碳酸鹽巖縫洞儲集體裂縫預(yù)測與量化描述技術(shù)進展

劉一灼 汪 勇 桂志先

（長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430199）

0 引言

21世紀(jì)以來，在經(jīng)濟不斷發(fā)展的同時，現(xiàn)有的常規(guī)油氣藏已經(jīng)很難滿足人們的實際需要，因此對于深部儲層以及非常規(guī)油氣藏的開發(fā)被提上日程，對于碳酸鹽巖縫洞型油氣藏的研究以及勘探被列為油氣藏勘探領(lǐng)域攻堅的重中之重。碳酸鹽巖縫洞儲集合體非均質(zhì)性強，巖體空間結(jié)構(gòu)極不規(guī)范，走向復(fù)雜，形如“串珠狀”地震反射特征只是縫洞集合體的綜合響應(yīng)，對于縫洞儲集合體進行整體預(yù)測難度大，多解性強，可靠程度低。在我國，裂縫結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，裂縫帶小且不連續(xù)，規(guī)律性較差，這又以碳酸鹽巖巖性最為表征明顯，儲集空間大、滲透率高的特點是開發(fā)這類儲層的原因，裂縫發(fā)育各不相同，合理的識別以及定性定量分類對儲層裂縫的預(yù)測事半功倍，本研究首先對碳酸鹽巖縫洞儲集合體的特征、分類以及定性定量描述做出了總結(jié)，之后就裂縫的地震響應(yīng)特征進行了分析，詳細(xì)調(diào)研了關(guān)于碳酸鹽巖儲層的多種預(yù)測技術(shù)進展及研究現(xiàn)狀，這將有利于今后對碳酸鹽巖儲層預(yù)測進行更深層次的研究。

1 碳酸鹽巖縫洞儲層特征及裂縫描述

碳酸鹽巖儲層的劃分依據(jù)主要有兩個方面，一是按照孔隙度大小劃分，孔隙度≥8%為有效儲層，＜8%為無效儲層。二是依據(jù)實際空間大小分為3類儲層，裂縫孔隙—孔洞型、孔隙—孔洞型以及裂縫型儲層。在裂縫分類問題上，不同的地學(xué)工作者持有不同的觀點，主要按照裂縫形態(tài)分類、裂縫體的產(chǎn)狀、層理、成分以及形成時間等。當(dāng)下，碳酸鹽巖以裂縫成因為基礎(chǔ)的分類是主流分類方式。

在進行裂縫預(yù)測之前，需要對裂縫尺度進行劃分，各尺度分級如表1所示。

表1 尺度分級示意劃分

儲集層裂縫成因分為兩種：構(gòu)造成因、非構(gòu)造成因。構(gòu)造成因裂縫在地質(zhì)體展布上方位性、分布規(guī)律較為一致，構(gòu)造應(yīng)力場分布區(qū)域不同，分為局部和區(qū)域構(gòu)造裂縫，區(qū)域構(gòu)造裂縫直接受構(gòu)造應(yīng)力場所控，兩者在產(chǎn)狀穩(wěn)定性上差距明顯。對于構(gòu)造不連續(xù)的裂縫，就是非構(gòu)造成因，這類裂縫主要是經(jīng)歷了風(fēng)化剝蝕、高溫、高壓或者礦物相變而形成的，正確判斷裂縫的成因是裂縫儲層預(yù)測的關(guān)鍵。

裂縫系統(tǒng)描述分為定性描述和定量描述，表2、表3分別對裂縫系統(tǒng)定性、定量問題做了較為全面的描述。

表2 裂縫系統(tǒng)定性描述

表3 裂縫系統(tǒng)定量描述

2 裂縫預(yù)測主要技術(shù)及應(yīng)用

對于地層中裂縫的研究，已經(jīng)有很長一段時間的歷史。按理論依據(jù)不同，裂縫預(yù)測的間接方法大致可以分為地質(zhì)法、測井法和地震法。地質(zhì)法是最直接、最簡單的手段，能定量預(yù)測，但無法滿足油氣田開發(fā)的高精度要求，也無法在儲層預(yù)測上廣泛使用。測井法對裂縫有異常響應(yīng)，能定性判別，采用井間資料對裂縫進行預(yù)測，可以得到更加準(zhǔn)確的相關(guān)數(shù)據(jù)，但受環(huán)境影響嚴(yán)重、多解性頻發(fā)、不易大量生產(chǎn)使用。與前兩者相比，地震法能夠在縱橫向上連續(xù)觀測，其成本相對較低，在儲層裂縫預(yù)測方面效果顯著。

在整個油氣勘探開發(fā)理論不斷完善和發(fā)展的過程中，用地震屬性作為檢測裂縫的方法發(fā)揮了越來越大的作用。本研究主要對當(dāng)前裂縫預(yù)測的主要技術(shù)按所使用的資料不同分為疊前和疊后的預(yù)測方法進行總結(jié)以及對相關(guān)進展進行論述。

2.1 疊前預(yù)測技術(shù)

疊前是根據(jù)方位各向異性振幅屬性對小尺度裂縫進行預(yù)測，疊前地震資料沒有經(jīng)過疊加，數(shù)據(jù)量很大，包含的信息也更多，其中最主要包含炮檢距信息，炮檢距信息與儲層的巖性和流體特性息息相關(guān)，通過分析多段炮檢距上的屬性信息能對儲層進行更加精細(xì)的解釋，這充分體現(xiàn)了疊前屬性分析的優(yōu)勢。方位各向異性對于裂縫型儲層研究意義明顯，依據(jù)觀測系統(tǒng)特點、不同方位范圍內(nèi)疊加次數(shù)及偏移距分布分選數(shù)據(jù)并實施多方位各向異性位速度分析，形成各方位均方根速度及層速度體。當(dāng)下，利用方位各向異性進行儲集體裂縫預(yù)測主要有縱波預(yù)測、橫波分裂、P-S轉(zhuǎn)換波預(yù)測、OVT處理等常見的疊前裂縫預(yù)測技術(shù)。

2.1.1 縱波方位各向異性?？v波在各向異性介質(zhì)中傳播時，由于其對方位各向異性的敏感性，其速度、振幅會隨方位角的變化而變化，這種變化特征可以用來進行裂縫探測?？v波振幅隨方位角變化表達(dá)公式如式（1）（2）所示。

式中：R為縱波方位振幅，m；A為反射波振幅，m；B為炮檢距，m；θ為走向夾角，°。

式中：Z為縱波阻抗，Ω；α為P波速，m/s；β為S波速，m/s；ε為P波各向異性，γ表示S波各向異性，δ表示縱向和橫向的各向異性，通過各參數(shù)的取值，分析縱波的方位各向異性；φ為走向的方位角，°；α為炮檢連線的方位角，°。

2.1.2 橫波分裂各向異性。橫波分裂的原理就是指橫波沿傾斜角度穿過裂縫，橫波會分裂成兩部分，即平行走向的快橫波和垂直走向的慢橫波，通過快、慢橫波可以得到介質(zhì)各向異性參數(shù)，同時快、慢波的強弱與裂縫的強度對應(yīng)。

在射線坐標(biāo)中，橫波到達(dá)各向異性層底部，徑向分量和切向分量如式（3）所示。

式中：f(t)為時間函數(shù)；A0、B0為振幅，m，其大小確定了線性質(zhì)點運動軌跡。當(dāng)B0=0，分裂得快、慢橫波表達(dá)如式（4）所示。

其中：A=A0cosψ0+B0sinψ0,B=-A0cosψ0+B0cosψ0,旋轉(zhuǎn)(F1,S1)到Q-T平面并代入上式，就可以得到橫波分裂方程式（5）。

以川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組為例識別橫波分裂，深色區(qū)域表示橫波分裂檢測到的小尺度裂縫發(fā)育區(qū)，整體裂縫發(fā)育良好，淺色表示裂縫不發(fā)育區(qū)域。可以準(zhǔn)確分辨出本區(qū)塊裂縫發(fā)育情況，說明橫波分裂技術(shù)的可行性［1］。橫波分裂與相干疊合圖如圖1所示。

圖1 橫波分裂與相干疊合圖［1］

2.1.3 轉(zhuǎn)換波方位各向異性。轉(zhuǎn)換波方位各向異性技術(shù)完整涵蓋地震數(shù)據(jù)采集、處理和解釋，因此可以獲得更豐富的地下信息，在隱蔽油氣區(qū)、小尺度裂縫使用廣泛。由于同時具備P、S波信息和巖性特征，可以有效降低多解性，提高成功率。

以新場地區(qū)裂縫密度預(yù)測結(jié)果為例，通過轉(zhuǎn)換波方位各向異性模擬，高產(chǎn)井都位于裂縫密度相對較強的區(qū)域（深色區(qū)域），與實鉆結(jié)果較吻合［2］。說明轉(zhuǎn)換波方位各向異性裂縫檢測具有一定的使用價值。

2.1.4 OVT處理技術(shù)。OVT處理基于固定方位角的偏移距道集，在全工區(qū)內(nèi)完成單次覆蓋，同時固定的方位角信息完整保留，相較于常規(guī)的疊前預(yù)測技術(shù)精確度以及分辨率都有所提高?；诜轿桓飨虍愋辕B前OVT技術(shù)，利用疊前地震數(shù)據(jù)的地質(zhì)信息、流體特征對儲層預(yù)測的技術(shù)提升效果顯著?？偨Y(jié)OVT分析技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 OVT分析技術(shù)流程

常規(guī)方位各向異性通過分方位部分疊加獲得道集，而OVT方位各向異性獲得的方位信息更加全面，從圖3看出兩種方式橢圓擬合精度有明顯差距［3］。

圖3 OVT域（a）、常規(guī)方位各向異性橢圓擬合（b）對比［3］

以瑪湖凹陷瑪東地區(qū)某區(qū)段為例，對比常規(guī)與OVT域地震資料疊前反演結(jié)果（見圖4），得出OVT域的疊前反演的分辨率較高，相較于常規(guī)反演能更好地識別儲集層“甜點”［4］。

圖4 疊前彈性參數(shù)反演效果對比［4］

2.1.5 方法小結(jié)。對上述四種疊前裂縫預(yù)測技術(shù)優(yōu)缺點概述如表4所示。

表4 疊前預(yù)測技術(shù)優(yōu)缺點總結(jié)

2.2 疊后預(yù)測技術(shù)

近些年來，國內(nèi)在疊后地震屬性分析技術(shù)方面取得了重大進展，王永剛等［5］比較了不同地震屬性技術(shù)在檢測裂縫發(fā)育帶上的應(yīng)用效果，肯定了疊后三維地震數(shù)據(jù)體沿層地層構(gòu)造屬性分析的技術(shù)的優(yōu)越性；桂志先等［6］將某地區(qū)的振幅方差與主頻屬性提取出來進行分析，其預(yù)測結(jié)果與鉆井資料的一致性較好；顧雯［7］以疊后地震屬性分析為研究手段，建立了基于實際地震資料的多屬性裂縫預(yù)測的流程；汪勇［8］優(yōu)選了多種與裂縫發(fā)育程度有關(guān)的地震屬性，結(jié)合反演等多種手段對儲層裂縫進行了疊后預(yù)測；李付雷［9］利用疊后地震屬性分析技術(shù)對微小斷裂進行了識別；劉俊州等［10］以川西XC地區(qū)為例提出了碳酸鹽巖儲層多尺度裂縫疊后地震預(yù)測技術(shù)。

雖然利用疊后地震屬性來對裂縫進行儲層預(yù)測相對簡單且實用，但是這種預(yù)測技術(shù)只能對大尺度的縫洞型儲層進行裂縫預(yù)測，不能對小尺度的裂縫做出準(zhǔn)確的定量儲層預(yù)測。同時，由于地震屬性是多種地質(zhì)因素綜合的反映，每一種疊后預(yù)測技術(shù)所對應(yīng)的地質(zhì)體屬性預(yù)測出來的效果也不盡相同，為了盡量提高預(yù)測精度，減少預(yù)測多解性的發(fā)生，需要根據(jù)實際情況選擇不同的預(yù)測方法，下面介紹4種常見的疊后地震預(yù)測方法。

2.2.1 相干體技術(shù)。地震相干體技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一種基于相鄰地震道之間的相似程度的地震解釋技術(shù)。由BAHORICH［11］提出的第一代相干算法，基于互相關(guān)、歸一化算法預(yù)測同相軸的相似性，由于其抗噪性能差，因此不適用于信噪比不高的地震資料；第二代相干算法是沿傾角計算多道地震的相似性，該算法雖然提高了抗噪性，但是計算效率比第一代算法低、計算用時長；第三代相干算法完善了前兩代算法的抗噪能力和分辨率，但對大傾角地層的敏感程度不如第二代相干算法?？傮w而言，第三代相干算法優(yōu)于前兩代相干算法，能夠為裂縫預(yù)測提供可靠的參考價值。

相干算法原理是通過互相關(guān)理論，計算相鄰地震道的互相關(guān)函數(shù)來反映同相軸的不連續(xù)性。沿視傾角(p,q)的相干值C1的計算公式如下。

式中：Cij(i=1,2)為第i道和第j道的互相關(guān)量，m；視傾角(p,q)分別為x方向和y方向上的地震道之間的時移量，m。

當(dāng)研究基于傾角屬性時，沿視傾角(p,q)的相干性計算公式如下。

式中：C3表示第3道相干值，m；λj表示本征值；J為特征值個數(shù)。

基于傾角自適應(yīng)的相干算法有效避免了常規(guī)相干沿軸低相干異常，同時在斷層識別能力方面明顯好于常規(guī)算法的相干結(jié)果。

2.2.2 曲率、傾角、方位角屬性技術(shù)。曲率是反映空間曲線或曲面彎曲程度的物理量，通過分析地質(zhì)體層面彎曲情況，對裂縫發(fā)育區(qū)進行預(yù)測。一般曲率與張應(yīng)力、裂縫發(fā)育情況呈對應(yīng)關(guān)系。曲率與張應(yīng)力的關(guān)系如式（8）所示。

式中：σ為張應(yīng)力，N/m；h為地層厚度，m；k為曲率，m-1；E為地層的楊氏模量，Pa。

傾角屬性是通過層位與斷面傾角的差異來判斷小斷層的地質(zhì)區(qū)域。在地質(zhì)體走向中，傾角值發(fā)生量變的位置將突變產(chǎn)生小斷層。傾角定義為時間梯度的大小具體如式（9）所示。

式中：θ為傾角值，°；x、y分別表示沿傾角方向運行距離，m；t表示量變時間，s。

式（9）中，通過傾角值的大小和方向，判斷傾角值發(fā)生的量變來預(yù)測小斷層或裂縫的位置。

記錄方位角的范圍過程中，當(dāng)?shù)貙又袛鄬雍土芽p的方位角發(fā)生變化時，斷裂特征會被某些反射波表達(dá)出來，因此通過對方位角變化的檢測能夠?qū)π鄬映上癫⒋_定裂縫系統(tǒng)［6］。方位角屬性技術(shù)相關(guān)算法如式（10）所示。

式中：φ表示方位角，°；y與x分別表示坐標(biāo)軸的y、x實際傳播方向與距離，m；t表示傳播時間，s。

2.2.3 螞蟻追蹤技術(shù)。螞蟻追蹤技術(shù)是以蟻群算法為基礎(chǔ)的斷裂識別方法，模擬螞蟻位置，設(shè)置方向不同的螞蟻爬行路線，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體走向出現(xiàn)斷層等異常情況時，螞蟻就會沿著斷層異常體追蹤，直至追蹤至斷層地質(zhì)體終止。

以四川省東北部某碳酸鹽巖礁灘相儲層為例，利用螞蟻追蹤得出斷層實際位置，含油量高的儲層均位于裂縫發(fā)育密集區(qū)域。這一部分正是螞蟻體追蹤位置，這表明螞蟻追蹤屬性對裂縫的表征具有一定的作用［12］。圖5為原始地震剖面和常規(guī)螞蟻追蹤剖面。

圖5 原始地震剖面和常規(guī)螞蟻追蹤剖面［12］

2.2.4 方差體技術(shù)。方差體是利用各地震道與平均地震道間的實際方差值來得出的，分析地震反射的層位異常，觀察地震道之間的反射特征出現(xiàn)的局部異常，可以判斷出不連續(xù)界面及層位異常的實際位置，檢測出這部分?jǐn)鄬拥膶嶋H地下信息。方差體算法如式（11）所示。

式中：x是地震道；W是平滑算子；L是方差窗口長度，m；I是計算某點方差所需要的相鄰道數(shù)。

以定遠(yuǎn)盆地東興凹陷區(qū)域為例［13］，前者在底部區(qū)域的斷層方位走向清晰可見，斷層間界限更明顯；后者底部區(qū)域沒有明顯斷層方位走向，斷層界限不明顯，無法判斷小斷層位置。因此方差體技術(shù)解釋斷層產(chǎn)狀明顯，有效降低了斷層的多解性。方差、常規(guī)數(shù)據(jù)體順層切片如圖6所示。

圖6 方差（左）常規(guī)（右）數(shù)據(jù)體順層切片［13］

2.2.5 方法小結(jié)。針對不同的實際研究背景、圍巖特征以及各種不同的屬性參量在優(yōu)選方法上也各有不同，對疊前預(yù)測裂縫技術(shù)的優(yōu)缺點進行簡單概述，具體如表5所示。

表5 疊后預(yù)測技術(shù)優(yōu)缺點總結(jié)

3 結(jié)語

在常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)型至非常規(guī)油氣的研究的大背景下，碳酸鹽巖儲層因其獨特的巖性和復(fù)雜環(huán)境，是當(dāng)下乃至未來的重要儲層預(yù)測攻關(guān)領(lǐng)域。碳酸鹽巖儲層埋深大、發(fā)育類型多樣、非均質(zhì)性強以及縫洞分布規(guī)律復(fù)雜多樣等問題都加大了碳酸鹽巖儲集體地震探測的難度［14］。當(dāng)前大多數(shù)儲層預(yù)測技術(shù)都是基于層狀體、各向同性介質(zhì)和均勻分布，不能滿足未來勘探領(lǐng)域的發(fā)展。為此，本研究主要就碳酸鹽巖區(qū)分特征及依據(jù)、地震儲層預(yù)測技術(shù)現(xiàn)狀和舉例各技術(shù)在應(yīng)用中的實際效果進行了分析，希望能夠給相關(guān)人員提供理論參考。

對于碳酸鹽巖縫洞型儲集體預(yù)測技術(shù)工作尚處于發(fā)展階段，還有很多問題尚待解決，雖然對于復(fù)雜的碳酸鹽巖油氣藏，儲層預(yù)測技術(shù)逐漸成熟，量化描述能力逐漸提升，但仍需要總結(jié)創(chuàng)新，在鉆井方面，提高鉆井命中率，減少失利井的發(fā)生，在地面操作中合理準(zhǔn)確選擇炮間距，獲取更為準(zhǔn)確的地下信息。由于碳酸鹽巖裂縫分布極其復(fù)雜，區(qū)域一致性較差，單一的疊前、疊后技術(shù)無法全面對儲層進行全方位預(yù)測，因此，綜合應(yīng)用疊前疊后預(yù)測技術(shù)對儲層裂縫進行研究可以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，降低多解性的發(fā)生，同時也是未來碳酸鹽巖裂縫預(yù)測的重要方向。