碳酸鹽巖縫洞型儲層疊前—疊后地震綜合預測方法及應用

劉韜，王鐵一，孫珂，韓東

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

塔里木盆地碳酸鹽巖油氣藏主要分布于裂縫—孔洞型儲層中[1]，該類儲層具有埋藏深、橫向變化快和非均質(zhì)性強的特點，利用地震資料精細預測較為困難，制約了縫洞型油氣藏的進一步勘探與開發(fā)。碳酸鹽巖縫洞型儲層預測的一個重要手段就是尋找并確定這類縫洞連通體的地震反射特征，并借助地球物理手段精細預測斷裂、溶洞和裂縫，再對縫洞系統(tǒng)及其空間接觸關系進行綜合表征與評價。

對于斷裂和溶洞的識別與刻畫，疊后地震數(shù)據(jù)仍是最常用且有效的基礎資料。現(xiàn)階段，人們通常提取一些邊緣檢測類的地震屬性（相干、曲率和結(jié)構(gòu)張量等）用于地下斷裂和溶洞的識別，并且在簡單構(gòu)造區(qū)都取得了較好的應用效果[2-5]。疊后地震屬性中應用最為廣泛的是相干體技術(shù)[6-8]，通過計算相鄰地震道間的相似性來衡量地下構(gòu)造的不連續(xù)程度。近年來發(fā)展了許多改進的相干體算法[9-11]，特別是分頻相干技術(shù)[12-14]進一步提高了相干分析的計算效率或斷裂識別的分辨率。基于相位信息對地下弱構(gòu)造有更高的敏感性，Wang 等[15]提出一種基于分頻相位的地質(zhì)導向相干算法（后文統(tǒng)稱為分頻導向相干），將譜分解得到的譜相位有效地融入到地質(zhì)導向相干算法中，更好地用于地下深層弱反射背景下異常構(gòu)造的識別與刻畫。相比于常規(guī)地震屬性，該方法的識別結(jié)果橫向分辨率更高，細節(jié)更為豐富，可作為疊后地震資料斷裂溶洞識別的一種有效手段。

相比于大斷裂，裂縫作為一種小尺度的不連續(xù)異常體，用疊后地震屬性預測的結(jié)果精度較低，為此發(fā)展了基于疊前地震資料的各種裂縫預測方法。人們對水平橫向各向同性介質(zhì)（也被稱為HTI 介質(zhì)）的地震反射各向異性特征進行了研究，并將其成功用于裂縫分布特征和裂縫介質(zhì)彈性參數(shù)的預測中[16]。隨著Ruger 方程的提出以及寬方位地震資料采集和處理技術(shù)的發(fā)展，人們開始利用縱波反射振幅隨入射角和炮檢距的變化關系（AVAZ）來預測地下的裂縫分布情況[17-19]，且已成為現(xiàn)階段最有效、應用最廣泛的預測方法。此外，研究表明，裂縫引起的各向異性不僅表現(xiàn)為方位振幅的差異，縱波速度、頻率、衰減等地震屬性也會存在方位上的差異，因此，一些基于方位地震屬性各向異性的方法也被用于表征地下的裂縫發(fā)育強度[20-21]。相比于振幅，基于相位的信息對地下弱構(gòu)造具有更高的敏感性。Yuan 等[22]提出一種新屬性——地質(zhì)導向相位屬性（后文統(tǒng)稱為導向相位屬性），同樣能夠反映地下構(gòu)造的不連續(xù)，而且與相干屬性相比，檢測小尺度異常構(gòu)造的潛力更大。基于此，本文嘗試提取不同方位數(shù)據(jù)的導向相位屬性進行差異性分析，發(fā)展一種基于寬方位導向相位屬性的各向異性強度表征方法，以用于地下裂縫的預測。

本文研究基于疊后—疊前多屬性分析的縫洞型儲層地震綜合預測方法。首先基于疊后地震資料的屬性優(yōu)選，將分頻導向相干屬性作為斷裂及溶洞的識別結(jié)果，再基于本文提出的疊前寬方位各向異性強度表征方法，通過奇異值分解（SVD）計算不同方位導向相位屬性的最大奇異值與奇異值之和的比值，用于預測地下裂縫的分布。最后將該流程應用于某區(qū)塊碳酸鹽巖的縫洞型儲層預測，通過疊前、疊后多屬性預測結(jié)果對縫洞體系進行綜合表征與評價，用鉆井結(jié)果驗證了方法的有效性。

1 方法原理

地下發(fā)育的裂縫能夠誘導地層介質(zhì)產(chǎn)生各向異性，而各向異性不僅能夠引起方位振幅的差異，同樣也會引起不同方位的其他地震屬性之間的差異，由此發(fā)展了多種基于方位屬性各向異性的裂縫預測方法[16-17]。Yuan 等[22]提出的地質(zhì)導向相位屬性，可以用于檢測地下的不連續(xù)異常體，并且對地下裂縫等弱構(gòu)造具有比其他屬性更高的敏感性。因此，本文嘗試通過量化方位數(shù)據(jù)導向相位屬性之間的這種差異性，發(fā)展一種寬方位導向相位屬性各向異性強度表征方法，進而預測地下裂縫的分布。

該方法的整個處理解釋流程如圖1所示，主要包括以下幾個關鍵步驟：

圖1 寬方位導向相位屬性各向異性強度表征流程

（1）對拉平處理后的初始疊前道集進行速度各向異性校正，一方面消除速度各向異性對后續(xù)方位各向異性分析的影響，另一方面將疊前道集進一步拉平，從而為分方位疊加及層位解釋提供高質(zhì)量的基礎數(shù)據(jù)；

（2）對優(yōu)化后的疊前道集進行信噪比和炮檢距—方位角分布等方面的分析，以尋找最佳分方位策略，并疊加得到不同方位的疊加數(shù)據(jù)體；

（3）設置相干道數(shù)和時窗等計算參數(shù)，對各方位疊加數(shù)據(jù)體采用相同參數(shù)處理之后，提取導向相位屬性體；

（4）設置縱向滑動時窗，對各方位導向相位屬性體進行方位奇異值分解，計算最大奇異值與奇異值之和的比值，表征地下的各向異性強度，作為地下裂縫的預測結(jié)果；

（5）提取目標儲層處的裂縫預測結(jié)果，并與疊后斷裂溶洞識別結(jié)果、已鉆井數(shù)據(jù)等資料進行對比，進而分析縫洞型儲層的縫洞接觸關系及連通情況。

其中，步驟（4）中利用奇異值分解來量化不同方位屬性之間差異性的計算流程如圖2所示，其具體原理如下：

圖2 方位奇異值分解原理

首先定義一個n×L大小的矩形分析時窗，該窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)由包含n個采樣點的L個地震道組成，這L道地震數(shù)據(jù)分別來自于不同方位導向相位屬性體的相同位置。將該時窗內(nèi)的數(shù)據(jù)定義為矩陣A，其中元素aij表示第i道數(shù)據(jù)中的第j個采樣點，且滿足關系式：1 ≤i≤L，1 ≤j≤n，各地震道的n個采樣點組成了矩陣A的各列，即

隨后，對矩陣A進行奇異值分解并得到L個非零的奇異值。設λj(j= 1,2,…,L)是矩陣A的第j個奇異值，計算最大奇異值與奇異值之和的比值來表征地下的各向異性強度

式中λmax為最大奇異值。根據(jù)奇異值的物理含義可知，該比值能夠量化不同方位導向相位屬性之間的相似程度。如果各方位屬性之間存在較強的相關性，則該比值就越接近于1，表明該位置處的各向異性強度較弱；反之，若比值越接近于0，則表明該處的各向異性較強，裂縫較發(fā)育。

2 實際資料應用及效果分析

為了驗證所提方法在裂縫預測中的應用效果，選取塔里木盆地某三維地震資料進行測試。該地區(qū)主要發(fā)育碳酸鹽巖縫洞型儲層，橫向變化快、非均質(zhì)性較強。已鉆井表明該區(qū)高產(chǎn)井主要分布在斷裂系統(tǒng)周邊，目前主干斷裂大體明晰，但次生斷裂解釋精度較低，特別是裂縫發(fā)育和分布特征刻畫不清晰。因此，準確刻畫斷裂及裂縫分布特征，對于該地區(qū)油氣勘探與開發(fā)具有非常重要的意義。

為更好刻畫目標儲層不連續(xù)異常體的分布特征，將從疊后地震、疊前地震和鉆井資料三個方面進行綜合分析。首先提取有效的疊后地震屬性預測該區(qū)的大斷裂和溶洞，再基于疊前地震資料開展AVAZ 反演和寬方位導向相位屬性各向異性強度表征，用于地下裂縫的預測，厘清裂縫與斷裂溶洞系統(tǒng)的關系，并與實鉆井資料進行對比分析，進而評價該區(qū)縫洞型儲層發(fā)育情況。

2.1 疊后大斷裂及溶洞預測

基于疊后三維地震資料，提取三種常規(guī)地震屬性以及分頻導向相干屬性，并通過不同屬性識別效果的對比分析，最終優(yōu)選出一種疊后大斷裂預測的敏感屬性。該工區(qū)共有主測線550 條、聯(lián)絡線751條，工區(qū)覆蓋面積為100 km2，道間距為15 m×15 m，采樣間隔為2 ms。圖3a 展示了其中一條地震剖面及目標儲層位置（圖中黑色線條處），從中可以看出該區(qū)斷裂較為發(fā)育，溶洞的串珠狀反射特征明顯，目標儲層處反射特征比較雜亂、信噪比較低。目標層原始振幅切片（圖3b）顯示工區(qū)東部發(fā)育一條明顯的大斷裂，且斷裂周邊發(fā)育溶洞，這些都為地下儲層中裂縫的形成創(chuàng)造了有利條件。

圖3 疊后地震資料分析

隨后，提取目標儲層處的傾角屬性、曲率屬性和瞬時振幅屬性，分別如圖4a～圖4c所示。傾角屬性能夠體現(xiàn)因發(fā)育斷層或裂縫所引起的構(gòu)造變化；曲率屬性能夠反映構(gòu)造應力作用導致的地層形變特征，通常是裂縫發(fā)育的重要標志；而瞬時振幅屬性能夠有效地刻畫地震數(shù)據(jù)中與圍巖振幅差異較大且具有“串珠狀”反射特征的溶洞系統(tǒng)。從各屬性識別結(jié)果對比中可知，傾角屬性和曲率屬性預測斷裂效果整體上相近，預測斷裂比較離散、連續(xù)性較差；瞬時振幅屬性只能夠反映出溶洞信息；而分頻導向相干屬性[15]（圖4d，低頻、中頻和高頻結(jié)果RGB 融合顯示）能夠檢測更多的地質(zhì)細節(jié)特征且連續(xù)性較好，能刻畫溶洞的分布特征。因此，選取分頻導向相干屬性作為疊后大斷裂和溶洞預測的敏感屬性。

圖4 疊后沿層地震屬性對比

2.2 疊前裂縫預測

該工區(qū)已進行了寬方位地震資料的采集和處理。為進一步滿足疊前屬性處理的需求，在常規(guī)處理流程基礎上，開展了精細的深度域速度建模和OVT域處理等工作，工區(qū)面元大小為15 m×15 m，平均覆蓋次數(shù)為175。隨后，根據(jù)疊前地震道集（圖5a）品質(zhì)和方位角—炮檢距分布情況（圖5c，圖中正北方向為0°方位，且順時針指示增大方向），將疊前炮檢距道集按方位角劃分為4組（圖5d），并進行分方位疊加處理，以各組中心方位角作為該組疊加數(shù)據(jù)的方位角（中心方位角分別為45°、135°、225°和315°）。圖5b 展示了某位置處的分方位疊前道集，可以看到每個方位內(nèi)的炮檢距分布較為均勻，且各方位都存在大炮檢距數(shù)據(jù)，道集數(shù)據(jù)經(jīng)部分疊加后的信噪比也有所提升。圖5e中不同方位疊加數(shù)據(jù)的振幅譜顯示，各方位疊加數(shù)據(jù)的振幅譜較為相近且存在細微差異。數(shù)據(jù)主頻約為22 Hz、頻帶范圍大致為5～50 Hz，地震資料整體分辨率不高。

圖5 疊前道集分析與處理

首先，提取不同方位疊加數(shù)據(jù)體的原始振幅切片（圖6），可以看出各方位數(shù)據(jù)在平面上的振幅強弱變化關系整體相似，且都揭示工區(qū)東部發(fā)育一條較大斷裂帶，但局部位置仍存在一些微弱差異（圖中綠色橢圓所示），比如斷裂在45°和225°方位數(shù)據(jù)中較為清晰，而在其他兩個方位模糊。此外，受強振幅異常的影響，工區(qū)內(nèi)小斷裂和裂縫在原始振幅切片中都不能被很好識別。

圖6 不同方位數(shù)據(jù)體沿層振幅切片對比

隨后，基于不同方位數(shù)據(jù)體，進一步計算并提取導向相位屬性切片（圖7）。受部分疊加數(shù)據(jù)品質(zhì)的限制，各方位導向相位屬性容易受到隨機噪聲的影響，但分方位處理能夠保留更多微構(gòu)造細節(jié)，并且能夠用導向相位屬性較好地識別出來。同時，在不同方位導向相位屬性體計算參數(shù)相同的條件下，不同屬性結(jié)果仍存在微弱的差異，那么該差異可能是由于各向異性引起不同方位數(shù)據(jù)在構(gòu)造上的差異所造成的。因此，可基于不同方位導向相位屬性結(jié)果之間的差異，進一步分析目標儲層的各向異性強度。

圖7 不同方位導向相位屬性沿層切片對比

通過圖1b 中解釋流程對不同方位導向相位屬性體進行方位奇異值分解，計算得到最大奇異值與奇異值之和的比值，進一步提取沿層結(jié)果用于指示目標儲層的各向異性強度分布情況，如圖8c所示。結(jié)果顯示疊前裂縫預測結(jié)果與分頻導向相干屬性預測的斷裂分布（圖4d）整體較為吻合，裂縫主要集中分布于斷裂和溶洞附近，裂縫預測結(jié)果相對可靠。

圖8 不同屬性裂縫預測結(jié)果對比（層段T～T+30ms）

此外，通過疊前角道集進一步開展基于精確Ruger 方程的疊前AVAZ 反演[18]和方位衰減各向異性的裂縫預測，并進行對比（圖8）。從目標儲層橫向展布特征來看，方位振幅各向異性（圖8a）、方位衰減各向異性（圖8b）和方位導向相位屬性（圖8c）得到的裂縫預測結(jié)果整體上具有一定的相似性，并且與疊后斷裂預測結(jié)果也存在一定的相關性，預測裂縫集中分布在斷裂帶周邊，而疊前AVAZ 反演結(jié)果卻表現(xiàn)出較大的差異。從預測結(jié)果的裂縫分布形態(tài)來看，基于振幅類的預測裂縫（圖8a 和8d）平面分布相對離散且連續(xù)性較差，而基于其他屬性類的預測裂縫（圖8b 和8c）平面分布比較自然，表現(xiàn)出較好的橫向連續(xù)性。

2.3 縫洞系統(tǒng)綜合表征

為進一步對比不同裂縫預測方法的應用效果，從疊后斷裂溶洞識別、疊前裂縫預測和已鉆井情況三方面進行綜合分析。該研究區(qū)共有4口井，各井油氣產(chǎn)能情況為：Well 1井和Well 2井累計產(chǎn)油分別為36.18×104t 和30.81×104t，均為高產(chǎn)井；Well 3 井累計產(chǎn)油3.39×104t，為低產(chǎn)井；Well 4井累計產(chǎn)油800 t，產(chǎn)量極低。同時鉆井顯示W(wǎng)ell 2和Well 3井在目標層處存在放空、漏失現(xiàn)象。

圖9 展示了4 口井附近的預測結(jié)果放大顯示，從左到右依次為疊后斷裂溶洞識別、方位振幅各向異性、方位衰減各向異性、寬方位導向相位屬性和疊前AVAZ反演結(jié)果。

圖9 井周不同預測結(jié)果對比

從圖9a可以看出，疊后斷裂預測結(jié)果顯示W(wǎng)ell 1井東部廣泛發(fā)育大斷裂和溶洞，方位衰減各向異性、寬方位相位屬性和疊前AVAZ 反演結(jié)果都顯示該井周邊發(fā)育有高密度裂縫區(qū)，從而使得大斷裂與裂縫形成較好的連通性，該井獲得高產(chǎn)能。Well 4 井周邊大斷裂欠發(fā)育，而裂縫在該井周邊不發(fā)育，并且大斷裂與裂縫兩者之間的連通程度也較差，導致該井產(chǎn)量極低。

從圖9b可見，Well 3井在鉆井過程中有放空和漏失現(xiàn)象發(fā)生，說明該井周邊孔洞發(fā)育，這在疊后斷裂預測結(jié)果有所顯示。疊前裂縫預測結(jié)果顯示該井周邊發(fā)育有少量裂縫，鉆井資料表明該井初期產(chǎn)油量高，而后期產(chǎn)量明顯降低，則可能與溶洞—裂縫的連通性較差有關。

從圖9c 可見，鉆井顯示W(wǎng)ell 2 井也存在放空、漏失現(xiàn)象，疊后相干屬性檢測出該井周邊發(fā)育有溶洞，且大斷裂也較為發(fā)育。寬方位相位屬性顯示該井周邊發(fā)育高密度裂縫區(qū)，且與大斷裂的連通使得該井產(chǎn)量較高，而其他三種預測結(jié)果顯示裂縫發(fā)育較差。

3 結(jié)論

針對塔里木盆地深層碳酸鹽巖縫洞型儲層橫向變化快、非均質(zhì)性強的特點，本文研究了基于疊前—疊后地震多屬性分析的縫洞型儲層綜合預測方法，并應用于塔河地區(qū)深層碳酸鹽巖縫洞型儲層的預測中，得到以下認識：

（1）在斷裂和溶洞識別方面，基于疊后地震資料，通過多屬性對比分析，優(yōu)選分頻導向相干結(jié)果作為一種敏感屬性。

（2）在裂縫預測方面，基于疊前方位屬性各向異性理論，提出了一種基于寬方位導向相位屬性的各向異性強度表征方法，通過奇異值分解（SVD）計算不同方位導向相位屬性的最大奇異值與奇異值之和的比值，用于表征目標儲層的各向異性強度，從而作為裂縫的預測結(jié)果。

（3）三維實際資料測試結(jié)果表明，本方法能夠更好地表征縫洞型儲層的發(fā)育情況，預測裂縫分布特征連續(xù)性好且集中分布在斷裂周邊，綜合預測結(jié)果與已鉆井情況較為吻合，提升了縫洞型儲層的預測精度，為后期油氣勘探提供更有力的指導。