OVT域叠前裂缝预测技术在沁水盆地煤层气勘探中的应用

李 娟， 田忠斌,2， 申有义， 杨晓东， 程慧慧

(1.山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中 030600；2.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083)

煤层裂缝是影响煤储层渗透率的重要因素[1-4]，同时也是一项重要的煤层气高产富集因素[5]，对煤层气水平井网部署及压裂、开发起到至关重要的作用。所以，开展深部煤储层裂缝预测对煤层气勘探开发具有重要意义。

裂缝预测研究方法较多，有地质、测井、构造应力场数值模拟和地震方法等[6-7]。利用岩心和测井资料比较准确、直观，但岩心及测井资料的控制范围有限[8]；构造应力场数值模拟是建立在地质和数学模型基础上，预测结果经验因素所占比重较大[6,9]。地震裂缝检测方法有纵波、横波勘探、VSP地震等[10]。理论上横波比纵波对裂缝产生的各向异性更敏感，但横波勘探成本高，且获得的地震资料信噪比低，从而使得利用横波进行裂缝预测受到限制[10]。VSP井中地震勘探范围有限，无法进行横向裂缝预测。窄方位纵波勘探可利用叠后资料进行裂缝预测，利用相干、曲率等属性技术进行分析，但主要对较大的断裂进行刻画，预测裂缝精度较低。

基于宽方位纵波资料预测裂缝有其独特的优势，炮检距向量片(OVT)技术考虑了宽方位观测带来的方位各向异性信息，有利于提高地震成像精度；同时该技术在处理过程中保留了炮检距和方位角信息[11]，为各向异性精细表征裂缝提供了数据基础。本次研究基于沁水盆地某区块的宽方位地震勘探资料，在OVT域处理技术获得的分方位地震数据基础上，利用叠前宽方位各向异性技术对煤储层的裂缝密度及走向进行了预测，为煤层气水平井的井位部署及压裂提供了技术支撑。

1 OVT域处理关键技术

1.1 OVT的定义

OVT的概念由Vermeer[12]在1998年率先提出，又叫共炮检距向量片(Offset Vector Tiles，简称COV)。OVT是十字排列道集内的一个数据子集[13]，把十字排列域内的同一炮线和检波线的数据抽取出来并进行分组，组成相应的OVT道集[14](图1、图2)。OVT道集是覆盖全区的一次覆盖数据体[15]，它可以独立偏移，这样偏移后可以保存炮检距和方位角信息[16]，方便用于进行方位角分析，这是OVT道集最大的优势。通过方位各向异性研究获得的信息可直接反映出储层裂缝走向和裂缝密度等信息，进而为煤层气水平井的部署和压裂方案提供重要依据。

图1 OVT片划分示意图Figure 1 Schematic diagram of OVT domain division

图2 OVT数据体拼接示意图Figure 2 Schematic diagram of OVT domain datavolume split joint

1.2 OVT域五维插值

与共炮检距道集相比，OVT道集具有相近的炮检距和方位角，OVT域内数据具有更高的相似性[17]，数据保幅性更好，更有利于进行五维插值处理。本区受村庄、省道、加油站等障碍物的影响，使得局部炮点和检波点分布不规则，引起空间采样不均，从而导致了偏移噪声等问题[18]，降低地震成像质量，因此需要对地震数据进行五维插值处理，使得炮检距、覆盖次数等不规则的数据变得规则。OVT域五维插值选择在Inline_NB、Crossline_NB、Offset_X、offset_Y和time五个域进行插值和规则化。

1.3 OVT域叠前时间偏移

OVT域偏移与常规偏移方法相同，只是输入的道集不同[19]。常规偏移输入的道集为共炮检距CMP道集，OVT域偏移的输入数据为OVT道集。图3是常规共炮检距偏移与OVT域偏移后的道集对比，常规偏移之后的道集道数少(与炮检距分组有关)，近、远道能量弱、中间能量强。而OVT偏移后的CRP道集道数多，整体能量更均衡，近、中、远道能量趋于一致，更好地保留炮检距和方位角信息，有利于进行方位各向异性分析、叠前反演和裂缝预测等。

1.4 方位各向异性校正

OVT道集偏移后可按炮检距和方位角分选成“蜗牛”道集(Snail gathers)进行各向异性分析和校正。经方位各向异性校正处理可消除方位各向异性对宽方位地震成像的影响，进一步提高地震数据的成像精度[20]。

图4为方位各向异性校正前后“蜗牛”道集对比，在各向异性校正前“蜗牛”道集上同向轴存在抖动的现象，说明具有方位各向异性；在校正后的“蜗牛”道集上煤系地层(700～900ms)和海相地层(1 100～1 300ms)范围内的同相轴的“抖动”现象明显消失。校正后的道集同相轴连续性明显增强，更有利道集的同相叠加，校正后的道集质量更好。同时保留了方位角信息，通过偏移距—方位角数据的选排和叠加，能够获得与裂缝方向和强度有关的参数进行裂缝的预测。

图3 常规共炮检距偏移后的CRP道集(左)与OVT域偏移后的CRP道集(右)对比图Figure 3 Comparison of CRP trace gather after conventional common-offset migration (left) andafter OVT domain migration CRP trace gather (right)

(a)各向异性校正前 (b)各向异性校正后图4 方位各向异性校正前、后道集Figure 4 Trace gathers before and after azimuth anisotropy correction

2 OVT域各向异性裂缝预测原理

由于煤层中割理裂隙发育，方位各向异性强，可以用各向介质理论中具有水平对称轴的横向各向同性(即HTI介质)介质模型进行研究。利用分方位地震属性进行各向异性裂缝预测的原理主要是基于地层为HTI介质的假设[21]，大量的研究表明：在HTI介质中由于受裂缝密度及裂缝中流体物性的影响，地震波在不同方向上传播的速度、振幅、走时以及频率衰减梯度等参数的特征都是不同的，并且这些参数在平面上表现为椭圆特征[22]。本次应用HTI介质模型来描述裂缝的分布特征(图5)，并基于该模型建立裂缝属性计算公式。

当入射角较小时，各向异性介质中纵波反射振幅与裂缝参数(裂缝走向、裂缝倾角、裂缝密度)之间的关系可以表述为[23]

Rpp(θ,φ)=P+G(φ)sin2θ=P+[Giso+Ganicos2(φ-φsym)]sin2θ

(1)

式中：P为纵波垂直入射时的反射振幅；Giso为振幅随偏移距的变化率，定义为各项同性梯度；Gani为振幅随方位角的变化率，定义为各项异性梯度；φsym代表裂缝的走向，θ为地震波的入射角；φ为炮点到检波点的方位角。

不同入射角的地震波对裂缝的敏感性不同。选择对裂缝敏感性较大的某个入射角范围(一般选择一个较小的入射角范围，此范围内sin2θ变化不大)，公式(1)简化为

Rpp(φ)=A+Bcos2(φ-φsym)

(2)

利用上式可以计算得出A、B、φsym三个能够表征裂缝特征的参数，振幅椭圆的B/A(长短轴之比)代表裂缝密度的相对大小(图6)。

图5 HTI介质模型描述Figure 5 HTI medium model descriptions

图6 裂缝介质分方位属性椭圆拟合示意图Figure 6 Schematic diagram of fissure media azimuthalattribute ellipse fitting

3 应用实例

3.1 研究区概况

XX区块位于沁水盆地中东部沁水复向斜东翼，15号煤层埋深1 400～1 800m，煤层平均厚度5.18m，是本次研究的主要目的层。区块因多期构造应力叠加作用，形成挤压变形与伸展拉张变形共存的格局，地层走向以北北东为主，造成区内褶皱、断层、陷落柱、挠曲等构造及煤层裂隙等发育，复杂的地质条件影响了本区的煤层气勘探开发。

本次宽方位地震勘探采用的观测系统为16线5炮，中间放炮、单线96道接收，道距40m、炮点距40m、炮线距240m、线距200m、CDP网格20m×20m、64次覆盖的正交全方位观测系统，横纵比为0.83。

3.2 利用叠后属性预测裂缝

叠后三维地震属性分析是裂缝识别与预测的一种手段，主要通过地震数据体中导出的几何学、运动学、动力学及统计学特征的特殊度量值[24](相干或曲率等地震属性)来识别裂缝。本次研究首先利用相干属性进行了裂缝预测，从图7看出相干属性对于大断裂或构造有较好的敏感性，其中异常条带主要分布在西部和中部，利用叠后属性技术能定性的在平面上推断出比较大的裂缝分布情况。

图7 利用叠后相干属性预测裂缝Figure 7 Poststack coherence attribute fissure prediction

3.3 利用各向异性预测裂缝

OVT域各向异性预测煤裂缝发育的流程：①分别对每个方位角地震数据提取均方根振幅属性；②利用六个方位角的均方根振幅属性，进行椭圆拟合获取各向异性数据体；③对各向异性数据体进行裂缝密度和走向预测。

本次椭圆拟合法主要依据本区的断裂发育特征，将获得的道集数据按照30°的方位间隔均匀地划分为6个角度，分别为0°～30°，30°～60°，60°～90°，90°～120°，120°～150°，150°～180°的数据体，再对各方位数据的均方根振幅属性进行椭圆拟合。本次地震资料的覆盖次数为64次，划分为6个角度，基本可以保证各方位数据的信噪比，同时可以比较精细地刻画裂缝的发育方向和密度。

利用6个方位角的均方根振幅数据，获取研究区的裂缝走向和裂缝密度参数。图8为利用椭圆拟合获得的本区15号煤层裂缝走向玫瑰图，本区的裂缝优势走向方向为N18°E。

图8 15号煤裂缝走向玫瑰图Figure 8 Rose diagram of coal No.15 fissure strikes

图9为预测的15号煤裂缝密度与裂缝走向图，图中色标代表裂缝密度的相对值，无单位。结合钻井和地质资料，图中暖色(即裂缝密度大于0.2)为裂隙发育区域，图中黑色圆圈中斜线为裂缝发育方向。本区的裂隙发育方向以北北东为主，局部发育北西、北北西向的裂隙，与15号煤底板构造中的断层走向基本一致，且主要裂隙方向集中在断层较发育的勘探区西部及中部。本区西部裂缝比较发育，中部的局部地段裂缝相对发育，北部及南部的裂缝不发育。

通过利用叠后属性技术和叠前全方位各向异性技术预测的裂缝预测结果显示：在大断层等构造发育地区，利用叠后属性和各向异性预测的裂缝展布特征较一致；在无大断层等构造发育的区域，各向异性强度属性比相干体属性能预测到更多的微断层和裂缝，如勘探区西部和中部的微小裂缝明显比较发育。

图9 15号煤裂缝密度与裂缝走向图Figure 9 Coal No.15 fissure density and fissure strikes

图10 15号煤裂缝密度、走向与构造叠合图Figure 10 Coal No.15 fissure density, strike and structurestacking chart

3.4 裂缝发育区预测及评价

结合区域地质背景及15号煤层解释的褶曲、断层及陷落柱等构造特征，对利用叠后属性和叠前方位各向异性预测的裂缝发育区进行综合分析，最终圈定了15号煤层的裂缝发育区。图10中黄色圈内代表15号煤层裂缝相对发育区，红色线代表解释的陷落柱、挠曲、断层等构造。从图中可以看出，15号煤层的裂缝较为发育，大部分裂缝发育区位于褶曲及断层、 挠曲等大的构造周边。本区的裂缝发育方向主要为北北东向，局部发育北西及北北西向，与研究区的褶曲、断层及挠曲的发育主方向基本一致。本次解释的15号煤层的裂缝发育方向及范围基本符合地质构造规律，本次勘探区共有7口水平井，其中L-03、U-21-H、水平井压裂效果不好，这2口井水平井段位于各向异性强度低值区，预测结果与实际钻井结果具有一定的吻合性，可以为该区下一步煤层气的勘探开发提供技术支撑和依据。

4 结论

1)宽方位地震数据经过OVT域处理后，OVT道集一致性好，OVT偏移后的道集近、中、远道能量一致，振幅保真度好，较常规处理能够获得更多方位角和炮检移距信息，有利于煤储层的各向异性研究和裂缝预测。

2)叠后属性技术对大尺度构造缝预测效果较好，但具有多解性。利用叠前各向异性技术预测的裂缝成果与叠后预测结果总体趋势基本一致，但是叠前能预测到更多的微断层和裂缝，刻画的裂缝更精细，但这种方法对地震数据的保真、保幅性要求更高。

3)通过OVT域处理得到的分方位地震数据体，并结合研究区地质构造规律，预测了15号煤层的裂缝发育区及方向。研究成果显示：本区的裂隙发育方向以北北东为主，局部为北西、北北西向；本区的西部裂缝比较发育，中部的局部地段裂缝相对发育，北部及南部的裂缝不发育，符合区域地质构造规律。同时利用本次成果可以指导煤层气水平井的部署，为煤层气水平井的压裂排采提供依据。