陳雙全，鐘慶良，李忠平，張 敏，趙 欣，李向陽(yáng),5

[1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石化 江漢油田分公司地球物理研究院，湖北 武漢 430035；4.中國(guó)石油 青海油田公司采油三廠，青海 茫崖 816400；5.英國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局 愛(ài)丁堡各向異性研究組，英國(guó) 愛(ài)丁堡 EH14 4AP]

裂縫作為油氣儲(chǔ)層的有效存儲(chǔ)空間，同時(shí)也是油氣滲流的主要通道，往往控制著油氣的賦存和產(chǎn)能，即裂縫發(fā)育常預(yù)示著油氣的富集與高產(chǎn)。因此，裂縫發(fā)育對(duì)于致密油氣藏、碳酸鹽油氣藏等儲(chǔ)層的油氣富集和成藏起著至關(guān)重要的作用。對(duì)裂縫性儲(chǔ)層中裂縫的產(chǎn)狀以及分布規(guī)律的準(zhǔn)確描述，有利于更好地進(jìn)行裂縫油藏描述[1]。裂縫油藏描述需要綜合地質(zhì)、地震及測(cè)井信息開(kāi)展工作，進(jìn)行地質(zhì)甜點(diǎn)及地球物理甜點(diǎn)的預(yù)測(cè)，其中地球物理甜點(diǎn)預(yù)測(cè)主要是利用地震各向異性屬性參數(shù)開(kāi)展研究。

裂縫介質(zhì)巖石物理模型包括具有水平對(duì)稱軸的橫向各向同性介質(zhì)(HTI)和具有垂直對(duì)稱軸的橫向各向同性介質(zhì)(VTI)。目前，對(duì)于HTI介質(zhì)模型的裂縫預(yù)測(cè)方法相對(duì)比較成熟，可以利用疊后幾何類地震屬性和疊前方位各向異性反演屬性進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]。然而，對(duì)于VTI介質(zhì)中的水平裂縫，目前還沒(méi)有很好的辦法和工具進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。因此，從裂縫發(fā)育的地質(zhì)特征出發(fā)，研究水平層理縫的地震響應(yīng)特征，是開(kāi)展利用地震數(shù)據(jù)進(jìn)行水平層理縫及低角度層理縫預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和前提。

為了進(jìn)行裂縫性儲(chǔ)層描述，需要建立起介質(zhì)的等效模型。經(jīng)典的等效介質(zhì)模型包括Schoenberg等提出的線性滑動(dòng)模型[3]及Hudson裂隙巖石物理模型[4]，但是，這類模型不能準(zhǔn)確描述裂縫的幾何結(jié)構(gòu)，且沒(méi)有考慮背景介質(zhì)中是否包含孔隙和流體，不能很好地解釋地震波在裂縫性儲(chǔ)層中的頻散和衰減特征。裂縫性儲(chǔ)層巖石屬于裂縫孔隙介質(zhì)，巖石中的孔隙、裂縫以及兩者之間由于地震波的傳播產(chǎn)生的流體流動(dòng)，在巖石物理建模都應(yīng)該被考慮到。為了能夠準(zhǔn)確地描述裂縫性儲(chǔ)層，需要建立更加完善的等效介質(zhì)模型，才能得到裂縫幾何結(jié)構(gòu)等更詳細(xì)的儲(chǔ)層信息[5]。Chapman等提出了一種動(dòng)態(tài)等效介質(zhì)模型，該模型考慮到了等徑孔隙與微裂隙(顆粒尺度)和介觀裂縫(介觀尺度)，以及存在這兩種尺度裂隙時(shí)的地震波傳播產(chǎn)生的耦合流體流動(dòng)效應(yīng)。Chapman巖石物理模型能夠描述裂縫性孔隙介質(zhì)彈性性質(zhì)，合理解釋地震波在傳播時(shí)引起的速度頻散和衰減現(xiàn)象，相比其他巖石物理模型具有更好的表征能力[6-8]。

論文主要針對(duì)非常規(guī)頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層、層理縫發(fā)育的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層地球物理甜點(diǎn)預(yù)測(cè)方面的巖石物理建模及其各向異性響應(yīng)特征模擬問(wèn)題開(kāi)展研究。將頁(yè)巖儲(chǔ)層假設(shè)成VTI介質(zhì)，通過(guò)引入層理縫表征參數(shù)建立巖石物理模型，并開(kāi)展地震響應(yīng)特征正演分析。利用實(shí)際頁(yè)巖油探區(qū)目的層段的巖心測(cè)試數(shù)據(jù)、礦物成分、以及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，基于Chapman多尺度裂縫巖石物理模型建立了具有水平層理縫的巖石物理建模方法，實(shí)現(xiàn)了正反演研究其頻變特征、裂縫參數(shù)(包括裂縫長(zhǎng)度和裂縫密度)對(duì)地震各向異性參數(shù)的影響。

1 巖石物理建模

1.1 VTI介質(zhì)模擬

對(duì)于頁(yè)巖VTI儲(chǔ)層介質(zhì)，采用VRH邊界方法計(jì)算巖石背景的等效模量[9]。VRH邊界由Voigt上界，Reuss下界和Hill平均組成。Voigt為等應(yīng)變平均，其假設(shè)混合物各相具有相等的應(yīng)變，混合物彈性模量表達(dá)式為：

(1)

式中：fi是第i相的體積分?jǐn)?shù)，%;Mi是第i相的彈性模量，GPa；N為總相數(shù)。

Reuss為等應(yīng)力平均，其假設(shè)各相具有相同的應(yīng)力，混合物彈性模量表達(dá)式為：

(2)

Hill指出Voigt和Reuss的算術(shù)平均數(shù)可以作為等效彈性模量，其公式為：

(3)

同時(shí)，采用SCA模型[10]在巖石基質(zhì)中添加粘土和帶有束縛水的孔隙[3]，對(duì)于N種混合成分計(jì)算表達(dá)式為：

(4)

(5)

1.2 水平層理縫模擬

基于Chapman多尺度裂縫巖石物理模型[6]，在VTI介質(zhì)中引入一組水平定向排列的裂縫來(lái)模擬水平層理縫。Chapman模型中考慮了不同尺度孔隙之間的流體噴射引起的地震波頻散和衰減特性，其頻變剛度系數(shù)計(jì)算表達(dá)式如下：

Cijkl=Cijkl(λ,μ,ω,τ,Φ,ε,Kf)

(6)

式中：λ和μ為拉梅系數(shù)；ω為角頻率，Hz；τ為松弛時(shí)間，s；Φ為孔隙度，%；ε為裂縫密度;Kf為流體體積模量，GPa。

(7)

進(jìn)而可以得到P波速度與逆品質(zhì)因子(Q-1)：

(8)

(9)

式中：Vp為擬P波速度，km/s;V為彈性模量求解Christoffel方程得到的最大特征向量值[11]，Re[.]和Im[.]分別為取復(fù)數(shù)的實(shí)部與虛部。

1.3 建模流程

基于上述的巖石物理建模方法，在實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用中可以根據(jù)礦物成分、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)等信息建立頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖石物理模型。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算與正演分析地震響應(yīng)特征，得到可以用于實(shí)際數(shù)據(jù)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的地震各向異性等特征，實(shí)現(xiàn)實(shí)際頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層水平層理縫的預(yù)測(cè)。同時(shí)，通過(guò)將巖石物理模型計(jì)算和實(shí)際井?dāng)?shù)據(jù)的P波速度進(jìn)行對(duì)比，反演得到裂縫長(zhǎng)度和裂縫密度，并且可以反演得到P波速度和VTI介質(zhì)各向異性參數(shù)ε和δ。具體的巖石物理建模流程圖如圖1所示。

圖1 頁(yè)巖巖石物理建模流程圖Fig.1 The workflow of shale petrophysical modeling

2 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 研究區(qū)儲(chǔ)層地質(zhì)條件

利用本文的水平層理縫巖石物理建模方法與技術(shù)流程，對(duì)江漢盆地的頁(yè)巖油儲(chǔ)層開(kāi)展了應(yīng)用研究。江漢盆地的潛江凹陷屬于基底埋藏、沉降速度快，潛江組在沉積時(shí)期發(fā)生盆地沉降、沉積和匯水，并且在高鹽度、封閉、和強(qiáng)蒸發(fā)的環(huán)境下存在盆地的濃縮和成鹽。在江漢盆地的油氣勘探初期，潛江凹陷地區(qū)發(fā)現(xiàn)了鹽間油浸白云巖。之后又發(fā)現(xiàn)潛江凹陷鹽間地層存在比較明顯的油浸現(xiàn)象，具有很大的勘探潛力[12-15]。目前，研究資料表明，凡是鹽間鉆遇裂縫的井均具有很好的油氣產(chǎn)能。研究區(qū)內(nèi)的測(cè)井資料與巖心資料描述結(jié)果表明：江漢油田的潛江凹陷鹽間頁(yè)巖儲(chǔ)層表現(xiàn)出明顯的VTI特征。同時(shí)，鹽間的頁(yè)巖儲(chǔ)層的水平層理裂縫十分發(fā)育[16-17](圖2)。因此，針對(duì)水平層理縫如何進(jìn)行預(yù)測(cè)與儲(chǔ)層描述，是目前地球物理勘探中研究的難點(diǎn)。

圖2 江漢盆地Wang99井測(cè)井曲線、巖心及薄片F(xiàn)ig.2 The comparsion of logging curves of Well Wang99 in Jianghan Basin,and pictures of core and thin section from thereina.測(cè)井曲線包括AC,DTS,DEN,GR,CGR,SGR,LLD,LLS,CNL,TOC,SALT；b.巖心；c.巖心薄片

2.2 巖石物理建模及其地震響應(yīng)特征

針對(duì)江漢頁(yè)巖油儲(chǔ)層的特點(diǎn)，在巖石物理建模與地震響應(yīng)特征研究方面，實(shí)現(xiàn)了基于VTI介質(zhì)模型的水平層理縫地震響應(yīng)特征分析。同時(shí)，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與巖心礦物成分測(cè)試數(shù)據(jù)，開(kāi)展了水平層理縫的地震各向異性參數(shù)正反演研究。

首先，建立了如圖3所示的簡(jiǎn)單的兩層的VTI介質(zhì)模型，在研究目的層內(nèi)通過(guò)Chapman多尺度裂縫巖石物理模型，模擬了不同裂縫參數(shù)的地震響應(yīng)特征。設(shè)置裂縫長(zhǎng)度分別為0.15、0.3、0.6和1.2 m，正演得到裂縫長(zhǎng)度變化的縱波速度及縱波反射系數(shù)的響應(yīng)特征。裂縫介質(zhì)中的流體影響因素在本研究中沒(méi)有進(jìn)行考慮，因?yàn)橹饕芯磕康膶訛轫?yè)巖油儲(chǔ)層。因此，裂縫介質(zhì)中主要以充填油進(jìn)行裂縫長(zhǎng)度與裂縫密度的巖石物理建模分析。圖4所示為不同裂縫長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果，包括擬縱波速度(Vp)和逆品質(zhì)因子(Q-1)隨頻率變化的特征[18-20]。圖5為計(jì)算得到的反射系數(shù)隨入射角和頻率變化的頻變特征響應(yīng)特征。從圖5中可以看出，在頻變AVO響應(yīng)中，隨著裂縫長(zhǎng)度增大，反射系數(shù)幅值隨頻率增大的幅度減小，這一現(xiàn)象同樣也可以在圖4中進(jìn)行解釋。在10 Hz到100 Hz頻率范圍，隨著裂縫長(zhǎng)度增大，P波速度頻散和衰減減小，所以PP波的頻變AVO反射系數(shù)隨頻率變化的幅度減小。對(duì)于常規(guī)的AVO響應(yīng)，隨著裂縫長(zhǎng)度增大，反射系數(shù)幅值隨入射角變化的幅度減小，并且入射角較大情況下(如大于20°)，不同裂縫尺寸對(duì)反射系數(shù)幅值的影響更明顯。

圖3 上層為彈性各向同性介質(zhì)，下層為裂縫各向異性介質(zhì)的VTI模型Fig.3 The VTI model with an elastic isotropic medium for the upper part and the lower part a fracture anisotropic medium

圖4 不同裂縫長(zhǎng)度的水平裂縫的VTI介質(zhì)的P波速度Vp(a)和逆品質(zhì)因子Q-1(b)隨頻率變化曲線對(duì)比Fig.4 The comparison of frequency-dependent Vp (a) and Q-1 (b) for the horizontal fracture VTI medium with different fracture length

圖5 不同裂縫長(zhǎng)度時(shí)反射系數(shù)幅值隨入射角和頻率變化Fig.5 Variations of reflection coefficient with different incident angles and frequencies for fractures of various lengtha.0.15 m ；b.0.3 m ；c.0.6 m ；d.1.2 m

在保持其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變裂縫密度參數(shù)，分別設(shè)為0.01,0.04,0.07和0.1時(shí)，正演并分析了裂縫長(zhǎng)度對(duì)P波速度及其反射系數(shù)的影響。圖6所示為不同裂縫密度的計(jì)算結(jié)果，包括擬縱波速度(Vp)和逆品質(zhì)因子(Q-1)隨頻率變化的特征。圖7為計(jì)算得到的反射系數(shù)隨入射角和頻率變化的頻變特征響應(yīng)特征。從圖7中可以看出，在頻變AVO響應(yīng)中，不同入射角下反射系數(shù)隨頻率變化的幅度和裂縫密度呈正相關(guān)，這一現(xiàn)象可以從圖6中得到解釋，P波速度的頻散和衰減幅度隨著裂縫密度的增大而增大，導(dǎo)致反射系數(shù)隨頻率變化更明顯。對(duì)于常規(guī)AVO分析，反射系數(shù)幅值隨入射角的變化幅度和裂縫密度值成反比，并且入射角較大情況下(如大于30°)，不同裂縫密度對(duì)反射系數(shù)幅值的影響更明顯。

圖6 不同裂縫密度的水平裂縫的VTI介質(zhì)的P波速度(a)和逆品質(zhì)因子(b)隨頻率變化曲線對(duì)比Fig.6 The comparison of frequency-dependent P-wave velocity (a) and Q-1 (b) for the horizontal fracture VTI medium with different fracture density

圖7 不同裂縫密度時(shí)反射系數(shù)幅值隨入射角和頻率變化Fig.7 Variations of reflection coefficient with different incident angles and frequencies for fractures of various densitya.裂縫密度0.01條/m；b.裂縫密度0.04條/m；c.裂縫密度0.07條/m；d.裂縫密度0.1條/m

在完成不同裂縫參數(shù)對(duì)水平層理縫地震響應(yīng)的頻變特征模擬后，再利用實(shí)際巖樣的礦物成分進(jìn)行巖石物理建模，并計(jì)算得到各向異性參數(shù)，最后進(jìn)行合成地震記錄正演。采用如圖1所示的流程圖，最后得到各向同性和各向異性介質(zhì)情況下的合成地震記錄，分析各向異性特征在水平層理縫中的地震響應(yīng)的影響因素。文中采用江漢油田實(shí)際井的Eq_3410韻律層對(duì)應(yīng)的巖相、井曲線和裂縫密度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鹽間頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育水平層理縫[16]。根據(jù)已有的實(shí)際地區(qū)的礦物成分信息，可以得到1 676.5～1 683.6 m之間30個(gè)不同深度點(diǎn)的礦物成分(圖8)，其對(duì)應(yīng)的礦物的體積模量、剪切模量和密度參數(shù)如表1所示。

表1 礦物成分的體積模量、剪切模量和密度參數(shù)Table 1 Bulk modulus,shear modulus and density parameters of the mineral composition

圖8 實(shí)際井巖心礦物成分Fig.8 The mineral composition diagram in actual wells

基于實(shí)際測(cè)井的礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)和水平層理縫發(fā)育特征，在背景介質(zhì)中引入水平定向排列的裂縫，在模型中設(shè)定可變參數(shù)為裂縫長(zhǎng)度和裂縫密度，正演得到了裂縫密度和裂縫長(zhǎng)度對(duì)P波速度的頻變響應(yīng)特征(圖9)。從圖9中可以看出裂縫長(zhǎng)度影響P波速度頻散的頻段范圍，而裂縫密度影響P波速度頻散的幅度，兩者綜合影響P波速度值。因此，可以通過(guò)反演裂縫參數(shù)大小使得模型的P波速度擬合于實(shí)際速度。圖10為綜合水平層理縫的裂縫參數(shù)(包括裂縫長(zhǎng)度、裂縫密度)、各向異性參數(shù)，計(jì)算得到的P波速度曲線與實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。從圖中可以明顯地看出，沒(méi)有水平層理縫的背景各向同性介質(zhì)P波速度與實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相差很大。綜合裂縫參數(shù)和各向異性參數(shù)計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)完全吻合，而圖11分別對(duì)比了裂縫密度和裂縫長(zhǎng)度單獨(dú)對(duì)P波速度曲線的影響。對(duì)比圖10和圖11，可以看到裂縫密度和裂縫長(zhǎng)度同時(shí)影響P波速度曲線。因此，水平層理縫引起的各向異性、頻變特征對(duì)P波速度具有很重要的作用。

圖9 裂縫長(zhǎng)度和裂縫密度變化時(shí)的P波速度隨頻率變化曲線對(duì)比Fig.9 Frequency-dependent characteristics of P-wave velocity with fractures of various length and densitya.裂縫長(zhǎng)度分別為0.2 m、0.5 m、1 m和2 m;b.裂縫密度分別0.05、0.1、0.15和0.2條/m

圖10 P波速度與裂縫密度、長(zhǎng)度及各向異性參數(shù)對(duì)比Fig.10 The comparison of P-wave velocity with fracture density,length and anisotropic parametersa.背景介質(zhì)、模型計(jì)算和實(shí)際測(cè)井P波速度曲線;b.裂縫密度;c.裂縫長(zhǎng)度;d.各向異性參數(shù)ε;e.各向異性參數(shù)δ

圖11 背景介質(zhì)、模擬計(jì)算和實(shí)際測(cè)井P波速度對(duì)比Fig.11 The comparison of P-wave velocity in background medium,simulation calculation,and actual logginga,a1,a2.裂縫密度為定值0.5/(條·cm-1);b,b1,b2.裂縫長(zhǎng)度為定值0.5 m

最后，基于各向異性參數(shù)，以及P波速度等信息，正演得到了實(shí)際井的疊前合成地震記錄。如圖12所示，由于水平層理縫的各向異性特征存在，疊前道集中存在較明顯的差異。

圖12 合成的各向同性和各向異性地震記錄對(duì)比Fig.12 The comparison of seismic records in synthetic isotropic and anisotropic media

2.3 地震各向異性特征主控因素分析

通過(guò)對(duì)水平層理縫的巖石物理建模及其地震響應(yīng)特征的研究，可以發(fā)現(xiàn)影響地震波的重要參數(shù)包括水平層理縫發(fā)育的長(zhǎng)度和密度參數(shù)，二者不僅對(duì)P波速度的頻變特征有明顯的影響，同時(shí)還對(duì)疊前道集影響較大。因此，對(duì)于利用實(shí)際地震資料進(jìn)行水平層理縫的預(yù)測(cè)，不僅要對(duì)裂縫的發(fā)育密度進(jìn)行反演，同時(shí)還要對(duì)裂縫發(fā)育長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行反演，才能保證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在基于VTI介質(zhì)的水平層理縫巖石物理建模中，兩層介質(zhì)分別為彈性介質(zhì)和裂縫性孔隙衰減介質(zhì)，兩者界面的反射系數(shù)是復(fù)數(shù)值，和頻率相關(guān)。裂縫性衰減介質(zhì)中速度和衰減共同影響反射系數(shù)幅值大小，反射系數(shù)實(shí)部主要受速度影響，虛部主要受衰減影響。在此模型中，隨著裂縫長(zhǎng)度增大，各頻率下衰減介質(zhì)的相速度值增大，衰減值減小，兩者共同作用下不同頻率的反射系數(shù)幅值增大。PP波頻變反射系數(shù)對(duì)裂縫長(zhǎng)度和裂縫密度的變化具有一定的敏感性，因而在理論上可以在反射P波數(shù)據(jù)中通過(guò)頻變AVO反射技術(shù)獲取裂縫長(zhǎng)度和密度等參數(shù)。

3 結(jié)論

完成了實(shí)際頁(yè)巖油儲(chǔ)層的水平層理縫地震響應(yīng)特征的正演模擬研究，建立了基于Chapman多尺度巖石物理模型的實(shí)際井?dāng)?shù)據(jù)的水平層理縫巖石物理建模方法，并結(jié)合實(shí)際測(cè)井資料完成了從巖石物理模型到地震AVO響應(yīng)特征的研究。依據(jù)實(shí)際巖石礦物成分建立起各向同性的VTI介質(zhì)模型，并引入水平層縫進(jìn)行P波速度、反射系數(shù)和疊前道集數(shù)據(jù)的正演。研究結(jié)果表明：頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層中水平層理縫發(fā)育的裂縫長(zhǎng)度和裂縫密度對(duì)P波速度頻散的頻率范圍和變化大小產(chǎn)生很大的影響。同時(shí)，實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的P波速度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，裂縫長(zhǎng)度與裂縫密度同時(shí)控制P波速度的變化，水平層理縫的各向異性參數(shù)直接反演在疊前地震道集數(shù)據(jù)中。因此，利用疊前道集數(shù)據(jù)反演出能夠表征水平層理縫的各向異性參數(shù)，再根據(jù)疊前數(shù)據(jù)的頻變AVO特征聯(lián)合反演得到水平層理縫的發(fā)育密度與裂縫長(zhǎng)度參數(shù)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層水平裂縫的地球物理預(yù)測(cè)。