利用叠前方位各向异性预测准噶尔盆地西北缘车476 井区火山岩裂缝

2021-03-05华美瑞

石油地质与工程 2021年1期

任涛，秦军，周阳，华美瑞

（1.中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京 100083； 2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000）

裂缝对火山岩油气藏储层的有效改造和油气田高效开采具有重要意义，裂缝预测是火山岩储层精细描述的重要内容，是油气资源勘探和开发领域的研究热点。裂缝的形成机制复杂，在非均质性极强的火山岩中准确识别裂缝是研究的难点[1–4]。近年来，在利用三维地震资料开展火山岩裂缝预测与描述方面，业内专家做了大量研究工作。常用的叠后地震预测方法包括相干计算、边缘检测、蚂蚁追踪和曲率分析等技术，但总体应用效果并不理想[5–9]。相比于叠后方法，叠前方位各向异性预测裂缝方法较为成熟，该方法的理论依据是基于裂缝可以导致多种地震波动力学属性随方位角不同而发生变化，因此，可以利用不同方位角地震属性之间的差异预测裂缝发育方向和相对密度。本次研究采用叠前方位各向异性方法开展准噶尔盆地西北缘火山岩裂缝预测，结合岩心描述和成像测井等量化地质信息，刻度预测参数的合理性，验证预测结果的准确性，最终达到井震结合，提高裂缝预测精度的目的，有效描述了西北缘火山岩裂缝分布和展布特征[10–14]。

1 方法原理与技术流程

1.1 叠前方位各向异性原理

针对实际地层建立的介质模型具有柱对称特征，称之为横向各向同性介质（TI），根据其对称轴的空间定向是垂直还是水平可分为具有垂直对称轴的横向各向同性介质（VTI）和具有水平对称轴的横向各向同性介质（HTI），其中，HTI 相当于由一组平行排列的垂直裂缝的地质现象抽象出来的各向异性介质模型（图1）。在HTI 介质中，地震纵波振幅随方位角不同而变化的现象为叠前各向异性预测裂缝奠定了理论基础，地震纵波振幅与方位角的关系[15–16]可由下式表达：

式中：R为叠前地震纵波振幅，无量纲；A为在均匀介质中某一炮检距的反射波振幅，无量纲；B为不同炮检距和裂缝特征的调解因子；θ 为裂缝走向与炮检连线的夹角，°；φ 为裂缝走向的方位角，°；ω为炮检连线的方位角，°。

式（1）中的方位角均为与正北方向夹角。当θ= 0，即地震波传播方向与裂缝走向一致时，R为最大值，说明纵波的振幅、频率、速度等受裂缝影响最小；当θ=90o，即地震波传播方向与裂缝走向垂直时，R为最小值，说明纵波的振幅、频率、速度等受裂缝影响最大。

图1 HTI 介质与三维地震方位数据采集示意图

综上所述，地震纵波沿垂直于裂缝走向的传播速度比沿平行裂缝走向的传播速度小。纵波沿裂缝走向随偏移距变化的衰减慢，而垂直裂缝走向随偏移距变化的衰减快，裂缝密度越大衰减越快。因此，可以利用不同方位叠前地震纵波振幅之间的差异进行椭圆拟合，椭圆长轴方向为裂缝走向，裂缝越发育椭圆越扁，从而实现对裂缝走向和裂缝发育强度的预测[17–18]。考虑到地质因素，由于地层上覆载荷的压实作用，水平或低角度裂缝近乎消失，对裂缝型油气藏贡献大的是易于保存的中高角度和近于垂直的裂缝，而正是这类裂缝的大规模存在使地震波产生了各向异性的传播特征。

目前，基于HTI 介质的叠前方位各向异性基本理论主要有Hudson 裂隙理论与Thomsen 裂隙理论[19–25]。本次裂缝预测参考Hudson 裂隙理论，该理论将含裂缝介质的弹性系数等效为各向同性背景介质的弹性系数与由裂缝产生的一阶和二阶扰动量之和，其优点是将裂缝介质的裂缝半径、裂缝密度等微观参数与弹性常数等宏观性质联系起来。这是建立在以下假设前提下：①介质包含比地震波长小得多的定向疏排列裂隙；②裂隙是相互分离的，单个裂隙是薄扁球体（硬币状）形状，即裂隙间流体不能流动，且单个裂隙的纵横比较小；③包体内所含流体或其他充填物的体积模量和剪切模量均小于围体的对应参数值。

Hudson 用裂缝半径、纵横比、发育强度来描述裂缝系统，裂缝发育强度定义为：

单位体积内的裂缝数量、裂缝半径、裂缝体积百分比均与裂缝强度呈正比，裂缝纵横比与裂缝强度呈反比，尽管裂缝的体积百分比不变，裂缝纵横比的变化也会导致裂缝强度随地震波传播的变化。

1.2 方法适用性分析

火山岩裂缝分布受区域地应力、火山岩岩性、火山岩层厚度、地层上覆压力等多种因素影响，以相干分析为代表的窄方位角叠后地震预测技术对于较大尺度断层效果较好，对于裂缝预测有一定效果，但不能反映各向异性情况。宽方位角叠前地震资料在每个角度上都是均匀采集，开展全方位观测，衰减规则干扰和多次波能力较强，可以获得较为完整的地震波场和较好的成像效果，能够真实反映地下各向异性特征。尤其是对于火山岩陡倾角的裂缝，既能获得较好的成像效果，又能获得窄方位角叠后地震资料2 倍以上的反射信息，为方位各向异性预测技术的应用奠定了基础。

把叠前地震数据进行分方位角保幅处理，得到宽方位角道集，地震波从不同角度入射到HTI 介质时，各个地震数据（包括波速、振幅、频率、相对波阻抗等）的各向异性表现明显，综合分析具有各向异性特征的属性信息，其技术核心是利用地震波在垂直裂缝传播时具有明显的旅行时延迟和衰减的特征，来预测垂直或者近于垂直的高角度裂缝。

1.3 叠前裂缝预测技术流程

火山岩裂缝形成机理复杂，存在形式多样，后期改造频繁，结合准格尔盆地西北缘车476 井区火山岩油藏实际地质资料，经过多种技术方法组合实验，总结出叠前地震裂缝预测的技术流程如图2 所示。

2 应用实例

图2 叠前各向异性方法预测裂缝技术流程

2.1 区域地质概况

车476 井区石炭系火山岩油藏位于准噶尔盆地西北缘红车断裂带南段，构造属于准噶尔前陆盆地斜坡带，是准噶尔盆地西部隆起区的次级构造单元[10]。研究区内发育多个依附于东侧边界大型逆掩断层的裂隙式火山机构，受多期喷发的火山控制，石炭系火山岩的爆发相、溢流相和火山沉积相自东向西依次堆积，自下而上交互叠置，石炭系沉积后长期遭受风化剥蚀，与上覆二叠系地层呈角度不整合接触。钻井揭示石炭系油层自上而下划分为C1、C2、C3 三套火山岩体，储层主要为火山角砾岩和气孔状玄武岩[11–14]，储集空间主要为气孔、粒间孔、次生溶孔和次生裂缝。统计车476 井区14 口井录井具有含油显示的163 个井段973 m 成像测井结果见表1，裂缝以中高角度的斜交缝为主，其次为高角度直劈缝和低角度网状缝。车476 井区14 口井282 米岩心描述结果见表2，火山角砾岩和气孔状玄武岩的平均裂缝密度分别为1.52 条/m 和2.22 条/m，平均裂缝孔隙度分别为0.064%和0.059%，裂缝普遍被方解石和石膏充填；区域构造应力作用和岩浆冷凝收缩作用是西北缘地区裂缝形成的主要原因，边界断裂和火山机构对裂缝空间分布具有控制作用。

表1 车476 井区裂缝倾角统计

2.2 数据分析与处理

表2 车476 井区裂缝宽度和裂缝密度统计

2.2.1 动校正道集分析

研究区三维地震资料满覆盖面积130 km2，采集面元12.5 m×20.0 m，覆盖次数为90 次，扫描频率为4～80 Hz，排列的横纵比约为0.56。地震资料在成像、信噪比、频带宽度等各方面有了较大的改善，为叠前裂缝预测奠定了基础。扫描研究区叠前地震资料的偏移距及方位角信息，分析方位角与偏移距变化关系可知，在偏移距为5.5～4 100 m，动校正道集数据体内0°～180°各个方位角都有数据分布，满足方位各向异性技术对叠前地震资料满覆盖和宽方位的要求。

2.2.2 分方位角叠加、偏移和频谱分析

数据截取不影响方位角和偏移距的分布，截取偏移距为150～1 250 m。根据截取偏移距后叠前地震数据覆盖次数、方位角与偏移距的分布，依据能量均衡原则，将叠前地震数据按照36°等间距划分为5 个方位角范围进行叠加，生成方位角道集数据体。

叠加后各方位角道集数据体的能量较为均衡（图3），没有因为方位角划分不均而引起的人为方位各向异性。进一步利用三维克希霍夫偏移法对各方位角叠加数据体进行偏移处理，地震绕射波归位明显，同相轴更为清晰。

图3 车476 井区5 个叠前地震方位角道集剖面

5 个偏移数据体的频谱分析结果表明，各方位角道集的能量差异不大，频谱特征相似，保留了原始地震数据的各向异性特征，裂缝引起的各向异性而产生的地震属性局部差异符合Hudson 裂隙理论。

2.3 叠前方位各向异性裂缝预测

由于裂缝的存在，地震振幅随方位角变化的衰减强度能揭示裂缝发育程度。裂缝含油气后，受油气对地震波高频能量吸收的影响，地震振幅各向异性进一步变大。此外，裂缝中充填矿物的弹性模量比流体的大得多，导致被充填裂缝产生的能量衰减比流体的变小。因此，通过分析由裂缝及其内部所含流体引起的地震振幅各向异性随方位角的变化，能够间接地描述裂缝的空间分布特征。

经过参数测试和属性优选，最终确定利用85%的能量衰减频率属性进行各向异性椭圆拟合和中高角度裂缝预测。在有效频带范围内，能量衰减到85%时对应频率值 fm1。当地层含油气时，该属性表现为低值。利用该值进行各向异性椭圆的拟合得到研究区中高角度裂缝的分布式：

式中：f 为地震频率，Hz；p( f )为频率f 时的地震能量，无量纲；fm1为有效频带范围内某一频率，Hz；f1为最低频率，Hz； fh为最高频率，Hz。 2.3.1 成像测井验证裂缝预测结果

对比分析成像测井解释和叠前地震预测的单井裂缝走向玫瑰图（图4）表明，车476 井区裂缝走向的井震表象基本一致，研究区北部（如车471 井）裂缝走向偏向西南–东北向，研究区南部（如车476井）裂缝走向偏向东南–西北向。预测结果符合火山岩地质特征，说明叠前方位各向异性技术适合本区火山岩研究。

2.3.2 单井试油验证裂缝预测结果

图4 成像测井解释裂缝走向和叠前预测裂缝走向对比

预测的裂缝发育强度与单井试油结果对比分析表明，高产井段裂缝较发育，如车476 井C3 油层2 533～2 665 m 井段测井解释裂缝较发育，对应预测裂缝强度大于1.25、高值可达1.6 的裂缝发育段（图5），该井段试油产量13.8 t/d，井震对应关系较好。预测结果符合火山岩油藏特征，说明预测结果可信度较高。