基于叠前全方位角道集方位振幅梯度各向异性变化的HTI裂缝介质油气检测方法与技术

刘军迎, 雍学善, 张静, 罗瑞兰

1 中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州 730020 2 中国石油勘探开发研究院四川盆地研究中心, 成都 610094

0 引言

长期以来，利用地震资料预测油气一直是地球物理工作者追求的目标.20世纪70年代地震勘探实现了数据采集和处理的数字化，提高了原始地震记录的动态范围、频带宽度及处理精度，于是用地震波动力学信息直接或间接预测油气的各种技术便相继出现,如亮点、频谱交会(刘伟和曹思远，2008)、吸收系数(辛可锋等，2001；高建虎等，2006)、频率吸收衰减(张景业等，2010)、AVO(Amplitude Versus Offset)分析(杨志力等，2013)、AVO交会图(孙鹏远等，2004)、AVO属性(章静等，2020)计算与分析等油气预测技术.这些技术迎合了人们寻找油气藏的迫切愿望，因而受到了高度的重视并在油气勘探中得到了广泛的应用，其中，AVO分析油气预测技术发展得最为广泛、深入和持久.

AVO技术自70年代诞生以后到迅速发展的主要原因是其具有三大优势(程冰洁和张玉芬，2003):其一,AVO技术有严密的数学物理推导，Zoeppritz方程阐明了振幅随偏移距的变化规律;其二,AVO技术在应用上具有广泛性;其三,AVO技术在某种程度上能够定量地识别"亮点"与"暗点".AVO理论表明振幅随偏移距的变化是地下岩石及其孔隙流体的弹性参数的函数,这就奠定了根据振幅信息反演岩性及其孔隙流体性质的数学物理基础.正因为上述三大优势,AVO技术作为一种能够有效提供多种岩性参数的技术,特别适用于寻找油气藏.AVO 技术的理论基础是Zoeppritz方程(章静等，2020;周林等，2016；杨绍国和周熙襄，1994；钟森，1995).不管是对经典Zoeppritz方程的简化变形如Fatti反射系数近似公式(Fatti et al.,1994)(霍国栋等，2017),还是频变AVO(逄硕等，2018)对Zoeppritz方程简化公式的的改进，都是基于上、下半空间介质是层状均匀介质而建立起的平面反射P波精确的反射系数表达式，式中速度恒定不变.对于横向各向同性介质，即VTI(Vertical Transverse Isotropy)介质,纵、横波速度是随入射角的变化而变化的，这就是VTI介质的各向异性.这种各向异性是由地下薄层介质相互叠置在一起导致，或由岩石颗粒线性排列导致.Thomsen(1986)从理论上进一步研究了地下介质的弱各向异性，并给出了以汤姆森三参数来表征这种弱各向异性地下介质的速度变化规律.

以上给出了关于各向同性和VTI各向异性地震反射振幅变化规律的概述.在实际工作中，没有专门的仪器和设备来直接测量这三个各向异性参数，主要原因是与这几个参数直接相关的测井信号响应机理不清楚；另一个原因是大地是弱各向异性介质，其值非常小，非常难测量；再者，在影响石油勘探的众多因素中，大多数勘探目标的勘探在以前需求不够强烈.

但是，随着勘探目标日趋复杂化，勘探程度越来越深入，现如今已进入到裂缝型油气藏、碳酸盐岩缝洞型岩溶油气藏、页岩气藏、火山岩气藏、致密砂岩油气藏、薄砂岩气藏等强非均质型油气藏勘探阶段，其中，裂缝型油气藏是以含有大量裂缝或以裂缝为主的储层如泥岩裂缝储层、砂岩裂缝储层、碳酸盐岩裂缝储层、火山岩裂缝储层等为油气储集空间所形成的一类重要的油气藏.

裂缝在地壳中广泛分布，它们是在漫长的地质构造运动中形成的，裂缝型储层在地球上广泛发育.目前，裂缝型油气藏的产量占全世界油气总产量的一半以上.在国内，近几年来发现的裂缝油气藏越来越多，如塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩裂缝型油气藏，柴达木盆地泥岩裂缝型油气藏，大港油田(埕海)奥陶系碳酸盐岩裂缝型油气藏，四川盆地致密砂岩、泥页岩、碳酸盐岩裂缝型油气藏，新疆盆地的火烧山油田，吐哈的丘陵、鄯善油田，长庆的安塞油田，胜利的渤南油田，大庆的朝阳沟油田，吉林的新立、乾安、新民油田等等，几乎每个大油区都有裂缝型油气藏存在.可见，裂缝型油气藏勘探已成为我国重要的能源勘探领域.这些裂缝型油气藏多为高角度缝裂缝油气藏，常用方位各向异性HTI(Horizontal Transverse Isotropy)裂缝介质理论来描述.

对于强非均质型裂缝型油气藏的预测，不能再借助于上述各向同性介质和VTI介质理论和方法来预测这种强非均质型油气藏储层的含气性，必须研究与这类储层介质相适应的地球物理勘探油气预测方法.基于方位各向异性HTI裂缝介质理论，本文提出了一项新的油气预测方法，它是关于裂缝型强非均质性储层油气预测的方法，即：推导出以方位角为变量的方位振幅梯度变化函数，并以之为参变量进一步推导出以入射角为变量的随方位和入射方向变化而变化的双向振幅响应强度变化函数，同时推导出方位油气指示因子；首先通过变量拆分法先固定方位参数，然后通过该方位角道集振幅随入射角的变化求解该方位振幅梯度,继而求出该方位的油气指示因子；依次类推，可求出所有方位的油气指示因子，进而可分析含油气敏感性随方位的变化，优选油气最敏感的方位作为最终的油气预测结果.实际工区应用结果表明，本方法预测结果可靠、精度高，可为油气勘探开发提供有效技术支持.

1 方法原理

任意方位HTI裂缝介质反射振幅公式(Li Teng et al.,1996)，即

(1)

一般情形下，勘探深度远远大于地震信号采集布设的地面物理点间距，其入/反射角较小，故有cosθ≈1，所以变形整理后有

(2)

令

(3)

(4)

化简、整理并略去高次项(当入射角较小，其正弦的四次方值非常小，故可略去高次项)有

rpp(θ,φ)=Z+D(φ)sin2θ,

(5)

F(φ)=Z*D(φ),

(6)

式中：

其中，下角“∥”表示平行于裂缝面的波传播速度，“⊥”表示垂直于裂缝面的波传播速度.rpp(θ,φ)为响应振幅，θ为入射角，φ为方位角，ρ为平均密度，VP、VS分别为平均纵波和平均横波速度，εx、εy为平行于和垂直于裂缝面的ε汤姆森参数；δx、δy为平行于和垂直于裂缝面的δ汤姆森参数；γxy为平行于和垂直于裂缝面的γ汤姆森参数平均值，C11、C12、C13、C23、C22、C33、C44、C55、C66为弹性系数，Z为截距，D(φ)为方位梯度，F(φ)为方位流体指示因子.

对方程(1)、(5)进行计算分析.设计的模型为碳酸盐岩中一组垂直裂缝，裂缝面平行于XOZ坐标面如下图1所示.

图1 模型参数空间位置分布示意图

设计模型参数:碳酸盐岩基质纵波速度VP=6000 m·s-1，横波速度Vsv=4500 m·s-1，密度ρ=2.85 g·cm-3,Vsh(90°)=4100 m·s-1,Vsh(0°)=3800 m·s-1,Vsh(45°)=3900 m·s-1,ε=0.056,δ=-0.003和γ=0.067; 平行于裂缝面的速度Vpx(90°)=5500 m·s-1，Vpx(0°)=5000 m·s-1(用低速来表示裂缝含油气)，Vpx(45°)=5300 m·s-1，Vshy(90°)=3300 m·s-1，Vsv(0°)=Vsh(0°)=3000 m·s-1,Vshy(45°)=3100 m·s-1；垂直于裂缝面的速度Vpy(90°)=5300 m·s-1，Vpy(0°)=5000 m·s-1，Vpy(45°)=5100 m·s-1，Vshx(90°)=3180 m·s-1，Vshx(45°)=3080 m·s-1；裂缝带介质密度ρ1=2.7 g·cm-3.

图2为基于公式(1)计算的不同方位的反射系数随入射角的变化曲线，图3为基于公式(5)计算的不同方位的反射系数随入射角的变化曲线.

图2 基于公式(1)计算的不同方位反射系数随入射角变化曲线

图3 基于公式(5)计算的不同方位反射系数随入射角变化曲线

实际地震勘探中，地震波反射角很少能达到50°，尤其是深层，所以计算时取最大截止入射角为50°；由于方位角90°～180°与方位角0°～90°是镜像对称的，所以只计算方位角0°～90°范围内的方位反射系数(或反射强度或反射振幅)随入射角的变化.从模拟计算结果来看，两个公式(式(1)、式(5))所反映的在不同的方位上反射系数(或反射强度或反射振幅)随入射角变化而变化的趋势规律是一致，都是反射系数(或反射强度或反射振幅)随入射角增大而变小，只是幅值大小不一样而已，这种数值上的差异是由于理论公式往往在实际运用过程中，结合了地震信号采集与处理的实际情况，做了合理的假定，使其更接近于实际地震勘探，以便于工程化应用，这并不改变原有的规律性，只是差异放大了，利用规律提取表征油气变化的相应量值即可.在实际应用中，公式(1)不简洁、难使用、实用性差，公式(5)易用、简洁、实用，所以可以利用公式(5)对含噪较高的地震野外采集数据进行处理后的道集数据，来进行叠前全方位角道集方位振幅梯度各向异性变化的油气检测.

另外，图2—3中，0°方位角表示地震波平行于裂缝面传播，90°方位角表示地震波垂直于裂缝面传播，从图中可以看出：①地震波在0°～5°范围内入射时，所有方位反射系数随入射角的变化曲线几乎一样，说明在进行方位油气检测时，不必选择地震波入射角小于5°的地震道集数据；②0°方位角反射系数(或反射强度或反射振幅)随入射角变化曲线称为0°方位角AVA(Amplitude Versus incidence-Angle)曲线，它在系列曲线组的最上方，90°方位角AVA曲线在系列曲线组的最下方，15°、30°、45°、60°、75°方位角AVA曲线从上到下依次排列在0°和90°方位角AVA曲线之间，表示随着方位角从地震波平行于裂缝面传播到逐渐垂直于裂缝面传播，方位AVA曲线的变化幅度越来越大，平行于裂缝面传播时地震波反射强度变化最小，反射值最大；垂直于裂缝面传播时地震波反射强度变化最大，反射值最小，说明在进行方位油气检测时，可以选择接近于垂直裂缝走向展布的地震数据来进行方位油气检测，效果可能会更好.

2 实际应用

2.1 工区概况

工区位于轮古油田南部，包括桑塔木断垒带和桑南斜坡区西部，西南部紧邻塔河油田高产区.地表为低矮浮动沙丘与浮土、红柳，气候干旱少雨，多风沙.

轮南潜山位于塔里木盆地塔北隆起轮南低凸起中部，构造整体表现为一大型的古隆起背斜，形成于加里东—海西期，其轴向北东—南西向，两翼不对称，西北翼陡，东南翼缓.总体构造特征为多轴向，多高点，多断裂.该背斜上主要发育三条大断裂，即轮西断裂、轮南断裂、桑塔木断裂.轮西断裂在早海西期与轮南潜山大背斜同期形成，为逆断层；轮南断裂和桑塔木断裂于晚海西期形成，均为东西向的逆断层，随后又发展成为轮南断垒带和桑塔木断垒带.由于东西向断裂的切割，将该古隆起大背斜分割为北、中、南三个大断块，依次为北部斜坡带、中部平台区、桑南斜坡带(如图4).

图4 轮古17工区构造位置图

2.2 参数分析与计算

2.2.1 偏移距范围与方位角范围分析与选择

如图5为偏移距-方位角覆盖分析图.根据上述原理分析，一般情况下可以不选择入射角较小的近道参与运算.从实际勘探地震数据来看，接近于零偏的近道往往噪声多，波的覆盖范围小，此范围介质可近似看作均匀介质，所以波的方位各向异性变化不明显，故去掉近偏数据对含油气性预测效果影响不大；入射角较大的远偏一般动校畸变严重，信号不保真，故也要去掉.综合考虑不同方位偏移距分布情况，本次预测偏移距范围选为300～6600 m、方位角范围为0°～150°.

图5 偏移距-方位角覆盖分析图

2.2.2 覆盖次数分析与选择

地震数据要经野外采集才能得到，而野外高山、湖泊、沙漠、沼泽、丘陵、沟壑纵横，仪器布设、车辆行进、人员布线施工难度都较大，花费昂贵，得来资料非常不易.所以，我们做研究时要尽最大努力使用好地震资料，不让地震资料有所浪费.如图6为分方位CRP道集覆盖次数分布平面图.可以看出，全工区地震覆盖次数最低262次、最高270次，整体较高且基本均匀，能够满足叠前方位各向异性含油气性预测对资料的要求.

图6 分方位CRP道集覆盖次数分布平面图

2.2.3 预测时窗选取

本方法逐时间点进行预测，每个时间点利用固定时窗来获取地震数据进行预测.选择的时窗长度约为目的层一个反射波的视周期，通常取目的层风化壳顶界面强地震反射视周期约为同相轴的宽度，如图7所示，本次预测时窗长度为分析点上、下各取20 ms.

2.2.4 方位角道集、截距、方位梯度、方位流体指示因子实时计算

入射角直射线法计算公式如下

式中，θ为入射角，x为偏移距(单位：m，大于零)，Vavg为平均速度(单位：m·s-1)，T0为零偏移距双程走时(单位：ms).

程序计算过程中，利用输入的平均速度体，将分方位CRP道集(如图7所示)实时转换成分方位角道集，后续程序利用实时计算的分方位角道集实时计算截距Z值、方位梯度值F(φ)和方位流体指示因子D(φ).

图7 分方位CRP道集时窗选取示意图

2.3 实际预测效果

如图8a为过轮古16、轮古16-2井90°方位InLine972线油气指示因子剖面，图8b为过轮古16、轮古16-2井InLine972线叠前时间偏移地震剖面，可以看出，油气预测结果与井上油气实测结果吻合，说明本方法是可靠有效的.

图8 (a)过轮古16、轮古16-2井90°方位InLine972线油气指示因子剖面；(b)过轮古16、轮古16-2井90°方位InLine972线叠前时间偏移地震剖面

图9为P波沿层断裂预测平面图，从图上可以看出，多数断层主要是近南北向展布的.图10a为沿层(Tg51)预测的0°方位油气指示因子平面图，正北为0°方位，顺时针增加，90°方位为正东；图10b为沿层(Tg51)预测的30°方位油气指示因子平面图，图10c为沿层(Tg51)预测的60°方位油气指示因子平面图，图10d为沿层(Tg51)预测的90°方位油气指示因子平面图，图10e为沿层(Tg51)预测的120°方位油气指示因子平面图，图10f为沿层(Tg51)预测的150°方位油气指示因子平面图，图中红、黄色表示含油气性好.选择工区中高产井来验证本方法方位油气预测结果与井上油气实测结果的符合率，选择的高产井有LN54、LG100、LG00-10、LG100-11、LG100-6、LG00-8C、LG101、LG16-2、LN44.图11为油气井符合率百分比随方位角变化柱状图.从图11可以看出，方位地震道集数据油气预测与井上油气实测结果的符合率呈正态分布，90°方位地震道集数据油气预测的符合率最高，向两边逐渐降低，这一方位地震道集数据油气检测的正态分布规律符合上面所述原理分析，本工区断层走向多为近南北向，0°方位地震道集数据几乎是沿断层走向分布的，根据上面所述原理分析，这个方位的振幅随入射角变化相对来说最不明显，据此预测的油气符合率比较低如图11及图10a所示；90°方位地震道集数据几乎是垂直于断层走向分布的，根据上面所述原理分析，这个方位的振幅随入射角变化相对来说最明显，据此预测的油气符合率比较高如图11及图10d所示；在0°方位和90°方位之间，随着方位角的增加，地震道集数据的方位展布方向越来越向垂直于断层走向方向分布，因而方位油气预测的符合率也随之升高，这也验证了上面所述原理的分析；大于90°方位的120°方位、150°方位的两个方位油气预测结果几乎分别与60°方位、30°方位的两个方位油气预测结果镜像对称，这也符合上面所述原理的分析.总之，垂直于断层走向的地震道集数据的方位油气预测结果与井上油气实测结果的符合率最高.

图9 P波沿层断层预测平面图(相干,Tg51-Tg51+40 ms)

图10 (a)沿层(Tg51)预测的0°方位流体指示因子平面图；(b)沿层(Tg51)预测的30°方位油气指示因子平面图；(c)沿层(Tg51)预测的60°方位油气指示因子平面图；(d)沿层(Tg51)预测的90°方位油气指示因子平面图；(e)沿层(Tg51)预测的120°方位油气指示因子平面图；(f)沿层(Tg51)预测的150°方位油气指示因子平面图

图11 油气井符合率百分比随方位角变化柱状图

如表1为本油气指示因子法预测结果统计分析表.可以看出，本方法油气预测符合率约为90%，说明本方法预测精度高、可靠、效果好.

表1 本文油气指示因子法碳酸盐岩风化壳缝洞储层油气预测精度统计分析表

3 结论

本文从方位HTI介质反射振幅的一般表达式出发，推导出新的方位HTI介质反射振幅表达式，即方位HTI介质反射振幅由常数振幅项(Z，截距)和方位振幅梯度射线方向调制项组成，方位振幅梯度射线方向调制项由表示射线方向变化的入射角正弦函数对地震波在不同方位的方位振幅梯度项(D(φ))做乘积构成，给出了地震波在不同方位的方位振幅梯度表达式，进而构建了地震波在不同方位的流体指示因子表达(F(φ))，据此成功进行了实际工区应用，应用效果表明本方法技术是可靠的、实用的.