孫 煒,何治亮,李玉鳳,周 雁

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院構(gòu)造與沉積儲層實(shí)驗(yàn)室,北京100083;2.中國石油大學(xué)(北京),北京102249;3.中國石油化工股份有限公司勝利油田物探研究院,山東東營257022)

預(yù)測儲層裂縫分布特征的最終目的是得到裂縫的發(fā)育程度和方向,從而指導(dǎo)后續(xù)的勘探開發(fā)工作。目前,基于縱波方位各向異性的裂縫預(yù)測方法是能夠解決裂縫預(yù)測難題的技術(shù)手段之一。國內(nèi)學(xué)者對此開展了較多的應(yīng)用研究，如：曲壽利等[1]較早地論述了縱波方位各向異性裂縫預(yù)測在實(shí)際應(yīng)用中的諸多技術(shù)細(xì)節(jié);樂紹東[2]利用縱波方位各向異性裂縫檢測技術(shù)較為準(zhǔn)確地預(yù)測了川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組的裂縫分布特征;喻岳鈺等[3]利用瞬時頻域衰減屬性的方位各向異性,在碳酸鹽巖裂縫預(yù)測中取得成功;姜傳金等[4]基于縱波阻抗、頻率衰減的方位各向異性信息,準(zhǔn)確預(yù)測了松遼盆地北部徐家圍子斷陷營城組火山巖的裂縫發(fā)育情況。此外,尹志恒等[5]和劉振峰等[6]等對國內(nèi)外縱波方位各向異性裂縫預(yù)測的科研實(shí)踐做了詳細(xì)的調(diào)研?？傮w來看,縱波方位各向異性裂縫預(yù)測技術(shù)在不同巖性地層的裂縫預(yù)測研究中得到越來越廣泛的應(yīng)用[7-8]。

前人應(yīng)用研究成果表明,利用縱波方位各向異性預(yù)測裂縫的發(fā)育特征是行之有效的。但是,在選取用于各向異性橢圓擬合的地震屬性時,研究人員往往采用兩種思路:一是經(jīng)驗(yàn)性的地震屬性優(yōu)選;二是計(jì)算出若干種地震屬性數(shù)據(jù)體,分別進(jìn)行各向異性橢圓擬合并求取出裂縫分布特征,再通過對比各種計(jì)算結(jié)果與測井裂縫信息的吻合度來確定合適的地震屬性。這兩種方法中,第一種方法帶有人為主觀因素,第二種方法則會極大地增加科研工作量。那么,如何合理、簡便、有效地進(jìn)行地震屬性優(yōu)選,成為影響方法應(yīng)用效果的實(shí)際問題。

在地震儲層預(yù)測研究中,人們經(jīng)常通過正演模擬的方式來確定對儲層最為敏感的地震屬性。相似地,針對裂縫的各向異性正演應(yīng)當(dāng)也同樣可以進(jìn)行裂縫敏感屬性的優(yōu)選。但是,目前將各向異性正演與方位各向異性裂縫預(yù)測方法相結(jié)合的已發(fā)表文獻(xiàn)尚不多見。

我們將各向異性正演引入方位各向異性裂縫預(yù)測中,解決該方法在實(shí)際應(yīng)用中的地震屬性優(yōu)選問題。首先,結(jié)合測井、試油信息進(jìn)行基于HTI介質(zhì)的正演模擬,得到含有方位各向異性信息的井旁地震道集;然后,對正演地震道集進(jìn)行多種地震屬性的計(jì)算和裂縫敏感性分析;最后,將優(yōu)選出的最佳敏感屬性用于各向異性橢圓擬合和研究區(qū)儲層的裂縫預(yù)測。實(shí)際數(shù)據(jù)的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明,基于HTI介質(zhì)的各向異性正演能夠有效指導(dǎo)用于各向異性橢圓擬合的地震屬性優(yōu)選,優(yōu)化方位各向異性裂縫預(yù)測方法的應(yīng)用過程。

1 原理及思路

1.1 方位各向異性裂縫預(yù)測原理

地層重力壓實(shí)作用的存在,使高角度裂縫比低角度裂縫更容易保存下來,同時,高角度裂縫對裂縫型油氣藏的貢獻(xiàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低角度裂縫。因此,與表征高角度裂縫的HTI介質(zhì)的相關(guān)研究就變得意義重大。Ruger[9-11]在HTI介質(zhì)Thomsen系數(shù)的基礎(chǔ)上,得到圖1所示模型中縱波速度以及反射系數(shù)隨方位角和入射角變化的公式:

(1)

圖1 Ruger[9-11]的公式(1)對應(yīng)的地質(zhì)模型

當(dāng)入射角較小時,(1)式中的最后一項(xiàng)可以略去。略去最后一項(xiàng)并令

(2)

則(1)式變?yōu)?/p>

(3)

式中:Biso為各向同性項(xiàng);Bani為各向異性項(xiàng)。

當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)包含3個或3個以上不同入射角、方位角振幅信息時,結(jié)合子波可以得到對應(yīng)的不同入射角、方位角的反射系數(shù)。此時,通過求解超定方程組可以得到Biso和Bani,然后利用Biso和Bani這兩項(xiàng)實(shí)現(xiàn)方位各向異性橢圓的擬合。Mallick等[12]認(rèn)為,由各向同性項(xiàng)和各向異性項(xiàng)擬合出來的橢圓可以用來表征裂縫的發(fā)育特征,裂縫的發(fā)育程度由擬合橢圓的長、短軸之比來量化,裂縫的方向則由橢圓的長軸或短軸予以指示。

1.2 各向異性正演原理

裂縫的地震特性受裂縫的傾角、開度、延伸和充填物等眾多因素影響。因此,當(dāng)巖石含裂縫后其物理特性將變得更為復(fù)雜,選擇合適的等效介質(zhì)模型是進(jìn)行各向異性正演的基礎(chǔ)。目前,關(guān)于裂縫的等效介質(zhì)模型有Hudson模型[13]、Thomsen模型[14]以及Eshelby-Cheng模型[15]。本文各向異性正演選用的是Hudson模型,通過對含有薄硬幣狀的橢球縫隙或包含物的彈性固體中的平均波長的散射理論分析得到。其模型基于如下假設(shè)[16]:①從形狀上,理想化的裂隙形狀為硬幣狀,即高寬比要小,裂隙彼此之間是隔離的,隙間不存在流體流動;②介質(zhì)包含裂隙半徑及縫隙間距遠(yuǎn)小于地震波長的定向疏排列裂隙;③裂縫包體內(nèi)所含氣體、液體或其它物質(zhì)的體積模量和剪切模量比圍體的小。

其等效的剛度系數(shù)為

(4)

(5)

式中:V為介質(zhì)基質(zhì)的體積;N為體積V內(nèi)的裂縫總數(shù),即體密度;a為裂縫半徑;φ為裂縫孔隙度;α為裂縫扁率(縱橫比)。

1.3 各向異性正演的思路與過程

由于各向異性正演提供了裂縫在井旁地震道的地震響應(yīng),包括疊前各方位角的AVO特征及在裂縫影響下的AVO特征隨方位角的變化規(guī)律,因此,它可以為縱波方位各向異性裂縫分布特征預(yù)測提供基礎(chǔ)信息。由正演模擬得到的地震合成記錄獲得振幅、頻率和相位等疊前地震動力學(xué)屬性,通過計(jì)算這些動力學(xué)屬性對于裂縫的敏感性,可以簡便、有效地實(shí)現(xiàn)各向異性橢圓擬合的地震屬性優(yōu)選。圖2給出了本文各向異性正演的研究思路。

圖2 各向異性正演研究思路

基于HTI介質(zhì)Hudson模型各向異性正演過程為:假設(shè)在井口布置如圖3所示的觀測系統(tǒng),通過測井資料得到巖石的縱波速度、橫波速度和密度,在給出裂縫所含流體性質(zhì)及對應(yīng)彈性模量的情況下,確定出Hudson等效介質(zhì)模型的剛度系數(shù)及對應(yīng)的各向異性系數(shù);再根據(jù)Ruger的公式(1)計(jì)算出與入射角、方位角有關(guān)的反射系數(shù);最后,通過與測井標(biāo)定子波的褶積,得到不同入射角、方位角的地震波振幅信息。

圖3 各向異性正演模擬觀測系統(tǒng)圖示

2 實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于松遼盆地南部北端某地區(qū),目的層為白堊系營城組火山巖,地層厚度變化較大(鉆井顯示目的層厚度為350～900m)。區(qū)內(nèi)最早的探井為A井,于2007年開鉆,并于同年在營城組目的層火山巖進(jìn)行試油,使用50.8mm油嘴獲產(chǎn)天然氣592m3/d,水62m3/d。一年后,在A井附近部署了另外一口探井B,在相近目的層使用12mm油嘴獲天然氣產(chǎn)量20.2464×104m3/d,展現(xiàn)了該地區(qū)良好的勘探潛力。

根據(jù)鉆井資料分析,研究區(qū)火山巖儲層由孔、洞、縫組成,裂縫類型主要包括構(gòu)造縫和成巖縫,裂縫是保持該地區(qū)儲層連通性和流體運(yùn)移的主要通道。如何利用地震數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效地預(yù)測該地區(qū)火山巖裂縫的分布特征是亟待解決的問題。

2.2 正演井段選取

為了檢驗(yàn)用各向異性正演分析裂縫方位各向異性方法的有效性,需要選取合理的正演參數(shù)來分析不同流體和不同裂縫密度情況下的地層方位各向異性情況,并計(jì)算多種地震屬性,分析各種地震屬性的裂縫敏感性,從而指導(dǎo)后續(xù)的疊前方位各向異性裂縫預(yù)測。

研究區(qū)內(nèi)有4口鉆井,分別為A,B,C,D井,其中A井和B井資料較為完全,且有FMI(地層微電阻率成像)測井資料。根據(jù)對FMI裂縫測井資料和試油結(jié)果的綜合分析,選取A井的3個井段(自上而下依次命名為A1,A2,A3,其FMI井壁圖像見圖4)進(jìn)行各向異性正演,具體參數(shù)見表1。由表1 可以看出,所選井段的FMI裂縫密度、試氣結(jié)果均有一定差異,可以進(jìn)行正演模擬結(jié)果的對比分析。

圖4 各向異性正演所選取A1，A2和A3井段的FMI井壁圖像

表1 各向異性正演選取井段參數(shù)及試氣結(jié)果

2.3 多屬性敏感性分析優(yōu)選

在儲層預(yù)測研究中,疊后地震屬性是一種較常規(guī)的預(yù)測儲層及流體分布特征的技術(shù)手段。在火山巖地層中,流體及裂縫易引起地震數(shù)據(jù)的頻譜發(fā)生變化,本次研究選取的屬性為與地震頻譜相關(guān)的一類屬性,主要包括總能量、最大能量、65%衰減頻率、85%衰減頻率、35Hz能量比、起始衰減頻率和相對波阻抗等7種地震屬性。

研究中,首先利用正演出的道集在給定時窗內(nèi)分別計(jì)算上述7種地震屬性,并將計(jì)算出的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為ASCII格式;然后以方位角0,入射角0時的屬性值為參考基準(zhǔn)值,針對所選取的A1,A2和A3 3個井段,結(jié)合矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matlab)三維成圖,分析各地震屬性在入射角0≤θ≤30°,方位角0≤φ≤90°對裂縫的敏感性,如圖5至圖8所示。通過對A1井段(無裂縫無流體)、A2井段(裂縫發(fā)育、高產(chǎn)氣層)和A3井段(裂縫發(fā)育、氣水同層)各地震屬性的敏感性分析和結(jié)果對比,尋找最適合進(jìn)行各向異性橢圓擬合的地震屬性。

綜合對比圖5至圖8中7種屬性的裂縫敏感性分析結(jié)果,得出以下結(jié)論。

圖5 正演模擬道集所計(jì)算能量類地震屬性的裂縫敏感性分析a 總能量屬性; b 最大能量屬性

圖6 正演模擬道集所計(jì)算頻率類地震屬性的裂縫敏感性分析a 65%衰減對應(yīng)頻率屬性; b 85%衰減對應(yīng)頻率屬性; c 起始衰減頻率屬性

圖7 正演模擬道集所計(jì)算相對波阻抗屬性的裂縫敏感性分析

圖8 正演模擬道集所計(jì)算35Hz低頻能量比屬性的裂縫敏感性分析

1) 能量類地震屬性(圖5)在A1,A2井段表現(xiàn)為明顯的負(fù)異常,但在A3井段卻表現(xiàn)為正異常。由于A1井段無裂縫,而A2井段裂縫發(fā)育,那么利用該類地震屬性無法區(qū)分裂縫是否發(fā)育。因此,能量類地震屬性不適用于本區(qū)各向異性橢圓擬合的裂縫預(yù)測。

2) 在頻率類屬性(圖6)中,百分比衰減對應(yīng)頻率屬性(圖6a和圖6b)在A1井段為幅值不大的正異常,在A2井段為幅值不大的負(fù)異常,在A3井段為幅值略大的負(fù)異常。該類屬性在A1,A2和A3井段的值有一定差異,但幅值變化不夠明顯,在地震數(shù)據(jù)信噪比不高時,無法保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而起始衰減頻率屬性(圖6c)在A1,A2井段表現(xiàn)為正異常,在A3井段為負(fù)異常,也不適用于區(qū)分裂縫是否發(fā)育。

3) 相對波阻抗屬性(圖7)在A2井段表現(xiàn)為較高的正異常,在A1井段為中等正異常,在A3井段為較低正異常。該屬性在不同裂縫發(fā)育程度、不同流體性質(zhì)的地層存在一定區(qū)分性。

4) 低頻能量比屬性(圖8)在裂縫含氣井段A2表現(xiàn)為較高的正異常,在裂縫氣水同層井段A3表現(xiàn)為中等正異常,在無裂縫干層井段A1表現(xiàn)為低的正異常甚至負(fù)異常。該屬性對不同井段展現(xiàn)出的這種區(qū)分程度非常有利于進(jìn)行研究區(qū)各向異性橢圓的擬合。

根據(jù)以上分析結(jié)果可知,低頻能量比屬性是研究區(qū)裂縫預(yù)測的最敏感屬性。優(yōu)選低頻能量比屬性進(jìn)行研究區(qū)各向異性橢圓的擬合,預(yù)測裂縫的平面分布特征。

2.4 利用優(yōu)選屬性預(yù)測裂縫分布特征

利用正演模擬不同方位角道集計(jì)算的低頻能量比屬性進(jìn)行各向異性橢圓的擬合,根據(jù)擬合橢圓的長、短軸之比得到了研究區(qū)營城組裂縫的空間分布預(yù)測結(jié)果?；诰狭芽p信息,分別從剖面和平面上探討本文方法預(yù)測的研究區(qū)裂縫分布特征。

圖9給出了低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測的過A井和B井目的層段裂縫密度剖面(圖中色標(biāo)為各向異性橢圓的長、短軸之比,即各向異性強(qiáng)度值;無量綱),可以看出,在A井試氣段和B井產(chǎn)氣段預(yù)測的裂縫密度均為高值?？梢娎玫皖l能量比屬性各向異性預(yù)測的裂縫發(fā)育情況不僅與FMI測井資料吻合較好,也符合井上已知的地質(zhì)認(rèn)識。

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育若干條南北走向的斷層。從預(yù)測的裂縫平面分布特征(圖10)來看,研究區(qū)營二段、營三段和營四段(T4a至T4c)裂縫方向以近南北向?yàn)橹?北東—南西向?yàn)檩o(圖10a),營一段(T4c至T41)裂縫方向以南北向?yàn)橹?東西向?yàn)檩o(圖10b),裂縫方向與斷層走向較為相似(玫瑰圖中色標(biāo)代表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，紅色指示預(yù)測出的裂縫優(yōu)勢方向)。預(yù)測的裂縫發(fā)育區(qū)主要分布在斷層附近,同時在斷層周邊存在若干成巖縫發(fā)育帶。對于有FMI資料的A井和B井,在T4a-T4c層段,A井和B井裂縫均發(fā)育;在T4c-T41層段,A井裂縫發(fā)育而B井裂縫不發(fā)育。從裂縫分布特征(圖10)來看,本文方法預(yù)測結(jié)果與單井的裂縫發(fā)育情況較為一致。

圖9 低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測的過A井和B井目的層段裂縫密度剖面

圖10 低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測的不同層段裂縫平面分布a T4a-T4c層段; b T4c-T41層段

將預(yù)測結(jié)果與FMI解釋結(jié)果進(jìn)行對比,進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性。圖11給出了FMI裂縫方向(圖11a，圖11b，圖11c)與低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測的A井裂縫方向(圖11d)的對比結(jié)果(白底玫瑰圖為FMI裂縫方向,黑底玫瑰圖為預(yù)測方向)。從圖11中可以看出,預(yù)測的A井裂縫方向幾乎為FMI測井資料顯示的多種裂縫類型裂縫方向的綜合顯示(B井的對比結(jié)果也相似),說明本文方法預(yù)測的裂縫方向較為可信。

圖11 低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測的A井裂縫方向與FMI對比a 高導(dǎo)縫的走向?yàn)楸睎|—南西向; b 高阻縫的走向?yàn)槟媳毕? c 微裂縫的走向?yàn)楸睎|—南西向; d 本文方法預(yù)測的A井裂縫方向

3 結(jié)論與認(rèn)識

各向異性橢圓擬合是縱波方位各向異性裂縫預(yù)測方法中重要的一步,其關(guān)鍵在于如何合理有效地進(jìn)行地震屬性的優(yōu)選。我們提出了利用各向異性正演進(jìn)行方位各向異性橢圓擬合地震屬性優(yōu)選的新思路。通過基于HTI介質(zhì)Hudson模型的正演模擬得到含有各向異性信息的井旁地震道集,并對地震道集進(jìn)行多種地震屬性的計(jì)算,對比分析各地震屬性的裂縫敏感性,從而優(yōu)選出最適合進(jìn)行方位各向異性橢圓擬合的地震屬性。松遼盆地南部某地區(qū)白堊系營城組火山巖儲層的實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)取得了較好的裂縫預(yù)測效果,并得到以下認(rèn)識。

1) 能量類地震屬性、頻率類屬性和相對波阻抗屬性不適用于研究區(qū)各向異性橢圓擬合的裂縫預(yù)測,低頻能量比是進(jìn)行該地區(qū)各向異性橢圓擬合的優(yōu)選敏感屬性。但這一結(jié)果并不具有普遍性,在不同地區(qū)對不同儲層進(jìn)行各向異性正演時,地震屬性的優(yōu)選結(jié)果也會不同。

2) 研究區(qū)裂縫分布特征與斷層展布較為一致,營二段、營三段和營四段裂縫方向?yàn)橐越媳毕驗(yàn)橹?北東—南西向?yàn)檩o;營一段裂縫方向?yàn)槟媳毕驗(yàn)橹?東西向?yàn)檩o。此外,預(yù)測的裂縫分布特征在單井FMI資料上得到了較好的驗(yàn)證。

3) 多屬性裂縫敏感性分析是基于Hudson模型的高角度裂縫,但以低角度裂縫、水平裂縫為主的儲層是客觀存在的,在面對這一類儲層的裂縫預(yù)測問題時,文中涉及的多屬性裂縫敏感性分析技術(shù)不適用。

致謝:在本文編寫過程中得到中國地質(zhì)大學(xué)(北京)王彥春教授、劉學(xué)清博士和劉志偉博士的指導(dǎo)和啟發(fā),在此表示衷心感謝！

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