P 波各向異性裂縫預(yù)測技術(shù)在ZY 區(qū)碳酸鹽巖儲層中的應(yīng)用

孫 煒，李玉鳳，何巍巍，黑繼虎，孔凱波

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理信息技術(shù)學(xué)院，北京100083; 2.中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營257022; 3.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州730020; 4.中國石化中原油田分公司采油二廠，河南濮陽457532; 5.中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠，四川宣漢636150)

在碳酸鹽巖裂縫型油氣藏中，裂縫可以溝通溶孔和溶洞、有效提高儲層的滲流能力，因此，裂縫發(fā)育帶往往指示碳酸鹽巖儲層中的高產(chǎn)區(qū)。以方位各向異性理論為基礎(chǔ)的縱波方位各向異性裂縫預(yù)測技術(shù)成為近年來裂縫預(yù)測問題的研究熱點［1-2］。

方位各向異性，是指地震波動力學(xué)屬性隨著方位角的改變而發(fā)生變化。關(guān)于各向異性裂縫預(yù)測的相關(guān)研究，國外最早開始于20 世紀(jì)70年代，經(jīng)過四十余年的不斷發(fā)展，已成為一套成熟的理論知識體系［3-12］。國內(nèi)的方位各向異性裂縫預(yù)測起步于20 世紀(jì)末，隨著裂縫型儲層的不斷發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的石油勘探工作者們越來越多的將其應(yīng)用于裂縫預(yù)測研究工作中［13-25］。本文以ZY 區(qū)塊碳酸鹽巖裂縫型儲層為例，進(jìn)行P 波各向異性裂縫預(yù)測方法的應(yīng)用實踐，通過測井裂縫及試油資料驗證該方法在碳酸鹽巖儲層裂縫預(yù)測研究中的可靠性和有效性。

1 各向異性裂縫預(yù)測原理及思路

目前研究的介質(zhì)，通常是具有對稱軸的介質(zhì)，即橫向各向同性介質(zhì)(transversely isotropy，簡稱TI)。TI 介質(zhì)，根據(jù)其對稱軸在空間定向是垂直還是水平又分為VTI(transversely isotropy with a vertical axis of symmetry)介質(zhì)和HTI(transversely isotropy with a horizontal axis of symmetry)介質(zhì)［26］。VTI 介質(zhì)一般認(rèn)為是由周期性薄互層產(chǎn)生;HTI 介質(zhì)一般由平行排列的垂直裂隙、裂縫產(chǎn)生，本文的相關(guān)研究均基于HTI 介質(zhì)展開。

1.1 方位各向異性裂縫預(yù)測原理

Ruger［10-11］基于弱各向異性的概念，并結(jié)合Thomsen 的各向異性系數(shù)，得到各向異性介質(zhì)中反射系數(shù)隨方位角和入射角變化的公式:

在小入射角的前提下，Ruger 對(1)式進(jìn)一步簡化，并引入方位角變化的梯度項B(φk)，使反射系數(shù)與方位角變化的梯度項B(φk)建立關(guān)系，B(φk)由各向同性項系數(shù)Biso以及各向異性項系數(shù)Bani組成，它們的表達(dá)式分別為:

式中:φk為第k 次的觀測方位角，(°);φsym為沿裂縫帶對稱軸方向的方位角，(°)，在沒有橫波數(shù)據(jù)的情況下一般為未知的。

在進(jìn)行寬方位地震采集時，可以得到多個φk，對3 個未知數(shù)Biso，Bani和φsym進(jìn)行非線性方程組的求解，并根據(jù)各向同性時(無裂縫)的Biso和各向異性時(裂縫發(fā)育)的Biso+Bani，來擬合方位各向異性橢圓，用橢圓長短軸來指示裂縫方向，用橢圓長短軸之比來確定表征裂縫發(fā)育情況的各向異性強度。Mallick 和Craft［9］等人研究認(rèn)為，裂縫強度越大，由各向異性擬合出的方位橢圓的扁率越扁，其長軸或短軸方向代表裂縫走向，從而實現(xiàn)對裂縫強度和方向的預(yù)測。這樣，在單界面反射波的假設(shè)前提下，具有3 個方位或3 個方位以上的地震反射振幅數(shù)據(jù)就能夠進(jìn)行地層中某位置裂縫發(fā)育程度和方向的求取。

根據(jù)賀振華的研究成果［27］，對于裂縫，尤其是高角度裂縫，地震波動力學(xué)特征(頻率、振幅、衰減和相對波阻抗等)比運動學(xué)特征更為敏感。研究表明，在這些動力學(xué)屬性中，衰減屬性與裂縫的關(guān)系更為密切［12］。因此，研究中選用表征衰減屬性的85%能量比對應(yīng)頻率值來進(jìn)行各向異性裂縫預(yù)測，該屬性計算公式:

式中:Etotal為有效頻帶內(nèi)總能量;E85%為有效頻帶內(nèi)總能量的85%;F 算子代表在頻率能量坐標(biāo)系中，求取某能量值對應(yīng)的頻率值;f85%即為所求85%能量比對應(yīng)頻率值。

1.2 技術(shù)流程

首先，討論P 波方位各向異性裂縫預(yù)測方法使用的地震數(shù)據(jù)。純波和成果數(shù)據(jù)由于經(jīng)過了全方位角疊加處理，提高地震數(shù)據(jù)信噪比的同時丟失了方位角的信息，因此純波和成果數(shù)據(jù)均不適合該方法的應(yīng)用;與之類似，經(jīng)過疊前時間偏移的CRP 道集數(shù)據(jù)，由于丟失了方位角的信息，同樣不能用于方位各向異性的研究。在實際應(yīng)用中，選擇未做過疊前偏移，僅做了預(yù)處理、靜校正和動校正的疊前NMO 道集數(shù)據(jù)來進(jìn)行該方法的裂縫預(yù)測研究。

其次，為了驗證該方法的準(zhǔn)確性，需要有可靠的測井裂縫先驗信息。在所有測井資料中，取心資料和FMI(微電阻率掃描成像測井)資料提供的裂縫信息最為可靠。因此，參考研究區(qū)的巖心資料以及FMI 測井資料，分析裂縫的井上分布特征。

該研究的主要發(fā)現(xiàn)有三個：第一，《新視野》整體AWL覆蓋率為4.63%，介于通用英語和學(xué)術(shù)英語之間，更傾向于通用英語。第二，《新視野》四冊書的AWL覆蓋率分別為4.30%、5.41%、3.67%和5.12%。變化范圍為3.67%到5.41%，介于1.4%至10%之間，各冊之間波動幅度較大，沒有遵循由低到高、循序漸進(jìn)的規(guī)律。第三，每冊內(nèi)部單元間AWL覆蓋率數(shù)值變化較大，甚至由部分篇章語言接近學(xué)術(shù)英語。

圖1 基于HTI 介質(zhì)各向異性正演的裂縫預(yù)測方法的技術(shù)思路Fig.1 Technical process of fracture prediction based on anisotropy forwarding modeling of HTI media

在確定了關(guān)鍵技術(shù)及使用數(shù)據(jù)后，制定了如下的技術(shù)思路(圖1):①首先進(jìn)行測井資料的分析，確定井上裂縫的分布特征;②對NMO 地震道集數(shù)據(jù)進(jìn)行分方位角疊加，得到幾個含有方位角信息的分方位角疊加數(shù)據(jù)體，然后分別計算各分方位角疊加數(shù)據(jù)體的衰減屬性，并進(jìn)行方位各向異性橢圓的擬合，預(yù)測研究區(qū)裂縫的分布特征;③利用巖心和FMI 測井資料從剖面和平面來檢測裂縫預(yù)測的準(zhǔn)確性，根據(jù)驗證情況確定最終的裂縫分布特征。

2 實例應(yīng)用

2.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)構(gòu)造上位于T 油田ZY 區(qū)塊F 盆地古隆起的斜坡中央?yún)^(qū)，目的層為石炭系M 組碳酸鹽巖儲層，地層厚度約280 m。研究區(qū)目的層儲層以孔縫洞復(fù)合型為主，且裂縫以高角度裂縫為主，裂縫的溝通作用對儲層的貢獻(xiàn)很大。在單井上表現(xiàn)為高產(chǎn)井孔隙度值并不突出，而滲透率較高;且孔隙度高，滲透率偏低的井試油結(jié)果普遍不理想。

準(zhǔn)確的井上裂縫先驗信息是進(jìn)行裂縫預(yù)測研究的基礎(chǔ)。區(qū)內(nèi)有五口有FMI 測井資料的井，分別為A1，A2，A3，A4，A5，并對A1 井進(jìn)行了取心觀察。根據(jù)巖心資料和FMI 測井資料的分析，研究區(qū)碳酸鹽巖儲層裂縫以構(gòu)造縫為主，在不同層段也見溶蝕縫發(fā)育。

2.2 方位各向異性裂縫預(yù)測

首先對疊前地震道集數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移距與方位角的分析，按照滿覆蓋和寬方位角的要求，選取合適的偏移距和方位角范圍，依據(jù)能量均衡(由不同方位角范圍疊加得到的若干疊加數(shù)據(jù)體在相同側(cè)線或聯(lián)絡(luò)線剖面上無明顯的能量差異)的原則合理進(jìn)行方位角的劃分，通過分方位角疊加得到含有方位角信息的5 個方位角疊加數(shù)據(jù)體(圖2)，并對各方位角疊加數(shù)據(jù)體進(jìn)行頻譜分析(圖3)。根據(jù)頻譜分析結(jié)果，在有效頻帶內(nèi)計算各分方位角疊加數(shù)據(jù)體的衰減屬性，通過各方位角的衰減屬性擬合，得到研究區(qū)裂縫的分布特征。結(jié)合FMI成像測井及巖心的裂縫先驗信息，從剖面和平面探討該方法的準(zhǔn)確性。

圖2 分方位角疊加數(shù)據(jù)剖面Fig.2 Section of five azimuthal-stack data volume

圖3 各方位角疊加數(shù)據(jù)體的頻譜分布Fig.3 Spectrum of each azimuthal-stack data volume

首先觀察裂縫強度過井剖面。研究區(qū)的測井?dāng)?shù)據(jù)中，只有A1 井同時具有FMI 測井及巖心資料，因此重點考察過A1 井裂縫強度剖面(圖4上)，并通過局部放大的方式，將預(yù)測的裂縫結(jié)果與井點處FMI 測井以及巖心裂縫進(jìn)行對比分析(圖4 下)。在過井剖面中，裂縫發(fā)育分布較為散亂，規(guī)律性較差;從井點局部放大對比圖中可以看到，預(yù)測裂縫強度大的位置對應(yīng)FMI 測井及巖心上的裂縫發(fā)育區(qū)(局部放大圖中的FMI 和巖心長度不到1 m，是由于鉆井單塊巖心樣品一般不超過1 m，放大圖中的選取厚度包含在裂縫強度剖面紅色區(qū)域的15 ms 中)，預(yù)測的裂縫強度與FMI 測井及巖心裂縫信息吻合較好，產(chǎn)油井段與裂縫發(fā)育段的位置基本對應(yīng)。

圖4 過A1 井衰減各向異性預(yù)測裂縫密度剖面(上)及預(yù)測結(jié)果與測井裂縫對比(下)Fig.4 Attenuation anisotropy-based fracture density section crossing Well A1 (shown above)and comparison between the prediction results and log-based fracture detection(bottom)

然后，分析研究區(qū)的裂縫平面分布特征。對裂縫強度數(shù)據(jù)體進(jìn)行平面成圖，得到裂縫的平面分布規(guī)律(圖5)。圖中左側(cè)色標(biāo)表示裂縫發(fā)育情況，代表各向異性強度，即裂縫密度，無量綱，暖色代表裂縫較為發(fā)育;預(yù)測的裂縫方向通過玫瑰圖來指示(玫瑰圖中色標(biāo)代表百分比，即某一方向的裂縫占該位置目的層段所有裂縫方向的百分比，玫瑰圖中的紅色指示預(yù)測出的裂縫優(yōu)勢方向)。

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層若干條，裂縫的發(fā)育區(qū)與斷層的展布特征關(guān)系密切，且在主要斷層之間(圖5 中黑線范圍內(nèi))，裂縫尤為發(fā)育。同時根據(jù)FMI測井資料的裂縫顯示，A2 井全井段無裂縫;A3 井在不同深度發(fā)育裂縫兩條，裂縫不發(fā)育;A1，A4 和A5 井裂縫均較為發(fā)育，從圖中可以看出預(yù)測的裂縫平面分布規(guī)律與FMI 成像測井的裂縫發(fā)育情況吻合較好。研究區(qū)裂縫的方向以北東向為主，北北東為輔，裂縫方向受斷層走向控制。

綜合來看，研究區(qū)裂縫以構(gòu)造縫為主，與井上的認(rèn)識相符合。根據(jù)預(yù)測的裂縫平面分布特征，在裂縫發(fā)育區(qū)的邊界位置設(shè)定了新的井位SJ1 井(圖5)，鉆井完成后，在目的層段試油獲日產(chǎn)43 t工業(yè)油流，從而進(jìn)一步驗證了預(yù)測方法的有效性。

3 結(jié)論

圖5 衰減各向異性預(yù)測研究區(qū)裂縫方向平面分布特征Fig.5 Plane view of azimuth distribution of fractures predicted based on attenuation anisotropy in the study area

圖6 衰減各向異性預(yù)測研究區(qū)裂縫方向與FMI 井上裂縫方向?qū)Ρ菷ig.6 Comparison of fracture azimuth obtained from FMI with those from attenuation anisotropy prediction

1)在利用該方法進(jìn)行裂縫預(yù)測時，方位角的劃分非常關(guān)鍵。對疊前縱波地震道集進(jìn)行方位角的劃分時，要注意以下兩點:①至少要劃分出3 個方位，以保證各向異性橢圓的擬合;②進(jìn)行劃分時要保證各分方位角疊加數(shù)據(jù)體的能量較為均衡，覆蓋次數(shù)大致相同，減少由地震數(shù)據(jù)方位覆蓋不均勻而帶來的各向異性差異，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)。

2)利用衰減各向異性來預(yù)測裂縫，要考慮到AVO 現(xiàn)象對裂縫預(yù)測的影響。如果隨著方位角的增加能量增大或減小，而同時，隨著入射角的增加能量變化情況恰恰相反，即減小或增大，這時的裂縫預(yù)測問題將變得更為復(fù)雜。

3)在利用縱波方位各向異性進(jìn)行裂縫預(yù)測時，由于Ruger 的公式(1)描述的是單界面HTI 介質(zhì)下的反射系數(shù)變化情況，因此，在進(jìn)行裂縫預(yù)測研究時，該方法主要適用于高角度裂縫的分布規(guī)律預(yù)測。

致謝:感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)王彥春教授、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所白志明副研究員、史小東博士對文章提出的寶貴意見和建議。

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