于曉東 桂志先 汪 勇* 王井伶

(①長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430100； ②長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北武漢 430100； ③中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249)

0 引言

裂縫可以作為油氣儲集的有利空間，還可以作為油氣運(yùn)移的通道，對油氣的分布與儲集有著重要的意義[1]。裂縫性油氣藏的巖性一般都屬于致密巖，其開發(fā)難點(diǎn)在于確定工區(qū)的裂縫發(fā)育特征及發(fā)育程度[2]。

一般情況下，地震裂縫預(yù)測技術(shù)主要分為疊前和疊后，疊前主要使用AVO或AVA技術(shù)；疊后主要應(yīng)用螞蟻?zhàn)粉?、屬性分析、相干體檢測和邊緣檢測等技術(shù)[3]。與疊后方法相比，疊前技術(shù)選取的地震數(shù)據(jù)保留了炮檢距和方位角信息，預(yù)測精度較高。

在大量理論研究和實(shí)際生產(chǎn)中，地震P波運(yùn)用于裂縫預(yù)測有較好的效果。Mallick等[4]發(fā)現(xiàn)，一個(gè)固定炮檢距的P波反射振幅和炮檢方向與裂縫走向的夾角存在一個(gè)近似的周期余弦函數(shù)關(guān)系。隨后曲壽利等[5]將上述發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展到反射波速度和炮檢方向與裂縫走向之間夾角的關(guān)系。近年來人們總結(jié)出一套P波方位各向異性裂縫預(yù)測技術(shù)——利用地震波在各向異性介質(zhì)中傳播速度、時(shí)間、振幅屬性隨炮檢距和方位角變化檢測裂縫[6]。AVAZ裂縫預(yù)測技術(shù)是根據(jù)P波振幅隨方位角變化估算裂縫方位和密度[7]，Schoenberg等[8]利用地震波方位AVO預(yù)測裂縫分布取得了不錯(cuò)的效果。

本文以車排子凸起石炭系火山巖裂縫儲層為目標(biāo)，對疊前地震資料提取了隨方位角變化的地震屬性，并基于疊前P波方位各向異性原理，對該區(qū)大量發(fā)育的高角度、近平行裂縫進(jìn)行了定量預(yù)測，獲得了研究區(qū)裂縫發(fā)育方向和裂縫密度分布特征。

1 研究區(qū)概況

1.1 構(gòu)造特征

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西部車排子凸起的東北部(圖1黑框所示)。車排子凸起東鄰紅車斷階帶，西北部延伸至扎伊爾山，南部是四棵樹凹陷[9]。該凸起屬于一個(gè)海西晚期的繼承性凸起，呈三角形，現(xiàn)今地貌是喜山運(yùn)動(dòng)改造后的結(jié)果[10]。車排子凸起在海西晚期的沉積層厚度比較有限，其后大部分多數(shù)地區(qū)缺少二疊系、三疊系以及侏羅系[11]。同時(shí)，在海西晚期，車排子凸起為來自昌吉和四棵樹凹陷的油氣聚集有利區(qū)，主要儲層為石炭系火山巖[12]。

圖1 研究區(qū)位置圖

車排子地區(qū)石炭系火山巖經(jīng)歷海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)，發(fā)育了多條北西向、北東向和近東西向的斷裂，形成了斷塊構(gòu)造，同時(shí)形成了大量的構(gòu)造裂縫，也為風(fēng)化剝蝕、淋濾形成大量溶蝕孔縫創(chuàng)造了條件。區(qū)域內(nèi)石炭系厚度大、巖性以中基性的火山熔巖和火山碎屑巖為主，儲集空間類型多，原油分布極其復(fù)雜。整體上車排子北部地區(qū)石炭系頂面為一北西高、南東低的單斜。

車排子地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣沖斷帶前緣，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，斷裂十分發(fā)育。車排子地區(qū)石炭系整體上受東西向主應(yīng)力作用，大斷裂多呈南北走向，與紅車斷裂近似平行，這些斷裂控制了二級構(gòu)造帶的展布方向，形成了石炭系南北成帶、西高東低的斷階式構(gòu)造。南北向的應(yīng)力場使構(gòu)造格局復(fù)雜化，一方面使主應(yīng)力場控制下發(fā)育的一系列近南北向斷層發(fā)生扭轉(zhuǎn)，另一方面又發(fā)育多條近東西向斷層，這些斷層與控帶斷裂組合形成了斷塊構(gòu)造格局。

1.2 裂縫特征

本區(qū)石炭系火山巖發(fā)育四組裂縫：近南北向、東西向、北東東向和北北西向。野外及鉆井裂縫走向與斷裂走向基本一致，斷裂作用影響較大。區(qū)域內(nèi)不同的巖性裂縫發(fā)育程度不同，裂縫最發(fā)育的是凝灰?guī)r和安山巖，且石炭系裂縫主要以高角度縫為主。裂縫發(fā)育程度受構(gòu)造應(yīng)力影響較大，離斷層越近，裂縫越發(fā)育； 不同走向裂縫發(fā)育程度差異較大，近南北向裂縫最發(fā)育。從裂縫的填充程度來看，充填物主要為方解石，部分為石英和石膏，少數(shù)為硅質(zhì)和綠泥石。裂縫充填程度最高的為北北西向裂縫，其次為北東東向，東西向和南北向裂縫充填程度較低，反映斷裂活動(dòng)性強(qiáng)，輸導(dǎo)性能優(yōu)越。

2 反射系數(shù)影響因素分析

Ruger[13]給出了HTI介質(zhì)P波反射系數(shù)隨入射角、方位角變化的近似計(jì)算公式

(1)

式中：Z為P波阻抗；α、β分別為P波和S波速度；δ、γ、ε為Thomsen弱各向異性參數(shù)；G=ρβ2為剪切模量；θ和φ分別為入射角和方位角(測線與HTI介質(zhì)對稱軸夾角)；上劃線和“Δ”分別表示界面上下參數(shù)的均值和差值。

2.1 P波反射系數(shù)隨入射角變化

根據(jù)式(1)給出的P波反射系數(shù)表達(dá)式，改變方位角和各向異性參數(shù)，可以計(jì)算出反射系數(shù)隨著入射角(0°～40°)的變化曲線，如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，在其他參數(shù)相同的情況下，由于HTI介質(zhì)中各向異性參數(shù)的變化，P波反射系數(shù)隨著入射角的變化規(guī)律不同。

圖2 含HTI介質(zhì)的雙層介質(zhì)模型

圖3 ε=0、γ=0、不同δ時(shí)P波反射系數(shù)隨入射角的變化曲線

圖4 ε=0、δ=0、不同γ時(shí)P波反射系數(shù)隨入射角的變化曲線

圖5 δ=0、γ=0、不同ε時(shí)P波反射系數(shù)隨入射角的變化曲線

(1)當(dāng)介質(zhì)存在各向異性，φ=0°時(shí)，P波反射系數(shù)隨入射角的相對變化最大；φ=90°時(shí)，P波反射系數(shù)相對變化最小。

(2)當(dāng)入射角較小，反射系數(shù)在不同方位角的差異較??；大入射角時(shí)差別較大，所以大炮檢距信息更能反映各向異性特征。

(3)當(dāng)δ、γ、ε小于0且φ小于70°，反射系數(shù)隨入射角的增大而減小，當(dāng)φ大于70°反射系數(shù)隨入射角的增大先增大后減?。?當(dāng)δ、γ、ε大于0，大部分方位角反射系數(shù)隨著入射角增大而增大，小部分方位角在入射角較大時(shí)有很小的減小趨勢。

2.2 P波反射系數(shù)隨方位角變化

同樣，根據(jù)式(1)改變?nèi)肷浣呛透飨虍愋詤?shù)可以計(jì)算反射系數(shù)隨方位角(0°～180°)的變化曲線，如圖6～圖8所示。

圖6 ε=0、γ=0、不同δ時(shí)P波反射系數(shù)隨方位角的變化曲線

圖7 ε=0、δ=0、不同δ時(shí)P波反射系數(shù)隨入射角的變化曲線

圖8 δ=0、γ=0、不同ε時(shí)P波反射系數(shù)隨入射角的變化曲線

由圖6～圖8可以看出，在其他參數(shù)相同的情況下，由于HTI介質(zhì)的各向異性參數(shù)不同，P波反射系數(shù)隨著方位角變化規(guī)律也不同。

(1)當(dāng)θ=0°時(shí)，P波反射系數(shù)不隨方位角變化；θ=40°時(shí)，P波反射系數(shù)隨方位角變化最大。

(2)當(dāng)θ不為0°、φ=90°時(shí)，P波反射系數(shù)取極值，是極大值還是極小值由各向異性參數(shù)確定。

(3)當(dāng)δ、γ或ε小于0時(shí)，反射系數(shù)隨方位角的增大先增加(方位角0°～90°)后減小(方位角90°～180°)；當(dāng)δ、γ或ε大于0時(shí)，反射系數(shù)隨方位角的增大先減小(方位角0°～90°)后增大(方位角90°～180°)。

3 AVAZ技術(shù)裂縫預(yù)測原理

在小入射角時(shí)，各向異性介質(zhì)中P波的反射波系數(shù)公式(式(1))可簡化為[14]

R(θ,φobs)=P+U(φobs)sin2θ

=P+[Uiso+Uanicos2(φobs-φsym)]sin2θ

(2)

式中：P為P波在垂直入射時(shí)的反射波振幅；U(φobs)是方位角為φobs時(shí)振幅的總變化率；Uiso為各向同性振幅隨炮檢距的變化率；Uani為各向異性振

幅隨方位角的變化率；φobs表示激發(fā)點(diǎn)到接收點(diǎn)的方位角；φsym表示裂縫走向方位角。

當(dāng)入射角固定時(shí)，式(2)可繼續(xù)簡化為

R(θ,φobs)=A+B(φobs)sin2θ

(3)

式中：A反映了與炮檢距有關(guān)的振幅變化；B(φobs)=Uiso+Uanicos2(φobs-φsym)反映了振幅隨炮檢距方位的變化[15]。通過式(3)可以反演出振幅橢圓的相關(guān)參數(shù)A、B和φsym。B/A即橢圓長軸與短軸之比是一種表示裂縫密度的參數(shù)[16]。

4 裂縫地震響應(yīng)正演模擬

研究區(qū)排66井的成像測井?dāng)?shù)據(jù)顯示，該井的1326～1400m深度范圍內(nèi)，裂縫發(fā)育明顯，裂縫的縱向分布也比較廣泛。利用該井的測井資料得到巖石物理參數(shù)，根據(jù)Ruger公式(式(1))可以計(jì)算不同方位角的反射系數(shù)，與地震子波褶積可以得到圖9所示的過該井石炭系段理論上不同方位角的振幅隨炮檢距變化的疊前地震響應(yīng)剖面。根據(jù)圖9可以分析本工區(qū)不同方位角道集的AVO響應(yīng)特征，同時(shí)可以在理論上得到擬合振幅橢圓，建立判斷本區(qū)裂縫發(fā)育方向的依據(jù)，從圖中可以看出：

圖9 排66井裂縫段振幅隨方位角、入射角變化規(guī)律正演模擬結(jié)果

(1)當(dāng)確定一個(gè)方位角時(shí)，裂縫發(fā)育區(qū)域的反射波振幅將隨入射角的增大而減小。

(2)當(dāng)入射角小于12°時(shí)，不同方位角得到的反射波振幅基本一致。隨著入射角的不斷增大，不同方位上的反射波也產(chǎn)生了差異，這種差異隨著入射角的不斷增大而增大。因此，實(shí)際裂縫預(yù)測中可以選擇去除一部分小炮檢距數(shù)據(jù)，盡量保留大炮檢距數(shù)據(jù)。

(3)通過右下角的AVAZ振幅橢圓擬合圖可以確定本區(qū)裂縫方向預(yù)測原則，即橢圓長軸方向平行于裂縫的走向，橢圓短軸垂直于裂縫走向。

5 疊前地震分方位角處理

在進(jìn)行AVAZ處理前，先要進(jìn)行研究區(qū)觀測系統(tǒng)參數(shù)的全方位分析，并在地震響應(yīng)正演模擬結(jié)果的指導(dǎo)下篩選出最能體現(xiàn)工區(qū)特點(diǎn)的方位角數(shù)據(jù)[17]。圖10為該區(qū)疊前地震資料的方位角和炮檢距統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，炮檢距大于1800m的部分，方位角一般都在0°～20°和160°～180°，這些數(shù)據(jù)如果被使用就會(huì)使得不同方位角的疊加產(chǎn)生較大差異，從而使結(jié)論產(chǎn)生誤差。同時(shí)，疊前地震響應(yīng)正演模擬表明小炮檢距反射波振幅各向異性特征不明顯，所以在劃分方位角道集時(shí)也需要去除這部分的地震數(shù)據(jù)。

經(jīng)過分析每個(gè)面元的覆蓋次數(shù)和方位角的均衡問題后，針對該區(qū)的三維地震疊前資料，最終確定了工區(qū)應(yīng)該保留的炮檢距在100～1200m之間，如圖10b中藍(lán)色虛線框所示。

圖10 研究區(qū)疊前地震資料覆蓋次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

在對疊前地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分方位角處理的時(shí)候需要充分考慮到各面元覆蓋次數(shù)以及炮檢距之間的平衡，且方位角區(qū)間不能劃分過多，否則會(huì)使預(yù)測的準(zhǔn)確性降低[18]。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)最終選擇不等方位角劃分方案，如表1所示，各個(gè)面元在不同方位角范圍內(nèi)的覆蓋次數(shù)約為16。

在進(jìn)行不同方位角道集疊加和偏移的時(shí)候，可以通過增加CMP面元的面積來減小炮檢距不均勻的問題[19]，同時(shí)還可以確保在不同方位角上有足夠的炮檢距道集分布以及基本相同的疊加次數(shù)，這樣可以達(dá)到優(yōu)化疊加的效果，提高各方位地震資料的信噪比[20]。原始地震資料的面元為10m×20m，經(jīng)過測算分析將面元擴(kuò)大為20m×40m。通過對方位角道集進(jìn)行疊加、疊后偏移處理得到不同中心角度的偏移剖面(圖11)。圖中紅色橢圓范圍(排666井處)內(nèi)地震各向異性明顯，表明裂縫發(fā)育程度較高，與排666井實(shí)鉆結(jié)果吻合。

表1 研究區(qū)石炭系疊前地震數(shù)據(jù)方位角劃分方案

圖11 過排666井分方位疊加偏移剖面圖

6 各向異性裂縫檢測

在前文中，首先分析了研究區(qū)地震資料的適用性，并根據(jù)實(shí)際測井、鉆井資料進(jìn)行了裂縫地震響應(yīng)的正演模擬； 然后進(jìn)行了疊前地震資料方位角的劃分、疊加及偏移處理，得到了方位角道集數(shù)據(jù)體。在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算分方位角道集數(shù)據(jù)體的相對阻抗，將該相對阻抗值作為裂縫檢測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[21]。對方位角道集數(shù)據(jù)體消除剩余時(shí)差后[22]，統(tǒng)計(jì)振幅值和入射角，可以得到一系列滿足式(3)的正弦曲線，進(jìn)而可以根據(jù)式(3)反演計(jì)算出各個(gè)位置點(diǎn)的不同方位角的梯度和截距屬性，最終可以根據(jù)梯度和截距進(jìn)行振幅橢圓擬合，從而得到工區(qū)的裂縫密度預(yù)測圖(圖12)、剖面(圖13)以及裂縫方位玫瑰圖(圖14)，以達(dá)到對裂縫密度和方位定量預(yù)測的目的。

為了驗(yàn)證裂縫密度預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取排668、排662和排674三口井進(jìn)行對比。圖13為過這三口井的連井裂縫密度預(yù)測剖面，可以看出在石炭系地層中排668井裂縫密度最大，排674井裂縫密度中等，排662井裂縫不太發(fā)育。三口井累計(jì)產(chǎn)量分別為64.1、15、0.16.7t，與疊前裂縫預(yù)測結(jié)果高度吻合，說明了預(yù)測的裂縫密度具有較高的可靠性。

圖14為研究區(qū)石炭系頂界面往下200ms以內(nèi)的裂縫發(fā)育方向玫瑰圖，表示各個(gè)統(tǒng)計(jì)面元(50m×50m)內(nèi)石炭系該深度段內(nèi)主要的裂縫發(fā)育方向。從圖中來看，預(yù)測的排60、排61、排662和排66井的裂縫發(fā)育方向和成像測井資料基本吻合，說明預(yù)測的裂縫方向也具有較好的可靠性。圖中區(qū)域1和區(qū)域2分別發(fā)育南北+北東東和北北西+北東東方向的裂縫，區(qū)域3主要發(fā)育南北+北北西向的裂縫，區(qū)域4主要發(fā)育南北+東西方向的裂縫。來自南部和東部的四棵樹凹陷和昌吉凹陷的油氣主要聚集在區(qū)域1和區(qū)域2，同時(shí)由于區(qū)域4的主要裂縫方向?yàn)槟媳毕?，來自凹陷的油氣可以通過區(qū)域1和區(qū)域2并沿著裂縫和斷層疏導(dǎo)至區(qū)域4，因此區(qū)域4可以認(rèn)為是今后油氣勘探的潛力區(qū)。

圖12 疊前裂縫密度預(yù)測結(jié)果

圖13 疊前裂縫密度預(yù)測連井剖面

圖14 研究區(qū)石炭系預(yù)測的裂縫密度及裂縫方位玫瑰圖及與成像測井的對比

7 結(jié)束語

本文首先從理論上分析了HTI介質(zhì)P波反射系數(shù)隨方位角和入射角的變化規(guī)律，其次完成了疊前地震響應(yīng)的正演模擬，并結(jié)合工區(qū)疊前地震資料的特點(diǎn)進(jìn)行了不等分方位角道集的篩選和處理，最后基于AVAZ裂縫預(yù)測技術(shù)對研究區(qū)石炭系進(jìn)行了裂縫定量預(yù)測研究，得到了裂縫發(fā)育密度和方位。對比結(jié)果認(rèn)為，預(yù)測得到的裂縫發(fā)育密度和方位與成像測井資料吻合程度較高，預(yù)測結(jié)果能夠較好地反映該區(qū)裂縫發(fā)育特征，為該區(qū)石炭系裂縫型油氣藏的勘探和開發(fā)提供了依據(jù)。