孫煒， 何治亮， 李玉鳳， 張豐麒， 周雁

1 中國石化石油勘探開發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲層實驗室， 北京 100083 2 中國石油大學(北京)，北京 102249 3 中國石化勝利油田物探研究院，山東東營 257022

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一種裂縫流體因子的提出及應用

孫煒1,2， 何治亮1， 李玉鳳3， 張豐麒1， 周雁1

1 中國石化石油勘探開發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲層實驗室， 北京 100083 2 中國石油大學(北京)，北京 102249 3 中國石化勝利油田物探研究院，山東東營 257022

為了解決各向異性下的流體識別問題，將縱波各向異性裂縫預測以及Russell的流體因子融合到直角坐標系中，提出了一種能夠同時檢測裂縫發(fā)育情況以及流體性質(zhì)的新的裂縫流體因子(Factor of Fluid-filled Fracture，F(xiàn)FF)，并通過一組巖性參數(shù)檢驗了裂縫流體因子在裂縫預測及流體識別中的有效性.在理論研究的基礎(chǔ)上，選取松遼盆地某地區(qū)的火成巖裂縫及流體識別研究為應用實例.通過與測井流體及裂縫信息的對比驗證，裂縫流體因子能夠較為準確地預測研究區(qū)裂縫和流體的分布情況，且裂縫流體因子在單井上的計算結(jié)果與單井含氣飽和度吻合度較高.此外，根據(jù)實際應用效果，指出裂縫流體因子在應用中的局限性：裂縫流體因子在平面成圖時受地層厚度影響較大，且無法預測裂縫方向.

裂縫流體因子；含氣飽和度；各向異性流體識別；方位各向異性；火成巖儲層

1 引言

利用振幅隨偏移距的變化(Amplitude Versus with Offset，AVO)來進行流體識別是目前應用較廣的流體識別方法.Ostrander(1984)最早發(fā)現(xiàn)含氣砂巖中地震波的反射系數(shù)會隨偏移距增加而增加的特征，為利用AVO進行流體識別奠定了基礎(chǔ).為了更細致地研究地層巖性的AVO特征，學者們分別提出了AVO響應特征的劃分方案(Rutherford and Williams，1989；Castagna and Smith，1997；Hilterman，2001)，在此期間，國內(nèi)外學者將疊前反演、多屬性交匯分析技術(shù)與AVO理論相結(jié)合，在多個地區(qū)的流體識別研究中獲得了成功(Mukerji et al.，1998；Ross，2000；李宏兵等，2004；苑書金等，2005；何誠等，2005；陳建江等，2006；鄒文等，2008；李愛山等，2007；管路平，2008；郎曉玲等，2010；何濤等，2011；周水生等，2012；程冰潔等，2012).在這些技術(shù)的交叉結(jié)合中，直接進行流體性質(zhì)識別的流體因子(Fluid Factor)的概念被提了出來.由AVO疊前反演的彈性參數(shù)構(gòu)建的流體因子，起初是將拉梅系數(shù)和剪切模量結(jié)合起來進行流體識別(Goodway et al.，1997)，之后，國外學者基于縱橫波阻抗和提出了各自的流體因子(Hilterman，2001；Lucia et al.，2003；Russell，2003)，國內(nèi)的科研人員也在前人研究的基礎(chǔ)上提出了靈敏度更高的流體因子(寧忠華，2006；王棟等，2008，2009).

但是，以上的各種流體因子均是在地下介質(zhì)為各向同性的前提下提出的.近年來，伴隨著各向異性理論的發(fā)展，學者們也開始將目光投向與各向異性介質(zhì)、尤其是裂縫相關(guān)的流體預測中，進行了與裂縫相關(guān)的流體識別研究(Sayers，1990；Tod and Liu，2002；Shaw and Sen，2006).但是，直接進行裂縫流體識別的裂縫流體識別因子仍然較少(Liu et al.，2008；Cui，2010).

縱觀流體識別這幾十年的研究內(nèi)容，由各向同性AVO反演的彈性參數(shù)組合到近年來的各向異性流體預測，學者們通過理論研究及應用實踐將所研究的地質(zhì)模型一步步逼近真實的地下巖層.從這個大趨勢來看，與各向異性介質(zhì)有關(guān)的流體預測或裂縫流體識別將是流體預測研究的發(fā)展方向.但是，目前國內(nèi)外關(guān)于裂縫流體識別的理論研究及實際應用仍然較少，本文研究的目的正是為了豐富這一相對空白的研究領(lǐng)域.研究中通過對裂縫流體因子的構(gòu)建、巖石參數(shù)檢驗及實際數(shù)據(jù)應用，提出一種能夠同時預測裂縫、流體發(fā)育情況，且能夠表征含氣飽和度的裂縫流體因子，并在實際應用中討論其有效性和局限性.

2 原理及思路

2.1 裂縫流體因子構(gòu)建

從地質(zhì)成因來看，裂縫與流體是密切相關(guān)的.構(gòu)建裂縫流體因子的最終目的，就是希望找出一個物理量，使它既能夠表征地下巖層裂縫的發(fā)育情況，又能進行地層的流體識別.也就是說，該物理量應該能夠表征地層如下四種情況的差異：地層含水、裂縫不發(fā)育，地層含氣、裂縫不發(fā)育，地層含水、裂縫發(fā)育，地層含氣且裂縫發(fā)育.地層裂縫是否發(fā)育以及地層所含流體性質(zhì)對應的四種不同地層情況，與直角坐標系中由x，y取值不同來確定坐標點在四個象限中的位置具有相似性.那么，可以將兩者相結(jié)合，用直角坐標系內(nèi)某一點的四種正負值情況來對應由裂縫、流體確定的四種不同地層情況，如圖1.

圖1 裂縫流體因子構(gòu)建Fig.1 Construction of the factor of fluid-filled fracture

根據(jù)這種思路，結(jié)合直角坐標系來分別構(gòu)建裂縫識別項和流體識別項.在進行流體識別時，引入Russell等(2003)定義的流體因子公式，如式(1)，式中ρf為流體因子，c為調(diào)節(jié)參數(shù)，在地層含水時，ρf為明顯正高值，在地層含氣時，ρf為明顯正低值.

(1)

考慮到巖石含氣時縱波速度比含水時縱波速度小，對Russell的流體因子進行調(diào)整，使調(diào)整后的表達式在含氣時值為正，含水時值為負，得到流體識別項，如式(2)

(2)

式中，F(xiàn)luid:cosθ用以表征地層的流體性質(zhì)，對應直角坐標系中的x軸，IS和IP為各向同性下計算的橫波阻抗與縱波阻抗，B為常數(shù)，稱為流體項系數(shù)，其值為干燥巖石縱橫波速度比的平方(B=(VP/VS)2)，根據(jù)巖性不同，其取值變化范圍為2.2～4.當?shù)貙雍瑲鈺r，F(xiàn)luid:cosθ為正值，參考Russell的流體因子定義可以看出，F(xiàn)luid:cosθ在含氣砂巖中的值大于含水砂巖，并且其值越大，含氣飽和度越高；當?shù)貙雍畷r，F(xiàn)luid:cosθ為負值.

在進行裂縫識別時，考慮到裂縫對縱波阻抗方位各向異性的影響較為明顯(賀振華等，2007)，并希望裂縫識別項的取值隨裂縫強度的增加而減小，因此，對裂縫項進行如下定義：

(3)

式中Fracture:sinθ用以表征裂縫是否發(fā)育，對應直角坐標系中的y軸，IPmax為不同方位縱波阻抗的最大值，IPmin為不同方位縱波阻抗的最小值，C為調(diào)節(jié)參數(shù)，參考值為10，其調(diào)節(jié)原則是使裂縫項的數(shù)值量綱與流體項的數(shù)值量綱一致.A為可識別的最小各向異性強度，取值范圍為1.01～1.1，稱為裂縫項系數(shù)，可以通過實驗室的三向應力測試(波速各向異性)得到，其值與方位縱波速度極值及介質(zhì)最小可識別的各向異性系數(shù)ε存在關(guān)系式(4)：

(4)

當?shù)貙痈飨虍愋詮姸容^大，裂縫為可識別時，F(xiàn)racture:sinθ為正值，且裂縫越發(fā)育， Fracture:sinθ的值越??；當?shù)貙痈飨虍愋詮姸容^小，裂縫為不可識別時，F(xiàn)racture:sinθ為負值；特殊地，當IPmax=AIPmin時，認為該情況下地層裂縫不可識別，令Fracture:sinθ的值為1，對應θ為90°.

將上述關(guān)于裂縫識別、流體識別的討論通過同一角度θ綜合起來，得到：

(5)

式中，A為裂縫項系數(shù)，B為流體項系數(shù)，C為裂縫項調(diào)節(jié)參數(shù).顯然，通過上述思路得到的角度θ就是希望構(gòu)建的方位各向異性流體因子，考慮到它是根據(jù)裂縫和流體來確定的，因此，稱其為裂縫流體因子(FactorofFluid-filledFracture，F(xiàn)FF)，簡稱裂流因子.

裂縫流體因子FFF的取值范圍為0～360，結(jié)合正弦函數(shù)和余弦函數(shù)在0°～360°范圍內(nèi)的單調(diào)性，裂流因子的物理意義及其與流體飽和度的關(guān)系如表1及圖2：①當值為0～90時，地層含氣，且裂縫為可識別，F(xiàn)FF值越小，地層含氣飽和度越高；②當值為90～180時，地層含水，且裂縫為可識別，F(xiàn)FF值越大，地層含水飽和度越高；③當值為180～270時，地層含水，但無裂縫或裂縫不可識別，F(xiàn)FF值越小，地層含水飽和度越高；④當值為270～360時，地層含氣，但無裂縫或裂縫不可識別，F(xiàn)FF值越大，地層含氣飽和度越大.此外，在坐標軸附近裂流因子的物理意義較為特殊，x軸附近(FFF值為近0或180時)代表裂縫、流體發(fā)育區(qū)，y軸附近(FFF值為近90或270時)代表裂縫發(fā)育情況不同的干層，且FFF值為90時，對應無裂縫干層.

表1 裂流因子FFF物理意義Table 1 Physical meaning of FFF

2.2 裂縫流體因子檢驗

在完成裂縫流體因子構(gòu)建后，接下來要做的就是通過巖性參數(shù)來檢驗其準確性.當基質(zhì)砂巖圍體的縱波、橫波速度及密度分別為6040、4070 m·s-1和2.65 g·cm-3時，根據(jù)Dvorikin和Nur(1996)提出的高孔隙疏松砂巖模型計算出孔隙度為15%時飽含氣砂巖、飽含水砂巖圍體的巖性參數(shù)表，同時給出地層為各向同性、裂縫為不可識別以及裂縫為可識別時的巖性參數(shù)，如表2.取裂流因子中裂縫項系數(shù)A為1.05(認為裂縫造成縱波各向異性強度大于1.05時，為可識別裂縫)，流體項系數(shù)B取砂巖縱橫波速度比的平方2.9，裂縫項調(diào)節(jié)參數(shù)C取10，根據(jù)式(5)分別計算不同地層巖性參數(shù)下裂流因子FFF的值，如表2.從表中最后兩列的運算結(jié)果可以看出，裂流因子FFF能夠準確定位到表征不同裂縫、流體性質(zhì)的象限中，檢驗效果較好.

圖2 裂縫流體因子物理意義示意圖Fig.2 Physical meaning of the factor of fluid-filled fracture

縱波速度(m·s-1)橫波速度(m·s-1)密度(g·cm-3)εδγFFFFFF對應象限無裂縫,含氣地層276018802.25000292.5第四象限無裂縫,含水地層332017602.40000247第三象限裂縫不可識別,含氣地層276018802.250.030.050.1288第四象限裂縫不可識別,含水地層332017602.400.030.050.1251第三象限裂縫可識別,含氣地層276018802.250.150.050.1163第一象限裂縫可識別,含水地層332017602.400.150.050.1114第二象限

3 實例應用

3.1 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，如圖3，地層厚度變化較大(350～900 m)，如圖4.2007年在火山巖的有利相帶部署一口探井A井，在營城組使用50.8 mm油嘴獲日產(chǎn)天然氣592 m3，水62 m3，在A井的基礎(chǔ)上，2008年9月22日部署了另外一口探井B，在營城組使用12 mm油嘴獲天然氣日產(chǎn)量20.2464×104m3，揭示了該地區(qū)火成巖的勘探潛力.

A井和B井的鉆探成功，打開了松遼盆地南部研究區(qū)深層天然氣勘探局面.根據(jù)鉆井資料分析，該地區(qū)火山巖儲層由孔、洞、縫組成.其中原生和次生孔隙是主要儲集空間，裂縫是僅次于孔隙的儲集空間.對儲層連通性和流體運移而言，裂縫是最主要的通道，利用現(xiàn)有技術(shù)手段開展研究區(qū)火山巖儲層裂縫及流體分布特征的研究工作意義重大.

圖3 研究區(qū)營城組頂面構(gòu)造圖Fig.3 Structural map of Yingcheng formation in study area

3.2 裂縫流體因子應用

在經(jīng)過正常時差校正(Normal Moveout，NMO)的疊前地震道集基礎(chǔ)上，利用疊前AVO同步反演計算出各向同性下的縱橫波速度、密度數(shù)據(jù)體，再分別計算出對應的縱橫波阻抗；對NMO道集進行方位角道集抽取，并分別進行速度分析及疊前時間偏移，以得到的各分方位角共反射點(Common Reflection Point，CRP)道集為基礎(chǔ)，分別進行疊前AVO同步反演，得到各方位角的縱波阻抗，通過對比每個采樣點不同方位角縱波阻抗的值，可以計算出方位角縱波阻抗的最大值和最小值.將以上參數(shù)代入式(5)，并取裂縫項系數(shù)A為1.05，流體項系數(shù)B為3，裂縫項調(diào)節(jié)參數(shù)C為9，以營城組頂?shù)讓游粸闀r窗約束，即可得到研究區(qū)裂縫流體因子數(shù)據(jù)體.

對裂縫流體因子的剖面圖進行分析，將裂流因子低值調(diào)整為紅色，高值為藍色，如圖5.單從裂縫預測情況來看，A井和B井在成像測井上的裂縫發(fā)育段均對應裂流因子的低值區(qū)；從裂縫和流體識別的綜合情況來看，B井營城組頂部裂縫含氣井段及下部的含水井段分別對應裂縫流體因子的低值和中低值，吻合情況較好，A井在含氣裂縫發(fā)育位置也表現(xiàn)出明顯的低值，但氣層下面的干層井段與預測結(jié)果略有差異.通過與井上裂縫、含氣情況的對比來看，整體吻合程度較好，局部預測精度還有提升的空間.

圖4 目的層地震剖面Fig.4 Seismic section of target layer

圖5 營城組裂流因子連井剖面Fig.5 Section of the FFF for Yingcheng formation

裂縫流體因子的一個很大的優(yōu)勢是能夠?qū)瑲怙柡投冗M行定性的判斷.測井資料中，B井有含氣飽和度曲線，為了考察裂流因子對含氣飽和度的識別效果，由裂流因子數(shù)據(jù)體提取B井位置的曲線值，與B井的含氣飽和度曲線進行對比，如圖6和7.在B井2747～2800m井段附近，含氣飽和度為高值，對應的裂流因子FFF取值均在0～90之間，在2782m附近為含氣飽和度峰值，對應的裂流因子也趨向于0；在2800～2900m，含氣飽和度逐漸下降，裂流因子FFF取值在180附近，表現(xiàn)為低含氣飽和度，高含水飽和度.從對比情況來看，B井含氣飽和度與裂流因子FFF的整體趨勢一致，證明了裂縫流體因子在含氣飽和度判別上的有效性.

對裂流因子數(shù)據(jù)體進行平面成圖，如圖8，9.在營城組上部(營二三四段)地層的有利裂縫含氣帶為B井區(qū)附近的小片區(qū)域(圖中黑色虛線范圍內(nèi))，在營城組下部(營一段)的分布范圍則較廣，根據(jù)井上的地質(zhì)認識，裂流因子在營城組上部地層的預測結(jié)果與井上的差異不大，但是，在營城組下部的預測結(jié)果與井上差異很大.經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)裂縫流體因子在進行平面成圖時，存在明顯的局限性.

圖6 B井含氣飽和度Fig.6 Gas saturation curve of well B

圖7 B井FFF值Fig.7 FFF curve of well B

對于波阻抗等屬性，研究人員關(guān)心的是有利儲層對應的波阻抗是高值還是低值，在平面成圖時，沿地震層位或某一時窗取平均或均方根，能夠大致表現(xiàn)出有利儲層的平面分布特征.但是，裂流因子在平面成圖時，其物理意義會發(fā)生變化，對于2ms采樣的地震數(shù)據(jù)，若計算出的裂流因子在2010ms時值為35(裂縫含氣地層)、2012ms時值為350(無裂縫含氣地層)，2014ms時值為40(裂縫含氣地層)，這時，為了觀察平面特征，對時窗2010～2014ms內(nèi)的4ms數(shù)據(jù)取平均，得到平均值為106(裂縫含水地層)；類似的，對時窗2010～2014ms內(nèi)的4ms數(shù)據(jù)取均方根，得到均方根值為204(無裂縫含水地層).無論是取平均還是取均方根，得到的平面屬性均已不代表裂流因子實際的物理意義，也就是說裂流因子受地層厚度影響非常大(如研究中，營一段地層厚度變化極為劇烈，對平面分布特征影響嚴重，得到的裂縫流體分布特征與井上的差異較大)，這一問題的主要原因是裂流因子的數(shù)值在不同值域范圍內(nèi)表征了裂縫、流體各異的四種地層性質(zhì).因此，在裂流因子平面成圖時，一定要根據(jù)實際地層情況，謹慎選取時窗.此外，裂流因子無法直觀地描述出裂縫的走向.

4 結(jié)論和討論

本文基于對Russell流體因子的簡單變換及波阻抗方位各向異性，構(gòu)建了裂縫流體因子FFF，并通過一組巖性參數(shù)和實際工區(qū)的應用檢驗了裂流因子的有效性，其技術(shù)優(yōu)勢如下：①FFF能夠準確地表征地層的裂縫發(fā)育情況及流體性質(zhì)，通過對FFF的分析，能夠清晰地描述地下巖層裂縫和流體的空間分布特征；②在不同值域范圍內(nèi)，F(xiàn)FF與流體飽和度均有對應關(guān)系，更易于尋找最有利的勘探目標區(qū)；③勘探人員最為關(guān)注的含氣裂縫發(fā)育帶對應的FFF為低值，研究人員進行最終的地質(zhì)成果繪圖時，將FFF最低值標示為暖色調(diào)(如紅色)，F(xiàn)FF最高值(含氣無裂縫)標示為冷色調(diào)(如藍色)，即可直觀地把握研究區(qū)的裂縫及含氣性特征.

裂流因子在剖面上的預測準確率較高，且與單井含氣飽和度的吻合度非常好，證實了該因子的有效性.但是，由于裂流因子的數(shù)值在不同值域范圍內(nèi)表征了裂縫、流體各異的四種地層性質(zhì)，在對裂流因子數(shù)據(jù)體進行平面成圖時，其數(shù)值受地層厚度影響非常明顯，因此，在利用裂流因子進行裂縫、流體平面分布特征預測時，時窗的控制一定要十分謹慎.此外，裂流因子無法直觀地描述出裂縫的走向.

圖8 營城組上部裂流因子平面圖Fig.8 Plane view of FFF for top of Yingcheng formation

圖9 營城組下部裂流因子平面圖Fig.9 Plane view of FFF for bottom of Yingcheng formation

致謝 作者衷心感謝中國地質(zhì)大學(北京)王彥春教授、劉學清博士、方圓博士，中國地質(zhì)科學院劉志偉博士以及二位匿名審稿專家對本文提出的寶貴建議！

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(本文編輯 何燕)

A new factor of fluid-filled fractures and its application

SUN Wei1,2， HE Zhi-Liang1， LI Yu-Feng3， ZHANG Feng-Qi1， ZHOU Yan1

1LaboratoryofStructuralandSedimentologicalReservoirGeology，Exploration&ProductionResearchInstitute，SINOPEC，Beijing100083，China2ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249，China3ShengliGeophysicalResearchInstituteofSINOPEC，ShandongDongying257022，China

Fracture and fluid property are two important factors for oil and gas prospecting. However，the fluid identification factors proposed by previous studies focus on the fluid identification based on isotropic assumption. Little work is concerned with fluid prediction and recognition of fracture fluid associated with anisotropic media. This study attempts to put forward a new parameter which can characterize fracture and fluid simultaneously，and presents its application in practical research.From geological origins，fracture and fluid are closely related. The situation of fracture development (whether or not) and the fluid properties (water or gas) is similar to the four quadrants in rectangular coordinate system，so both the fracture identification and fluid identification items can be constructed using a rectangular coordinate system. Firstly，the fluid factor of Russell is adjusted to the fluid identification item Fluid:cosθso that the result of adjusted expression is positive when formation contains gas，or negative when formation contains water. Secondly，considering that fracture is sensitive to the P-wave impedance azimuthal anisotropy，and the value of this item is expected to decrease with increasing fracture density, the maximum and minimum of P-wave impedances are introduced to construct the fracture identification item Fracture:sinθ. Therefore，a same parameter angleθis combined with the two above-mentioned items, which is the expected anisotropy fluid factor. Now that this factor is determined by both fracture and fluid，it is named Factor of Fluid-filled Fracture，F(xiàn)FF for short. In addition，through numerical calculation with a group of representative lithological parameters based on the highly porous unconsolidated sandstone model proposed by Dvorikin，the validity of the FFF in both fracture prediction and fluid identification is verified.On the basis of theoretical research，fracture and fluid identification of igneous rock in a certain area of the Songliao basin is taken as an application example. With the process of velocity analysis, pre-stack time migration and pre-stack AVO simultaneous inversion，P-wave impedance and S-wave impedance under isotropic condition, the maximum and minimum of P-wave impedances in different azimuths are obtained. By substituting the data above into the expression of FFF，the FFF volume is determined. Comparing the fracture and fluid information in two wells with the predicted results shows a good consistence. In addition，the predicted result is consistent with the gas saturation curve in a well B. So the effectiveness of the new parameter is proved.Based on the adjustment to fluid factor Russell and P-wave impedance azimuthal anisotropy， a new parameter named FFF is proposed，and its effectiveness is proved with both numerical calculation and practical application. Its technical advantages are as follows: (1) FFF can describe the distribution of fracture and fluid accurately. (2) For different ranges of FFF，fluid saturation can be characterized so that the favorable target can be identified much more conveniently. (3) The minimum and maximum of FFF respectively represent gas-bearing fracture zones and gas zones without fracture，which is intuitive for researchers to understand the characteristics of fracture and gas-bearing properties with the FFF map.

Factor of fluid-filled fracture；Gas saturation；Fluid identification in anisotropy medium；Azimuthal anisotropy；Igneous reservoir

10.6038/cjg20150728.

國家重大專項子課題“海相碳酸鹽巖層系優(yōu)質(zhì)儲層分布與保存條件評價”(2011ZX05005-002)；中石化科技部項目“泥頁巖裂縫形成演化特征與油氣成藏關(guān)系研究”(P13068)共同資助.

孫煒，男，1984年生，中國石化石油勘探開發(fā)研究院在站博士后，主要從事地震儲層及裂縫預測研究工作.E-mail: seagleff@126.com

10.6038/cjg20150728

P631

2014-04-23，2015-05-29收修定稿

孫煒，何治亮，李玉鳳等.2015.一種裂縫流體因子的提出及應用.地球物理學報，58(7):2536-2545,

Sun W, He Z L, Li Y F, et al. 2015. A new factor of fluid-filled fractures and its application.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2536-2545,doi:10.6038/cjg20150728.