基于寬方位地震數(shù)據(jù)的煤層裂隙預測方法研究

張憲旭

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣開采可以有效降低瓦斯突出事故的風險，抽出的瓦斯也能當作能源來利用，同時煤層氣的使用具有減少溫室氣體排放、保護大氣環(huán)境的作用。在我國煤層氣資源也較為豐富，其中埋深2 000 m以淺的煤層氣資源量約30×1012m3，位居世界第3[1-2]。煤層氣開發(fā)技術(shù)經(jīng)過20余年發(fā)展，現(xiàn)在采用直井/叢式井壓裂和水平井壓裂的開采技術(shù)，在沁水、鄂爾多斯盆地東緣形成了較大的開采規(guī)模[2]，但因為我國煤層氣賦存的地質(zhì)條件復雜，現(xiàn)有勘探技術(shù)尚難以滿足效益開發(fā)要求，導致整體開采效益不高，沒有達到我國既定的規(guī)劃目標[3]。裂隙又稱割理，是煤層氣的主要滲流和運移的主要通道，查明裂隙發(fā)育情況，對煤層氣的壓裂和開采都具有重要意義[4-5]。目前裂縫預測方法主要有通過觀察巖芯或地表露頭獲得裂縫發(fā)育情況的地質(zhì)學方法[6-8]；使用微電阻率成像和聲波成像等技術(shù)的測井方法[9]；利用疊后數(shù)據(jù)的相干分析、曲率分析、吸收衰減分析、疊前數(shù)據(jù)的旅行時差和AVO(Amplitude variation with offset)屬性分析的地震方法。這些方法中地震方法依據(jù)其數(shù)據(jù)樣點多和三維成像的特點發(fā)展較為迅速，特別是近些年兩寬一高的采集方式的提出，利用裂縫型儲層在宏觀上呈現(xiàn)HTI(Horizontal Transverse Isotropy)各向異性特征，基于數(shù)據(jù)包含豐富的方位角和偏移距信息，利用OVT(Offset Vector Tile)道集中不同方位的速度、振幅、時差和吸收屬性的差異對裂縫發(fā)育的強度、方向和區(qū)域進行預測，提高了頁巖氣等裂縫形儲層勘探精度[10]。基于此，本文以沁水盆地某煤層氣勘探區(qū)塊的寬方位地震資料為基礎，利用OVT處理與解釋技術(shù)，獲得了區(qū)內(nèi)構(gòu)造、裂隙發(fā)育方向、強度和密度的預測成果，依據(jù)預測成果指導井位部署和壓裂工作，獲得了90%以上鉆遇率和良好的壓裂效果。

1 理論基礎

(1)裂縫儲層預測。煤層氣主要以吸附態(tài)賦存在孔隙中，宏觀裂縫是煤層氣運移的通道，微裂縫是溝通孔隙和裂縫的橋梁[11-12]。隨著地層埋深逐漸增大，上覆地層的壓實作用使水平或低角度裂縫近乎消失，對裂縫性氣藏貢獻大的是易于保存的高角度和近于垂直的裂縫，這種類型的裂縫主要表征為HTI(Horizontal Transverse Isotropy)各向異性[13]。當?shù)卣鸩ㄔ贖TI各向異性介質(zhì)中傳播時，波沿著裂縫發(fā)育方向傳播，地震波速度受裂隙的影響最小，傳播速度較快，當傳播方向與裂隙走向角度增大時，傳播速度逐步減慢，在地震波垂直裂縫發(fā)育方向傳播時傳播速度最慢，其中地震波的走時、振幅和頻率都有相應的變化。因此，依據(jù)這些特征，利用方位數(shù)據(jù)對裂隙的發(fā)育情況進行預測[14-15]。

(2)OVT技術(shù)。基于寬方位地震數(shù)據(jù)攜帶著較為豐富的方位角信息，通過OVT域的處理方法可以獲得OVT數(shù)據(jù)，每個OVT道集包含X、Y、T、炮檢距和方位角信息的5D信息[13，16]。利用OVT數(shù)據(jù)的方位信息，可以分析HTI介質(zhì)中地震波在不同方向上傳播過程中表現(xiàn)的速度、振幅、走時以及頻率衰減梯度等參數(shù)的特征，這些參數(shù)在平面上通常表現(xiàn)為橢圓特征，可以根據(jù)橢圓的長軸方向及橢圓的扁率，對裂縫的走向、強度和密度進行預測[13，15]。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)地處沁水盆地中段東部、太行山西麓，區(qū)內(nèi)大部分被第四系黃土覆蓋，地表經(jīng)長期風化剝蝕，溝谷縱橫，最大高差達250 m，地表地震地質(zhì)條件復雜(圖1)。區(qū)內(nèi)地層自下而上包括：震旦系，寒武系、奧陶紀、石炭系、二疊系，三疊系、侏羅系，新生界新近系上新統(tǒng)及第四系。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組3號煤層和石炭系上統(tǒng)太原組15號煤層，煤層賦存穩(wěn)定整體為背斜構(gòu)造，地層傾角在14°以內(nèi)，埋深在1 000～2 000 m，地下的地震地質(zhì)情況較簡單。研究區(qū)處于勘探開發(fā)階段，主要勘探目標是查明煤層構(gòu)造、主要斷層、地層主應力方向、裂隙發(fā)育程度、構(gòu)造煤發(fā)育和煤儲層物性條件，為后續(xù)煤層氣井的部署、水平井隨鉆監(jiān)測、井網(wǎng)設計及壓裂方案提供地質(zhì)信息。

圖1 研究區(qū)地形

3 采集情況

由于勘探范圍內(nèi)地表條件較為復雜，地表有公路、村莊等障礙物，加之目的層埋藏較深，為保證勘探精度，達到對煤層裂隙方向、裂縫密度預測及指導水平井鉆進和壓裂的地質(zhì)任務要求，野外施工使用16線5炮制，線束方向垂直主要構(gòu)造方向布設，橫縱為0.83的寬方位高密度的觀測系統(tǒng)進行采集(圖2)，具體參數(shù)見表1。由于觀測系統(tǒng)縱橫比較大，數(shù)據(jù)攜帶豐富的方位信息，為方位各向異性分析及裂縫預測提供了基礎。

表1 觀測系統(tǒng)參數(shù)

圖2 觀測系統(tǒng)

4 資料處理

采集得到的數(shù)據(jù)具有較高的覆蓋次數(shù)，包含不同方位上的地下反射信息(圖2)，需要在資料處理過程中，利用OVT技術(shù)建立起方位角與振幅、時間和速度等地震信息的關(guān)系，為方位各向異性分析及裂縫檢測的前提；校正由于地下應力和裂隙發(fā)育引起的方位各向異性問題，使得地震道集被校平，改善處理效果，提高處理精度[14，17]。根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)特點，此次OVT的處理流程如圖3所示，其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括OVT面元劃分、5D規(guī)則化、OVT域疊前時間偏移、方位各向異性校正。

圖3 OVT處理流程

4.1 OVT面元劃分及抽取

OVT道集又叫炮檢距向量片[18]，是在CMP道集基礎之上，依據(jù)偏移距和方位角，將地震數(shù)據(jù)按照逆時針順序編排OVT號(圖4)對數(shù)據(jù)重新進行劃分，抽取具有相同OVT號的地震道集[19]。OVT道集在傳統(tǒng)的CMP道集的X、Y、Z三維屬性之上，加入了偏移距和方位角屬性，構(gòu)成了5D數(shù)據(jù)。

圖4 OVT面元劃分

4.2 五維規(guī)則化

研究區(qū)由于高速公路、村莊、溝壑等障礙物的影響，局部存在一定變觀，造成了數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)不均勻、數(shù)據(jù)缺失和偏移噪聲的出現(xiàn)。對于常規(guī)的偏移數(shù)據(jù)，只要有一次覆蓋數(shù)據(jù)就不會出現(xiàn)缺失問題，但各向異性分析對數(shù)據(jù)有更高的要求，數(shù)據(jù)缺失部分偏移距數(shù)據(jù)或方位角數(shù)據(jù)，都會造成OVT片各向異性分析無法進行，需要數(shù)據(jù)規(guī)則化來彌補這樣的問題。常規(guī)數(shù)據(jù)規(guī)則化主要在X、Y和T域?qū)?shù)據(jù)進行重構(gòu)，主要利用其中1個或2個域的信息對另外一個域進行插值，但無法同時對炮檢距和方位角進行處理。五維數(shù)據(jù)規(guī)則化同時考慮X、Y、T、炮檢距和方位角信息，當某一個維度信息分布缺失，基于其他4個維度的信息使用非均勻傅立葉重構(gòu)技術(shù)對數(shù)據(jù)規(guī)則化重建，插值缺失數(shù)據(jù)、改善數(shù)據(jù)屬性不均勻，滿足各向異性分析的要求。

4.3 OVT域疊前時間偏移

OVT域疊前時間偏移和常規(guī)的共炮檢距疊前時間偏移都是采用Kirchhoff偏移方法，因此從偏移效果上說沒有本質(zhì)區(qū)別。但與常規(guī)的疊前時間偏移相比，OVT疊前時間偏移考慮并計算每個OVT道集的平均炮檢距和方位角信息，并將這2種信息作為數(shù)據(jù)道頭予以保留[13，16]。因此，OVT道集相比傳統(tǒng)的疊前時間偏移的CRP道集攜帶著更多的信息，這些信息是后續(xù)開展方位各向異性校正、應力預測和裂縫預測等五維解釋的前提與基礎[13，15]。

4.4 方位各向異性校正

介質(zhì)由于上覆巖層自重的壓實作用，主要保留垂直或近似垂直的裂縫，這些裂縫在宏觀上具有HTI方位各向異性特征，各向異性特征導致了地震波從不同方位角進行傳播地震波的波速有所不同，在數(shù)據(jù)上會出現(xiàn)振幅、時間和頻率上的差異，從研究區(qū)內(nèi)OVT偏移后的OVT道集上可以看出(圖5(a))，650 ms處的3煤的反射出現(xiàn)了隨著方位角的變化同相軸出現(xiàn)正弦波動的現(xiàn)象，其中振幅、時間都出現(xiàn)了異常。這些異常雖然是裂縫預測的前提，但是對于地震成像會出現(xiàn)一定的問題。這是因為數(shù)據(jù)正弦波動無法做到同向疊加，疊加后的數(shù)據(jù)分辨率有一定的下降(圖6(a))。

圖5 方位各向異性校正前后偏移道集

基于OVT道集，給出煤層所在的時間窗口，通過自動拾取方位各向異性剩余時差，反演求取方位各向異性速度(快慢波)，消除OVT道集中由于速度引起的反射波旅行時引起的旅行時差異。對比道集校正前后效果(圖5)，道集上的隨著不同方位角不同引起同相軸出現(xiàn)類似正弦波動的現(xiàn)象被基本消除，消除了方位各向異性差異。對比校正前后偏移剖面(圖6)，校正后的偏移剖面的頻率有一定的提升，原來650 ms分不開的同相軸也能清晰成像。

圖6 方位各向異性校正前后偏移剖面

5 裂縫預測

地震波在各向異性介質(zhì)傳播時，地震波波沿裂縫發(fā)育方向傳播旅行時最短，能量最強，隨著傳播方向與裂縫走向角度增大，能量減弱，縱波垂直裂縫發(fā)育方向傳播時，能量最弱，整體規(guī)律表現(xiàn)為一個橢圓，橢圓的長軸方向代表著裂縫的走向，橢圓的扁率代表裂縫的密度，這是裂縫預測的基礎。除了速度和振幅外，能量衰減、時差、AVO梯度、頻率等屬性也具有橢圓規(guī)律，同樣可以用于裂縫的預測[17-19]。

(1)各向異性分析。通過過井點的振幅、時差，通過調(diào)整不同的方位角和偏移距來進行橢圓擬合(圖7(b)、圖7(e)和圖7(g))，其長軸方向為主裂隙的方向，裂隙的強度用橢圓的長短軸之比來表示，裂隙的可信度可以用橢圓擬合點與橢圓的離散程度來表示。圖7(e)為37井點裂縫預測的擬合橢圓，圖7(f)為最大振幅切片，從擬合的橢圓和切片上可以看出，其方位各向異性較為明顯；從井1(圖7(b)和圖7(c))和井36(圖7(g)和圖7(h))來看，井1的方位各向異性相對較弱，井36的方位各向異性最弱。

圖7 裂縫預測

(2)模板確定及裂縫預測。根據(jù)已知的3口井的已知裂縫方向(井1和井37為北東向、井36為東西向)，測試近井點目的層的振幅、時差在不同偏移距和方位參數(shù)，將預測結(jié)果與井數(shù)據(jù)吻合較好的參數(shù)保存為模板，用于全區(qū)裂縫預測。在煤層反射較好且穩(wěn)定的前提下，經(jīng)過方法與參數(shù)測試，研究區(qū)使用最大振幅預測方法，在保證具有全方位角觀測條件下，偏移距選擇130～1 600 m預測效果吻合最好，其預測出的裂縫發(fā)育方向和強度如圖7(d)所示。對比裂縫的預測結(jié)果(圖7(d))與目的層的構(gòu)造(圖7(a))可以看出，裂縫的密度和強度較大的為紅色區(qū)域，裂縫的方向主要為南北向，這與3煤的主要為背斜構(gòu)造、主要地應力方向為東西向、裂縫應主要發(fā)育在背斜的軸部的地質(zhì)情況相吻合。利用本次研究的構(gòu)造解釋及裂縫預測成果，成功指導后期3口煤層氣水平井的施工及壓裂，鉆遇率達到90%以上，壓裂效果良好。

6 結(jié)論

(1)方位各向異性會在道集上引起同相軸類似正弦曲線的異常，導致數(shù)據(jù)無法同向疊加，導致偏移剖面頻率有所降低，對數(shù)據(jù)進行各向異性校正之后的偏移道集消除了旅行時異常，校正后的偏移剖面分辨率有一定的提升。

(2)以已知井數(shù)據(jù)的裂隙發(fā)育情況為基礎，測試近井點裂隙預測參數(shù)，以測試好的參數(shù)為基礎建立預測模板對全區(qū)裂隙進行預測，預測結(jié)果與3煤構(gòu)造形態(tài)、主要地應力方向和裂縫應主要發(fā)育在背斜的軸部的地質(zhì)情況相吻合，預測效果在水平井的施工及的壓裂得到了驗證。

(3)煤層的反射同相軸振幅較強且連續(xù)性好，使用最大振幅預測方法預測效果較好，由于各向異性引起的道集上的同相軸異常在大偏移距上異常更為明顯，因此模板在保證有較豐富方位信息的前提下包含較大偏移距的數(shù)據(jù)預測更為穩(wěn)定。