应用地震纵波方位各向异性定量预测火山岩裂缝

贾跃玮,魏水建,吕 林

(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京100083)

随着油气勘探技术的发展,火山岩气藏的发现逐渐增多,火山岩储层精细预测已经成为天然气资源勘探开发的研究热点之一。火山岩岩石通常较为致密,原生孔隙度和渗透率较低,但其岩石脆性强,在构造运动及地应力作用下极易发育断裂和裂缝[1]。在火山岩地层中,裂缝的发育可以形成良好的储集空间,同时也是流体的重要渗流通道,是形成有利储层的重要因素[2]。近年来,国内外专家学者针对含油气储层裂缝预测及描述做了大量的研究工作,并逐步形成了多种实用的技术方法,其中基于方位各向异性的裂缝预测方法较为成熟[3-4]。该方法有着40余年的发展历程,其理论基础是地震多种属性随方位角的改变而变化,利用多方位角地震属性之间的差异性预测裂缝发育方向及相对密度[5-6]。可以预见随着技术的不断进步,裂缝描述必将从定性预测发展到定量预测阶段[7]。

我们以松辽盆地南部松南气田火山岩气藏为例,针对区内火山岩储层裂缝发育特点,采用基于方位各向异性理论的裂缝预测技术,结合成像测井资料刻度标定及定量化计算,形成了井震结合的火山岩裂缝定量预测方法,有效识别出松南气田火山岩储层的裂缝空间展布特征。

1 方法原理及思路

1.1 纵波方位各向异性裂缝预测原理

利用叠前地震资料进行纵波方位各向异性裂缝预测的理论基础是建立在对水平对称轴横向各向同性介质(简称HTI介质)的研究基础之上的[8]。可以将HTI介质理解为在空间中排列一组平行定向垂直裂隙所构成的各向异性介质模型,与垂直排列裂缝的地质几何特性一致。Ruger(1997)[9]、沈凤等(1997,2002)[10-11]给出了地震纵波振幅随方位角变化的表达式:

式中:R为纵波方位振幅;A为确定炮检距下的基本常量,可以视作在均匀介质中的反射波振幅;B为不同炮检距和裂缝特征下的调制因子;θ是裂缝走向与炮检连线的夹角;φ为裂缝走向的方位角;α为炮检连线的方位角(式中方位角的定义均为与正北方向的夹角)。

由以上公式可知,在三维地震观测系统当中,由于θ在不同方位的取值不同,地震波振幅大小相应发生改变。其中在θ=0时(即地震波传播方向与裂缝走向平行),振幅为最大值;在θ=90°时(即地震波传播方向与裂缝走向垂直),振幅为最小值。因此,根据地震纵波振幅在HTI介质中随方位角变化的原理,可以计算出地下裂缝发育的方位与相对密度[12]。贺振华等(2007)[13]的研究发现:地震纵波沿垂直于裂缝方向的传播速度比沿着平行裂缝方向的传播速度小;同时,纵波沿裂缝走向方向随偏移距变化衰减慢,而垂直裂缝走向方向随偏移距衰减快,裂缝密度越大衰减越快。

以上研究表明,当储层中存在裂缝时,地震反射波在不同方位角下的属性存在差异,可以利用叠前地震资料提取对方位角变化敏感的地震属性(如振幅类、衰减类属性)检测HTI或近似HTI型的裂缝,从而实现对空间定向排列的垂直或高角度裂缝进行预测。Mallick等(1998)[14]认为,可以利用不同方位角地震波阻抗的差异进行椭圆拟合,椭圆长轴方向为裂缝走向,裂缝密度越大,椭圆的扁率越扁,从而实现对裂缝密度和方向的预测。纵波方位各向异性方法利用不同方位角的地震纵波穿过裂缝带时的不同响应进行裂缝预测,是一种高效可行的裂缝预测手段。需要指出的是,纵波方位各向异性裂缝预测方法对水平裂缝没有预测能力,这就需要在应用此种方法之前充分了解研究区的实际地质情况,从而判断该方法应用的可行性。

1.2 火山岩裂缝定量预测技术思路

由于火山岩体机构及喷发期次的不规则分布,加之后期的沉积及构造改造作用,造成火山岩裂缝影响因素复杂,预测难度大。根据理论研究和实际应用试验,总结提出了井震结合的火山岩裂缝定量预测的技术思路(图1):

根据图1所示的技术思路,针对火山岩裂缝预测的特点,提出以下关键技术步骤:

1) 利用钻井岩心以及成像测井资料观测火山岩裂缝几何信息,对包括裂缝发育倾角、单位深度裂缝发育密度等参数进行统计,落实研究区火山岩储层裂缝实际发育情况。

2) 针对区域裂缝发育的地质特征,对叠前三维地震资料抽取多个不同方位角道集,提取相对波阻抗等属性参数进行各向异性椭圆拟合,计算出纵波方位各向异性强度数据体,预测裂缝发育方向及相对密度。

图1 火山岩裂缝定量预测技术思路

3) 利用成像测井资料解释的视裂缝密度曲线对各向异性强度数据体进行标定,并通过拟合公式将裂缝发育相对密度转换为具有实际地质意义的裂缝密度数据,从而实现对火山岩储层裂缝发育密度及展布方向的定量预测。

基于纵波方位各向异性的火山岩裂缝定量预测方法有效结合了成像测井与叠前地震资料,既发挥了成像测井资料能够精确解释裂缝发育密度的纵向分辨率优势,又融合了叠前地震资料空间信息量大、横向分辨率高的特点,可以定量化地预测火山岩储层裂缝的空间展布特征。

2 松南气田火山岩储层裂缝预测

2.1 研究区地质概况

松南气田位于松辽盆地中央坳陷带长岭断陷内,区内深层断陷地层的营城组火山岩是优质天然气储层,为多机构多期次火山岩相互叠置的复杂气藏。由于该区紧邻达尔罕断裂,且在营城组沉积时期沿该断裂发生了多次大规模火山裂隙式喷发,加之后期构造运动及局部断裂的形成,因此沿火山岩群形成的中央古隆起带上发育大量裂缝。基于对区域构造应力及裂缝分布特征的研究,现已证明区域构造应力作用及岩浆喷发与冷凝收缩作用是该区裂缝大量发育的主要因素。在构造运动与岩浆作用的双重控制下,研究区裂缝形成了独特的分布及发育特征:在空间上,裂缝主要围绕各个火山机构成放射状展布;在局部构造及断裂控制下,裂缝类型以成组平行垂直缝和高角度构造缝为主。而岩浆冷凝收缩作用形成的低角度缝和炸裂缝较少。

通过岩心观察描述及成像测井资料解释,进一步落实松南气田火山岩储层裂缝的发育特征。储层段岩心观察识别出大量垂直缝及高角度缝(图2a),大部分裂缝宽度在0.5～2mm,开启度较好,基本未被充填。在成像测井资料上,垂直构造裂缝表现为近平行双轨特征(图2b),高角度构造裂缝表现为S形正弦曲线,且两种裂缝均有一定的开启度,均属于有效裂缝。在具有岩心及成像测井资料的各井中,通过岩心观察描述、FMI测井资料解释以及两者间的相互标定,发现垂直缝发育明显且数量众多,证明松南气田主体区火山岩裂缝以高角度缝为主,发育少量低角度缝。

对研究区内各井火山岩储层段岩心观察描述与FMI资料解释分析的统计结果见图2c,可见垂直缝及高角度缝占全区裂缝总量的70%,为主要裂缝类型;水平缝仅占13%。分析结果表明,研究区火山岩裂缝发育模式与HTI介质模型的垂直缝类型基本吻合。因此,在该区应用叠前地震纵波方位各向异性方法预测裂缝是可行的。

2.2 方法应用及效果分析

在以上地质研究基础之上,应用基于纵波方位各向异性的火山岩裂缝定量预测技术对松南气田火山岩储层裂缝开展定量预测。

首先是获取不同方位角道集数据。对研究区三维地震资料叠前CMP道集进行预处理(包括静校正、动校正等),获得叠前NMO校正后的共炮点道集;对叠前NMO道集进行方位角与炮检距交会分析,表明三维地震资料在40～4000m偏移距范围和2°～178° 方位角范围内都有数据分布;据此,在NMO道集基础上分别抽取5组不同方位角CMP道集,作偏移及部分叠加处理,获得了32°，63°，88°，113°，143° 方位角道集成果数据(图3)。这5组方位角道集数据的抽取保证了各道集均匀分割三维地震数据体,同时各道集之间能量差异小,波形频率接近,保留了原始地震数据的各向异性。

图2 研究区火山岩储层段岩心观测与成像测井(FMI)分析结果a 腰深101井岩心; b 腰深101井FMI剖面; c 不同方位角构造缝百分比图

图3 研究区三维地震资料的5组不同方位角道集数据

接着是优选地震属性拟合各向异性椭圆。由于地震属性种类繁多,优选能够反映方位各向异性的地震属性十分必要。考虑到相对波阻抗属性真实保存了地震波振幅相对不同方位角的变化关系,能够客观反映各向异性随方位角变化的强度,且其值域分布在大于零的正值区间,相对于某些值域中包含负值的属性更易于拟合各向异性椭圆的计算,因此选用该属性进行裂缝预测。通过对5个叠前方位角道集数据的相对波阻抗计算,拟合得到了地震纵波各向异性方位椭圆,该椭圆的扁率(即椭圆长轴与短轴之比)即为裂缝各向异性的强度值。由裂缝引起的纵波各向异性强度反映了火山岩垂直缝及高角度缝的相对发育程度。

图4给出了相对波阻抗属性方位各向异性预测的研究区火山岩储层裂缝发育相对密度剖面,可以看到火山岩顶部相对底部裂缝较为发育(剖面中红色代表裂缝发育相对密度较高)。应用剖面段上3口实钻井的FMI成像测井资料对预测结果进行验证,可以看出预测各向异性强度大的位置对应FMI测井及岩心上的裂缝发育区(黑色曲线为视裂缝密度曲线,其高值井段对应红色的高裂缝相对密度),证明预测的裂缝相对密度与FMI测井及岩心裂缝信息吻合较好,为下一步的定量计算奠定了基础。

图4 相对波阻抗属性方位各向异性预测的裂缝相对密度剖面与成像测井对比

对图4剖面段上3口实钻井(YS102井,YS1井和YS101井)的井点处进行各向异性椭圆拟合预测裂缝发育方向,并与FMI解释的单井裂缝发育方向进行对比,可以看到各井预测裂缝方向与FMI解释方向一致(图5)。同时,通过各向异性方位椭圆参数计算,获得了研究区总体裂缝走向统计结果(图6),预测全区裂缝主要呈东-西向、南-北向两组,其中以东-西向为主要裂缝走向。该预测结果与松南气田主体区构造断裂展布特征相一致,进一步确认了裂缝发育方向预测的可靠性。

图5 YS102井(a)、YS1井(b)和YS101井(c)井点处各向异性预测裂缝方向与FMI裂缝方向对比

最后是实现具有实际地质意义的火山岩储层裂缝密度定量计算。首先利用FMI成像测井资料计算出视裂缝密度FVDC(每米井段所能见裂缝总条数)曲线,并应用此曲线对各向异性方位椭圆拟合获得的裂缝各向异性强度数据体进行标定;然后对各向异性强度数据体抽取3口实钻井处的各向异性强度曲线,与对应井段的FVDC曲线进行交会分析。由图7所示的裂缝各向异性强度与FMI测井计算的视裂缝密度曲线交会分析可以看出,叠前地震纵波方位各向异性预测出的裂缝强度与实钻井FMI观测到的裂缝发育密度数据之间有着较好的线性关系,经拟合得到如下二次关系式:

(3)

式中:y为视裂缝密度;x为裂缝各向异性强度。由(3)式可实现高精度FVDC曲线对裂缝各向异性强度(裂缝相对密度)数据体的刻度,并通过转换计算出具有实际地质意义的裂缝密度数据体,从而实现对火山岩裂缝的定量预测。

对定量预测出的具实际地质意义的裂缝密度数据体沿营城组顶面开取时窗,得到了松南气田营城组顶面裂缝发育平均密度分布(图8)。由图8可知,松南气田裂缝主要发育在构造高部位的YS1井、YP4井、YP7井附近,以上三个区域与研究区火山机构分布一致,体现了在火山隆起部位及斜坡带上裂缝发育密度较大的特点。同时,裂缝发育部位与主力含气储层区相吻合,体现了裂缝是气藏重要的构成要素之一。可以推测该区域裂缝主要受构造作用和成岩作用两大因素的影响,即在构造高部位、斜坡带上裂缝明显发育;在火山主机构处与火山岩相带分布有关。

图6 预测研究区总体裂缝走向统计结果

图7 各向异性强度与FVDC曲线交会分析

图8 松南气田营城组顶面(T4)裂缝发育平均密度

3 结论与认识

在弄清研究区火山岩裂缝实际发育情况的前提下,采用地震纵波方位各向异性方法预测火山岩储层裂缝的发育方向与相对密度;进一步结合FMI测井资料刻度标定及定量化计算,将预测出的裂缝各向异性强度(裂缝相对密度)数据体转换为具有实际地质意义的裂缝密度数据体,实现了松南气田火山岩储层裂缝的定量预测。基于纵波方位各向异性理论的井震结合火山岩裂缝定量预测方法研究与实际应用取得了一些认识。

1) 松南气田营城组火山岩储层中主要发育构造缝,垂直缝与高角度裂缝占主要组成部分,裂缝发育地质条件与HTI模型近似,适用于纵波方位各向异性方法进行裂缝预测。

2) 叠前地震道集中的不同方位角数据蕴含了储层垂直缝或高角度裂缝产生的各向异性信息,与常规叠后方法相比,叠前纵波方位各向异性方法进行火山岩裂缝预测具有较高的精确度。

3) 在应用叠前纵波方位各向异性开展裂缝预测时,可以提取叠前相对波阻抗属性拟合各向异性椭圆并确定裂缝方向;在此基础上应用FMI测井视裂缝密度曲线标定纵波各向异性预测的裂缝相对密度,从而实现定量计算具有实际地质意义的火山岩储层裂缝密度。

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