地震資料疊前裂縫預測技術在靜北潛山的應用

徐振旺

(中石油遼河油田分公司勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010)

自20世紀60年代在美國西部地區和中東地區儲層中發現天然裂縫后，國內外許多學者對儲層裂縫預測進行了大量研究[1～3]。傳統的裂縫預測方法是利用巖心露頭和測井資料，雖然上述資料比較準確、直觀，但是巖心及測井資料的控制范圍十分有限，且該方法受采樣數量﹑儀器精密度和試驗環境的影響較大。由于地震數據采集范圍大，可以以巖心和測井資料為控制條件，利用地震資料進行全區裂縫預測，這是目前儲層裂縫預測的有效方法之一[4～6]。與地震資料疊后裂縫預測技術相比，地震資料疊前裂縫預測技術利用了三維地震資料在空間上的優勢，通過大量理論研究和實際應用可知，由于地震波在儲層裂縫中傳播時，不同方位或者不同偏移距的地震波會產生不同的響應，因此可以利用不同方位和不同偏移距的地震屬性響應特征進行儲層的裂縫預測。

從近年來的油氣勘探開發成果可以發現，靜北潛山內部存在多套裂縫發育帶，但是由于基巖內幕的構造比較復雜，裂縫的形成機理、分布規律和油氣成藏特征認識不夠清楚。另外，由于目前對基巖潛山內幕結構缺少有效的研究手段、對潛山儲層特征缺乏系統研究等原因，造成基巖油氣藏勘探難度的進一步加大[7]。為此，筆者應用地震資料疊前裂縫預測技術，明確了靜北潛山基巖潛山的裂縫發育情況，為遼河油田基巖油氣藏勘探儲備了新的技術手段。

1 基本原理

縱波在裂縫介質中傳播時，具有方向特性，即縱波的許多傳播性質隨著觀測角度的變化而不同，如速度、反射系數、頻率等，而上述變化與裂縫的方向和密度相關，因此利用疊前縱波資料可以有效預測裂縫發育的走向和密度分布規律。

基于弱各向異性理論，Rüger[8]建立了雙層HTI(horizontal transverse isotropy)介質模型，模型的對稱軸方向平行，并且模型的彈性參數都比較接近，得到界面兩側縱波的反射系數近似關系式：

(1)

式中：Rpp為縱波反射系數，1；θ為入射角，即偏移距，(°)；φ為方位角，(°)；Z為縱波阻抗(Z=ρα)，100g/(cm2·s)；G為橫波切向模量(G=ρβ2)，Pa；ρ為密度，g/cm3；α、β分別為縱、橫波速度，m/s；δ(v)、ε(v)、γ為Thomsen各向異性系數，取值范圍為[-0.2，0.2] (弱各向異性介質)，1；上標v表示縱波垂向傳播；Δ表示上、下界面物理量之間的差；-表示上、下界面物理量之間的平均值。

當入射角較小時，sin2θtan2θ較小，式(1)可簡化為：

(2)

φ=φ′-φsym

式中：Giso為各向異性系數，表示反射系數在不同偏移距下的變化率，1；Gani為各向同性系數，表示不同偏移距和方位角作用下的反射系數的變化率，1；φ′為裂縫方向與正北方向的夾角，(°)；φsym為與裂縫走向垂直的方位角，(°)。

在式(2)中引入三角變換2cos2φ=1+cos2φ，進一步簡化為：

F(θ,φ)=A(θ)+B(θ)cos2φ

(3)

式中：A(θ)和B(θ)為與方位角無關的系數，1；F(θ,φ)可以是縱波的振幅、NMO(normal move out)速度和頻率等各種屬性，由于振幅、頻率等信息較速度信息對裂縫變化特征的敏感性更強，且前者更容易被提取，所以在實際應用中大多利用地震波的動力學信息(振幅、頻率等)[9～11]。

圖1 地震屬性沿裂縫不同方向變化的示意圖

如圖1所示，當固定θ時，在極坐標中，F(θ,φ)形成了一個橢圓，橢圓長軸方向(即A+B方向)表示裂縫走向，橢圓長短軸之比(A+B)/(A-B)表示儲層裂縫的密度。

在固定θ的情況下，對于每個CMP(共中心點)，若知道3個方位角的地震屬性數據F(φ1)、F(φ2)、F(φ3)和φ1、φ2、φ3這3個方位道集與裂縫走向之間的夾角，則可得：

(4)

由此，確定裂縫方位和密度就變成了線性代數中的正定問題，可精確求解A、B和φsym。3個以上方位的組合可以看作是許多正定問題的集合，對得到的多個解進行橢圓擬合，即可得到唯一解，便可計算任意CMP的裂縫方向和密度。

2 縱波反射系數方位各向異性數值模擬分析

在各向異性介質中，研究縱波不同方位的反射系數準確解有一定困難，因此利用Rüger給出的縱波近似反射系數方程，建立一組雙層界面模型，上層為各向同性介質1，下層分別為各向同性介質2、HTI介質1、HTI介質2，HTI介質中對稱軸走向為φsym=0°，詳細參數如表1所示。

天理圖書館收藏17號敦煌寫卷，主要來自李盛鐸、許承堯、張大千等舊藏，其中張大千舊藏構成了天理圖書館藏品的主體。這批文獻的主要內容是漢文佛典，還有藏文、回鶻文等佛教、道教經典，以及論語、詩經、開蒙要訓、社司轉帖、本草等殘卷等。除寫本外，該館還藏有大谷探險隊帶回的敦煌紙本繪畫“玄奘三藏像”，但入藏途徑尚未明。

表1 地質模型參數

注：vp、vs分別為縱、橫波速度。

圖2 不同介質間的反射系數隨方位角和入射角變化的極坐標圖

從圖2可以看出，當上、下兩層均為各向同性時，縱波反射系數的極坐標圖為圓；而上層為各向同性，下層為HTI介質時，縱波反射系數的極坐標圖為橢圓，入射角越大，各向異性強度越大，橢圓的扁率越大；橢圓的長軸或短軸都有可能指示裂縫的走向。

3 井上巖石物理模型正演模擬

通過縱波反射系數方位各向異性分析可知，不同方位擬合的橢圓長軸或短軸均可能指示裂縫發育的方向，因此使用振幅或者相對波阻抗屬性預測裂縫方向時，應考慮應用巖石物理模型的正演模擬來確定長軸還是短軸指示裂縫發育的方向。在正演模擬中，利用測井數據得到的各向異性參數，計算疊前地震反射振幅在各個方位和不同入射角的響應，最后確定裂縫的方向是橢圓的長軸還是短軸。

通過對靜北潛山測井數據的篩選，只有A73井、A85井、A95井、A104井共4口井滿足正演模擬的條件。靜北潛山的井數據均缺少密度和橫波資料，利用Gardner公式求取每口井的密度，然后應用Xu-White模型計算4口井的橫波速度，再利用測井數據計算各向異性參數。由于靜北潛山儲層中主要含油或水，因此，重點模擬了每口井含有流體的頂部(A73井是干層，其余井為油層或者油水同層)地震響應，并分別在裂縫中充填了油和水，進而研究不同方位的振幅隨偏移距變化與裂縫的關系。

通過對上述4口井進行層位標定和巖石物理模型正演結果可知：當靜北潛山儲層中含有油飽和或者水飽和的裂縫時，反射振幅會隨入射角和方位改變，而且隨著入射角的變化該差異性會更加明顯，含油和含水的差異性很小，除了A73井以外(由于A73井是干層，反應不明顯)；在裂縫走向方向，反射振幅隨偏移距的衰減比在裂縫法向方向要小，可以使用橢圓長軸方向代表裂縫的走向。

4 主要技術流程

在實際研究中采用的技術流程是：首先，將疊前方位角道集數據進行道集優化處理，選擇偏移距的范圍，再劃分方位角；然后，將不同范圍內的方位角道集進行疊加偏移，并提取各個方位角的屬性；最后，通過橢圓擬合得到研究區的裂縫發育特征，詳見圖3。

圖3 疊前裂縫預測技術流程圖

4.1 疊前道集優化

靜北潛山疊前數據是經過保幅處理后的CMP道集數據，數據的品質不高，存在噪聲較嚴重、分辨率較低、沒校平等問題，因此在該數據基礎上做了去噪處理、能量均衡處理、拉平處理、提高分辨率處理。從圖4中可以看出，處理后的地震數據品質明顯提高，使得后續的疊加偏移效果更好、方位各向異性裂縫預測結果更加準確，減少了由于數據本身帶來的多解性問題。

4.2 選擇偏移距

圖4 疊前地震數據處理前、后對比

4.3 劃分方位角

疊前裂縫預測最重要的是地震數據的方位角劃分。去掉遠、近偏移距的地震數據的覆蓋數量為：最小0次，最大129次，平均為43.24次。由于原始數據疊加數量較大，而去掉遠、近偏移距后的地震數據的覆蓋數量變小，因此可以減少分方位的個數。

1)均等分方位角 將其分為4個方位角，并減少分方位的個數，以增加每組方位角覆蓋數量，使其疊加和偏移后的地震剖面能夠攜帶更多的裂縫信息。從表2中可以看出，均等分方位角后，平均方位角22.5°和67.5°地震數據的平均覆蓋數量比112.5°和157.5°的地震數據覆蓋數量少，且每個方位角地震數據的覆蓋數量都相差較大，使用該分方位角方法得到的疊加剖面進行裂縫預測，可能得到錯誤的結果。

2)不等分方位角 原則是使所劃分的方位角的覆蓋數量基本相同、能量基本相同。通過反復試驗和對比，將其分為4個方位角的地震數據，如表3所示。從表3可以看出，方位角的平均覆蓋數量基本都在10.7次左右，相差非常小，基本保持均等，減少了人為的各向異性，使得裂縫預測結果比較準確。

表2 均等分方位角數據統計

表3 不等分方位角數據統計

4.4 超面元疊加

雖然不等分方位角使得不同方位角內的數據覆蓋數量相同，但是覆蓋數量太少，且不均勻，降低了地震資料的信噪比。采用數據規則化技術使其覆蓋數量較均勻，可提高信噪比，改善偏移成像效果。目前，實現數據規則化的技術有插值法、借道法(超面元法)、DMO(dip move out)、DMO-1等[12]，通常采用借道法，即每個面元向相鄰的面元借距離最近的道數據，使各方位的覆蓋數量基本相同。該次研究將不同的方位數據進行75m×75m的超面元疊加，提高了數據的疊加數量，改善了數據的信噪比。

4.5 偏移

對疊前CMP數據進行不等分方位角和超面元疊加后，采用同一個速度場進行疊后時間偏移得到4個平均方位角的偏移數據體。從圖5可知，研究區目的層數據繞射波收斂較好，斷點歸位較好，剖面較清晰，4個平均方位角的地震數據能量較均衡，說明分方位角處理的數據可以用來進行疊前方位各向異性裂縫預測。

圖5 4個平均方位角的偏移剖面

圖7 裂縫密度連井剖面

5 應用效果分析

5.1 平面分析

利用地震資料疊前裂縫預測技術，對靜北潛山的裂縫發育情況進行預測。結合地震資料、井資料的統計分析，以及該區沉積特征，綜合預測靜北潛山的裂縫發育區集中在構造發育的高部位。從圖6可以看出，元古界裂縫發育區主要集中在中部和南部地區，而太古界裂縫發育區主要集中在南部。裂縫預測結果與生產情況較好井的鉆井結果對比發現，大部分產油井都集中在裂縫密度的高值區，符合度達85.7%。

5.2 剖面分析

利用已知井的試油數據、巖心數據、成像測井等資料與裂縫預測結果進行對比驗證，通過裂縫密度連井剖面與試油數據的對比(圖7)發現，除了A96井(試油結論為油水同層)以外，其余井的試油數據均與裂縫預測結果相符，進一步說明地震資料疊前裂縫預測技術的效果較好。

6 結論

1)在利用疊前振幅和相對波阻抗進行裂縫預測時，需用巖石物理模型的正演模擬來確定指示裂縫發育方向的是橢圓的長軸還是短軸，為后續分析裂縫預測結果提供一定的解釋標準。

2)在進行疊前裂縫預測之前，需做好保幅、去噪等一系列處理，且在分方位角時盡量使得每個方位的數據覆蓋數量相同，并采用超面元疊加提高資料信噪比，盡量減少人為因素造成的地震資料的各向異性。

3)在提取方位屬性時，應盡量提取多種屬性，避免單一屬性的局限性，比較各種屬性的裂縫預測結果，并結合地質、測井、鉆井等資料，優選出最佳結果。

4)通過對靜北潛山進行疊前地震資料裂縫預測發現，裂縫發育區主要集中在構造發育的高部位，通過與實際資料的對比分析，證實了裂縫預測結果的可靠性，因此可以利用該方法進一步預測靜北潛山內幕的裂縫發育情況。