基于OVT域五維道集碳酸鹽巖疊前裂縫預測技術

鄭多明, 鄒 義, 關寶珠, 劉永雷, 趙銳銳, 徐 博

(1.中國石油集團 塔里木油田公司，庫爾勒 841000；2.中國石油集團 東方地球物理勘探有限責任公司，涿洲 072751)

0 引言

塔里木盆地碳酸鹽巖非均質性強，洞穴、孔洞型儲層發育。鉆井顯示儲層主要歸納三種類型：孔洞型、裂縫型和孔洞-裂縫型，其中基質孔不發育，可見微裂縫、孔洞[1]。隨著勘探開發的深入，由裂縫溝通的大型縫洞集合體成為油田開發主要研究目標[2]。但是在油藏開發中相鄰很近的縫洞油藏開發差異很大[3]，縫洞體系連通性不確定嚴重制約高效井組布設，明確裂縫發育程度和發育規律顯得尤為重要。

1 技術背景

地震波在各向異性介質中傳播時，其旅行時間、速度、振幅、頻率和相位等屬性在不同方位角存在差異。這種差異性與地層中的斷裂和裂縫等發育特征相關。巖石物理模型實驗研究表明，地震縱波沿垂直于裂縫發育方向的傳播速度小于沿平行于裂縫方向的傳播速度，實驗差異達到18%～19%[4]。因此，利用帶有方位特征的數據進行旅行時間、速度、振幅等差異研究，能夠有效預測裂縫發育區。

國外針對各向異性裂縫預測研究相對較早， J. A. Hudso[5]研究了裂縫地層的彈性力學特征，推導了不同裂縫類型地震波的近似表達式，奠定了裂縫介質的數值模擬基礎；Crampin[6-7]提出了HTI介質模型，并得到基于各向同性背景的TI裂縫介質模型；Thomsen[8]在前人的研究成果上，提出了弱彈性各向異性概念，并提出三個與裂縫介質相關的各向異性參數組合，推導了定向排列的裂縫介質中各向異性參數與地震波速度之間的關系，為裂縫預測研究提供理論基礎；Tsvankin[9]根據VTI介質和HTI介質對稱軸平面內等同性，提出了“等效”VTI模型的HTI介質中的Thomsen參數，推導出任意方位HTI介質中地震波的動校正速度公式，明確HTI介質中Thomsen參數與裂縫密度之間的關系，為HTI介質時差反演提供分析基礎；Rüger等[10]分析HTI介質中地震波傳播規律后，給出了縱波反射系數與入射角和觀測方位角的近似表達式，為各向異性反演奠定了基礎[10]。

國內90年代才掀起縱波各向異性裂縫預測的熱潮。陰可等[11]分析各向異性介質中的P波反射系數成因，提出了表征各向異性程度的廣義各向異性參數,并進行了應用;馬淵明等[12]提出了基于GeoEast的OVT域五位地震資料的寬范圍處理技術;印興耀、詹仕凡、王康寧[13-15]等開展各向異性五維解釋、裂縫預測等工作，然而理論上，研究方位各向異性最好方法是橫波地震勘探，受勘探成本高限制，該技術難以推廣。

針對塔里木盆地碳酸鹽巖裂縫型儲層，黨青寧等[16]、李相文等[17]、劉軍等[18]也展開了研究，主要對五維OVT數據開展不同方位的屬性(走時、振幅、相位、AVO等)分析，將每個方位的屬性特征等效成一個值，然后在平面進行橢圓擬合，長軸方向即為各向異性最大方向，也就是裂縫發育方向來進行裂縫預測。這種方法存在三個顯著的問題：①橢圓各向異性的滿足條件是Thomsen參數δ=ε，即忽略垂向橫波的各向異性影響；②方位劃分的方法沒有統一標準，只要劃分的方位角大于6個，滿足橢圓擬合即可，橢圓擬合結果并不唯一，裂縫預測方向也不唯一；③橢圓上的擬合點是對每個扇區內屬性的一個等效，精度較差。

各向異性反演預測裂縫通過不同方位的地震數據，結合鉆井的縱、橫波信息來開展疊前反演，估算不同方位的“等效”彈性參數，然后進行傅里葉級數展開，求解各向異性因子和方位方向，進行裂縫預測。與基于屬性的橢圓擬合法相比，充分考慮地震、鉆井的彈性信息，逐道求解，而不是某一個方位扇區的等效結果，求取裂縫預測結果精度更高。

2 方法流程

各向異性反演預測裂縫主體思想是：先利用全方位角的限角疊加數據進行疊前同時反演，求取各向同性的彈性體作為初始模型；接著進行分方位的限角數據疊加，將初始模型加入反演過程，進行疊前同時反演，得到不同方位的 “等效”彈性參數，對“等效”彈性參數進行傅立葉級數展開分析，獲取帶各向異性信息的低頻背景，將該低頻背景再次應用到分方位的限角疊加數據中，進行第二輪疊前同時反演，對 “等效”彈性參數進行傅里葉級數展開，得到各向異性強度因子和方位方向，從而預測裂縫。

碳酸鹽巖地層相比碎屑巖地層，垂向速度差異不大，更符合HTI介質模型。因此，著重討論HTI介質的相關研究成果。

對于HTI介質，其各向同性反射系數公式由Aki-Richards的Wiggins方程給出：

(1)

Rüger等[10,19-21]根據弱各向異性理論，推導了HTI各向異性介質中縱波反射系數隨方位角變化公式[6]：

Δδsin2(ω-φ)cos2(ω-φ)]sin2θtan2θ

(2)

理論上，采取式(2)的各向異性參數與反射系數關系來求解彈性參數更合理，受方程復雜，求解困難，目前尚未有商業軟件能實現?，F有的反演商業化軟件都是基于各向同性介質的反射系數公式(1)來進行的。利用方程(1)進行疊前同時反演來求解出帶有各向異性背景的有效彈性參數VP/VS、VS、ρ等。

圖1 各項異性反演技術流程圖

對于HTI各向異性介質，有效彈性參數的方位角行為遵循傅立葉級數展開：

log(Vp/Vs)′=b0+b1·cos[2(ω-φ) ]+b2·cos[4(ω-φ) ]

(3)

式中:ω是方位角；φ是各向異性的對稱軸；b0是各向同性背景；b1是各向異性強度；b2是各向異性強度高階項。利用b1系數來預測裂縫發育方向和密度等。

方程(3)里面包含5個未知因子b0、b1、b、b2、ω、φ。求解該方程至少需要五個方位的數據，通常利用6個方位角的數據來求解方程，達到預測裂縫發育方向和密度的目的。

該方法技術流程見圖1。從技術流程看，各向異性反演關鍵因素在于OVT道集數據的保幅性，OVT道集不同方位的振幅差異必須完全來源于各向異性，并不受其他干擾影響，如：采集腳印、方位時差、多次波干擾等，這些在處理過程中需要進一步壓制。

3 實例分析

為了驗證各向異性反演預測裂縫方法的有效性，將該方法應用于塔里木盆地塔中W區塊奧陶系碳酸鹽巖裂縫預測研究，同時，用橢圓擬合法作為對比，來驗證上述方法的精度。

3.1 工區地質概況

工區位于塔里木盆地中央隆起塔中低凸起北斜坡塔中10構造帶中段北側。加里東期和海西期這兩期構造運動對奧陶系潛山儲層和內幕巖溶儲層的改造起著主要控制作用。工區內發育一條近南北向走滑斷層W11斷裂帶，斷裂帶及派生的II級斷裂附近奧陶系內幕大量巖溶、縫洞儲層發育。到目前為止，該區域油氣產量豐富，是開發重點關注區(見圖6(c))。

3.2 數據準備

各向異性反演需要高質量的地震輸入，OVT域五維道集包含方位角和偏移距信息，往往呈現一種“螺旋”特征。因此，要對初始OVT域五維道集進行方位時差校正來保證在不同偏移距范圍內和不同方位角方位內道集較平。

方位時差校正地震波在HTI介質中傳播時，不同方位傳播速度不一，速度可以表示為隨方位變化的橢圓。HTI介質速度場由三個參數定義：快速速度場(橢圓長軸)，慢速速度場(橢圓短軸)，慢速速度與Inline方向的夾角。這樣，某一方向速度可以表示為

(4)

式中：Vslow為慢速速度；Vfast為快速速度；φ為地震數據對應的炮檢方向與Inline方向的夾角；α為地震數據對應的炮檢方向與慢速速度方向的夾角。

圖2 HTI介質中不同方位波傳播的示意圖

在一個CMP道集中,不同炮檢距與不同方位角接收的反射波旅行時曲線可以表示為:

(5)

式中：Tx是炮檢距為X時的反射波旅行時；T0為炮檢中心點處反射波的自激自收時間；X為炮檢距；Vref為輸入數據的成像參考速度。

理論上,方位各向異性剩余時差指被趨勢拉平同相軸上的類似余弦曲線的擾動時差。也就是說,應用最佳的成像速度進行多方位疊前時間偏移后,道集上的反射同相應該被校平:若未校平,則是方位各向異性引起的剩余時差。當成像速度的偏差較大時,此時校正后的同相軸不但會有隨炮檢距變化的低頻時差,還有方位各向異性引起的高頻時差。當參考速度偏大,則校正后的同相軸有下拉趨勢;反之,參考速度偏小,則校正后同相軸有上翹趨勢。此時,若引入“允許的最大成像參考速度誤差”參數進行適度的速度調整,就可以控制校正后的同相軸的下拉與上翹程度。

快速速度與慢速速度的比值反映了數據的方位各向異性的強弱程度,根據速度反演模塊的質控結果(快慢速速度比剖面)來確定一個最大的快速速度與慢速速度的速度比,然后對超過該比值的速度場數據進行校正,這樣可消除使用錯誤速度導致的方位時差校正的影響。

研究區獲得兩套OVT域道集資料，兩者差別較大，①未經過方位時差校正的數據，道集信噪比低，道集偏移距范圍內不平，質量較差；②經過方位時差校正的數據，道集信噪比高，道集較平(圖2)，能夠應用于后續反演工作。

從公式(3)HTI介質各向同性反射系數表達式看，進行疊前同時反演需要求解三個彈性參數：Vp縱波速度；Vs橫波速度和ρ密度，因此，至少需要三個輸入數據。而HTI彈性參數傅里葉級數展開需要求解5個參數方程(4)，因此需要至少5個方位輸入數據。為此，開展各向異性反演需要對至少6個方位角數據，

每個方位角需要分成近、中、遠至少三個部分的限角疊加數據。塔中W區塊覆蓋次數高達近580次，在0°～180°方位角范圍內劃分了6個方位扇區，每個方位扇區的覆蓋次數能夠近50次，為了保證扇區內限角疊加成近、中、遠三個疊加數據覆蓋次數的均一，選擇偏移距范圍覆蓋次數相同作為限角疊加數據，角度三等分，每個疊加數據覆蓋次數也達到近16次，資料信噪比能夠得到保障(圖3)。

3.3 應用效果

對研究區6個分方位角扇區疊加的近、中、遠數據開展疊前同時反演，獲得6個方位角扇區的彈性參數體，如：Vp/Vs、橫波阻抗體、密度體等。提取6個方位角反演數據相同類型彈性參數，開展各向異性反演。由于疊前反演是基于各向同性的，因此，需要在第一輪各向異性反演結果上，提取反映各向異性的低頻模型，迭代進行第二輪各向異性反演，使得反演結果更精確，然后在此基礎上估算各向異性因子等(圖4)。其中，b0代表各向同性背景，b1代表各向異性強度，b2代表各向異性強度的高階項，通常難以準確估算，剖面也表現的相對無規律。

圖3 研究區道集資料

圖4 研究區不同方位角限角疊加數據

圖5 研究區各向異性參數估算剖面

圖6 目的層段裂縫方位角預測平面圖與斷裂對比

對估算的各向異性參數方位角提取目的層段的屬性平面圖， W區塊奧陶系表層的方位角平面圖上各向異性反演出來的方位角平面規律比橢圓擬合更精細，橢圓擬合結果連續性差，規律性也不明顯。與該區域斷裂發育特征對比看，各向異性反演出的裂縫大多集中在I、II級斷裂附近，同一條斷裂上發育的裂縫方位角信息基本一致，而橢圓擬合結果的平面規律性差，預測裂縫與斷裂發育規律匹配程度較差(圖5)。但需要注意的是，橢圓擬合出的方位角信息與各向異性反演出的裂縫方位角信息存在90°的偏差，這是因為從算法上看，裂縫可能存在90°不確定性，需要用鉆井信息來確定方位角信息。由于地質情況，區內鉆井均未開展FMI成像測井，沒有可驗證的鉆井，需要新井鉆井后進一步落實裂縫預測效果。

4 結論與認識

1)OVT域五維地震資料包含方位角和偏移距信息，充分挖掘地震資料信息，優化偏移距和方位角信息，能夠定量刻畫裂縫分布特征。

2)各向異性反演裂縫預測方法基于彈性參數進行體估算，比常規的橢圓擬合法精度更高，平面分布規律特征更趨于實際地質情況。

3)塔中W區塊奧陶系碳酸鹽巖表層裂縫分布規律與斷裂發育特征一致，證實了基于OVT域開展各向異性反演預測裂縫方法的有效性，后期如有新鉆井來證實預測結果的準確性，應用前景廣闊，值得關注。

致謝

本文順利完成，得益CGG公司馬輝、劉波在各向異性反演方面給予的技術支持，以及東方地球物理公司研究院庫爾勒分院同志們的支持，在此一并表示感謝！