致密砂巖儲(chǔ)層多尺度裂縫地震預(yù)測(cè)技術(shù)
——以川西XC地區(qū)為例

劉俊州，韓 磊，時(shí) 磊，陳雙全，呂文雅

[1.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083；2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249]

裂縫預(yù)測(cè)在油氣地震勘探中起著十分重要的作用，特別是對(duì)于致密性油藏、復(fù)雜碳酸鹽巖油藏等儲(chǔ)層的描述。對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層，由于其孔隙度特低，儲(chǔ)層中發(fā)育的裂縫系統(tǒng)是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的主要影響因素，因此，開(kāi)展基于地震數(shù)據(jù)的裂縫預(yù)測(cè)研究一直是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。

目前，常用的地震裂縫預(yù)測(cè)方法是利用地震波在裂縫介質(zhì)中傳播所表現(xiàn)的方位各向異性特征，包括振幅、速度、旅行時(shí)和衰減等屬性，分析其隨方位角變化特征來(lái)預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育方位和發(fā)育強(qiáng)度[1-2]。近年來(lái)，利用地震資料開(kāi)展裂縫預(yù)測(cè)的方法研究，在物理模型數(shù)據(jù)和實(shí)際野外地震資料中均取得了很好的應(yīng)用效果[3-8]。實(shí)際地下介質(zhì)地層中的裂縫通常表現(xiàn)出大小不等的多尺度特征，因此，其地震各向異性響應(yīng)特征是介質(zhì)中不同尺度裂縫的綜合反映。根據(jù)裂縫長(zhǎng)度的不同，MacBeth和Li[9]將裂縫分為大尺度裂縫、中等尺度裂縫和小裂縫或微裂隙。對(duì)于具有相同裂縫密度、但裂縫尺度不同的裂縫模型，由于常規(guī)的振幅、速度等各向異性屬性主要與裂縫密度相關(guān)，而裂縫密度是單位體積內(nèi)裂縫條數(shù)與裂縫半徑立方的乘積。因而，只利用地震各向異性特征進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)，對(duì)不同尺度裂縫會(huì)得到相同的結(jié)果[12]。

考慮到致密砂巖儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育有不同尺度的裂縫，其中影響油氣井生產(chǎn)的主要因素是小尺度裂縫。常規(guī)的裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)主要是利用方位各向異性特征進(jìn)行綜合裂縫預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)得到的裂縫發(fā)育強(qiáng)度結(jié)果不能很好地區(qū)分大尺度裂縫與小尺度裂縫，它是大小尺度裂縫的一個(gè)綜合反應(yīng)。因此，本文提出了針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層多尺度裂縫綜合預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)方法，對(duì)大尺度裂縫和小尺度裂縫的不同地震響應(yīng)特征分別采用疊后屬性和疊前屬性進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后再將二者的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行融合。具體流程如圖1所示，主要技術(shù)步驟可以概括為：

1) 在疊后地震資料上先利用傾角、曲率、方差、方位角、相干等疊后幾何類地震屬性對(duì)大尺度裂縫發(fā)育特征進(jìn)行刻畫(huà)；

2) 再根據(jù)測(cè)井獲得的裂縫描述結(jié)果對(duì)疊后屬性進(jìn)行約束，將多種屬性值進(jìn)行融合得到大尺度裂縫的預(yù)測(cè)結(jié)果；

3) 采用方位頻率梯度屬性在疊前資料上進(jìn)行小尺度裂縫預(yù)測(cè)，再結(jié)合成像測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)的裂縫描述結(jié)果對(duì)小尺度裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行有效范圍確定，得到小尺度裂縫的預(yù)測(cè)結(jié)果；

4) 將大尺度裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果和小尺度裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行融合，最終得到儲(chǔ)層裂縫體系的綜合預(yù)測(cè)成果。

論文研究形成的多尺度裂縫預(yù)測(cè)方法和技術(shù)流程，主要利用疊前衰減各向異性預(yù)測(cè)小尺度裂縫，再結(jié)合疊后地震屬性可識(shí)別的大尺度裂縫進(jìn)行綜合解釋，綜合兩種尺度條件下儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)成果，可以得到多尺度裂縫綜合預(yù)測(cè)結(jié)果。將該方法和技術(shù)流程應(yīng)用到川西深層裂縫性儲(chǔ)層描述中，分析得到的裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與成像測(cè)井解釋結(jié)果及生產(chǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)合度高，表明文中提出的疊前、疊后綜合裂縫預(yù)測(cè)方法是可行的。

圖1 疊前疊后地震數(shù)據(jù)裂縫綜合預(yù)測(cè)技術(shù)流程Fig.1 Technology workflow showing the integrated fracture prediction by using prestack and poststack seismic data

1 地質(zhì)概況及裂縫發(fā)育特征

選用川西XC地區(qū)的致密砂巖目標(biāo)區(qū)地震數(shù)據(jù)開(kāi)展了實(shí)際應(yīng)用。該油氣勘探區(qū)的目的層段埋藏較深，一般在4 600～5 200 m，平均約4 900 m；有利儲(chǔ)層的厚度較大，達(dá)到300～500 m，是砂泥巖互層沉積而形成的致密砂巖儲(chǔ)層。以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主，砂巖中膠結(jié)物主要為硅質(zhì)，以長(zhǎng)石巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，部分長(zhǎng)石砂巖。儲(chǔ)層物性差，孔隙發(fā)育程度差，孔隙度小于4%，滲透率一般在0.1×10-3μm2以下，屬于特低孔、特低滲致密、超致密儲(chǔ)層?；|(zhì)滲透性極差，當(dāng)裂縫發(fā)育時(shí)，滲透性表現(xiàn)出較高特征。儲(chǔ)層難以成為有效儲(chǔ)層，其中裂縫發(fā)育是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵，因此搞清裂縫發(fā)育規(guī)律與分布成為研究目標(biāo)區(qū)儲(chǔ)層增儲(chǔ)上產(chǎn)所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一[11-12]。

通過(guò)巖心觀察和成像測(cè)井資料，XC地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層主要發(fā)育構(gòu)造裂縫(圖2a，b)和成巖裂縫，其中成巖裂縫主要為層理縫(圖2c)。構(gòu)造剪切裂縫根據(jù)傾角可以細(xì)分為低角度剪切裂縫(<30°)(圖2a)、中角度剪切裂縫(30°～60°)和高角度剪切裂縫(>60°)(圖2b)[13]。XC地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層主要發(fā)育低角度剪切裂縫、層理縫和高角度剪切裂縫。巖心上觀察到的裂縫高度以0～30 cm為主，少數(shù)裂縫高度高達(dá)50～70 cm。根據(jù)裂縫的尺度劃分，巖心和成像測(cè)井上主要反映小尺度裂縫[13]。

圖2 XC地區(qū)須家河組巖心裂縫類型Fig.2 Core photos showing the fracture types in the Xujiahe Formation in XC areaa.低角度剪切縫；b.層理縫；c.高角度剪切縫

通過(guò)巖心觀察及統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，XC地區(qū)高、中角度剪切裂縫主要發(fā)育在中-細(xì)-粉砂巖中，低角度剪切裂縫主要發(fā)育在粗-細(xì)砂巖中，層理縫主要分布在粗-中砂巖中。天然裂縫的分布受巖石力學(xué)層的控制，裂縫密度隨著巖石力學(xué)層厚的增加而減小(圖3)。構(gòu)造部位對(duì)裂縫發(fā)育具有控制作用，通過(guò)對(duì)取心井和成像測(cè)井裂縫密度的統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合研究區(qū)的構(gòu)造特征發(fā)現(xiàn)，位于背斜末端、斷層端部與附近的井裂縫密度較大，裂縫較發(fā)育；遠(yuǎn)離斷層帶，裂縫密度明顯減小。這是由于背斜末端、斷層端部及斷層附近，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，構(gòu)造裂縫數(shù)量明顯增加。

圖3 XC地區(qū)須家河組巖層厚度與裂縫密度關(guān)系Fig.3 Relationship between reservoir thickness and fracture density in the Xujiahe Formation in XC area

2 大尺度裂縫描述

地震數(shù)據(jù)由于受地震子波波長(zhǎng)的影響，其具有一定的分辨率，利用疊后地震數(shù)據(jù)或地震屬性只能進(jìn)行一定尺度大小的裂縫描述[14]。根據(jù)地震數(shù)據(jù)的分辨率，將能夠利用大于1/4波長(zhǎng)的地震屬性進(jìn)行預(yù)測(cè)的裂縫定義成大尺度裂縫，而不能利用該屬性進(jìn)行描述的裂縫定義成小尺度裂縫。利用疊后地震資料進(jìn)行目的層的裂縫描述，主要是通過(guò)不同的地震屬性再進(jìn)行儲(chǔ)層描述或刻畫(huà)。主要采用了幾何類的地震屬性進(jìn)行疊后裂縫預(yù)測(cè)，選取傾角、方位角、方差、相干、螞蟻體和最大負(fù)曲率6種屬性。對(duì)于目的層段，利用單一屬性表征的裂縫分布規(guī)律如圖4所示，圖中分別展示了6種屬性的沿層切片。

圖4 目的層段的疊后地震屬性沿層切片F(xiàn)ig.4 Horizon slices showing seismic attributes extracted from the poststack seismic data of the target layera. 傾角；b.方位角；c.方差；d.相干體；e. 螞蟻體；f. 最大負(fù)曲率

由于不同地震屬性表征的是裂縫的不同特征，因此需要對(duì)不同的地震屬性進(jìn)行融合，以達(dá)到對(duì)裂縫的準(zhǔn)確精細(xì)刻畫(huà)。圖5所示是對(duì)上述的6種屬性進(jìn)行屬性融合后得到的裂縫發(fā)育規(guī)律及其分布特征，圖中分別展示了研究目的層的二維平面圖和三維立體刻畫(huà)圖。相比較于單獨(dú)的疊后地震屬性描述的裂縫發(fā)育規(guī)律，融合后的地震屬性更清晰地刻畫(huà)出了大尺度裂縫分布規(guī)律。

圖5 屬性融合后得到裂縫發(fā)育規(guī)律及其分布特征Fig.5 Development pattern and distribution features of fractures obtained from multi-attribute fusion

3 小尺度裂縫預(yù)測(cè)

對(duì)于儲(chǔ)層中發(fā)育的尺度小于1/4波長(zhǎng)的裂縫，常規(guī)的地震各向異性屬性難以進(jìn)行描述。因此，采用方位衰減梯度屬性來(lái)進(jìn)行小尺度裂縫的預(yù)測(cè)。從疊前方位道集數(shù)據(jù)中計(jì)算得到衰減梯度屬性，并進(jìn)一步利用該屬性方位擬合得到小尺度裂縫的發(fā)育強(qiáng)度和發(fā)育方向。由于疊前方位道集數(shù)據(jù)的信噪比較低，直接影響到后續(xù)的屬性計(jì)算等，因而需要對(duì)疊前方位道集數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，以提高其信噪比。圖6展示了部分道集數(shù)據(jù)在去噪前后的對(duì)比，從圖中可以看出，去噪處理后的道集數(shù)據(jù)信噪比得到明顯的提高，其中有效信號(hào)反射同相軸更加清晰可見(jiàn)。

圖6 疊前CMP道集數(shù)據(jù)去噪前后對(duì)比Fig.6 Comparison of the prestack CMP gathers before and after noise supressiona.去噪處理前道集；b.去噪處理后道集

經(jīng)過(guò)去噪等提高信噪比處理后的疊前方位道集數(shù)據(jù)，可以更好地計(jì)算方位各向異性屬性，用于裂縫預(yù)測(cè)。目前，基于HTI介質(zhì)模型的常用疊前方位各向異性屬性，包括振幅、速度和旅行時(shí)間等，研究表明這些屬性主要反應(yīng)的是裂縫的綜合響應(yīng)特征，而衰減相關(guān)的方位特征屬性主要反映的是小尺度裂縫的響應(yīng)特征。圖7展示了疊前方位道集數(shù)據(jù)和衰減梯度屬性，對(duì)比圖中道集數(shù)據(jù)展示出衰減梯度屬性更清晰地反映出裂縫發(fā)育的各向異性特征。

圖7 疊前方位道集與衰減梯度屬性對(duì)比Fig.7 Comparison of prestack azimuthal seismic gathers and azimuthal attenuation gradient attributesa.方位道集；b.衰減梯度

圖8為利用疊前方位道集數(shù)據(jù)計(jì)算得到的衰減梯度屬性，展示的是裂縫發(fā)育強(qiáng)度與發(fā)育方向的預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)結(jié)果主要反映了小尺度裂縫的發(fā)育規(guī)律。裂縫發(fā)育走向以近東西向和北東-南西向?yàn)橹鳎植堪l(fā)育北西-南東向裂縫。同時(shí)，結(jié)合研究目標(biāo)區(qū)的成像測(cè)井資料解釋得到的裂縫發(fā)育方向(圖9)。圖9中左列裂縫發(fā)育方向的玫瑰圖為統(tǒng)計(jì)的研究區(qū)成像資料解釋結(jié)果，右列為利用地震數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)得到的裂縫發(fā)育方向結(jié)果。其中圖9a對(duì)比了整個(gè)研究區(qū)范圍的裂縫發(fā)育情況，而圖9b和圖9c分別是對(duì)應(yīng)研究區(qū)兩口成像測(cè)井(X856和X10)的裂縫發(fā)育方向?qū)Ρ取５卣痤A(yù)測(cè)得到的裂縫發(fā)育方向與成像測(cè)井解釋得到的裂縫發(fā)育方向具有很好的一致性，驗(yàn)證了裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 裂縫發(fā)育規(guī)律

結(jié)合疊后大尺度裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與疊前小尺度裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行目的層的綜合描述。圖10對(duì)比了研究目標(biāo)區(qū)的疊后裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與過(guò)井地震剖面結(jié)果，以及疊前裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果。圖11為大小尺度裂縫預(yù)測(cè)的疊后顯示及研究區(qū)的生產(chǎn)井綜合解釋結(jié)果，圖中展示的大尺度裂縫為藍(lán)色，小尺度裂縫為紅黃綠彩色顯示。圖中紅色井號(hào)：高產(chǎn)井，大于10萬(wàn)方;粉色井號(hào)：中產(chǎn)井，3～10萬(wàn)方;棕色井號(hào)：低產(chǎn)井，1～3萬(wàn)方;黑色井號(hào)：不出氣井，小于1萬(wàn)方；綠色井號(hào)：氣水同出井，產(chǎn)水30～100方/天；藍(lán)色井號(hào)：高產(chǎn)水井號(hào)，產(chǎn)水大于100方/天。通過(guò)對(duì)目標(biāo)區(qū)的不同產(chǎn)量的生產(chǎn)井的產(chǎn)量結(jié)果與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與高產(chǎn)井的吻合率達(dá)90%，中低產(chǎn)井的吻合率達(dá)90%，裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)井生產(chǎn)結(jié)果吻合較好。

圖10 疊前裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與疊后裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)井剖面對(duì)比Fig.10 Cross-well section comparison of pre-stack and post-stack fracture prediction resultsa.目標(biāo)區(qū)疊后裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)井剖面；b.目標(biāo)區(qū)疊前裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)井剖面

圖11 大尺度與小尺度裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果疊合顯示與井生產(chǎn)情況對(duì)比Fig.11 Superimposed display of large-scale and small-scale fracture prediction results and correlation with well performance

5 結(jié)論

1) 將儲(chǔ)層中的裂縫劃分為大尺度裂縫和小尺度裂縫，采用疊后地震屬性進(jìn)行大尺度裂縫預(yù)測(cè)及雕刻，利用疊前衰減各向異性屬性進(jìn)行小尺度裂縫描述，形成了基于疊前及疊后地震屬性的綜合裂縫發(fā)育體系預(yù)測(cè)技術(shù)。

2) 實(shí)際工區(qū)應(yīng)用結(jié)果表明，利用疊后幾何類地震屬性可很好地刻畫(huà)大尺度裂縫的分布規(guī)律，而利用疊前衰減屬性可以很好地精細(xì)描述小尺度裂縫。裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)井?dāng)?shù)據(jù)吻合較好，同時(shí)與成像測(cè)井統(tǒng)計(jì)的裂縫發(fā)育方向相比較，預(yù)測(cè)得到的裂縫發(fā)育方向與成像測(cè)井描述的結(jié)果吻合，結(jié)果可靠。文中提出的多尺度裂縫預(yù)測(cè)方法及技術(shù)流程，可以為相應(yīng)的非常規(guī)裂縫性儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和地球物理甜點(diǎn)預(yù)測(cè)提供很好的借鑒。