方位各向異性裂縫檢測(cè)技術(shù)在牛東潛山的應(yīng)用

王 攀，張夢(mèng)琳，王 鑫，趙智鵬，劉 杏

中國(guó)石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552

引言

牛東潛山帶油位于霸縣凹陷牛東斷裂下降盤，自2010 年以來(lái)，牛東潛山帶碳酸鹽巖勘探取得重大突破，在霧迷山組發(fā)現(xiàn)了厚度大，面積廣的碳酸鹽巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間類型以裂縫、孔洞、溶洞為主。

碳酸鹽巖儲(chǔ)層受斷裂活動(dòng)、成巖作用等影響，具有非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)集空間多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征[1-4]。針對(duì)牛東潛山帶碳酸鹽巖儲(chǔ)層在勘探前期開展了一系列的技術(shù)研究，包括野外露頭觀察、巖芯裂縫的宏觀和微觀觀測(cè)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)、成像測(cè)井識(shí)別以及利用地震資料識(shí)別裂縫。

目前地震識(shí)別裂縫的方法主要有相干分析、邊緣檢測(cè)、分形技術(shù)、方位各向異性、彈性反演、波形分析、頻率差異分析、局域振幅橫向差異性、吸收和衰減屬性分析構(gòu)造曲率分析，螞蟻?zhàn)粉櫤蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[5-11]，但這些方法都只是對(duì)牛東潛山帶裂縫的發(fā)育情況進(jìn)行了定性描述。

隨著開采的不斷深入，對(duì)勘探精度的要求越來(lái)越高。由于牛東潛山帶埋藏深，深層地震資料能量弱、信噪比低，難于準(zhǔn)確識(shí)別潛山儲(chǔ)層裂縫，難以對(duì)裂縫儲(chǔ)層進(jìn)行定量研究。因此，縫洞儲(chǔ)層的有效預(yù)測(cè)成為制約該區(qū)碳酸鹽巖勘探的技術(shù)瓶頸。

本文利用疊前地震資料數(shù)據(jù)量大、信息量大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)AVAz 技術(shù)檢測(cè)包含在疊前（觀測(cè)）方位--偏移距二維時(shí)空域中裂縫的地震響應(yīng)信息[12]，最終計(jì)算得到了牛東潛山帶碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫的方位和密度，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)碳酸鹽巖裂縫儲(chǔ)層從定性到半定量的檢測(cè)，對(duì)同類型儲(chǔ)層的裂縫預(yù)測(cè)具有一定的借鑒作用。

1 方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)理論基礎(chǔ)

碳酸鹽巖儲(chǔ)層尤其是埋藏較深的潛山，由于受上覆地層的壓實(shí)作用和多期次斷裂的構(gòu)造因素控制下，主要發(fā)育高角度定向分布的裂縫。

牛東潛山儲(chǔ)層屬于這種類型，多發(fā)育高角度定向分布裂縫，這種裂縫類似HTI 介質(zhì)模型——即具有水平對(duì)稱軸的橫向各向同性介質(zhì)（圖1）。

Ruger 在弱各向異性的前提下，推導(dǎo)出HTI 介質(zhì)縱波反射系數(shù)的近似表達(dá)式，反映了縱波反射系數(shù)隨入射角與觀測(cè)夾角的變化，即

在入射角較小時(shí)，Ruger 近似式的第四項(xiàng)接近0，可以省去，于是將該近似式可簡(jiǎn)化為

因?yàn)檠芯磕康氖堑卣鸱瓷涞姆轿惶匦裕栽诠潭ㄈ肷浣堑那闆r下，令

最終將Ruger 公式簡(jiǎn)化為

圖1 HTI 介質(zhì)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of HTI media model

根據(jù)這個(gè)關(guān)系式將反射振幅隨觀測(cè)夾角的變化關(guān)系擬合成振幅橢圓[13-19（]圖2）。從圖2 可以看出，當(dāng)B＞0 時(shí)，擬合出振幅橢圓的長(zhǎng)軸所指示的方向?yàn)榱芽p的走向。

圖2 振幅隨觀測(cè)夾角變化關(guān)系Fig.2 Relationship between amplitude and angle of observation

當(dāng)B＜0 時(shí)，擬合出橢圓短軸所指示的方向?yàn)榱芽p的走向，當(dāng)各向異性參數(shù)B=0 時(shí)，介質(zhì)為各向同性介質(zhì)。此時(shí)振幅不隨觀測(cè)方位變化，擬合出的形狀為圓形。

可見(jiàn)擬合出橢圓的形狀越扁，表示介質(zhì)的方位各向異性特征越強(qiáng)，裂縫越發(fā)育。

所以可以用圓扁率值作為裂縫發(fā)育密度的相對(duì)度量，從而半定量地得到裂縫發(fā)育密度；用擬合出橢圓長(zhǎng)軸或短軸所指示的方向表示裂縫的方位，得到裂縫發(fā)育的方位。

究竟是用橢圓長(zhǎng)軸還是橢圓短軸來(lái)表示裂縫的方位？這需要根據(jù)工區(qū)的實(shí)際地層參數(shù)建立巖石物理模型，模擬目標(biāo)裂縫儲(chǔ)層的地震響應(yīng)隨方位角和入射角變化，通過(guò)方位橢圓擬合，確定裂縫方位指示。

對(duì)于實(shí)際的地震資料，只要知道3 個(gè)或3 個(gè)以上方位角的地震信息，便可以求取A、B的值，從而反演出裂縫的方位和密度。

基于以上的原理，擬定牛東潛山帶裂縫預(yù)測(cè)的技術(shù)流程（圖3），其中地震波場(chǎng)正演模擬技術(shù)、方位角道集數(shù)據(jù)處理技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 技術(shù)流程圖Fig.3 Technique flowchart

2 AVAz 技術(shù)在牛東潛山帶的應(yīng)用

牛東潛山帶是一個(gè)典型的潛山碳酸鹽巖裂縫儲(chǔ)層，其儲(chǔ)層以裂縫、孔洞、溶洞為主，它們對(duì)油氣的賦存和運(yùn)移起著重要作用。以該區(qū)為例將方位各向異性技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于潛山碳酸鹽巖的裂縫檢測(cè)。

2.1 裂縫巖石物理模型正演模擬

巖石物理正演模擬，得到振幅隨偏移距和方位角變化的關(guān)系，不僅可以指導(dǎo)在實(shí)際資料的橢圓擬合中，裂縫的方位指示使用擬合橢圓的長(zhǎng)軸還是短軸，同時(shí)可以驗(yàn)證使用疊前資料預(yù)測(cè)裂縫的可行性，以及選擇偏移距的范圍。這里用已獲高產(chǎn)工業(yè)流油的牛東1 井裂縫段進(jìn)行正演模擬，通過(guò)牛東潛山帶鉆井的縱橫波速度和巖石密度資料，在給定裂縫密度、所含流體、裂縫寬度與長(zhǎng)度比等裂縫參數(shù)條件下，建立起與之對(duì)應(yīng)的巖石彈性模量之間的關(guān)系，從而構(gòu)建地震各向異性巖石物性模型，最終實(shí)現(xiàn)裂縫儲(chǔ)層的地質(zhì)模型及彈性介質(zhì)模擬[20-23（]圖4a）。

圖4 牛東1 井裂縫段地震響應(yīng)特征正演模擬Fig.4 Forward modeling of seismic response to fractures of Niudong1

通過(guò)巖石物理正演模擬，得到了用方位角道集繪制的AVO 曲線和用入射角道集繪制的各向異性橢圓（圖4b），圖中不同顏色的曲線表示不同方位角的振幅變化。

從正演模擬的結(jié)果可以得到如下結(jié)論：（1）隨著入射角的增加，不同方位角的振幅均呈減小趨勢(shì)，偏移距越大，不同方位角振幅差異越明顯（圖4b），這體現(xiàn)了該地區(qū)由裂縫引起的各向異性特征，同時(shí)驗(yàn)證了該地區(qū)用疊前資料預(yù)測(cè)裂縫是可行的。

（2）當(dāng)方位角為0 即在裂縫的法向方向，振幅減小的更快。根據(jù)各個(gè)方位角道集振幅曲線在入射角為30°時(shí)的振幅值擬合的橢圓，發(fā)現(xiàn)擬合橢圓的長(zhǎng)軸對(duì)應(yīng)于裂縫走向。故在牛東潛山帶地震振幅數(shù)據(jù)的橢圓擬合中，應(yīng)使用擬合橢圓的長(zhǎng)軸來(lái)表示裂縫的方向。

（3）入射角（偏移距）較小時(shí)，各方位的地震振幅相差不大，各向異性特征不明顯，因此過(guò)多的近偏移距數(shù)據(jù)會(huì)削弱遠(yuǎn)偏移距攜帶的裂縫信息。因此，在方位角數(shù)據(jù)疊加前要適當(dāng)舍棄部分近偏移距數(shù)據(jù)。

2.2 疊前地震分方位角處理

根據(jù)前面的分析，基于疊前資料的方位各向異性裂縫檢測(cè)至少需要3 個(gè)或3 個(gè)以上方位角的地震信息，同時(shí)根據(jù)正演結(jié)果，入射角較小時(shí)，不同方位的振幅反射系數(shù)差異不大，因此，近偏移距數(shù)據(jù)參與方位角道集的疊加會(huì)削弱遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)攜帶的裂縫信息，但拋棄過(guò)多的近偏移距數(shù)據(jù)，會(huì)降低地震資料的覆蓋次數(shù)和信噪比，同時(shí)較遠(yuǎn)的偏移距會(huì)使整個(gè)工區(qū)的覆蓋次數(shù)極不平衡。因此，也要去掉部分較大的偏移距。在保證資料具備豐富的方位各向異性特征和足夠覆蓋次數(shù)與信噪比的基礎(chǔ)上，確定本區(qū)偏移距范圍是400～2 300 m。本著使每個(gè)方位角范圍的覆蓋次數(shù)基本一樣的原則，劃分出4 個(gè)方位角，分別是中心角25°、72°、117°和160°（表1）。

表1 方位角劃分方案Tab.1 Azimuth partition scheme

根據(jù)劃分的4 個(gè)方位角道集，對(duì)疊前CDP 數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加和偏移。通過(guò)疊加剖面（圖5）可以看出，不同方位角的地震響應(yīng)的總體分布特征是相似的，但振幅值的大小具有明顯差異。

在覆蓋次數(shù)基本一致的前提下，排除了非地震因素造成的各向異性，此時(shí)振幅方位上的差異是由裂縫引起的。合并這4 個(gè)疊加數(shù)據(jù)體，得到一個(gè)方位角道集數(shù)據(jù)體，其中每個(gè)CDP 點(diǎn)有4 個(gè)攜帶不同方位角信息的地震道。

圖5 各方位角疊加剖面對(duì)比Fig.5 Cross-sectional comparison of all-directions superimposed sections

2.3 裂縫檢測(cè)效果及分析

基于前面的理論基礎(chǔ)和正演模型研究可得任一CDP 點(diǎn)裂縫發(fā)育密度和裂縫發(fā)育方向（圖6）。

圖6 潛山頂界面裂縫密度平面圖Fig.6 Plane diagram of crack density at the top of buried hill

在全區(qū)用圓扁率值繪制出目的層段的裂縫密度矢量圖，圖中顏色的變化表示裂縫密度的大小，圓扁率高于1.32 用黃紅色表示，為裂縫發(fā)育帶（圖6），可以看到工區(qū)西北部和東部為潛山裂縫發(fā)育區(qū)域，整體上呈北東向條帶狀分布。統(tǒng)計(jì)整個(gè)工區(qū)裂縫發(fā)育的方向，從統(tǒng)計(jì)的玫瑰圖可以看出該區(qū)裂縫發(fā)育主方向?yàn)楸睎|向（圖7）。

圖7 裂縫方位統(tǒng)計(jì)玫瑰圖Fig.7 Statistical rose map of fracture azimuth

圖8 為過(guò)牛東1 井的裂縫密度剖面圖，對(duì)比牛東1 井對(duì)應(yīng)深度段內(nèi)的成像測(cè)井結(jié)果（圖9），證實(shí)該區(qū)確實(shí)有高角度的裂縫發(fā)育。

圖8 過(guò)牛東1 井裂縫密度剖面圖Fig.8 Fracture density profule of Well Niudong1

圖9 牛東1 井成像測(cè)井圖Fig.9 Imaging log of Well Niudong1

從裂縫方位平面圖的統(tǒng)計(jì)看出，潛山段牛東1井處裂縫發(fā)育方向?yàn)楸睎|向，這與成像測(cè)井的結(jié)果同樣一致（圖10）。

因此，認(rèn)為疊前方位各向異性裂縫檢測(cè)技術(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果較為可靠，具有一定的實(shí)際應(yīng)用效果。

圖10 牛東1 井裂縫方位統(tǒng)計(jì)玫瑰圖Fig.10 Statistical rose map of fracture azimuth of Well Niudong1

3 結(jié)論

（1）AVAz 技術(shù)的關(guān)鍵在于地震波場(chǎng)正演模擬和方位角道集數(shù)據(jù)處理，在牛東潛山帶的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)偏移距范圍為400～2 300 m，劃分中心角為25°、72°、117°和160°的4 個(gè)方位角，合并后得到的方位角道集數(shù)據(jù)體進(jìn)行本區(qū)的裂縫預(yù)測(cè)效果較好。

（2）本文運(yùn)用AVAz 技術(shù)定量預(yù)測(cè)了牛東潛山帶裂縫的方位和密度。結(jié)果顯示，該區(qū)裂縫主要發(fā)育于工區(qū)東部，整體上呈北東向條帶狀分布。AVAz的裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與成像測(cè)井結(jié)果一致，證實(shí)該方法適用于多高角度裂縫發(fā)育的地區(qū)，特別是一些埋藏較深的碳酸鹽巖潛山。

符號(hào)說(shuō)明

Rp(i,φ)與入射角和方位角有關(guān)的縱波反射系數(shù)，無(wú)因次；

Rpp(φ)與方位角有關(guān)的縱波反射系數(shù)，無(wú)因次；

i入射角，（°）；

Z縱波波阻抗，g/（cm2·s）；

G橫波切向模量（切應(yīng)力與切應(yīng)變的比值），無(wú)因次；

P縱波垂直入射時(shí)的反射振幅，無(wú)因次；

Giso振幅隨偏移距的變化率，無(wú)因次；

Gani振幅隨方位角的變化率，無(wú)因次；

A均勻介質(zhì)下的反射強(qiáng)度，無(wú)因次；

B定偏移距下隨方位而變的振幅調(diào)諧因子，無(wú)因次；