渤中19-6油田變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕裂縫地震響應(yīng)特征及預(yù)測(cè)技術(shù)

張志軍 肖廣銳 李 堯

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

裂縫型油氣藏分布廣泛，在中國(guó)油氣生產(chǎn)中占有重要地位。但裂縫型油氣藏特征復(fù)雜，尤其是變質(zhì)巖潛山裂縫型儲(chǔ)層具有孔隙度低、非均質(zhì)性強(qiáng)且裂縫分布復(fù)雜的特點(diǎn)，準(zhǔn)確、有效地預(yù)測(cè)和描述地下裂縫是裂縫型油氣藏勘探、開發(fā)的難點(diǎn)。目前，主要有測(cè)井、微地震、基于裂縫成因分析和基于裂縫地震響應(yīng)特征等裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方法[1-2]。測(cè)井方法主要利用成像測(cè)井資料識(shí)別裂縫，但僅局限于井筒附近，難以刻畫儲(chǔ)層的橫向分布；微地震方法主要用于頁(yè)巖氣的壓裂檢測(cè)；基于裂縫成因分析的方法主要分析裂縫形成的地質(zhì)因素，通過(guò)古地貌恢復(fù)、應(yīng)力場(chǎng)分析以及沉積相分析等方法預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育有利區(qū)帶和發(fā)育程度[3-4]?；诹芽p地震響應(yīng)特征的方法主要通過(guò)分析裂縫型儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征提取波形、振幅和頻率類屬性(不連續(xù)性、相干、波形、振幅、頻率和吸收衰減、彈性反演參數(shù)以及各向異性等)預(yù)測(cè)裂縫[5-7]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于潛山內(nèi)幕裂縫儲(chǔ)層的復(fù)雜性和地震資料品質(zhì)的限制，預(yù)測(cè)結(jié)果往往存在一定的多解性和不確定性。本文針對(duì)渤海海域渤中19-6油田太古界變質(zhì)巖潛山裂縫儲(chǔ)層的特點(diǎn)，綜合利用井震資料劃分?jǐn)嗔押土芽p尺度，并分析不同尺度裂縫的成因、地震響應(yīng)特征。在此基礎(chǔ)上，采用相應(yīng)的方法預(yù)測(cè)不同尺度的裂縫。

1 渤中19-6油田變質(zhì)巖潛山裂縫尺度劃分及地震響應(yīng)特征

1.1 太古界變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層基本特征

渤中19-6油田位于渤中西南洼和渤中主洼之間的近南北向構(gòu)造脊上，整體具有洼中隆的構(gòu)造背景，成藏條件優(yōu)越，是目前渤海灣盆地最大的天然氣田。目的層主要為太古界潛山，巖石類型多樣，主要為變質(zhì)巖和后期侵入的巖脈，變質(zhì)巖以片麻巖、變質(zhì)花崗巖、混合片麻巖、碎裂巖和碎斑巖為主。太古界變質(zhì)巖儲(chǔ)集空間按成因分為風(fēng)化淋濾孔(縫)、礦物顆粒晶內(nèi)裂縫和構(gòu)造裂縫3大類，鏡下觀察裂縫具有多期形成特征，為氣藏提供了有效的儲(chǔ)集空間。對(duì)228塊變質(zhì)巖巖心的孔隙度和滲透率測(cè)試結(jié)果表明，孔隙度為0.2%～21.9%(平均為4.4%)，滲透率為0.003～614.784mD(平均為5.050mD)，因此變質(zhì)巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性強(qiáng)。

鉆井資料揭示，渤中19-6太古界潛山在垂向具有明顯分帶性(圖1左)，從潛山頂面向下，依次分為風(fēng)化裂縫帶、相對(duì)致密帶、內(nèi)幕裂縫帶和致密帶，其中風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫帶為儲(chǔ)層發(fā)育段。風(fēng)化裂縫帶受構(gòu)造作用和風(fēng)化淋濾作用的雙重影響，主要發(fā)育孔隙-裂縫型儲(chǔ)層，鏡下可見大量沿裂縫發(fā)育的溶蝕擴(kuò)大孔，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要集中在潛山頂部120～200m范圍內(nèi)，測(cè)井響應(yīng)呈高自然伽馬、低電阻率特征，在地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)強(qiáng)軸(圖2a)。成像測(cè)井表明風(fēng)化帶裂縫密度為4～8條/m，走向?yàn)楸睎|向，平均傾角為40°～55°(圖1右)。內(nèi)幕裂縫帶主要為受構(gòu)造活動(dòng)影響而形成的構(gòu)造縫，在地震剖面上整體呈雜亂、斷續(xù)反射特征，局部可見明顯斷續(xù)、高陡反射特征。成像測(cè)井表明內(nèi)幕裂縫帶裂縫密度為2～5條/m，走向?yàn)楸睎|向，平均傾角為38°～55°(圖1)。與相對(duì)致密帶(速度為6000～6200m/s，密度為2.61～2.73g/cm3)相比，裂縫儲(chǔ)層表現(xiàn)為低速、低密特征(風(fēng)化裂縫帶速度為4750～5200m/s、密度為2.52～2.60g/cm3，內(nèi)幕裂縫帶速度為4800～5300m/s、密度為2.55～2.65 g/cm3)。

圖1 渤中19-6油田太古界潛山垂向分布特征(左)及裂縫儲(chǔ)層成像測(cè)井特征(右)

1.2 裂縫尺度劃分及其地震響應(yīng)特征

針對(duì)該油田的區(qū)域構(gòu)造發(fā)育模式、應(yīng)力場(chǎng)特征及鉆井資料，地震正演分析表明，深埋變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕不同尺度裂縫具有不同地震響應(yīng)特征。分析該油田地震資料可知，太古界變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕主要有三種地震反射結(jié)構(gòu)(圖2)：①低頻、中強(qiáng)振幅連續(xù)的高陡斷面波；②低頻、斷續(xù)的高陡交叉網(wǎng)狀；③空白反射背景下的局部雜亂中強(qiáng)異常振幅。分析鉆井資料可知，三種反射結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的裂縫儲(chǔ)層發(fā)育程度。以測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、地震響應(yīng)特征為依據(jù)，將潛山內(nèi)幕裂縫分為大、中、小三個(gè)尺度，并建立不同尺度裂縫模型進(jìn)行正演分析。由于小尺度裂縫張開度在厘米級(jí)別，常規(guī)正演建模難以滿足其精度。本文采用裂縫組或裂縫帶的等效建模方法。首先通過(guò)成像測(cè)井確定小尺度裂縫發(fā)育層段，然后通過(guò)相應(yīng)層段的速度、密度測(cè)井曲線計(jì)算平均速度、密度作為小尺度裂縫段的等效參數(shù)。

圖2 渤中19-6油田潛山內(nèi)幕不同地震反射特征

圖3 為不同尺度裂縫模型及其正演剖面。由圖可見：①受區(qū)域構(gòu)造及應(yīng)力作用，尤其是變質(zhì)巖潛山由于脆性較強(qiáng)，潛山內(nèi)幕極容易受內(nèi)幕斷裂或大尺度裂隙帶影響(圖3a)，地震反射結(jié)構(gòu)為低頻、中強(qiáng)振幅連續(xù)的高陡斷面波，是潛山內(nèi)幕大尺度裂縫儲(chǔ)層發(fā)育帶的直接指示特征(圖3d)。②變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕中(圖3b)、小尺度(圖3c)裂隙是產(chǎn)生地震散射或繞射的主控因素，主要出現(xiàn)在潛山內(nèi)幕大斷裂相對(duì)不發(fā)育帶，地震反射結(jié)構(gòu)為低頻、斷續(xù)的高陡交叉網(wǎng)狀(圖3e)或雜亂(圖3f)；變質(zhì)巖基質(zhì)孔隙度較低，且基本無(wú)波阻抗差異，造成變質(zhì)巖內(nèi)幕反射相當(dāng)弱，甚至無(wú)反射。③如果內(nèi)幕發(fā)育縫洞及巖性變化時(shí)，波阻抗突然變化，造成反射系數(shù)急劇增大，在縫洞體與圍巖接觸部位可形成強(qiáng)烈的繞射源，在疊后地震資料上呈振幅突然變大或局部出現(xiàn)與基質(zhì)反射極不一致的繞射特征；當(dāng)裂縫發(fā)育時(shí)，地震散射或繞射作用較明顯，即地震記錄中散射或繞射波能量的強(qiáng)弱與裂縫發(fā)育程度密切相關(guān)。上述認(rèn)識(shí)明確了潛山內(nèi)幕儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征，為深埋變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕裂縫型儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。

圖3 不同尺度裂縫模型及其正演剖面

2 變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)

渤中19-6油田變質(zhì)巖潛山由于埋深大以及受上覆高速特殊巖性體屏蔽作用，潛山內(nèi)幕斷裂地震響應(yīng)不清、信噪比低，常規(guī)地震方法難以有效刻畫內(nèi)幕儲(chǔ)層展布規(guī)律?；跐撋絻?nèi)幕不同尺度裂縫的地震響應(yīng)特征，通過(guò)曲波變換增強(qiáng)內(nèi)幕斷裂反射波，明確了內(nèi)幕斷層邊界特征和復(fù)雜構(gòu)造特征，可精細(xì)刻畫內(nèi)幕斷裂或大尺度裂縫帶。通過(guò)繞射波分離的裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)內(nèi)幕中、小尺度裂縫帶。綜合不同尺度裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果有效預(yù)測(cè)潛山內(nèi)幕多尺度裂縫型儲(chǔ)層。

2.1 基于曲波變換的內(nèi)幕斷裂或大尺度裂縫帶反射波增強(qiáng)技術(shù)

曲波變換是一種既有尺度特性、又同時(shí)具有角度特性的多分辨率分析工具，是基于小波理論發(fā)展起來(lái)的，其本質(zhì)是在小波基函數(shù)上添加一個(gè)表征方向的參數(shù)。因此，同時(shí)具有局部時(shí)頻分析能力和很強(qiáng)的方向選擇、辨識(shí)能力，可以非常有效地表示信號(hào)中具有方向性的奇異特性[8-9]。在地震信號(hào)處理中，曲波變換能以較低的冗余度對(duì)地震資料進(jìn)行尺度分解和角度分解。曲波變換的實(shí)質(zhì)是由基函數(shù)與信號(hào)內(nèi)積表達(dá)多尺度信號(hào)

(1)

式中Rθ為旋轉(zhuǎn)矩陣。

曲波變換具有分離不同頻率、不同傾角或不同位置信號(hào)的能力[10-13]。因此針對(duì)潛山內(nèi)幕大尺度裂縫形成的高角度反射，通過(guò)增大曲波域相應(yīng)位置的曲波系數(shù)重構(gòu)增強(qiáng)信息。

為了精細(xì)刻畫潛山內(nèi)幕大尺度斷裂帶發(fā)育特征，利用曲波變換的多尺度、多角度特性，將地震數(shù)據(jù)在曲波域分解到不同尺度上，然后保持中、小尺度數(shù)據(jù)不變，對(duì)大尺度數(shù)據(jù)賦予更大的重構(gòu)系數(shù)，使重構(gòu)數(shù)據(jù)能夠突出大斷裂信息。將重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次曲波變換，得到不同角度數(shù)據(jù)體，保持低角度數(shù)據(jù)不變，對(duì)中、高角度數(shù)據(jù)體進(jìn)行各向異性擴(kuò)散濾波，在保持?jǐn)嗔堰吔缧畔⒌那疤嵯氯コS機(jī)噪聲。最后將不同角度的地震數(shù)據(jù)線性相加，得到內(nèi)幕大尺度斷裂增強(qiáng)數(shù)據(jù)。圖4為曲波變換處理效果。由圖可見：相對(duì)于原始地震剖面(圖4a)，曲波增強(qiáng)后地震剖面(圖4b)較好地壓制了潛山內(nèi)幕隨機(jī)噪聲，明顯增強(qiáng)了內(nèi)幕斷層邊界特征和復(fù)雜構(gòu)造特征；相對(duì)于原始地震剖面曲率屬性(圖4c)，曲波增強(qiáng)后的曲率屬性(圖4d)有效指示了內(nèi)幕斷裂發(fā)育帶，揭示了潛山內(nèi)幕裂縫儲(chǔ)層的宏觀分布規(guī)律。

圖4 曲波變換處理效果

2.2 基于繞射波的中、小尺度裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)

由于太古界潛山內(nèi)幕無(wú)明顯強(qiáng)反射界面，因此地震反射能量較弱，加之裂縫發(fā)育造成地下介質(zhì)較強(qiáng)的非均質(zhì)性，地震波的散射或繞射作用較明顯，導(dǎo)致地震響應(yīng)為雜亂反射結(jié)構(gòu)，利用常規(guī)反射數(shù)據(jù)無(wú)法預(yù)測(cè)裂縫儲(chǔ)層。前人研究已證實(shí)，繞射波場(chǎng)是反映地下介質(zhì)非均質(zhì)性的重要信息，對(duì)小尺度特殊地質(zhì)體、裂縫發(fā)育帶引起的地層非均質(zhì)性具有直接指示作用，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體的空間尺度接近或小于地震1/4波長(zhǎng)時(shí)，從地震數(shù)據(jù)中分離的繞射波數(shù)據(jù)能夠精細(xì)刻畫小尺度地質(zhì)體(圖5)。因此，可以利用繞射波數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)潛山內(nèi)幕中、小尺度裂縫儲(chǔ)層[14-15]。

圖5 特征值區(qū)間優(yōu)選對(duì)比

在地震剖面上，繞射波往往出現(xiàn)于斷點(diǎn)、地層尖滅點(diǎn)、特殊地質(zhì)體等不連續(xù)結(jié)構(gòu)以及破碎帶和裂縫帶等非均質(zhì)性較強(qiáng)的地層中。繞射波會(huì)導(dǎo)致反射波能量在繞射點(diǎn)處存在局部異常，尤其在破碎帶和裂縫帶，往往會(huì)引起反射波能量擾動(dòng)甚至破壞同相軸的連續(xù)性，從而破壞反射信號(hào)的相關(guān)性。主成分分析(principal component analysis，PCA)是一種常用的多元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析方法，能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)中相關(guān)性較強(qiáng)的多個(gè)變量轉(zhuǎn)化成含有原有變量最大信息的彼此獨(dú)立的少數(shù)幾個(gè)變量[16-18]。PCA是一種統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)正交變換將一組可能存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量，轉(zhuǎn)換后的這組變量叫主成分，其常用于降維和特征提取[19-20]。利用PCA方法提取繞射波的步驟如下。

(1)計(jì)算原始地震數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣

C=cov(X)=E[(X-EX)(X-EX)T]

(2)

式中：X為輸入地震數(shù)據(jù)；E表示取均值。

(2)求取協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量

λ=ACAT

(3)

(4)

式中：λ為特征值矩陣；λ1>λ2>…>λn為n個(gè)特征值；A為特征向量。

(3)取前k(k

(4)提取原始地震數(shù)據(jù)的主能量(反射波)Y

Y=AkX

(5)

(5)求取分離的繞射波

D=X-Y

(6)

確定數(shù)據(jù)重構(gòu)的最優(yōu)特征值區(qū)間(即k值)是基于PCA分離繞射波的關(guān)鍵。為此，根據(jù)鉆井巖性數(shù)據(jù)建立不同尺度的裂縫模型，并進(jìn)行波動(dòng)方程正演模擬，通過(guò)模型數(shù)據(jù)分析不同特征區(qū)間提取的繞射波結(jié)果(圖5)。對(duì)不同尺度裂縫模型(圖5a)正演分析表明，采用前7%特征值對(duì)應(yīng)的特征向量重構(gòu)數(shù)據(jù)提取的繞射波剖面(圖5d)能較好地保持并突出繞射波能量，且殘留反射波能量相對(duì)較小。因此，該參數(shù)對(duì)應(yīng)的特征區(qū)間即為本區(qū)潛山內(nèi)幕繞射波能量的集中區(qū)間。首先，對(duì)圖3中的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。圖6為對(duì)圖3e提取的繞射波剖面。由圖可見，提取的繞射波能較好地反映斷點(diǎn)、裂縫等造成的地層不連續(xù)性和非均質(zhì)性。將該參數(shù)用于實(shí)際數(shù)據(jù)得到凸顯內(nèi)幕裂縫響應(yīng)的繞射波剖面(圖7)。可見：在地層受到擠壓、容易產(chǎn)生破裂的“脊”部以及在斷層附近容易產(chǎn)生派生裂隙的部位，繞射波能量相對(duì)較強(qiáng)；在平行反射同相軸(地層連續(xù)性較好)部位繞射波能量較弱。說(shuō)明繞射波能量能夠較好地反映中、小尺度裂縫發(fā)育帶。

圖6 對(duì)圖3e提取的繞射波剖面

圖7 實(shí)際原始地震剖面(a)、繞射波地震剖面(b)

2.3 應(yīng)用效果

將(由曲波變換增強(qiáng)的)反映大尺度裂縫信息的高角度內(nèi)幕反射數(shù)據(jù)與(基于PCA提取的)反映中、小尺度裂縫信息的繞射波數(shù)據(jù)歸一化融合，綜合多波場(chǎng)信息有效預(yù)測(cè)了潛山內(nèi)幕多尺度裂縫型儲(chǔ)層。圖8為實(shí)際原始振幅屬性與融合屬性平面圖。由圖可見，相對(duì)原始振幅屬性(圖8a)，融合屬性(圖8b)預(yù)測(cè)的裂縫儲(chǔ)層分布與斷裂分布、張性裂縫應(yīng)力區(qū)具有較好的相關(guān)性，更符合地質(zhì)認(rèn)識(shí)。該區(qū)前期鉆井大多針對(duì)潛山頂部風(fēng)化帶儲(chǔ)層，在本文研究基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化、調(diào)整后續(xù)鉆井方案，針對(duì)潛山內(nèi)幕加深鉆探評(píng)價(jià)部署了多口井，為潛山內(nèi)幕的高效勘探評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)，也為外圍區(qū)的滾動(dòng)勘探提供了技術(shù)支持，擴(kuò)大了儲(chǔ)量規(guī)模。

圖8 實(shí)際原始振幅屬性(a)與融合屬性(b)平面圖

3 結(jié)論

根據(jù)鉆井資料，通過(guò)分析地震、地質(zhì)特征與地震正演模擬，總結(jié)了渤中19-6油田變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕不同尺度裂縫的地震響應(yīng)特征，認(rèn)為潛山內(nèi)幕大尺度裂縫帶是產(chǎn)生高角度地震反射的主控因素，內(nèi)幕中、小尺度裂縫導(dǎo)致地層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，是產(chǎn)生地震散射或繞射的主控因素。在此認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，綜合利用基于曲波變換的內(nèi)幕斷裂或大尺度裂縫帶反射波增強(qiáng)技術(shù)和基于繞射波的中、小尺度裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，提高了變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕裂縫儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)精度。對(duì)變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕的勘探評(píng)價(jià)具有一定借鑒意義。