基于疊前全方位角道集方位振幅梯度各向異性變化的HTI裂縫介質(zhì)油氣檢測(cè)方法與技術(shù)

劉軍迎, 雍學(xué)善, 張靜, 羅瑞蘭

1 中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州 730020 2 中國石油勘探開發(fā)研究院四川盆地研究中心, 成都 610094

0 引言

長(zhǎng)期以來，利用地震資料預(yù)測(cè)油氣一直是地球物理工作者追求的目標(biāo).20世紀(jì)70年代地震勘探實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和處理的數(shù)字化，提高了原始地震記錄的動(dòng)態(tài)范圍、頻帶寬度及處理精度，于是用地震波動(dòng)力學(xué)信息直接或間接預(yù)測(cè)油氣的各種技術(shù)便相繼出現(xiàn),如亮點(diǎn)、頻譜交會(huì)(劉偉和曹思遠(yuǎn)，2008)、吸收系數(shù)(辛可鋒等，2001；高建虎等，2006)、頻率吸收衰減(張景業(yè)等，2010)、AVO(Amplitude Versus Offset)分析(楊志力等，2013)、AVO交會(huì)圖(孫鵬遠(yuǎn)等，2004)、AVO屬性(章靜等，2020)計(jì)算與分析等油氣預(yù)測(cè)技術(shù).這些技術(shù)迎合了人們尋找油氣藏的迫切愿望，因而受到了高度的重視并在油氣勘探中得到了廣泛的應(yīng)用，其中，AVO分析油氣預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展得最為廣泛、深入和持久.

AVO技術(shù)自70年代誕生以后到迅速發(fā)展的主要原因是其具有三大優(yōu)勢(shì)(程冰潔和張玉芬，2003):其一,AVO技術(shù)有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)物理推導(dǎo)，Zoeppritz方程闡明了振幅隨偏移距的變化規(guī)律;其二,AVO技術(shù)在應(yīng)用上具有廣泛性;其三,AVO技術(shù)在某種程度上能夠定量地識(shí)別"亮點(diǎn)"與"暗點(diǎn)".AVO理論表明振幅隨偏移距的變化是地下巖石及其孔隙流體的彈性參數(shù)的函數(shù),這就奠定了根據(jù)振幅信息反演巖性及其孔隙流體性質(zhì)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ).正因?yàn)樯鲜鋈髢?yōu)勢(shì),AVO技術(shù)作為一種能夠有效提供多種巖性參數(shù)的技術(shù),特別適用于尋找油氣藏.AVO 技術(shù)的理論基礎(chǔ)是Zoeppritz方程(章靜等，2020;周林等，2016；楊紹國和周熙襄，1994；鐘森，1995).不管是對(duì)經(jīng)典Zoeppritz方程的簡(jiǎn)化變形如Fatti反射系數(shù)近似公式(Fatti et al.,1994)(霍國棟等，2017),還是頻變AVO(逄碩等，2018)對(duì)Zoeppritz方程簡(jiǎn)化公式的的改進(jìn)，都是基于上、下半空間介質(zhì)是層狀均勻介質(zhì)而建立起的平面反射P波精確的反射系數(shù)表達(dá)式，式中速度恒定不變.對(duì)于橫向各向同性介質(zhì)，即VTI(Vertical Transverse Isotropy)介質(zhì),縱、橫波速度是隨入射角的變化而變化的，這就是VTI介質(zhì)的各向異性.這種各向異性是由地下薄層介質(zhì)相互疊置在一起導(dǎo)致，或由巖石顆粒線性排列導(dǎo)致.Thomsen(1986)從理論上進(jìn)一步研究了地下介質(zhì)的弱各向異性，并給出了以湯姆森三參數(shù)來表征這種弱各向異性地下介質(zhì)的速度變化規(guī)律.

以上給出了關(guān)于各向同性和VTI各向異性地震反射振幅變化規(guī)律的概述.在實(shí)際工作中，沒有專門的儀器和設(shè)備來直接測(cè)量這三個(gè)各向異性參數(shù)，主要原因是與這幾個(gè)參數(shù)直接相關(guān)的測(cè)井信號(hào)響應(yīng)機(jī)理不清楚；另一個(gè)原因是大地是弱各向異性介質(zhì)，其值非常小，非常難測(cè)量；再者，在影響石油勘探的眾多因素中，大多數(shù)勘探目標(biāo)的勘探在以前需求不夠強(qiáng)烈.

但是，隨著勘探目標(biāo)日趨復(fù)雜化，勘探程度越來越深入，現(xiàn)如今已進(jìn)入到裂縫型油氣藏、碳酸鹽巖縫洞型巖溶油氣藏、頁巖氣藏、火山巖氣藏、致密砂巖油氣藏、薄砂巖氣藏等強(qiáng)非均質(zhì)型油氣藏勘探階段，其中，裂縫型油氣藏是以含有大量裂縫或以裂縫為主的儲(chǔ)層如泥巖裂縫儲(chǔ)層、砂巖裂縫儲(chǔ)層、碳酸鹽巖裂縫儲(chǔ)層、火山巖裂縫儲(chǔ)層等為油氣儲(chǔ)集空間所形成的一類重要的油氣藏.

裂縫在地殼中廣泛分布，它們是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中形成的，裂縫型儲(chǔ)層在地球上廣泛發(fā)育.目前，裂縫型油氣藏的產(chǎn)量占全世界油氣總產(chǎn)量的一半以上.在國內(nèi)，近幾年來發(fā)現(xiàn)的裂縫油氣藏越來越多，如塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖裂縫型油氣藏，柴達(dá)木盆地泥巖裂縫型油氣藏，大港油田(埕海)奧陶系碳酸鹽巖裂縫型油氣藏，四川盆地致密砂巖、泥頁巖、碳酸鹽巖裂縫型油氣藏，新疆盆地的火燒山油田，吐哈的丘陵、鄯善油田，長(zhǎng)慶的安塞油田，勝利的渤南油田，大慶的朝陽溝油田，吉林的新立、乾安、新民油田等等，幾乎每個(gè)大油區(qū)都有裂縫型油氣藏存在.可見，裂縫型油氣藏勘探已成為我國重要的能源勘探領(lǐng)域.這些裂縫型油氣藏多為高角度縫裂縫油氣藏，常用方位各向異性HTI(Horizontal Transverse Isotropy)裂縫介質(zhì)理論來描述.

對(duì)于強(qiáng)非均質(zhì)型裂縫型油氣藏的預(yù)測(cè)，不能再借助于上述各向同性介質(zhì)和VTI介質(zhì)理論和方法來預(yù)測(cè)這種強(qiáng)非均質(zhì)型油氣藏儲(chǔ)層的含氣性，必須研究與這類儲(chǔ)層介質(zhì)相適應(yīng)的地球物理勘探油氣預(yù)測(cè)方法.基于方位各向異性HTI裂縫介質(zhì)理論，本文提出了一項(xiàng)新的油氣預(yù)測(cè)方法，它是關(guān)于裂縫型強(qiáng)非均質(zhì)性儲(chǔ)層油氣預(yù)測(cè)的方法，即：推導(dǎo)出以方位角為變量的方位振幅梯度變化函數(shù)，并以之為參變量進(jìn)一步推導(dǎo)出以入射角為變量的隨方位和入射方向變化而變化的雙向振幅響應(yīng)強(qiáng)度變化函數(shù)，同時(shí)推導(dǎo)出方位油氣指示因子；首先通過變量拆分法先固定方位參數(shù)，然后通過該方位角道集振幅隨入射角的變化求解該方位振幅梯度,繼而求出該方位的油氣指示因子；依次類推，可求出所有方位的油氣指示因子，進(jìn)而可分析含油氣敏感性隨方位的變化，優(yōu)選油氣最敏感的方位作為最終的油氣預(yù)測(cè)結(jié)果.實(shí)際工區(qū)應(yīng)用結(jié)果表明，本方法預(yù)測(cè)結(jié)果可靠、精度高，可為油氣勘探開發(fā)提供有效技術(shù)支持.

1 方法原理

任意方位HTI裂縫介質(zhì)反射振幅公式(Li Teng et al.,1996)，即

(1)

一般情形下，勘探深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震信號(hào)采集布設(shè)的地面物理點(diǎn)間距，其入/反射角較小，故有cosθ≈1，所以變形整理后有

(2)

令

(3)

(4)

化簡(jiǎn)、整理并略去高次項(xiàng)(當(dāng)入射角較小，其正弦的四次方值非常小，故可略去高次項(xiàng))有

rpp(θ,φ)=Z+D(φ)sin2θ,

(5)

F(φ)=Z*D(φ),

(6)

式中：

其中，下角“∥”表示平行于裂縫面的波傳播速度，“⊥”表示垂直于裂縫面的波傳播速度.rpp(θ,φ)為響應(yīng)振幅，θ為入射角，φ為方位角，ρ為平均密度，VP、VS分別為平均縱波和平均橫波速度，εx、εy為平行于和垂直于裂縫面的ε湯姆森參數(shù)；δx、δy為平行于和垂直于裂縫面的δ湯姆森參數(shù)；γxy為平行于和垂直于裂縫面的γ湯姆森參數(shù)平均值，C11、C12、C13、C23、C22、C33、C44、C55、C66為彈性系數(shù)，Z為截距，D(φ)為方位梯度，F(xiàn)(φ)為方位流體指示因子.

對(duì)方程(1)、(5)進(jìn)行計(jì)算分析.設(shè)計(jì)的模型為碳酸鹽巖中一組垂直裂縫，裂縫面平行于XOZ坐標(biāo)面如下圖1所示.

圖1 模型參數(shù)空間位置分布示意圖

設(shè)計(jì)模型參數(shù):碳酸鹽巖基質(zhì)縱波速度VP=6000 m·s-1，橫波速度Vsv=4500 m·s-1，密度ρ=2.85 g·cm-3,Vsh(90°)=4100 m·s-1,Vsh(0°)=3800 m·s-1,Vsh(45°)=3900 m·s-1,ε=0.056,δ=-0.003和γ=0.067; 平行于裂縫面的速度Vpx(90°)=5500 m·s-1，Vpx(0°)=5000 m·s-1(用低速來表示裂縫含油氣)，Vpx(45°)=5300 m·s-1，Vshy(90°)=3300 m·s-1，Vsv(0°)=Vsh(0°)=3000 m·s-1,Vshy(45°)=3100 m·s-1；垂直于裂縫面的速度Vpy(90°)=5300 m·s-1，Vpy(0°)=5000 m·s-1，Vpy(45°)=5100 m·s-1，Vshx(90°)=3180 m·s-1，Vshx(45°)=3080 m·s-1；裂縫帶介質(zhì)密度ρ1=2.7 g·cm-3.

圖2為基于公式(1)計(jì)算的不同方位的反射系數(shù)隨入射角的變化曲線，圖3為基于公式(5)計(jì)算的不同方位的反射系數(shù)隨入射角的變化曲線.

圖2 基于公式(1)計(jì)算的不同方位反射系數(shù)隨入射角變化曲線

圖3 基于公式(5)計(jì)算的不同方位反射系數(shù)隨入射角變化曲線

實(shí)際地震勘探中，地震波反射角很少能達(dá)到50°，尤其是深層，所以計(jì)算時(shí)取最大截止入射角為50°；由于方位角90°～180°與方位角0°～90°是鏡像對(duì)稱的，所以只計(jì)算方位角0°～90°范圍內(nèi)的方位反射系數(shù)(或反射強(qiáng)度或反射振幅)隨入射角的變化.從模擬計(jì)算結(jié)果來看，兩個(gè)公式(式(1)、式(5))所反映的在不同的方位上反射系數(shù)(或反射強(qiáng)度或反射振幅)隨入射角變化而變化的趨勢(shì)規(guī)律是一致，都是反射系數(shù)(或反射強(qiáng)度或反射振幅)隨入射角增大而變小，只是幅值大小不一樣而已，這種數(shù)值上的差異是由于理論公式往往在實(shí)際運(yùn)用過程中，結(jié)合了地震信號(hào)采集與處理的實(shí)際情況，做了合理的假定，使其更接近于實(shí)際地震勘探，以便于工程化應(yīng)用，這并不改變?cè)械囊?guī)律性，只是差異放大了，利用規(guī)律提取表征油氣變化的相應(yīng)量值即可.在實(shí)際應(yīng)用中，公式(1)不簡(jiǎn)潔、難使用、實(shí)用性差，公式(5)易用、簡(jiǎn)潔、實(shí)用，所以可以利用公式(5)對(duì)含噪較高的地震野外采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的道集數(shù)據(jù)，來進(jìn)行疊前全方位角道集方位振幅梯度各向異性變化的油氣檢測(cè).

另外，圖2—3中，0°方位角表示地震波平行于裂縫面?zhèn)鞑ィ?0°方位角表示地震波垂直于裂縫面?zhèn)鞑?，從圖中可以看出：①地震波在0°～5°范圍內(nèi)入射時(shí)，所有方位反射系數(shù)隨入射角的變化曲線幾乎一樣，說明在進(jìn)行方位油氣檢測(cè)時(shí)，不必選擇地震波入射角小于5°的地震道集數(shù)據(jù)；②0°方位角反射系數(shù)(或反射強(qiáng)度或反射振幅)隨入射角變化曲線稱為0°方位角AVA(Amplitude Versus incidence-Angle)曲線，它在系列曲線組的最上方，90°方位角AVA曲線在系列曲線組的最下方，15°、30°、45°、60°、75°方位角AVA曲線從上到下依次排列在0°和90°方位角AVA曲線之間，表示隨著方位角從地震波平行于裂縫面?zhèn)鞑サ街饾u垂直于裂縫面?zhèn)鞑?，方位AVA曲線的變化幅度越來越大，平行于裂縫面?zhèn)鞑r(shí)地震波反射強(qiáng)度變化最小，反射值最大；垂直于裂縫面?zhèn)鞑r(shí)地震波反射強(qiáng)度變化最大，反射值最小，說明在進(jìn)行方位油氣檢測(cè)時(shí)，可以選擇接近于垂直裂縫走向展布的地震數(shù)據(jù)來進(jìn)行方位油氣檢測(cè)，效果可能會(huì)更好.

2 實(shí)際應(yīng)用

2.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于輪古油田南部，包括桑塔木斷壘帶和桑南斜坡區(qū)西部，西南部緊鄰塔河油田高產(chǎn)區(qū).地表為低矮浮動(dòng)沙丘與浮土、紅柳，氣候干旱少雨，多風(fēng)沙.

輪南潛山位于塔里木盆地塔北隆起輪南低凸起中部，構(gòu)造整體表現(xiàn)為一大型的古隆起背斜，形成于加里東—海西期，其軸向北東—南西向，兩翼不對(duì)稱，西北翼陡，東南翼緩.總體構(gòu)造特征為多軸向，多高點(diǎn)，多斷裂.該背斜上主要發(fā)育三條大斷裂，即輪西斷裂、輪南斷裂、桑塔木斷裂.輪西斷裂在早海西期與輪南潛山大背斜同期形成，為逆斷層；輪南斷裂和桑塔木斷裂于晚海西期形成，均為東西向的逆斷層，隨后又發(fā)展成為輪南斷壘帶和桑塔木斷壘帶.由于東西向斷裂的切割，將該古隆起大背斜分割為北、中、南三個(gè)大斷塊，依次為北部斜坡帶、中部平臺(tái)區(qū)、桑南斜坡帶(如圖4).

圖4 輪古17工區(qū)構(gòu)造位置圖

2.2 參數(shù)分析與計(jì)算

2.2.1 偏移距范圍與方位角范圍分析與選擇

如圖5為偏移距-方位角覆蓋分析圖.根據(jù)上述原理分析，一般情況下可以不選擇入射角較小的近道參與運(yùn)算.從實(shí)際勘探地震數(shù)據(jù)來看，接近于零偏的近道往往噪聲多，波的覆蓋范圍小，此范圍介質(zhì)可近似看作均勻介質(zhì)，所以波的方位各向異性變化不明顯，故去掉近偏數(shù)據(jù)對(duì)含油氣性預(yù)測(cè)效果影響不大；入射角較大的遠(yuǎn)偏一般動(dòng)?；儑?yán)重，信號(hào)不保真，故也要去掉.綜合考慮不同方位偏移距分布情況，本次預(yù)測(cè)偏移距范圍選為300～6600 m、方位角范圍為0°～150°.

圖5 偏移距-方位角覆蓋分析圖

2.2.2 覆蓋次數(shù)分析與選擇

地震數(shù)據(jù)要經(jīng)野外采集才能得到，而野外高山、湖泊、沙漠、沼澤、丘陵、溝壑縱橫，儀器布設(shè)、車輛行進(jìn)、人員布線施工難度都較大，花費(fèi)昂貴，得來資料非常不易.所以，我們做研究時(shí)要盡最大努力使用好地震資料，不讓地震資料有所浪費(fèi).如圖6為分方位CRP道集覆蓋次數(shù)分布平面圖.可以看出，全工區(qū)地震覆蓋次數(shù)最低262次、最高270次，整體較高且基本均勻，能夠滿足疊前方位各向異性含油氣性預(yù)測(cè)對(duì)資料的要求.

圖6 分方位CRP道集覆蓋次數(shù)分布平面圖

2.2.3 預(yù)測(cè)時(shí)窗選取

本方法逐時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)利用固定時(shí)窗來獲取地震數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè).選擇的時(shí)窗長(zhǎng)度約為目的層一個(gè)反射波的視周期，通常取目的層風(fēng)化殼頂界面強(qiáng)地震反射視周期約為同相軸的寬度，如圖7所示，本次預(yù)測(cè)時(shí)窗長(zhǎng)度為分析點(diǎn)上、下各取20 ms.

2.2.4 方位角道集、截距、方位梯度、方位流體指示因子實(shí)時(shí)計(jì)算

入射角直射線法計(jì)算公式如下

式中，θ為入射角，x為偏移距(單位：m，大于零)，Vavg為平均速度(單位：m·s-1)，T0為零偏移距雙程走時(shí)(單位：ms).

程序計(jì)算過程中，利用輸入的平均速度體，將分方位CRP道集(如圖7所示)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成分方位角道集，后續(xù)程序利用實(shí)時(shí)計(jì)算的分方位角道集實(shí)時(shí)計(jì)算截距Z值、方位梯度值F(φ)和方位流體指示因子D(φ).

圖7 分方位CRP道集時(shí)窗選取示意圖

2.3 實(shí)際預(yù)測(cè)效果

如圖8a為過輪古16、輪古16-2井90°方位InLine972線油氣指示因子剖面，圖8b為過輪古16、輪古16-2井InLine972線疊前時(shí)間偏移地震剖面，可以看出，油氣預(yù)測(cè)結(jié)果與井上油氣實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，說明本方法是可靠有效的.

圖8 (a)過輪古16、輪古16-2井90°方位InLine972線油氣指示因子剖面；(b)過輪古16、輪古16-2井90°方位InLine972線疊前時(shí)間偏移地震剖面

圖9為P波沿層斷裂預(yù)測(cè)平面圖，從圖上可以看出，多數(shù)斷層主要是近南北向展布的.圖10a為沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的0°方位油氣指示因子平面圖，正北為0°方位，順時(shí)針增加，90°方位為正東；圖10b為沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的30°方位油氣指示因子平面圖，圖10c為沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的60°方位油氣指示因子平面圖，圖10d為沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的90°方位油氣指示因子平面圖，圖10e為沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的120°方位油氣指示因子平面圖，圖10f為沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的150°方位油氣指示因子平面圖，圖中紅、黃色表示含油氣性好.選擇工區(qū)中高產(chǎn)井來驗(yàn)證本方法方位油氣預(yù)測(cè)結(jié)果與井上油氣實(shí)測(cè)結(jié)果的符合率，選擇的高產(chǎn)井有LN54、LG100、LG00-10、LG100-11、LG100-6、LG00-8C、LG101、LG16-2、LN44.圖11為油氣井符合率百分比隨方位角變化柱狀圖.從圖11可以看出，方位地震道集數(shù)據(jù)油氣預(yù)測(cè)與井上油氣實(shí)測(cè)結(jié)果的符合率呈正態(tài)分布，90°方位地震道集數(shù)據(jù)油氣預(yù)測(cè)的符合率最高，向兩邊逐漸降低，這一方位地震道集數(shù)據(jù)油氣檢測(cè)的正態(tài)分布規(guī)律符合上面所述原理分析，本工區(qū)斷層走向多為近南北向，0°方位地震道集數(shù)據(jù)幾乎是沿?cái)鄬幼呦蚍植嫉?，根?jù)上面所述原理分析，這個(gè)方位的振幅隨入射角變化相對(duì)來說最不明顯，據(jù)此預(yù)測(cè)的油氣符合率比較低如圖11及圖10a所示；90°方位地震道集數(shù)據(jù)幾乎是垂直于斷層走向分布的，根據(jù)上面所述原理分析，這個(gè)方位的振幅隨入射角變化相對(duì)來說最明顯，據(jù)此預(yù)測(cè)的油氣符合率比較高如圖11及圖10d所示；在0°方位和90°方位之間，隨著方位角的增加，地震道集數(shù)據(jù)的方位展布方向越來越向垂直于斷層走向方向分布，因而方位油氣預(yù)測(cè)的符合率也隨之升高，這也驗(yàn)證了上面所述原理的分析；大于90°方位的120°方位、150°方位的兩個(gè)方位油氣預(yù)測(cè)結(jié)果幾乎分別與60°方位、30°方位的兩個(gè)方位油氣預(yù)測(cè)結(jié)果鏡像對(duì)稱，這也符合上面所述原理的分析.總之，垂直于斷層走向的地震道集數(shù)據(jù)的方位油氣預(yù)測(cè)結(jié)果與井上油氣實(shí)測(cè)結(jié)果的符合率最高.

圖9 P波沿層斷層預(yù)測(cè)平面圖(相干,Tg51-Tg51+40 ms)

圖10 (a)沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的0°方位流體指示因子平面圖；(b)沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的30°方位油氣指示因子平面圖；(c)沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的60°方位油氣指示因子平面圖；(d)沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的90°方位油氣指示因子平面圖；(e)沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的120°方位油氣指示因子平面圖；(f)沿層(Tg51)預(yù)測(cè)的150°方位油氣指示因子平面圖

圖11 油氣井符合率百分比隨方位角變化柱狀圖

如表1為本油氣指示因子法預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表.可以看出，本方法油氣預(yù)測(cè)符合率約為90%，說明本方法預(yù)測(cè)精度高、可靠、效果好.

表1 本文油氣指示因子法碳酸鹽巖風(fēng)化殼縫洞儲(chǔ)層油氣預(yù)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)分析表

3 結(jié)論

本文從方位HTI介質(zhì)反射振幅的一般表達(dá)式出發(fā)，推導(dǎo)出新的方位HTI介質(zhì)反射振幅表達(dá)式，即方位HTI介質(zhì)反射振幅由常數(shù)振幅項(xiàng)(Z，截距)和方位振幅梯度射線方向調(diào)制項(xiàng)組成，方位振幅梯度射線方向調(diào)制項(xiàng)由表示射線方向變化的入射角正弦函數(shù)對(duì)地震波在不同方位的方位振幅梯度項(xiàng)(D(φ))做乘積構(gòu)成，給出了地震波在不同方位的方位振幅梯度表達(dá)式，進(jìn)而構(gòu)建了地震波在不同方位的流體指示因子表達(dá)(F(φ))，據(jù)此成功進(jìn)行了實(shí)際工區(qū)應(yīng)用，應(yīng)用效果表明本方法技術(shù)是可靠的、實(shí)用的.