牟 棋,馬學(xué)軍,蔡志東,蘆 俊

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,北京100083;2.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,新疆烏魯木齊830011;3.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072750;4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京100083)

碳酸鹽巖儲(chǔ)層的主要儲(chǔ)集空間是裂縫和溶洞,同時(shí)裂縫也是油氣運(yùn)移的主要通道。識(shí)別裂縫系統(tǒng)的發(fā)育特征可以獲得區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分布特征、油氣運(yùn)移方位及聚集有利區(qū)帶等信息,為后期油氣藏評(píng)估與開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)資料。因此在碳酸鹽巖地區(qū)進(jìn)行裂縫識(shí)別對(duì)油氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。以?shī)W陶系碳酸鹽巖油藏為主的超大型油田已經(jīng)成為塔里木盆地超深層碳酸鹽巖重要的油氣勘探目標(biāo)[3]。

對(duì)于高角度裂縫發(fā)育區(qū),國(guó)內(nèi)外主要利用橫波分裂和縱波方位各向異性特征來(lái)預(yù)測(cè)裂縫參數(shù)[4-5]。近些年來(lái),利用多方位VSP資料分析和預(yù)測(cè)地層裂縫成為研究熱點(diǎn)之一。王成禮等[6]利用多方位VSP數(shù)據(jù)對(duì)單一地震屬性提取的裂縫參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)估,提高了裂縫參數(shù)預(yù)測(cè)的精度。陳占國(guó)等[7]利用Walkaround VSP資料橢圓擬合了裂縫主方位和各向異性程度參數(shù)。ZHU等[8-9]提出了用Q矩陣來(lái)表征TI介質(zhì)的P波衰減各向異性,進(jìn)而在正交介質(zhì)的基礎(chǔ)上退化為VTI和HTI介質(zhì)模型,并線性地推導(dǎo)出P波隨方位角變化的歸一化衰減系數(shù)。尹志恒等[10]建立了HTI介質(zhì)的物理模型,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Q最大值方向平行于裂縫走向,據(jù)此可預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育方位。

地震波在地下介質(zhì)傳播過(guò)程中,受介質(zhì)粘彈性的影響,能量會(huì)隨傳播距離的增加而減弱。由于介質(zhì)對(duì)高頻的吸收強(qiáng)于低頻,地震波的主頻會(huì)向低頻端移動(dòng),使得深層的反射波頻帶變窄、主頻變低,同時(shí)產(chǎn)生速度頻散,導(dǎo)致子波畸變,從而降低地震資料信噪比[11-13]。利用品質(zhì)因子Q可以定量描述這種地層吸收衰減特征,目前Q值的估算方法主要有時(shí)間域和頻率域兩大類(lèi),包含時(shí)間域的子波模擬法、上升時(shí)間法、振幅衰減法和解析信號(hào)法等[14-15];頻率域的頻譜比法、質(zhì)心頻率偏移法、頻譜擬合法等[16-18]。GUREVICH等[19]探討了Q值對(duì)頻率依賴(lài)性所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。崔慶輝等[20]通過(guò)理論模型分析了地震子波類(lèi)型、噪聲、截?cái)嗉皵M合區(qū)間的選取對(duì)頻譜比法精度的影響,結(jié)果表明子波類(lèi)型對(duì)頻譜比法精度影響不大,選取主頻左右的對(duì)稱(chēng)區(qū)間擬合效果最好。王宗俊等[21]通過(guò)模型測(cè)試發(fā)現(xiàn),在衰減窗口下提取的譜比信息在中高頻段滿足準(zhǔn)確的衰減關(guān)系。宮同舉等[22]對(duì)幾種Q值提取方法進(jìn)行了模型測(cè)試的對(duì)比分析,得出頻率域方法比時(shí)間域方法穩(wěn)定,頻譜比法與理論值吻合最好的結(jié)論。在低噪聲背景下,頻譜比法已經(jīng)成為最常用的Q值估算方法之一。

基于VSP數(shù)據(jù)的Q值估算方法常常是對(duì)初至子波進(jìn)行提取與利用,但要求目的層在觀測(cè)井段之內(nèi)。而對(duì)于塔河油田托甫臺(tái)研究工區(qū),VSP資料存在檢波器少、目的層段質(zhì)控較差或者觀測(cè)井段在目的層之上的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,基于工區(qū)內(nèi)的Walkaround VSP實(shí)際數(shù)據(jù),本文提出了將疊前VSP初至波和反射波相結(jié)合的等效Q值估算方法,研發(fā)了配套處理流程;基于Q各向異性特征,用橢圓擬合方法預(yù)測(cè)了一間房組裂縫發(fā)育的主方位和各向異性程度。最后,通過(guò)構(gòu)造背景和前人研究資料的對(duì)比,驗(yàn)證了該方法技術(shù)的可行性。

1 資料情況

托甫臺(tái)TP327井區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)庫(kù)車(chē)縣和沙雅縣境內(nèi)。工區(qū)構(gòu)造位置處于塔里木盆地阿克庫(kù)勒凸起西南方向,北東側(cè)與塔河油田相鄰,北西方向與哈拉哈塘凹陷相接,南鄰順托果勒低隆(圖1)。本區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,特別是加里東中期運(yùn)動(dòng)使中、下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖普遍遭受了風(fēng)化剝蝕,巖溶發(fā)育,形成一定規(guī)模的巖溶儲(chǔ)集體,并且在一間房組上部發(fā)育生物礁(灘)裂縫—孔隙型儲(chǔ)層?，F(xiàn)有構(gòu)造演化分析結(jié)果表明,塔里木盆地是一個(gè)多期次的旋回復(fù)合盆地。在加里東早期,盆地構(gòu)造應(yīng)力以拉張作用為主,中后期構(gòu)造背景由拉張轉(zhuǎn)為擠壓;在海西運(yùn)動(dòng)時(shí)期,受到NW-SE方向的區(qū)域壓扭應(yīng)力影響,發(fā)育較多的逆斷層[23-24]。

托甫臺(tái)Walkaround VSP觀測(cè)系統(tǒng)最大井源距為3000m,觀測(cè)井段深3500～3760m,觀測(cè)點(diǎn)距為m,采用26級(jí)井下檢波器接收,共260m。目的層(裂縫地層)位于奧陶系的一間房組(O2yj),在VSP井TP327井約6760m深度處,地震反射界面記為T(mén)74[25],在圖2中可見(jiàn)TP327井區(qū)目的層同相軸(T74)較為連續(xù),整體構(gòu)造平緩。

圖1 托甫臺(tái)區(qū)域構(gòu)造位置(據(jù)劉志遠(yuǎn)等[1]修改)

鑒于研究區(qū)炮集數(shù)據(jù)較多,為得到質(zhì)量較好的子波,在全工區(qū)5959炮數(shù)據(jù)中,以TP327井為中心,選取炮集偏移距小于200m的數(shù)據(jù),并將其按30°間隔,劃分為12個(gè)角度域數(shù)據(jù)(圖3a)。再在其中選出信噪比高、差異小的數(shù)據(jù),最終選取2個(gè)偏移距分別為100m和150m的360°環(huán)狀炮集進(jìn)行研究(圖3b)。

圖2 過(guò)TP327井的VSP剖面

圖3 Walkaround VSP偏移距小于200m的炮點(diǎn)方位分布(a)和選取的兩個(gè)環(huán)狀炮集數(shù)據(jù)(b)

2 等效Q值估算

常規(guī)的VSP初至波Q值估算方法一般基于大地吸收介質(zhì)模型,在地震波的不同傳播時(shí)刻,地震平面簡(jiǎn)諧波振幅譜滿足[20-22]:

(1)

式中:C是與頻率f無(wú)關(guān)的常量,與激發(fā)和接收條件相關(guān);t1和t2為不同深度的初至?xí)r間;s(f,t1)和s(f,t2)為t1和t2時(shí)刻的振幅譜。通過(guò)最小二乘擬合振幅譜比對(duì)數(shù)隨頻率變化的斜率K,可得出品質(zhì)因子Q為:

(2)

由于托甫臺(tái)地區(qū)Walkaround VSP觀測(cè)系統(tǒng)中檢波器較少,且接收位置在T74反射層之上,常規(guī)的直達(dá)波Q值估算方法不再適用,結(jié)合工區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù),提出了一種將VSP疊前初至波和反射波相結(jié)合的等效Q值估算方法,稱(chēng)為VSP反射波頻譜比法。即在縱波疊前炮集數(shù)據(jù)上,用下行初至波來(lái)表示初始的子波信息,用T74反射波的信息來(lái)表示衰減的子波信息,它蘊(yùn)含了一間房組裂縫雙程波兩次衰減信息。

VSP觀測(cè)系統(tǒng)如圖4所示,以某一深度的單點(diǎn)檢波器為例,S1(f,T1)表示接收的直達(dá)波振幅譜,S2(f,T2+T3)表示接收的T74反射波振幅譜。由于偏移距小于200m與目的層深度(近6760m)之間相差太遠(yuǎn),為了便于圖形顯示,在圖4中放大了偏移距和觀測(cè)井段的比例。在偏移距較小的情況下,T74反射波的入射波部分在觀測(cè)井段上方經(jīng)歷的吸收衰減與下行初至波經(jīng)歷吸收衰減近似相等。此時(shí)同樣可以采用常規(guī)頻譜比法估算層間的Q值,如下式:

圖4 VSP直達(dá)波與反射波地震采集觀測(cè)系統(tǒng)

(3)

式中:T1為單點(diǎn)檢波器接收的直達(dá)波旅行時(shí)間;T2為震源到T74界面的下行波旅行時(shí)間;T3為下行波到達(dá)T74界面之后,反射波再到單點(diǎn)檢波器的旅行時(shí)間。(3)式中,由于反射波蘊(yùn)含了觀測(cè)井段下部碎屑巖地層和目的層(含裂縫的碳酸鹽巖地層)的雙程衰減信息,所以與(1)式相比,頻譜比法得到的Q值需要放大一倍才能得到正確的Q值。另外,由于反射波穿越了多套地層,(3)式中的Q值是多套地層的等效Q值QP,eff,其與層Q值的關(guān)系如下:

(4)

式中:Qi為第i層的Q值;Ti為第i層的地震波層間旅行時(shí)。

TP327井的鉆井資料表明,從觀測(cè)井段到上奧陶統(tǒng)的地層為平緩的碎屑巖地層,為碎屑巖和碳酸鹽巖混合沉積;在離TP327井較近的井周?chē)貙訖M向變化不大,裂縫不發(fā)育,層間Q值為各向同性,且橫向變化不大。目的層為中奧陶統(tǒng)一間房組,主要為灰質(zhì)碳酸鹽巖沉積,裂縫較為發(fā)育,其層間Q值存在方位各向異性。從公式(4)可以看出,對(duì)于多套地層,若其中一個(gè)含裂縫的單層的Q值存在方位各向異性,而其它地層的Q值為各向同性,則整套地層的等效Q值會(huì)表現(xiàn)出與這個(gè)含裂縫單層的Q值相一致的方位各向異性。因此,從VSP記錄上提取的T74反射波估算的等效Q值,其方位各向異性是由一間房組發(fā)育的裂縫引發(fā)的。

由上述等效Q值估算公式可知,它是與頻率相關(guān)的一次函數(shù),可用線性擬合對(duì)數(shù)振幅譜相減的結(jié)果,其斜率為-2π(T2+T3-T1)/QP,eff,可得:

(5)

為了取得較準(zhǔn)確的Q值,需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保幅處理。運(yùn)用矢量中值濾波的方法分離下行直達(dá)波與上行反射波,如圖5所示,初至波起跳干脆,可以準(zhǔn)確讀取初至?xí)r間;反射波能量強(qiáng)、信噪比高,波組特征明顯、連續(xù)性好、分辨率較高,地震數(shù)據(jù)品質(zhì)較好[26-27]。

由于本文等效Q值估算使用了T74反射波信息,因此需要在上行反射波炮集數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確識(shí)別T74反射波。首先,根據(jù)密度、P波速度測(cè)井曲線合成地震記錄;之后在走廊疊加剖面上識(shí)別出T74反射波(圖6);最后,根據(jù)T74反射波在走廊疊加剖面上的特征,在單炮集的上行波剖面上標(biāo)定出T74反射波(圖7)。由此,得到單炮集上行波T74的旅行時(shí)間大約為3950ms,且旅行時(shí)間的大小隨偏移距的變化而上下變化,但其波組特征不會(huì)改變,以此可以識(shí)別出炮集上行波數(shù)據(jù)中的T74反射波。

圖5 預(yù)處理分離出的單炮集下行直達(dá)波(a)和上行反射波(b)

圖6 走廊疊加剖面的T74反射波組標(biāo)定

圖7 零偏移距拉平的上行波與走廊疊加的T74反射波標(biāo)定

由于反射波普遍存在噪聲較大的問(wèn)題,造成反射波的主頻高于直達(dá)波,這與地震波傳播后主頻衰減規(guī)律不符,為了在去噪時(shí)盡可能保留有效頻帶信息,提取了T74上部2500～3000ms時(shí)間段地震數(shù)據(jù)的頻譜(圖8),分析后認(rèn)為有效頻帶為10～40Hz,而高于60Hz的主要為噪聲。經(jīng)過(guò)濾波處理,提取了初至波和T74反射波信息,得到下行直達(dá)波和T74反射波信息(圖9a和圖9b)。并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析,結(jié)果如圖9c和圖9d所示,可見(jiàn)直達(dá)波主頻為34Hz左右,歸一化振幅大于0.6的頻帶范圍為10～50Hz;由圖9d可見(jiàn),T74反射波主頻為27Hz左右,歸一化振幅大于0.6的頻帶集中在15～40Hz。從兩者的頻譜圖中明顯可見(jiàn)地震波在深層主頻變低、頻帶變窄。將所有角度的地震資料都經(jīng)過(guò)上述處理后,得到了可以用于等效Q值估算的100m和150m偏移距的全方位地震信息。

圖8 反射波炮集T74界面上部2500～3000ms時(shí)間段的頻譜

圖9 提取的單炮集直達(dá)波(a)和T74反射波(b)及其相應(yīng)的歸一化頻譜(c,d)

在估算Q值前,還需要準(zhǔn)確拾取初至?xí)r間和T74反射波旅行時(shí)間。從圖10a的雷達(dá)圖來(lái)看,初至?xí)r間較為穩(wěn)定,質(zhì)量較好;從圖10b的雷達(dá)圖來(lái)看,T74反射波旅行時(shí)間在某些道存在交叉,尤其第26級(jí)檢波器,不同方位的旅行時(shí)間相差較大,整體質(zhì)量較差,在計(jì)算時(shí)需要考慮其帶來(lái)的誤差。由于每個(gè)角度區(qū)單炮集數(shù)據(jù)有26道相鄰檢波器,在進(jìn)行Q值估算時(shí),首先采用這26道地震數(shù)據(jù)都參與計(jì)算,由于估算的Q值受到所選地震道的影響,為了消除選取的地震道不同帶來(lái)的偶然性誤差,我們將不同方位角區(qū)間的26道數(shù)據(jù)的頻譜進(jìn)行疊加,這樣既能最大可能保留有效信息,又能突出該方位的差異性。然后,分別對(duì)選取的100m和150m偏移距,利用VSP反射波頻譜比法估算疊加后的隨方位角變化的等效Q值。

圖10 26級(jí)檢波器的初至?xí)r間(a)及T74反射波旅行時(shí)間(b)

3 Q值各向異性分析

假設(shè)所研究的地層裂縫只有一個(gè)主方位,現(xiàn)有研究表明,裂縫層的品質(zhì)因子Q值最大值方向平行于裂縫走向,最小值方向垂直于裂縫走向[10],則可以通過(guò)對(duì)選取的12個(gè)方位估算的Q值進(jìn)行橢圓擬合[19],用長(zhǎng)軸方向來(lái)表征裂縫的發(fā)育方位,長(zhǎng)短軸之比來(lái)表征Q各向異性程度(圖11)。

(6)

式中:M為Q各向異性程度;A為橢圓擬合長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度;B為橢圓擬合短軸的長(zhǎng)度。

由于疊加信息更能在較大尺度上反映地下綜合特征,因此在統(tǒng)計(jì)結(jié)果上,其所表征的信息更能代表該區(qū)裂縫發(fā)育主方位。圖12a和圖12b是偏移距分別為100m和150m的疊加等效Q值隨方位角變化的雷達(dá)圖。為了對(duì)Q值進(jìn)行橢圓擬合,需要將不同方位角的Q值投影到直角坐標(biāo)系中,以雷達(dá)圖的圓心為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn),將不同方位角對(duì)應(yīng)的Q值分解成具有Qx和Qy信息的直角坐標(biāo)。圖12c和圖12d是疊加等效Q值在直角坐標(biāo)系中橢圓擬合的結(jié)果,從結(jié)果來(lái)看橢圓長(zhǎng)軸基本都指向北東(NE)向。疊加Q值橢圓擬合后,雖然有了計(jì)算結(jié)果,但其數(shù)據(jù)較為單一。所以對(duì)26級(jí)檢波器,在偏移距為100m和150m的26道等效Q值各自進(jìn)行橢圓擬合,統(tǒng)計(jì)其計(jì)算的方位角和橢圓長(zhǎng)短軸比。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,繪制出26級(jí)檢波器的Q各向異性程度(圖13a)和表征裂縫方位的玫瑰花圖(圖13b)。結(jié)果表明,裂縫發(fā)育主方位為北東向。在100m偏移距時(shí),Q各向異性程度平均值為5.41%,在150m偏移距時(shí)Q各向異性程度平均值為6.62%,兩者整體統(tǒng)計(jì)Q各向異性程度平均值為6.01%。

圖11 橢圓擬合裂縫走向(φ為擬合方位角)

研究表明,塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層已獲得高產(chǎn)的工業(yè)油氣流,其儲(chǔ)層發(fā)育受控于沿?cái)嗔褞Оl(fā)生的巖溶作用,儲(chǔ)集空間以溶蝕孔、洞和構(gòu)造裂縫為主[3,23-24]。通過(guò)該區(qū)域構(gòu)造演化分析,在海西運(yùn)動(dòng)時(shí)期,該地區(qū)受到北西-南東(NW-SE)向的區(qū)域壓扭應(yīng)力作用,發(fā)育走向?yàn)楸睎|-南西(NE-SW)向的區(qū)域性逆斷層。同時(shí)劉志遠(yuǎn)等[1]對(duì)托甫臺(tái)地區(qū)一間房組的裂縫分布研究表明該區(qū)域裂縫受斷層控制,裂縫走向基本與斷層走向保持一致,主要集中在北東(NE)方向。鄒榕等[28]根據(jù)托甫臺(tái)區(qū)塊奧陶系地層成像測(cè)井資料,解釋了該區(qū)域主要發(fā)育北東(NE)向高角度裂縫和北西(NW)向低角度裂縫,與本文利用Q各向異性預(yù)測(cè)的裂縫主方位基本一致,證明了本文預(yù)測(cè)的裂縫發(fā)育特征符合該區(qū)域斷層發(fā)育的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景。

圖12 偏移距為100m的疊加等效Q值(a)和偏移距為150m的疊加等效Q值(b)及相應(yīng)的橢圓擬合結(jié)果(c,d)

圖13 26級(jí)檢波器的Q各向異性程度(a)及裂縫方位玫瑰花圖(b)

4 結(jié)論

本文針對(duì)某些區(qū)域VSP資料采集時(shí),存在檢波器少、目的層段質(zhì)控較差或者觀測(cè)井段在目的層之上的問(wèn)題,提出了同時(shí)利用VSP初至波和反射波的Q值估算方法,并應(yīng)用于托甫臺(tái)地區(qū)的Walkaround VSP實(shí)際地震資料。利用本文方法,提取了一間房組的等效Q值,并對(duì)Q各向異性進(jìn)行了分析,對(duì)一間房組的裂縫發(fā)育進(jìn)行了預(yù)測(cè),通過(guò)與工區(qū)地質(zhì)資料的印證,表明本文提出的利用Q各向異性預(yù)測(cè)裂縫方位的方法和技術(shù)流程可靠有效,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用中,該方法有兩個(gè)關(guān)鍵的處理環(huán)節(jié):①需要對(duì)VSP反射波進(jìn)行頻譜整形,消除噪聲帶來(lái)的虛假高頻;②在VSP上行波中識(shí)別出深部目標(biāo)層的反射。