不同尺度裂縫的疊后地震預測技術(shù)研究

梁志強

(中國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。我國裂縫型油氣藏分布廣泛,在我國油氣生產(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)性強且裂縫分布復雜的特點,如何準確有效地對地下油氣儲層中的裂縫進行預測和描述是裂縫型油氣藏勘探開發(fā)中的難點。

近年來,針對裂縫型油氣藏的識別和描述形成了多種方法技術(shù),包括利用邊緣檢測[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雜,針對裂縫的各種預測方法和描述參數(shù)也各有側(cè)重,因此無論是疊后的屬性計算還是疊前的各向異性反演,單一的裂縫預測方法常常只能針對某一類斷裂-裂縫或者裂縫發(fā)育帶進行預測,并且預測結(jié)果常常是不同級別、不同尺度的裂縫型儲層的綜合響應。由于不同級別的裂縫對油氣的貢獻各不相同,因此,如何準確地對裂縫進行尺度分級、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不同尺度裂縫預測的可靠性成為裂縫預測的重要發(fā)展方向。多尺度邊緣檢測[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測和描述提供了可能,這些多尺度技術(shù)大多基于數(shù)學意義上的尺度概念對地震數(shù)據(jù)進行分解,可獲得不同尺度的裂縫預測結(jié)果。本文首先對不同尺度斷裂-裂縫的地質(zhì)成因、尺度特征以及地球物理預測方法進行分類[13-14],然后介紹多尺度地震預測方法的基本原理,最后綜合利用疊后地震屬性,對不同尺度的斷裂-裂縫進行預測研究。

1 不同尺度裂縫的劃分及預測方法

對不同發(fā)育規(guī)模和延伸尺度的斷裂-裂縫類型及成因進行劃分并總結(jié)[15-19],分析其不同的地震響應特征及地質(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測方法

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)造運動有關(guān)。隨著構(gòu)造規(guī)模、時間、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特征[14]。

根據(jù)前人對不同級別斷裂-裂縫的地質(zhì)認識[13-14],結(jié)合地震響應特征[14],形成了以不同走向延伸距離為標準,參考地震預測方法的多尺度斷裂/裂縫的分級方法:將走向延伸長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。在測井和巖石物理領(lǐng)域,還存在長度為幾厘米到幾米甚至毫米級的小微裂縫,本文暫不討論該尺度的裂縫。

2 多尺度裂縫疊后地震預測方法的基本原理

2.1 多尺度相干技術(shù)

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

對aj,l取不同的值,再進行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),對其進行相干計算,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實現(xiàn)[10]:

式中:u(x)為x時刻的地震信號;F(·)為傅里葉變換;kx為復波數(shù);α為波數(shù)域尺度因子。在實際應用中,為了有效保留地層的線性構(gòu)造,只改變復波數(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)計方法[18],也是概率論在地震統(tǒng)計學中的應用,其原理是將原始地震數(shù)據(jù)沿著每一組走向和傾角,計算各點最低的相似度及同相軸連續(xù)性。

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

式中:g為三維地震數(shù)據(jù)體;(·)s代表對地震數(shù)據(jù)構(gòu)造導向濾波;(·)f代表沿斷裂、傾向方向濾波。

Likelihood屬性L的計算公式為:

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)對小斷層及小尺度裂縫具有良好的識別能力。

多尺度裂縫疊后地震預測的方法大都借鑒了數(shù)學中的多尺度概念,多尺度相干技術(shù)基于Curvelet變換,對于恢復沿邊緣的主要結(jié)構(gòu)和抑制周邊噪聲有其特有優(yōu)勢;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)計學中最大似然原理對地震錯斷和不連續(xù)性大小的一種反映。實際應用中,單一的多尺度方法常常無法反應實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測

3.1 大尺度斷裂-裂縫發(fā)育帶的疊后綜合地震預測

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)造運動密切相關(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,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、相干等屬性)均有不同程度的展示,但是對其邊界的精確刻畫和內(nèi)幕的有效識別仍然有待進一步的研究。

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、斷面增強以及Likelihood等疊后屬性綜合預測技術(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)成果對比分析可知,裂縫發(fā)育帶與地質(zhì)構(gòu)造運動形成的區(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)認識,三維體邊界的預測結(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測方法與圖1中所采用的方法相同,即利用斷面增強技術(shù)和Likelihood屬性實現(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屬性得到的計算結(jié)果。

3.2 中尺度裂縫的疊后地震預測

中尺度裂縫常常由區(qū)域構(gòu)造運動或褶皺、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]。

中尺度裂縫地震預測主要利用了螞蟻體、多尺度曲率體以及多尺度相干等技術(shù),預測方法與大尺度斷裂-裂縫帶內(nèi)幕發(fā)育的裂縫預測方法類似,但具體實現(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的曲率螞蟻體算法。

多尺度曲率體計算過程中,由于引入了時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刻畫細微的構(gòu)造[10]。實際計算時可以根據(jù)需要計算多種尺度的曲率,并結(jié)合已有的地質(zhì)認識和屬性情況,得到合適的裂縫分析結(jié)果。

圖3為某條主測線多尺度曲率體的計算結(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。多尺度曲率體的計算結(jié)果可以同時在時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,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。

為了更好地對中尺度裂縫進行預測,筆者研發(fā)了一種改進的曲率螞蟻體算法,其實現(xiàn)思路為:基于三維疊后地震數(shù)據(jù),計算多尺度曲波數(shù)據(jù)體[9],再根據(jù)多尺度曲波數(shù)據(jù)體計算高精度曲率體,最后根據(jù)高精度曲率體計算螞蟻體,計算結(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,改進的曲率螞蟻體算法得到的剖面對裂縫方向、寬度以及傾向的刻畫更精細(圖4);與傳統(tǒng)的螞蟻體算法得到的切片相比,改進的曲率螞蟻體算法得到的切片抗噪性更強,預測的裂縫連續(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)的測井資料顯示,A井和B井的儲層段都發(fā)育有大量的裂縫。

3.3 小尺度裂縫的疊后屬性預測

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,走向延伸長度一般為幾米到幾十米[14]。其地震響應一般呈現(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測,因此小尺度裂縫的識別通常需結(jié)合測井方法,如雙側(cè)向測井、全井眼地層微電阻率掃描成像測井等方法。此外,基于TI介質(zhì)的疊前各向異性反演方法也可以預測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 利用斷面增強技術(shù)和Likelihood屬性預測的斷裂-裂縫帶邊界; c 利用多尺度曲率技術(shù)預測的斷裂帶內(nèi)部發(fā)育的小溶洞; d 利用三維疊后多尺度相干技術(shù)預測的斷裂帶內(nèi)部發(fā)育小裂縫; e 利用三維結(jié)構(gòu)張量λ2屬性預測的斷溶體

圖3 多尺度曲率體的計算結(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

為預測小尺度裂縫,根據(jù)某三維工區(qū)的疊后地震數(shù)據(jù),計算該工區(qū)的細化斷層概率體(thinned fault likelihood,TFL)屬性值,并結(jié)合解釋成果、地質(zhì)和測井等信息,選取值為0.1～0.3的Likelihood屬性,進行小尺度裂縫體的空間展布預測,結(jié)果如圖6所示。圖6右側(cè)為小尺度裂縫預測的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,紅星標示的探井是一口高產(chǎn)井;圖6左上部分測井曲線的高值區(qū)域反映了其儲層段的裂縫非常發(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)認識大體一致,說明小尺度裂縫的預測結(jié)果準確可靠。對比分析地震剖面、構(gòu)造與井中裂縫孔隙度,可以看出小尺度裂縫預測結(jié)果與主干斷裂帶發(fā)育一致,與構(gòu)造應變吻合度高,次級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 兩種螞蟻體算法計算得到的剖面對比a 常規(guī)的螞蟻體算法; b 改進的曲率螞蟻體算法

圖5 兩種螞蟻體算法計算得到的切片對比a 傳統(tǒng)螞蟻體算法; b 改進的曲率螞蟻體算法

圖6 小尺度裂縫空間展布預測

4 結(jié)束語

由于不同級別斷裂-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、延伸長度以及充填物等信息影響,因此僅利用地震響應對不同級別的斷裂-裂縫進行尺度劃分較為困難。本文結(jié)合斷裂-裂縫的地質(zhì)特征和地球物理預測方法,對斷裂-裂縫進行尺度劃分,并探討利用多尺度相干、多尺度曲率、Likelihood等多種疊后屬性實現(xiàn)不同尺度斷裂-裂縫的定性預測。實際應用中,可以借助更多的地球物理手段,如基于測井信息的裂縫分級、裂縫巖石物理反演、基于疊前AVAZ或者孔隙結(jié)構(gòu)反演等來更加準確地實現(xiàn)不同尺度裂縫的劃分、預測與描述,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。