準(zhǔn)噶爾盆地車(chē)排子地區(qū)裂縫預(yù)測(cè)綜合評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

李偉波，章學(xué)剛，汪 勇，桂志先，周 游，于曉東，趙 威

(1. 長(zhǎng)江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100; 2. 長(zhǎng)江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

隨著全球油氣勘探程度的不斷增加，常規(guī)的構(gòu)造油氣藏已越來(lái)越少。隱蔽式裂縫型油氣藏開(kāi)始引起高度重視，開(kāi)始成為新形勢(shì)下重要的勘探領(lǐng)域[1]。儲(chǔ)層裂縫的巖性識(shí)別、描述以及預(yù)測(cè)是裂縫型油氣藏勘探開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。裂縫作為一種特殊的構(gòu)造，具有雙重作用，既可以作為油氣儲(chǔ)集空間，也能起到油氣運(yùn)移的通道，在油氣勘探中扮演著重要的地位。裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的難點(diǎn)在于：一是裂縫發(fā)育區(qū)的預(yù)測(cè)以及發(fā)育區(qū)的特征；二是裂縫發(fā)育區(qū)確定后，如何確定其發(fā)育程度。針對(duì)問(wèn)題，最開(kāi)始研究裂縫儲(chǔ)層采用的是直接觀(guān)察法，主要是對(duì)巖石露頭和巖心裂縫進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察和分析，但此方法局限性較大且預(yù)測(cè)精度低；為此袁士義等[2]首次系統(tǒng)的總結(jié)分析了裂縫的地質(zhì)特征和裂縫的空間分布預(yù)測(cè)技術(shù)；測(cè)井方法也是一種有效的識(shí)別評(píng)價(jià)裂縫的方法，陳冬等[3]討論了裂縫在常規(guī)測(cè)井和成像測(cè)井上的不同響應(yīng)特征及機(jī)理，綜合利用多種測(cè)井圖像來(lái)識(shí)別裂縫發(fā)育區(qū)；后來(lái)又陸續(xù)出現(xiàn)了螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]、疊前密度預(yù)測(cè)[6]和疊后多屬性分析[7]等方法來(lái)預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育區(qū)。本文針對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地車(chē)排子石炭系地區(qū)火山巖裂縫儲(chǔ)層進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，火山巖油氣藏是一種非常復(fù)雜的隱蔽式油氣藏，火山巖巖體分布形式繁多，儲(chǔ)集體非均質(zhì)性嚴(yán)重，含油性錯(cuò)綜復(fù)雜，為此采用地球物理正演模擬方法來(lái)明確火山巖裂縫儲(chǔ)層發(fā)育特征；采用多屬性、多信息、多技術(shù)的綜合預(yù)測(cè)方法來(lái)進(jìn)行有利裂縫儲(chǔ)層的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

車(chē)排子凸起位置處于克拉瑪依市沙灣縣，一級(jí)構(gòu)造單元屬準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起，東面緊鄰紅車(chē)斷裂帶，南面為南緣沖斷帶的四棵樹(shù)凹陷，北西伸入扎伊爾山山前(如圖1)。車(chē)排子地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣沖斷帶前端，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，斷裂十分發(fā)育。這些斷裂依據(jù)斷裂性質(zhì)和斷裂走向，可分為兩組。一組是海西—印支期形成、后期持續(xù)活動(dòng)、從石炭系斷至侏羅系底部的一系列近南北走向的逆沖、逆掩斷裂；另一組為喜山期形成的從石炭系斷至新近系的張性正斷裂該凸起是一個(gè)海西晚期形成且繼承性發(fā)育的古凸起，海西晚期以來(lái)，凸起區(qū)一直為車(chē)排子地區(qū)構(gòu)造最高部位，長(zhǎng)期處于沙灣和四棵樹(shù)兩個(gè)生烴凹陷油氣運(yùn)移指向區(qū)，石炭系儲(chǔ)層主要為火山巖。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣構(gòu)造單元

2 巖石物理特性分析

2.1 儲(chǔ)集空間巖相特性

根據(jù)巖相，巖石薄片和鑄體薄片等資料的綜合分析觀(guān)察，歸納出車(chē)排子石炭系火山巖儲(chǔ)集空間大致可分為如下幾種：孤立孔隙型(14%)、連通孔隙型(22%)、裂縫型(2%)、裂縫孔隙型(27%)和孔—縫—洞型(35%)。但從總體上主要可劃為三大類(lèi)：裂縫—孔隙型、孔隙—裂縫型和裂縫型。通過(guò)對(duì)該地區(qū)79個(gè)樣本孔隙度、滲透率進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，總體表現(xiàn)低孔—低滲透；但不同類(lèi)型火山巖亞相都可以形成有利儲(chǔ)層，車(chē)排子石炭系地區(qū)主要是火山頸亞相、近火山口亞相和溢流相下部亞相為主，孔隙度接近于10%，滲透率接近0.1×10-3μm2，主要發(fā)育的巖石類(lèi)型有安山巖(如圖2a，裂縫發(fā)育)、同生角礫熔巖以及角礫熔巖，總體上這三種亞相有較好的儲(chǔ)層物性；相對(duì)而言其他的亞相，如：遠(yuǎn)火山口亞相、火山碎屑沉積亞相等發(fā)育的巖石類(lèi)型為沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r(如圖2b，裂縫較發(fā)育)及部分火山角礫巖，鏡下觀(guān)察分析，除了火山角礫巖以外，原生孔隙均不發(fā)育，且沒(méi)有受到次生作用影響，次生孔隙也不發(fā)育。雖然火山角礫巖的孔隙度和滲透率都很高，但僅僅局限于火山角礫巖發(fā)育的位置，此外凝灰?guī)r局部地區(qū)受到斷層的影響，略見(jiàn)微裂隙發(fā)育。但總體上來(lái)說(shuō)，這些亞相的孔隙度、滲透率都不高，因此物性較差。

a 安山巖裂縫 b 凝灰?guī)r裂縫

圖2 裂縫發(fā)育較好巖性野外裂縫照片

2.2 裂縫特征描述

根據(jù)本區(qū)石炭系火山巖巖相特征及成像測(cè)井裂縫玫瑰花圖，采用疊前裂縫方位預(yù)測(cè)方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裂縫方位的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際的成像測(cè)井裂縫玫瑰花圖吻合較高，基本一致(如圖3)。

圖3 疊前裂縫走向預(yù)測(cè)玫瑰花圖

本區(qū)發(fā)育四組裂縫：即近南北向(SN)、東西向(EW)、北東東向(NEE)和北北西(NNW)向。從排66井區(qū)石炭系裂縫走向構(gòu)造圖中可以看出(如圖4)，裂縫走向與斷裂走向基本一致，受到斷裂構(gòu)造作用影響較大，裂縫發(fā)育程度受構(gòu)造應(yīng)力的控制，離斷層越近，裂縫的發(fā)育越好；不同走向上的裂縫，其發(fā)育程度差異也較大，屬南北向裂縫最為發(fā)育。

圖4 排66井區(qū)石炭系裂縫走向統(tǒng)計(jì)

3 裂縫段地球物理響應(yīng)分析

裂縫的形成受多種因素控制，其物理屬性復(fù)雜，橫向、縱向變化大，表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性[8]。裂縫多為后期生成，不像其他油氣藏具有相應(yīng)的沉積環(huán)境特征，所以裂縫性油氣藏比常規(guī)油氣藏更難于勘探。由于裂縫的復(fù)雜性，井與井之間的裂縫方向和密度的預(yù)測(cè)難于依靠井中結(jié)果的外推，當(dāng)探區(qū)測(cè)井資料數(shù)據(jù)不足時(shí)，就必須尋找其他方法。本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)模型進(jìn)行地震數(shù)值模擬，以此為基礎(chǔ)來(lái)分析裂縫段地震響應(yīng)特征。

3.1 正演模擬基本原理

有限差分法是最常用的一種正演模擬方法，它將波動(dòng)方程中波場(chǎng)函數(shù)的空間導(dǎo)數(shù)和時(shí)間導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)空間和時(shí)間的差分來(lái)代替。有限差分一般基于笛卡爾坐標(biāo)系中的規(guī)則網(wǎng)格，在模擬復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和復(fù)雜地質(zhì)體的復(fù)雜界面時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)階梯狀的邊界，容易產(chǎn)生繞射波；對(duì)此往往采用精細(xì)網(wǎng)格，而這將導(dǎo)致計(jì)算量的增大，為此利用交錯(cuò)網(wǎng)格數(shù)值模擬能很好的解決問(wèn)題[9]，本文利用三維速度—應(yīng)力方程交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分彈性波數(shù)值模擬方法[10]，使得地震數(shù)值模擬對(duì)地震波在彈性介質(zhì)中傳播模擬能力有了明顯提高。

從建立波動(dòng)方程的三個(gè)基本方程(位移與應(yīng)變方程、位移與應(yīng)力方程和應(yīng)力與應(yīng)變方程)出發(fā)，可以推導(dǎo)出以壓力P和體變系數(shù)K的三維聲波方程一般式子。

(1)

對(duì)聲波方程進(jìn)行降階處理，利用位移與質(zhì)點(diǎn)速度的關(guān)系，得到一階壓力—速度方程：

(2)

對(duì)式(2)左邊時(shí)間域求導(dǎo)采用中心差分格式；

O(Δx2)

(3)

考慮到交錯(cuò)網(wǎng)格的網(wǎng)格化，空間域求導(dǎo)采用交錯(cuò)網(wǎng)格一階導(dǎo)數(shù)高階精度中心差分計(jì)算公式：

(4)

而交錯(cuò)網(wǎng)格和常規(guī)網(wǎng)格不同的是：交錯(cuò)網(wǎng)格中壓力P、K放在整網(wǎng)格上，不同速度分量分別放在其半網(wǎng)格上；最后帶入到壓力—速度方程，整理得到三維聲波交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方程格式為：

(5)

3.2 模型建立及數(shù)值模擬

根據(jù)車(chē)排子石炭系地區(qū)的油藏剖面及地震剖面，建立了過(guò)排60和排66的地震地質(zhì)模型(如圖5)，在石炭系地層不同的位置有不同程度的裂縫發(fā)育，其中，排60和排66井位置裂縫較發(fā)育，在模型的左側(cè)，設(shè)置了無(wú)裂縫發(fā)育區(qū)，目的是為了比較裂縫發(fā)育區(qū)的地震波場(chǎng)特征，指導(dǎo)裂縫預(yù)測(cè)。

圖5 過(guò)排60—排66井石炭系火山巖裂縫地震地質(zhì)模型

對(duì)模型進(jìn)行波動(dòng)方程的正演模擬，得到地震波到達(dá)裂縫發(fā)育區(qū)與無(wú)裂縫發(fā)育區(qū)的波場(chǎng)快照(如圖6)，我們可以看到，與無(wú)裂縫發(fā)育區(qū)相比，在地震波到達(dá)裂縫區(qū)時(shí)，由于裂縫的散射使得反射波雜亂，繞射波相互干涉疊加，造成波前面出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)、模糊的現(xiàn)象。從檢波器記錄的單炮點(diǎn)地震記錄對(duì)比圖(如圖7)可得，在位于裂縫發(fā)育區(qū)的單炮點(diǎn)記錄相較與無(wú)裂縫發(fā)育區(qū)，波形更為雜亂無(wú)序。

a 無(wú)裂縫發(fā)育區(qū) b 裂縫發(fā)育區(qū)

圖6 波動(dòng)方程數(shù)值模擬波場(chǎng)快照

a 無(wú)裂縫發(fā)育區(qū) b 裂縫發(fā)育區(qū)

圖7 單炮點(diǎn)地震記錄對(duì)比

4 多信息綜合裂縫預(yù)測(cè)有利勘探區(qū)

車(chē)排子石炭系火山巖地區(qū)由于其裂縫發(fā)育程度不均勻，規(guī)模不清，單用一種方法進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究，僅有的信息很難以準(zhǔn)確地判斷出裂縫發(fā)育密集地區(qū)，從而勾畫(huà)出勘探區(qū)的有利裂縫發(fā)育區(qū)域?？紤]到工區(qū)的實(shí)際預(yù)測(cè)難度，本文采用多方法、多技術(shù)、多信息的思路進(jìn)行了綜合裂縫預(yù)測(cè)的研究[11]。主要分析方法有：疊后相干體裂縫預(yù)測(cè)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裂縫預(yù)測(cè)方法、螞蟻?zhàn)粉欘A(yù)測(cè)方法、疊前AVOA裂縫預(yù)測(cè)方法的結(jié)果等，根據(jù)其不同方法預(yù)測(cè)的有利區(qū)域分布規(guī)律各不相同，各有特點(diǎn)的性質(zhì)，對(duì)實(shí)際勘探帶進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。并把對(duì)目標(biāo)區(qū)綜合預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)井資料進(jìn)行了對(duì)比(如表1)。通過(guò)對(duì)比綜合分析，評(píng)選有效方法，并對(duì)勘探區(qū)井位提出建議。

表1 裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果綜合評(píng)價(jià)對(duì)比

如表1所示，統(tǒng)計(jì)了每種預(yù)測(cè)方法圈定的高產(chǎn)預(yù)測(cè)區(qū)中總井?dāng)?shù)(如相干體分析中預(yù)測(cè)高產(chǎn)區(qū)中有13口井)和其中實(shí)際資料顯示為高產(chǎn)井的數(shù)量(如相干體分析中預(yù)測(cè)區(qū)實(shí)際高產(chǎn)井?dāng)?shù)量為8口)，并求出高產(chǎn)井吻合率以衡量各方法的準(zhǔn)確性。可以看出疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)吻合率是最高的，但是由于其根據(jù)地震各向異性來(lái)定量計(jì)算裂縫發(fā)育密度和方位的計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，我們也可以采用計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，吻合率也很高的波形分類(lèi)法和疊后統(tǒng)計(jì)反演法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是將地震屬性與測(cè)井資料綜合分析的方法，其精確度高于單一的地震屬性分析。根據(jù)裂縫預(yù)測(cè)綜合評(píng)價(jià)表的對(duì)比分析，優(yōu)選出了反射強(qiáng)度、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、波形分類(lèi)和疊后統(tǒng)計(jì)反演這4種吻合率較高的預(yù)測(cè)方法(如圖8)，再結(jié)合效果較好的疊前裂縫預(yù)測(cè)的資料，綜合考慮到勘探區(qū)實(shí)際硬殼(蓋層)和毯砂(運(yùn)移)范圍，如圖8f，粗線(xiàn)以東均有“毯砂”分布，是石炭系良好的油氣“運(yùn)移毯”，可以使油氣與石炭系有效對(duì)接。圖8e所示為硬殼分布范圍。勾畫(huà)出如圖9a所示的預(yù)測(cè)有利區(qū)，從圖中可以看出，預(yù)測(cè)有利區(qū)I、II類(lèi)與實(shí)際的勘探成果有利區(qū)(圖9b)能夠很好的對(duì)應(yīng)匹配，很好的達(dá)到了預(yù)期效果。對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際的勘探工作起到了良好的作用。

5 結(jié) 論

本次研究，以車(chē)排子?xùn)|翼石炭系火山巖裂縫儲(chǔ)層為主要目標(biāo)，綜合研究了車(chē)排子地區(qū)石炭系火山巖的構(gòu)造、儲(chǔ)層、裂縫等特性，為裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)和依據(jù)；利用地震數(shù)值模擬技術(shù)建立了裂縫發(fā)育區(qū)與不發(fā)育區(qū)(過(guò)井模型等)的地震地質(zhì)模型，分析了裂縫段的地震波場(chǎng)響應(yīng)特征，指導(dǎo)了實(shí)際資料的裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)；采用了多種方法進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)研究，其中疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)吻合率最高。疊后預(yù)測(cè)方法吻合率較高的有波形分類(lèi)法、疊后統(tǒng)計(jì)反演法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。多種方法綜合分析預(yù)測(cè)出儲(chǔ)層的有利區(qū)域，并與實(shí)際的勘探成果區(qū)進(jìn)行對(duì)比，能夠很好的吻合實(shí)際有利區(qū)，很好的指導(dǎo)了勘探區(qū)的井位部署。

圖8 多方法儲(chǔ)層預(yù)測(cè)有利區(qū)域

a 車(chē)排子地區(qū)多方法預(yù)測(cè)有利區(qū) b 車(chē)排子地區(qū)勘探成果

圖9 車(chē)排子地區(qū)多方法預(yù)測(cè)儲(chǔ)層有利區(qū)與實(shí)際勘探成果圖對(duì)比

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