地震資料疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)在靜北潛山的應(yīng)用

徐振旺

(中石油遼河油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，遼寧 盤(pán)錦 124010)

自20世紀(jì)60年代在美國(guó)西部地區(qū)和中東地區(qū)儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)天然裂縫后，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量研究[1～3]。傳統(tǒng)的裂縫預(yù)測(cè)方法是利用巖心露頭和測(cè)井資料，雖然上述資料比較準(zhǔn)確、直觀，但是巖心及測(cè)井資料的控制范圍十分有限，且該方法受采樣數(shù)量﹑儀器精密度和試驗(yàn)環(huán)境的影響較大。由于地震數(shù)據(jù)采集范圍大，可以以巖心和測(cè)井資料為控制條件，利用地震資料進(jìn)行全區(qū)裂縫預(yù)測(cè)，這是目前儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)的有效方法之一[4～6]。與地震資料疊后裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)相比，地震資料疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)利用了三維地震資料在空間上的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)大量理論研究和實(shí)際應(yīng)用可知，由于地震波在儲(chǔ)層裂縫中傳播時(shí)，不同方位或者不同偏移距的地震波會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)，因此可以利用不同方位和不同偏移距的地震屬性響應(yīng)特征進(jìn)行儲(chǔ)層的裂縫預(yù)測(cè)。

從近年來(lái)的油氣勘探開(kāi)發(fā)成果可以發(fā)現(xiàn)，靜北潛山內(nèi)部存在多套裂縫發(fā)育帶，但是由于基巖內(nèi)幕的構(gòu)造比較復(fù)雜，裂縫的形成機(jī)理、分布規(guī)律和油氣成藏特征認(rèn)識(shí)不夠清楚。另外，由于目前對(duì)基巖潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)缺少有效的研究手段、對(duì)潛山儲(chǔ)層特征缺乏系統(tǒng)研究等原因，造成基巖油氣藏勘探難度的進(jìn)一步加大[7]。為此，筆者應(yīng)用地震資料疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，明確了靜北潛山基巖潛山的裂縫發(fā)育情況，為遼河油田基巖油氣藏勘探儲(chǔ)備了新的技術(shù)手段。

1 基本原理

縱波在裂縫介質(zhì)中傳播時(shí)，具有方向特性，即縱波的許多傳播性質(zhì)隨著觀測(cè)角度的變化而不同，如速度、反射系數(shù)、頻率等，而上述變化與裂縫的方向和密度相關(guān)，因此利用疊前縱波資料可以有效預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育的走向和密度分布規(guī)律。

基于弱各向異性理論，Rüger[8]建立了雙層HTI(horizontal transverse isotropy)介質(zhì)模型，模型的對(duì)稱(chēng)軸方向平行，并且模型的彈性參數(shù)都比較接近，得到界面兩側(cè)縱波的反射系數(shù)近似關(guān)系式：

(1)

式中：Rpp為縱波反射系數(shù)，1；θ為入射角，即偏移距，(°)；φ為方位角，(°)；Z為縱波阻抗(Z=ρα)，100g/(cm2·s)；G為橫波切向模量(G=ρβ2)，Pa；ρ為密度，g/cm3；α、β分別為縱、橫波速度，m/s；δ(v)、ε(v)、γ為T(mén)homsen各向異性系數(shù)，取值范圍為[-0.2，0.2] (弱各向異性介質(zhì))，1；上標(biāo)v表示縱波垂向傳播；Δ表示上、下界面物理量之間的差；-表示上、下界面物理量之間的平均值。

當(dāng)入射角較小時(shí)，sin2θtan2θ較小，式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

φ=φ′-φsym

式中：Giso為各向異性系數(shù)，表示反射系數(shù)在不同偏移距下的變化率，1；Gani為各向同性系數(shù)，表示不同偏移距和方位角作用下的反射系數(shù)的變化率，1；φ′為裂縫方向與正北方向的夾角，(°)；φsym為與裂縫走向垂直的方位角，(°)。

在式(2)中引入三角變換2cos2φ=1+cos2φ，進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

F(θ,φ)=A(θ)+B(θ)cos2φ

(3)

式中：A(θ)和B(θ)為與方位角無(wú)關(guān)的系數(shù)，1；F(θ,φ)可以是縱波的振幅、NMO(normal move out)速度和頻率等各種屬性，由于振幅、頻率等信息較速度信息對(duì)裂縫變化特征的敏感性更強(qiáng)，且前者更容易被提取，所以在實(shí)際應(yīng)用中大多利用地震波的動(dòng)力學(xué)信息(振幅、頻率等)[9～11]。

圖1 地震屬性沿裂縫不同方向變化的示意圖

如圖1所示，當(dāng)固定θ時(shí)，在極坐標(biāo)中，F(xiàn)(θ,φ)形成了一個(gè)橢圓，橢圓長(zhǎng)軸方向(即A+B方向)表示裂縫走向，橢圓長(zhǎng)短軸之比(A+B)/(A-B)表示儲(chǔ)層裂縫的密度。

在固定θ的情況下，對(duì)于每個(gè)CMP(共中心點(diǎn))，若知道3個(gè)方位角的地震屬性數(shù)據(jù)F(φ1)、F(φ2)、F(φ3)和φ1、φ2、φ3這3個(gè)方位道集與裂縫走向之間的夾角，則可得：

(4)

由此，確定裂縫方位和密度就變成了線性代數(shù)中的正定問(wèn)題，可精確求解A、B和φsym。3個(gè)以上方位的組合可以看作是許多正定問(wèn)題的集合，對(duì)得到的多個(gè)解進(jìn)行橢圓擬合，即可得到唯一解，便可計(jì)算任意CMP的裂縫方向和密度。

2 縱波反射系數(shù)方位各向異性數(shù)值模擬分析

在各向異性介質(zhì)中，研究縱波不同方位的反射系數(shù)準(zhǔn)確解有一定困難，因此利用Rüger給出的縱波近似反射系數(shù)方程，建立一組雙層界面模型，上層為各向同性介質(zhì)1，下層分別為各向同性介質(zhì)2、HTI介質(zhì)1、HTI介質(zhì)2，HTI介質(zhì)中對(duì)稱(chēng)軸走向?yàn)棣誷ym=0°，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

天理圖書(shū)館收藏17號(hào)敦煌寫(xiě)卷，主要來(lái)自李盛鐸、許承堯、張大千等舊藏，其中張大千舊藏構(gòu)成了天理圖書(shū)館藏品的主體。這批文獻(xiàn)的主要內(nèi)容是漢文佛典，還有藏文、回鶻文等佛教、道教經(jīng)典，以及論語(yǔ)、詩(shī)經(jīng)、開(kāi)蒙要訓(xùn)、社司轉(zhuǎn)帖、本草等殘卷等。除寫(xiě)本外，該館還藏有大谷探險(xiǎn)隊(duì)帶回的敦煌紙本繪畫(huà)“玄奘三藏像”，但入藏途徑尚未明。

表1 地質(zhì)模型參數(shù)

注：vp、vs分別為縱、橫波速度。

圖2 不同介質(zhì)間的反射系數(shù)隨方位角和入射角變化的極坐標(biāo)圖

從圖2可以看出，當(dāng)上、下兩層均為各向同性時(shí)，縱波反射系數(shù)的極坐標(biāo)圖為圓；而上層為各向同性，下層為HTI介質(zhì)時(shí)，縱波反射系數(shù)的極坐標(biāo)圖為橢圓，入射角越大，各向異性強(qiáng)度越大，橢圓的扁率越大；橢圓的長(zhǎng)軸或短軸都有可能指示裂縫的走向。

3 井上巖石物理模型正演模擬

通過(guò)縱波反射系數(shù)方位各向異性分析可知，不同方位擬合的橢圓長(zhǎng)軸或短軸均可能指示裂縫發(fā)育的方向，因此使用振幅或者相對(duì)波阻抗屬性預(yù)測(cè)裂縫方向時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)用巖石物理模型的正演模擬來(lái)確定長(zhǎng)軸還是短軸指示裂縫發(fā)育的方向。在正演模擬中，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得到的各向異性參數(shù)，計(jì)算疊前地震反射振幅在各個(gè)方位和不同入射角的響應(yīng)，最后確定裂縫的方向是橢圓的長(zhǎng)軸還是短軸。

通過(guò)對(duì)靜北潛山測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的篩選，只有A73井、A85井、A95井、A104井共4口井滿足正演模擬的條件。靜北潛山的井?dāng)?shù)據(jù)均缺少密度和橫波資料，利用Gardner公式求取每口井的密度，然后應(yīng)用Xu-White模型計(jì)算4口井的橫波速度，再利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算各向異性參數(shù)。由于靜北潛山儲(chǔ)層中主要含油或水，因此，重點(diǎn)模擬了每口井含有流體的頂部(A73井是干層，其余井為油層或者油水同層)地震響應(yīng)，并分別在裂縫中充填了油和水，進(jìn)而研究不同方位的振幅隨偏移距變化與裂縫的關(guān)系。

通過(guò)對(duì)上述4口井進(jìn)行層位標(biāo)定和巖石物理模型正演結(jié)果可知：當(dāng)靜北潛山儲(chǔ)層中含有油飽和或者水飽和的裂縫時(shí)，反射振幅會(huì)隨入射角和方位改變，而且隨著入射角的變化該差異性會(huì)更加明顯，含油和含水的差異性很小，除了A73井以外(由于A73井是干層，反應(yīng)不明顯)；在裂縫走向方向，反射振幅隨偏移距的衰減比在裂縫法向方向要小，可以使用橢圓長(zhǎng)軸方向代表裂縫的走向。

4 主要技術(shù)流程

在實(shí)際研究中采用的技術(shù)流程是：首先，將疊前方位角道集數(shù)據(jù)進(jìn)行道集優(yōu)化處理，選擇偏移距的范圍，再劃分方位角；然后，將不同范圍內(nèi)的方位角道集進(jìn)行疊加偏移，并提取各個(gè)方位角的屬性；最后，通過(guò)橢圓擬合得到研究區(qū)的裂縫發(fā)育特征，詳見(jiàn)圖3。

圖3 疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)流程圖

4.1 疊前道集優(yōu)化

靜北潛山疊前數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)保幅處理后的CMP道集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的品質(zhì)不高，存在噪聲較嚴(yán)重、分辨率較低、沒(méi)校平等問(wèn)題，因此在該數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上做了去噪處理、能量均衡處理、拉平處理、提高分辨率處理。從圖4中可以看出，處理后的地震數(shù)據(jù)品質(zhì)明顯提高，使得后續(xù)的疊加偏移效果更好、方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，減少了由于數(shù)據(jù)本身帶來(lái)的多解性問(wèn)題。

4.2 選擇偏移距

圖4 疊前地震數(shù)據(jù)處理前、后對(duì)比

4.3 劃分方位角

疊前裂縫預(yù)測(cè)最重要的是地震數(shù)據(jù)的方位角劃分。去掉遠(yuǎn)、近偏移距的地震數(shù)據(jù)的覆蓋數(shù)量為：最小0次，最大129次，平均為43.24次。由于原始數(shù)據(jù)疊加數(shù)量較大，而去掉遠(yuǎn)、近偏移距后的地震數(shù)據(jù)的覆蓋數(shù)量變小，因此可以減少分方位的個(gè)數(shù)。

1)均等分方位角 將其分為4個(gè)方位角，并減少分方位的個(gè)數(shù)，以增加每組方位角覆蓋數(shù)量，使其疊加和偏移后的地震剖面能夠攜帶更多的裂縫信息。從表2中可以看出，均等分方位角后，平均方位角22.5°和67.5°地震數(shù)據(jù)的平均覆蓋數(shù)量比112.5°和157.5°的地震數(shù)據(jù)覆蓋數(shù)量少，且每個(gè)方位角地震數(shù)據(jù)的覆蓋數(shù)量都相差較大，使用該分方位角方法得到的疊加剖面進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)，可能得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

2)不等分方位角 原則是使所劃分的方位角的覆蓋數(shù)量基本相同、能量基本相同。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和對(duì)比，將其分為4個(gè)方位角的地震數(shù)據(jù)，如表3所示。從表3可以看出，方位角的平均覆蓋數(shù)量基本都在10.7次左右，相差非常小，基本保持均等，減少了人為的各向異性，使得裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表2 均等分方位角數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 不等分方位角數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.4 超面元疊加

雖然不等分方位角使得不同方位角內(nèi)的數(shù)據(jù)覆蓋數(shù)量相同，但是覆蓋數(shù)量太少，且不均勻，降低了地震資料的信噪比。采用數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)使其覆蓋數(shù)量較均勻，可提高信噪比，改善偏移成像效果。目前，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)則化的技術(shù)有插值法、借道法(超面元法)、DMO(dip move out)、DMO-1等[12]，通常采用借道法，即每個(gè)面元向相鄰的面元借距離最近的道數(shù)據(jù)，使各方位的覆蓋數(shù)量基本相同。該次研究將不同的方位數(shù)據(jù)進(jìn)行75m×75m的超面元疊加，提高了數(shù)據(jù)的疊加數(shù)量，改善了數(shù)據(jù)的信噪比。

4.5 偏移

對(duì)疊前CMP數(shù)據(jù)進(jìn)行不等分方位角和超面元疊加后，采用同一個(gè)速度場(chǎng)進(jìn)行疊后時(shí)間偏移得到4個(gè)平均方位角的偏移數(shù)據(jù)體。從圖5可知，研究區(qū)目的層數(shù)據(jù)繞射波收斂較好，斷點(diǎn)歸位較好，剖面較清晰，4個(gè)平均方位角的地震數(shù)據(jù)能量較均衡，說(shuō)明分方位角處理的數(shù)據(jù)可以用來(lái)進(jìn)行疊前方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)。

圖5 4個(gè)平均方位角的偏移剖面

圖7 裂縫密度連井剖面

5 應(yīng)用效果分析

5.1 平面分析

利用地震資料疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)靜北潛山的裂縫發(fā)育情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)合地震資料、井資料的統(tǒng)計(jì)分析，以及該區(qū)沉積特征，綜合預(yù)測(cè)靜北潛山的裂縫發(fā)育區(qū)集中在構(gòu)造發(fā)育的高部位。從圖6可以看出，元古界裂縫發(fā)育區(qū)主要集中在中部和南部地區(qū)，而太古界裂縫發(fā)育區(qū)主要集中在南部。裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與生產(chǎn)情況較好井的鉆井結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大部分產(chǎn)油井都集中在裂縫密度的高值區(qū)，符合度達(dá)85.7%。

5.2 剖面分析

利用已知井的試油數(shù)據(jù)、巖心數(shù)據(jù)、成像測(cè)井等資料與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，通過(guò)裂縫密度連井剖面與試油數(shù)據(jù)的對(duì)比(圖7)發(fā)現(xiàn)，除了A96井(試油結(jié)論為油水同層)以外，其余井的試油數(shù)據(jù)均與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果相符，進(jìn)一步說(shuō)明地震資料疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)的效果較好。

6 結(jié)論

1)在利用疊前振幅和相對(duì)波阻抗進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)時(shí)，需用巖石物理模型的正演模擬來(lái)確定指示裂縫發(fā)育方向的是橢圓的長(zhǎng)軸還是短軸，為后續(xù)分析裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果提供一定的解釋標(biāo)準(zhǔn)。

2)在進(jìn)行疊前裂縫預(yù)測(cè)之前，需做好保幅、去噪等一系列處理，且在分方位角時(shí)盡量使得每個(gè)方位的數(shù)據(jù)覆蓋數(shù)量相同，并采用超面元疊加提高資料信噪比，盡量減少人為因素造成的地震資料的各向異性。

3)在提取方位屬性時(shí)，應(yīng)盡量提取多種屬性，避免單一屬性的局限性，比較各種屬性的裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合地質(zhì)、測(cè)井、鉆井等資料，優(yōu)選出最佳結(jié)果。

4)通過(guò)對(duì)靜北潛山進(jìn)行疊前地震資料裂縫預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，裂縫發(fā)育區(qū)主要集中在構(gòu)造發(fā)育的高部位，通過(guò)與實(shí)際資料的對(duì)比分析，證實(shí)了裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，因此可以利用該方法進(jìn)一步預(yù)測(cè)靜北潛山內(nèi)幕的裂縫發(fā)育情況。