m处发育低级序断层，并且存在一条较窄的破碎带，破碎带大约分布在2063.1～2065.9m。

图4 Y3J1井在沙二段5砂组低级序断层点断识别

同样的，在沙二段5砂组3小层的辫状河三角洲水下分流间湾泥质沉积中，Y3J1井与相邻两井Y3-146和Y3-53的低级序断层发育系数Flg，1与Flg，2在2089.8～2091.6m为高于Flg，c的尖峰状突起，对应深度段的低频RD表现为一定程度的回返，高频AC则表现为严重的齿化。各曲线的响应指示着Y3J1井在2089.8m处发育低级序断层，并且形成了2089.8～2091.6m的破碎带(图4)。这条低级序断层在岩心上也有明显的证据，可见一条厚约1.8m的泥质破碎带将泥岩层一分为二，破碎带内的泥岩呈油浸状，发育明显的擦痕、阶步及镜面，部分碎裂的岩石甚至发育沥青胶结现象(图5b)。破碎带上、下的泥质围岩中裂缝极其发育并被油气充填，说明了低级序断层能够改善泥岩的储集性能并引导油气向破碎带及其围岩中的裂缝充注。

在沙二段5砂组1小层2071.5～2072.3m(粉色虚线框)，Y3J1井与Y3-53井的低级序断层发育系数Flg，2为高于Flg，c的尖峰状突起，但是Y3J1井与Y3-146井的低级序断层发育系数Flg，1却为呈贴近基线的低平状，高频AC曲线不见齿状的异常响应，低频RD曲线也无回返现象，对应深度段的Y3J1井岩心上也不发育断裂痕迹。表明该井段Y3J1井不发育低级序断层。但分析Y3-53井与其邻井的低级序断层发育系数，发现其在沙二段5砂组1小层内发育一条低级序断层。

上述结果充分表明，在高频AC曲线和低频RD曲线的辅助下，筛选与不同邻井间低级序断层发育系数异常值，有效地避免了将邻井断点误判到待识别目标井。该方法对低级序断层的识别能力较强。

图5 Y3J1井5砂组砂岩与泥岩中低级序断层岩心发育特征

3 低级序断层的井—震联合识别

永3断块具有高密度的井网资料和高精度的三维地震数据(主频为37Hz)，为井—震联合识别低级序断层提供了条件，也避免了因单一资料而造成低级序断层识别的多解性，可以起到优势互补、相互验证的作用[18]。

3.1 断点标定

为了识别低级序断层，要求井钻遇断点严格对应于地震剖面和平面位置，以便于利用井资料分析地震波形的异常变化，减小岩性变化等因素对低级序断层识别的干扰[18-19]。本文以Y3J1等井的VSP资料为基础，在区域标准层约束下，按照合成记录与地震波波形匹配的原则完成钻井地质层位与地震反射层位的严格对应。考虑到斜井合成地震记录与地震剖面吻合程度不高的问题，分段提取时变子波[20]，并在井眼轨迹的拐点处加密，依据子波的变化制作合成地震记录，最后将钻井层位在三维空间进行归位，提高井—震标定的精度。

张扭作用下，永3断块的低级序断层断距小、延伸较短，一般只能引起少数几个地震同相轴连续性、光滑程度或振幅强弱的变化。而由沉积因素造成的岩性变化等在地震剖面上也有类似的响应特征，这就增加了利用地震资料识别低级序断层的难度。

在地震剖面(图6a)上可见沙二段10砂层组(Es210)3或4条反射同相轴明显变弱并有轻微扭曲，其表现出的不连续性与低级序断层的响应十分相似。经过Y3-60井标定，该处为中厚层河口坝细砂质沉积与分流河道间泥质沉积的交会处，岩相的变化造成了地震波的“伪断层”响应。而Y3J1井则与Y3-60井处相反，其Es25顶部地震剖面表现为一条强同相轴突然变弱，类似于沉积等因素造成的砂体减薄的响应，但是井资料证实该处发育一条低级序断层。

如若仅依靠地震资料，不论采用何种地震处理技术和属性分析，都很难将上述两井处真正的低级序断层识别出来。而通过时深转换，将井钻遇低级序断层的断点与地震剖面结合后，则可识别真正的低级序断层。最后将验证后的断点按照井眼轨迹投影到其所在的各开发层系的顶面(图6b)，可指导沿层地震属性对低级序断层展布特征的刻画。

图6 井钻遇断点对地震剖面断点真伪性的验证及沿层面顶部的投影

3.2 低级序断层识别

曲率、倾角等构造类属性以及相干、边缘检测等连续性属性是断层解释中的常用属性。它们能够发挥地震横向高分辨率的能力，在平面上刻画常规地震不易识别的低级序断层[21-22]。但是，永3断块内的大部分低级序断层在地震同相轴上只表现为振幅的微弱变化，上述属性所展示的断层形态较模糊；另外，主力含油层系沙二段为辫状河三角洲沉积，砂体横向变化快，横向相变等其他非断层类因素影响了低级序断层的有效识别。

蚂蚁属性作为近几年兴起的仿真算法[22-24]，能较为清晰地刻画断距在5m以上的低级序断层。但是，由于其对同相轴微弱变化的敏感性，造成了识别结果中含有较多的非断层信息。另外，蚂蚁属性对大断层的连续性刻画能力较弱，而相干与曲率属性则对具有一定规模的断层连续捕捉能力较强，能够清晰地刻画断层带的形态[25-26]。

因此，本文首先以沿层相干属性为基础，参考沿层曲率属性，明确高级序断层的分布特征(图7a)；然后，将高级序断层与对应的沿层蚂蚁属性相叠合(图7b、图7c)；最后将测井资料识别出的断点投影到沿层蚂蚁属性切片上(图7d)，在高级序断裂格架的约束下，利用井钻遇断点指导蚂蚁属性对低级序断层的识别。

图7 高级序断层格架约束下井钻遇断点对沿层(Es25)蚂蚁属性识别低级序断层

在图7中可以清晰地观察到蚂蚁属性把永3断层、永3-1断层与永3-2断层间的断层带分解成一系列密集分布的次级断层系(红色、绿色及亮蓝色蚂蚁痕迹)，而表征低级序断层的蚂蚁痕迹则清晰程度不一，形态与组合样式多变。测井低级序断层发育系数等识别出的断点绝大部分位于表征断层的蚂蚁痕迹之上，将与井钻遇断点吻合关系较好的蚂蚁痕迹刻画下来，作为发育在Es25砂层组的低级序断层。缺乏蚂蚁痕迹相对应的井钻遇断点主要位于高级序断层的附近，并且与断层的距离在30m以内，处于受断层影响较大的围岩破碎带及诱导裂缝带的发育区[27]。岩心及野外露头等资料显示，由于内部低级序断层的断距远远超出了蚂蚁识别能力的下限，致使在这些部位缺乏有效的蚂蚁痕迹与井钻遇断点相对应。对于那些分布缺乏规律性的蚂蚁痕迹，在岩心、测井曲线等井资料的验证下，发现其主要为岩性变化等因素形成的“伪断层”(图7d中绿色断裂痕迹)，这些蚂蚁痕迹相对较淡，并且在平面上延伸相对较短，与其余蚂蚁痕迹的组合关系较差。对于缺乏井钻遇断点验证且与已知低级序断层具有一定组合关系的个别蚂蚁痕迹，其真伪性需要借助生产动态等其他数据做进一步分析。

按照井上低级序断层发育系数计算→井钻遇断点指导地震剖面真伪断点识别→井钻遇断点引导蚂蚁痕迹追踪低级序断层的流程，由点→线→面识别出的低级序断层断距最小处仅为3m。

4 应用效果

20世纪80年代初期，永3断块进入注水开发阶段，由于当时对低级序断层认识不清，在部署井网时忽略了其对注水开发的影响。随着井网的加密，低级序断层成为影响油气开发效果的一个主要因素[28]。永3-1次级断块是由永3断层、永3-1断层及两条南北向的次级断层所围而成，Es25砂组1小层在断块内部的油水界面约位于-2097.5m，含油面积占整个断块面积的92%以上，是永3断块内部的一个富油区(图8a)。

从2007年3月开始，在注水井Y3X143井和Y3-37井射孔，分别向生产井Y3X147井、Y3-100井与Y3-55井、Y3X146井进行水驱(图8a)，其中Y3X147井与Y3-55井在注水2个月后日液能力急速上升，5个月后便上升到永3断块的平均日液量180t/d以上，含水率从初期的20%左右迅速上升到60%以上，注水效果显著。但是Y3-100井与Y3X146井则是注水两年半也未见效果，日液量保持在50t/d左右，含水率维持在20%上下。

考虑到未见效的注采井之间可能存在低级序断层等影响了注采井网的对应关系，于2009年11月和2010年1月分别在注水井Y3-14井和Y3-16井的Es25砂组1小层内射孔，对应地向Y3X146井与Y3-100井进行水驱，并相应地降低Y3-37井与Y3X143井注水量。其中Y3X146井在Y3-14井转注的1个月后日液量迅速上升，6个月后便达到平均日液量，Y3-100井则在Y3-16井转注的2个月后日液量迅速上升，并在7个月后达到平均日液量(图8b)。

图8 永3-1断块内低级序断层对注水开发的影响

在低级序断层发育系数及蚂蚁属性的联合分析下，明确了在早期的注水井Y3X143井和Y3-37井与采油井Y3-100井和Y3X146井之间存在一条呈东西向横贯整个永3-1断块的Y3J1低级序断层(图7d，图8a)，切断了两组注采井网的对应关系。采油井Y3X147井和Y3-55井与早期的两口注水井Y3X143井和Y3-37井均位于断层的南侧，不受断层的影响，因而注采对应关系好。后期转注的Y3-14井和Y3-16井与采油井Y3X146井和Y3-100井同处于该低级序断层的北侧，避免了其对注采关系的影响，改善了注水效果。将识别出的低级序断层的形态及分布位置与注采井组的生产动态相结合，既分析了注采矛盾的影响因素，有利于后期注采井网的调整，同时也验证了井—震联合识别低级序断层的准确性。