李 梅 施澤進(jìn) 楊紹國(guó) 郗 誠(chéng) 詹路鋒 朱 明

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.恒泰艾普石油天然氣技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京100084；3.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣州510240）

裂縫性油氣藏的產(chǎn)量占目前全世界石油天然氣總產(chǎn)量的一半以上，對(duì)裂縫性油氣藏的研究成為當(dāng)今世界石油界的熱點(diǎn)。裂縫性油氣藏勘探對(duì)中國(guó)石油工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

裂縫的成因類型很多，從地質(zhì)成因上看，主要包括構(gòu)造裂縫、區(qū)域裂縫、收縮裂縫、風(fēng)化裂縫和層理縫等；從產(chǎn)狀上看分為水平縫、低角度縫、高角度縫和垂直縫。在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中，水平或低角度裂縫幾乎封閉或充填消失，對(duì)油氣藏貢獻(xiàn)大的裂縫大都為高角度和近于垂直的裂縫。正是由于裂縫成因不同、裂縫角度不同及充填程度不同，裂縫的物理屬性差異比較大，其橫向和縱向變化大，地震波在裂縫介質(zhì)中傳播時(shí)，呈現(xiàn)出明顯的各向異性［1］，成為基于HTI介質(zhì)的P波方位各向異性的裂縫預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)［2，3］。隨著該技術(shù)的推廣，越來(lái)越多的裂縫預(yù)測(cè)成功案例使得該技術(shù)方法得到了廣泛的認(rèn)可。

隨著裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，以陸上全方位采集資料為基礎(chǔ)的方位P波各向異性裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到普遍認(rèn)可及應(yīng)用。與傳統(tǒng)疊后裂縫預(yù)測(cè)相比，疊前方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)不僅利用了三維地震資料在空間上的優(yōu)勢(shì)，而且由于不同方位P波與裂縫方向不同，可以利用不同方位地震屬性響應(yīng)特征進(jìn)行裂縫走向、裂縫密度的識(shí)別［4］。但是，由于海上地震資料采集方位角為非寬方位覆蓋，因此方位各向異性裂縫檢測(cè)方法很大程度上受到采集方位的制約。如何有效利用疊前地震信息進(jìn)行基于海上窄方位地震資料的裂縫檢測(cè)，成為廣大勘探地球物理學(xué)者感興趣的問(wèn)題。

本文以南海LH油田為例，利用裂縫在不同方位角、偏移距等疊前地震數(shù)據(jù)上的異常響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層裂縫及隔擋層裂縫分布的預(yù)測(cè)，結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，總結(jié)針對(duì)海上窄方位角地震資料采集特點(diǎn)的裂縫識(shí)別方法。

1 區(qū)域概況

LH研究區(qū)位于南海珠江口盆地東沙隆起中部，是在基巖隆起上發(fā)育起來(lái)的生物礁灘地層圈閉，軸向?yàn)楸蔽魑鳎蠔|東，呈西高東低的趨勢(shì)，由兩高點(diǎn)組成，中間為鞍部（圖1）。

圖1 LH油田礁灰?guī)r段3D構(gòu)造立體示意圖Fig.1 3Dstructure stereogram of LH oilfield reef limestone

油田主體部位的構(gòu)造較平緩，被南北方向主干斷裂所切割，其斷層的走向大致與構(gòu)造軸線相平行。內(nèi)部發(fā)育了一系列平行于主干斷層的小斷層，平面延伸達(dá)數(shù)百米至數(shù)千米，向下未斷穿灰?guī)r段，向上消失于泥巖蓋層之中［5］。

油田主要含油層段發(fā)育在新近系中新統(tǒng)珠江組礁灰?guī)r段，具有底水，斷層、孔、縫發(fā)育。投產(chǎn)以后，含水上升迅速，產(chǎn)量遞減快；但不同區(qū)域的油井含水上升速度明顯存在差異，經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為油井含水上升速度與位于b1段下部的隔擋層尤其是b2段的裂縫與孔隙發(fā)育程度密切相關(guān)，如果b2裂縫發(fā)育，封擋不好，會(huì)溝通底水，引起油井出水。因此，搞清楚各層系高滲層及低滲層或致密層裂縫的空間發(fā)育規(guī)律，對(duì)產(chǎn)量穩(wěn)定及今后開發(fā)部署非常必要。

2 裂縫預(yù)測(cè)方法

2.1 裂縫介質(zhì)波場(chǎng)正演模擬

一個(gè)橫向各向同性（TI）彈性介質(zhì)可以用5個(gè)獨(dú)立的常數(shù)來(lái)完整地描述

若以上介質(zhì)各向異性微弱，Thomesen（1986）提出了一種方便的彈性常數(shù)表達(dá)方式

該方法可以便捷地描述弱各向異性介質(zhì)的彈性參數(shù)。

在疊前正演模擬研究中，要建立裂縫儲(chǔ)層的地質(zhì)模型和巖石物理模型，首先需要從井中的資料獲取巖石的密度與縱、橫波速度；并根據(jù)巖石物理模型計(jì)算等效的彈性參數(shù)及等效的Thomsen指數(shù)，從而了解裂縫對(duì)巖石彈性參數(shù)的影響。

本次研究的波場(chǎng)正演采用Hudson模型［6］。該模型基于長(zhǎng)波長(zhǎng)假設(shè)限定，假定介質(zhì)由彈性介質(zhì)與內(nèi)部狹長(zhǎng)的橢圓裂隙組成，其表達(dá)式如下

其中

式中：λ和μ為各向同性背景介質(zhì)的拉梅系數(shù)和剪切模量；a和α分別是縫隙半徑和高寬比。

U1和U3由裂隙決定，對(duì)干裂隙狀態(tài)

當(dāng)裂隙包含流體時(shí)（假定不可忽略μα／［Κ′＋（4／3）μ′］），則有

其中

本次研究在Hudson模型基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的縱波與橫波、巖石密度、裂縫密度信息，開展了裂縫介質(zhì)的地震響應(yīng)特征的正演模擬（圖2），并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裂縫敏感屬性的分析。

2.2 方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)

圖2 方位角振幅屬性差異度與裂縫走向關(guān)系正演圖版Fig.2 Relationship between azimuth attribute difference and fracture orientation

將研究區(qū)地震采集方位折算到180°方位范圍內(nèi)，方位角分布在84°～134°，方位角覆蓋50°（圖3），屬于窄方位角地震采集系統(tǒng)；并且本次研究的地震資料采集方向近似平行于主要斷裂方向，這樣的地震數(shù)據(jù)所攜帶的與斷層分布有關(guān)的各向異性信息不顯著，這對(duì)于基于疊前方位地震各向異性的裂縫研究，帶來(lái)巨大難度和挑戰(zhàn)。

綜合考慮研究區(qū)地震窄方位角采集特征、斷層走向等因素，在巖石物理正演模擬的基礎(chǔ)上，篩選采用了針對(duì)入射角、偏移距、方位角的3種互補(bǔ)的裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，預(yù)測(cè)研究區(qū)裂縫發(fā)育情況，取得了較好的預(yù)測(cè)效果。

疊前地震方位各向異性裂縫檢測(cè)技術(shù)，是基于HTI介質(zhì)的方位P波地震檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)方法的核心是利用地震波在垂直裂縫傳播時(shí)具有明顯的旅行時(shí)延遲和衰減的特性，來(lái)預(yù)測(cè)垂直或者近于垂直的高角度微裂縫［7，8］。

該研究方法更適應(yīng)于陸上寬方位采集地震數(shù)據(jù)，對(duì)于明顯為窄方位采集的海上地震數(shù)據(jù)，該方法的適應(yīng)性受到一定的限制。本次研究根據(jù)巖石物理正演的結(jié)果，將實(shí)際地震數(shù)據(jù)按照采集方位劃分為2個(gè)方位角。因?yàn)椴煌较虻牧芽p，在2個(gè)方位角內(nèi)P波反射特征就會(huì)不同，這樣采用大小方位角屬性差異常達(dá)到檢測(cè)裂縫的目的（圖4）。根據(jù)巖石物理正演結(jié)果，在固定采集方位角84°～134°范圍內(nèi)，固定方位夾角50°，讓裂縫走向和裂縫密度發(fā)生變化，來(lái)計(jì)算不同裂縫密度下的地震振幅、能量和頻率等屬性。同時(shí)分析在固定采集方位夾角的情況下，方位地震屬性差異與變化裂縫方向的關(guān)系。正演圖版可以看出（圖2），方位地震振幅屬性異常隨著裂縫走向的變化而變化，裂縫越發(fā)育，振幅屬性異常度越大。取差異為20%的置信度條件下，裂縫走向在約30°～100°和120°～190°范圍內(nèi)，異常度較大，為可檢測(cè)的裂縫方向的范圍；當(dāng)裂縫走向在約10°～30°和100°～120°范圍內(nèi)，異常度較小，檢測(cè)裂縫能力較弱（圖5）。

圖4 不同方位角的地震P波響應(yīng)特征示意圖Fig.4 P－wave responding diagram under different azimuths

利用該方法得到研究區(qū)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果（圖6），隔擋層b2層裂縫較發(fā)育區(qū)域主要集中于構(gòu)造主體高部位及兩側(cè)斷層發(fā)育部位，對(duì)隔擋底水起到破壞作用。裂縫整體發(fā)育程度由西向東降低，西南部最發(fā)育。

圖5 方位角屬性差檢測(cè)裂縫發(fā)育方位的能力范圍圖版Fig.5 The ability range plate of fracture development directions detected with the azimuth attribute difference technology

圖6 b2層裂縫發(fā)育平面分布圖（方位角屬性差）Fig.6 Fracture development map of Layer b2

2.3 偏移距屬性差異裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)

當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^(guò)高角度裂縫地層時(shí)，遠(yuǎn)、近偏移距部分疊加數(shù)據(jù)體上地震響應(yīng)的振幅、速度、頻率衰減梯度等屬性的差異性顯著［9，10］。說(shuō)明利用遠(yuǎn)、近偏移距的地震屬性差，可以檢測(cè)地下裂縫的相對(duì)發(fā)育情況。值得注意的是，利用此種偏移距屬性差進(jìn)行裂縫檢測(cè)時(shí)，能夠檢測(cè)的裂縫是有一定局限的，當(dāng)?shù)卣鸩杉较虼怪庇诹芽p走向時(shí)，偏移距屬性差異由于受到裂縫的影響明顯，差異性大，檢測(cè)能力明顯（圖7）。當(dāng)?shù)卣鸩杉较蚱叫杏诹芽p走向時(shí)，地震屬性隨偏移距變化受到裂縫影響小，差異性相對(duì)減小，檢測(cè)能力減弱［10，11］。因此，此方法更適用于檢測(cè)垂直于采集方位的高角度裂縫。

圖7 裂縫（垂直采集方向）影響遠(yuǎn)近偏移距地震屬性Fig.7 Fractures influencing far－near offset seismic attributes

圖8 遠(yuǎn)近偏移距對(duì)應(yīng)頻率屬性差異隨裂縫密度變化正演圖板Fig.8 Modeling plate that far－near offset's frequency attribute differences changes with fracture density

利用遠(yuǎn)近偏移距屬性差進(jìn)行裂縫發(fā)育程度預(yù)測(cè)，是基于裂縫儲(chǔ)層在不同偏移距數(shù)據(jù)體上引起的地震響應(yīng)的不同。能量衰減到85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率（ful＿frq屬性）其值的大小反映的是裂縫對(duì)地震頻率衰減的影響。根據(jù)巖石物理正演模擬可知（圖8），對(duì)于不同地震偏移距數(shù)據(jù)體，裂縫儲(chǔ)層的地球物理響應(yīng)特征表現(xiàn)出較大的差異，隨著偏移距的增大，裂縫引起的ful＿frq屬性值降低（圖8左）；同時(shí)模擬在同一偏移距下的情況，裂縫發(fā)育程度越高，ful＿frq值越低，即地震衰減越快。將遠(yuǎn)、近偏移距的ful＿frq屬性差與裂縫發(fā)育程度進(jìn)行交匯（圖8右），得到裂縫的發(fā)育程度越強(qiáng)，遠(yuǎn)、近偏移距屬性差越大，地震異常越顯著。

研究中，設(shè)置一定的遠(yuǎn)、近偏移距屬性差異值作為裂縫檢測(cè)置信度，可以用遠(yuǎn)近偏移距屬性差異（遠(yuǎn)偏屬性值減去近偏屬性值）來(lái)檢測(cè)一定方向的裂縫。

運(yùn)用該研究方法，預(yù)測(cè)隔擋層b2層的裂縫平面分布（圖9），裂縫發(fā)育程度較高區(qū)域主要集中于構(gòu)造主體高部位，對(duì)隔擋底水起到破壞作用，裂縫整體發(fā)育程度表現(xiàn)出由西向東逐漸降低的趨勢(shì)。

2.4 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)

應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)主要用于定性預(yù)測(cè)與構(gòu)造有關(guān)的裂縫。與構(gòu)造有關(guān)的裂縫的形成，與巖石的孔隙度、厚度、密度及與斷層的距離等都具有密切的關(guān)系。把這些參數(shù)用于應(yīng)力場(chǎng)恢復(fù)，得到的應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)，在一定程度上反映了構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度［12，13］?；谏鲜鲈恚茂B前地震數(shù)據(jù)及地層的構(gòu)造層面、巖性參數(shù)（縱、橫波速度、密度）、巖層彈性參數(shù)信息等進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，得到地層的主曲率、主應(yīng)變和主應(yīng)力，達(dá)到預(yù)測(cè)構(gòu)造裂縫的目的。

從應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析來(lái)看，b2層構(gòu)造縫發(fā)育帶及方向與斷裂體系關(guān)系明顯，構(gòu)造縫基本發(fā)育在礁體兩側(cè)斷層部位以及高部位局部區(qū)域。應(yīng)力場(chǎng)模擬的構(gòu)造裂縫方向主要為北西西向、北北東向（圖10）。

圖9 b2層裂縫發(fā)育平面分布圖（偏移距屬性差）Fig.9 Fracture development map of Layer b2

圖10 b2層構(gòu)造縫密度及方向平面分布圖Fig.10 Fracture density and orientation map of Layer b2

3 裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果

由于裂縫發(fā)育受較多因素的影響，如巖性、構(gòu)造、成巖作用等，因此，綜合利用多種疊前地震信息及地質(zhì)信息預(yù)測(cè)裂縫，比單一方法預(yù)測(cè)裂縫更具有可靠性，可提高裂縫解釋的可信度。

本次研究基于海上窄方位采集地震資料特點(diǎn)，選取的3種方法在預(yù)測(cè)裂縫的方向上具有互補(bǔ)性。由于地震采集方向平行于構(gòu)造斷裂走向，疊前應(yīng)力場(chǎng)裂縫檢測(cè)裂縫的方向以平行于斷裂的北西西向、垂直于斷裂的北北東向?yàn)橹?；方位屬性差異裂縫預(yù)測(cè)對(duì)非平行于構(gòu)造走向（北西西向）、非垂直于構(gòu)造走向（北北東向）的裂縫敏感，對(duì)平行或垂直于構(gòu)造走向的裂縫檢測(cè)能力較弱；遠(yuǎn)近偏移距屬性差異裂縫檢測(cè)對(duì)非平行于構(gòu)造走向（北西西向）的裂縫敏感，尤其對(duì)于垂直于構(gòu)造走向（北北東向）的裂縫敏感（圖11）。這3種裂縫檢測(cè)方法在裂縫檢測(cè)上既有重合也有互補(bǔ)，因此，利用信息融合技術(shù)，能夠更準(zhǔn)確地描述裂縫發(fā)育分布規(guī)律。

圖11 3種裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)方法預(yù)測(cè)裂縫能力范圍示意圖Fig.11 Fracture prediction ability diagram with three different methods

將裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與FMI測(cè)井解釋成果對(duì)比，可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果與油井成像測(cè)井解釋結(jié)果比較吻合。A井高角度縫在a、b1、b2、b3、c段不發(fā)育，在d、e段發(fā)育（圖12）。

圖12 A井FMI解釋成果與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.12 The contrast between FMI of Well A and fracture prediction result

根據(jù)研究區(qū)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)規(guī)律分析，生產(chǎn)井單井含水上升速度較快的井主要分布于3個(gè)區(qū)域（圖13藍(lán)色區(qū)域）。本次研究綜合疊前應(yīng)力場(chǎng)模擬、方位屬性差裂縫預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)近偏移距屬性差裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育區(qū)與生產(chǎn)動(dòng)態(tài)規(guī)律性認(rèn)識(shí)比較吻合。主要隔擋層b2層預(yù)測(cè)的裂縫發(fā)育與油井含水上升快的區(qū)域在分布趨勢(shì)、分布位置上比較一致（圖13）。該層裂縫發(fā)育導(dǎo)致對(duì)底水的封擋性不好，是引起油井含水上升速度快的主要因素，裂縫相對(duì)不發(fā)育區(qū)，油井含水上升速度慢，產(chǎn)量比較穩(wěn)定。

圖13 b2層裂縫平面分布圖Fig.13 Fracture distribution map of Layer b2彩色為裂縫發(fā)育區(qū)

4 結(jié)束語(yǔ)

裂縫型儲(chǔ)層普遍具有埋藏深、非均質(zhì)性強(qiáng)，但油井產(chǎn)能高的特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前儲(chǔ)層研究的重點(diǎn)。本次研究針對(duì)海上窄方位地震采集的資料特點(diǎn)，結(jié)合LH油田實(shí)際情況，充分利用不同方位地震屬性差、遠(yuǎn)近偏移距地震屬性差及應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬3種裂縫檢測(cè)方法，達(dá)到檢測(cè)裂縫的目的。在研究中，雖然單一的裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)方法會(huì)產(chǎn)生預(yù)測(cè)盲區(qū)，但是通過(guò)3種裂縫預(yù)測(cè)方法有機(jī)結(jié)合，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，能有效地消除單一的裂縫預(yù)測(cè)方法的局限性，達(dá)到綜合識(shí)別裂縫儲(chǔ)層的目的，預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)生產(chǎn)井驗(yàn)證吻合率達(dá)到75%以上。

針對(duì)海上窄方位采集地震資料，采用疊前地震方位屬性差異或偏移距屬性差異，及其之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的方法，進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)，已經(jīng)取得較好的效果，形成的技術(shù)系列在海上油氣田裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。但裂縫檢測(cè)的精度仍然受地震采集、處理、裂縫檢測(cè)技術(shù)等多方面因素的制約。相信隨著地震采集、處理、解釋、儲(chǔ)層與裂縫預(yù)測(cè)等技術(shù)的發(fā)展，裂縫的刻畫將會(huì)更加精細(xì)，在裂縫的空間展布及定量描述等方面將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

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