基于OVT域五维道集碳酸盐岩叠前裂缝预测技术

郑多明, 邹 义, 关宝珠, 刘永雷, 赵锐锐, 徐 博

(1.中国石油集团 塔里木油田公司，库尔勒 841000；2.中国石油集团 东方地球物理勘探有限责任公司，涿洲 072751)

0 引言

塔里木盆地碳酸盐岩非均质性强，洞穴、孔洞型储层发育。钻井显示储层主要归纳三种类型：孔洞型、裂缝型和孔洞-裂缝型，其中基质孔不发育，可见微裂缝、孔洞[1]。随着勘探开发的深入，由裂缝沟通的大型缝洞集合体成为油田开发主要研究目标[2]。但是在油藏开发中相邻很近的缝洞油藏开发差异很大[3]，缝洞体系连通性不确定严重制约高效井组布设，明确裂缝发育程度和发育规律显得尤为重要。

1 技术背景

地震波在各向异性介质中传播时，其旅行时间、速度、振幅、频率和相位等属性在不同方位角存在差异。这种差异性与地层中的断裂和裂缝等发育特征相关。岩石物理模型实验研究表明，地震纵波沿垂直于裂缝发育方向的传播速度小于沿平行于裂缝方向的传播速度，实验差异达到18%～19%[4]。因此，利用带有方位特征的数据进行旅行时间、速度、振幅等差异研究，能够有效预测裂缝发育区。

国外针对各向异性裂缝预测研究相对较早， J. A. Hudso[5]研究了裂缝地层的弹性力学特征，推导了不同裂缝类型地震波的近似表达式，奠定了裂缝介质的数值模拟基础；Crampin[6-7]提出了HTI介质模型，并得到基于各向同性背景的TI裂缝介质模型；Thomsen[8]在前人的研究成果上，提出了弱弹性各向异性概念，并提出三个与裂缝介质相关的各向异性参数组合，推导了定向排列的裂缝介质中各向异性参数与地震波速度之间的关系，为裂缝预测研究提供理论基础；Tsvankin[9]根据VTI介质和HTI介质对称轴平面内等同性，提出了“等效”VTI模型的HTI介质中的Thomsen参数，推导出任意方位HTI介质中地震波的动校正速度公式，明确HTI介质中Thomsen参数与裂缝密度之间的关系，为HTI介质时差反演提供分析基础；Rüger等[10]分析HTI介质中地震波传播规律后，给出了纵波反射系数与入射角和观测方位角的近似表达式，为各向异性反演奠定了基础[10]。

国内90年代才掀起纵波各向异性裂缝预测的热潮。阴可等[11]分析各向异性介质中的P波反射系数成因，提出了表征各向异性程度的广义各向异性参数,并进行了应用;马渊明等[12]提出了基于GeoEast的OVT域五位地震资料的宽范围处理技术;印兴耀、詹仕凡、王康宁[13-15]等开展各向异性五维解释、裂缝预测等工作，然而理论上，研究方位各向异性最好方法是横波地震勘探，受勘探成本高限制，该技术难以推广。

针对塔里木盆地碳酸盐岩裂缝型储层，党青宁等[16]、李相文等[17]、刘军等[18]也展开了研究，主要对五维OVT数据开展不同方位的属性(走时、振幅、相位、AVO等)分析，将每个方位的属性特征等效成一个值，然后在平面进行椭圆拟合，长轴方向即为各向异性最大方向，也就是裂缝发育方向来进行裂缝预测。这种方法存在三个显著的问题：①椭圆各向异性的满足条件是Thomsen参数δ=ε，即忽略垂向横波的各向异性影响；②方位划分的方法没有统一标准，只要划分的方位角大于6个，满足椭圆拟合即可，椭圆拟合结果并不唯一，裂缝预测方向也不唯一；③椭圆上的拟合点是对每个扇区内属性的一个等效，精度较差。

各向异性反演预测裂缝通过不同方位的地震数据，结合钻井的纵、横波信息来开展叠前反演，估算不同方位的“等效”弹性参数，然后进行傅里叶级数展开，求解各向异性因子和方位方向，进行裂缝预测。与基于属性的椭圆拟合法相比，充分考虑地震、钻井的弹性信息，逐道求解，而不是某一个方位扇区的等效结果，求取裂缝预测结果精度更高。

2 方法流程

各向异性反演预测裂缝主体思想是：先利用全方位角的限角叠加数据进行叠前同时反演，求取各向同性的弹性体作为初始模型；接着进行分方位的限角数据叠加，将初始模型加入反演过程，进行叠前同时反演，得到不同方位的 “等效”弹性参数，对“等效”弹性参数进行傅立叶级数展开分析，获取带各向异性信息的低频背景，将该低频背景再次应用到分方位的限角叠加数据中，进行第二轮叠前同时反演，对 “等效”弹性参数进行傅里叶级数展开，得到各向异性强度因子和方位方向，从而预测裂缝。

碳酸盐岩地层相比碎屑岩地层，垂向速度差异不大，更符合HTI介质模型。因此，着重讨论HTI介质的相关研究成果。

对于HTI介质，其各向同性反射系数公式由Aki-Richards的Wiggins方程给出：

(1)

Rüger等[10,19-21]根据弱各向异性理论，推导了HTI各向异性介质中纵波反射系数随方位角变化公式[6]：

Δδsin2(ω-φ)cos2(ω-φ)]sin2θtan2θ

(2)

理论上，采取式(2)的各向异性参数与反射系数关系来求解弹性参数更合理，受方程复杂，求解困难，目前尚未有商业软件能实现。现有的反演商业化软件都是基于各向同性介质的反射系数公式(1)来进行的。利用方程(1)进行叠前同时反演来求解出带有各向异性背景的有效弹性参数VP/VS、VS、ρ等。

图1 各项异性反演技术流程图

对于HTI各向异性介质，有效弹性参数的方位角行为遵循傅立叶级数展开：

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

(3)

式中:ω是方位角；φ是各向异性的对称轴；b0是各向同性背景；b1是各向异性强度；b2是各向异性强度高阶项。利用b1系数来预测裂缝发育方向和密度等。

方程(3)里面包含5个未知因子b0、b1、b、b2、ω、φ。求解该方程至少需要五个方位的数据，通常利用6个方位角的数据来求解方程，达到预测裂缝发育方向和密度的目的。

该方法技术流程见图1。从技术流程看，各向异性反演关键因素在于OVT道集数据的保幅性，OVT道集不同方位的振幅差异必须完全来源于各向异性，并不受其他干扰影响，如：采集脚印、方位时差、多次波干扰等，这些在处理过程中需要进一步压制。

3 实例分析

为了验证各向异性反演预测裂缝方法的有效性，将该方法应用于塔里木盆地塔中W区块奥陶系碳酸盐岩裂缝预测研究，同时，用椭圆拟合法作为对比，来验证上述方法的精度。

3.1 工区地质概况

工区位于塔里木盆地中央隆起塔中低凸起北斜坡塔中10构造带中段北侧。加里东期和海西期这两期构造运动对奥陶系潜山储层和内幕岩溶储层的改造起着主要控制作用。工区内发育一条近南北向走滑断层W11断裂带，断裂带及派生的II级断裂附近奥陶系内幕大量岩溶、缝洞储层发育。到目前为止，该区域油气产量丰富，是开发重点关注区(见图6(c))。

3.2 数据准备

各向异性反演需要高质量的地震输入，OVT域五维道集包含方位角和偏移距信息，往往呈现一种“螺旋”特征。因此，要对初始OVT域五维道集进行方位时差校正来保证在不同偏移距范围内和不同方位角方位内道集较平。

方位时差校正地震波在HTI介质中传播时，不同方位传播速度不一，速度可以表示为随方位变化的椭圆。HTI介质速度场由三个参数定义：快速速度场(椭圆长轴)，慢速速度场(椭圆短轴)，慢速速度与Inline方向的夹角。这样，某一方向速度可以表示为

(4)

式中：Vslow为慢速速度；Vfast为快速速度；φ为地震数据对应的炮检方向与Inline方向的夹角；α为地震数据对应的炮检方向与慢速速度方向的夹角。

图2 HTI介质中不同方位波传播的示意图

在一个CMP道集中,不同炮检距与不同方位角接收的反射波旅行时曲线可以表示为:

(5)

式中：Tx是炮检距为X时的反射波旅行时；T0为炮检中心点处反射波的自激自收时间；X为炮检距；Vref为输入数据的成像参考速度。

理论上,方位各向异性剩余时差指被趋势拉平同相轴上的类似余弦曲线的扰动时差。也就是说,应用最佳的成像速度进行多方位叠前时间偏移后,道集上的反射同相应该被校平:若未校平,则是方位各向异性引起的剩余时差。当成像速度的偏差较大时,此时校正后的同相轴不但会有随炮检距变化的低频时差,还有方位各向异性引起的高频时差。当参考速度偏大,则校正后的同相轴有下拉趋势;反之,参考速度偏小,则校正后同相轴有上翘趋势。此时,若引入“允许的最大成像参考速度误差”参数进行适度的速度调整,就可以控制校正后的同相轴的下拉与上翘程度。

快速速度与慢速速度的比值反映了数据的方位各向异性的强弱程度,根据速度反演模块的质控结果(快慢速速度比剖面)来确定一个最大的快速速度与慢速速度的速度比,然后对超过该比值的速度场数据进行校正,这样可消除使用错误速度导致的方位时差校正的影响。

研究区获得两套OVT域道集资料，两者差别较大，①未经过方位时差校正的数据，道集信噪比低，道集偏移距范围内不平，质量较差；②经过方位时差校正的数据，道集信噪比高，道集较平(图2)，能够应用于后续反演工作。

从公式(3)HTI介质各向同性反射系数表达式看，进行叠前同时反演需要求解三个弹性参数：Vp纵波速度；Vs横波速度和ρ密度，因此，至少需要三个输入数据。而HTI弹性参数傅里叶级数展开需要求解5个参数方程(4)，因此需要至少5个方位输入数据。为此，开展各向异性反演需要对至少6个方位角数据，

每个方位角需要分成近、中、远至少三个部分的限角叠加数据。塔中W区块覆盖次数高达近580次，在0°～180°方位角范围内划分了6个方位扇区，每个方位扇区的覆盖次数能够近50次，为了保证扇区内限角叠加成近、中、远三个叠加数据覆盖次数的均一，选择偏移距范围覆盖次数相同作为限角叠加数据，角度三等分，每个叠加数据覆盖次数也达到近16次，资料信噪比能够得到保障(图3)。

3.3 应用效果

对研究区6个分方位角扇区叠加的近、中、远数据开展叠前同时反演，获得6个方位角扇区的弹性参数体，如：Vp/Vs、横波阻抗体、密度体等。提取6个方位角反演数据相同类型弹性参数，开展各向异性反演。由于叠前反演是基于各向同性的，因此，需要在第一轮各向异性反演结果上，提取反映各向异性的低频模型，迭代进行第二轮各向异性反演，使得反演结果更精确，然后在此基础上估算各向异性因子等(图4)。其中，b0代表各向同性背景，b1代表各向异性强度，b2代表各向异性强度的高阶项，通常难以准确估算，剖面也表现的相对无规律。

图3 研究区道集资料

图4 研究区不同方位角限角叠加数据

图5 研究区各向异性参数估算剖面

图6 目的层段裂缝方位角预测平面图与断裂对比

对估算的各向异性参数方位角提取目的层段的属性平面图， W区块奥陶系表层的方位角平面图上各向异性反演出来的方位角平面规律比椭圆拟合更精细，椭圆拟合结果连续性差，规律性也不明显。与该区域断裂发育特征对比看，各向异性反演出的裂缝大多集中在I、II级断裂附近，同一条断裂上发育的裂缝方位角信息基本一致，而椭圆拟合结果的平面规律性差，预测裂缝与断裂发育规律匹配程度较差(图5)。但需要注意的是，椭圆拟合出的方位角信息与各向异性反演出的裂缝方位角信息存在90°的偏差，这是因为从算法上看，裂缝可能存在90°不确定性，需要用钻井信息来确定方位角信息。由于地质情况，区内钻井均未开展FMI成像测井，没有可验证的钻井，需要新井钻井后进一步落实裂缝预测效果。

4 结论与认识

1)OVT域五维地震资料包含方位角和偏移距信息，充分挖掘地震资料信息，优化偏移距和方位角信息，能够定量刻画裂缝分布特征。

2)各向异性反演裂缝预测方法基于弹性参数进行体估算，比常规的椭圆拟合法精度更高，平面分布规律特征更趋于实际地质情况。

3)塔中W区块奥陶系碳酸盐岩表层裂缝分布规律与断裂发育特征一致，证实了基于OVT域开展各向异性反演预测裂缝方法的有效性，后期如有新钻井来证实预测结果的准确性，应用前景广阔，值得关注。

致谢

本文顺利完成，得益CGG公司马辉、刘波在各向异性反演方面给予的技术支持，以及东方地球物理公司研究院库尔勒分院同志们的支持，在此一并表示感谢！