楊建禮,高利君,李 俊,龍 凡,范偉佳,劉春雨

(1.北京珠瑪陽光科技有限公司,北京100083;2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆烏魯木齊830011)

中國油氣勘探開發(fā)中,致密儲層如頁巖氣、致密油、致密砂巖氣儲層等所占比重越來越大。因為裂隙發(fā)育不僅改善了儲層的滲透性,還有利于提高壓裂效果,所以致密儲層包括碳酸鹽巖縫洞儲層和非常規(guī)致密油氣儲層的勘探開發(fā)中,地震裂隙預測尤為重要。

通常認為,地殼中存在大量定向排列各向異性(extensive-dilatancy anisotropy,EDA)的微裂隙,因此橫波在地殼介質中傳播時會發(fā)生分裂現(xiàn)象[1-2]。大量研究表明,平行排列的垂直或高角度裂隙的發(fā)育情況與介質的方位各向異性高度相關[3]。THOMSEN[4]給出了碎屑巖3個各向異性參數(shù)值的統(tǒng)計結果,統(tǒng)計結果顯示,與橫波速度相關的各向異性參數(shù)γ的值均約為與縱波速度相關的各向異性參數(shù)ε值的2倍,這表明橫波速度的各向異性遠大于縱波速度;CRAMPIN[5]采用橫波分裂方法研究了冰島地區(qū)大洋中脊快橫波的方向,發(fā)現(xiàn)其總體為NW-SW向;吳晶[6]認為橫波對各向異性介質非常敏感,并能穿透地球內部不同圈層的介質,因此是研究地球內部各向異性最常用的方法;吳晶等[7]利用地震臺站實際觀測的快、慢橫波信息研究了華夏地塊東南部地殼的各向異性;魏建新[8]在實驗室證實了橫波速度存在11%～13%的方位各向異性;魏建新等[9]利用模型研究發(fā)現(xiàn)橫波速度對裂隙密度最敏感;唐建侯等[10]在四川盆地碳酸鹽巖地區(qū)利用采集的橫波地震數(shù)據(jù)證實了不同方向的橫波速度不同;李彥鵬等[11]利用轉換波資料提取快、慢橫波,用于研究碳酸鹽巖的裂隙發(fā)育情況;趙永勤等[12]在塔里木盆地利用兩條二維測線的橫波資料研究確定了雅克拉構造主裂隙方向為近南北向,與該構造最大主應力方向呈銳角相交;趙軍等[13]利用測井正交偶極子聲波資料開展了碳酸鹽巖橫波速度各向異性研究;張廣智等[14]構建了HTI介質的碳酸鹽巖裂隙巖石物理模型并利用1口井的測井資料計算了3個Thomsen各向異性參數(shù),研究結果顯示在裂隙發(fā)育的層段γ值明顯大于ε值。

各向異性與裂隙發(fā)育密切相關,各向異性強度反映了裂隙密度,各向異性主方向(長軸方向)即為裂隙方向。相對于利用相干、曲率和螞蟻體等屬性的裂隙間接預測技術,各向異性反演技術對裂隙的預測和刻畫更為準確可靠。利用相干、曲率和螞蟻體等屬性的裂隙間接預測技術主要用于檢測較大尺度斷裂或者小斷層(并不是裂隙),而各向異性反演技術能夠更好地檢測小尺度的規(guī)模微斷裂或裂隙(集中發(fā)育且能夠為各向異性反演成果檢測到)[5]。

在油氣勘探領域,實際地震資料各向異性反演主要利用寬方位地震數(shù)據(jù)的疊后地震屬性(包括疊加振幅、衰減、P波阻抗等)以及疊前P波振幅、AVO梯度屬性,鮮有利用疊前反演橫波速度進行各向異性反演。陳楠等[15]利用疊后振幅屬性進行方位各向異性反演,預測了頁巖層裂隙發(fā)育區(qū);于曉東等[16]在準噶爾盆地車排子地區(qū)利用疊前分方位振幅屬性,進行了振幅隨方位角變化(amplitude variation with-azimuth,AVAZ)的處理,得到了裂隙方向和裂隙密度;趙思為等[17]利用方位波阻抗屬性進行了各向異性反演(橢圓擬合),預測了川東北嘉陵江組二段裂隙發(fā)育區(qū);畢研斌等[18]利用P波方位各向異性屬性預測了四川盆地碳酸鹽巖儲層裂隙發(fā)育區(qū);楊勤勇等[19]利用縱波方位各向異性屬性研究了塔河地區(qū)碳酸鹽巖裂隙發(fā)育程度。

計算機超算能力大幅提高、寬方位地震炮檢距向量片(offset vector tile,OVT)處理技術[20-22]的普及以及分方位疊前偏移的便捷實現(xiàn),均為基于OVT域道集或分方位疊前偏移道集的方位各向異性反演技術的實現(xiàn)提供了可能。以往方位各向異性反演均未涉及基于寬方位地震OVT域道集或者分方位疊前偏移道集橫波速度反演,也未能給出更合理的方位扇區(qū)劃分方法,本文首先分別基于OVT域道集和分方位疊前偏移道集數(shù)據(jù)提出了橫波速度方位各向異性反演方法,重點探討了如何合理地劃分不同方位扇區(qū)、以及各個扇區(qū)如何提高橫波速度反演精度的策略,然后提出了方位扇區(qū)劃分的兩個重要原則和橫波速度無井反演方法,最后將該方法應用于塔里木盆地碳酸鹽巖裂隙和縫洞儲層預測,以驗證方法的有效性。

1 技術方法

1.1 橫波分裂

橫波分裂又被稱為橫波雙折射,20世紀70年代最早被CRAMPIN等[1]發(fā)現(xiàn)并證實,他們利用人工地震地殼測深和天然地震資料,證實了橫波分裂現(xiàn)象的存在,并且發(fā)現(xiàn)快橫波的偏振方向與應力場方向一致。隨后ANDO等[23-24]發(fā)現(xiàn)橫波分裂的證據(jù),他們對日本中部地區(qū)一個地方臺網記錄的中源地震橫波波形進行了分析,認為橫波分裂成為兩個相互正交且具有不同速度的偏振波,初至時差最大為0.9s。

橫波通過各向異性介質時分裂為速度各異的兩個波:一個波偏振方向平行于裂隙走向,速度較快,稱為快橫波;另一個波偏振方向垂直于裂隙走向,速度較慢,稱為慢橫波[9]。

利用橫波分裂的思想,我們首先對寬方位地震道集進行不同方位扇區(qū)劃分,然后在每一個方位扇區(qū)內,將其近似地看作各向同性,再利用各向同性Zoeppritz線性方程求解橫波速度,最后通過橢圓擬合處理的方法,確定快橫波速度的方向和大小,以及慢橫波速度的大小,還可以進一步求出快橫波與慢橫波的速度比值,即各向異性的強度。

1.2 橫波速度各向異性反演方法

1.2.1 方位扇區(qū)劃分

方位各向異性反演多采用寬方位地震數(shù)據(jù)。寬方位地震數(shù)據(jù)處理目前普遍采用OVT處理方法[20]。其中,OVT面元抽取方法為從每個CMP道集中抽取大致相同的偏移距和方位角,將其重新排列成一個小矩形面元,得到的每個OVT面元內的每一道都具有大致相同的偏移距和方位角。單獨對某一個OVT面元進行疊前偏移,偏移后每一道都記錄著偏移距和方位角信息[25-27]。如果未對寬方位地震數(shù)據(jù)進行OVT處理,為節(jié)省計算量,可以采用分方位疊前偏移處理方法。無論采用OVT處理方法還是分方位疊前偏移處理方法,都涉及到方位扇區(qū)的劃分。

利用橫波分裂的思想研究介質方位各向異性,需要對全部方位的地震數(shù)據(jù)進行方位扇區(qū)劃分,為了保證每個扇區(qū)均能較好地成像,同時減少非方位因素造成的各向異性差異,方位扇區(qū)的劃分應該遵守以下兩個原則。

1) 每個扇區(qū)要保證一定的覆蓋次數(shù)(通常不少于35次),而且各個扇區(qū)覆蓋次數(shù)大致相當。方位扇區(qū)個數(shù)以5～6個為宜,方位扇區(qū)個數(shù)太少則不能保證橢圓擬合精度,太多則不能保證足夠的覆蓋次數(shù),從而導致疊前反演結果信噪比低,成像精度低。

2) 保證每個扇區(qū)都包含近、中、遠偏移距道集數(shù)據(jù),而且最大偏移距大致相同,避免因遠偏移距不同造成不同扇區(qū)的各向異性差異。

圖1是TH-A區(qū)寬方位道集數(shù)據(jù)的方位角和偏移距分布的直方圖以及扇區(qū)TH-A區(qū)劃分結果。每個扇區(qū)的覆蓋次數(shù)大約為35次,每個扇區(qū)道集數(shù)據(jù)的最大偏移距均為5000m,每個扇區(qū)都包含近、中、遠偏移距道集數(shù)據(jù)。

圖1 TH-A區(qū)寬方位道集數(shù)據(jù)方位角和偏移距分布的直方圖(a)及扇區(qū)劃分結果(b)

1.2.2 方位扇區(qū)橫波速度無井約束地震反演

將研究區(qū)劃分為6個方位扇區(qū),利用6個扇區(qū)的OVT域道集數(shù)據(jù)或者分方位疊前偏移道集數(shù)據(jù)以及地震速度信息,使用如下的Zoeppritz線性公式開展穩(wěn)健抗噪的AVO三參數(shù)反演[28]可以得到橫波速度的反射率地震體(該地震體也被稱作彈性地震體,與疊加地震體相區(qū)分)。

(1)

式中:RP為反射系數(shù);θ為入射角;vP為縱波速度;vS為橫波速度;ρ為密度。

統(tǒng)計研究區(qū)或鄰區(qū)目的層段測井資料的橫波速度均值,該均值為地震反演中需要補充的常數(shù)低頻分量。無井地震反演的原理如下:通常在目的層段(時窗約為300ms),橫波速度的低頻趨勢可以看作一個常數(shù),橫波速度的相對值(類似橫波速度反射率積分)與目的層段橫波速度的常數(shù)低頻趨勢相加即可得到橫波速度的絕對值。對每個扇區(qū)進行橫波速度無井地震反演,可得到6個扇區(qū)橫波速度數(shù)據(jù)。由于每個扇區(qū)都是給定一個相同的常數(shù)低頻分量,因此各個扇區(qū)原有的橫波速度差異得以保留。也可以使用有井約束地震反演方法獲得橫波速度,但需注意反演結果受井數(shù)據(jù)約束不能太強,避免造成6個不同扇區(qū)的橫波速度的反演結果趨同,抹平了其應有的差異,從而無法完成合理的橢圓擬合處理,也無法確定快、慢橫波速度的方向和大小。

圖2是TH-A區(qū)6個方位扇區(qū)橫波速度無井反演的結果,每個扇區(qū)目的層段(4100～4300ms)橫波速度縱向變化規(guī)律與測井橫波速度曲線的變化趨勢吻合。

圖2 TH-A區(qū)6個方位扇區(qū)橫波速度無井反演結果

1.2.3 橢圓擬合

橢圓擬合方法作為寬方位地震數(shù)據(jù)解釋的重要方法,可用于確定裂隙方向和裂隙密度,無論針對疊后地震屬性數(shù)據(jù)還是疊前反演的彈性參數(shù)數(shù)據(jù),均可以采用該方法。通常使用5～6個不同方位扇區(qū)的疊后屬性或者疊前反演彈性參數(shù)數(shù)據(jù),采用橢圓擬合方法得到一個代表疊后屬性或者彈性參數(shù)的橢圓。該橢圓的長軸(快方向)代表每一道每一個時間樣點(位置)方位各向異性的主方向(裂隙走向),長軸與短軸的比值代表該位置方位各向異性強度(裂隙密度)。

由于橫波速度在反映地下介質方位各向異性方面具有優(yōu)勢,即橫波速度的方位各向異性最強,因此橫波速度方位各向異性反演方法可靠有效。圖3是對6個扇區(qū)橫波速度疊前反演結果進行橢圓擬合的示意,根據(jù)6個扇區(qū)橫波速度的反演結果(圖3a)進行橢圓擬合處理(圖3b),最終得到裂隙密度和裂隙方向疊合顯示結果(圖3c)。該位置裂隙的走向為北東(NE)向,裂隙密度為1.24,也就是在平行于裂隙面方向的橫波(快橫波)速度較垂直于裂隙面方向的橫波(慢橫波)速度提高了24%。因為HTI介質表現(xiàn)為弱各向異性[4],所以通常情況下其裂隙密度值不會很大。

圖4和圖5分別為分方位疊前偏移道集和OVT域道集橫波速度各向異性反演流程,二者的不同之處在于方位扇區(qū)劃分在疊前偏移前和疊前偏移后。圖4 所示的流程是先對CMP道集進行方位扇區(qū)劃分,然后再對每一個扇區(qū)進行疊前偏移處理,最終得到每一個扇區(qū)的疊前偏移道集;圖5所示的流程則是對疊前偏移后的OVT域道集直接進行方位扇區(qū)劃分。分方位疊前偏移因為在疊前偏移前已經完成了不同方位扇區(qū)的劃分,因此疊前偏移后的扇區(qū)方位角范圍已經固定,不能再進行修改(圖4)。

圖3 對6個扇區(qū)橫波速度疊前反演結果進行橢圓擬合的示意

圖4 分方位疊前偏移道集橫波速度各向異性反演流程

圖5 OVT域道集橫波速度各向異性反演流程

2 應用實例

2.1 基于分方位疊前偏移道集的橫波速度各向異性反演

塔里木盆地TH地區(qū)是開發(fā)多年的重要油田,目前的開發(fā)層系是淺層一間房組和鷹山組上段灰?guī)r儲層,疊加剖面上“串珠”狀縫洞非常發(fā)育,易于識別。但目前勘探對象轉向了深層,巖性也由灰?guī)r轉變?yōu)榘自茙r。研究區(qū)位于塔里木盆地TH-A區(qū),主要目的層為深層鷹山組下段和蓬萊壩組,巖性以白云巖為主,儲層為小規(guī)?？p洞或裂隙型儲層,儲層較為隱蔽,因此在圖6所示的地震剖面上并沒有如淺層那樣發(fā)育眾多“串珠”狀地震反射。這也是深層儲層預測的難點之一,即對于深層的勘探對象,基于疊加地震數(shù)據(jù)的振幅雕刻類儲層預測方法不再有效。由于橫波速度方位各向異性反演主要反映裂隙發(fā)育程度,因此需要在研究區(qū)開展橫波速度方位各向異性反演研究。

塔里木盆地TH-A區(qū)無OVT域道集數(shù)據(jù),僅有寬方位CMP道集數(shù)據(jù),所以首先將TH-A區(qū)360°方位道集數(shù)據(jù)劃分為6個方位扇區(qū)(圖1),然后按照圖4所示的流程對每一個扇區(qū)依次開展疊前偏移處理,最后得到了6個方位扇區(qū)共反射點(CRP)道集數(shù)據(jù),并利用這些CRP道集數(shù)據(jù)開展疊前橫波速度無井反演和橢圓擬合。

圖6 較少發(fā)育“串珠”狀地震反射的TH-A區(qū)蓬萊壩組地震剖面

圖7a為TH-A區(qū)過W2井蓬萊壩組疊加地震剖面,W2井的目的層段為4180～4240ms“串珠”狀地震反射目標,因為按照以往淺層縫洞儲層的地震響應認識,這種“串珠”狀地震反射發(fā)育縫洞優(yōu)質儲層的可能性很大,但實際鉆探的結果卻是低速、低密度硅質巖(不是碳酸鹽巖)地層,圖7a中的測井曲線為波阻抗曲線。圖7b右上角FMI測井成果所示的目的層段(7550～7600m)既不發(fā)育溶洞(巖心照片分析結果)也不發(fā)育裂隙,這與橫波速度方位各向異性反演得到的方位各向異性反演成果吻合,目的層段(4195～4220ms)方位各向異性強度較弱(小于1.05,僅有5%各向異性),表明該層段不發(fā)育裂隙。隨后,我們在方位各向異性強度較大(大于1.16)的硅質巖的上方實施了側鉆,側鉆結果揭示了裂隙型儲層。圖8為在TH-A區(qū)采用橫波速度方位各向異性反演方法得到的裂隙方向和裂隙密度疊合顯示,裂隙方向主要為北東(NE)向,其次為北西(NW)向,這與研究區(qū)發(fā)育的走滑共軛斷裂有關,TH-A區(qū)主要發(fā)育兩組平面上呈X型的走滑共軛斷裂系統(tǒng),一組為NE向(主斷裂)、另一組為NW向[29],兩組裂隙走向與兩組斷層走向呈銳角相交。

圖7 TH-A區(qū)過W2井蓬萊壩組疊加剖面(a)和橫波速度方位各向異性反演得到的裂隙密度剖面(b)

圖8 TH-A區(qū)采用橫波速度方位各向異性反演方法得到的裂隙方向和裂隙密度疊合顯示

在今后深層蓬萊壩組勘探中,我們需要將橫波速度方位各向異性反演研究和疊加地震振幅雕刻研究相結合預測縫洞儲層或者裂隙型儲層,該方法能避免出現(xiàn)儲層預測錯誤,降低鉆干井的幾率和風險。

2.2 基于OVT域道集橫波速度各向異性反演

該研究區(qū)位于塔里木盆地TH-B區(qū),主要目的層是淺層一間房組和鷹山組上段,儲層主要為規(guī)?？p洞系統(tǒng),在疊加地震剖面上通常表現(xiàn)為“串珠”狀地震反射特征。TH-B區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)為OVT域道集數(shù)據(jù),故按照圖5所示的流程開展橫波速度方位各向異性反演。

圖9顯示了TH-B扇區(qū)劃分結果以及寬方位道集數(shù)據(jù)方位角和偏移距分布情況,按照方位扇區(qū)劃分的兩個原則將其劃分為6個扇區(qū),每個扇區(qū)覆蓋次數(shù)大體相同,均為50次左右。每個扇區(qū)經過切除后的道集數(shù)據(jù)的最大偏移距均為5500m,均包含近、中、遠偏移距道集數(shù)據(jù)。

圖10是TH-B區(qū)6個扇區(qū)OVT域道集,每個扇區(qū)道集質量相差無幾。圖11是TH-B區(qū)6個扇區(qū)橫波速度無井反演結果,方位各向異性導致了不同扇區(qū)橫波速度的差異。圖12是TH-B區(qū)縱波阻抗和橫波速度方位各向異性反演結果和疊加振幅平面顯示,其中圖12a和12c分別是基于縱波阻抗、橫波速度方位各向異性反演結果,很明顯在縫洞發(fā)育位置,橫波速度方位各向異性反演得到的方位各向異性異常范圍明顯大于縱波阻抗方位各向異性反演結果,這說明橫波速度對方位各向異性更敏感,刻畫溶洞周邊裂隙的能力更強?？v波阻抗由于對方位各向異性不如橫波速度敏感,因而無法檢測小規(guī)模的裂隙。與縱波阻抗方位各向異性強度平面顯示(圖12d)相比,從橫波速度方位各向異性強度平面顯示結果(圖12f)可以看出,AD4井附近,縫洞體的平面分布范圍更大。

圖9 TH-B區(qū)扇區(qū)劃分(a)以及寬方位道集數(shù)據(jù)方位角和偏移距分布(b)結果

圖10 TH-B區(qū)6個扇區(qū)OVT域道集

圖11 TH-B區(qū)6個扇區(qū)橫波速度無井反演結果

圖12 TH-B區(qū)縱波阻抗和橫波速度各向異性反演結果和疊加振幅平面顯示

因為疊加地震剖面的振幅屬性反映溶洞的能力強,反映裂隙的能力弱,故橫波速度方位各向異性刻畫的縫洞體規(guī)模(圖12c)大于疊加地震剖面上的縫洞體規(guī)模(圖12b)。橫波速度方位各向異性反演得到的方位各向異性強度主要反映了裂隙,通常溶洞是在裂隙發(fā)育的基礎上發(fā)展而來,縫洞相伴存在,只要溶洞周邊發(fā)育規(guī)模裂隙(能夠被地震分辨率識別的裂隙集合體),縫洞體就能在橫波速度方位各向異性反演成果上得到反映。圖12f更能反映出縫洞一體的特征,尤其是當兩個溶洞距離較近時,兩者的縫洞體可能連通形成一個彼此溝通的連片縫洞體,進而增加了含油氣面積和儲量規(guī)模。從疊加振幅平面顯示(圖12e)上可以看出,這兩個溶洞彼此孤立。

TH-B區(qū)一間房組目前共有16口生產井進行油氣開采,即16口井在該層段都鉆遇了儲層。從圖12e 可以看出,至少有3口井(箭頭所示)無強振幅特征,而從圖12f可以看出,包括這3口井在內的所有井均存在方位各向異性強度大的特征,這3口井很可能是小規(guī)模的縫洞?？p洞因規(guī)模小未產生“串珠”狀強振幅反射,但橫波速度方位各向異性強度平面顯示存在強方位各向異性響應,表明采用橫波速度各向異性反演刻畫縫洞體包括小規(guī)?？p洞更為準確、可靠。

3 結論與討論

將基于橫波分裂思想的橫波速度各向異性反演預測裂隙的方法應用于兩個研究區(qū)的實際地震數(shù)據(jù),反演結果驗證了本文方法的可靠性。與縱波阻抗各向異性反演結果相比,本文方法反映和預測裂隙能力更強、精度更高,在進行寬方位地震采集的地區(qū)可以推廣應用?；诜址轿化B前偏移道集或者OVT域道集的橫波速度方位各向異性反演需注意以下3個方面。

1) 方位扇區(qū)通常要劃分5～6個,每個方位扇區(qū)的覆蓋次數(shù)通常不少于35次。每個方位扇區(qū)須包含近、中、遠偏移距數(shù)據(jù),而且最大遠偏移距數(shù)據(jù)基本一致。各個方位扇區(qū)的覆蓋次數(shù)大體一致。

2) 因為各方位扇區(qū)橫波速度反演要保留其速度差異,所以通常給定的低頻趨勢模型是一致的,這樣才能保留各方位扇區(qū)原有的速度差異。

3) 相較于分方位疊前偏移道集,OVT域道集偏移成像精度更高,在劃分扇區(qū)時也可以更靈活方便地修改扇區(qū)的方位角范圍。而分方位疊前道集偏移成像完成后,扇區(qū)范圍固定,不能再修改扇區(qū)方位角范圍。