任 濤，秦 軍，周 陽，華美瑞

（1.中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院，北京 100083； 2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

裂縫對火山巖油氣藏儲層的有效改造和油氣田高效開采具有重要意義，裂縫預測是火山巖儲層精細描述的重要內容，是油氣資源勘探和開發(fā)領域的研究熱點。裂縫的形成機制復雜，在非均質性極強的火山巖中準確識別裂縫是研究的難點[1–4]。近年來，在利用三維地震資料開展火山巖裂縫預測與描述方面，業(yè)內專家做了大量研究工作。常用的疊后地震預測方法包括相干計算、邊緣檢測、螞蟻追蹤和曲率分析等技術，但總體應用效果并不理想[5–9]。相比于疊后方法，疊前方位各向異性預測裂縫方法較為成熟，該方法的理論依據(jù)是基于裂縫可以導致多種地震波動力學屬性隨方位角不同而發(fā)生變化，因此，可以利用不同方位角地震屬性之間的差異預測裂縫發(fā)育方向和相對密度。本次研究采用疊前方位各向異性方法開展準噶爾盆地西北緣火山巖裂縫預測，結合巖心描述和成像測井等量化地質信息，刻度預測參數(shù)的合理性，驗證預測結果的準確性，最終達到井震結合，提高裂縫預測精度的目的，有效描述了西北緣火山巖裂縫分布和展布特征[10–14]。

1 方法原理與技術流程

1.1 疊前方位各向異性原理

針對實際地層建立的介質模型具有柱對稱特征，稱之為橫向各向同性介質（TI），根據(jù)其對稱軸的空間定向是垂直還是水平可分為具有垂直對稱軸的橫向各向同性介質（VTI）和具有水平對稱軸的橫向各向同性介質（HTI），其中，HTI 相當于由一組平行排列的垂直裂縫的地質現(xiàn)象抽象出來的各向異性介質模型（圖1）。在HTI 介質中，地震縱波振幅隨方位角不同而變化的現(xiàn)象為疊前各向異性預測裂縫奠定了理論基礎，地震縱波振幅與方位角的關系[15–16]可由下式表達：

式中：R為疊前地震縱波振幅，無量綱；A為在均勻介質中某一炮檢距的反射波振幅，無量綱；B為不同炮檢距和裂縫特征的調解因子；θ 為裂縫走向與炮檢連線的夾角，°；φ 為裂縫走向的方位角，°；ω為炮檢連線的方位角，°。

式（1）中的方位角均為與正北方向夾角。當θ= 0，即地震波傳播方向與裂縫走向一致時，R為最大值，說明縱波的振幅、頻率、速度等受裂縫影響最??；當θ=90o，即地震波傳播方向與裂縫走向垂直時，R為最小值，說明縱波的振幅、頻率、速度等受裂縫影響最大。

圖1 HTI 介質與三維地震方位數(shù)據(jù)采集示意圖

綜上所述，地震縱波沿垂直于裂縫走向的傳播速度比沿平行裂縫走向的傳播速度小。縱波沿裂縫走向隨偏移距變化的衰減慢，而垂直裂縫走向隨偏移距變化的衰減快，裂縫密度越大衰減越快。因此，可以利用不同方位疊前地震縱波振幅之間的差異進行橢圓擬合，橢圓長軸方向為裂縫走向，裂縫越發(fā)育橢圓越扁，從而實現(xiàn)對裂縫走向和裂縫發(fā)育強度的預測[17–18]?？紤]到地質因素，由于地層上覆載荷的壓實作用，水平或低角度裂縫近乎消失，對裂縫型油氣藏貢獻大的是易于保存的中高角度和近于垂直的裂縫，而正是這類裂縫的大規(guī)模存在使地震波產生了各向異性的傳播特征。

目前，基于HTI 介質的疊前方位各向異性基本理論主要有Hudson 裂隙理論與Thomsen 裂隙理論[19–25]。本次裂縫預測參考Hudson 裂隙理論，該理論將含裂縫介質的彈性系數(shù)等效為各向同性背景介質的彈性系數(shù)與由裂縫產生的一階和二階擾動量之和，其優(yōu)點是將裂縫介質的裂縫半徑、裂縫密度等微觀參數(shù)與彈性常數(shù)等宏觀性質聯(lián)系起來。這是建立在以下假設前提下：①介質包含比地震波長小得多的定向疏排列裂隙；②裂隙是相互分離的，單個裂隙是薄扁球體（硬幣狀）形狀，即裂隙間流體不能流動，且單個裂隙的縱橫比較小；③包體內所含流體或其他充填物的體積模量和剪切模量均小于圍體的對應參數(shù)值。

Hudson 用裂縫半徑、縱橫比、發(fā)育強度來描述裂縫系統(tǒng)，裂縫發(fā)育強度定義為：

單位體積內的裂縫數(shù)量、裂縫半徑、裂縫體積百分比均與裂縫強度呈正比，裂縫縱橫比與裂縫強度呈反比，盡管裂縫的體積百分比不變，裂縫縱橫比的變化也會導致裂縫強度隨地震波傳播的變化。

1.2 方法適用性分析

火山巖裂縫分布受區(qū)域地應力、火山巖巖性、火山巖層厚度、地層上覆壓力等多種因素影響，以相干分析為代表的窄方位角疊后地震預測技術對于較大尺度斷層效果較好，對于裂縫預測有一定效果，但不能反映各向異性情況。寬方位角疊前地震資料在每個角度上都是均勻采集，開展全方位觀測，衰減規(guī)則干擾和多次波能力較強，可以獲得較為完整的地震波場和較好的成像效果，能夠真實反映地下各向異性特征。尤其是對于火山巖陡傾角的裂縫，既能獲得較好的成像效果，又能獲得窄方位角疊后地震資料2 倍以上的反射信息，為方位各向異性預測技術的應用奠定了基礎。

把疊前地震數(shù)據(jù)進行分方位角保幅處理，得到寬方位角道集，地震波從不同角度入射到HTI 介質時，各個地震數(shù)據(jù)（包括波速、振幅、頻率、相對波阻抗等）的各向異性表現(xiàn)明顯，綜合分析具有各向異性特征的屬性信息，其技術核心是利用地震波在垂直裂縫傳播時具有明顯的旅行時延遲和衰減的特征，來預測垂直或者近于垂直的高角度裂縫。

1.3 疊前裂縫預測技術流程

火山巖裂縫形成機理復雜，存在形式多樣，后期改造頻繁，結合準格爾盆地西北緣車476 井區(qū)火山巖油藏實際地質資料，經(jīng)過多種技術方法組合實驗，總結出疊前地震裂縫預測的技術流程如圖2 所示。

2 應用實例

圖2 疊前各向異性方法預測裂縫技術流程

2.1 區(qū)域地質概況

車476 井區(qū)石炭系火山巖油藏位于準噶爾盆地西北緣紅車斷裂帶南段，構造屬于準噶爾前陸盆地斜坡帶，是準噶爾盆地西部隆起區(qū)的次級構造單元[10]。研究區(qū)內發(fā)育多個依附于東側邊界大型逆掩斷層的裂隙式火山機構，受多期噴發(fā)的火山控制，石炭系火山巖的爆發(fā)相、溢流相和火山沉積相自東向西依次堆積，自下而上交互疊置，石炭系沉積后長期遭受風化剝蝕，與上覆二疊系地層呈角度不整合接觸。鉆井揭示石炭系油層自上而下劃分為C1、C2、C3 三套火山巖體，儲層主要為火山角礫巖和氣孔狀玄武巖[11–14]，儲集空間主要為氣孔、粒間孔、次生溶孔和次生裂縫。統(tǒng)計車476 井區(qū)14 口井錄井具有含油顯示的163 個井段973 m 成像測井結果見表1，裂縫以中高角度的斜交縫為主，其次為高角度直劈縫和低角度網(wǎng)狀縫。車476 井區(qū)14 口井282 米巖心描述結果見表2，火山角礫巖和氣孔狀玄武巖的平均裂縫密度分別為1.52 條/m 和2.22 條/m，平均裂縫孔隙度分別為0.064%和0.059%，裂縫普遍被方解石和石膏充填；區(qū)域構造應力作用和巖漿冷凝收縮作用是西北緣地區(qū)裂縫形成的主要原因，邊界斷裂和火山機構對裂縫空間分布具有控制作用。

表1 車476 井區(qū)裂縫傾角統(tǒng)計

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理

表2 車476 井區(qū)裂縫寬度和裂縫密度統(tǒng)計

2.2.1 動校正道集分析

研究區(qū)三維地震資料滿覆蓋面積130 km2，采集面元12.5 m×20.0 m，覆蓋次數(shù)為90 次，掃描頻率為4～80 Hz，排列的橫縱比約為0.56。地震資料在成像、信噪比、頻帶寬度等各方面有了較大的改善，為疊前裂縫預測奠定了基礎。掃描研究區(qū)疊前地震資料的偏移距及方位角信息，分析方位角與偏移距變化關系可知，在偏移距為5.5～4 100 m，動校正道集數(shù)據(jù)體內0°～180°各個方位角都有數(shù)據(jù)分布，滿足方位各向異性技術對疊前地震資料滿覆蓋和寬方位的要求。

2.2.2 分方位角疊加、偏移和頻譜分析

數(shù)據(jù)截取不影響方位角和偏移距的分布，截取偏移距為150～1 250 m。根據(jù)截取偏移距后疊前地震數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)、方位角與偏移距的分布，依據(jù)能量均衡原則，將疊前地震數(shù)據(jù)按照36°等間距劃分為5 個方位角范圍進行疊加，生成方位角道集數(shù)據(jù)體。

疊加后各方位角道集數(shù)據(jù)體的能量較為均衡（圖3），沒有因為方位角劃分不均而引起的人為方位各向異性。進一步利用三維克?；舴蚱品▽Ω鞣轿唤钳B加數(shù)據(jù)體進行偏移處理，地震繞射波歸位明顯，同相軸更為清晰。

圖3 車476 井區(qū)5 個疊前地震方位角道集剖面

5 個偏移數(shù)據(jù)體的頻譜分析結果表明，各方位角道集的能量差異不大，頻譜特征相似，保留了原始地震數(shù)據(jù)的各向異性特征，裂縫引起的各向異性而產生的地震屬性局部差異符合Hudson 裂隙理論。

2.3 疊前方位各向異性裂縫預測

由于裂縫的存在，地震振幅隨方位角變化的衰減強度能揭示裂縫發(fā)育程度。裂縫含油氣后，受油氣對地震波高頻能量吸收的影響，地震振幅各向異性進一步變大。此外，裂縫中充填礦物的彈性模量比流體的大得多，導致被充填裂縫產生的能量衰減比流體的變小。因此，通過分析由裂縫及其內部所含流體引起的地震振幅各向異性隨方位角的變化，能夠間接地描述裂縫的空間分布特征。

經(jīng)過參數(shù)測試和屬性優(yōu)選，最終確定利用85%的能量衰減頻率屬性進行各向異性橢圓擬合和中高角度裂縫預測。在有效頻帶范圍內，能量衰減到85%時對應頻率值 fm1。當?shù)貙雍蜌鈺r，該屬性表現(xiàn)為低值。利用該值進行各向異性橢圓的擬合得到研究區(qū)中高角度裂縫的分布式：

式中：f 為地震頻率，Hz；p( f )為頻率f 時的地震能量，無量綱；fm1為有效頻帶范圍內某一頻率，Hz；f1為最低頻率，Hz； fh為最高頻率，Hz。 2.3.1 成像測井驗證裂縫預測結果

對比分析成像測井解釋和疊前地震預測的單井裂縫走向玫瑰圖（圖4）表明，車476 井區(qū)裂縫走向的井震表象基本一致，研究區(qū)北部（如車471 井）裂縫走向偏向西南–東北向，研究區(qū)南部（如車476井）裂縫走向偏向東南–西北向。預測結果符合火山巖地質特征，說明疊前方位各向異性技術適合本區(qū)火山巖研究。

2.3.2 單井試油驗證裂縫預測結果

圖4 成像測井解釋裂縫走向和疊前預測裂縫走向對比

預測的裂縫發(fā)育強度與單井試油結果對比分析表明，高產井段裂縫較發(fā)育，如車476 井C3 油層2 533～2 665 m 井段測井解釋裂縫較發(fā)育，對應預測裂縫強度大于1.25、高值可達1.6 的裂縫發(fā)育段（圖5），該井段試油產量13.8 t/d，井震對應關系較好。預測結果符合火山巖油藏特征，說明預測結果可信度較高。

圖5 車476 測井識別裂縫與疊前預測裂縫發(fā)育強度對比

2.3.3 多井試油驗證裂縫預測結果

多井多層試油結果與對應射孔井段預測裂縫發(fā)育強度交會分析（圖6）表明，火山巖試油日產量與裂縫呈現(xiàn)較好的二階數(shù)關系，裂縫越發(fā)育，試油日產量越高。試油數(shù)據(jù)來源于22 口井31 個層段，C1、C2、C3 油層數(shù)據(jù)點分別為10 個、12 個和9 個。

試油產量高于5 t/d 的經(jīng)濟下限產量時，火山巖優(yōu)質儲層對應疊前方位各向異性預測的裂縫發(fā)育強度大于1.25。

2.3.4 油層裂縫分布特征

按照C1、C2 和C3 油層逐層開展裂縫發(fā)育強度（圖7）分析表明，研究區(qū)火山巖裂縫分布受火山機 構控制，裂縫走向以近東西方向為主；火山巖平均 裂縫發(fā)育強度主要為1.10～1.50，縱向上C1 油層裂縫最為發(fā)育，平面上研究區(qū)中部裂縫較為發(fā)育，對應裂縫發(fā)育強度大于1.25。

圖6 疊前預測裂縫發(fā)育強度與試油日產油量交會圖

圖7 疊前各向異性預測的裂縫發(fā)育強度平面分布

2.4 研究成果應用

利用本次研究成果，結合試油試采情況，劃分出3 個油層的有利目標疊合面積為42 km2，共分層立體部署水平井65 口，目前已完鉆的8 口水平井，油層鉆遇率最高可達86%，平均油層鉆遇率接近85%，初期試油產量均在20 t/d以上，實鉆效果較好（表3）。

表3 水平井實鉆效果

3 結論

（1）利用疊前寬方位角地震數(shù)據(jù)，基于HTI 介質理論的方位各向異性裂縫預測技術可以定量描述火山巖裂縫發(fā)育強度和走向。疊前方位各向異性裂縫預測技術能夠準確刻畫準噶爾盆地西北緣火山巖裂縫特征，預測結果與成像測井、試油結果吻合度較高。

（2）受成因復雜和雙介質特征影響，火山巖自身較強的各向異性會造成疊前各向異性裂縫預測結果存在多解性。實際應用過程中，需要綜合應用地質認識和鉆井信息等進行比對校驗，以提高預測結果的可用性。

（3）疊前方位各向異性適合于中高角度裂縫預測，對于低角度裂縫還需采用疊后地震不連續(xù)檢測等方法進行預測。