地震资料叠前裂缝预测技术在静北潜山的应用

徐振旺

(中石油辽河油田分公司勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010)

自20世纪60年代在美国西部地区和中东地区储层中发现天然裂缝后，国内外许多学者对储层裂缝预测进行了大量研究[1～3]。传统的裂缝预测方法是利用岩心露头和测井资料，虽然上述资料比较准确、直观，但是岩心及测井资料的控制范围十分有限，且该方法受采样数量﹑仪器精密度和试验环境的影响较大。由于地震数据采集范围大，可以以岩心和测井资料为控制条件，利用地震资料进行全区裂缝预测，这是目前储层裂缝预测的有效方法之一[4～6]。与地震资料叠后裂缝预测技术相比，地震资料叠前裂缝预测技术利用了三维地震资料在空间上的优势，通过大量理论研究和实际应用可知，由于地震波在储层裂缝中传播时，不同方位或者不同偏移距的地震波会产生不同的响应，因此可以利用不同方位和不同偏移距的地震属性响应特征进行储层的裂缝预测。

从近年来的油气勘探开发成果可以发现，静北潜山内部存在多套裂缝发育带，但是由于基岩内幕的构造比较复杂，裂缝的形成机理、分布规律和油气成藏特征认识不够清楚。另外，由于目前对基岩潜山内幕结构缺少有效的研究手段、对潜山储层特征缺乏系统研究等原因，造成基岩油气藏勘探难度的进一步加大[7]。为此，笔者应用地震资料叠前裂缝预测技术，明确了静北潜山基岩潜山的裂缝发育情况，为辽河油田基岩油气藏勘探储备了新的技术手段。

1 基本原理

纵波在裂缝介质中传播时，具有方向特性，即纵波的许多传播性质随着观测角度的变化而不同，如速度、反射系数、频率等，而上述变化与裂缝的方向和密度相关，因此利用叠前纵波资料可以有效预测裂缝发育的走向和密度分布规律。

基于弱各向异性理论，Rüger[8]建立了双层HTI(horizontal transverse isotropy)介质模型，模型的对称轴方向平行，并且模型的弹性参数都比较接近，得到界面两侧纵波的反射系数近似关系式：

(1)

式中：Rpp为纵波反射系数，1；θ为入射角，即偏移距，(°)；φ为方位角，(°)；Z为纵波阻抗(Z=ρα)，100g/(cm2·s)；G为横波切向模量(G=ρβ2)，Pa；ρ为密度，g/cm3；α、β分别为纵、横波速度，m/s；δ(v)、ε(v)、γ为Thomsen各向异性系数，取值范围为[-0.2，0.2] (弱各向异性介质)，1；上标v表示纵波垂向传播；Δ表示上、下界面物理量之间的差；-表示上、下界面物理量之间的平均值。

当入射角较小时，sin2θtan2θ较小，式(1)可简化为：

(2)

φ=φ′-φsym

式中：Giso为各向异性系数，表示反射系数在不同偏移距下的变化率，1；Gani为各向同性系数，表示不同偏移距和方位角作用下的反射系数的变化率，1；φ′为裂缝方向与正北方向的夹角，(°)；φsym为与裂缝走向垂直的方位角，(°)。

在式(2)中引入三角变换2cos2φ=1+cos2φ，进一步简化为：

F(θ,φ)=A(θ)+B(θ)cos2φ

(3)

式中：A(θ)和B(θ)为与方位角无关的系数，1；F(θ,φ)可以是纵波的振幅、NMO(normal move out)速度和频率等各种属性，由于振幅、频率等信息较速度信息对裂缝变化特征的敏感性更强，且前者更容易被提取，所以在实际应用中大多利用地震波的动力学信息(振幅、频率等)[9～11]。

图1 地震属性沿裂缝不同方向变化的示意图

如图1所示，当固定θ时，在极坐标中，F(θ,φ)形成了一个椭圆，椭圆长轴方向(即A+B方向)表示裂缝走向，椭圆长短轴之比(A+B)/(A-B)表示储层裂缝的密度。

在固定θ的情况下，对于每个CMP(共中心点)，若知道3个方位角的地震属性数据F(φ1)、F(φ2)、F(φ3)和φ1、φ2、φ3这3个方位道集与裂缝走向之间的夹角，则可得：

(4)

由此，确定裂缝方位和密度就变成了线性代数中的正定问题，可精确求解A、B和φsym。3个以上方位的组合可以看作是许多正定问题的集合，对得到的多个解进行椭圆拟合，即可得到唯一解，便可计算任意CMP的裂缝方向和密度。

2 纵波反射系数方位各向异性数值模拟分析

在各向异性介质中，研究纵波不同方位的反射系数准确解有一定困难，因此利用Rüger给出的纵波近似反射系数方程，建立一组双层界面模型，上层为各向同性介质1，下层分别为各向同性介质2、HTI介质1、HTI介质2，HTI介质中对称轴走向为φsym=0°，详细参数如表1所示。

天理图书馆收藏17号敦煌写卷，主要来自李盛铎、许承尧、张大千等旧藏，其中张大千旧藏构成了天理图书馆藏品的主体。这批文献的主要内容是汉文佛典，还有藏文、回鹘文等佛教、道教经典，以及论语、诗经、开蒙要训、社司转帖、本草等残卷等。除写本外，该馆还藏有大谷探险队带回的敦煌纸本绘画“玄奘三藏像”，但入藏途径尚未明。

表1 地质模型参数

注：vp、vs分别为纵、横波速度。

图2 不同介质间的反射系数随方位角和入射角变化的极坐标图

从图2可以看出，当上、下两层均为各向同性时，纵波反射系数的极坐标图为圆；而上层为各向同性，下层为HTI介质时，纵波反射系数的极坐标图为椭圆，入射角越大，各向异性强度越大，椭圆的扁率越大；椭圆的长轴或短轴都有可能指示裂缝的走向。

3 井上岩石物理模型正演模拟

通过纵波反射系数方位各向异性分析可知，不同方位拟合的椭圆长轴或短轴均可能指示裂缝发育的方向，因此使用振幅或者相对波阻抗属性预测裂缝方向时，应考虑应用岩石物理模型的正演模拟来确定长轴还是短轴指示裂缝发育的方向。在正演模拟中，利用测井数据得到的各向异性参数，计算叠前地震反射振幅在各个方位和不同入射角的响应，最后确定裂缝的方向是椭圆的长轴还是短轴。

通过对静北潜山测井数据的筛选，只有A73井、A85井、A95井、A104井共4口井满足正演模拟的条件。静北潜山的井数据均缺少密度和横波资料，利用Gardner公式求取每口井的密度，然后应用Xu-White模型计算4口井的横波速度，再利用测井数据计算各向异性参数。由于静北潜山储层中主要含油或水，因此，重点模拟了每口井含有流体的顶部(A73井是干层，其余井为油层或者油水同层)地震响应，并分别在裂缝中充填了油和水，进而研究不同方位的振幅随偏移距变化与裂缝的关系。

通过对上述4口井进行层位标定和岩石物理模型正演结果可知：当静北潜山储层中含有油饱和或者水饱和的裂缝时，反射振幅会随入射角和方位改变，而且随着入射角的变化该差异性会更加明显，含油和含水的差异性很小，除了A73井以外(由于A73井是干层，反应不明显)；在裂缝走向方向，反射振幅随偏移距的衰减比在裂缝法向方向要小，可以使用椭圆长轴方向代表裂缝的走向。

4 主要技术流程

在实际研究中采用的技术流程是：首先，将叠前方位角道集数据进行道集优化处理，选择偏移距的范围，再划分方位角；然后，将不同范围内的方位角道集进行叠加偏移，并提取各个方位角的属性；最后，通过椭圆拟合得到研究区的裂缝发育特征，详见图3。

图3 叠前裂缝预测技术流程图

4.1 叠前道集优化

静北潜山叠前数据是经过保幅处理后的CMP道集数据，数据的品质不高，存在噪声较严重、分辨率较低、没校平等问题，因此在该数据基础上做了去噪处理、能量均衡处理、拉平处理、提高分辨率处理。从图4中可以看出，处理后的地震数据品质明显提高，使得后续的叠加偏移效果更好、方位各向异性裂缝预测结果更加准确，减少了由于数据本身带来的多解性问题。

4.2 选择偏移距

图4 叠前地震数据处理前、后对比

4.3 划分方位角

叠前裂缝预测最重要的是地震数据的方位角划分。去掉远、近偏移距的地震数据的覆盖数量为：最小0次，最大129次，平均为43.24次。由于原始数据叠加数量较大，而去掉远、近偏移距后的地震数据的覆盖数量变小，因此可以减少分方位的个数。

1)均等分方位角 将其分为4个方位角，并减少分方位的个数，以增加每组方位角覆盖数量，使其叠加和偏移后的地震剖面能够携带更多的裂缝信息。从表2中可以看出，均等分方位角后，平均方位角22.5°和67.5°地震数据的平均覆盖数量比112.5°和157.5°的地震数据覆盖数量少，且每个方位角地震数据的覆盖数量都相差较大，使用该分方位角方法得到的叠加剖面进行裂缝预测，可能得到错误的结果。

2)不等分方位角 原则是使所划分的方位角的覆盖数量基本相同、能量基本相同。通过反复试验和对比，将其分为4个方位角的地震数据，如表3所示。从表3可以看出，方位角的平均覆盖数量基本都在10.7次左右，相差非常小，基本保持均等，减少了人为的各向异性，使得裂缝预测结果比较准确。

表2 均等分方位角数据统计

表3 不等分方位角数据统计

4.4 超面元叠加

虽然不等分方位角使得不同方位角内的数据覆盖数量相同，但是覆盖数量太少，且不均匀，降低了地震资料的信噪比。采用数据规则化技术使其覆盖数量较均匀，可提高信噪比，改善偏移成像效果。目前，实现数据规则化的技术有插值法、借道法(超面元法)、DMO(dip move out)、DMO-1等[12]，通常采用借道法，即每个面元向相邻的面元借距离最近的道数据，使各方位的覆盖数量基本相同。该次研究将不同的方位数据进行75m×75m的超面元叠加，提高了数据的叠加数量，改善了数据的信噪比。

4.5 偏移

对叠前CMP数据进行不等分方位角和超面元叠加后，采用同一个速度场进行叠后时间偏移得到4个平均方位角的偏移数据体。从图5可知，研究区目的层数据绕射波收敛较好，断点归位较好，剖面较清晰，4个平均方位角的地震数据能量较均衡，说明分方位角处理的数据可以用来进行叠前方位各向异性裂缝预测。

图5 4个平均方位角的偏移剖面

图7 裂缝密度连井剖面

5 应用效果分析

5.1 平面分析

利用地震资料叠前裂缝预测技术，对静北潜山的裂缝发育情况进行预测。结合地震资料、井资料的统计分析，以及该区沉积特征，综合预测静北潜山的裂缝发育区集中在构造发育的高部位。从图6可以看出，元古界裂缝发育区主要集中在中部和南部地区，而太古界裂缝发育区主要集中在南部。裂缝预测结果与生产情况较好井的钻井结果对比发现，大部分产油井都集中在裂缝密度的高值区，符合度达85.7%。

5.2 剖面分析

利用已知井的试油数据、岩心数据、成像测井等资料与裂缝预测结果进行对比验证，通过裂缝密度连井剖面与试油数据的对比(图7)发现，除了A96井(试油结论为油水同层)以外，其余井的试油数据均与裂缝预测结果相符，进一步说明地震资料叠前裂缝预测技术的效果较好。

6 结论

1)在利用叠前振幅和相对波阻抗进行裂缝预测时，需用岩石物理模型的正演模拟来确定指示裂缝发育方向的是椭圆的长轴还是短轴，为后续分析裂缝预测结果提供一定的解释标准。

2)在进行叠前裂缝预测之前，需做好保幅、去噪等一系列处理，且在分方位角时尽量使得每个方位的数据覆盖数量相同，并采用超面元叠加提高资料信噪比，尽量减少人为因素造成的地震资料的各向异性。

3)在提取方位属性时，应尽量提取多种属性，避免单一属性的局限性，比较各种属性的裂缝预测结果，并结合地质、测井、钻井等资料，优选出最佳结果。

4)通过对静北潜山进行叠前地震资料裂缝预测发现，裂缝发育区主要集中在构造发育的高部位，通过与实际资料的对比分析，证实了裂缝预测结果的可靠性，因此可以利用该方法进一步预测静北潜山内幕的裂缝发育情况。