王順昌，田景春，賈 瀛，李春鵬，林小兵

(1．成都理工大學(xué) “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室，成都 610059；2．中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京 100034；3．中海油研究總院，北京 100027)

0 引言

裂縫作為地殼中一種普遍的構(gòu)造現(xiàn)象，廣泛存在于各類巖石中。碳酸鹽巖、頁巖等地層儲集空間以裂縫為主，并以吸附氣和水溶氣形式賦存，為低壓、低飽和度，因此在裂縫發(fā)育帶可獲較高產(chǎn)量[1]。到目前為止，已在砂巖、泥頁巖和碳酸鹽巖，甚至火成巖等各類巖石的裂縫性儲層中獲得了大量的工業(yè)油氣流。因此裂縫預(yù)測可以指導(dǎo)碳酸鹽巖、頁巖等地層開發(fā)，沿著裂縫發(fā)育區(qū)帶鉆井，會提高鉆井成功率[2-4]。

地層裂縫發(fā)育具有普遍性，且在同一地質(zhì)時期相同應(yīng)力作用下，易產(chǎn)生相互平行、力學(xué)性質(zhì)相同的裂縫組[5]，可等效為橫向各向同性介質(zhì)。地震波在裂縫性儲層中傳播會發(fā)生橫波分裂現(xiàn)象，快橫波極化方向平行于裂縫走向，慢橫波極化方向垂直于裂縫走向，該認(rèn)識為利用橫波技術(shù)進(jìn)行裂縫勘探奠定了理論基礎(chǔ)[6]。由于實際橫波地震勘探成本非常昂貴，因此需要發(fā)展成本相對比較低廉的裂縫性地層縱波勘探技術(shù)。裂縫性地層具有較強的縱波方位各向異性，方位AVO的各向異性程度與裂縫開啟、流體填充和裂縫傾角等因素有關(guān)[7]，因此通過方位縱波地震數(shù)據(jù)識別地層裂縫的方法是切實可行的。

目前很多文獻(xiàn)研究了近垂直定向分布裂縫地層的探測方法：將方位縱波地震振幅、旅行時信息、動校正速度、AVO梯度和縱波阻抗等彈性參數(shù)進(jìn)行余弦擬合、正交差異分析和橢圓擬合分析[6-13]。上述方法明確了裂縫參數(shù)與余弦參數(shù)、正交參數(shù)、橢圓參數(shù)之間的關(guān)系，為探測近垂直定向分布裂縫地層提供了理論支撐。實際裂縫地層既有可能是垂直的也有可能是傾斜的，傾斜裂縫地層可以等效為TI介質(zhì)，國內(nèi)學(xué)者基于地震波傳播特征研究了TI介質(zhì)相速度、群速度、偏振方向的數(shù)學(xué)表達(dá)式和二維情況下qP入射時的反射透射方程和三維情況下qP波反射透射方程[16-17]。本研究通過TI介質(zhì)彈性波反射透射方程，模擬了傾斜裂縫地層模型qP波方位反射系數(shù)。通過將qP波方位反射系數(shù)擬合成橢圓，研究了裂縫密度、裂縫傾向、裂縫傾角與橢圓參數(shù)的關(guān)系。本研究可以為預(yù)測傾斜裂縫地層提供一定的理論支撐。

1 傾斜裂縫地層方位反射特征

傾斜裂縫地層的裂縫相關(guān)物性參數(shù)有裂縫密度、裂縫傾向、裂縫傾角，為了利用方位地震數(shù)據(jù)預(yù)測裂縫地層物性參數(shù)，需要通過Hudson理論建立裂縫地層物性參數(shù)與彈性參數(shù)之間的關(guān)系，再結(jié)合地震波傳播特征構(gòu)建裂縫地層方位反射系數(shù)方程。

1.1 Hudson裂縫等效介質(zhì)理論

裂縫地層可以看作是在各向同性介質(zhì)背景上發(fā)育有均勻的裂縫系統(tǒng)，如果裂縫是定向排列的，則裂縫地層可以等效為橫向各向同性介質(zhì)。根據(jù)Hudson裂縫等效理論，裂縫可以看作是相互獨立的薄硬 幣，應(yīng)用平均波場 散射理論，可以得到橫向各向同性介質(zhì)(即VTI介質(zhì))等效彈性矩陣C[18-19]：

C=Cb+Cf

(1)

式中Cb是各向同性背景介質(zhì)彈性矩陣；Cf是裂縫彈性矩陣。各向同性背景介質(zhì)彈性矩陣為

(2)

式中λ和μ為各向同性背景介質(zhì)的拉梅參數(shù)。裂縫彈性矩陣為

(3)

式中e為裂縫密度；U1和U3項是依賴于裂縫狀態(tài)的彈性模量。

對于干燥裂縫的彈性模量為式(4)。

(4)

對于無限薄的充滿流體的裂縫的彈性模量為式(5)。

(5)

當(dāng)?shù)貙又泻斜鹊卣鸩ㄩL 小得多的定向 排列裂縫 、裂縫彼此 之間是分離的、且裂縫之間 沒有流體流 動，則可以利用上述公式計算裂縫地層等效彈性矩陣。

1.2 TI介質(zhì)彈性波三維反射/透射方程

裂縫地層彈性矩陣是裂縫地層物性參數(shù)與方位反射系數(shù)之間的橋梁，國內(nèi)學(xué)者根據(jù)彈性波傳播特征推導(dǎo)了TI介質(zhì)三維反射/透射方程[17]：

(6)

式中αP1、αS1、αp2、αs3和αp4分別是反射qP波、反射qSV波、反射SH波、透射qP波、透射qSV波和透射SH波偏振方向與z軸的夾角；βP1、βS1、βp2、βS3、βS4分別是反射qP波、反射qSV波、反射SH波、透射qP波、透射qSV波、透射SH波偏振方向xoy面投影與x軸夾角；RPP、RPS1、RPS2、TPP、TPS3和TPS4分別代表qP波反射系數(shù)、qSV波反射系數(shù)、SH波反射系數(shù)、qP波透射系數(shù)、qSV波透射系數(shù)、SH波透射系數(shù)；Mij和Ni表示彈性波傳播系數(shù)[17]。

2 裂縫密度變化的方位反射系數(shù)橢圓特征

利用上覆各向同性泰勒巖/下伏含有裂縫奧斯汀白堊巖模型(簡稱TO模型，下同)，研究裂縫密度與方位反射系數(shù)橢圓參數(shù)之間關(guān)系，模型參數(shù)見表1[15]，表1中顯示了各向同性背景介質(zhì)縱波速度、橫波速度和密度。圖1是不同裂縫密度時的模型示意圖，圖1中上覆泰勒巖是各向同性的，假設(shè)下伏奧斯汀白堊巖充填氣體并且含有定向排列裂縫，裂縫傾向0°，裂縫傾角45°，裂縫密度在0.01～0.04之間。根據(jù)Hudson裂縫等效介質(zhì)理論，可以計算下伏奧斯汀白堊巖等效為水平橫向各向同性介質(zhì)時的彈性矩陣，再結(jié)合Bond變化可以計算下伏奧斯汀白堊巖等效為傾斜各向同性介質(zhì)時的彈性矩陣，該彈性矩陣與司薌[17]推導(dǎo)的TI介質(zhì)彈性波反射透射方程相結(jié)合,可以計算傾斜裂縫qP波反射系數(shù)。圖2顯示了裂縫密度分別為0.02、0.03、0.04的TO模型方位反射系數(shù)，圖2中裂縫走向與裂縫傾向的反射系數(shù)差異最大并且隨著裂縫密度增大差異也在增大。圖3顯示了該TO模型方位反射系數(shù)橢圓擬合結(jié)果，圖3中不同裂縫密度的方位反射系數(shù)基本都能擬合成橢圓。圖4顯示了TO模型裂縫密度與橢圓扁率關(guān)系圖，其中橢圓扁率=(長軸-短軸)/長軸，圖4中隨著裂縫密度增大橢圓扁率也在增大，因此可以利用方位反射系數(shù)橢圓扁率指示地層裂縫發(fā)育程度分布。

表1 上覆泰勒巖/下伏奧斯汀白堊巖各向同性背景彈性參數(shù)[15]

圖1 上覆各向同性泰勒巖/下伏裂縫型奧斯汀白堊巖示意圖Fig．1 Schematic diagram of overlying Taylor rock/underlying fractured Austin Cretaceous rock(a)裂縫密度為0.02;(b)裂縫密度為0.03;(c)裂縫密度為0.04

圖2 上覆各向同性泰勒巖/下伏不同裂縫密度奧斯汀白堊巖的方位反射系數(shù)Fig．2 Azimuth reflecitivity of overlying Taylor rock/underlying Austin Cretaceous rock with different fracture density

3 裂縫傾向變化的方位反射系數(shù)橢圓特征

利用TO模型研究裂縫傾向與方位反射系數(shù)橢軸。圖8顯示了上覆各向同性泰勒巖/下伏裂縫型奧斯汀白堊巖的裂縫傾向與橢圓中心方位角關(guān)系圖，其中橢圓中心方位角=atan(橢圓中心y坐標(biāo)/橢圓中心x坐標(biāo))，atan()是反正切函數(shù)，圖8中裂縫地層傾向與橢圓中心方位相差180°。圓參數(shù)之間關(guān)系，假設(shè)下伏奧斯汀白堊巖充填氣體并且裂縫密度為0.03，裂縫傾角45°。圖5顯示了裂縫傾向分別是0°、90°、180°、270°時,下伏裂縫型奧斯汀白堊巖示意圖。圖6顯示了該TO模型的方位反射系數(shù)，圖6中下伏奧斯汀白堊巖裂縫傾向0°與裂縫傾向90°、180°、270°的方位反射系數(shù)分別相差90°、180°、270°相位，這說明裂縫傾向方位差與方位反射系數(shù)相位差相等。圖7顯示了該TO模型方位反射系數(shù)的橢圓擬合結(jié)果，圖7中下伏奧斯汀白堊巖傾向為0°時的方位反射系數(shù)橢圓中心在負(fù)x軸；傾向為90°時的方位反射系數(shù)橢圓中心在負(fù)y軸；傾向為180°時的方位反射系數(shù)橢圓中心在正x軸；傾向為270°時的方位反射系數(shù)橢圓中心在正y

圖3 上覆各向同性泰勒巖/下伏不同裂縫密度奧斯汀白堊巖的方位反射系數(shù)橢圓擬合結(jié)果Fig．3 Azimuth reflecitivity ellipse fitting result of overlying Taylor rock/underlying Austin Cretaceous rock with different fracture density

圖4 上覆各向同性泰勒巖/下伏裂縫型奧斯汀白堊巖的裂縫密度與橢圓扁率關(guān)系圖Fig．4 The relationship between fracture density and ellipse ratio of overlying Taylor rock/underlying fractured Austin Cretaceous rock

圖5 下伏裂縫型奧斯汀白堊巖不同傾向時的示意圖Fig．5 Schematic diagram of underlying Austin Cretaceous rock with different fracture trend(a)傾向0°；(b)傾向 90°;(c) 傾向180°;(d)傾向270°

圖6 上覆各向同性泰勒巖/下伏不同裂縫傾向奧斯汀白堊巖的方位反射系數(shù)Fig．6 Azimuth reflecitivity of overlying Taylor rock/underlying Austin Cretaceous rock with different fracture trend

圖7 上覆各向同性泰勒巖/下伏不同裂縫傾向奧斯汀白堊巖的方位反射系數(shù)橢圓擬合結(jié)果Fig．7 Azimuth reflecitivity ellipse fitting result of overlying Taylor rock/underlying Austin Cretaceous rock with different fracture trend

圖8 上覆各向同性泰勒巖/下伏裂縫型奧斯汀白堊巖的裂縫傾向與橢圓中心方位角關(guān)系圖Fig．8 The relationship between fracture trend and ellipse center azimuth of overlying Taylor rock/ underlyingfractured Austin Cretaceous rock

4 裂縫傾角變化的方位反射系數(shù)橢圓特征

利用TO模型研究裂縫傾角與方位反射系數(shù)橢圓參數(shù)之間關(guān)系，假設(shè)下伏奧斯汀白堊巖充填氣體并且裂縫密度為0.03，裂縫傾向為0°。圖9顯示了裂縫傾角分別是15°、45°、75°時，下伏裂縫型奧斯汀白堊巖示意圖。圖10顯示了該TO模型方位反射系數(shù)，圖10中裂縫傾角45°時裂縫走向與裂縫傾向的反射系數(shù)差異最大。圖11顯示了該TO模型的裂縫傾角與橢圓中心距離關(guān)系圖，其中橢圓中心距離=sqrt(橢圓中心x坐標(biāo)^2+y坐標(biāo)^2)，sqrt()是求根函數(shù)，圖11中橢圓中心距離近似為一條拋物線，當(dāng)裂縫傾角為45°時，橢圓中心距離最大，隨著裂縫傾角偏離45°程度增大，橢圓中心距離也隨之減小。

圖9 上覆各向同性泰勒巖/下伏裂縫型奧斯汀白堊巖示意圖Fig．9 Schematic diagram of overlying Taylor rock/ underlying fractured Austin Cretaceous rock(a)裂縫傾角15°；(b)裂縫傾角45°；(c)裂縫傾角75°

圖10 上覆各向同性泰勒巖/下伏不同裂縫傾角奧斯汀白堊巖的方位反射系數(shù)Fig．10 Azimuth reflecitivity of overlying Taylor rock/underlying Austin Cretaceous rock with different fracture inclination

圖11 上覆各向同性泰勒巖/下伏裂縫型奧斯汀白堊巖的裂縫傾角與橢圓中心距離關(guān)系圖Fig．11 The relationship between fracture inclination and ellipse center distance of overlying Taylor rock/underlying fractured Austin Cretaceous rock

5 結(jié)論

作者根據(jù)橫向各向同性介質(zhì)方位反射特征，研究了裂縫物性參數(shù)與地震方位反射特征之間的關(guān)系，為碳酸鹽巖、頁巖等裂縫地層勘探開發(fā)提供了一定的技術(shù)支持，通過研究得到如下幾點認(rèn)識：

1)傾斜裂縫地層裂縫密度增大，qP波方位反射系數(shù)橢圓扁率也隨之增大。

2)傾斜裂縫地層裂縫傾向與qP波方位反射系數(shù)橢圓中心方位角相差180°。

3)傾斜裂縫地層裂縫傾角近似為qP波方位反射系數(shù)橢圓中心距離的拋物線函數(shù)，并且傾角45°時橢圓中心距離最大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉振武，撒利明，楊曉，等.頁巖氣勘探開發(fā)對地球物理技術(shù)的需求[J].石油地球物理勘探，2011,46(5):810-821.

[2] 聶永生，田景春，魏生祥，等.裂縫三維地質(zhì)建模的難點與對策[J].油氣地質(zhì)與采收率，2013，20(2):39-41.

[3] 唐湘蓉，賀振華，黃德濟(jì).裂縫儲集層模糊綜合評價方法[J].物探化探計算技術(shù)，2004，26(3)：215-219.

[4] 范春華.清溪場地區(qū)茅口組裂縫儲層預(yù)測[J].物探化探計算技術(shù)，2011，33(2)：212-218.

[5] 戴俊生.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及大地構(gòu)造[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011.

[6] ATA E B, MICHELENA R J．Mapping distribution of fractures in a reservoir with P-S converted waves[J]．The Leading Edge, 1995, 14(6)：664-674.

[7] GRAY D, ROBERTS G, CONOCO H K．Recent advances in determination of fracture strike and crack density from P-wave seismic data[J]．The Leading Edge, 2002, 21(3)：280-285.

[8] MALLICK S, CRAFT L K, MEISTER J L,etc．Detremination of the principal directions of azimuthal anisotropy from P-wave seismic data[J]．Geophysics,1998,63(2)：692-706.

[9] XIANG-YANG LI．Fracture detection using azimuthal variation of P-wave moveout from orthogonal seismic survey lines[J]．Geophysics, 1999,64(6)：1193-1201.

[10] GRECHKA V, TSVANKIN I．NMO-velocity surfaces and Dix-type formulas in anisotropic heterogeneous media[J]．Geophysics,2002, 67(3)：939-951.

[11] GRAY D F, HEAD J K．Using 3D Seismic To Identify Spatially Variant FractureOrientation in the Manderson Field[C]．SPE Intenational, 2000.

[12] 唐湘蓉，賀振華，黃德濟(jì).裂縫儲集層模糊綜合評價方法[J].物探化探計算技術(shù)，2004，26(3)：215-219.

[13] 范春華.清溪場地區(qū)茅口組裂縫儲層預(yù)測[J].物探化探計算技術(shù)，2011，33(2)：212-218.

[14] AL-MARZONG M A, NEVES A F, KIN J J, et al．P-wave Anisotropy from Azimuthal Velocity and AVO using Wide-Azimuthal 3D Seismic Data[C]．SEG Technical Program Expanded Abstracts 2004: 131-134.

[15] 曲壽利，季玉新，王鑫，等．全方位P波屬性裂縫檢測方法[J]．石油地球物理勘探，36(4)，2001：390-397.

[16] 梁鍇. TI介質(zhì)地震波傳播特征與正演方法研究[D]. 東營：中國石油大學(xué), 2009.

[17] 司薌. TTI介質(zhì)彈性波反射透射特征研究[D]. 東營：中國石油大學(xué), 2012.

[18] HUDSON J A. Overall properties of a cracked soild[J]. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society,1980, 88(2): 371-384.

[19] HUDSON J A. Wave speeds and attenation of elastic waves in material containing cracks[J]. Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society,1981, 64(1): 133-150.