基于HTI介質(zhì)各向異性正演的裂縫預(yù)測(cè)屬性優(yōu)選

孫 煒,何治亮,李玉鳳,周 雁

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院構(gòu)造與沉積儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室,北京100083;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京),北京102249;3.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田物探研究院,山東東營(yíng)257022)

預(yù)測(cè)儲(chǔ)層裂縫分布特征的最終目的是得到裂縫的發(fā)育程度和方向,從而指導(dǎo)后續(xù)的勘探開發(fā)工作。目前,基于縱波方位各向異性的裂縫預(yù)測(cè)方法是能夠解決裂縫預(yù)測(cè)難題的技術(shù)手段之一。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此開展了較多的應(yīng)用研究，如：曲壽利等[1]較早地論述了縱波方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中的諸多技術(shù)細(xì)節(jié);樂紹東[2]利用縱波方位各向異性裂縫檢測(cè)技術(shù)較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組的裂縫分布特征;喻岳鈺等[3]利用瞬時(shí)頻域衰減屬性的方位各向異性,在碳酸鹽巖裂縫預(yù)測(cè)中取得成功;姜傳金等[4]基于縱波阻抗、頻率衰減的方位各向異性信息,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了松遼盆地北部徐家圍子斷陷營(yíng)城組火山巖的裂縫發(fā)育情況。此外,尹志恒等[5]和劉振峰等[6]等對(duì)國(guó)內(nèi)外縱波方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)的科研實(shí)踐做了詳細(xì)的調(diào)研。總體來看,縱波方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)在不同巖性地層的裂縫預(yù)測(cè)研究中得到越來越廣泛的應(yīng)用[7-8]。

前人應(yīng)用研究成果表明,利用縱波方位各向異性預(yù)測(cè)裂縫的發(fā)育特征是行之有效的。但是,在選取用于各向異性橢圓擬合的地震屬性時(shí),研究人員往往采用兩種思路:一是經(jīng)驗(yàn)性的地震屬性優(yōu)選;二是計(jì)算出若干種地震屬性數(shù)據(jù)體,分別進(jìn)行各向異性橢圓擬合并求取出裂縫分布特征,再通過對(duì)比各種計(jì)算結(jié)果與測(cè)井裂縫信息的吻合度來確定合適的地震屬性。這兩種方法中,第一種方法帶有人為主觀因素,第二種方法則會(huì)極大地增加科研工作量。那么,如何合理、簡(jiǎn)便、有效地進(jìn)行地震屬性優(yōu)選,成為影響方法應(yīng)用效果的實(shí)際問題。

在地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究中,人們經(jīng)常通過正演模擬的方式來確定對(duì)儲(chǔ)層最為敏感的地震屬性。相似地,針對(duì)裂縫的各向異性正演應(yīng)當(dāng)也同樣可以進(jìn)行裂縫敏感屬性的優(yōu)選。但是,目前將各向異性正演與方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)方法相結(jié)合的已發(fā)表文獻(xiàn)尚不多見。

我們將各向異性正演引入方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)中,解決該方法在實(shí)際應(yīng)用中的地震屬性優(yōu)選問題。首先,結(jié)合測(cè)井、試油信息進(jìn)行基于HTI介質(zhì)的正演模擬,得到含有方位各向異性信息的井旁地震道集;然后,對(duì)正演地震道集進(jìn)行多種地震屬性的計(jì)算和裂縫敏感性分析;最后,將優(yōu)選出的最佳敏感屬性用于各向異性橢圓擬合和研究區(qū)儲(chǔ)層的裂縫預(yù)測(cè)。實(shí)際數(shù)據(jù)的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明,基于HTI介質(zhì)的各向異性正演能夠有效指導(dǎo)用于各向異性橢圓擬合的地震屬性優(yōu)選,優(yōu)化方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用過程。

1 原理及思路

1.1 方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)原理

地層重力壓實(shí)作用的存在,使高角度裂縫比低角度裂縫更容易保存下來,同時(shí),高角度裂縫對(duì)裂縫型油氣藏的貢獻(xiàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低角度裂縫。因此,與表征高角度裂縫的HTI介質(zhì)的相關(guān)研究就變得意義重大。Ruger[9-11]在HTI介質(zhì)Thomsen系數(shù)的基礎(chǔ)上,得到圖1所示模型中縱波速度以及反射系數(shù)隨方位角和入射角變化的公式:

(1)

圖1 Ruger[9-11]的公式(1)對(duì)應(yīng)的地質(zhì)模型

當(dāng)入射角較小時(shí),(1)式中的最后一項(xiàng)可以略去。略去最后一項(xiàng)并令

(2)

則(1)式變?yōu)?/p>

(3)

式中:Biso為各向同性項(xiàng);Bani為各向異性項(xiàng)。

當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)包含3個(gè)或3個(gè)以上不同入射角、方位角振幅信息時(shí),結(jié)合子波可以得到對(duì)應(yīng)的不同入射角、方位角的反射系數(shù)。此時(shí),通過求解超定方程組可以得到Biso和Bani,然后利用Biso和Bani這兩項(xiàng)實(shí)現(xiàn)方位各向異性橢圓的擬合。Mallick等[12]認(rèn)為,由各向同性項(xiàng)和各向異性項(xiàng)擬合出來的橢圓可以用來表征裂縫的發(fā)育特征,裂縫的發(fā)育程度由擬合橢圓的長(zhǎng)、短軸之比來量化,裂縫的方向則由橢圓的長(zhǎng)軸或短軸予以指示。

1.2 各向異性正演原理

裂縫的地震特性受裂縫的傾角、開度、延伸和充填物等眾多因素影響。因此,當(dāng)巖石含裂縫后其物理特性將變得更為復(fù)雜,選擇合適的等效介質(zhì)模型是進(jìn)行各向異性正演的基礎(chǔ)。目前,關(guān)于裂縫的等效介質(zhì)模型有Hudson模型[13]、Thomsen模型[14]以及Eshelby-Cheng模型[15]。本文各向異性正演選用的是Hudson模型,通過對(duì)含有薄硬幣狀的橢球縫隙或包含物的彈性固體中的平均波長(zhǎng)的散射理論分析得到。其模型基于如下假設(shè)[16]:①?gòu)男螤钌?理想化的裂隙形狀為硬幣狀,即高寬比要小,裂隙彼此之間是隔離的,隙間不存在流體流動(dòng);②介質(zhì)包含裂隙半徑及縫隙間距遠(yuǎn)小于地震波長(zhǎng)的定向疏排列裂隙;③裂縫包體內(nèi)所含氣體、液體或其它物質(zhì)的體積模量和剪切模量比圍體的小。

其等效的剛度系數(shù)為

(4)

(5)

式中:V為介質(zhì)基質(zhì)的體積;N為體積V內(nèi)的裂縫總數(shù),即體密度;a為裂縫半徑;φ為裂縫孔隙度;α為裂縫扁率(縱橫比)。

1.3 各向異性正演的思路與過程

由于各向異性正演提供了裂縫在井旁地震道的地震響應(yīng),包括疊前各方位角的AVO特征及在裂縫影響下的AVO特征隨方位角的變化規(guī)律,因此,它可以為縱波方位各向異性裂縫分布特征預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)信息。由正演模擬得到的地震合成記錄獲得振幅、頻率和相位等疊前地震動(dòng)力學(xué)屬性,通過計(jì)算這些動(dòng)力學(xué)屬性對(duì)于裂縫的敏感性,可以簡(jiǎn)便、有效地實(shí)現(xiàn)各向異性橢圓擬合的地震屬性優(yōu)選。圖2給出了本文各向異性正演的研究思路。

圖2 各向異性正演研究思路

基于HTI介質(zhì)Hudson模型各向異性正演過程為:假設(shè)在井口布置如圖3所示的觀測(cè)系統(tǒng),通過測(cè)井資料得到巖石的縱波速度、橫波速度和密度,在給出裂縫所含流體性質(zhì)及對(duì)應(yīng)彈性模量的情況下,確定出Hudson等效介質(zhì)模型的剛度系數(shù)及對(duì)應(yīng)的各向異性系數(shù);再根據(jù)Ruger的公式(1)計(jì)算出與入射角、方位角有關(guān)的反射系數(shù);最后,通過與測(cè)井標(biāo)定子波的褶積,得到不同入射角、方位角的地震波振幅信息。

圖3 各向異性正演模擬觀測(cè)系統(tǒng)圖示

2 實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于松遼盆地南部北端某地區(qū),目的層為白堊系營(yíng)城組火山巖,地層厚度變化較大(鉆井顯示目的層厚度為350～900m)。區(qū)內(nèi)最早的探井為A井,于2007年開鉆,并于同年在營(yíng)城組目的層火山巖進(jìn)行試油,使用50.8mm油嘴獲產(chǎn)天然氣592m3/d,水62m3/d。一年后,在A井附近部署了另外一口探井B,在相近目的層使用12mm油嘴獲天然氣產(chǎn)量20.2464×104m3/d,展現(xiàn)了該地區(qū)良好的勘探潛力。

根據(jù)鉆井資料分析,研究區(qū)火山巖儲(chǔ)層由孔、洞、縫組成,裂縫類型主要包括構(gòu)造縫和成巖縫,裂縫是保持該地區(qū)儲(chǔ)層連通性和流體運(yùn)移的主要通道。如何利用地震數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)該地區(qū)火山巖裂縫的分布特征是亟待解決的問題。

2.2 正演井段選取

為了檢驗(yàn)用各向異性正演分析裂縫方位各向異性方法的有效性,需要選取合理的正演參數(shù)來分析不同流體和不同裂縫密度情況下的地層方位各向異性情況,并計(jì)算多種地震屬性,分析各種地震屬性的裂縫敏感性,從而指導(dǎo)后續(xù)的疊前方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)。

研究區(qū)內(nèi)有4口鉆井,分別為A,B,C,D井,其中A井和B井資料較為完全,且有FMI(地層微電阻率成像)測(cè)井資料。根據(jù)對(duì)FMI裂縫測(cè)井資料和試油結(jié)果的綜合分析,選取A井的3個(gè)井段(自上而下依次命名為A1,A2,A3,其FMI井壁圖像見圖4)進(jìn)行各向異性正演,具體參數(shù)見表1。由表1 可以看出,所選井段的FMI裂縫密度、試氣結(jié)果均有一定差異,可以進(jìn)行正演模擬結(jié)果的對(duì)比分析。

圖4 各向異性正演所選取A1，A2和A3井段的FMI井壁圖像

表1 各向異性正演選取井段參數(shù)及試氣結(jié)果

2.3 多屬性敏感性分析優(yōu)選

在儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究中,疊后地震屬性是一種較常規(guī)的預(yù)測(cè)儲(chǔ)層及流體分布特征的技術(shù)手段。在火山巖地層中,流體及裂縫易引起地震數(shù)據(jù)的頻譜發(fā)生變化,本次研究選取的屬性為與地震頻譜相關(guān)的一類屬性,主要包括總能量、最大能量、65%衰減頻率、85%衰減頻率、35Hz能量比、起始衰減頻率和相對(duì)波阻抗等7種地震屬性。

研究中,首先利用正演出的道集在給定時(shí)窗內(nèi)分別計(jì)算上述7種地震屬性,并將計(jì)算出的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為ASCII格式;然后以方位角0,入射角0時(shí)的屬性值為參考基準(zhǔn)值,針對(duì)所選取的A1,A2和A3 3個(gè)井段,結(jié)合矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matlab)三維成圖,分析各地震屬性在入射角0≤θ≤30°,方位角0≤φ≤90°對(duì)裂縫的敏感性,如圖5至圖8所示。通過對(duì)A1井段(無裂縫無流體)、A2井段(裂縫發(fā)育、高產(chǎn)氣層)和A3井段(裂縫發(fā)育、氣水同層)各地震屬性的敏感性分析和結(jié)果對(duì)比,尋找最適合進(jìn)行各向異性橢圓擬合的地震屬性。

綜合對(duì)比圖5至圖8中7種屬性的裂縫敏感性分析結(jié)果,得出以下結(jié)論。

圖5 正演模擬道集所計(jì)算能量類地震屬性的裂縫敏感性分析a 總能量屬性; b 最大能量屬性

圖6 正演模擬道集所計(jì)算頻率類地震屬性的裂縫敏感性分析a 65%衰減對(duì)應(yīng)頻率屬性; b 85%衰減對(duì)應(yīng)頻率屬性; c 起始衰減頻率屬性

圖7 正演模擬道集所計(jì)算相對(duì)波阻抗屬性的裂縫敏感性分析

圖8 正演模擬道集所計(jì)算35Hz低頻能量比屬性的裂縫敏感性分析

1) 能量類地震屬性(圖5)在A1,A2井段表現(xiàn)為明顯的負(fù)異常,但在A3井段卻表現(xiàn)為正異常。由于A1井段無裂縫,而A2井段裂縫發(fā)育,那么利用該類地震屬性無法區(qū)分裂縫是否發(fā)育。因此,能量類地震屬性不適用于本區(qū)各向異性橢圓擬合的裂縫預(yù)測(cè)。

2) 在頻率類屬性(圖6)中,百分比衰減對(duì)應(yīng)頻率屬性(圖6a和圖6b)在A1井段為幅值不大的正異常,在A2井段為幅值不大的負(fù)異常,在A3井段為幅值略大的負(fù)異常。該類屬性在A1,A2和A3井段的值有一定差異,但幅值變化不夠明顯,在地震數(shù)據(jù)信噪比不高時(shí),無法保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而起始衰減頻率屬性(圖6c)在A1,A2井段表現(xiàn)為正異常,在A3井段為負(fù)異常,也不適用于區(qū)分裂縫是否發(fā)育。

3) 相對(duì)波阻抗屬性(圖7)在A2井段表現(xiàn)為較高的正異常,在A1井段為中等正異常,在A3井段為較低正異常。該屬性在不同裂縫發(fā)育程度、不同流體性質(zhì)的地層存在一定區(qū)分性。

4) 低頻能量比屬性(圖8)在裂縫含氣井段A2表現(xiàn)為較高的正異常,在裂縫氣水同層井段A3表現(xiàn)為中等正異常,在無裂縫干層井段A1表現(xiàn)為低的正異常甚至負(fù)異常。該屬性對(duì)不同井段展現(xiàn)出的這種區(qū)分程度非常有利于進(jìn)行研究區(qū)各向異性橢圓的擬合。

根據(jù)以上分析結(jié)果可知,低頻能量比屬性是研究區(qū)裂縫預(yù)測(cè)的最敏感屬性。優(yōu)選低頻能量比屬性進(jìn)行研究區(qū)各向異性橢圓的擬合,預(yù)測(cè)裂縫的平面分布特征。

2.4 利用優(yōu)選屬性預(yù)測(cè)裂縫分布特征

利用正演模擬不同方位角道集計(jì)算的低頻能量比屬性進(jìn)行各向異性橢圓的擬合,根據(jù)擬合橢圓的長(zhǎng)、短軸之比得到了研究區(qū)營(yíng)城組裂縫的空間分布預(yù)測(cè)結(jié)果。基于井上裂縫信息,分別從剖面和平面上探討本文方法預(yù)測(cè)的研究區(qū)裂縫分布特征。

圖9給出了低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測(cè)的過A井和B井目的層段裂縫密度剖面(圖中色標(biāo)為各向異性橢圓的長(zhǎng)、短軸之比,即各向異性強(qiáng)度值;無量綱),可以看出,在A井試氣段和B井產(chǎn)氣段預(yù)測(cè)的裂縫密度均為高值?？梢娎玫皖l能量比屬性各向異性預(yù)測(cè)的裂縫發(fā)育情況不僅與FMI測(cè)井資料吻合較好,也符合井上已知的地質(zhì)認(rèn)識(shí)。

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育若干條南北走向的斷層。從預(yù)測(cè)的裂縫平面分布特征(圖10)來看,研究區(qū)營(yíng)二段、營(yíng)三段和營(yíng)四段(T4a至T4c)裂縫方向以近南北向?yàn)橹?北東—南西向?yàn)檩o(圖10a),營(yíng)一段(T4c至T41)裂縫方向以南北向?yàn)橹?東西向?yàn)檩o(圖10b),裂縫方向與斷層走向較為相似(玫瑰圖中色標(biāo)代表某一方向的裂縫占該位置目的層段所有裂縫方向的百分比，紅色指示預(yù)測(cè)出的裂縫優(yōu)勢(shì)方向)。預(yù)測(cè)的裂縫發(fā)育區(qū)主要分布在斷層附近,同時(shí)在斷層周邊存在若干成巖縫發(fā)育帶。對(duì)于有FMI資料的A井和B井,在T4a-T4c層段,A井和B井裂縫均發(fā)育;在T4c-T41層段,A井裂縫發(fā)育而B井裂縫不發(fā)育。從裂縫分布特征(圖10)來看,本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果與單井的裂縫發(fā)育情況較為一致。

圖9 低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測(cè)的過A井和B井目的層段裂縫密度剖面

圖10 低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測(cè)的不同層段裂縫平面分布a T4a-T4c層段; b T4c-T41層段

將預(yù)測(cè)結(jié)果與FMI解釋結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性。圖11給出了FMI裂縫方向(圖11a，圖11b，圖11c)與低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測(cè)的A井裂縫方向(圖11d)的對(duì)比結(jié)果(白底玫瑰圖為FMI裂縫方向,黑底玫瑰圖為預(yù)測(cè)方向)。從圖11中可以看出,預(yù)測(cè)的A井裂縫方向幾乎為FMI測(cè)井資料顯示的多種裂縫類型裂縫方向的綜合顯示(B井的對(duì)比結(jié)果也相似),說明本文方法預(yù)測(cè)的裂縫方向較為可信。

圖11 低頻能量比屬性方位各向異性預(yù)測(cè)的A井裂縫方向與FMI對(duì)比a 高導(dǎo)縫的走向?yàn)楸睎|—南西向; b 高阻縫的走向?yàn)槟媳毕? c 微裂縫的走向?yàn)楸睎|—南西向; d 本文方法預(yù)測(cè)的A井裂縫方向

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

各向異性橢圓擬合是縱波方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)方法中重要的一步,其關(guān)鍵在于如何合理有效地進(jìn)行地震屬性的優(yōu)選。我們提出了利用各向異性正演進(jìn)行方位各向異性橢圓擬合地震屬性優(yōu)選的新思路。通過基于HTI介質(zhì)Hudson模型的正演模擬得到含有各向異性信息的井旁地震道集,并對(duì)地震道集進(jìn)行多種地震屬性的計(jì)算,對(duì)比分析各地震屬性的裂縫敏感性,從而優(yōu)選出最適合進(jìn)行方位各向異性橢圓擬合的地震屬性。松遼盆地南部某地區(qū)白堊系營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)層的實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)取得了較好的裂縫預(yù)測(cè)效果,并得到以下認(rèn)識(shí)。

1) 能量類地震屬性、頻率類屬性和相對(duì)波阻抗屬性不適用于研究區(qū)各向異性橢圓擬合的裂縫預(yù)測(cè),低頻能量比是進(jìn)行該地區(qū)各向異性橢圓擬合的優(yōu)選敏感屬性。但這一結(jié)果并不具有普遍性,在不同地區(qū)對(duì)不同儲(chǔ)層進(jìn)行各向異性正演時(shí),地震屬性的優(yōu)選結(jié)果也會(huì)不同。

2) 研究區(qū)裂縫分布特征與斷層展布較為一致,營(yíng)二段、營(yíng)三段和營(yíng)四段裂縫方向?yàn)橐越媳毕驗(yàn)橹?北東—南西向?yàn)檩o;營(yíng)一段裂縫方向?yàn)槟媳毕驗(yàn)橹?東西向?yàn)檩o。此外,預(yù)測(cè)的裂縫分布特征在單井FMI資料上得到了較好的驗(yàn)證。

3) 多屬性裂縫敏感性分析是基于Hudson模型的高角度裂縫,但以低角度裂縫、水平裂縫為主的儲(chǔ)層是客觀存在的,在面對(duì)這一類儲(chǔ)層的裂縫預(yù)測(cè)問題時(shí),文中涉及的多屬性裂縫敏感性分析技術(shù)不適用。

致謝:在本文編寫過程中得到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)王彥春教授、劉學(xué)清博士和劉志偉博士的指導(dǎo)和啟發(fā),在此表示衷心感謝！

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