海相碳酸盐岩油气藏资源状况碳酸盐岩缝洞型油气资源潜力与方向

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全世界油气资源已探明储量中，碳酸盐岩油气藏储量约占50%、产量占60%以上；碳酸盐岩盆地中已发现数百个大型油气田。近年来，我国的鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、渤海湾盆地、四川盆地碳酸盐岩储层中相继发现了大中型油气田，打出了高产井。我国海相碳酸盐岩层系油气资源量大于300亿t油当量，仅塔里木盆地的石油三级储量就达30多亿t，塔河油田储量规模达13.2亿t，已形成年生产能力400万t。在渤海湾盆地和鄂尔多斯盆地也广泛分布。这些盆地碳酸盐岩中古岩溶发育，与油气藏关系密切。

据统计，全世界迄今已发现的碳酸盐岩油气藏有279个，分布在39个国家和地区，油气可采量4860亿桶。碳酸盐岩储层主要发育在前寒武纪晚期到中新世的岩层中，从碳酸盐岩油气田数量和储层看，最重要地质年代是白垩纪。在该时期地层中，有55个碳酸盐岩油气田，占总数的19.7%。碳酸盐岩油气藏储层岩性主要为两大类：一类是石灰岩储层；另一类是白云岩储层。属于第一类储层的油气田有147个，占油气田总数的52.7%，该类储层多见于白垩系和第三系

第三系（纪）现划分为古近系（纪）（老（早）第三系（纪））、新近系（纪）（新（晚）第三系（纪）），下同。岩层中；第二类储层的油气田有132个，占整个数据库油气田的47.3%，该类储层主要分布在上古生界奥陶系和侏罗系岩层中（表1-1）。

表1-1 世界大型碳酸盐岩油气田基本情况表

海相碳酸盐岩成像道集层析速度分析

秦宁李振春杨晓东张凯
（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266555）
基金项目：国家863课题（2009AA06Z206）、中国石油大学（华东）研究生创新工程重点项目资助
作者简介：秦宁，女，在读博士研究生，主要从事偏移速度分析、层析反演和波形反演方面的研究。Email：geoqin＠163.com。
摘要：随着世界经济对油气资源需求的日益增加，碳酸盐岩油气藏的勘探开发逐渐被提上研究日程。地表复杂、地下复杂及陡倾构造、极深层目标反射体、复杂储层是碳酸盐岩地震勘探面对的主要地震地质问题。这些特点使得基于水平层状介质假设、适合于碎屑岩的常规处理方法精度有限。叠前深度偏移成像技术是改善海相碳酸盐岩地区地震资料质量和提高深层复杂构造与岩性成像精度的有效技术。为了对碳酸盐岩探区实现准确的叠前深度偏移成像，必须研究与之对应的速度分析方法。本文提出的成像道集层析速度分析方法，利用波动方程双平方根算子叠前深度偏移提取的角度域共成像点道集（ADCIGs）作为速度分析道集，基于自动拟合方法拾取深度残差转换为走时差。一方面，角道集能够更为准确地反映速度和深度的耦合关系，并且减少了假像等的干扰，由此得到的走时差精度较高；另一方面，与该方法对应的射线追踪正演恰好可以将层析中复杂的反射分解为上行和下行的两个透射，简化了问题，提高了灵敏度矩阵的计算效率和计算精度，使得速度分析结果精度更高。地震地质模型和海相碳酸盐岩实际数据的试算结果表明，该方法反演得到的深度域层速度场的速度较为准确，层位界面深度误差较小，并且得到了质量较好的叠前偏移结果，能够较好地解决海相碳酸盐岩探区的速度分析问题，但低信噪比的叠前偏移资料会对层析反演精度产生较大影响。
关键词：海相碳酸盐岩；走时层析；速度分析；角道集；灵敏度矩阵
Tomography Velocity Analysis Based on Image Gathers in Marine Carbonate Exploration Areas
Qin Ning，Li Zhenchun，Yang Xiaodong，Zhang Kai
（School of Geosciences，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）
Abstract：With the increasing demand of oil and gas resources caused by world economic development，the exploration and development of carbonate reservoir turn to hot research topics.The main seismic-geologic problems in marine carbonate exploration areas are rugged near surface，complex steep subsurface structure，deep target reflective layers，complex reservoir and so on，which make the conventional processing methods under the assumption of horizontal layered medium applied in clastic-rock areas helpless.Pre-stack depth migration is effective technique to improve the seismic data quality and image precision of complex structure in marine carbonate areas.In order to realize the accurate pre-stack depth migration in carbonate areas，the corresponding velocity analysis method must be researched first.This paper has proposed a tomography velocity analysis method based on image gathers，which use the angle domain common imaging gathers（ADCIGs）by pre-stck depth migration with wave equation double square root operator as the gathers of velocity analysis，and get the travel-time residual from depth residual by automatic fitting method.On one hand，ADCIGs can reflect the coupling relation of velocity and depth accurately and nearly have no artifact，making high precision of travel-time residual.On the other hand，the complex reflection can decompose into upward and downward transmission fortunately in the corresponding ray tracing method，which may simplify forward problem and increase the efficiency and accuracy of sensitivity matrix calculation，leading to higher precision result in velocity analysis.Examples of the synthetic seismic-geologic dataset and real dataset in marine carbonate areas show that the velocity field inverted by this method has accurate velocity value and interface depth，generating a high quality result of pre-stack depth migration.So this method can solve thevelocity problem of marine carbonate exploration areas，however，low S/N pre-stack seismic data can impact the precision of tomography velocity analysis.
Key words：marine carbonate；travel-time tomography；velocity analysis；angle domain common image gathers； sensitivity matrix
引言
在世界经济迅速发展的今天，常规的勘探开发已经不能满足日益增长的油气需求，人们纷纷将视线转向非常规油气藏。近年来，海相碳酸盐岩油气勘探逐渐被提上研究日程。一般来说，地表复杂、地下复杂及陡倾构造、极深层目标反射体、复杂储层是碳酸盐岩地震勘探面对的主要地震地质问题。这些特点使得基于水平层状假设、适合于碎屑岩的常规处理方法精度有限。地震叠前成像技术是改善海相碳酸盐岩地区地震资料质量和提高深层复杂构造与岩性成像精度的有效技术。叠前偏移方法对速度场非常敏感，要获得比较理想的反映地下真实构造的成像结果，需要比较精确的速度信息。因此，如何合理有效地获取高精度的偏移速度场就成为解决海相碳酸盐岩地区地震勘探的关键问题。
目前，基于射线理论的走时层析是工业界应用最为广泛的速度精细化建模工具。常规的走时层析主要是基于炮集或者CMP道集拾取走时获得走时差来更新速度场的，在资料品质不好的情况下根本无法辨别反射同相轴，这就带来了很大的误差，导致反演结果不准确。而基于CRP道集或者CIP道集的走时层析需要在射线追踪正演时考虑复杂的反射问题，当初始模型严重偏离真实模型的时候，需要较多的迭代次数。本文提出了一种角度域共成像点道集（ADCIGS，简称角道集）层析速度分析方法，恰好可以将层析中复杂的反射分解为上行和下行的两个透射，并且角道集是深度偏移以后得到的，能够较为准确地反映速度与深度的耦合关系，并且减少了假像等的干扰，由此得到的走时差更为精确可靠，反演结果精度更高，能够较好地解决海相碳酸盐岩地区的速度分析问题。
1 方法原理
1.1 走时层析成像
地震走时层析线性方程可以表达为如下形式：

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式中：L是灵敏度矩阵，其中的元素对应于射线在网格内的射线路径长度；Δt是走时差向量；Δs是待反演的慢度更新量，用于更新速度场。
由公式（1）可以看出，利用走时层析更新速度场，关键在于灵敏度矩阵的确定和走时差的求取。灵敏度矩阵的确定，是通过高效的射线追踪正演模拟获得的，其矩阵元素aij代表第i条射线在第j个网格内的射线路径长度。而走时差的确定，有直接法和间接法两种。直接法就是在炮集或者CMP道集上拾取的走时同对应射线追踪的走时进行对比得到走时差；间接法是利用深度残差转换获得走时差。然后将走时差沿着射线路径反投影得到慢度更新量，以此来更新速度。
1.2 走时差的计算
本文采用自动拟合拾取和人工控制相结合的方式拾取角道集中的深度残差。由于篇幅所限，这里不做详细介绍。在角度域共成像点道集上，拾取每一个共成像点的深度残差，然后转换为走时差。其中，深度残差和走时差的转换关系如图1所示。

图1 走时差Δt与深度残差Δz转化关系示意图

如图1所示，由于界面位置发生改变引入深度残差Δz，使射线发生改变（即由图示真实射线变为新射线），这个过程中射线经过的额外路径长度Δl＝a1＋ a2，由此产生的走时差Δt＝Δl·s。根据图1所示几何关系，不难得到

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将（3）式代入（2）式，可以得到

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则走时差和深度残差转换关系式为：

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式中：Δt是走时差；Δz是深度残差；s是成像点处的慢度值；α是反射层倾角；β是射线入射角，对应角度域共成像点道集的角度。
1.3 射线追踪及灵敏度矩阵的求取
走时层析一般采用简单、高效的射线追踪方法计算灵敏度矩阵。本文提出的层析速度分析方法要求射线追踪的每条射线方向必须同角度域共成像点道集的角度对应，不必考虑复杂的反射问题，即可以将反射分解为上行和下行的两个透射，这在一定程度上减小了射线追踪的难度，提高了灵敏度矩阵的计算精度。因此，这是基于角度域共成像点道集实现速度层析优于基于其他道集速度层析的一个重要方面。
本文采用了一种准确并且高效的射线追踪方法——常速度梯度法（Langan，1985）实现灵敏度矩阵的求取，模型参数化过程中，采用矩形网格来剖分速度场。然后根据角道集的局部角度与反射层倾角确定射线追踪的角度。从与角道集对应的成像点出发，按照射线入射角度，按照固定步长进行射线追踪。最后将第i条射线在第j个网格内的步长累加起来得到其矩阵元素lij。射线追踪步长可以根据灵敏度矩阵的精度要求人为选择，具有很大的灵活性，并且能够提高计算效率。
1.4 走时层析反演实现方法
本文研究的海相碳酸盐岩成像道集层析速度分析实现过程包括以下几个步骤：
（1）初始速度模型的建立。利用叠加速度转化得到的层速度进行叠前深度偏移，在偏移剖面上获取层位界面，加入海相碳酸盐岩探区实际地震地质特点的约束，生成层析初始速度场。
（2）灵敏度矩阵和走时差的获取。基于层析初始速度场，利用射线追踪正演得到与角度域共成像点道集对应的灵敏度矩阵；根据资料的实际情况，按照一定的角度范围抽取成像道集（ADCIGs），拾取各个层位的深度残差转化为走时差。
（3）加入正则化和先验信息的层析反演。利用得到的走时差和灵敏度矩阵，根据公式（1）建立反演方程组，加入正则化和先验信息反演慢度更新量，以此来更新速度。
（4）利用速度分析判别准则确定迭代与否。根据角度域共成像点道集上同相轴的拉平程度（即走时差是否接近于零）以及速度的精度要求，确定是否进行下一步迭代。如果需要继续迭代，则返回第一步重复这一过程，如果已经满足精度要求，则退出该循环。速度迭代更新完成以后，进行误差分析和灵敏度分析。实现步骤如图2所示。

图2 海相碳酸盐岩成像道集层析速度分析流程图

2 模型与实际资料试算
2.1 地震地质模型试算
以下是典型地震地质模型的层析反演处理结果。该模型涵盖了较多的复杂地质体，包括高陡逆冲断裂、各种高速体（如火山岩体）以及许多小断块的连体等。该模型采用常规速度分析得到的层速度场作为偏移的初始速度场，层析速度分析时采用了80个共成像点，角度域共成像点道集采用了36个角度（角度范围0°～35°，角度间隔1°）。图3所示为初始叠前深度偏移剖面以及建立的层析初始速度场。图4为初始角道集和层析后角道集的对比，可以看到层析后的角道集拉平度较好。图5为层析更新后的速度场及其对应的叠前深度偏移剖面。图6为x ＝6010m处的层析初始速度、层析反演速度与真实速度的比较。由图5（a）可以看到，除了左边界逆冲断裂的较薄层以及上覆各层中的极薄层以外，其他位置处的构造都能够清晰地反演出来；图5（b）可以看到反射界面基本归位到了准确的位置，成像效果较好，由此得到的层析速度场同该地区的地质情况基本吻合，精度较高，为后续的各项处理和解释提供了良好的先决条件。
2.2 海相碳酸盐岩探区实际资料试处理
以下是海相碳酸盐岩某探区实际资料的层析反演处理结果。该资料速度变化范围较大（3000～ 6500m/s），目的层埋藏较深，资料信噪比较低。层析速度分析时采用了80个共成像点，角度域共成像点道集采用了39个角度（角度范围0°～38°，角度间隔1°）。图7所示为初始叠前深度偏移剖面以及建立的层析初始速度场。图8为初始角道集和层析后的角道集的对比，可以看到层析后的角道集连续性更好，界面位置更精确。图9为层析后的速度场及其叠前深度偏移剖面。可以看到更新后的速度场中速度值与速度界面都更加符合实际，由此得到的叠前深度偏移剖面中界面得到了较好的归位。但是由于该方法受资料信噪比影响较大，故反演结果的精度比理论模型低，今后将在该方面进行改进和完善。

图3 叠前深度偏移剖面（a）及由此建立的层析初始速度场（b）

图4 初始角道集（a）及层析更新后的角道集（b）

图5 层析更新后的速度场（a）及叠前深度偏移剖面（b）

图6 x＝6010m处初始速度、层析更新速度与真实速度的对比

图7 叠前深度偏移剖面（a）及由此建立的层析初始速度场（b）

图8 初始角道集（a）及层析更新后的角道集（b）

图9 层析更新后的速度场（a）及叠前深度偏移剖面（b）

3 结论
海相碳酸盐岩成像道集层析速度分析，能够较为准确地反映速度与深度的耦合关系，并且减少了假像等的干扰。与其他道集层析反演方法相比，该方法得到的走时差更为精确，使得速度反演精度更高。另一个优势表现在射线追踪过程中，不必考虑复杂的反射问题，因此可以使用快速精确的射线追踪方法。模型试算和实际资料结果表明，该方法具有较高的速度反演精度，较快的计算效率，并且得到了质量较好的叠前偏移结果，能够较好地解决海相碳酸盐岩探区的速度分析问题，但低信噪比的叠前偏移资料会对层析反演精度产生较大影响。
参考文献
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中国海相盆地分布广，海相沉积分布或规模均占有相当大的比重，下古生界以碳酸盐岩岩溶储层为主，层间-层内似层状岩溶储层大面积分布(表6-4)，多期不整合面发育，为大中型地层不整合油气藏的形成提供了重要的地质基础。顺层深岩溶是深层有效储层规模化发育的重要控制因素，在深层能发现大油气田。
一、古隆起及其围斜部位
古老海相盆地的隆起形成时间早，延续时间很长，是油气运移长期的有利指向区;古隆起规模大，隆起面积多在(1～4)×104km2之间，为海相地层油气勘探提供了广阔领域;具有良好的生储盖组合，多期成藏;隆起晚期构造活动相对较强，有利于油气的聚集与调整。
克拉通构造活动的强度及演化不同，大型隆起对油气的控制作用也不同。中国几大古生代克拉通盆地，以塔里木克拉通最活跃，鄂尔多斯华北克拉通最稳定，四川上扬子克拉通介于二者之间。塔里木盆地大部分海相油气田都集中在三大隆起及其斜坡部位;四川盆地海相天然气富集在具古隆起背景的喜马拉雅期局部构造上;鄂尔多斯庆阳古隆起并不直接控制天然气的富集。
和田河气田周缘由于古隆起迁移，形成古风化壳、台缘滩和推覆构造三大勘探领域，早期成藏区域北倾，晚期成藏区域南倾。玛东、玛北、玛南地区成藏条件存在差异，玛南处于和田河古隆起向东北延伸的部位，在石炭系沉积前遭受风化和淋滤，奥陶系桑塔木组遭受剥蚀，良里塔格组台缘相带颗粒灰岩有所保存，后被石炭系下泥岩段覆盖。通过地震反演预测该区奥陶系风化壳储层发育，同时发育沟通寒武系的压扭断层，对成藏十分有利。
表6-4 中国海相盆地典型地区岩溶储层分布特征

二、大型地层不整合油气藏
古隆起、古斜坡是形成大中型不整合油气藏的有利地带，包括不整合面下的削截油气藏、不整合面上的超覆油气藏。不整合油气藏的形成既受控于不整合类型、圈闭形成期与油气运聚成藏期匹配的控制，又受生、储、盖组合的配套、断裂发育状况、构造变形的控制。盖层质量直接关系到不整合油藏能否形成;不整合储集体的好坏及储集层的非均质性直接影响油气藏的储量和产能。
不整合(面)对油气聚集既有建设性作用，又有破坏性作用。建设性作用主要有:①为油气运移提供良好通道;②改善了不整合面下储集层(体)的储集性能;③不整合面上、下发育大量不整合圈闭。破坏性作用表现为对盖层的破坏使油气大量散失，即使是部分破坏，原油也将受到不同程度的氧化、水洗，使轻质组分逸散，重质组分留下，形成稠油或难于流动的沥青。此外，不整合面与通入古地表的断裂结合，会使油气沿不整合面、断裂面运移到地表逸散，使油气藏遭到一定的破坏。
中国三大盆地大中型地层不整合油气藏勘探领域广，如塔里木盆地不整合油气藏类型多、分布广，塔北南缘奥陶系岩溶发育区，良里塔格组、一间房组、鹰山组3套岩溶储层厚70～250m，有利面积达3.5×104km2;塔中奥陶系礁滩与岩溶发育区，良里塔格组、鹰山组、蓬莱坝组3套岩溶储层厚100～400m，有利面积达1.2×104km2;麦盖提斜坡奥陶系岩溶区发育3期岩溶，有利面积达0.8×104km2;和田河周缘奥陶系潜山发育风化壳岩溶储层，有利面积达0.9×104km2。
在鄂尔多斯盆地靖边气田周缘奥陶系岩溶发育区，马五段白云岩向周缘扩展，有利面积达1.0×104km2;四川盆地雷口坡组风化壳区发育风化壳岩溶储层，勘探已获发现，有利面积达1.2×104km2;四川盆地震旦系—下古生界岩溶斜坡规模大，白云岩岩溶储层发育，有利面积可达8.5×104km2;渤海湾盆地潜山富油气凹陷成藏条件好，有利面积达0.5×104km2。
三、深层-超深层油气藏
随着油气勘探程度的不断深入，油气勘探向深层发展势在必行。如美国在埋深8088m的寒武-奥陶系碳酸盐岩储层中发现了贾伊费尔德气田，储层中次生孔、洞、缝大量发育，孔隙度为25%，渗透率为1020×10-3μm2(吴富强等，2006)。此外，美国西内盆地7663～8083m的下奥陶统碳酸盐岩内发现了阿纳达科凹陷米尔斯兰奇气田带等。
我国塔里木盆地，塔参1井在7100m进入上震旦统花岗闪长岩，其上白云岩缝洞非常发育，录井、取心、气测均有油气显示。轮东1井在6785～6805m的奥陶系累产原油28.61m3，在7141～7180m的深度发现了低产天然气，哈拉哈塘地区多口井在接近7000m的奥陶系有工业油气流产出。
塔北地区奥陶系及上部层位已发现了丰富的油气，塔北下部的寒武系更接近寒武系烃源岩，是油气勘探的有利接替领域。中石化塔深1井在寒武系见到了良好的油气显示，在埋深8400m、温度160℃、压力80MPa的上寒武统白云岩溶洞储集层中发现了褐黄色的液态烃，根据甲基菲指数换算的原油成熟度在1.08%～1.2%之间，为高成熟轻质油或凝析油。在对下奥陶统—上寒武统6800～7538m段进行测试时，有少量天然气产出，天然气以烃类气体为主，占97%;干燥系数为0.97，甲烷碳同位素组成为-37.9，对应的气源岩Ro为1.65%～1.91%，气的成熟度高于原油，属于典型的高演化油型干气。
塔深1井寒武系位于轮南台缘带，白云岩储层储集空间类型以晶间孔、晶间溶孔及裂(溶)缝为主。塔深1井岩心测试孔隙度为0.6%～9.1%，渗透率为(0.001～34.4)×10-3μm2。测井解释储层44层641m，其中I类储层为66m/7层，孔隙度为4.5%～10.4%，孔隙类型为裂缝-孔洞型，主要发育于中寒武统;Ⅱ型储层为127m/9层，孔隙度为3%～5.7%，孔隙类型为孔洞型，主要发育于下寒武统、中寒武统和上寒武统底部;Ⅲ类储层为456.5m/28层，孔隙度为0.63%～5%，孔隙类型为溶孔型或裂缝型，主要发育于上寒武统。
上述塔深1井数据表明深层寒武系具备油气运聚条件。

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