基于寬方位地震數(shù)據(jù)的縱、橫波速度方位各向異性對(duì)比研究

何 峰 龍 凡 韓 剛 陳曉智 李 俊 王煥弟

(①中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100027；②上海波睿能源科技有限公司，上海 202150；③石油工業(yè)出版社，北京 100029)

0 引言

致密油氣勘探開(kāi)發(fā)中，基于地震資料預(yù)測(cè)裂隙分布非常重要。裂隙的發(fā)育不但會(huì)改善儲(chǔ)層的滲透性，還有利于壓裂施工改造獲得好的增產(chǎn)效果。

通常認(rèn)為，由于地殼中存在大量定向排列的裂隙會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生各向異性微裂隙，橫波在地殼介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生分裂現(xiàn)象[1]。大量研究表明，平行排列的垂直或高角度裂隙的發(fā)育與介質(zhì)的方位各向異性關(guān)系密切。在各種彈性參數(shù)中，橫波速度的方位各向異性最強(qiáng)[2-8]。

在油氣勘探領(lǐng)域，以往地震方位各向異性研究主要基于寬方位地震數(shù)據(jù)的疊后地震屬性(包括疊加振幅、衰減、P波阻抗等)以及疊前P波振幅、AVO梯度屬性等，較少使用疊前反演橫波速度。楊勤勇等[9]利用縱波方位各向異性成功預(yù)測(cè)了塔河油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育區(qū)；劉立民等[10]利用縱波方位各向異性在花瓦地區(qū)頁(yè)巖油地層中成功開(kāi)展了裂縫檢測(cè)；陳楠等[11]使用疊后疊加振幅進(jìn)行方位各向異性反演，預(yù)測(cè)了頁(yè)巖層裂縫發(fā)育區(qū)；趙思為等[12]利用方位波阻抗數(shù)據(jù)開(kāi)展了各向異性反演，預(yù)測(cè)了川東北嘉陵江組二段的裂縫發(fā)育區(qū)；畢研斌等[13]利用P波方位各向異性預(yù)測(cè)了四川盆地碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育區(qū)；周曉越等[14]利用疊前振幅和速度各向異性聯(lián)合反演方法預(yù)測(cè)GS1區(qū)的儲(chǔ)層裂縫分布；張麗艷等[15]依據(jù)橫波分裂的思想開(kāi)展橢圓擬合，在大慶長(zhǎng)垣喇嘛甸地區(qū)開(kāi)展了方位各向異性和裂縫強(qiáng)度定量預(yù)測(cè)。

隨著計(jì)算機(jī)超算能力大幅提高及寬方位地震OVT(炮檢距向量片)域處理技術(shù)的普及，基于OVT域道集數(shù)據(jù)的疊前各向異性反演技術(shù)能更準(zhǔn)確、更可靠地預(yù)測(cè)介質(zhì)的方位各向異性，從而較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)(地震分辨率可識(shí)別)規(guī)模裂隙發(fā)育區(qū)及裂縫方向。在此背景下，開(kāi)展基于縱、橫波速度的方位各向異性對(duì)比研究很有必要。通過(guò)此項(xiàng)研究，可以厘清哪類(lèi)速度對(duì)方位各向異性更敏感、識(shí)別裂隙更可靠，從而進(jìn)一步確認(rèn)其對(duì)各向異性反演的重要性，并推動(dòng)各向異性反演的普遍應(yīng)用。

研究區(qū)位于中國(guó)東部某盆地B區(qū)，區(qū)內(nèi)發(fā)育一個(gè)近NNE向的背斜構(gòu)造，主要目的層平均孔隙度小于10%，平均滲透率小于1mD，為低孔、低滲致密儲(chǔ)層。目前該構(gòu)造已經(jīng)完鉆2口探井(DH1和DH2)和1口評(píng)價(jià)井(DH3)。由于該區(qū)主要目的層儲(chǔ)層較致密，需采取壓裂改造措施提高油氣產(chǎn)量。為了保證壓裂改造效果，需預(yù)測(cè)裂隙方向和裂隙密度，為下一步優(yōu)化水平井軌跡設(shè)計(jì)(與天然裂隙方向斜交以便形成網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng))和壓裂設(shè)計(jì)提供信息。

本文利用該區(qū)OVT域道集數(shù)據(jù)分別開(kāi)展了縱、橫波速度方位各向異性反演，對(duì)比了反演結(jié)果與研究區(qū)目的層裂隙發(fā)育的吻合程度，以及二者對(duì)方位各向異性的敏感度。

1 縱、橫波速度方位各向異性反演

1.1 方位扇區(qū)劃分

本次研究是基于中國(guó)東部某盆地B區(qū)的OVT域道集數(shù)據(jù)，OVT域處理是寬方位地震數(shù)據(jù)疊前處理的基本流程。OVT面元是從每個(gè)CMP道集中抽取具有大致相同炮檢距和方位角的數(shù)據(jù)、重新排列形成一個(gè)小矩形面元。對(duì)OVT面元進(jìn)行疊前偏移，偏移后的每一道都記錄了炮檢距和方位角信息[16-21]。

相對(duì)于常規(guī)分方位疊前地震道集，OVT域道集具有以下優(yōu)點(diǎn)：①兼具炮檢距和方位角兩類(lèi)信息；②在一個(gè)OVT域道集中，各地震道的炮檢距和方位角大致相同，對(duì)每一個(gè)OVT面元開(kāi)展疊前偏移，可提高成像精度；③在近炮檢距、中炮檢距以及遠(yuǎn)炮檢距范圍內(nèi)，道集的能量一致性均較好。

由于OVT道集具有以上特點(diǎn)，OVT數(shù)據(jù)處理中可采用一些特殊手段實(shí)現(xiàn)保真處理并提高疊前道集的質(zhì)量，如基于五維插值的OVT道集數(shù)據(jù)規(guī)則化，以O(shè)VT片為單位的疊前時(shí)間/深度偏移等。此外，因OVT道集偏移后能更好地還原道集方位信息、保留所有方位角的信息，經(jīng)方位各向異性校正后，可消除方位各向異性對(duì)寬方位地震成像的影響，進(jìn)一步提高寬方位地震勘探的成像精度[22]?？傊琌VT域道集的最大優(yōu)勢(shì)是地震成像質(zhì)量高。

除了成像精度方面的優(yōu)勢(shì)外，OVT道集偏移后能更好地還原道集方位信息，保留所有方位角信息。因此，OVT域道集數(shù)據(jù)能更方便地設(shè)計(jì)扇區(qū)劃分方案，有利于開(kāi)展方位各向異性研究，從而有助于復(fù)雜裂縫發(fā)育帶的識(shí)別和刻畫(huà)。

利用橫波分裂思想(即快、慢橫波方法)研究介質(zhì)方位各向異性，首先需要對(duì)全部方位的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行扇區(qū)劃分。方位扇區(qū)的劃分需遵循以下兩個(gè)原則：①每個(gè)扇區(qū)要保證一定的覆蓋次數(shù)(通常40次以上)，且各個(gè)扇區(qū)覆蓋次數(shù)大致相當(dāng)。一般方位扇區(qū)數(shù)以5～6個(gè)為宜。扇區(qū)數(shù)太少，不能保證橢圓擬合精度；反之則不能保證足夠的覆蓋次數(shù)，導(dǎo)致疊前反演數(shù)據(jù)信噪比太低?？偢采w次數(shù)很高的情況下，可考慮劃分多于6個(gè)扇區(qū)。②保證每個(gè)扇區(qū)都有近、中、遠(yuǎn)炮檢距的道集數(shù)據(jù)，且最大遠(yuǎn)炮檢距大致相同，可避免個(gè)別大炮檢距強(qiáng)各向異性的影響。

本次采集的寬方位地震數(shù)據(jù)在目的層信噪比整體較高(圖1)。數(shù)據(jù)覆蓋總次數(shù)為260，橫縱比大于0.5。為了保證每個(gè)扇區(qū)覆蓋次數(shù)不低于50，劃分為5個(gè)扇區(qū)(圖2)。這5個(gè)扇區(qū)的方位范圍和覆蓋次數(shù)分別為：#1，12°～73°，53次；#2，73°～140°，52次；#3，140°～222°，51次；#4，222°～287°，54次；#5，287°～12°，50次。每個(gè)扇區(qū)最大炮檢距不超過(guò)4400m，以避免由于遠(yuǎn)炮檢距不同造成各扇區(qū)各向異性出現(xiàn)差異(圖2)。

圖1 B區(qū)寬方位OVT域道集

圖2 B區(qū)OVT域道集方位分布及扇區(qū)劃分

1.2 方位扇區(qū)縱、橫波速度無(wú)井反演

基于研究區(qū)5個(gè)扇區(qū)OVT域道集數(shù)據(jù)和地震速度，開(kāi)展AVO三參數(shù)反演，得到橫波速度的反射率地震體。然后，根據(jù)目的層段DH1井橫波速度的均值開(kāi)展橫波速度無(wú)井反演，得到這5個(gè)扇區(qū)的橫波速度絕對(duì)值數(shù)據(jù)體。無(wú)井反演可以保證5個(gè)不同扇區(qū)的橫波速度差異更好地保留，從而更精確地確定快橫波速度的方向。其實(shí)，如果開(kāi)展有井約束反演，只要給定的低頻分量參數(shù)合理(例如不超過(guò)8Hz)，有井反演結(jié)果仍然可以像無(wú)井反演結(jié)果一樣，保留不同扇區(qū)的橫波速度差異性。

無(wú)井反演的基本原理是，在一個(gè)時(shí)窗內(nèi)(如200～300ms)，如果彈性參數(shù)(如速度)的低頻趨勢(shì)(如0～4Hz)變化不大，那么可將其看作一個(gè)常數(shù)。進(jìn)行彈性參數(shù)反演時(shí)，補(bǔ)充一個(gè)固定的低頻分量即可。

圖3是無(wú)井約束橫波速度反演結(jié)果與工區(qū)內(nèi)3口井(DH1、DH2、DH3)的實(shí)測(cè)橫波速度曲線對(duì)比剖面。由圖可見(jiàn)，無(wú)井約束橫波速度反演結(jié)果與3口井的實(shí)測(cè)橫波速度在縱向上趨勢(shì)吻合較好，表明橫波速度反演結(jié)果較可靠。圖4a～圖4e是5個(gè)扇區(qū)橫波速度反演的結(jié)果，可見(jiàn)不同扇區(qū)橫波速度差異非常明顯，基于這種差異可識(shí)別快/慢橫波。利用相同的思路，可開(kāi)展縱波速度方位各向異性反演。

1.3 橢圓擬合及裂縫方向和裂縫密度預(yù)測(cè)

通過(guò)橢圓擬合確定裂縫方向和裂縫密度，是寬方位地震數(shù)據(jù)解釋的一個(gè)重要方法。無(wú)論疊后地震屬性或是疊前彈性體數(shù)據(jù)，都可使用該方法。通常使用5～6個(gè)不同方位扇區(qū)疊后屬性或者疊前反演的彈性參數(shù)，采用橢圓擬合方法得到一個(gè)代表疊后屬性或者彈性參數(shù)的橢圓。橢圓的長(zhǎng)軸代表該位置方位各向異性的主方向，即裂縫方向，長(zhǎng)軸與短軸的比值代表方位各向異性的強(qiáng)度，即裂縫密度。

圖4f是橢圓擬合結(jié)果，圖中標(biāo)注的“a”點(diǎn)處，裂縫為北東向，裂縫密度(或強(qiáng)度)為1.2，即存在20%的方位各向異性，在裂縫處的橫波(快橫波)比垂直于裂縫方向的橫波(慢橫波)速度高20%。因?yàn)镠TI介質(zhì)表現(xiàn)為弱各向異性[2]，所以一般裂縫密度不會(huì)很大。

橫波速度方位各向異性反演方法完全適用于縱波速度。采用相同的思路開(kāi)展縱波速度各向異性反演，可以得到縱波速度方位各向異性強(qiáng)度和主方向。

圖3 無(wú)井約束橫波速度反演剖面與3口井的實(shí)測(cè)橫波速度曲線對(duì)比

圖4 5個(gè)扇區(qū)無(wú)井約束橫波速度反演結(jié)果(a～e)及各向異性橢圓擬合結(jié)果(f)(a)12°～73°； (b)73°～140°； (c)140°～222°； (d)222°～287°； (e)287°～12°

2 縱、橫波速度方位各向異性對(duì)比

利用B區(qū)OVT域處理成果(包含方位角信息的疊前偏移后道集數(shù)據(jù))，采用前述方法進(jìn)行橫波速度各向異性反演，并開(kāi)展橢圓擬合，得到目的層各向異性強(qiáng)度平面圖(圖5a)，并與相干屬性平面圖(圖5b)進(jìn)行對(duì)比。

一般而言，裂隙方向主要受該區(qū)斷裂方向的影響，與斷裂走向大致平行或者以銳角與斷裂走向相交?；谙喔蓪傩?圖5b)，可大體判斷研究區(qū)斷裂走向主要為北東向；基于橫波速度各向異性反演結(jié)果(圖5a)，預(yù)測(cè)裂隙方向主要為北東向，其大致平行于附近斷裂走向，與該地區(qū)成像測(cè)井解釋的裂縫方向(圖6)也保持一致，表明本文方法預(yù)測(cè)的裂隙方向合理。

圖5a表明，該區(qū)裂縫密度較大(1.14～1.20)的區(qū)域(圖5a中橢圓區(qū)域)位于背斜構(gòu)造的東南翼部，且位于兩組北東向斷層的兩側(cè)。按照構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論，在背斜翼部、附近有斷層、或位于斷層走向的轉(zhuǎn)折部位，應(yīng)力應(yīng)較集中，易于形成裂縫。根據(jù)工區(qū)北部的三口井(DH1、DH2和DH3)資料，在目的層鉆遇的規(guī)模裂隙都不太發(fā)育，例如DH3井處裂縫密度僅0.06條/m，這與橫波速度各向異性反演預(yù)測(cè)裂縫結(jié)果基本一致(方位各向異性很弱，低于1.06)。

圖5 目的層橫波速度各向異性強(qiáng)度/方向(a)及相干屬性平面圖(b)對(duì)比

圖6 DH1井基于成像測(cè)井識(shí)別的高導(dǎo)縫(上)和高阻縫(下)走向(a)、傾向(b)、傾角(c)

圖7 目的層縱波速度各向異性反演強(qiáng)度/方向圖

采用同樣的方法開(kāi)展縱波速度各向異性反演(圖7)。對(duì)比圖5a與圖7可見(jiàn)，在北部區(qū)域，反演的橫、縱波速度方位各向異性強(qiáng)度都很低(小于1.02)；但在三口井以南區(qū)域，縱波速度各向異性強(qiáng)度(小于1.05)明顯弱于橫波，且其方向既不與該區(qū)主斷裂方向大致平行，亦不與斷裂走向呈銳角相交。這表明縱波速度對(duì)方位各向異性不及橫波敏感，其預(yù)測(cè)裂隙的精度和可靠性也不及橫波速度。

3 結(jié)論

本文基于中國(guó)東部某盆地B區(qū)域的OVT域道集數(shù)據(jù)，開(kāi)展橫波速度和縱波速度方位各向異性反演。橫波速度方位各向異性反演結(jié)果與區(qū)內(nèi)三口井資料揭示的裂隙信息吻合，與區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂關(guān)系匹配；而縱波速度方位各向異性強(qiáng)度明顯弱于橫波速度各向異性，且其各向異性方向與測(cè)井揭示信息偏差較大，既不與斷裂大致平行也不與斷裂走向呈銳角相交。因此，相比于縱波速度，橫波速度對(duì)方位各向異性更敏感，反映裂隙更可靠。