基于正演模拟的最大似然法火山岩有效裂缝识别及预测

熊 婷，贾春明，妥军军，李 胜，尚 春

(中国石油新疆油田分公司, 新疆 乌鲁木齐 830013)

0 引 言

随着油气勘探的进一步加深，裂缝-孔隙双重介质型油藏逐渐占据勘探开发的重要位置。裂缝是火山岩储层重要的储集空间和渗流通道[1-3]，前人形成了一系列断裂的识别及预测方法。何顺等[4-7]通过研究单井岩心及裂缝的测井响应特征对裂缝进行识别，并将其详细分类，开展成因机理分析、产能分析及有利区预测，但岩心及测井响应只能判断高勘探程度区米级及以下的裂缝，不能对百米级甚至公里级别大尺度的裂缝及裂缝平面分布特征进行识别和预测。刘松鸣等[8-11]通过倾角、方位角、连续性、光照体、相干、本征值、曲率、蚂蚁体以及井震联合断层识别法对大尺度裂缝进行平面预测；但这些断裂识别方法只能大致定性反映小断层级别的断裂发育区，难以获得高精度的裂缝预测结果，存在尺度大、精度低的问题，同时，缺乏对预测的裂缝结果进行有效判定的方法。该文首次通过建立3种断裂模型，进行地震正演模拟论证了最大似然法在预测断裂上的优势，并将其应用于火山岩断裂分析及预测，对比表明最大似然断裂预测精度更高、成像效果更好，对断裂发育带内裂缝发育细节具有良好的应用效果。基于岩心和成像测井解释有效裂缝发育特征的微观刻度，取现今最大主应力方向40 °准噶尔盆地车排子凸起CT1井夹角走向范围的高角度裂缝作为有效裂缝进行建模，预测研究区火山岩有效裂缝分布特征，为火山岩有利目标的优选提供了技术支持。

1 研究区地质概况

准噶尔盆地车排子凸起石炭系储层是重要的勘探领域。车排子凸起位于沙湾和四棵树2个富烃凹陷之间的长期继承性古隆起，石炭系整体为北西向鼻隆，向东南方倾没于沙湾凹陷和四棵树凹陷之间，双侧多源供烃，多期构造运动造成了断裂较为发育[12]。车排子断裂将车排子凸起分为南段和北段，南北向断裂将车排子凸起分为3个条带，控制石炭系内部隆凹格局及地层展布。其中，中部条带发育有石炭系南、北2个次凹，次凹侧向封挡，北西向断裂沟通油源，沿断裂发育有一系列火山岩体，火山岩储层成藏条件十分有利。准噶尔盆地车排子凹起石炭系地层由浅至深分别为希贝库拉斯组(C1x)、包古图组(C1b)以及太勒古拉组(C1t)(图1)。

1.1 裂缝发育特征

裂缝从成因上可划分为构造缝、成岩缝、风化缝及溶蚀缝4种。其中，构造缝是在构造运动中形成的最大尺度的裂缝，具有和应力场相匹配的方向性及期次性，能够通过单井岩心、测井响应及地震属性等方法多维度的进行识别和预测。多期构造运动产生的不同期次的断裂相互切割，大断层伴随形成了小的构造裂缝，共同形成了研究区石炭系的断裂发育体系。研究区主要发育有2组断裂系统：一组为海西—印支期形成，后期持续活动，从石炭系断至白垩系底砾岩的一系列近南北走向的逆掩走滑断裂；另一组为喜山期形成的张性正断裂，从白垩系断至新近系，局部发育的一些断裂断至地表(图1)。

火山岩岩性不同，裂缝发育程度不同，不同井裂缝发育程度也不同。CT1井在石炭系太勒古拉组地层(C1t)3 890～4 034 m获得高产工业油气流，其裂缝最为发育。综合岩心观察、薄片鉴定，结果表明该区石炭系火山岩构造缝主要分布于火山角砾岩、凝灰角砾岩、凝灰岩及安山岩中，构造裂缝发育，规模较大，占裂缝总量的70%以上。构造裂缝倾角变化范围较大，从水平缝到直劈缝皆有分布，整体来说水平缝充填程度高于直劈缝。构造裂缝的线密度平均为3.9条/m，长度为5～10 cm，宽度为0.50～2.00 mm(图2)。

1.2 裂缝测井响应特征

岩心只能判断小段地层的裂缝发育情况，而测井曲线能够反映整段地层的裂缝发育特征。成像测井FMI可以反映高导缝、高阻缝以及诱导缝等裂缝方位、充填程度的信息，结合电阻率(Rxo、Ri、Rt)、密度(DEN)及声波时差曲线(AC)，能够准确判断裂缝的倾角、走向、充填程度以及最大主应力方向。

FMI成像测井垂向延伸切割岩心的正弦暗色曲线表示高角度开启的构造缝，稍扁的切割层理正弦暗色曲线表示低角度开启的构造缝。由于裂缝发育的非均质性，流体及钻井液进入火山岩开启裂缝发育段，该段冲洗带电阻率(Rxo)相比围岩有锯齿状下降的特征，同时，P波速度增大，声波时差降低，密度相应下降。CT1井成像测井识别的高导缝为开启的构造缝，倾角大多大于45 °，走向近东西向，和识别的诱导缝判断的最大主应力方向夹角较小，为有效裂缝。有效裂缝发育的层段孔隙度及渗透率相对高，表明裂缝极大改善了火山岩的物性，是火山岩油藏渗流的重要通道(图2)。充填缝为亮白色正弦曲线，被高阻物填充，是无效裂缝。高阻缝在CT1井高产段发育少，多为低中角度充填缝，走向东西向和南北向，和岩心描述充填裂缝产状基本一致。

综上研究可知，与现今最大主应力方向一致的高角度构造裂缝开度大，连通性高，渗流能力最强，相对应的火山岩物性最佳，是火山岩油藏最有利的发育位置；而与最大主应力方向垂直的低角度构造裂缝开度小，连通性差，大多处于充填状态，渗流能力最弱。

2 断裂识别正演模拟

建立张性正断裂、逆断裂以及理想的水平层走滑断裂3种模型，通过正演，模拟不同属性识别断裂的地震响应特征，从而优选出最佳地震属性，指导实际三维资料断裂识别及平面预测。

2.1 最大似然方法原理

断裂识别的常规属性包括相干、曲率等属性。Hale于2012年基于相干算法提出最大似然方法，进一步增强断层和非断层响应之间的差异性，对每个数据样点扫描其倾向、倾角的似然属性，当扫描到准确的倾向和倾角时获得最大值，因此，最大似然法识别的断裂在剖面上具有更高的分辨力[13]。

相似性属性Semblance数值范围为0～1，公式如下[14-15]：

(1)

最大似然属性Likelihood公式如下[14-15]：

Likelihood=1-Semblance8

(2)

式中：Semblence为相似性属性；g为三维数据体；下标s为对数据体进行构造导向平滑；下标f为倾角增强；Likelihood为最大似然属性。

最大似然属性是相似性属性指数幂与1的差，相邻样点间相似性对比关系在最大似然属性下得到了放大，更加凸显断裂成像。因此，地震同相轴越连续，相似性越大，最大似然属性越小，断裂存在的可能越小；反之，同相轴断点相似性越小，最大似然属性越大，越可能存在断裂。

2.2 正演模拟

张性正断裂、逆断裂以及理想的水平层走滑断裂3种模型均采用和实际资料相一致的30 Hz主频Rick子波进行反射系数褶积，对比相干、曲率以及最大似然法识别断裂的效果。

2.2.1 张性正断裂正演模拟

模型1具有3层高速岩体，随着深度增加，厚度分别为30、40、50 m，速度分别为3 800、3 850、4 000 m/s；低速夹层厚度为20 m，速度为3 400 m/s，包括2条倾向相反的正断层，断距为10 m(图3a)。其中，图3b为其相干属性识别断层，断层产状表征较粗，断裂细节表现为断续竖条状；图3c为最大正曲率属性识别断层，相比相干属性精细；图3d为最大似然属性识别断层，和断面最为吻合，精细程度最高。

图3 张性正断裂相干、曲率和最大似然属性识别

2.2.2 逆断裂正演模拟

模型2和模型1岩体厚度及速度属性一致，模型构建了2条倾向相反的逆断层，断距为10 m(图4a)。图4b为其相干属性识别断层，断层产状表征较粗，具体表现为断续竖条状；图4c为最大正曲率属性识别断层，和断面吻合程度较低，无法准确表征断面产状；图4d为最大似然属性识别断层，和断面最为吻合，精细程度最高。

图4 逆断裂相干、曲率和最大似然属性识别

2.2.3 走滑断裂正演模拟

模型3为理想的无剪切分量水平层垂直走滑断裂的地质模型，图5a为走滑断裂立体模式，图5b为其二维地质模型，水平中速岩体随深度增加，厚度分别为30、40、50 m，速度分别为3 800、3 850、4 000 m/s；水平高速岩体和中速岩体厚度一致，速度随深度增加，分别为3 850、3 900、4 050 m/s；低速夹层厚度为20 m，速度为3 400 m/s。图5c为相干属性识别断层，表现为断续竖条状，断层产状表征较粗，断面吻合较差；图5d为最大正曲率属性，由于曲率是根据曲面的弯曲程度进行计算，所以对于理想中的水平层走滑断裂没有响应，近似零背景值，不适用于该种模型的断裂识别；图5e为最大似然属性识别断裂，和断面最为吻合，精细程度最高。

由以上对比可知，最大似然属性相比相干和曲率适用性更广，在剖面上贴合断面展布，对断裂的识别十分精细，降低了地震识别断裂的多解性。

3 火山岩构造断裂地震识别和预测

应用最大似然属性进行研究区内断裂识别，对比相干属性，最大似然属性对断裂刻画的成像效果更好，分支断裂走向、断裂带内部细节皆有比较明确的响应，识别精度更高(图6)。

图6 相干和最大似然属性断裂识别平面分布

研究区内石炭系裂缝主要沿着车排子断裂、石桥1井东断裂及石桥2井北断裂3条主要断裂发育，距离主断裂越近，裂缝密度越高，反之越低。分析研究区火山岩储层岩心、薄片以及测井裂缝发育特征和单井油气显示，结果表明：该区CT1井石炭系泰勒古拉组(C1t)获得高产工业油气流，主要受控于裂缝的发育；HG1、CP17井石炭系裂缝均不太发育，油气显示较差，产能低；最大似然属性地震识别裂缝发育密度分布基本和单井识别裂缝特征一致(图7a)，但裂缝密度依然较为低，有效裂缝发育与否才是影响储层物性的关键。该文利用成像测井裂缝解释，以微观耦合最大似然属性识别裂缝，通过对高角度有效裂缝进行建模，预测更精细的有效裂缝分布，从而为有利区的优选提供依据。据前文单井有效裂缝产状特征分析，该文将裂缝走向和东西向夹角小于40 °的高角度裂缝作为有效缝进行建模。研究表明，高产井CT1井位于整体裂缝密度高且有效缝发育的位置，HG1井和CP17井位于整体裂缝和有效缝皆不太发育的位置。采用以上方法，预测了4个高角度有效裂缝发育的区域，其相对裂缝发育密度均大于0.7(无量纲化)，展布面积约76 km2，可以作为下一步勘探的有利区(图7b)。该方法适用于低勘探程度裂缝-孔隙双重介质型有利目标的优选，有效提高了钻探的可靠性和精度。

4 结 论

(1) 首次通过建立3种断裂正演模型对比相干、曲率以及最大似然属性对断裂的预测效果，结果表明，最大似然法识别断裂适用性最广，成像效果最好，精度最高。

(2) 整体裂缝密度较高的区域不代表其有效裂缝发育，有效裂缝发育程度控制了产能高低，通过岩心及成像测井解释裂缝发育特征，从微观耦合最大似然属性裂缝识别，对研究区有效裂缝发育进行了定量预测，为火山岩有利目标的优选提供了技术支持。