梁志強(qiáng)

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

目前全球超過50%的石油天然氣產(chǎn)自裂縫型油氣藏。我國(guó)裂縫型油氣藏分布廣泛,在我國(guó)油氣生產(chǎn)中占有重要地位。但裂縫型油氣藏具有孔隙度低,非均質(zhì)性強(qiáng)且裂縫分布復(fù)雜的特點(diǎn),如何準(zhǔn)確有效地對(duì)地下油氣儲(chǔ)層中的裂縫進(jìn)行預(yù)測(cè)和描述是裂縫型油氣藏勘探開發(fā)中的難點(diǎn)。

近年來,針對(duì)裂縫型油氣藏的識(shí)別和描述形成了多種方法技術(shù),包括利用邊緣檢測(cè)[1]、本征相干[2]、曲率[3]、螞蟻體等疊后屬性技術(shù)[4]以及方位各向異性反演等疊前技術(shù)[5-6]等。但是,由于裂縫的成因類型復(fù)雜,針對(duì)裂縫的各種預(yù)測(cè)方法和描述參數(shù)也各有側(cè)重,因此無論是疊后的屬性計(jì)算還是疊前的各向異性反演,單一的裂縫預(yù)測(cè)方法常常只能針對(duì)某一類斷裂-裂縫或者裂縫發(fā)育帶進(jìn)行預(yù)測(cè),并且預(yù)測(cè)結(jié)果常常是不同級(jí)別、不同尺度的裂縫型儲(chǔ)層的綜合響應(yīng)。由于不同級(jí)別的裂縫對(duì)油氣的貢獻(xiàn)各不相同,因此,如何準(zhǔn)確地對(duì)裂縫進(jìn)行尺度分級(jí)、刻畫不同尺度裂縫的發(fā)育情況,以此來尋找最為有效的裂縫發(fā)育帶,并綜合利用各種地球物理方法以增強(qiáng)不同尺度裂縫預(yù)測(cè)的可靠性成為裂縫預(yù)測(cè)的重要發(fā)展方向。多尺度邊緣檢測(cè)[7]、多尺度相干[8-9]、多尺度曲率[10-11]、多尺度分解[12]等方法技術(shù)為不同尺度裂縫的綜合預(yù)測(cè)和描述提供了可能,這些多尺度技術(shù)大多基于數(shù)學(xué)意義上的尺度概念對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,可獲得不同尺度的裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果。本文首先對(duì)不同尺度斷裂-裂縫的地質(zhì)成因、尺度特征以及地球物理預(yù)測(cè)方法進(jìn)行分類[13-14],然后介紹多尺度地震預(yù)測(cè)方法的基本原理,最后綜合利用疊后地震屬性,對(duì)不同尺度的斷裂-裂縫進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

1 不同尺度裂縫的劃分及預(yù)測(cè)方法

對(duì)不同發(fā)育規(guī)模和延伸尺度的斷裂-裂縫類型及成因進(jìn)行劃分并總結(jié)[15-19],分析其不同的地震響應(yīng)特征及地質(zhì)形態(tài),總結(jié)了不同尺度下裂縫的地球物理特征(表1)。

表1 斷裂-裂縫的尺度劃分及預(yù)測(cè)方法

大尺度的斷裂和裂縫發(fā)育帶大都與所在地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。隨著構(gòu)造規(guī)模、時(shí)間、構(gòu)造部位、性質(zhì)和產(chǎn)狀等的不同形成了大量中、小尺度的斷裂-裂縫,包括次生斷裂、伴生裂縫、派生裂縫、重張縫以及追蹤張性縫等[13];沉積、成巖作用也可以形成大量中、小尺度裂縫,這種斷裂-裂縫發(fā)育的規(guī)模和大小及其地球物理響應(yīng)的差異就是斷層和裂縫的尺度特征。不同地質(zhì)尺度的裂縫往往具有不同的地球物理響應(yīng)特征[14]。

根據(jù)前人對(duì)不同級(jí)別斷裂-裂縫的地質(zhì)認(rèn)識(shí)[13-14],結(jié)合地震響應(yīng)特征[14],形成了以不同走向延伸距離為標(biāo)準(zhǔn),參考地震預(yù)測(cè)方法的多尺度斷裂/裂縫的分級(jí)方法:將走向延伸長(zhǎng)度為幾百米到幾十公里的區(qū)域大斷裂定義為大尺度裂縫(斷裂);將走向延伸長(zhǎng)度為幾十米到幾百米的斷裂定義為中尺度裂縫;將走向延伸距離為幾米到幾十米的斷裂定義為小尺度裂縫。在測(cè)井和巖石物理領(lǐng)域,還存在長(zhǎng)度為幾厘米到幾米甚至毫米級(jí)的小微裂縫,本文暫不討論該尺度的裂縫。

2 多尺度裂縫疊后地震預(yù)測(cè)方法的基本原理

2.1 多尺度相干技術(shù)

裂縫型儲(chǔ)層中的P波具有明顯的方位各向異性特征,利用Curvelet變換對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度和多方向分解:

對(duì)aj,l取不同的值,再進(jìn)行Curvelet反變換,可得到具有方位特性的地震數(shù)據(jù)體c(j,l,k),對(duì)其進(jìn)行相干計(jì)算,可得到突出特定頻段且反映不同尺度裂縫的相干體數(shù)據(jù)[9]。

2.2 多尺度曲率技術(shù)

在三維多尺度體曲率分析中，空間方向的多尺度特征可通過引入如下的空間波數(shù)域微分算子Fα實(shí)現(xiàn)[10]:

式中:u(x)為x時(shí)刻的地震信號(hào);F(·)為傅里葉變換;kx為復(fù)波數(shù);α為波數(shù)域尺度因子。在實(shí)際應(yīng)用中,為了有效保留地層的線性構(gòu)造,只改變復(fù)波數(shù)的振幅譜,而保持相位譜不變,故可將(2)式改寫為:

2.3 Likelihood屬性方法

Likelihood屬性方法作為第四代屬性分析方法,是建立在最大似然原理基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)方法[18],也是概率論在地震統(tǒng)計(jì)學(xué)中的應(yīng)用,其原理是將原始地震數(shù)據(jù)沿著每一組走向和傾角,計(jì)算各點(diǎn)最低的相似度及同相軸連續(xù)性。

先計(jì)算以突出斷裂識(shí)別為導(dǎo)向的相似性屬性Sem(數(shù)值范圍0～1)[18]:

式中:g為三維地震數(shù)據(jù)體;(·)s代表對(duì)地震數(shù)據(jù)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波;(·)f代表沿?cái)嗔?、傾向方向?yàn)V波。

Likelihood屬性L的計(jì)算公式為:

從Likelihood屬性的原理可知,地震同相軸連續(xù)性越好,則相似性屬性越大且Likelihood屬性越小,即斷裂發(fā)育的可能性越小,該技術(shù)對(duì)小斷層及小尺度裂縫具有良好的識(shí)別能力。

多尺度裂縫疊后地震預(yù)測(cè)的方法大都借鑒了數(shù)學(xué)中的多尺度概念,多尺度相干技術(shù)基于Curvelet變換,對(duì)于恢復(fù)沿邊緣的主要結(jié)構(gòu)和抑制周邊噪聲有其特有優(yōu)勢(shì);多尺度曲率技術(shù)使用波數(shù)域算子,表示相位隨空間位置的變化特征;而Likelihood屬性則是統(tǒng)計(jì)學(xué)中最大似然原理對(duì)地震錯(cuò)斷和不連續(xù)性大小的一種反映。實(shí)際應(yīng)用中,單一的多尺度方法常常無法反應(yīng)實(shí)際地層的多尺度裂縫信息,因此需要結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)特征展開具體分析。

3 不同尺度裂縫的疊后地震預(yù)測(cè)

3.1 大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶的疊后綜合地震預(yù)測(cè)

大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶的走向延伸一般從幾百米到幾十公里甚至上百公里不等,其地質(zhì)成因通常與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)[13,15-17]。大尺度斷裂-裂縫的縱向和橫向延伸不受巖性、物性控制,其主要特征是裂縫平直、穿層深、延伸長(zhǎng),垂直于層面或與巖層面呈大角度相交,所形成的裂縫在較大區(qū)域內(nèi)規(guī)模、方位和性質(zhì)都相同或具有相似性,同一構(gòu)造單元的區(qū)域范圍內(nèi)其延伸方向具有規(guī)律性。大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶在常規(guī)地震屬性中(如振幅變化率、邊緣檢測(cè)、相干等屬性)均有不同程度的展示,但是對(duì)其邊界的精確刻畫和內(nèi)幕的有效識(shí)別仍然有待進(jìn)一步的研究。

圖1為大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶的形態(tài)、邊界以及輪廓的三維刻畫結(jié)果,它利用了本征相干、螞蟻體、斷面增強(qiáng)以及Likelihood等疊后屬性綜合預(yù)測(cè)技術(shù)。相干技術(shù)用于確定其大致的裂縫發(fā)育帶范圍;螞蟻體確定其主要走向;斷面增強(qiáng)技術(shù)和Likelihood屬性用于確定其發(fā)育帶的邊界。將刻畫結(jié)果與解釋成果以及地質(zhì)成果對(duì)比分析可知,裂縫發(fā)育帶與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的區(qū)域大斷裂方向吻合,其北東向裂縫與北西向裂縫相交,發(fā)育形態(tài)符合地質(zhì)認(rèn)識(shí),三維體邊界的預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

圖1 大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶的形態(tài)、邊界與輪廓三維刻畫結(jié)果

圖2顯示了大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶的內(nèi)幕刻畫結(jié)果。圖2a為地震剖面;圖2b所示的斷裂-裂縫帶邊界采用的預(yù)測(cè)方法與圖1中所采用的方法相同,即利用斷面增強(qiáng)技術(shù)和Likelihood屬性實(shí)現(xiàn)了斷裂-裂縫帶邊界的刻畫;圖2c為利用多尺度曲率技術(shù)得到的小尺度裂縫的計(jì)算結(jié)果,即為斷裂帶內(nèi)部發(fā)育小溶洞的刻畫結(jié)果[10];圖2d為采用三維疊后多尺度相干技術(shù)得到的小尺度裂縫計(jì)算結(jié)果,即為斷裂帶內(nèi)部發(fā)育小裂縫的刻畫結(jié)果[9];圖2e 所示的斷溶體為利用三維結(jié)構(gòu)張量λ2屬性得到的計(jì)算結(jié)果。

3.2 中尺度裂縫的疊后地震預(yù)測(cè)

中尺度裂縫常常由區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或褶皺、斷層作用產(chǎn)生,走向延伸距離為幾十米至上百米。在碳酸鹽巖的沉積地層中,裂縫分布不均勻,且與主斷層或大裂縫相交。中尺度裂縫包括與構(gòu)造相關(guān)的斷層伴生裂縫,也包括與層理平行的縫合縫、與縫合線相關(guān)的裂縫以及成巖作用形成的裂縫等[14]。

中尺度裂縫地震預(yù)測(cè)主要利用了螞蟻體、多尺度曲率體以及多尺度相干等技術(shù),預(yù)測(cè)方法與大尺度斷裂-裂縫帶內(nèi)幕發(fā)育的裂縫預(yù)測(cè)方法類似,但具體實(shí)現(xiàn)流程和屬性的組合方式有所不同,本文主要介紹多尺度曲率體算法以及一種改進(jìn)的曲率螞蟻體算法。

多尺度曲率體計(jì)算過程中,由于引入了時(shí)頻域分頻展開公式和波數(shù)域多尺度微分算子,故能反映地震信息的多尺度特征,大尺度曲率體可刻畫斷層、裂縫發(fā)育帶、彎曲的宏觀特征,小尺度曲率體可精細(xì)刻畫細(xì)微的構(gòu)造[10]。實(shí)際計(jì)算時(shí)可以根據(jù)需要計(jì)算多種尺度的曲率,并結(jié)合已有的地質(zhì)認(rèn)識(shí)和屬性情況,得到合適的裂縫分析結(jié)果。

圖3為某條主測(cè)線多尺度曲率體的計(jì)算結(jié)果,圖3a 為地震剖面,圖3b至圖3d依次為大、中、小尺度的曲率體剖面。多尺度曲率體的計(jì)算結(jié)果可以同時(shí)在時(shí)間和空間上反映裂縫的多尺度特征,在充分利用不同尺度曲率異常信息的同時(shí),降低了噪聲影響,提高了利用曲率屬性解釋不同尺度裂縫的效率。

為了更好地對(duì)中尺度裂縫進(jìn)行預(yù)測(cè),筆者研發(fā)了一種改進(jìn)的曲率螞蟻體算法,其實(shí)現(xiàn)思路為:基于三維疊后地震數(shù)據(jù),計(jì)算多尺度曲波數(shù)據(jù)體[9],再根據(jù)多尺度曲波數(shù)據(jù)體計(jì)算高精度曲率體,最后根據(jù)高精度曲率體計(jì)算螞蟻體,計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯?與傳統(tǒng)的螞蟻體算法得到的剖面相比,改進(jìn)的曲率螞蟻體算法得到的剖面對(duì)裂縫方向、寬度以及傾向的刻畫更精細(xì)(圖4);與傳統(tǒng)的螞蟻體算法得到的切片相比,改進(jìn)的曲率螞蟻體算法得到的切片抗噪性更強(qiáng),預(yù)測(cè)的裂縫連續(xù)性和方向性更好,并且井周圍發(fā)育的斷裂-裂縫走向更清晰(圖5),后期開發(fā)的測(cè)井資料顯示,A井和B井的儲(chǔ)層段都發(fā)育有大量的裂縫。

3.3 小尺度裂縫的疊后屬性預(yù)測(cè)

小尺度裂縫一般由褶皺、斷層、沉積或成巖作用產(chǎn)生,呈網(wǎng)狀或定向排列分布,走向延伸長(zhǎng)度一般為幾米到幾十米[14]。其地震響應(yīng)一般呈現(xiàn)高頻、雜亂狀反射特征,也有部分小尺度裂縫呈現(xiàn)弱反射特征。小尺度裂縫由于發(fā)育規(guī)模和尺度均小,采用常規(guī)的疊后地震屬性方法不易展開有效預(yù)測(cè),因此小尺度裂縫的識(shí)別通常需結(jié)合測(cè)井方法,如雙側(cè)向測(cè)井、全井眼地層微電阻率掃描成像測(cè)井等方法。此外,基于TI介質(zhì)的疊前各向異性反演方法也可以預(yù)測(cè)出定量排列的小尺度裂縫[5-6]。

圖2 大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶的內(nèi)幕刻畫結(jié)果(圖中紅色虛線為大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶的邊界)a 地震剖面; b 利用斷面增強(qiáng)技術(shù)和Likelihood屬性預(yù)測(cè)的斷裂-裂縫帶邊界; c 利用多尺度曲率技術(shù)預(yù)測(cè)的斷裂帶內(nèi)部發(fā)育的小溶洞; d 利用三維疊后多尺度相干技術(shù)預(yù)測(cè)的斷裂帶內(nèi)部發(fā)育小裂縫; e 利用三維結(jié)構(gòu)張量λ2屬性預(yù)測(cè)的斷溶體

圖3 多尺度曲率體的計(jì)算結(jié)果a 地震剖面; b 大尺度曲率剖面; c 中尺度曲率剖面; d 小尺度曲率剖面

為預(yù)測(cè)小尺度裂縫,根據(jù)某三維工區(qū)的疊后地震數(shù)據(jù),計(jì)算該工區(qū)的細(xì)化斷層概率體(thinned fault likelihood,TFL)屬性值,并結(jié)合解釋成果、地質(zhì)和測(cè)井等信息,選取值為0.1～0.3的Likelihood屬性,進(jìn)行小尺度裂縫體的空間展布預(yù)測(cè),結(jié)果如圖6所示。圖6右側(cè)為小尺度裂縫預(yù)測(cè)的Likelihood屬性沿層切片,圖中黑色線條為構(gòu)造解釋的斷層多邊形(Polygon)結(jié)果,紅星標(biāo)示的探井是一口高產(chǎn)井;圖6左上部分測(cè)井曲線的高值區(qū)域反映了其儲(chǔ)層段的裂縫非常發(fā)育;圖6左下部分為地震剖面疊加Likelihood屬性顯示結(jié)果,可以看出,串珠溶洞邊緣及附近發(fā)育小裂縫,構(gòu)造隆起斷裂帶附近發(fā)育小裂縫,這與地質(zhì)認(rèn)識(shí)大體一致,說明小尺度裂縫的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。對(duì)比分析地震剖面、構(gòu)造與井中裂縫孔隙度,可以看出小尺度裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與主干斷裂帶發(fā)育一致,與構(gòu)造應(yīng)變吻合度高,次級(jí)斷裂及斷裂交匯處發(fā)育了小尺度裂縫,斷裂、構(gòu)造、隱伏斷裂發(fā)育區(qū)及不同斷裂交匯處是裂縫的主要發(fā)育區(qū)。

圖4 兩種螞蟻體算法計(jì)算得到的剖面對(duì)比a 常規(guī)的螞蟻體算法; b 改進(jìn)的曲率螞蟻體算法

圖5 兩種螞蟻體算法計(jì)算得到的切片對(duì)比a 傳統(tǒng)螞蟻體算法; b 改進(jìn)的曲率螞蟻體算法

圖6 小尺度裂縫空間展布預(yù)測(cè)

4 結(jié)束語

由于不同級(jí)別斷裂-裂縫的成因、類型、規(guī)模和特征有所不同,斷裂-裂縫的發(fā)育受密度、孔隙度、延伸長(zhǎng)度以及充填物等信息影響,因此僅利用地震響應(yīng)對(duì)不同級(jí)別的斷裂-裂縫進(jìn)行尺度劃分較為困難。本文結(jié)合斷裂-裂縫的地質(zhì)特征和地球物理預(yù)測(cè)方法,對(duì)斷裂-裂縫進(jìn)行尺度劃分,并探討利用多尺度相干、多尺度曲率、Likelihood等多種疊后屬性實(shí)現(xiàn)不同尺度斷裂-裂縫的定性預(yù)測(cè)。實(shí)際應(yīng)用中,可以借助更多的地球物理手段,如基于測(cè)井信息的裂縫分級(jí)、裂縫巖石物理反演、基于疊前AVAZ或者孔隙結(jié)構(gòu)反演等來更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)不同尺度裂縫的劃分、預(yù)測(cè)與描述,并最終形成斷裂-裂縫的定量化描述,這也是我們下一步的工作方向。