苗賀

中國石化東北油氣分公司儲層及含油氣性預(yù)測攻關(guān)項目團隊，吉林 長春 130062

0 引言

火石嶺組處于盆地拉張斷陷初期，地層主要受到斷陷控制，長嶺斷陷東部廣泛發(fā)育正斷層，火石嶺組初期處于火山噴發(fā)期，大量火山巖充填，主要為灰色凝灰?guī)r、安山巖以及灰黑色玄武巖，同時在一些區(qū)域也發(fā)現(xiàn)礫巖、中細(xì)砂巖薄層，但由于火石嶺組時期盆地快速抬升，所以沉積巖分布范圍較小，厚度較薄?；鹗瘞X組末期，長嶺斷陷東部大范圍隆升，局部剝蝕與上覆地層形成不整合面[1]。

1 區(qū)域研究概況

工區(qū)構(gòu)造上位于長嶺凹陷南部，斷陷層向上超覆，為油氣有利運聚區(qū)。發(fā)育有碎屑巖儲層和火山巖儲層，其中火山巖儲層主要位于斷陷層至斷坳轉(zhuǎn)換帶，發(fā)育各類中-基性、酸性火山噴發(fā)巖，形態(tài)多為噴發(fā)形成的溢流相火山，還有刺穿狀的火山巖株、沿層侵入層狀火山巖席等。內(nèi)部存在大量斷裂、裂縫、孔洞等，為研究工區(qū)內(nèi)火山巖裂縫型儲層特性，前人們利用寬方位地震采集數(shù)據(jù)能夠取得更好的效果，尤其是OVT域數(shù)據(jù)對裂縫型儲層的刻畫有其天然優(yōu)勢[2-4]，但是對于早前已經(jīng)采集過的地震工區(qū)，不能夠補全寬方位地震數(shù)據(jù)的工區(qū)，如何使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)得到相對可靠的裂縫指示剖面，則是目前面臨的最迫切的問題。為此，開展與該工區(qū)內(nèi)地震數(shù)據(jù)處理方法對應(yīng)的聲波波動方程正演，研究特定條件下火山巖的不同地震響應(yīng)。

2 計算原理

為了提高裂縫介質(zhì)或縫、洞檢測的可靠性，利用聲波波動方程正演分析各種參數(shù)的地震響應(yīng)特征，控制變量分析參數(shù)降低裂縫介質(zhì)的成像多解性[5-7]。且采用波動方程正演與逆時偏移相結(jié)合的手段，能夠最大程度保證裂縫介質(zhì)正演成像的質(zhì)量。

2.1 正演地震波場

上述二維地震波場的獲得，可通過解二維聲波波動方程公式(1)：

(1)

式中：c(x,z)為速度模型，p(x,t)為波場，f(x,t)—震源項。通過離散格式：(x,z,t)?(iΔx,jΔz,tΔt)，其中i,j,t為整數(shù)。采用中心差分獲得空間4階、時間2階的地震波場數(shù)據(jù)，其擴展方式如圖1。

圖1 波動方程有限差分示意圖

圖1中，黑色點是當(dāng)前時刻納入計算的點，白色點是將要計算得出的點，示意圖中采用時間二階，空間二階的簡單圖示，將整個模型區(qū)域納入計算，通過時間切片的方式，逐步擴展，得到全空間波場數(shù)據(jù)，將接收點設(shè)置在地表處，從而獲得二維地震記錄。

2.2 逆時偏移

火山機構(gòu)無論是噴發(fā)相或是溢流相，其地震相都與常規(guī)的沉積相不同，為提高對火山機構(gòu)的成像精度，本文選用疊前深度偏移中的逆時偏移作為成像手段，理論上雖然地震波傳播過程在物理上時間是不可逆的，但是在數(shù)學(xué)上的時間是可逆的。這就意味著在某一傳播過程中，無論是正向觀測還是逆向觀測，這個傳播過程都是互逆的。根據(jù)這一思想，結(jié)合時間一致性成像條件，震源正向傳播波場和檢波點逆向外推波場經(jīng)零延遲互相關(guān)，其中波場逆向傳播差分格式為公式(2)：

(2)

逆時偏移是目前成像精度最高的方法，無論是對垂直斷層，高速體內(nèi)幕成像，效果都是顯著的。但是，其缺點也是顯著的，可以看出，①逆時偏移與波場正演一樣需要速度模型，對速度誤差比較敏感；②根據(jù)互相關(guān)成像條件，需要對信號序列進行褶積運算，產(chǎn)生巨大的計算量；③需要同時存儲正向傳播波場與逆向外推波場，數(shù)據(jù)量龐大；④成像噪音較大，對噪音的消除也是逆時偏移很重要的一點[8]。

3 模型正演及特性分析

3.1 正演地震記錄

正演計算需要先建立速度模型，參考實際數(shù)據(jù)(表1)。工區(qū)內(nèi)火山巖大多伴隨大量裂縫，而且裂縫一般不是單一條存在，而是以裂縫群的形式存在，所以設(shè)計模型裂縫寬度60 m，間隔60 m，火山巖速度5 400 m/s，又因一般存在裂縫的區(qū)域速度較低，該模型設(shè)置填充速度為1 840 m/s，以垂直傾角為例(圖2a)。

表1 工區(qū)采集參數(shù)表

圖2 裂縫模型正演波場和地震記錄分析

圖2b是裂縫頂界面反射波場，波前面由連續(xù)的反射波和交叉的網(wǎng)狀繞射波構(gòu)成，透射波前面被裂縫切割；圖2c是底界面反射波前，經(jīng)裂縫頂界面透射后波前由斷續(xù)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換成連續(xù)界面，從這一傳播過程可以看出，不同于被切割的透射波前，反射波前都是連續(xù)的同相軸伴隨網(wǎng)狀的繞射波前，因此會在地震記錄中表現(xiàn)為一條同相軸后面夾雜大范圍的繞射同相軸。

通過圖2d可以看出裂縫頂界面與底界面的反射地震記錄，都是由一個連續(xù)的雙曲線和多個網(wǎng)狀的繞射波形成的雙曲線構(gòu)成，尤其是底界面網(wǎng)狀的雙曲線能量增強，說明繞射波在裂縫間傳播互相干涉，同相位的部分能量得到加強。

通過圖3可以看出，逆時偏移成像質(zhì)量比較高，其成像特點有：①在模型的上空間有震源引起的噪聲，這是疊前偏移方法的通性；②在裂縫頂?shù)捉缑姹容^清晰；③基本刻畫了所有地質(zhì)構(gòu)造的細(xì)節(jié)，無論是垂直邊界或是水平邊界，都不影響成像質(zhì)量，說明該方法突破了傾角限制。

圖3 逆時偏移剖面

3.2 特性分析

(1)裂縫長度

利用地震數(shù)據(jù)研究裂縫長度一直是難點，主要由于裂縫尺度與地震分辨率相差太多[9]，因此本文設(shè)計模型為縱波速度低于圍巖的裂縫型儲層，儲層內(nèi)裂縫從大到小，逐步減小火山巖高速層內(nèi)存在裂縫的長度，分析裂縫長度對成像效果的影響，設(shè)置密度為常數(shù)。

當(dāng)層厚變薄、裂縫長度變短時，損失的能量較小，有利于底界面成像，但當(dāng)厚度減小到一定程度時，頂?shù)捉缑娈a(chǎn)生的波場互相干擾，反而會使成像困難，甚至無法對底界面成像，最小成像裂縫長度為40 m。

(2)裂縫密度

分析裂縫密度，在保持總寬度不變的條件下，調(diào)整裂縫間隔，使模型一裂縫間隔60 m，模型二裂縫間隔12 m，即模型二的裂縫更加密集。

圖4 裂縫長度對比圖

對比圖5觀察，雖然裂縫間隔變窄影響了垂直邊界的成像效果，但是模型二整體區(qū)域能量更加集中，整體能量更強一些，說明裂縫密集區(qū)域更加容易識別，目前識別到的裂縫很大程度上并不是單條裂縫，而是裂縫群構(gòu)成。

圖5 不同裂縫密度模型的偏移剖面對比圖

(3)裂縫傾角

為分析裂縫不同傾角的成像效果，設(shè)計三種傾角和一種網(wǎng)狀縫參數(shù)(見表2)。

表2 反射系數(shù)模型表

對比圖6a、6b看出，裂縫左傾與右傾成像效果無大差異，說明傾角固定時傾向?qū)鹕綑C構(gòu)中裂縫成像影響不大；在傾向固定而傾角變化時，成像效果變化明顯，當(dāng)傾角從60°降到30°時，裂縫斜邊成像效果變差，頂界面反射依然明顯，底界面反射隨傾角增大逐漸減弱，說明目前檢測到的大多是高角度的縫。網(wǎng)狀模型由模型一、模型二疊合組成，其中網(wǎng)狀部分正演特征雜亂難辨，但整體能量較強易辨別裂縫存在，斜交的區(qū)域正演特征與模型一、二相似，說明網(wǎng)狀縫更加容易識別，側(cè)面驗證了密集裂縫較易識別的結(jié)論。

圖6 不同傾角對比圖

4 實際數(shù)據(jù)

為驗證試驗?zāi)Ｐ驮趯嶋H數(shù)據(jù)中的效果，圖7是過b213和b213-1連井地震剖面，紅色線是GR曲線，根據(jù)井上測得AC曲線設(shè)計速度模型，整體傾角11°，平均速度4 800 m/s，從左到右逐漸增大趨勢，火山巖頂界面平均厚度50 m(換算時間厚度20 ms左右)。圖8，模型上層有3 000 m，常速度3 500 m/s。模型二設(shè)有左側(cè)網(wǎng)狀裂縫，裂縫間隔25 m，左傾角60°右傾角45°，右側(cè)上部左傾45°多條裂縫，裂縫間隔25 m；模型三設(shè)有左側(cè)垂直裂縫，裂縫間隔25 m，右側(cè)上部右傾45°多條裂縫，裂縫間隔25 m。

圖7 連井地震剖面

為對比網(wǎng)狀裂縫與平行裂縫地震響應(yīng)差異，建立模型三，在同一位置設(shè)置網(wǎng)狀裂縫和垂直裂縫；為對比不同裂縫密度地震響應(yīng)差異，建立模型四，和模型三在相同位置設(shè)置不同密度的垂直裂縫。

對比圖8a與圖8b，左側(cè)斜交裂縫，表現(xiàn)為同相軸斷裂，易識別，右側(cè)右傾裂縫斷裂特征不明顯，說明斜交縫比垂直縫更易識別；圖8b與圖8c，裂縫間隔25 m，左側(cè)垂直裂縫，表現(xiàn)為同相軸斷續(xù)，同樣說明右側(cè)斜交縫比垂直縫更易識別，右側(cè)左傾裂縫特征與右傾裂縫特征相似，說明裂縫傾向?qū)Τ上裼绊懖淮?；圖8c與圖8d，間隔50 m，同相軸相對連續(xù)，裂縫有成像，但整體特征難以識別，說明在火山巖中裂縫間隔小于50 m即密度較高時，裂縫易識別；此外四個模型裂縫長度都在40 m以上，同時驗證前文裂縫識別長度在40 m的結(jié)論。

圖8 實際地質(zhì)模型分析組圖

通過螞蟻追蹤可以突出地震數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，最終能夠獲得一個低噪音、具有清晰斷裂痕跡的新屬性數(shù)據(jù)體，見圖9。對于斷裂、裂縫有突出的效果。根據(jù)螞蟻體追蹤結(jié)果，結(jié)合正演結(jié)論，①可以提高該地區(qū)火山巖中高角度裂縫存在的可靠性；②根據(jù)螞蟻體結(jié)果可以看出裂縫大多表現(xiàn)為網(wǎng)狀縫，對于這一點正演結(jié)論也有支撐；③火山巖中最小長度40 m的縫在螞蟻體剖面約為10 ms長度的縫可以被識別。

圖9 螞蟻追蹤分析組圖

5 結(jié)論

(1)工區(qū)內(nèi)的火山機構(gòu)體中裂縫存在特征有：檢測到的裂縫區(qū)域大多是由組小裂縫組成，而不是尺度較大的單條裂縫；

(2)螞蟻追蹤裂縫的長度大于等于40 m(約為時間剖面中的10 ms)可以認(rèn)為是可靠的。

(3)高角度裂縫包括垂直裂縫更易識別，垂直于構(gòu)造走向布置測線能夠反映真實的裂縫傾角，能夠提升裂縫預(yù)測能力；

(4)網(wǎng)狀裂縫能量較強，即網(wǎng)狀裂縫密度更高，更易識別。