裂縫型儲(chǔ)層地震屬性預(yù)測(cè)方法研究與應(yīng)用

張軍林，田世澄 （中國地質(zhì)大學(xué) （北京）能源學(xué)院，北京100083）

鄭多明 （中石油塔里木油田分公司石油勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒841000）

曲霞 （中石化河南油田分公司物探技術(shù)研究院，河南 南陽473132）

構(gòu)造形變是裂縫型儲(chǔ)層形成的主要原因之一，構(gòu)造形變和裂縫具有同源性，構(gòu)造形變對(duì)裂縫空間展布特征影響較大，斷層是構(gòu)造形變的一種重要表現(xiàn)形式。通常來講，微斷層在勘探階段受重視程度較小，而其對(duì)油田的開發(fā)影響較大[1]。裂縫既能改善儲(chǔ)層的滲透性，又能作為烴類儲(chǔ)層，就碳酸鹽巖油氣藏來看，油氣主要儲(chǔ)集在裂縫和溶蝕孔隙中[2]。地震資料作為描述裂縫空間展布特征的有效手段之一，從20世紀(jì)80年代以來，國外學(xué)者就開始裂縫描述方法的研究，指出裂隙誘導(dǎo)的各向異性可能是地殼中地震各向異性的主要原因[3]。近年來裂縫型儲(chǔ)層的研究依然是學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)難點(diǎn)之一，眾多科研院所學(xué)者和地球物理公司都致力于裂縫型儲(chǔ)層的地震描述研究，取得了一定的進(jìn)展，但作為一種疑難儲(chǔ)層，其研究方法仍需進(jìn)一步探討。在識(shí)別裂縫的方法中，目前還沒有一種方法能單獨(dú)有效地用于裂縫預(yù)測(cè)[4]。筆者利用地震資料的幾何學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征對(duì)塔里木盆地塔北隆起西部A區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫的展布特征進(jìn)行了研究，取得了一定的效果。

1 主要技術(shù)原理

地震屬性是描述儲(chǔ)層的主要技術(shù)手段，根據(jù)地震屬性原理算法和主要受控因素的差異，地震屬性有不同的分類方法[5，6]。根據(jù)地震屬性描述儲(chǔ)層側(cè)重點(diǎn)的不同，可以將地震屬性分為地震幾何學(xué)屬性和地震動(dòng)力學(xué)屬性。地震幾何學(xué)屬性如相干等主要描述地下地質(zhì)體 （斷層和較大尺度的裂縫等[7～9]）的外觀幾何特征的空間差異；而對(duì)于一些微裂縫，用地震屬性的幾何學(xué)特征無法有效描述其分布特征，而地震動(dòng)力學(xué)屬性如阻抗差異等更能有效描述其分布范圍。

1.1 地震幾何學(xué)裂縫型儲(chǔ)層描述

構(gòu)造形變是裂縫型儲(chǔ)層的主要成因之一，因而從成因上講，如何描述儲(chǔ)層的構(gòu)造斷裂特征，是研究裂縫型儲(chǔ)層的一個(gè)重要方面。地震資料的幾何學(xué)特征是有效描述儲(chǔ)層裂縫的重要屬性，常見的地震資料的幾何學(xué)地震屬性有地震資料的相干屬性、曲率、傾角和方位角等，在實(shí)踐中，尤其以地震資料的相干屬性應(yīng)用效果較為理想。

基于本征值算法基礎(chǔ)之上的第三代相干算法 （C3地震相干體技術(shù)），是描述斷裂構(gòu)造特征的有效手段，其主要技術(shù)原理如圖1所示。

通過對(duì)相鄰兩道地震道進(jìn)行交會(huì)分析，在交會(huì)數(shù)據(jù)空間可以確定一個(gè)最大方向軸和一個(gè)最小方向軸。假設(shè)在相鄰兩道地震數(shù)據(jù)完全相同或相反的極端情況下，交會(huì)數(shù)據(jù)會(huì)在交會(huì)空間呈一、三象限45°方向展布或二、四象限45°方向展布。如用兩個(gè)不同向量分別表示主軸和最小方向軸，這兩個(gè)向量對(duì)應(yīng)協(xié)方差矩陣中的特征值 （本征值），稱為本征向量。利用線性代數(shù)的矩陣運(yùn)算得到的本征值、次本征值，可以用來表征波形差別。

在時(shí)間切片上常出現(xiàn)由于采集處理腳印而產(chǎn)生的噪聲條帶，這種噪聲在縱向上連續(xù)性不強(qiáng)，但斷層或微裂縫在縱向上所引起的地震振幅異常一般具有一定的連續(xù)性，在對(duì)相干數(shù)據(jù)體進(jìn)行線性增強(qiáng)處理的基礎(chǔ)上，再對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行斷層增強(qiáng)濾波處理，將時(shí)間切片上由于斷層等因素引起的噪聲區(qū)分開來，留下來的線性增強(qiáng)條帶就是斷層或者裂縫的反映。處理后的地震相干數(shù)據(jù)體，對(duì)裂縫等微型斷層具有更明顯的響應(yīng)。

圖1 本征值相干算法原理示意圖

1.2 地震動(dòng)力學(xué)裂縫型儲(chǔ)層描述

對(duì)于滲透型裂縫，僅采用地震屬性的幾何學(xué)特征難以有效描述其特性，利用測(cè)井資料的高頻成分，盡可能拓寬地震資料的頻帶，提高地震資料的分辨能力，求取裂縫發(fā)育帶的縱橫波阻抗，利用裂縫發(fā)育帶對(duì)縱橫波阻抗的不同響應(yīng)對(duì)裂縫帶進(jìn)行預(yù)測(cè)。

基于貝葉斯原理IFP聯(lián)合反演，假設(shè)地震噪聲和彈性模型的不確定性分布都是高斯概率分布、零均值，其疊前反演的目標(biāo)函數(shù)J（m）為：

式中：σs（θ）為地震入射角θ的標(biāo)準(zhǔn)方差；Rθ（m）是角度為θ時(shí)的反射系數(shù)系列，與當(dāng)前的彈性模型m有關(guān)；Wθ是與角度θ和dobsθ有關(guān)的最佳角道集子波；dobsθ是實(shí)測(cè)的角度為θ時(shí)的地震數(shù)據(jù)；mprior是初始的密度、縱波（P波）阻抗和橫波（S波）阻抗的多參數(shù)模型；Cm是模型協(xié)方差處理函數(shù)。角度為θ時(shí)的反射系數(shù)序列由Aki－Richards方程得到[10～14]。式（1）等式右邊第1部分是和地震數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)；第2部分是和模型相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，與P波阻抗、S波阻抗和密度不確定性的標(biāo)準(zhǔn)方差以及縱波阻抗、橫波阻抗和密度不確定性的互相關(guān)系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。

地震數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方差σs（θ）是與每一個(gè)地震角度疊加數(shù)據(jù)體的信噪比聯(lián)系的。地震資料的信噪比直接影響到最終反演質(zhì)量的可靠程度，如果地震資料的品質(zhì)差，反演結(jié)果就會(huì)嚴(yán)重依賴初始模型。從另一方面來講，如果P波阻抗、S波阻抗和密度不確定性的標(biāo)準(zhǔn)方差越大，表明初始模型越不可信，先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男畔⑴c最終阻抗計(jì)算的成分就會(huì)越低；P波阻抗、S波阻抗和密度不確定性的互相關(guān)系數(shù)能夠?qū)r石物理上的認(rèn)識(shí)應(yīng)用到反演過程中，從而使反演結(jié)果更加可靠。

利用聯(lián)合反演得到的縱波阻抗和橫波阻抗數(shù)據(jù)體交會(huì)分析在空間的數(shù)據(jù)分布特征，在測(cè)井資料巖石物理分析結(jié)果的指導(dǎo)下，優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行立體顯示，提取對(duì)裂縫敏感的數(shù)據(jù)，就可以利用可視化顯示工具，對(duì)裂縫空間的展布特征進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

2 實(shí)現(xiàn)步驟

該次研究主要利用疊后偏移地震數(shù)據(jù)、CRP（共反射點(diǎn)）道集和測(cè)井資料作為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。首先利用疊后偏移地震數(shù)據(jù)，參考地震主頻，選擇合理計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行本征值相干體制作，在相干體基礎(chǔ)之上，進(jìn)行 AFE （automatic fault extract）微斷層處理，利用所得到的AFE屬性數(shù)據(jù)體，沿目的層位提取AFE屬性，進(jìn)行地震幾何屬性的裂縫空間展布特征研究。其次利用縱橫波測(cè)井資料和密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，以裂縫孔隙度作為標(biāo)定數(shù)據(jù)，進(jìn)行交會(huì)分析，分析縱橫波阻抗數(shù)據(jù)對(duì)裂縫型儲(chǔ)層的敏感性，制作識(shí)別裂縫測(cè)井分析標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)聯(lián)合反演所得到的縱橫波阻抗進(jìn)行交會(huì)分析，在測(cè)井分析基礎(chǔ)之上，對(duì)裂縫發(fā)育帶進(jìn)行空間展布特征投影，以達(dá)到利用地震波動(dòng)力學(xué)特征對(duì)裂縫空間展布特征進(jìn)行描述的目的，進(jìn)行裂縫發(fā)育帶的預(yù)測(cè) （圖2）。

圖2 研究流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例

塔里木盆地塔北隆起西部A區(qū)奧陶系一間房組 （O2y）廣泛發(fā)育碳酸鹽巖臺(tái)地。該區(qū)主要構(gòu)造格局為北部潛山區(qū)、東部的M1井背斜構(gòu)造和東南部的M2井背斜區(qū)，3個(gè)局部構(gòu)造帶都以鞍部相接；沿M2井背斜軸部到北部的潛山區(qū)和M1井背斜軸部到潛山區(qū)都發(fā)育有逆沖斷層，該區(qū)斷層發(fā)育?，F(xiàn)有認(rèn)識(shí)表明，該區(qū)由于O2y碳酸鹽巖相干性較好，地層起伏較大，在O2y碳酸鹽巖裂縫發(fā)育，可作為優(yōu)質(zhì)的烴類儲(chǔ)層。但由于該儲(chǔ)層空間非均質(zhì)性極強(qiáng)，難以準(zhǔn)確描述裂縫的分布規(guī)律，該次研究針對(duì)該區(qū)所面臨的主要問題，應(yīng)用地球物理方法，進(jìn)行裂縫型儲(chǔ)層的地震描述方法研究。

3.1 構(gòu)造屬性裂縫帶預(yù)測(cè)

裂縫帶的發(fā)育常與地層的構(gòu)造變形有密切的關(guān)聯(lián)，準(zhǔn)確刻畫構(gòu)造斷裂發(fā)育特征，是直接有效的裂縫描述手段。基于本征值相干體技術(shù)之上的AFE微斷層裂縫檢測(cè)，能較為準(zhǔn)確地描述因斷裂構(gòu)造而形成的裂縫發(fā)育帶。

3.1.1 本征值相干體的制作

本征值相干體是從三維空間計(jì)算各個(gè)不同方向上地震道之間的差異，提取能反映沉積、斷裂特征差異的地震信息，該數(shù)據(jù)體相比傳統(tǒng)相干算法得到的相干數(shù)據(jù)體能更清楚地識(shí)別碳酸鹽巖裂縫、孔洞等地質(zhì)現(xiàn)象。在本征值相干體制作過程中對(duì)傾角方式和時(shí)間孔鏡等都進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。

1）傾角方式選擇試驗(yàn)。在本征值相干體的制作過程中，傾角方式的選擇對(duì)最終相干體數(shù)據(jù)影響較大。一般商用軟件都提供了傾角選擇方式，即適用于傾角較穩(wěn)定地區(qū)和傾角變化較大地區(qū)的傾角方式。通過前期構(gòu)造研究表明，該研究區(qū)構(gòu)造格局為一潛山，兩背斜，構(gòu)造起伏劇烈，在工區(qū)的北部由于地層后期強(qiáng)烈抬升而有剝蝕現(xiàn)象，在傾角選擇方式上，最終選擇考慮傾角變化較大的傾角方式。

2）時(shí)間孔鏡試驗(yàn)。時(shí)間孔鏡是本征值相干體計(jì)算過程中最重要的參數(shù)，不同的時(shí)間孔鏡會(huì)直接影響最終相干數(shù)據(jù)體的有效性。在定義該參數(shù)時(shí)，要考慮原始地震數(shù)據(jù)體的頻率和波長，該參數(shù)的選擇應(yīng)該在目標(biāo)反射體最高頻率波長的一半到最低頻率的一個(gè)波長之間。短的時(shí)間孔鏡比長的時(shí)間孔鏡更能反映構(gòu)造沉積細(xì)節(jié)。

3.1.2 AFE屬性體的制作

合理的本征值相干體的制作是AFE裂縫檢測(cè)體的基礎(chǔ)，在相干數(shù)據(jù)體的制作過程中，雖然已經(jīng)考慮了地震采集處理腳印對(duì)相干數(shù)據(jù)體所造成的影響，但為了獲得更高品質(zhì)的對(duì)斷層敏感的數(shù)據(jù)體，需進(jìn)一步對(duì)相干數(shù)據(jù)體進(jìn)行線性增強(qiáng)和斷層增強(qiáng)處理。在線性增強(qiáng)處理過程中，主要在平面沿噪聲方向進(jìn)行噪聲壓制，通常認(rèn)為垂直于主測(cè)線方向?yàn)橹饕肼暦较颍ㄟ^選擇噪聲濾波因子的長短，可以達(dá)到濾除噪聲的效果。在平面上壓制完噪聲之后，再在縱向上進(jìn)行噪聲壓制濾波，即對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行斷層增強(qiáng)處理，在計(jì)算過程中，需參考地層微電阻率掃描成像 （FMI）測(cè)井對(duì)裂縫的定量描述結(jié)果和地表露頭數(shù)據(jù)所揭示的研究區(qū)裂縫特征資料。該研究區(qū)通過FMI測(cè)井結(jié)果證明，該區(qū)裂縫主要分兩組，一組為方位角30°、傾角70°，另一組為方位角300°、傾角60°，這樣在斷層增強(qiáng)處理過程中，保留這兩組方向的裂縫地震響應(yīng)信息，對(duì)其他方向的裂縫信息進(jìn)行壓制，這樣就避免了在斷層增強(qiáng)處理過程中濾波的隨意性。

3.2 地震反演裂縫帶預(yù)測(cè)

對(duì)尺度較大的裂縫或微斷層能采用地震資料的幾何屬性的差異進(jìn)行預(yù)測(cè)，但對(duì)于微裂縫來講，這種方法顯然存在不足，從理論上講，地層微裂縫對(duì)地震縱橫波的傳播有較大的影響，通過地震波波動(dòng)差異進(jìn)行裂縫檢測(cè)，是目前利用地震反演方法進(jìn)行裂縫檢測(cè)的一個(gè)發(fā)展方向，地震阻抗反演是主要的應(yīng)用手段。

3.2.1 巖石物理分析

巖石物理分析是地震資料反演的基礎(chǔ)，通過對(duì)該研究區(qū)M1井O2y的縱橫波資料進(jìn)行交會(huì)，以該井O2y裂縫孔隙度為Z軸進(jìn)行彩色編碼，從縱橫波阻抗交會(huì)圖 （圖3（a））上可以看出，高裂縫孔隙度交會(huì)數(shù)據(jù)分布在橢圓內(nèi)，將該區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)投影到圖3（b）裂縫孔隙度曲線和圖3（c）橫波阻抗曲線上，可以明顯看出，高裂縫孔隙度對(duì)應(yīng)于低橫波阻抗值，即低橫波阻抗是有效的裂縫響應(yīng)屬性。

圖3 M1井縱波阻抗－橫波阻抗交會(huì)分析圖及裂縫孔隙度、橫波阻抗曲線

3.2.2 聯(lián)合反演

筆者在研究過程中，通過對(duì)原始CRP（共反射點(diǎn)）道集進(jìn)行剩余速度校正處理、中值濾波和深淺層地震能量補(bǔ)償處理之后，最終采用5個(gè)角度疊加數(shù)據(jù)體進(jìn)行聯(lián)合反演的數(shù)據(jù)體輸入，分別對(duì)角道集疊加數(shù)據(jù)進(jìn)行了合成記錄標(biāo)定、子波提取；在前期地震解釋層位的約束下，分別采用測(cè)井資料合成的縱橫波阻抗曲線，進(jìn)行背景模型的制作，選擇合適的振幅因子進(jìn)行全區(qū)反演。

3.2.3 縱橫波阻抗交會(huì)立體投影

以測(cè)井資料縱、橫波阻抗交會(huì)分析結(jié)果為量板，以O(shè)2y頂面構(gòu)造往下40ms為分析時(shí)窗，提取縱、橫波阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行交會(huì)分析；在交會(huì)空間對(duì)裂縫敏感區(qū)域進(jìn)行立體投影，得到研究區(qū)O2y裂縫空間展布特征立體圖。

3.3 效果分析

圖4為研究區(qū)M1井背斜區(qū)M101井－M1井－M102井連井橫波阻抗剖面與M101井、M1井O2y鉆井取心及M102井FMI成像對(duì)比圖。該區(qū)碳酸鹽巖的鉆探開始于20世紀(jì)80年代末，首次實(shí)施鉆探的M1井獲得成功，M1井在O2y頂部經(jīng)鉆井證實(shí)裂縫發(fā)育，從圖4上可以看出，在M1井O2y頂部，橫波阻抗為低值；隨后部署鉆探的M101井和M102井，M101井在目的層段O2y橫波阻抗都為高值，從該井取心情況來看，該井主要為粉砂泥質(zhì)含量較高，裂縫不發(fā)育；M102井鉆探過程中FMI測(cè)井證實(shí)在井底裂縫發(fā)育，在M102井井底橫波阻抗很低，橫波阻抗所揭示的裂縫發(fā)育段和FMI測(cè)井所揭示的裂縫發(fā)育段相符合。

圖4 橫波阻抗剖面與鉆井巖心和FMI對(duì)比圖

圖5為研究區(qū)M1井背斜區(qū)和M4井潛山區(qū)沿O2y（0～40ms）AFE裂縫提取平面圖，圖6為M2井背斜區(qū)沿O2y（0～40ms）AFE裂縫提取平面圖，可以看出，研究區(qū)微斷層即尺度較大的裂縫和區(qū)域斷裂具有良好的依附關(guān)系，在M1井背斜區(qū)、M2井背斜區(qū)和M4井潛山區(qū)，裂縫極為發(fā)育，同時(shí)沿北東向和北西向斷裂帶裂縫呈條帶狀展布，進(jìn)一步說明構(gòu)造形變對(duì)裂縫發(fā)育有控制作用。背斜軸部、靠近斷層附近都是構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育地區(qū)，因而裂縫發(fā)育。圖7為基于測(cè)井交會(huì)分析基礎(chǔ)上的裂縫立體投影圖，可以看出，裂縫發(fā)育區(qū)和用幾何方法所獲得的裂縫分布范圍基本一致。

圖5 M1井～M4井區(qū)沿O2y（0～40ms）AFE裂縫提取平面圖

圖6 M2井區(qū)沿O2y（0～40ms）AFE裂縫提取平面圖

4 結(jié) 語

地震屬性的幾何分析方法和地震反演方法都能對(duì)裂縫型儲(chǔ)層進(jìn)行空間展布特征的描述，綜合該次研究的研究過程，有以下認(rèn)識(shí)。

在利用地震資料的幾何屬性進(jìn)行精細(xì)裂縫預(yù)測(cè)的過程中和在相干數(shù)據(jù)體制作時(shí)，應(yīng)考慮工區(qū)構(gòu)造起伏情況對(duì)生成數(shù)據(jù)體的影響，同時(shí)在用AFE方法對(duì)相干體進(jìn)行處理的過程中，應(yīng)結(jié)合鉆井資料所獲得的裂縫性質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行濾波處理；裂縫型儲(chǔ)層的巖石物理響應(yīng)特征是反演過程中首要考慮的問題，得到研究區(qū)裂縫的巖石物理響應(yīng)特征之后，通過地震反演獲取所需的巖石物理屬性數(shù)據(jù)體，再對(duì)相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)體縱橫波阻抗用可視化等方法進(jìn)行分析對(duì)比，獲取裂縫的空間展布特征信息；相比幾何方法的大尺度裂縫預(yù)測(cè)手段，采用地震動(dòng)力學(xué)特征的波阻抗反演方法的裂縫描述方法，對(duì)微裂縫的描述更為有效。

圖7 沿O2y（0～40ms）縱橫波交會(huì)裂縫立體投影圖

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