基于方位各向異性理論的地震預測裂縫方法及應用綜述

饒 溯，孫福亭，汪洪強，杜思耕，李春鵬

(中海石油國際能源服務(北京)有限公司，北京 100028)

碳酸鹽巖是一種重要的儲層類型，裂縫的研究在碳酸鹽巖儲層研究中至關重要，準確預測裂縫能提高勘探效率和開發水平。碳酸鹽巖儲層中裂縫預測方法[1-5]通常包括4個方面：①基于巖芯、薄片等觀察描述；②測井識別裂縫；③地震資料預測裂縫；④應力場模擬裂縫。本文就地震資料預測裂縫方法進行闡述。

國內外相關學者進行了很多地震預測裂縫的研究，提出了相應的特色技術，包括基于相干、曲率、蟻群等算法[6-9]的裂縫預測技術和基于方位各向異性理論的裂縫預測技術[4]等，其中基于方位各向異性理論為基礎的縱波方位各向異性裂縫預測技術應用最為廣泛。該項技術在國外始于20世紀70年代，歷經40余年的不斷發展，已具備一套成熟的理論知識體系。該項技術在國內起步于20 世紀末，隨著裂縫型儲層的不斷發現和增加，國內的石油勘探開發研究人員也將其應用于裂縫預測研究工作中。同時，裂縫的研究受地質條件和資料限制，其研究與應用的深度面臨諸多挑戰。

1 方位各向異性理論基礎

基于方位各向異性地震波傳播介質理論基礎是指因地震波傳播方向或偏振方向發生變化而引起測量物理量的變化，例如反射振幅、速度、頻率、衰減等地震屬性的變化[10-11]。如果各向同性介質中存在高角度或近似垂直的裂縫，該介質型可以被看作近似垂向各向同性介質(HTI介質)，可解釋為因構造應力作用而產生空間上定向排列的裂縫。

2 裂縫預測方法

目前，基于方位各向異性介質地震波傳播理論的裂縫檢測方法和技術包括多波多分量預測裂縫、P-S轉換波預測裂縫、VSP地震預測裂縫、縱波AVAZ預測裂縫等。

2.1 多波多分量預測裂縫

多波多分量預測裂縫是同時聯合應用P、P-SV兩種或兩種以上波型，采用3種可控震源垂向、徑向和橫向的三分量檢波器、9種或少于9種不同觀測方式的全波場彈性激發和接收的地震勘探方法。該方法在預測裂隙走向、密度及橫向變化方面的效果較好，但實際應用難度較大，采集和處理費用的成本昂貴，激發震源破壞性強，采集的地震資料主頻和信噪比偏低，陸上地震資料靜校正難度較大，國內外有明顯經濟效益的成功應用案例較少，對于油田來說投資風險很大，故該方法沒能成為傳統應用技術[12]。垂直裂縫介質的橫波分裂如圖1所示。

圖1 垂直裂縫介質的橫波分裂示意Fig.1 Schematic of shear wave splitting in the vertically fractured medium

當橫波的偏振斜交裂縫走向時，偏振方向分裂成平行裂縫走向的快橫波和垂直于裂縫走向的慢橫波，這種現象稱為橫波分裂。當采用多分量檢波器接收時，SV波和SH波中都含有快橫波和慢橫波，通過坐標旋轉可計算出快橫波和慢橫波的旅行時TS1和TS2，并通過式(1)中旅行時差計算出各向異性系數Kc。最終可計算出儲層的各向異性圖，用于反映裂縫的方向及密度，可為水平井的井位和井軌跡設計提供充分的依據。如果在條件允許下，該方法是首選，可突出更多的裂縫信息。

(1)

2.2 P-S轉換波預測裂縫

P-S轉換波預測裂縫有別于多波多分量裂縫預測，僅采用縱波震源和三分量檢波器進行3種不同方式觀測的地震勘探方法，用于識別裂縫也有較好的效果。該方法相比多波多分量裂縫預測是一種廉價的多波勘探方法，但仍然較昂貴。如圖2所示，當地震縱波傾斜傳播到固體分界面上會產生反射縱波和折射縱波，還會轉換產生反射和透射橫波，而當P-S轉換波傳播到含裂縫的地層也會有橫波分裂現象。據此原理，利用轉換波識別裂縫儲層需聯合縱波和橫波資料同步進行，利用橫波對裂縫中填充的流體不敏感而縱波敏感度大的特點，比較兩者差異可有效地識別出裂縫發育帶和其含流體性質。

圖2 傾斜縱波入射到性質不同的分界面Fig.2 Oblique P-wave incident on interface with different properties

2.3 VSP地震預測裂縫

VSP地震裂縫預測也是基于橫波雙折射原理，隨著多方位的震源位置和多分量檢波器的變化，觀測鉆井周邊裂縫系統的變化，緊密結合測井數據預測裂縫。國內外利用VSP預測裂縫較多采用雙橫波震源激發的四分量技術，但橫波往往受地表影響嚴重，信噪比和頻率都較低，且激發條件苛刻，成本昂貴，難以廣泛應用[13-14]。如圖3所示，采用多方位縱波震源激發和井中多分量檢波器接收與裂縫方位各向異性有關的縱波振幅信息，可使地震波受地面影響減小，衰減也減小，信噪比能更高，成本能相對減少。該方法可利用縱橫波及泊松比、縱橫波能量變化、Q值與衰減系數、透射波能量衰減等地震屬性進行裂縫檢測和含流體性預測。

2.4 縱波AVAZ預測裂縫

利用地震縱波進行裂縫預測，對開啟的高角度裂縫的檢測效果較為明顯[15-16]。裂縫方向、密度和流體的改變都能影響縱波和橫波的速度，在地震上表現出較強的各向異性。該方法借助裂縫導致地震各向異性的原理，利用疊前寬方位角地震道集提取方位地震屬性如振幅、方位速度、頻率、衰減等來預測高角度裂縫。如圖4和圖5所示，當地震縱波傳播到地層中的方位和地層裂縫的方向有所不同，會產生地震反射是有差異的。當有裂縫存在時，垂直裂縫傳播與沿著裂縫傳播，檢波器接收到的地震縱波信號振幅值不同。因此，只要地下介質存在各向異性，就可以通過不同方位接收到地震縱波信號振幅值的差異來分析裂縫發育的特征。

圖4 垂直型裂縫油藏與寬方位三維地震數據采集之間關系Fig.4 Schematic diagram of relationship between vertically fractured reservoirs and 3D seismic data of wide azimuth acquisition

圖5 方位角地震道集示意Fig.5 Schematic diagram of azimuth seismic trace

地震屬性值隨方位變化的橢圓擬合如圖6所示。把某個采樣點上不同方位接收到的地震縱波信號振幅值進行投影，至少在3個方位角以上擬合一個橢圓，橢圓長軸和短軸的比例代表采樣點上各向異性數值的大小，橢圓長軸或短軸代表各向異性的方向。縱波AVAZ預測裂縫主要采用縱波震源和寬方位常規地震采集，其成本較低，對裂縫識別有一定的效果，但不排除各向異性特征的多解性。

圖6 地震屬性值隨方位變化的橢圓擬合示意Fig.6 Schematic diagram of elliptical fitting of seismic attribute values varying with azimuth

該方法不僅可以通過研究地震振幅隨著不同方位角的變化，還可以通過研究對裂縫較敏感屬性等隨不同方位角的變化來確定裂縫的方向和密度。對于裂縫較敏感的地震屬性包括：多方位AVO變化、多方位地震衰減的差異、多方位地震噪聲的影響，多方位地震彈性參數的變化、多方位地震振幅的變化、多方位地震頻率的變化、多方位地震能量的差異等。

為了研究不同地震屬性隨方位角的變化規律，得到地震屬性值橢圓擬合與裂縫發育方向和密度之間的關系，需通過巖石物理模型的正演模擬來確定。在正演過程中，假定高滲透帶的發育方向為南北方向。如果橢圓擬合的長軸方向與假定的高滲透率方向一致，則橢圓擬合的長軸方向為裂縫發育的方向；反之，如果橢圓擬合的短軸方向與假定的高滲透率方向一致，橢圓擬合的短軸方向為裂縫發育的方向。一般用于分析裂縫方向的是與方位角有關的地震振幅屬性，用于分析裂縫密度的是與方位角有關的地震頻率屬性。由于裂縫的密度越大，地震波垂直裂縫傳播頻率衰減越快，通過地震分頻屬性和衰減屬性都能觀測到；另外，由于裂縫密度變大而導致非均質性的增強，通過地震干涉屬性也可以觀測到。

3 地震預測裂縫應用實例

A油田位于伊拉克境內，油田處于扎格羅斯造山帶和阿拉伯臺地東部邊緣的過渡帶上，屬于扎格羅斯構造低角度褶皺帶。A油田范圍內地形起伏變化較大，構造表現為北西—南東向的背斜，儲層段內發育較多不同規模的斷層。

對于A油田，基于現有資料情況和投資費用狀況，可開展縱波AVAZ方法預測裂縫，其主要步驟包括：①根據計算的3～6個方位角范圍，分別抽出CMP道集中地震道合并成方位角地震道集；②計算不同方位角地震道集的地震屬性，如振幅、頻率、能量和其他屬性；③對于儲層的每個CDP點，選取一定時窗計算地震屬性的均值，對地震屬性值進行橢圓擬合，計算出橢圓的長軸長度、短軸長度及其與x坐標軸的夾角3個特征值；④根據橢圓的長軸和短軸比值計算得到扁率(扁率通常表示裂縫密度的大小)；⑤根據所選地震屬性與裂縫方位角的響應關系和正演模擬結果，可以確定夾角特征值如何指示裂縫方向。

A油田裂縫預測結果如圖7和圖8所示：①裂縫發育帶與斷層展布密切相關，裂縫主要發育在A油田南部區域，其中淺色表示裂縫密度大，深色表示裂縫密度小；②裂縫發育的主要方向為近似北西—南東向，并發育著少部分近似南北向、北北東向的裂縫，并受斷層走向控制；③裂縫發育規律與應力場規律相似；④根據平面圖上結果顯示，可推斷A油田的裂縫發育主要是構造成因。

圖7 A油田裂縫密度平面Fig.7 Map of fracture density in A oilfield

圖8 A油田裂縫方向平面Fig.8 Map of fracture orientation in A oilfield

4 結論

(1)盡管多波多分量預測裂縫、P-S轉換波預測裂縫、VSP地震預測裂縫的效果非常好，但它們的費用都非常昂貴，且對于油田的投資風險很大，故這些方法在目前不能被廣泛應用，利用地震縱波進行裂縫預測是一種可替代且有效的方法。

(2)利用地震縱波進行裂縫預測需與應力場規律相結合，可在一定程度上反映裂縫密度和裂縫發育方向。