OVT域疊前裂縫預(yù)測技術(shù)在沁水盆地煤層氣勘探中的應(yīng)用

李 娟， 田忠斌,2， 申有義， 楊曉東， 程慧慧

(1.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西晉中 030600；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083)

煤層裂縫是影響煤儲層滲透率的重要因素[1-4]，同時也是一項(xiàng)重要的煤層氣高產(chǎn)富集因素[5]，對煤層氣水平井網(wǎng)部署及壓裂、開發(fā)起到至關(guān)重要的作用。所以，開展深部煤儲層裂縫預(yù)測對煤層氣勘探開發(fā)具有重要意義。

裂縫預(yù)測研究方法較多，有地質(zhì)、測井、構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬和地震方法等[6-7]。利用巖心和測井資料比較準(zhǔn)確、直觀，但巖心及測井資料的控制范圍有限[8]；構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬是建立在地質(zhì)和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，預(yù)測結(jié)果經(jīng)驗(yàn)因素所占比重較大[6,9]。地震裂縫檢測方法有縱波、橫波勘探、VSP地震等[10]。理論上橫波比縱波對裂縫產(chǎn)生的各向異性更敏感，但橫波勘探成本高，且獲得的地震資料信噪比低，從而使得利用橫波進(jìn)行裂縫預(yù)測受到限制[10]。VSP井中地震勘探范圍有限，無法進(jìn)行橫向裂縫預(yù)測。窄方位縱波勘探可利用疊后資料進(jìn)行裂縫預(yù)測，利用相干、曲率等屬性技術(shù)進(jìn)行分析，但主要對較大的斷裂進(jìn)行刻畫，預(yù)測裂縫精度較低。

基于寬方位縱波資料預(yù)測裂縫有其獨(dú)特的優(yōu)勢，炮檢距向量片(OVT)技術(shù)考慮了寬方位觀測帶來的方位各向異性信息，有利于提高地震成像精度；同時該技術(shù)在處理過程中保留了炮檢距和方位角信息[11]，為各向異性精細(xì)表征裂縫提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本次研究基于沁水盆地某區(qū)塊的寬方位地震勘探資料，在OVT域處理技術(shù)獲得的分方位地震數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用疊前寬方位各向異性技術(shù)對煤儲層的裂縫密度及走向進(jìn)行了預(yù)測，為煤層氣水平井的井位部署及壓裂提供了技術(shù)支撐。

1 OVT域處理關(guān)鍵技術(shù)

1.1 OVT的定義

OVT的概念由Vermeer[12]在1998年率先提出，又叫共炮檢距向量片(Offset Vector Tiles，簡稱COV)。OVT是十字排列道集內(nèi)的一個數(shù)據(jù)子集[13]，把十字排列域內(nèi)的同一炮線和檢波線的數(shù)據(jù)抽取出來并進(jìn)行分組，組成相應(yīng)的OVT道集[14](圖1、圖2)。OVT道集是覆蓋全區(qū)的一次覆蓋數(shù)據(jù)體[15]，它可以獨(dú)立偏移，這樣偏移后可以保存炮檢距和方位角信息[16]，方便用于進(jìn)行方位角分析，這是OVT道集最大的優(yōu)勢。通過方位各向異性研究獲得的信息可直接反映出儲層裂縫走向和裂縫密度等信息，進(jìn)而為煤層氣水平井的部署和壓裂方案提供重要依據(jù)。

圖1 OVT片劃分示意圖Figure 1 Schematic diagram of OVT domain division

圖2 OVT數(shù)據(jù)體拼接示意圖Figure 2 Schematic diagram of OVT domain datavolume split joint

1.2 OVT域五維插值

與共炮檢距道集相比，OVT道集具有相近的炮檢距和方位角，OVT域內(nèi)數(shù)據(jù)具有更高的相似性[17]，數(shù)據(jù)保幅性更好，更有利于進(jìn)行五維插值處理。本區(qū)受村莊、省道、加油站等障礙物的影響，使得局部炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)分布不規(guī)則，引起空間采樣不均，從而導(dǎo)致了偏移噪聲等問題[18]，降低地震成像質(zhì)量，因此需要對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行五維插值處理，使得炮檢距、覆蓋次數(shù)等不規(guī)則的數(shù)據(jù)變得規(guī)則。OVT域五維插值選擇在Inline_NB、Crossline_NB、Offset_X、offset_Y和time五個域進(jìn)行插值和規(guī)則化。

1.3 OVT域疊前時間偏移

OVT域偏移與常規(guī)偏移方法相同，只是輸入的道集不同[19]。常規(guī)偏移輸入的道集為共炮檢距CMP道集，OVT域偏移的輸入數(shù)據(jù)為OVT道集。圖3是常規(guī)共炮檢距偏移與OVT域偏移后的道集對比，常規(guī)偏移之后的道集道數(shù)少(與炮檢距分組有關(guān))，近、遠(yuǎn)道能量弱、中間能量強(qiáng)。而OVT偏移后的CRP道集道數(shù)多，整體能量更均衡，近、中、遠(yuǎn)道能量趨于一致，更好地保留炮檢距和方位角信息，有利于進(jìn)行方位各向異性分析、疊前反演和裂縫預(yù)測等。

1.4 方位各向異性校正

OVT道集偏移后可按炮檢距和方位角分選成“蝸牛”道集(Snail gathers)進(jìn)行各向異性分析和校正。經(jīng)方位各向異性校正處理可消除方位各向異性對寬方位地震成像的影響，進(jìn)一步提高地震數(shù)據(jù)的成像精度[20]。

圖4為方位各向異性校正前后“蝸牛”道集對比，在各向異性校正前“蝸牛”道集上同向軸存在抖動的現(xiàn)象，說明具有方位各向異性；在校正后的“蝸?！钡兰厦合档貙?700～900ms)和海相地層(1 100～1 300ms)范圍內(nèi)的同相軸的“抖動”現(xiàn)象明顯消失。校正后的道集同相軸連續(xù)性明顯增強(qiáng)，更有利道集的同相疊加，校正后的道集質(zhì)量更好。同時保留了方位角信息，通過偏移距—方位角數(shù)據(jù)的選排和疊加，能夠獲得與裂縫方向和強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行裂縫的預(yù)測。

圖3 常規(guī)共炮檢距偏移后的CRP道集(左)與OVT域偏移后的CRP道集(右)對比圖Figure 3 Comparison of CRP trace gather after conventional common-offset migration (left) andafter OVT domain migration CRP trace gather (right)

(a)各向異性校正前 (b)各向異性校正后圖4 方位各向異性校正前、后道集Figure 4 Trace gathers before and after azimuth anisotropy correction

2 OVT域各向異性裂縫預(yù)測原理

由于煤層中割理裂隙發(fā)育，方位各向異性強(qiáng)，可以用各向介質(zhì)理論中具有水平對稱軸的橫向各向同性(即HTI介質(zhì))介質(zhì)模型進(jìn)行研究。利用分方位地震屬性進(jìn)行各向異性裂縫預(yù)測的原理主要是基于地層為HTI介質(zhì)的假設(shè)[21]，大量的研究表明：在HTI介質(zhì)中由于受裂縫密度及裂縫中流體物性的影響，地震波在不同方向上傳播的速度、振幅、走時以及頻率衰減梯度等參數(shù)的特征都是不同的，并且這些參數(shù)在平面上表現(xiàn)為橢圓特征[22]。本次應(yīng)用HTI介質(zhì)模型來描述裂縫的分布特征(圖5)，并基于該模型建立裂縫屬性計(jì)算公式。

當(dāng)入射角較小時，各向異性介質(zhì)中縱波反射振幅與裂縫參數(shù)(裂縫走向、裂縫傾角、裂縫密度)之間的關(guān)系可以表述為[23]

Rpp(θ,φ)=P+G(φ)sin2θ=P+[Giso+Ganicos2(φ-φsym)]sin2θ

(1)

式中：P為縱波垂直入射時的反射振幅；Giso為振幅隨偏移距的變化率，定義為各項(xiàng)同性梯度；Gani為振幅隨方位角的變化率，定義為各項(xiàng)異性梯度；φsym代表裂縫的走向，θ為地震波的入射角；φ為炮點(diǎn)到檢波點(diǎn)的方位角。

不同入射角的地震波對裂縫的敏感性不同。選擇對裂縫敏感性較大的某個入射角范圍(一般選擇一個較小的入射角范圍，此范圍內(nèi)sin2θ變化不大)，公式(1)簡化為

Rpp(φ)=A+Bcos2(φ-φsym)

(2)

利用上式可以計(jì)算得出A、B、φsym三個能夠表征裂縫特征的參數(shù)，振幅橢圓的B/A(長短軸之比)代表裂縫密度的相對大小(圖6)。

圖5 HTI介質(zhì)模型描述Figure 5 HTI medium model descriptions

圖6 裂縫介質(zhì)分方位屬性橢圓擬合示意圖Figure 6 Schematic diagram of fissure media azimuthalattribute ellipse fitting

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

XX區(qū)塊位于沁水盆地中東部沁水復(fù)向斜東翼，15號煤層埋深1 400～1 800m，煤層平均厚度5.18m，是本次研究的主要目的層。區(qū)塊因多期構(gòu)造應(yīng)力疊加作用，形成擠壓變形與伸展拉張變形共存的格局，地層走向以北北東為主，造成區(qū)內(nèi)褶皺、斷層、陷落柱、撓曲等構(gòu)造及煤層裂隙等發(fā)育，復(fù)雜的地質(zhì)條件影響了本區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)。

本次寬方位地震勘探采用的觀測系統(tǒng)為16線5炮，中間放炮、單線96道接收，道距40m、炮點(diǎn)距40m、炮線距240m、線距200m、CDP網(wǎng)格20m×20m、64次覆蓋的正交全方位觀測系統(tǒng)，橫縱比為0.83。

3.2 利用疊后屬性預(yù)測裂縫

疊后三維地震屬性分析是裂縫識別與預(yù)測的一種手段，主要通過地震數(shù)據(jù)體中導(dǎo)出的幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的特殊度量值[24](相干或曲率等地震屬性)來識別裂縫。本次研究首先利用相干屬性進(jìn)行了裂縫預(yù)測，從圖7看出相干屬性對于大斷裂或構(gòu)造有較好的敏感性，其中異常條帶主要分布在西部和中部，利用疊后屬性技術(shù)能定性的在平面上推斷出比較大的裂縫分布情況。

圖7 利用疊后相干屬性預(yù)測裂縫Figure 7 Poststack coherence attribute fissure prediction

3.3 利用各向異性預(yù)測裂縫

OVT域各向異性預(yù)測煤裂縫發(fā)育的流程：①分別對每個方位角地震數(shù)據(jù)提取均方根振幅屬性；②利用六個方位角的均方根振幅屬性，進(jìn)行橢圓擬合獲取各向異性數(shù)據(jù)體；③對各向異性數(shù)據(jù)體進(jìn)行裂縫密度和走向預(yù)測。

本次橢圓擬合法主要依據(jù)本區(qū)的斷裂發(fā)育特征，將獲得的道集數(shù)據(jù)按照30°的方位間隔均勻地劃分為6個角度，分別為0°～30°，30°～60°，60°～90°，90°～120°，120°～150°，150°～180°的數(shù)據(jù)體，再對各方位數(shù)據(jù)的均方根振幅屬性進(jìn)行橢圓擬合。本次地震資料的覆蓋次數(shù)為64次，劃分為6個角度，基本可以保證各方位數(shù)據(jù)的信噪比，同時可以比較精細(xì)地刻畫裂縫的發(fā)育方向和密度。

利用6個方位角的均方根振幅數(shù)據(jù)，獲取研究區(qū)的裂縫走向和裂縫密度參數(shù)。圖8為利用橢圓擬合獲得的本區(qū)15號煤層裂縫走向玫瑰圖，本區(qū)的裂縫優(yōu)勢走向方向?yàn)镹18°E。

圖8 15號煤裂縫走向玫瑰圖Figure 8 Rose diagram of coal No.15 fissure strikes

圖9為預(yù)測的15號煤裂縫密度與裂縫走向圖，圖中色標(biāo)代表裂縫密度的相對值，無單位。結(jié)合鉆井和地質(zhì)資料，圖中暖色(即裂縫密度大于0.2)為裂隙發(fā)育區(qū)域，圖中黑色圓圈中斜線為裂縫發(fā)育方向。本區(qū)的裂隙發(fā)育方向以北北東為主，局部發(fā)育北西、北北西向的裂隙，與15號煤底板構(gòu)造中的斷層走向基本一致，且主要裂隙方向集中在斷層較發(fā)育的勘探區(qū)西部及中部。本區(qū)西部裂縫比較發(fā)育，中部的局部地段裂縫相對發(fā)育，北部及南部的裂縫不發(fā)育。

通過利用疊后屬性技術(shù)和疊前全方位各向異性技術(shù)預(yù)測的裂縫預(yù)測結(jié)果顯示：在大斷層等構(gòu)造發(fā)育地區(qū)，利用疊后屬性和各向異性預(yù)測的裂縫展布特征較一致；在無大斷層等構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域，各向異性強(qiáng)度屬性比相干體屬性能預(yù)測到更多的微斷層和裂縫，如勘探區(qū)西部和中部的微小裂縫明顯比較發(fā)育。

圖9 15號煤裂縫密度與裂縫走向圖Figure 9 Coal No.15 fissure density and fissure strikes

圖10 15號煤裂縫密度、走向與構(gòu)造疊合圖Figure 10 Coal No.15 fissure density, strike and structurestacking chart

3.4 裂縫發(fā)育區(qū)預(yù)測及評價

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景及15號煤層解釋的褶曲、斷層及陷落柱等構(gòu)造特征，對利用疊后屬性和疊前方位各向異性預(yù)測的裂縫發(fā)育區(qū)進(jìn)行綜合分析，最終圈定了15號煤層的裂縫發(fā)育區(qū)。圖10中黃色圈內(nèi)代表15號煤層裂縫相對發(fā)育區(qū)，紅色線代表解釋的陷落柱、撓曲、斷層等構(gòu)造。從圖中可以看出，15號煤層的裂縫較為發(fā)育，大部分裂縫發(fā)育區(qū)位于褶曲及斷層、 撓曲等大的構(gòu)造周邊。本區(qū)的裂縫發(fā)育方向主要為北北東向，局部發(fā)育北西及北北西向，與研究區(qū)的褶曲、斷層及撓曲的發(fā)育主方向基本一致。本次解釋的15號煤層的裂縫發(fā)育方向及范圍基本符合地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律，本次勘探區(qū)共有7口水平井，其中L-03、U-21-H、水平井壓裂效果不好，這2口井水平井段位于各向異性強(qiáng)度低值區(qū)，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際鉆井結(jié)果具有一定的吻合性，可以為該區(qū)下一步煤層氣的勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐和依據(jù)。

4 結(jié)論

1)寬方位地震數(shù)據(jù)經(jīng)過OVT域處理后，OVT道集一致性好，OVT偏移后的道集近、中、遠(yuǎn)道能量一致，振幅保真度好，較常規(guī)處理能夠獲得更多方位角和炮檢移距信息，有利于煤儲層的各向異性研究和裂縫預(yù)測。

2)疊后屬性技術(shù)對大尺度構(gòu)造縫預(yù)測效果較好，但具有多解性。利用疊前各向異性技術(shù)預(yù)測的裂縫成果與疊后預(yù)測結(jié)果總體趨勢基本一致，但是疊前能預(yù)測到更多的微斷層和裂縫，刻畫的裂縫更精細(xì)，但這種方法對地震數(shù)據(jù)的保真、保幅性要求更高。

3)通過OVT域處理得到的分方位地震數(shù)據(jù)體，并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律，預(yù)測了15號煤層的裂縫發(fā)育區(qū)及方向。研究成果顯示：本區(qū)的裂隙發(fā)育方向以北北東為主，局部為北西、北北西向；本區(qū)的西部裂縫比較發(fā)育，中部的局部地段裂縫相對發(fā)育，北部及南部的裂縫不發(fā)育，符合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律。同時利用本次成果可以指導(dǎo)煤層氣水平井的部署，為煤層氣水平井的壓裂排采提供依據(jù)。