賈躍瑋,魏水建,呂 林

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京100083)

隨著油氣勘探技術(shù)的發(fā)展,火山巖氣藏的發(fā)現(xiàn)逐漸增多,火山巖儲層精細(xì)預(yù)測已經(jīng)成為天然氣資源勘探開發(fā)的研究熱點之一?；鹕綆r巖石通常較為致密,原生孔隙度和滲透率較低,但其巖石脆性強,在構(gòu)造運動及地應(yīng)力作用下極易發(fā)育斷裂和裂縫[1]。在火山巖地層中,裂縫的發(fā)育可以形成良好的儲集空間,同時也是流體的重要滲流通道,是形成有利儲層的重要因素[2]。近年來,國內(nèi)外專家學(xué)者針對含油氣儲層裂縫預(yù)測及描述做了大量的研究工作,并逐步形成了多種實用的技術(shù)方法,其中基于方位各向異性的裂縫預(yù)測方法較為成熟[3-4]。該方法有著40余年的發(fā)展歷程,其理論基礎(chǔ)是地震多種屬性隨方位角的改變而變化,利用多方位角地震屬性之間的差異性預(yù)測裂縫發(fā)育方向及相對密度[5-6]?？梢灶A(yù)見隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,裂縫描述必將從定性預(yù)測發(fā)展到定量預(yù)測階段[7]。

我們以松遼盆地南部松南氣田火山巖氣藏為例,針對區(qū)內(nèi)火山巖儲層裂縫發(fā)育特點,采用基于方位各向異性理論的裂縫預(yù)測技術(shù),結(jié)合成像測井資料刻度標(biāo)定及定量化計算,形成了井震結(jié)合的火山巖裂縫定量預(yù)測方法,有效識別出松南氣田火山巖儲層的裂縫空間展布特征。

1 方法原理及思路

1.1 縱波方位各向異性裂縫預(yù)測原理

利用疊前地震資料進(jìn)行縱波方位各向異性裂縫預(yù)測的理論基礎(chǔ)是建立在對水平對稱軸橫向各向同性介質(zhì)(簡稱HTI介質(zhì))的研究基礎(chǔ)之上的[8]?？梢詫TI介質(zhì)理解為在空間中排列一組平行定向垂直裂隙所構(gòu)成的各向異性介質(zhì)模型,與垂直排列裂縫的地質(zhì)幾何特性一致。Ruger(1997)[9]、沈鳳等(1997,2002)[10-11]給出了地震縱波振幅隨方位角變化的表達(dá)式:

式中:R為縱波方位振幅;A為確定炮檢距下的基本常量,可以視作在均勻介質(zhì)中的反射波振幅;B為不同炮檢距和裂縫特征下的調(diào)制因子;θ是裂縫走向與炮檢連線的夾角;φ為裂縫走向的方位角;α為炮檢連線的方位角(式中方位角的定義均為與正北方向的夾角)。

由以上公式可知,在三維地震觀測系統(tǒng)當(dāng)中,由于θ在不同方位的取值不同,地震波振幅大小相應(yīng)發(fā)生改變。其中在θ=0時(即地震波傳播方向與裂縫走向平行),振幅為最大值;在θ=90°時(即地震波傳播方向與裂縫走向垂直),振幅為最小值。因此,根據(jù)地震縱波振幅在HTI介質(zhì)中隨方位角變化的原理,可以計算出地下裂縫發(fā)育的方位與相對密度[12]。賀振華等(2007)[13]的研究發(fā)現(xiàn):地震縱波沿垂直于裂縫方向的傳播速度比沿著平行裂縫方向的傳播速度小;同時,縱波沿裂縫走向方向隨偏移距變化衰減慢,而垂直裂縫走向方向隨偏移距衰減快,裂縫密度越大衰減越快。

以上研究表明,當(dāng)儲層中存在裂縫時,地震反射波在不同方位角下的屬性存在差異,可以利用疊前地震資料提取對方位角變化敏感的地震屬性(如振幅類、衰減類屬性)檢測HTI或近似HTI型的裂縫,從而實現(xiàn)對空間定向排列的垂直或高角度裂縫進(jìn)行預(yù)測。Mallick等(1998)[14]認(rèn)為,可以利用不同方位角地震波阻抗的差異進(jìn)行橢圓擬合,橢圓長軸方向為裂縫走向,裂縫密度越大,橢圓的扁率越扁,從而實現(xiàn)對裂縫密度和方向的預(yù)測?？v波方位各向異性方法利用不同方位角的地震縱波穿過裂縫帶時的不同響應(yīng)進(jìn)行裂縫預(yù)測,是一種高效可行的裂縫預(yù)測手段。需要指出的是,縱波方位各向異性裂縫預(yù)測方法對水平裂縫沒有預(yù)測能力,這就需要在應(yīng)用此種方法之前充分了解研究區(qū)的實際地質(zhì)情況,從而判斷該方法應(yīng)用的可行性。

1.2 火山巖裂縫定量預(yù)測技術(shù)思路

由于火山巖體機構(gòu)及噴發(fā)期次的不規(guī)則分布,加之后期的沉積及構(gòu)造改造作用,造成火山巖裂縫影響因素復(fù)雜,預(yù)測難度大。根據(jù)理論研究和實際應(yīng)用試驗,總結(jié)提出了井震結(jié)合的火山巖裂縫定量預(yù)測的技術(shù)思路(圖1):

根據(jù)圖1所示的技術(shù)思路,針對火山巖裂縫預(yù)測的特點,提出以下關(guān)鍵技術(shù)步驟:

1) 利用鉆井巖心以及成像測井資料觀測火山巖裂縫幾何信息,對包括裂縫發(fā)育傾角、單位深度裂縫發(fā)育密度等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計,落實研究區(qū)火山巖儲層裂縫實際發(fā)育情況。

2) 針對區(qū)域裂縫發(fā)育的地質(zhì)特征,對疊前三維地震資料抽取多個不同方位角道集,提取相對波阻抗等屬性參數(shù)進(jìn)行各向異性橢圓擬合,計算出縱波方位各向異性強度數(shù)據(jù)體,預(yù)測裂縫發(fā)育方向及相對密度。

圖1 火山巖裂縫定量預(yù)測技術(shù)思路

3) 利用成像測井資料解釋的視裂縫密度曲線對各向異性強度數(shù)據(jù)體進(jìn)行標(biāo)定,并通過擬合公式將裂縫發(fā)育相對密度轉(zhuǎn)換為具有實際地質(zhì)意義的裂縫密度數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)對火山巖儲層裂縫發(fā)育密度及展布方向的定量預(yù)測。

基于縱波方位各向異性的火山巖裂縫定量預(yù)測方法有效結(jié)合了成像測井與疊前地震資料,既發(fā)揮了成像測井資料能夠精確解釋裂縫發(fā)育密度的縱向分辨率優(yōu)勢,又融合了疊前地震資料空間信息量大、橫向分辨率高的特點,可以定量化地預(yù)測火山巖儲層裂縫的空間展布特征。

2 松南氣田火山巖儲層裂縫預(yù)測

2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

松南氣田位于松遼盆地中央坳陷帶長嶺斷陷內(nèi),區(qū)內(nèi)深層斷陷地層的營城組火山巖是優(yōu)質(zhì)天然氣儲層,為多機構(gòu)多期次火山巖相互疊置的復(fù)雜氣藏。由于該區(qū)緊鄰達(dá)爾罕斷裂,且在營城組沉積時期沿該斷裂發(fā)生了多次大規(guī)?；鹕搅严妒絿姲l(fā),加之后期構(gòu)造運動及局部斷裂的形成,因此沿火山巖群形成的中央古隆起帶上發(fā)育大量裂縫?；趯^(qū)域構(gòu)造應(yīng)力及裂縫分布特征的研究,現(xiàn)已證明區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用及巖漿噴發(fā)與冷凝收縮作用是該區(qū)裂縫大量發(fā)育的主要因素。在構(gòu)造運動與巖漿作用的雙重控制下,研究區(qū)裂縫形成了獨特的分布及發(fā)育特征:在空間上,裂縫主要圍繞各個火山機構(gòu)成放射狀展布;在局部構(gòu)造及斷裂控制下,裂縫類型以成組平行垂直縫和高角度構(gòu)造縫為主。而巖漿冷凝收縮作用形成的低角度縫和炸裂縫較少。

通過巖心觀察描述及成像測井資料解釋,進(jìn)一步落實松南氣田火山巖儲層裂縫的發(fā)育特征。儲層段巖心觀察識別出大量垂直縫及高角度縫(圖2a),大部分裂縫寬度在0.5～2mm,開啟度較好,基本未被充填。在成像測井資料上,垂直構(gòu)造裂縫表現(xiàn)為近平行雙軌特征(圖2b),高角度構(gòu)造裂縫表現(xiàn)為S形正弦曲線,且兩種裂縫均有一定的開啟度,均屬于有效裂縫。在具有巖心及成像測井資料的各井中,通過巖心觀察描述、FMI測井資料解釋以及兩者間的相互標(biāo)定,發(fā)現(xiàn)垂直縫發(fā)育明顯且數(shù)量眾多,證明松南氣田主體區(qū)火山巖裂縫以高角度縫為主,發(fā)育少量低角度縫。

對研究區(qū)內(nèi)各井火山巖儲層段巖心觀察描述與FMI資料解釋分析的統(tǒng)計結(jié)果見圖2c,可見垂直縫及高角度縫占全區(qū)裂縫總量的70%,為主要裂縫類型;水平縫僅占13%。分析結(jié)果表明,研究區(qū)火山巖裂縫發(fā)育模式與HTI介質(zhì)模型的垂直縫類型基本吻合。因此,在該區(qū)應(yīng)用疊前地震縱波方位各向異性方法預(yù)測裂縫是可行的。

2.2 方法應(yīng)用及效果分析

在以上地質(zhì)研究基礎(chǔ)之上,應(yīng)用基于縱波方位各向異性的火山巖裂縫定量預(yù)測技術(shù)對松南氣田火山巖儲層裂縫開展定量預(yù)測。

首先是獲取不同方位角道集數(shù)據(jù)。對研究區(qū)三維地震資料疊前CMP道集進(jìn)行預(yù)處理(包括靜校正、動校正等),獲得疊前NMO校正后的共炮點道集;對疊前NMO道集進(jìn)行方位角與炮檢距交會分析,表明三維地震資料在40～4000m偏移距范圍和2°～178° 方位角范圍內(nèi)都有數(shù)據(jù)分布;據(jù)此,在NMO道集基礎(chǔ)上分別抽取5組不同方位角CMP道集,作偏移及部分疊加處理,獲得了32°，63°，88°，113°，143° 方位角道集成果數(shù)據(jù)(圖3)。這5組方位角道集數(shù)據(jù)的抽取保證了各道集均勻分割三維地震數(shù)據(jù)體,同時各道集之間能量差異小,波形頻率接近,保留了原始地震數(shù)據(jù)的各向異性。

圖2 研究區(qū)火山巖儲層段巖心觀測與成像測井(FMI)分析結(jié)果a 腰深101井巖心; b 腰深101井FMI剖面; c 不同方位角構(gòu)造縫百分比圖

圖3 研究區(qū)三維地震資料的5組不同方位角道集數(shù)據(jù)

接著是優(yōu)選地震屬性擬合各向異性橢圓。由于地震屬性種類繁多,優(yōu)選能夠反映方位各向異性的地震屬性十分必要?？紤]到相對波阻抗屬性真實保存了地震波振幅相對不同方位角的變化關(guān)系,能夠客觀反映各向異性隨方位角變化的強度,且其值域分布在大于零的正值區(qū)間,相對于某些值域中包含負(fù)值的屬性更易于擬合各向異性橢圓的計算,因此選用該屬性進(jìn)行裂縫預(yù)測。通過對5個疊前方位角道集數(shù)據(jù)的相對波阻抗計算,擬合得到了地震縱波各向異性方位橢圓,該橢圓的扁率(即橢圓長軸與短軸之比)即為裂縫各向異性的強度值。由裂縫引起的縱波各向異性強度反映了火山巖垂直縫及高角度縫的相對發(fā)育程度。

圖4給出了相對波阻抗屬性方位各向異性預(yù)測的研究區(qū)火山巖儲層裂縫發(fā)育相對密度剖面,可以看到火山巖頂部相對底部裂縫較為發(fā)育(剖面中紅色代表裂縫發(fā)育相對密度較高)。應(yīng)用剖面段上3口實鉆井的FMI成像測井資料對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗證,可以看出預(yù)測各向異性強度大的位置對應(yīng)FMI測井及巖心上的裂縫發(fā)育區(qū)(黑色曲線為視裂縫密度曲線,其高值井段對應(yīng)紅色的高裂縫相對密度),證明預(yù)測的裂縫相對密度與FMI測井及巖心裂縫信息吻合較好,為下一步的定量計算奠定了基礎(chǔ)。

圖4 相對波阻抗屬性方位各向異性預(yù)測的裂縫相對密度剖面與成像測井對比

對圖4剖面段上3口實鉆井(YS102井,YS1井和YS101井)的井點處進(jìn)行各向異性橢圓擬合預(yù)測裂縫發(fā)育方向,并與FMI解釋的單井裂縫發(fā)育方向進(jìn)行對比,可以看到各井預(yù)測裂縫方向與FMI解釋方向一致(圖5)。同時,通過各向異性方位橢圓參數(shù)計算,獲得了研究區(qū)總體裂縫走向統(tǒng)計結(jié)果(圖6),預(yù)測全區(qū)裂縫主要呈東-西向、南-北向兩組,其中以東-西向為主要裂縫走向。該預(yù)測結(jié)果與松南氣田主體區(qū)構(gòu)造斷裂展布特征相一致,進(jìn)一步確認(rèn)了裂縫發(fā)育方向預(yù)測的可靠性。

圖5 YS102井(a)、YS1井(b)和YS101井(c)井點處各向異性預(yù)測裂縫方向與FMI裂縫方向?qū)Ρ?/p>

最后是實現(xiàn)具有實際地質(zhì)意義的火山巖儲層裂縫密度定量計算。首先利用FMI成像測井資料計算出視裂縫密度FVDC(每米井段所能見裂縫總條數(shù))曲線,并應(yīng)用此曲線對各向異性方位橢圓擬合獲得的裂縫各向異性強度數(shù)據(jù)體進(jìn)行標(biāo)定;然后對各向異性強度數(shù)據(jù)體抽取3口實鉆井處的各向異性強度曲線,與對應(yīng)井段的FVDC曲線進(jìn)行交會分析。由圖7所示的裂縫各向異性強度與FMI測井計算的視裂縫密度曲線交會分析可以看出,疊前地震縱波方位各向異性預(yù)測出的裂縫強度與實鉆井FMI觀測到的裂縫發(fā)育密度數(shù)據(jù)之間有著較好的線性關(guān)系,經(jīng)擬合得到如下二次關(guān)系式:

(3)

式中:y為視裂縫密度;x為裂縫各向異性強度。由(3)式可實現(xiàn)高精度FVDC曲線對裂縫各向異性強度(裂縫相對密度)數(shù)據(jù)體的刻度,并通過轉(zhuǎn)換計算出具有實際地質(zhì)意義的裂縫密度數(shù)據(jù)體,從而實現(xiàn)對火山巖裂縫的定量預(yù)測。

對定量預(yù)測出的具實際地質(zhì)意義的裂縫密度數(shù)據(jù)體沿營城組頂面開取時窗,得到了松南氣田營城組頂面裂縫發(fā)育平均密度分布(圖8)。由圖8可知,松南氣田裂縫主要發(fā)育在構(gòu)造高部位的YS1井、YP4井、YP7井附近,以上三個區(qū)域與研究區(qū)火山機構(gòu)分布一致,體現(xiàn)了在火山隆起部位及斜坡帶上裂縫發(fā)育密度較大的特點。同時,裂縫發(fā)育部位與主力含氣儲層區(qū)相吻合,體現(xiàn)了裂縫是氣藏重要的構(gòu)成要素之一?？梢酝茰y該區(qū)域裂縫主要受構(gòu)造作用和成巖作用兩大因素的影響,即在構(gòu)造高部位、斜坡帶上裂縫明顯發(fā)育;在火山主機構(gòu)處與火山巖相帶分布有關(guān)。

圖6 預(yù)測研究區(qū)總體裂縫走向統(tǒng)計結(jié)果

圖7 各向異性強度與FVDC曲線交會分析

圖8 松南氣田營城組頂面(T4)裂縫發(fā)育平均密度

3 結(jié)論與認(rèn)識

在弄清研究區(qū)火山巖裂縫實際發(fā)育情況的前提下,采用地震縱波方位各向異性方法預(yù)測火山巖儲層裂縫的發(fā)育方向與相對密度;進(jìn)一步結(jié)合FMI測井資料刻度標(biāo)定及定量化計算,將預(yù)測出的裂縫各向異性強度(裂縫相對密度)數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換為具有實際地質(zhì)意義的裂縫密度數(shù)據(jù)體,實現(xiàn)了松南氣田火山巖儲層裂縫的定量預(yù)測。基于縱波方位各向異性理論的井震結(jié)合火山巖裂縫定量預(yù)測方法研究與實際應(yīng)用取得了一些認(rèn)識。

1) 松南氣田營城組火山巖儲層中主要發(fā)育構(gòu)造縫,垂直縫與高角度裂縫占主要組成部分,裂縫發(fā)育地質(zhì)條件與HTI模型近似,適用于縱波方位各向異性方法進(jìn)行裂縫預(yù)測。

2) 疊前地震道集中的不同方位角數(shù)據(jù)蘊含了儲層垂直縫或高角度裂縫產(chǎn)生的各向異性信息,與常規(guī)疊后方法相比,疊前縱波方位各向異性方法進(jìn)行火山巖裂縫預(yù)測具有較高的精確度。

3) 在應(yīng)用疊前縱波方位各向異性開展裂縫預(yù)測時,可以提取疊前相對波阻抗屬性擬合各向異性橢圓并確定裂縫方向;在此基礎(chǔ)上應(yīng)用FMI測井視裂縫密度曲線標(biāo)定縱波各向異性預(yù)測的裂縫相對密度,從而實現(xiàn)定量計算具有實際地質(zhì)意義的火山巖儲層裂縫密度。

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