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

劉軍迎, 雍學善, 張靜, 羅瑞蘭

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

0 引言

長期以來，利用地震資料預測油氣一直是地球物理工作者追求的目標.20世紀70年代地震勘探實現了數據采集和處理的數字化，提高了原始地震記錄的動態范圍、頻帶寬度及處理精度，于是用地震波動力學信息直接或間接預測油氣的各種技術便相繼出現,如亮點、頻譜交會(劉偉和曹思遠，2008)、吸收系數(辛可鋒等，2001；高建虎等，2006)、頻率吸收衰減(張景業等，2010)、AVO(Amplitude Versus Offset)分析(楊志力等，2013)、AVO交會圖(孫鵬遠等，2004)、AVO屬性(章靜等，2020)計算與分析等油氣預測技術.這些技術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用，其中，AVO分析油氣預測技術發展得最為廣泛、深入和持久.

AVO技術自70年代誕生以后到迅速發展的主要原因是其具有三大優勢(程冰潔和張玉芬，2003):其一,AVO技術有嚴密的數學物理推導，Zoeppritz方程闡明了振幅隨偏移距的變化規律;其二,AVO技術在應用上具有廣泛性;其三,AVO技術在某種程度上能夠定量地識別"亮點"與"暗點".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的函數,這就奠定了根據振幅信息反演巖性及其孔隙流體性質的數學物理基礎.正因為上述三大優勢,AVO技術作為一種能夠有效提供多種巖性參數的技術,特別適用于尋找油氣藏.AVO 技術的理論基礎是Zoeppritz方程(章靜等，2020;周林等，2016；楊紹國和周熙襄，1994；鐘森，1995).不管是對經典Zoeppritz方程的簡化變形如Fatti反射系數近似公式(Fatti et al.,1994)(霍國棟等，2017),還是頻變AVO(逄碩等，2018)對Zoeppritz方程簡化公式的的改進，都是基于上、下半空間介質是層狀均勻介質而建立起的平面反射P波精確的反射系數表達式，式中速度恒定不變.對于橫向各向同性介質，即VTI(Vertical Transverse Isotropy)介質,縱、橫波速度是隨入射角的變化而變化的，這就是VTI介質的各向異性.這種各向異性是由地下薄層介質相互疊置在一起導致，或由巖石顆粒線性排列導致.Thomsen(1986)從理論上進一步研究了地下介質的弱各向異性，并給出了以湯姆森三參數來表征這種弱各向異性地下介質的速度變化規律.

以上給出了關于各向同性和VTI各向異性地震反射振幅變化規律的概述.在實際工作中，沒有專門的儀器和設備來直接測量這三個各向異性參數，主要原因是與這幾個參數直接相關的測井信號響應機理不清楚；另一個原因是大地是弱各向異性介質，其值非常小，非常難測量；再者，在影響石油勘探的眾多因素中，大多數勘探目標的勘探在以前需求不夠強烈.

但是，隨著勘探目標日趨復雜化，勘探程度越來越深入，現如今已進入到裂縫型油氣藏、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、薄砂巖氣藏等強非均質型油氣藏勘探階段，其中，裂縫型油氣藏是以含有大量裂縫或以裂縫為主的儲層如泥巖裂縫儲層、砂巖裂縫儲層、碳酸鹽巖裂縫儲層、火山巖裂縫儲層等為油氣儲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，它們是在漫長的地質構造運動中形成的，裂縫型儲層在地球上廣泛發育.目前，裂縫型油氣藏的產量占全世界油氣總產量的一半以上.在國內，近幾年來發現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，幾乎每個大油區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)裂縫介質理論來描述.

對于強非均質型裂縫型油氣藏的預測，不能再借助于上述各向同性介質和VTI介質理論和方法來預測這種強非均質型油氣藏儲層的含氣性，必須研究與這類儲層介質相適應的地球物理勘探油氣預測方法.基于方位各向異性HTI裂縫介質理論，本文提出了一項新的油氣預測方法，它是關于裂縫型強非均質性儲層油氣預測的方法，即：推導出以方位角為變量的方位振幅梯度變化函數，并以之為參變量進一步推導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強度變化函數，同時推導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，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，進而可分析含油氣敏感性隨方位的變化，優選油氣最敏感的方位作為最終的油氣預測結果.實際工區應用結果表明，本方法預測結果可靠、精度高，可為油氣勘探開發提供有效技術支持.

1 方法原理

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

(1)

一般情形下，勘探深度遠遠大于地震信號采集布設的地面物理點間距，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、整理并略去高次項(當入射角較小，其正弦的四次方值非常小，故可略去高次項)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；δx、δy為平行于和垂直于裂縫面的δ湯姆森參數；γxy為平行于和垂直于裂縫面的γ湯姆森參數平均值，C11、C12、C13、C23、C22、C33、C44、C55、C66為彈性系數，Z為截距，D(φ)為方位梯度，F(φ)為方位流體指示因子.

對方程(1)、(5)進行計算分析.設計的模型為碳酸鹽巖中一組垂直裂縫，裂縫面平行于XOZ坐標面如下圖1所示.

圖1 模型參數空間位置分布示意圖

設計模型參數:碳酸鹽巖基質縱波速度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；裂縫帶介質密度ρ1=2.7 g·cm-3.

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

圖2 基于公式(1)計算的不同方位反射系數隨入射角變化曲線

圖3 基于公式(5)計算的不同方位反射系數隨入射角變化曲線

實際地震勘探中，地震波反射角很少能達到50°，尤其是深層，所以計算時取最大截止入射角為50°；由于方位角90°～180°與方位角0°～90°是鏡像對稱的，所以只計算方位角0°～90°范圍內的方位反射系數(或反射強度或反射振幅)隨入射角的變化.從模擬計算結果來看，兩個公式(式(1)、式(5))所反映的在不同的方位上反射系數(或反射強度或反射振幅)隨入射角變化而變化的趨勢規律是一致，都是反射系數(或反射強度或反射振幅)隨入射角增大而變小，只是幅值大小不一樣而已，這種數值上的差異是由于理論公式往往在實際運用過程中，結合了地震信號采集與處理的實際情況，做了合理的假定，使其更接近于實際地震勘探，以便于工程化應用，這并不改變原有的規律性，只是差異放大了，利用規律提取表征油氣變化的相應量值即可.在實際應用中，公式(1)不簡潔、難使用、實用性差，公式(5)易用、簡潔、實用，所以可以利用公式(5)對含噪較高的地震野外采集數據進行處理后的道集數據，來進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.

另外，圖2—3中，0°方位角表示地震波平行于裂縫面傳播，90°方位角表示地震波垂直于裂縫面傳播，從圖中可以看出：①地震波在0°～5°范圍內入射時，所有方位反射系數隨入射角的變化曲線幾乎一樣，說明在進行方位油氣檢測時，不必選擇地震波入射角小于5°的地震道集數據；②0°方位角反射系數(或反射強度或反射振幅)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傳播到逐漸垂直于裂縫面傳播，方位AVA曲線的變化幅度越來越大，平行于裂縫面傳播時地震波反射強度變化最小，反射值最大；垂直于裂縫面傳播時地震波反射強度變化最大，反射值最小，說明在進行方位油氣檢測時，可以選擇接近于垂直裂縫走向展布的地震數據來進行方位油氣檢測，效果可能會更好.

2 實際應用

2.1 工區概況

工區位于輪古油田南部，包括桑塔木斷壘帶和桑南斜坡區西部，西南部緊鄰塔河油田高產區.地表為低矮浮動沙丘與浮土、紅柳，氣候干旱少雨，多風沙.

輪南潛山位于塔里木盆地塔北隆起輪南低凸起中部，構造整體表現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，兩翼不對稱，西北翼陡，東南翼緩.總體構造特征為多軸向，多高點，多斷裂.該背斜上主要發育三條大斷裂，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、南三個大斷塊，依次為北部斜坡帶、中部平臺區、桑南斜坡帶(如圖4).

圖4 輪古17工區構造位置圖

2.2 參數分析與計算

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算.從實際勘探地震數據來看，接近于零偏的近道往往噪聲多，波的覆蓋范圍小，此范圍介質可近似看作均勻介質，所以波的方位各向異性變化不明顯，故去掉近偏數據對含油氣性預測效果影響不大；入射角較大的遠偏一般動校畸變嚴重，信號不保真，故也要去掉.綜合考慮不同方位偏移距分布情況，本次預測偏移距范圍選為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 覆蓋次數分析與選擇

地震數據要經野外采集才能得到，而野外高山、湖泊、沙漠、沼澤、丘陵、溝壑縱橫，儀器布設、車輛行進、人員布線施工難度都較大，花費昂貴，得來資料非常不易.所以，我們做研究時要盡最大努力使用好地震資料，不讓地震資料有所浪費.如圖6為分方位CRP道集覆蓋次數分布平面圖.可以看出，全工區地震覆蓋次數最低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測對資料的要求.

圖6 分方位CRP道集覆蓋次數分布平面圖

2.2.3 預測時窗選取

本方法逐時間點進行預測，每個時間點利用固定時窗來獲取地震數據進行預測.選擇的時窗長度約為目的層一個反射波的視周期，通常取目的層風化殼頂界面強地震反射視周期約為同相軸的寬度，如圖7所示，本次預測時窗長度為分析點上、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時計算

入射角直射線法計算公式如下

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(單位：ms).

程序計算過程中，利用輸入的平均速度體，將分方位CRP道集(如圖7所示)實時轉換成分方位角道集，后續程序利用實時計算的分方位角道集實時計算截距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道集時窗選取示意圖

2.3 實際預測效果

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線疊前時間偏移地震剖面，可以看出，油氣預測結果與井上油氣實測結果吻合，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線疊前時間偏移地震剖面

圖9為P波沿層斷裂預測平面圖，從圖上可以看出，多數斷層主要是近南北向展布的.圖10a為沿層(Tg51)預測的0°方位油氣指示因子平面圖，正北為0°方位，順時針增加，90°方位為正東；圖10b為沿層(Tg51)預測的30°方位油氣指示因子平面圖，圖10c為沿層(Tg51)預測的60°方位油氣指示因子平面圖，圖10d為沿層(Tg51)預測的90°方位油氣指示因子平面圖，圖10e為沿層(Tg51)預測的120°方位油氣指示因子平面圖，圖10f為沿層(Tg51)預測的150°方位油氣指示因子平面圖，圖中紅、黃色表示含油氣性好.選擇工區中高產井來驗證本方法方位油氣預測結果與井上油氣實測結果的符合率，選擇的高產井有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，方位地震道集數據油氣預測與井上油氣實測結果的符合率呈正態分布，90°方位地震道集數據油氣預測的符合率最高，向兩邊逐漸降低，這一方位地震道集數據油氣檢測的正態分布規律符合上面所述原理分析，本工區斷層走向多為近南北向，0°方位地震道集數據幾乎是沿斷層走向分布的，根據上面所述原理分析，這個方位的振幅隨入射角變化相對來說最不明顯，據此預測的油氣符合率比較低如圖11及圖10a所示；90°方位地震道集數據幾乎是垂直于斷層走向分布的，根據上面所述原理分析，這個方位的振幅隨入射角變化相對來說最明顯，據此預測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，地震道集數據的方位展布方向越來越向垂直于斷層走向方向分布，因而方位油氣預測的符合率也隨之升高，這也驗證了上面所述原理的分析；大于90°方位的120°方位、150°方位的兩個方位油氣預測結果幾乎分別與60°方位、30°方位的兩個方位油氣預測結果鏡像對稱，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據的方位油氣預測結果與井上油氣實測結果的符合率最高.

圖9 P波沿層斷層預測平面圖(相干,Tg51-Tg51+40 ms)

圖10 (a)沿層(Tg51)預測的0°方位流體指示因子平面圖；(b)沿層(Tg51)預測的30°方位油氣指示因子平面圖；(c)沿層(Tg51)預測的60°方位油氣指示因子平面圖；(d)沿層(Tg51)預測的90°方位油氣指示因子平面圖；(e)沿層(Tg51)預測的120°方位油氣指示因子平面圖；(f)沿層(Tg51)預測的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測結果統計分析表.可以看出，本方法油氣預測符合率約為90%，說明本方法預測精度高、可靠、效果好.

表1 本文油氣指示因子法碳酸鹽巖風化殼縫洞儲層油氣預測精度統計分析表

3 結論

本文從方位HTI介質反射振幅的一般表達式出發，推導出新的方位HTI介質反射振幅表達式，即方位HTI介質反射振幅由常數振幅項(Z，截距)和方位振幅梯度射線方向調制項組成，方位振幅梯度射線方向調制項由表示射線方向變化的入射角正弦函數對地震波在不同方位的方位振幅梯度項(D(φ))做乘積構成，給出了地震波在不同方位的方位振幅梯度表達式，進而構建了地震波在不同方位的流體指示因子表達(F(φ))，據此成功進行了實際工區應用，應用效果表明本方法技術是可靠的、實用的.