基于OVT域五維道集碳酸鹽巖疊前裂縫預(yù)測技術(shù)

鄭多明, 鄒 義, 關(guān)寶珠, 劉永雷, 趙銳銳, 徐 博

(1.中國石油集團 塔里木油田公司，庫爾勒 841000；2.中國石油集團 東方地球物理勘探有限責任公司，涿洲 072751)

0 引言

塔里木盆地碳酸鹽巖非均質(zhì)性強，洞穴、孔洞型儲層發(fā)育。鉆井顯示儲層主要歸納三種類型：孔洞型、裂縫型和孔洞-裂縫型，其中基質(zhì)孔不發(fā)育，可見微裂縫、孔洞[1]。隨著勘探開發(fā)的深入，由裂縫溝通的大型縫洞集合體成為油田開發(fā)主要研究目標[2]。但是在油藏開發(fā)中相鄰很近的縫洞油藏開發(fā)差異很大[3]，縫洞體系連通性不確定嚴重制約高效井組布設(shè)，明確裂縫發(fā)育程度和發(fā)育規(guī)律顯得尤為重要。

1 技術(shù)背景

地震波在各向異性介質(zhì)中傳播時，其旅行時間、速度、振幅、頻率和相位等屬性在不同方位角存在差異。這種差異性與地層中的斷裂和裂縫等發(fā)育特征相關(guān)。巖石物理模型實驗研究表明，地震縱波沿垂直于裂縫發(fā)育方向的傳播速度小于沿平行于裂縫方向的傳播速度，實驗差異達到18%～19%[4]。因此，利用帶有方位特征的數(shù)據(jù)進行旅行時間、速度、振幅等差異研究，能夠有效預(yù)測裂縫發(fā)育區(qū)。

國外針對各向異性裂縫預(yù)測研究相對較早， J. A. Hudso[5]研究了裂縫地層的彈性力學(xué)特征，推導(dǎo)了不同裂縫類型地震波的近似表達式，奠定了裂縫介質(zhì)的數(shù)值模擬基礎(chǔ)；Crampin[6-7]提出了HTI介質(zhì)模型，并得到基于各向同性背景的TI裂縫介質(zhì)模型；Thomsen[8]在前人的研究成果上，提出了弱彈性各向異性概念，并提出三個與裂縫介質(zhì)相關(guān)的各向異性參數(shù)組合，推導(dǎo)了定向排列的裂縫介質(zhì)中各向異性參數(shù)與地震波速度之間的關(guān)系，為裂縫預(yù)測研究提供理論基礎(chǔ)；Tsvankin[9]根據(jù)VTI介質(zhì)和HTI介質(zhì)對稱軸平面內(nèi)等同性，提出了“等效”VTI模型的HTI介質(zhì)中的Thomsen參數(shù)，推導(dǎo)出任意方位HTI介質(zhì)中地震波的動校正速度公式，明確HTI介質(zhì)中Thomsen參數(shù)與裂縫密度之間的關(guān)系，為HTI介質(zhì)時差反演提供分析基礎(chǔ)；Rüger等[10]分析HTI介質(zhì)中地震波傳播規(guī)律后，給出了縱波反射系數(shù)與入射角和觀測方位角的近似表達式，為各向異性反演奠定了基礎(chǔ)[10]。

國內(nèi)90年代才掀起縱波各向異性裂縫預(yù)測的熱潮。陰可等[11]分析各向異性介質(zhì)中的P波反射系數(shù)成因，提出了表征各向異性程度的廣義各向異性參數(shù),并進行了應(yīng)用;馬淵明等[12]提出了基于GeoEast的OVT域五位地震資料的寬范圍處理技術(shù);印興耀、詹仕凡、王康寧[13-15]等開展各向異性五維解釋、裂縫預(yù)測等工作，然而理論上，研究方位各向異性最好方法是橫波地震勘探，受勘探成本高限制，該技術(shù)難以推廣。

針對塔里木盆地碳酸鹽巖裂縫型儲層，黨青寧等[16]、李相文等[17]、劉軍等[18]也展開了研究，主要對五維OVT數(shù)據(jù)開展不同方位的屬性(走時、振幅、相位、AVO等)分析，將每個方位的屬性特征等效成一個值，然后在平面進行橢圓擬合，長軸方向即為各向異性最大方向，也就是裂縫發(fā)育方向來進行裂縫預(yù)測。這種方法存在三個顯著的問題：①橢圓各向異性的滿足條件是Thomsen參數(shù)δ=ε，即忽略垂向橫波的各向異性影響；②方位劃分的方法沒有統(tǒng)一標準，只要劃分的方位角大于6個，滿足橢圓擬合即可，橢圓擬合結(jié)果并不唯一，裂縫預(yù)測方向也不唯一；③橢圓上的擬合點是對每個扇區(qū)內(nèi)屬性的一個等效，精度較差。

各向異性反演預(yù)測裂縫通過不同方位的地震數(shù)據(jù)，結(jié)合鉆井的縱、橫波信息來開展疊前反演，估算不同方位的“等效”彈性參數(shù)，然后進行傅里葉級數(shù)展開，求解各向異性因子和方位方向，進行裂縫預(yù)測。與基于屬性的橢圓擬合法相比，充分考慮地震、鉆井的彈性信息，逐道求解，而不是某一個方位扇區(qū)的等效結(jié)果，求取裂縫預(yù)測結(jié)果精度更高。

2 方法流程

各向異性反演預(yù)測裂縫主體思想是：先利用全方位角的限角疊加數(shù)據(jù)進行疊前同時反演，求取各向同性的彈性體作為初始模型；接著進行分方位的限角數(shù)據(jù)疊加，將初始模型加入反演過程，進行疊前同時反演，得到不同方位的 “等效”彈性參數(shù)，對“等效”彈性參數(shù)進行傅立葉級數(shù)展開分析，獲取帶各向異性信息的低頻背景，將該低頻背景再次應(yīng)用到分方位的限角疊加數(shù)據(jù)中，進行第二輪疊前同時反演，對 “等效”彈性參數(shù)進行傅里葉級數(shù)展開，得到各向異性強度因子和方位方向，從而預(yù)測裂縫。

碳酸鹽巖地層相比碎屑巖地層，垂向速度差異不大，更符合HTI介質(zhì)模型。因此，著重討論HTI介質(zhì)的相關(guān)研究成果。

對于HTI介質(zhì)，其各向同性反射系數(shù)公式由Aki-Richards的Wiggins方程給出：

(1)

Rüger等[10,19-21]根據(jù)弱各向異性理論，推導(dǎo)了HTI各向異性介質(zhì)中縱波反射系數(shù)隨方位角變化公式[6]：

Δδsin2(ω-φ)cos2(ω-φ)]sin2θtan2θ

(2)

理論上，采取式(2)的各向異性參數(shù)與反射系數(shù)關(guān)系來求解彈性參數(shù)更合理，受方程復(fù)雜，求解困難，目前尚未有商業(yè)軟件能實現(xiàn)?，F(xiàn)有的反演商業(yè)化軟件都是基于各向同性介質(zhì)的反射系數(shù)公式(1)來進行的。利用方程(1)進行疊前同時反演來求解出帶有各向異性背景的有效彈性參數(shù)VP/VS、VS、ρ等。

圖1 各項異性反演技術(shù)流程圖

對于HTI各向異性介質(zhì)，有效彈性參數(shù)的方位角行為遵循傅立葉級數(shù)展開：

log(Vp/Vs)′=b0+b1·cos[2(ω-φ) ]+b2·cos[4(ω-φ) ]

(3)

式中:ω是方位角；φ是各向異性的對稱軸；b0是各向同性背景；b1是各向異性強度；b2是各向異性強度高階項。利用b1系數(shù)來預(yù)測裂縫發(fā)育方向和密度等。

方程(3)里面包含5個未知因子b0、b1、b、b2、ω、φ。求解該方程至少需要五個方位的數(shù)據(jù)，通常利用6個方位角的數(shù)據(jù)來求解方程，達到預(yù)測裂縫發(fā)育方向和密度的目的。

該方法技術(shù)流程見圖1。從技術(shù)流程看，各向異性反演關(guān)鍵因素在于OVT道集數(shù)據(jù)的保幅性，OVT道集不同方位的振幅差異必須完全來源于各向異性，并不受其他干擾影響，如：采集腳印、方位時差、多次波干擾等，這些在處理過程中需要進一步壓制。

3 實例分析

為了驗證各向異性反演預(yù)測裂縫方法的有效性，將該方法應(yīng)用于塔里木盆地塔中W區(qū)塊奧陶系碳酸鹽巖裂縫預(yù)測研究，同時，用橢圓擬合法作為對比，來驗證上述方法的精度。

3.1 工區(qū)地質(zhì)概況

工區(qū)位于塔里木盆地中央隆起塔中低凸起北斜坡塔中10構(gòu)造帶中段北側(cè)。加里東期和海西期這兩期構(gòu)造運動對奧陶系潛山儲層和內(nèi)幕巖溶儲層的改造起著主要控制作用。工區(qū)內(nèi)發(fā)育一條近南北向走滑斷層W11斷裂帶，斷裂帶及派生的II級斷裂附近奧陶系內(nèi)幕大量巖溶、縫洞儲層發(fā)育。到目前為止，該區(qū)域油氣產(chǎn)量豐富，是開發(fā)重點關(guān)注區(qū)(見圖6(c))。

3.2 數(shù)據(jù)準備

各向異性反演需要高質(zhì)量的地震輸入，OVT域五維道集包含方位角和偏移距信息，往往呈現(xiàn)一種“螺旋”特征。因此，要對初始OVT域五維道集進行方位時差校正來保證在不同偏移距范圍內(nèi)和不同方位角方位內(nèi)道集較平。

方位時差校正地震波在HTI介質(zhì)中傳播時，不同方位傳播速度不一，速度可以表示為隨方位變化的橢圓。HTI介質(zhì)速度場由三個參數(shù)定義：快速速度場(橢圓長軸)，慢速速度場(橢圓短軸)，慢速速度與Inline方向的夾角。這樣，某一方向速度可以表示為

(4)

式中：Vslow為慢速速度；Vfast為快速速度；φ為地震數(shù)據(jù)對應(yīng)的炮檢方向與Inline方向的夾角；α為地震數(shù)據(jù)對應(yīng)的炮檢方向與慢速速度方向的夾角。

圖2 HTI介質(zhì)中不同方位波傳播的示意圖

在一個CMP道集中,不同炮檢距與不同方位角接收的反射波旅行時曲線可以表示為:

(5)

式中：Tx是炮檢距為X時的反射波旅行時；T0為炮檢中心點處反射波的自激自收時間；X為炮檢距；Vref為輸入數(shù)據(jù)的成像參考速度。

理論上,方位各向異性剩余時差指被趨勢拉平同相軸上的類似余弦曲線的擾動時差。也就是說,應(yīng)用最佳的成像速度進行多方位疊前時間偏移后,道集上的反射同相應(yīng)該被校平:若未校平,則是方位各向異性引起的剩余時差。當成像速度的偏差較大時,此時校正后的同相軸不但會有隨炮檢距變化的低頻時差,還有方位各向異性引起的高頻時差。當參考速度偏大,則校正后的同相軸有下拉趨勢;反之,參考速度偏小,則校正后同相軸有上翹趨勢。此時,若引入“允許的最大成像參考速度誤差”參數(shù)進行適度的速度調(diào)整,就可以控制校正后的同相軸的下拉與上翹程度。

快速速度與慢速速度的比值反映了數(shù)據(jù)的方位各向異性的強弱程度,根據(jù)速度反演模塊的質(zhì)控結(jié)果(快慢速速度比剖面)來確定一個最大的快速速度與慢速速度的速度比,然后對超過該比值的速度場數(shù)據(jù)進行校正,這樣可消除使用錯誤速度導(dǎo)致的方位時差校正的影響。

研究區(qū)獲得兩套OVT域道集資料，兩者差別較大，①未經(jīng)過方位時差校正的數(shù)據(jù)，道集信噪比低，道集偏移距范圍內(nèi)不平，質(zhì)量較差；②經(jīng)過方位時差校正的數(shù)據(jù)，道集信噪比高，道集較平(圖2)，能夠應(yīng)用于后續(xù)反演工作。

從公式(3)HTI介質(zhì)各向同性反射系數(shù)表達式看，進行疊前同時反演需要求解三個彈性參數(shù)：Vp縱波速度；Vs橫波速度和ρ密度，因此，至少需要三個輸入數(shù)據(jù)。而HTI彈性參數(shù)傅里葉級數(shù)展開需要求解5個參數(shù)方程(4)，因此需要至少5個方位輸入數(shù)據(jù)。為此，開展各向異性反演需要對至少6個方位角數(shù)據(jù)，

每個方位角需要分成近、中、遠至少三個部分的限角疊加數(shù)據(jù)。塔中W區(qū)塊覆蓋次數(shù)高達近580次，在0°～180°方位角范圍內(nèi)劃分了6個方位扇區(qū)，每個方位扇區(qū)的覆蓋次數(shù)能夠近50次，為了保證扇區(qū)內(nèi)限角疊加成近、中、遠三個疊加數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)的均一，選擇偏移距范圍覆蓋次數(shù)相同作為限角疊加數(shù)據(jù)，角度三等分，每個疊加數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)也達到近16次，資料信噪比能夠得到保障(圖3)。

3.3 應(yīng)用效果

對研究區(qū)6個分方位角扇區(qū)疊加的近、中、遠數(shù)據(jù)開展疊前同時反演，獲得6個方位角扇區(qū)的彈性參數(shù)體，如：Vp/Vs、橫波阻抗體、密度體等。提取6個方位角反演數(shù)據(jù)相同類型彈性參數(shù)，開展各向異性反演。由于疊前反演是基于各向同性的，因此，需要在第一輪各向異性反演結(jié)果上，提取反映各向異性的低頻模型，迭代進行第二輪各向異性反演，使得反演結(jié)果更精確，然后在此基礎(chǔ)上估算各向異性因子等(圖4)。其中，b0代表各向同性背景，b1代表各向異性強度，b2代表各向異性強度的高階項，通常難以準確估算，剖面也表現(xiàn)的相對無規(guī)律。

圖3 研究區(qū)道集資料

圖4 研究區(qū)不同方位角限角疊加數(shù)據(jù)

圖5 研究區(qū)各向異性參數(shù)估算剖面

圖6 目的層段裂縫方位角預(yù)測平面圖與斷裂對比

對估算的各向異性參數(shù)方位角提取目的層段的屬性平面圖， W區(qū)塊奧陶系表層的方位角平面圖上各向異性反演出來的方位角平面規(guī)律比橢圓擬合更精細，橢圓擬合結(jié)果連續(xù)性差，規(guī)律性也不明顯。與該區(qū)域斷裂發(fā)育特征對比看，各向異性反演出的裂縫大多集中在I、II級斷裂附近，同一條斷裂上發(fā)育的裂縫方位角信息基本一致，而橢圓擬合結(jié)果的平面規(guī)律性差，預(yù)測裂縫與斷裂發(fā)育規(guī)律匹配程度較差(圖5)。但需要注意的是，橢圓擬合出的方位角信息與各向異性反演出的裂縫方位角信息存在90°的偏差，這是因為從算法上看，裂縫可能存在90°不確定性，需要用鉆井信息來確定方位角信息。由于地質(zhì)情況，區(qū)內(nèi)鉆井均未開展FMI成像測井，沒有可驗證的鉆井，需要新井鉆井后進一步落實裂縫預(yù)測效果。

4 結(jié)論與認識

1)OVT域五維地震資料包含方位角和偏移距信息，充分挖掘地震資料信息，優(yōu)化偏移距和方位角信息，能夠定量刻畫裂縫分布特征。

2)各向異性反演裂縫預(yù)測方法基于彈性參數(shù)進行體估算，比常規(guī)的橢圓擬合法精度更高，平面分布規(guī)律特征更趨于實際地質(zhì)情況。

3)塔中W區(qū)塊奧陶系碳酸鹽巖表層裂縫分布規(guī)律與斷裂發(fā)育特征一致，證實了基于OVT域開展各向異性反演預(yù)測裂縫方法的有效性，后期如有新鉆井來證實預(yù)測結(jié)果的準確性，應(yīng)用前景廣闊，值得關(guān)注。

致謝

本文順利完成，得益CGG公司馬輝、劉波在各向異性反演方面給予的技術(shù)支持，以及東方地球物理公司研究院庫爾勒分院同志們的支持，在此一并表示感謝！