縱波方位各向異性技術(shù)在花瓦地區(qū)裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

劉立民，陳習(xí)峰，付 波，廖文婷，潘成磊，管文華，薛永安

(中國石化江蘇油田分公司物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 210046)

縱波方位各向異性技術(shù)在花瓦地區(qū)裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

劉立民，陳習(xí)峰，付 波，廖文婷，潘成磊，管文華，薛永安

(中國石化江蘇油田分公司物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 210046)

花瓦地區(qū)阜二段頁巖油氣顯示豐富，埋深較小，是裂縫性油藏勘探有利區(qū)。為深化高角度裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，以花瓦高精度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以全程保幅為指導(dǎo)思想，開展了阜二段裂縫儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征研究、高質(zhì)量方位角道集形成分析研究、保幅疊前偏移振幅規(guī)則化研究，并對(duì)阜二頁4及頁5段進(jìn)行了裂縫預(yù)測(cè)。研究表明，該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施，寬方位角地震數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，高質(zhì)量方位角道集的形成是保證，振幅相對(duì)保持處理是關(guān)鍵。通過選取振幅包絡(luò)屬性所進(jìn)行的裂縫預(yù)測(cè)，其結(jié)果與實(shí)鉆井吻合程度較好。

花瓦地區(qū) 頁巖油氣 裂縫性油氣藏 儲(chǔ)層預(yù)測(cè) 方位各向異性 保幅處理 振幅包絡(luò)

蘇北盆地陸相地層有泰二段、阜二段和阜四段三套優(yōu)質(zhì)生烴泥頁巖層系，具有形成頁巖油氣的良好成烴條件和資源潛力。裂縫是泥頁巖儲(chǔ)層的重要儲(chǔ)集空間和主要的滲流通道，裂縫的發(fā)育和分布是控制油氣運(yùn)移的主要因素[1]。在裂縫性油氣藏的勘探和開發(fā)中，裂縫分布規(guī)律研究及其預(yù)測(cè)是一項(xiàng)世界性的難題。確定裂縫的發(fā)育和分布規(guī)律是裂縫性油氣藏勘探開發(fā)的關(guān)鍵。

利用地震波(包括橫波和縱波)可以有效地預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育的走向和相對(duì)分布規(guī)律。在裂縫性油氣藏，由于裂縫存在，使得介質(zhì)具有各向異性?？v波在裂縫介質(zhì)中傳播時(shí)，許多傳播性質(zhì)因觀測(cè)角度的不同而變化，這些變化與裂縫的方向和強(qiáng)度相關(guān)，縱波沿垂直裂縫方向的傳播速度要比沿平行裂縫方向的傳播速度慢。因此，通過對(duì)地震資料的分析，可以提取縱波的方向特性，進(jìn)而進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)[2-5]。

垂直裂縫發(fā)育的介質(zhì)可以看作具有水平對(duì)稱軸的橫向各向同性介質(zhì)(HTI介質(zhì))，在HTI介質(zhì)中地震波速度和振幅等屬性都隨著方位角呈橢圓形變化，這一特點(diǎn)是縱波裂縫預(yù)測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)。花瓦地區(qū)位于蘇北盆地高郵凹陷內(nèi)坡帶，阜二段泥頁巖厚度大、埋深小，具有很好的勘探潛力。由于蘇北盆地地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力場(chǎng)分布十分復(fù)雜，該區(qū)裂縫的成因類型多，裂縫性油氣藏分布很不均勻，對(duì)裂縫分布的控制因素和發(fā)育規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，因而開展地震波裂縫檢測(cè)技術(shù)的研究，尤其是縱波裂縫檢測(cè)技術(shù)就具有非常重大的意義。

1 縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)理論

當(dāng)縱波在裂縫介質(zhì)中傳播時(shí)，旅行時(shí)、速度以及振幅這些地震屬性都會(huì)隨方位角發(fā)生變化，所以可以利用這些變化來分析裂縫的信息。在HTI介質(zhì)中，反射波特征隨方位角和入射角的變化而變化。Ruger等人提出的HTI介質(zhì)的反射系數(shù)公式為：

(1)

其中：φ為方位角，θ為入射角；Vp為縱波速度，Vs為橫波速度，ρ為介質(zhì)密度，ΔVp=Vp2-Vp1,ΔVs=Vs2-Vs1,Δρ=ρ2-ρ1；ε和γ代表縱波各向異性和橫波各向異性差異程度，δ則和波前的橢圓形狀有關(guān)，Δεx=εx2-εx1, Δεy=εy2-εy1, Δδx=δx2-δx1, Δδy=δy2-δy1, Δγxy=γxy2-γxy1;

將公式進(jìn)一步進(jìn)行簡化：

Rpp(φ,θ)=R0+G(φ)sin2θ

(2)

其中R0是垂直入射時(shí)的反射系數(shù)，或者說是振幅隨偏移距變化(AVO)的截距，而G則是AVO梯度：

G(φ)=A+Bcos[2(φ-φ0)]

(3)

這里A和B為常數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定的入射角θ0，縱波反射系數(shù)與方位角的關(guān)系可以簡化為：

Rpp(θ0,φ)=C+Dcos[2(φ-φ0)]

(4)

同樣的，這里的C和D為常數(shù)。通過等式(3)和(4)，可以看出對(duì)于確定的入射角來說，AVO梯度以及反射系數(shù)都隨著方位角的cos(2φ)形式變化。

使用θ、φ和φ分別代表波前的法線方向、觀測(cè)方位角、裂縫方向?？梢詫⒁陨系墓竭M(jìn)行統(tǒng)一：

F(θ,φ)=A(θ)+B(θ)cos2φ+C(θ)cos2φ

(5)

其中，F(xiàn)(θ,φ)表示縱波的反射系數(shù)，或NMO速度平方的倒數(shù)，或?qū)娱g旅行時(shí)。θ是入射角，φ是相對(duì)裂縫方向的方位角，A(θ)，B(θ)，C(θ)是和方位角無關(guān)的系數(shù)。對(duì)小入射角上式可進(jìn)一步近似為：

F(θ,φ)=A(θ)+B(θ)cos2φ

(6)

當(dāng)固定入射角時(shí)，在極坐標(biāo)中，F(xiàn)是一個(gè)橢圓，而且φ=0是橢圓的長軸，在預(yù)測(cè)之前不知道裂縫方向，當(dāng)方位角是按坐標(biāo)軸定義時(shí)，橢圓的長軸方向就是裂縫方向。

2 花瓦地區(qū)阜二段裂縫地震響應(yīng)

通過對(duì)花瓦工區(qū)大量測(cè)井資料的分析，提取阜二段各亞段測(cè)井信息，建立了針對(duì)不同亞段及裂縫含油段的模型，如圖1a所示，包括了不同傾角裂縫(90°垂直裂縫、45°傾角斜交縫、水平縫)，不同方位裂縫(0°、30°、90°及330°)及不同分布層位裂縫(阜二段各亞段及裂縫含油段)。采用32線20炮寬方位束狀觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行基于波動(dòng)方程的正演模擬并進(jìn)行成像處理，全方位地震響應(yīng)時(shí)間切片如圖1b所示?？梢钥闯觯翰煌愋偷拇怪绷芽p均有明顯的地震響應(yīng)，高密度網(wǎng)狀縫地震響應(yīng)最為明顯。

為了研究不同類型裂縫的方位特征，將全方位正演數(shù)據(jù)分成了三個(gè)方位數(shù)據(jù)(0°、60°、120°方位)，不同方位地震響應(yīng)時(shí)間切片如圖1c—圖1e所示。

從不同方位地震響應(yīng)圖上可以看出：①不同密度的垂直縫各方位觀測(cè)均有明顯響應(yīng)特征；②不規(guī)則走向垂直縫及X型交錯(cuò)垂直縫，各方位觀測(cè)地震響應(yīng)差異較大，120°方位觀測(cè)地震響應(yīng)特征最明顯；③45°斜交縫及水平縫，各方位觀測(cè)均沒有明顯地震響應(yīng)特征?；ㄍ吖^(qū)阜二段地層受壓實(shí)作用及構(gòu)造應(yīng)力作用，裂縫以高角度近垂直不規(guī)則裂縫為主，通過針對(duì)花瓦阜二段的裂縫地震響應(yīng)研究可以看出：利用縱波方位各向異性進(jìn)行高角度近垂直不規(guī)則裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)是一種科學(xué)有效的手段。

圖1 阜二段裂縫平面分布及模型全方位及分方位地震響應(yīng)

圖2 不同方位角數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)分布

注：上為面元擴(kuò)展前，下為面元擴(kuò)展后

3 花瓦地區(qū)阜二段裂縫各向異性檢測(cè)

縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)高度依賴于地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量[6]。對(duì)于泥頁巖裂縫預(yù)測(cè)與油氣檢測(cè)，寬方位角地震數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)；高質(zhì)量方位角道集是保證；振幅相對(duì)保持處理是關(guān)鍵?；ㄍ叩貐^(qū)為高精度三維地震勘探區(qū)，其小面元、大偏移距、寬方位角、高覆蓋次數(shù)的采集特點(diǎn)，較適合高角度裂縫儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)研究。

3.1花瓦工區(qū)概況

花瓦工區(qū)構(gòu)造位置位于高郵凹陷北部斜坡帶，工區(qū)內(nèi)有多口鉆探井。HX28井鉆井至阜二段泥頁巖，見到良好油氣顯示，測(cè)井解釋泥頁巖裂縫含油70 m/10層，巖心及鏡下觀察揭示該區(qū)阜二段儲(chǔ)層裂縫十分發(fā)育，以構(gòu)造縫為主，高角度近垂直裂縫發(fā)育，因此可以將研究工區(qū)阜二段泥頁巖裂縫儲(chǔ)層近似看作HTI介質(zhì)。

3.2高質(zhì)量方位角道集數(shù)據(jù)的形成

保幅預(yù)處理后的共成像點(diǎn)道集信噪比較低，為了提高方位角道集信噪比，首先對(duì)共成像點(diǎn)道集進(jìn)行面元擴(kuò)展處理，然后將方位角分為四組。每個(gè)方位角道集數(shù)據(jù)體覆蓋次數(shù)見圖2，面元擴(kuò)展前，雖然不同方位角道集數(shù)據(jù)面元覆蓋次數(shù)總體一致，但是每一個(gè)方位角道集數(shù)據(jù)自身面元覆蓋次數(shù)極不均勻，面元擴(kuò)展后覆蓋次數(shù)相對(duì)均勻。

針對(duì)不同的方位角道集數(shù)據(jù)分別進(jìn)行各向異性速度分析。圖3(上)由于在動(dòng)校正中沒有考慮各向異性的影響，造成在淺層大入射角處出現(xiàn)動(dòng)校正過量的現(xiàn)象。圖3(下)在各向同性雙曲動(dòng)校正中引入各向異性參數(shù)，采用各向異性動(dòng)校后，信噪比得到較大提高，淺層動(dòng)校過量問題得到了解決，近中遠(yuǎn)偏移距同相軸都已拉平，確保了大入射角數(shù)據(jù)用于裂縫橢圓擬合。

圖3 不同方位角數(shù)據(jù)常規(guī)雙曲動(dòng)校及各向異性動(dòng)校對(duì)比

3.3疊前振幅均衡保幅成像

保幅處理是一個(gè)須全程遵循的思想，而保幅成像是最為關(guān)鍵的一環(huán)，基于積分的Kirchhoff疊前偏移要求空間樣點(diǎn)分布均勻，不規(guī)則的數(shù)據(jù)分布造成地下樣點(diǎn)照明不足或過量，使旅行時(shí)曲面上振幅分布不均勻，繞射求和時(shí)不能進(jìn)行有效的相干干涉，導(dǎo)致共成像點(diǎn)道集振幅失真。這不但影響了常規(guī)構(gòu)造成像效果，更不能滿足后續(xù)對(duì)地震多種屬性的提取和裂縫檢測(cè)。規(guī)則化技術(shù)可適當(dāng)彌補(bǔ)資料缺陷，填補(bǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，提高成像保真度[7-10]。

基于覆蓋次數(shù)的規(guī)則化方法按照面元覆蓋次數(shù)對(duì)振幅進(jìn)行加權(quán)；而基于泰森多邊形的規(guī)則化方法是通過構(gòu)建泰森多邊形，在每個(gè)泰森多邊形內(nèi)計(jì)算該道的比例因子，然后利用該比例因子對(duì)振幅進(jìn)行加權(quán)處理。由于基于泰森多邊形的規(guī)則化方法計(jì)算了不規(guī)則分布的每一道的權(quán)因子，因此相對(duì)于基于覆蓋次數(shù)的規(guī)則化方法保幅效果更佳，成果數(shù)據(jù)更有利于后續(xù)的屬性提取及裂縫預(yù)測(cè)(見圖4)。

a.未做疊前道集規(guī)則化 b.基于覆蓋次數(shù)的規(guī)則化 c.基于泰森多邊形的規(guī)則化

圖4 疊前道集規(guī)則化偏移剖面對(duì)比

3.4縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)

工區(qū)南部的HX28井鉆至阜二段泥巖見到良好油氣顯示，為此對(duì)HX28井揭示的阜二頁4及頁5段含油裂縫儲(chǔ)層空間展布進(jìn)行預(yù)測(cè)。

首先對(duì)不同方位角數(shù)據(jù)分別進(jìn)行偏移成像處理并提取振幅包絡(luò)屬性，最終從振幅能量的角度來對(duì)比裂縫導(dǎo)致的方位各向異性。

圖5中，阜二頁4及頁5段振幅包絡(luò)屬性顯示的能量差異主要由裂縫引起(黑色圓圈為裂縫儲(chǔ)層段)。

圖5 過HX28井測(cè)線不同方位角偏移包絡(luò)剖面

選取振幅包絡(luò)屬性來擬合裂縫屬性橢圓(公式6)，可求出振幅偏置因子A、振幅調(diào)制因子B及裂縫方向方位，由振幅偏置因子和振幅調(diào)制因子的比值來表示裂縫發(fā)育密度。

從花瓦工區(qū)阜二頁4及頁5段儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果看，裂縫發(fā)育帶和鉆井實(shí)鉆吻合度較高(見圖6)。

因縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)存在多解性，要得到可信的預(yù)測(cè)結(jié)果，還需經(jīng)過頻率、走時(shí)、波阻抗、AVO梯度等地震屬性的相互印證。

圖6 花瓦工區(qū)阜二頁4及頁5段含油氣儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)裂縫模型正演和實(shí)際資料監(jiān)測(cè)表明：花瓦地區(qū)阜二段的高角度裂縫方位地震響應(yīng)特征明顯，適合進(jìn)行縱波裂縫預(yù)測(cè)；

(2)對(duì)于縱波方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，寬方位縱波地震資料是開展裂縫預(yù)測(cè)研究的基礎(chǔ)，高質(zhì)量方位角道集的形成是裂縫預(yù)測(cè)研究的保證，全程相對(duì)保幅處理是預(yù)測(cè)成敗的關(guān)鍵。

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(編輯 韓 楓)

Application of seismic P-wave azimuth anisotropic techniquefor fractural detection in Huawa area

Liu Limin，Chen Xifeng，F(xiàn)u Bo，Liao Wenting，Pan Chenglei，Guan Wenhua，Xue Yongan

(GeophysicalProspectingTechnologyResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany，SINOPEC，Nanjin210046，China)

The F2 shale reservoir in Huawa area has rich hydrocarbon shows and shallow depth，and is favorable area for fracture reservoir exploration.In order to deepen the high-angle fracture reservoir prediction，based on the HW high precision 3D seismic data,under the guidance of every-step preserved amplitude，several techniques were researched，which are the seismic response of F2 fractured reservoir，building of high quality azimuth gathers，and preserved-amplitude pre-stack migration amplitude regulation.And then fracture prediction of Y4 and Y5 was conducted.Researches showed that the wide azimuth seismic data is the basis，the formation of high quality azimuth gather is the guarantee，and the relative amplitude preserved processing is the key.By selecting the amplitude envelope property，the fracture prediction results were in good agreement with the actual drilling results.

Huawa area；shale gas；fractured reservoir；reservoir forecast；azimuth anisotropy；reserved amplitude processing；amplitude envelope

P631.4

A

2013-12-23；改回日期2014-05-07。

劉立民(1980—)，工程師，現(xiàn)主要從事地震資料處理及方法研究工作。電話：025-83503270，E-mail:liulm.jsyt@sinopec.com。

項(xiàng)目攻關(guān)：中國石化股份有限公司(P13132)；中國石化江蘇石油勘探局(JS13004)。