基于海上窄方位采集地震資料的裂縫預(yù)測技術(shù)及應(yīng)用

李 梅 施澤進 楊紹國 郗 誠 詹路鋒 朱 明

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.恒泰艾普石油天然氣技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京100084；3.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣州510240）

裂縫性油氣藏的產(chǎn)量占目前全世界石油天然氣總產(chǎn)量的一半以上，對裂縫性油氣藏的研究成為當今世界石油界的熱點。裂縫性油氣藏勘探對中國石油工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

裂縫的成因類型很多，從地質(zhì)成因上看，主要包括構(gòu)造裂縫、區(qū)域裂縫、收縮裂縫、風化裂縫和層理縫等；從產(chǎn)狀上看分為水平縫、低角度縫、高角度縫和垂直縫。在長期的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，水平或低角度裂縫幾乎封閉或充填消失，對油氣藏貢獻大的裂縫大都為高角度和近于垂直的裂縫。正是由于裂縫成因不同、裂縫角度不同及充填程度不同，裂縫的物理屬性差異比較大，其橫向和縱向變化大，地震波在裂縫介質(zhì)中傳播時，呈現(xiàn)出明顯的各向異性［1］，成為基于HTI介質(zhì)的P波方位各向異性的裂縫預(yù)測方法的基礎(chǔ)［2，3］。隨著該技術(shù)的推廣，越來越多的裂縫預(yù)測成功案例使得該技術(shù)方法得到了廣泛的認可。

隨著裂縫預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，以陸上全方位采集資料為基礎(chǔ)的方位P波各向異性裂縫預(yù)測技術(shù)已經(jīng)得到普遍認可及應(yīng)用。與傳統(tǒng)疊后裂縫預(yù)測相比，疊前方位各向異性裂縫預(yù)測技術(shù)不僅利用了三維地震資料在空間上的優(yōu)勢，而且由于不同方位P波與裂縫方向不同，可以利用不同方位地震屬性響應(yīng)特征進行裂縫走向、裂縫密度的識別［4］。但是，由于海上地震資料采集方位角為非寬方位覆蓋，因此方位各向異性裂縫檢測方法很大程度上受到采集方位的制約。如何有效利用疊前地震信息進行基于海上窄方位地震資料的裂縫檢測，成為廣大勘探地球物理學(xué)者感興趣的問題。

本文以南海LH油田為例，利用裂縫在不同方位角、偏移距等疊前地震數(shù)據(jù)上的異常響應(yīng)，實現(xiàn)對儲層裂縫及隔擋層裂縫分布的預(yù)測，結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬裂縫預(yù)測技術(shù)，總結(jié)針對海上窄方位角地震資料采集特點的裂縫識別方法。

1 區(qū)域概況

LH研究區(qū)位于南海珠江口盆地東沙隆起中部，是在基巖隆起上發(fā)育起來的生物礁灘地層圈閉，軸向為北西西－南東東，呈西高東低的趨勢，由兩高點組成，中間為鞍部（圖1）。

圖1 LH油田礁灰?guī)r段3D構(gòu)造立體示意圖Fig.1 3Dstructure stereogram of LH oilfield reef limestone

油田主體部位的構(gòu)造較平緩，被南北方向主干斷裂所切割，其斷層的走向大致與構(gòu)造軸線相平行。內(nèi)部發(fā)育了一系列平行于主干斷層的小斷層，平面延伸達數(shù)百米至數(shù)千米，向下未斷穿灰?guī)r段，向上消失于泥巖蓋層之中［5］。

油田主要含油層段發(fā)育在新近系中新統(tǒng)珠江組礁灰?guī)r段，具有底水，斷層、孔、縫發(fā)育。投產(chǎn)以后，含水上升迅速，產(chǎn)量遞減快；但不同區(qū)域的油井含水上升速度明顯存在差異，經(jīng)驗認為油井含水上升速度與位于b1段下部的隔擋層尤其是b2段的裂縫與孔隙發(fā)育程度密切相關(guān)，如果b2裂縫發(fā)育，封擋不好，會溝通底水，引起油井出水。因此，搞清楚各層系高滲層及低滲層或致密層裂縫的空間發(fā)育規(guī)律，對產(chǎn)量穩(wěn)定及今后開發(fā)部署非常必要。

2 裂縫預(yù)測方法

2.1 裂縫介質(zhì)波場正演模擬

一個橫向各向同性（TI）彈性介質(zhì)可以用5個獨立的常數(shù)來完整地描述

若以上介質(zhì)各向異性微弱，Thomesen（1986）提出了一種方便的彈性常數(shù)表達方式

該方法可以便捷地描述弱各向異性介質(zhì)的彈性參數(shù)。

在疊前正演模擬研究中，要建立裂縫儲層的地質(zhì)模型和巖石物理模型，首先需要從井中的資料獲取巖石的密度與縱、橫波速度；并根據(jù)巖石物理模型計算等效的彈性參數(shù)及等效的Thomsen指數(shù)，從而了解裂縫對巖石彈性參數(shù)的影響。

本次研究的波場正演采用Hudson模型［6］。該模型基于長波長假設(shè)限定，假定介質(zhì)由彈性介質(zhì)與內(nèi)部狹長的橢圓裂隙組成，其表達式如下

其中

式中：λ和μ為各向同性背景介質(zhì)的拉梅系數(shù)和剪切模量；a和α分別是縫隙半徑和高寬比。

U1和U3由裂隙決定，對干裂隙狀態(tài)

當裂隙包含流體時（假定不可忽略μα／［Κ′＋（4／3）μ′］），則有

其中

本次研究在Hudson模型基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的縱波與橫波、巖石密度、裂縫密度信息，開展了裂縫介質(zhì)的地震響應(yīng)特征的正演模擬（圖2），并在此基礎(chǔ)上進行裂縫敏感屬性的分析。

2.2 方位各向異性裂縫預(yù)測技術(shù)

圖2 方位角振幅屬性差異度與裂縫走向關(guān)系正演圖版Fig.2 Relationship between azimuth attribute difference and fracture orientation

將研究區(qū)地震采集方位折算到180°方位范圍內(nèi)，方位角分布在84°～134°，方位角覆蓋50°（圖3），屬于窄方位角地震采集系統(tǒng)；并且本次研究的地震資料采集方向近似平行于主要斷裂方向，這樣的地震數(shù)據(jù)所攜帶的與斷層分布有關(guān)的各向異性信息不顯著，這對于基于疊前方位地震各向異性的裂縫研究，帶來巨大難度和挑戰(zhàn)。

綜合考慮研究區(qū)地震窄方位角采集特征、斷層走向等因素，在巖石物理正演模擬的基礎(chǔ)上，篩選采用了針對入射角、偏移距、方位角的3種互補的裂縫預(yù)測技術(shù)，預(yù)測研究區(qū)裂縫發(fā)育情況，取得了較好的預(yù)測效果。

疊前地震方位各向異性裂縫檢測技術(shù)，是基于HTI介質(zhì)的方位P波地震檢測技術(shù)。該技術(shù)方法的核心是利用地震波在垂直裂縫傳播時具有明顯的旅行時延遲和衰減的特性，來預(yù)測垂直或者近于垂直的高角度微裂縫［7，8］。

該研究方法更適應(yīng)于陸上寬方位采集地震數(shù)據(jù)，對于明顯為窄方位采集的海上地震數(shù)據(jù)，該方法的適應(yīng)性受到一定的限制。本次研究根據(jù)巖石物理正演的結(jié)果，將實際地震數(shù)據(jù)按照采集方位劃分為2個方位角。因為不同方向的裂縫，在2個方位角內(nèi)P波反射特征就會不同，這樣采用大小方位角屬性差異常達到檢測裂縫的目的（圖4）。根據(jù)巖石物理正演結(jié)果，在固定采集方位角84°～134°范圍內(nèi)，固定方位夾角50°，讓裂縫走向和裂縫密度發(fā)生變化，來計算不同裂縫密度下的地震振幅、能量和頻率等屬性。同時分析在固定采集方位夾角的情況下，方位地震屬性差異與變化裂縫方向的關(guān)系。正演圖版可以看出（圖2），方位地震振幅屬性異常隨著裂縫走向的變化而變化，裂縫越發(fā)育，振幅屬性異常度越大。取差異為20%的置信度條件下，裂縫走向在約30°～100°和120°～190°范圍內(nèi)，異常度較大，為可檢測的裂縫方向的范圍；當裂縫走向在約10°～30°和100°～120°范圍內(nèi)，異常度較小，檢測裂縫能力較弱（圖5）。

圖4 不同方位角的地震P波響應(yīng)特征示意圖Fig.4 P－wave responding diagram under different azimuths

利用該方法得到研究區(qū)裂縫預(yù)測結(jié)果（圖6），隔擋層b2層裂縫較發(fā)育區(qū)域主要集中于構(gòu)造主體高部位及兩側(cè)斷層發(fā)育部位，對隔擋底水起到破壞作用。裂縫整體發(fā)育程度由西向東降低，西南部最發(fā)育。

圖5 方位角屬性差檢測裂縫發(fā)育方位的能力范圍圖版Fig.5 The ability range plate of fracture development directions detected with the azimuth attribute difference technology

圖6 b2層裂縫發(fā)育平面分布圖（方位角屬性差）Fig.6 Fracture development map of Layer b2

2.3 偏移距屬性差異裂縫預(yù)測技術(shù)

當?shù)卣鸩ù┻^高角度裂縫地層時，遠、近偏移距部分疊加數(shù)據(jù)體上地震響應(yīng)的振幅、速度、頻率衰減梯度等屬性的差異性顯著［9，10］。說明利用遠、近偏移距的地震屬性差，可以檢測地下裂縫的相對發(fā)育情況。值得注意的是，利用此種偏移距屬性差進行裂縫檢測時，能夠檢測的裂縫是有一定局限的，當?shù)卣鸩杉较虼怪庇诹芽p走向時，偏移距屬性差異由于受到裂縫的影響明顯，差異性大，檢測能力明顯（圖7）。當?shù)卣鸩杉较蚱叫杏诹芽p走向時，地震屬性隨偏移距變化受到裂縫影響小，差異性相對減小，檢測能力減弱［10，11］。因此，此方法更適用于檢測垂直于采集方位的高角度裂縫。

圖7 裂縫（垂直采集方向）影響遠近偏移距地震屬性Fig.7 Fractures influencing far－near offset seismic attributes

圖8 遠近偏移距對應(yīng)頻率屬性差異隨裂縫密度變化正演圖板Fig.8 Modeling plate that far－near offset's frequency attribute differences changes with fracture density

利用遠近偏移距屬性差進行裂縫發(fā)育程度預(yù)測，是基于裂縫儲層在不同偏移距數(shù)據(jù)體上引起的地震響應(yīng)的不同。能量衰減到85%時所對應(yīng)的頻率（ful＿frq屬性）其值的大小反映的是裂縫對地震頻率衰減的影響。根據(jù)巖石物理正演模擬可知（圖8），對于不同地震偏移距數(shù)據(jù)體，裂縫儲層的地球物理響應(yīng)特征表現(xiàn)出較大的差異，隨著偏移距的增大，裂縫引起的ful＿frq屬性值降低（圖8左）；同時模擬在同一偏移距下的情況，裂縫發(fā)育程度越高，ful＿frq值越低，即地震衰減越快。將遠、近偏移距的ful＿frq屬性差與裂縫發(fā)育程度進行交匯（圖8右），得到裂縫的發(fā)育程度越強，遠、近偏移距屬性差越大，地震異常越顯著。

研究中，設(shè)置一定的遠、近偏移距屬性差異值作為裂縫檢測置信度，可以用遠近偏移距屬性差異（遠偏屬性值減去近偏屬性值）來檢測一定方向的裂縫。

運用該研究方法，預(yù)測隔擋層b2層的裂縫平面分布（圖9），裂縫發(fā)育程度較高區(qū)域主要集中于構(gòu)造主體高部位，對隔擋底水起到破壞作用，裂縫整體發(fā)育程度表現(xiàn)出由西向東逐漸降低的趨勢。

2.4 應(yīng)力場數(shù)值模擬裂縫預(yù)測技術(shù)

應(yīng)力場數(shù)值模擬技術(shù)主要用于定性預(yù)測與構(gòu)造有關(guān)的裂縫。與構(gòu)造有關(guān)的裂縫的形成，與巖石的孔隙度、厚度、密度及與斷層的距離等都具有密切的關(guān)系。把這些參數(shù)用于應(yīng)力場恢復(fù)，得到的應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)，在一定程度上反映了構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度［12，13］?；谏鲜鲈?，利用疊前地震數(shù)據(jù)及地層的構(gòu)造層面、巖性參數(shù)（縱、橫波速度、密度）、巖層彈性參數(shù)信息等進行應(yīng)力場數(shù)值模擬，得到地層的主曲率、主應(yīng)變和主應(yīng)力，達到預(yù)測構(gòu)造裂縫的目的。

從應(yīng)力場模擬結(jié)果分析來看，b2層構(gòu)造縫發(fā)育帶及方向與斷裂體系關(guān)系明顯，構(gòu)造縫基本發(fā)育在礁體兩側(cè)斷層部位以及高部位局部區(qū)域。應(yīng)力場模擬的構(gòu)造裂縫方向主要為北西西向、北北東向（圖10）。

圖9 b2層裂縫發(fā)育平面分布圖（偏移距屬性差）Fig.9 Fracture development map of Layer b2

圖10 b2層構(gòu)造縫密度及方向平面分布圖Fig.10 Fracture density and orientation map of Layer b2

3 裂縫儲層預(yù)測結(jié)果

由于裂縫發(fā)育受較多因素的影響，如巖性、構(gòu)造、成巖作用等，因此，綜合利用多種疊前地震信息及地質(zhì)信息預(yù)測裂縫，比單一方法預(yù)測裂縫更具有可靠性，可提高裂縫解釋的可信度。

本次研究基于海上窄方位采集地震資料特點，選取的3種方法在預(yù)測裂縫的方向上具有互補性。由于地震采集方向平行于構(gòu)造斷裂走向，疊前應(yīng)力場裂縫檢測裂縫的方向以平行于斷裂的北西西向、垂直于斷裂的北北東向為主；方位屬性差異裂縫預(yù)測對非平行于構(gòu)造走向（北西西向）、非垂直于構(gòu)造走向（北北東向）的裂縫敏感，對平行或垂直于構(gòu)造走向的裂縫檢測能力較弱；遠近偏移距屬性差異裂縫檢測對非平行于構(gòu)造走向（北西西向）的裂縫敏感，尤其對于垂直于構(gòu)造走向（北北東向）的裂縫敏感（圖11）。這3種裂縫檢測方法在裂縫檢測上既有重合也有互補，因此，利用信息融合技術(shù)，能夠更準確地描述裂縫發(fā)育分布規(guī)律。

圖11 3種裂縫預(yù)測技術(shù)方法預(yù)測裂縫能力范圍示意圖Fig.11 Fracture prediction ability diagram with three different methods

將裂縫預(yù)測結(jié)果與FMI測井解釋成果對比，可以看出，預(yù)測結(jié)果與油井成像測井解釋結(jié)果比較吻合。A井高角度縫在a、b1、b2、b3、c段不發(fā)育，在d、e段發(fā)育（圖12）。

圖12 A井FMI解釋成果與裂縫預(yù)測結(jié)果對比圖Fig.12 The contrast between FMI of Well A and fracture prediction result

根據(jù)研究區(qū)生產(chǎn)動態(tài)規(guī)律分析，生產(chǎn)井單井含水上升速度較快的井主要分布于3個區(qū)域（圖13藍色區(qū)域）。本次研究綜合疊前應(yīng)力場模擬、方位屬性差裂縫預(yù)測、遠近偏移距屬性差裂縫預(yù)測結(jié)果，預(yù)測裂縫發(fā)育區(qū)與生產(chǎn)動態(tài)規(guī)律性認識比較吻合。主要隔擋層b2層預(yù)測的裂縫發(fā)育與油井含水上升快的區(qū)域在分布趨勢、分布位置上比較一致（圖13）。該層裂縫發(fā)育導(dǎo)致對底水的封擋性不好，是引起油井含水上升速度快的主要因素，裂縫相對不發(fā)育區(qū)，油井含水上升速度慢，產(chǎn)量比較穩(wěn)定。

圖13 b2層裂縫平面分布圖Fig.13 Fracture distribution map of Layer b2彩色為裂縫發(fā)育區(qū)

4 結(jié)束語

裂縫型儲層普遍具有埋藏深、非均質(zhì)性強，但油井產(chǎn)能高的特點，已經(jīng)成為目前儲層研究的重點。本次研究針對海上窄方位地震采集的資料特點，結(jié)合LH油田實際情況，充分利用不同方位地震屬性差、遠近偏移距地震屬性差及應(yīng)力場數(shù)值模擬3種裂縫檢測方法，達到檢測裂縫的目的。在研究中，雖然單一的裂縫預(yù)測技術(shù)方法會產(chǎn)生預(yù)測盲區(qū)，但是通過3種裂縫預(yù)測方法有機結(jié)合，相互取長補短，能有效地消除單一的裂縫預(yù)測方法的局限性，達到綜合識別裂縫儲層的目的，預(yù)測結(jié)果經(jīng)生產(chǎn)井驗證吻合率達到75%以上。

針對海上窄方位采集地震資料，采用疊前地震方位屬性差異或偏移距屬性差異，及其之間優(yōu)勢互補的方法，進行裂縫預(yù)測，已經(jīng)取得較好的效果，形成的技術(shù)系列在海上油氣田裂縫儲層預(yù)測中得到廣泛應(yīng)用。但裂縫檢測的精度仍然受地震采集、處理、裂縫檢測技術(shù)等多方面因素的制約。相信隨著地震采集、處理、解釋、儲層與裂縫預(yù)測等技術(shù)的發(fā)展，裂縫的刻畫將會更加精細，在裂縫的空間展布及定量描述等方面將會得到進一步提升。

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