方位各向异性裂缝检测技术在牛东潜山的应用

王 攀，张梦琳，王 鑫，赵智鹏，刘 杏

中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552

引言

牛东潜山带油位于霸县凹陷牛东断裂下降盘，自2010 年以来，牛东潜山带碳酸盐岩勘探取得重大突破，在雾迷山组发现了厚度大，面积广的碳酸盐岩储层，储集空间类型以裂缝、孔洞、溶洞为主。

碳酸盐岩储层受断裂活动、成岩作用等影响，具有非均质性强、储集空间多样、结构复杂等特征[1-4]。针对牛东潜山带碳酸盐岩储层在勘探前期开展了一系列的技术研究，包括野外露头观察、岩芯裂缝的宏观和微观观测、生产动态观测、成像测井识别以及利用地震资料识别裂缝。

目前地震识别裂缝的方法主要有相干分析、边缘检测、分形技术、方位各向异性、弹性反演、波形分析、频率差异分析、局域振幅横向差异性、吸收和衰减属性分析构造曲率分析，蚂蚁追踪和神经网络技术等[5-11]，但这些方法都只是对牛东潜山带裂缝的发育情况进行了定性描述。

随着开采的不断深入，对勘探精度的要求越来越高。由于牛东潜山带埋藏深，深层地震资料能量弱、信噪比低，难于准确识别潜山储层裂缝，难以对裂缝储层进行定量研究。因此，缝洞储层的有效预测成为制约该区碳酸盐岩勘探的技术瓶颈。

本文利用叠前地震资料数据量大、信息量大的优势，通过AVAz 技术检测包含在叠前（观测）方位--偏移距二维时空域中裂缝的地震响应信息[12]，最终计算得到了牛东潜山带碳酸盐岩储层裂缝的方位和密度，实现了该区碳酸盐岩裂缝储层从定性到半定量的检测，对同类型储层的裂缝预测具有一定的借鉴作用。

1 方位各向异性裂缝预测理论基础

碳酸盐岩储层尤其是埋藏较深的潜山，由于受上覆地层的压实作用和多期次断裂的构造因素控制下，主要发育高角度定向分布的裂缝。

牛东潜山储层属于这种类型，多发育高角度定向分布裂缝，这种裂缝类似HTI 介质模型——即具有水平对称轴的横向各向同性介质（图1）。

Ruger 在弱各向异性的前提下，推导出HTI 介质纵波反射系数的近似表达式，反映了纵波反射系数随入射角与观测夹角的变化，即

在入射角较小时，Ruger 近似式的第四项接近0，可以省去，于是将该近似式可简化为

因为研究目的是地震反射的方位特性，所以在固定入射角的情况下，令

最终将Ruger 公式简化为

图1 HTI 介质模型示意图Fig.1 Schematic diagram of HTI media model

根据这个关系式将反射振幅随观测夹角的变化关系拟合成振幅椭圆[13-19（]图2）。从图2 可以看出，当B＞0 时，拟合出振幅椭圆的长轴所指示的方向为裂缝的走向。

图2 振幅随观测夹角变化关系Fig.2 Relationship between amplitude and angle of observation

当B＜0 时，拟合出椭圆短轴所指示的方向为裂缝的走向，当各向异性参数B=0 时，介质为各向同性介质。此时振幅不随观测方位变化，拟合出的形状为圆形。

可见拟合出椭圆的形状越扁，表示介质的方位各向异性特征越强，裂缝越发育。

所以可以用圆扁率值作为裂缝发育密度的相对度量，从而半定量地得到裂缝发育密度；用拟合出椭圆长轴或短轴所指示的方向表示裂缝的方位，得到裂缝发育的方位。

究竟是用椭圆长轴还是椭圆短轴来表示裂缝的方位？这需要根据工区的实际地层参数建立岩石物理模型，模拟目标裂缝储层的地震响应随方位角和入射角变化，通过方位椭圆拟合，确定裂缝方位指示。

对于实际的地震资料，只要知道3 个或3 个以上方位角的地震信息，便可以求取A、B的值，从而反演出裂缝的方位和密度。

基于以上的原理，拟定牛东潜山带裂缝预测的技术流程（图3），其中地震波场正演模拟技术、方位角道集数据处理技术是关键技术。

图3 技术流程图Fig.3 Technique flowchart

2 AVAz 技术在牛东潜山带的应用

牛东潜山带是一个典型的潜山碳酸盐岩裂缝储层，其储层以裂缝、孔洞、溶洞为主，它们对油气的赋存和运移起着重要作用。以该区为例将方位各向异性技术实际应用于潜山碳酸盐岩的裂缝检测。

2.1 裂缝岩石物理模型正演模拟

岩石物理正演模拟，得到振幅随偏移距和方位角变化的关系，不仅可以指导在实际资料的椭圆拟合中，裂缝的方位指示使用拟合椭圆的长轴还是短轴，同时可以验证使用叠前资料预测裂缝的可行性，以及选择偏移距的范围。这里用已获高产工业流油的牛东1 井裂缝段进行正演模拟，通过牛东潜山带钻井的纵横波速度和岩石密度资料，在给定裂缝密度、所含流体、裂缝宽度与长度比等裂缝参数条件下，建立起与之对应的岩石弹性模量之间的关系，从而构建地震各向异性岩石物性模型，最终实现裂缝储层的地质模型及弹性介质模拟[20-23（]图4a）。

图4 牛东1 井裂缝段地震响应特征正演模拟Fig.4 Forward modeling of seismic response to fractures of Niudong1

通过岩石物理正演模拟，得到了用方位角道集绘制的AVO 曲线和用入射角道集绘制的各向异性椭圆（图4b），图中不同颜色的曲线表示不同方位角的振幅变化。

从正演模拟的结果可以得到如下结论：（1）随着入射角的增加，不同方位角的振幅均呈减小趋势，偏移距越大，不同方位角振幅差异越明显（图4b），这体现了该地区由裂缝引起的各向异性特征，同时验证了该地区用叠前资料预测裂缝是可行的。

（2）当方位角为0 即在裂缝的法向方向，振幅减小的更快。根据各个方位角道集振幅曲线在入射角为30°时的振幅值拟合的椭圆，发现拟合椭圆的长轴对应于裂缝走向。故在牛东潜山带地震振幅数据的椭圆拟合中，应使用拟合椭圆的长轴来表示裂缝的方向。

（3）入射角（偏移距）较小时，各方位的地震振幅相差不大，各向异性特征不明显，因此过多的近偏移距数据会削弱远偏移距携带的裂缝信息。因此，在方位角数据叠加前要适当舍弃部分近偏移距数据。

2.2 叠前地震分方位角处理

根据前面的分析，基于叠前资料的方位各向异性裂缝检测至少需要3 个或3 个以上方位角的地震信息，同时根据正演结果，入射角较小时，不同方位的振幅反射系数差异不大，因此，近偏移距数据参与方位角道集的叠加会削弱远偏移距数据携带的裂缝信息，但抛弃过多的近偏移距数据，会降低地震资料的覆盖次数和信噪比，同时较远的偏移距会使整个工区的覆盖次数极不平衡。因此，也要去掉部分较大的偏移距。在保证资料具备丰富的方位各向异性特征和足够覆盖次数与信噪比的基础上，确定本区偏移距范围是400∼2 300 m。本着使每个方位角范围的覆盖次数基本一样的原则，划分出4 个方位角，分别是中心角25°、72°、117°和160°（表1）。

表1 方位角划分方案Tab.1 Azimuth partition scheme

根据划分的4 个方位角道集，对叠前CDP 数据进行叠加和偏移。通过叠加剖面（图5）可以看出，不同方位角的地震响应的总体分布特征是相似的，但振幅值的大小具有明显差异。

在覆盖次数基本一致的前提下，排除了非地震因素造成的各向异性，此时振幅方位上的差异是由裂缝引起的。合并这4 个叠加数据体，得到一个方位角道集数据体，其中每个CDP 点有4 个携带不同方位角信息的地震道。

图5 各方位角叠加剖面对比Fig.5 Cross-sectional comparison of all-directions superimposed sections

2.3 裂缝检测效果及分析

基于前面的理论基础和正演模型研究可得任一CDP 点裂缝发育密度和裂缝发育方向（图6）。

图6 潜山顶界面裂缝密度平面图Fig.6 Plane diagram of crack density at the top of buried hill

在全区用圆扁率值绘制出目的层段的裂缝密度矢量图，图中颜色的变化表示裂缝密度的大小，圆扁率高于1.32 用黄红色表示，为裂缝发育带（图6），可以看到工区西北部和东部为潜山裂缝发育区域，整体上呈北东向条带状分布。统计整个工区裂缝发育的方向，从统计的玫瑰图可以看出该区裂缝发育主方向为北东向（图7）。

图7 裂缝方位统计玫瑰图Fig.7 Statistical rose map of fracture azimuth

图8 为过牛东1 井的裂缝密度剖面图，对比牛东1 井对应深度段内的成像测井结果（图9），证实该区确实有高角度的裂缝发育。

图8 过牛东1 井裂缝密度剖面图Fig.8 Fracture density profule of Well Niudong1

图9 牛东1 井成像测井图Fig.9 Imaging log of Well Niudong1

从裂缝方位平面图的统计看出，潜山段牛东1井处裂缝发育方向为北东向，这与成像测井的结果同样一致（图10）。

因此，认为叠前方位各向异性裂缝检测技术的预测结果较为可靠，具有一定的实际应用效果。

图10 牛东1 井裂缝方位统计玫瑰图Fig.10 Statistical rose map of fracture azimuth of Well Niudong1

3 结论

（1）AVAz 技术的关键在于地震波场正演模拟和方位角道集数据处理，在牛东潜山带的应用中发现偏移距范围为400∼2 300 m，划分中心角为25°、72°、117°和160°的4 个方位角，合并后得到的方位角道集数据体进行本区的裂缝预测效果较好。

（2）本文运用AVAz 技术定量预测了牛东潜山带裂缝的方位和密度。结果显示，该区裂缝主要发育于工区东部，整体上呈北东向条带状分布。AVAz的裂缝预测结果与成像测井结果一致，证实该方法适用于多高角度裂缝发育的地区，特别是一些埋藏较深的碳酸盐岩潜山。

符号说明

Rp(i,φ)与入射角和方位角有关的纵波反射系数，无因次；

Rpp(φ)与方位角有关的纵波反射系数，无因次；

i入射角，（°）；

Z纵波波阻抗，g/（cm2·s）；

G横波切向模量（切应力与切应变的比值），无因次；

P纵波垂直入射时的反射振幅，无因次；

Giso振幅随偏移距的变化率，无因次；

Gani振幅随方位角的变化率，无因次；

A均匀介质下的反射强度，无因次；

B定偏移距下随方位而变的振幅调谐因子，无因次；