渤中19-6油田變質巖潛山內幕裂縫地震響應特征及預測技術

張志軍 肖廣銳 李 堯

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

裂縫型油氣藏分布廣泛，在中國油氣生產中占有重要地位。但裂縫型油氣藏特征復雜，尤其是變質巖潛山裂縫型儲層具有孔隙度低、非均質性強且裂縫分布復雜的特點，準確、有效地預測和描述地下裂縫是裂縫型油氣藏勘探、開發的難點。目前，主要有測井、微地震、基于裂縫成因分析和基于裂縫地震響應特征等裂縫儲層預測方法[1-2]。測井方法主要利用成像測井資料識別裂縫，但僅局限于井筒附近，難以刻畫儲層的橫向分布；微地震方法主要用于頁巖氣的壓裂檢測；基于裂縫成因分析的方法主要分析裂縫形成的地質因素，通過古地貌恢復、應力場分析以及沉積相分析等方法預測裂縫發育有利區帶和發育程度[3-4]。基于裂縫地震響應特征的方法主要通過分析裂縫型儲層的地震響應特征提取波形、振幅和頻率類屬性(不連續性、相干、波形、振幅、頻率和吸收衰減、彈性反演參數以及各向異性等)預測裂縫[5-7]。在實際應用中，由于潛山內幕裂縫儲層的復雜性和地震資料品質的限制，預測結果往往存在一定的多解性和不確定性。本文針對渤海海域渤中19-6油田太古界變質巖潛山裂縫儲層的特點，綜合利用井震資料劃分斷裂和裂縫尺度，并分析不同尺度裂縫的成因、地震響應特征。在此基礎上，采用相應的方法預測不同尺度的裂縫。

1 渤中19-6油田變質巖潛山裂縫尺度劃分及地震響應特征

1.1 太古界變質巖潛山儲層基本特征

渤中19-6油田位于渤中西南洼和渤中主洼之間的近南北向構造脊上，整體具有洼中隆的構造背景，成藏條件優越，是目前渤海灣盆地最大的天然氣田。目的層主要為太古界潛山，巖石類型多樣，主要為變質巖和后期侵入的巖脈，變質巖以片麻巖、變質花崗巖、混合片麻巖、碎裂巖和碎斑巖為主。太古界變質巖儲集空間按成因分為風化淋濾孔(縫)、礦物顆粒晶內裂縫和構造裂縫3大類，鏡下觀察裂縫具有多期形成特征，為氣藏提供了有效的儲集空間。對228塊變質巖巖心的孔隙度和滲透率測試結果表明，孔隙度為0.2%～21.9%(平均為4.4%)，滲透率為0.003～614.784mD(平均為5.050mD)，因此變質巖儲層的非均質性強。

鉆井資料揭示，渤中19-6太古界潛山在垂向具有明顯分帶性(圖1左)，從潛山頂面向下，依次分為風化裂縫帶、相對致密帶、內幕裂縫帶和致密帶，其中風化裂縫帶和內幕裂縫帶為儲層發育段。風化裂縫帶受構造作用和風化淋濾作用的雙重影響，主要發育孔隙-裂縫型儲層，鏡下可見大量沿裂縫發育的溶蝕擴大孔，優質儲層主要集中在潛山頂部120～200m范圍內，測井響應呈高自然伽馬、低電阻率特征，在地震剖面上表現為連續強軸(圖2a)。成像測井表明風化帶裂縫密度為4～8條/m，走向為北東向，平均傾角為40°～55°(圖1右)。內幕裂縫帶主要為受構造活動影響而形成的構造縫，在地震剖面上整體呈雜亂、斷續反射特征，局部可見明顯斷續、高陡反射特征。成像測井表明內幕裂縫帶裂縫密度為2～5條/m，走向為北東向，平均傾角為38°～55°(圖1)。與相對致密帶(速度為6000～6200m/s，密度為2.61～2.73g/cm3)相比，裂縫儲層表現為低速、低密特征(風化裂縫帶速度為4750～5200m/s、密度為2.52～2.60g/cm3，內幕裂縫帶速度為4800～5300m/s、密度為2.55～2.65 g/cm3)。

圖1 渤中19-6油田太古界潛山垂向分布特征(左)及裂縫儲層成像測井特征(右)

1.2 裂縫尺度劃分及其地震響應特征

針對該油田的區域構造發育模式、應力場特征及鉆井資料，地震正演分析表明，深埋變質巖潛山內幕不同尺度裂縫具有不同地震響應特征。分析該油田地震資料可知，太古界變質巖潛山內幕主要有三種地震反射結構(圖2)：①低頻、中強振幅連續的高陡斷面波；②低頻、斷續的高陡交叉網狀；③空白反射背景下的局部雜亂中強異常振幅。分析鉆井資料可知，三種反射結構對應不同的裂縫儲層發育程度。以測井數據、地震響應特征為依據，將潛山內幕裂縫分為大、中、小三個尺度，并建立不同尺度裂縫模型進行正演分析。由于小尺度裂縫張開度在厘米級別，常規正演建模難以滿足其精度。本文采用裂縫組或裂縫帶的等效建模方法。首先通過成像測井確定小尺度裂縫發育層段，然后通過相應層段的速度、密度測井曲線計算平均速度、密度作為小尺度裂縫段的等效參數。

圖2 渤中19-6油田潛山內幕不同地震反射特征

圖3 為不同尺度裂縫模型及其正演剖面。由圖可見：①受區域構造及應力作用，尤其是變質巖潛山由于脆性較強，潛山內幕極容易受內幕斷裂或大尺度裂隙帶影響(圖3a)，地震反射結構為低頻、中強振幅連續的高陡斷面波，是潛山內幕大尺度裂縫儲層發育帶的直接指示特征(圖3d)。②變質巖潛山內幕中(圖3b)、小尺度(圖3c)裂隙是產生地震散射或繞射的主控因素，主要出現在潛山內幕大斷裂相對不發育帶，地震反射結構為低頻、斷續的高陡交叉網狀(圖3e)或雜亂(圖3f)；變質巖基質孔隙度較低，且基本無波阻抗差異，造成變質巖內幕反射相當弱，甚至無反射。③如果內幕發育縫洞及巖性變化時，波阻抗突然變化，造成反射系數急劇增大，在縫洞體與圍巖接觸部位可形成強烈的繞射源，在疊后地震資料上呈振幅突然變大或局部出現與基質反射極不一致的繞射特征；當裂縫發育時，地震散射或繞射作用較明顯，即地震記錄中散射或繞射波能量的強弱與裂縫發育程度密切相關。上述認識明確了潛山內幕儲層地震響應特征，為深埋變質巖潛山內幕裂縫型儲層預測提供了理論基礎。

圖3 不同尺度裂縫模型及其正演剖面

2 變質巖潛山內幕裂縫預測技術

渤中19-6油田變質巖潛山由于埋深大以及受上覆高速特殊巖性體屏蔽作用，潛山內幕斷裂地震響應不清、信噪比低，常規地震方法難以有效刻畫內幕儲層展布規律。基于潛山內幕不同尺度裂縫的地震響應特征，通過曲波變換增強內幕斷裂反射波，明確了內幕斷層邊界特征和復雜構造特征，可精細刻畫內幕斷裂或大尺度裂縫帶。通過繞射波分離的裂縫預測技術預測內幕中、小尺度裂縫帶。綜合不同尺度裂縫預測結果有效預測潛山內幕多尺度裂縫型儲層。

2.1 基于曲波變換的內幕斷裂或大尺度裂縫帶反射波增強技術

曲波變換是一種既有尺度特性、又同時具有角度特性的多分辨率分析工具，是基于小波理論發展起來的，其本質是在小波基函數上添加一個表征方向的參數。因此，同時具有局部時頻分析能力和很強的方向選擇、辨識能力，可以非常有效地表示信號中具有方向性的奇異特性[8-9]。在地震信號處理中，曲波變換能以較低的冗余度對地震資料進行尺度分解和角度分解。曲波變換的實質是由基函數與信號內積表達多尺度信號

(1)

式中Rθ為旋轉矩陣。

曲波變換具有分離不同頻率、不同傾角或不同位置信號的能力[10-13]。因此針對潛山內幕大尺度裂縫形成的高角度反射，通過增大曲波域相應位置的曲波系數重構增強信息。

為了精細刻畫潛山內幕大尺度斷裂帶發育特征，利用曲波變換的多尺度、多角度特性，將地震數據在曲波域分解到不同尺度上，然后保持中、小尺度數據不變，對大尺度數據賦予更大的重構系數，使重構數據能夠突出大斷裂信息。將重構數據進行第二次曲波變換，得到不同角度數據體，保持低角度數據不變，對中、高角度數據體進行各向異性擴散濾波，在保持斷裂邊界信息的前提下去除隨機噪聲。最后將不同角度的地震數據線性相加，得到內幕大尺度斷裂增強數據。圖4為曲波變換處理效果。由圖可見：相對于原始地震剖面(圖4a)，曲波增強后地震剖面(圖4b)較好地壓制了潛山內幕隨機噪聲，明顯增強了內幕斷層邊界特征和復雜構造特征；相對于原始地震剖面曲率屬性(圖4c)，曲波增強后的曲率屬性(圖4d)有效指示了內幕斷裂發育帶，揭示了潛山內幕裂縫儲層的宏觀分布規律。

圖4 曲波變換處理效果

2.2 基于繞射波的中、小尺度裂縫預測技術

由于太古界潛山內幕無明顯強反射界面，因此地震反射能量較弱，加之裂縫發育造成地下介質較強的非均質性，地震波的散射或繞射作用較明顯，導致地震響應為雜亂反射結構，利用常規反射數據無法預測裂縫儲層。前人研究已證實，繞射波場是反映地下介質非均質性的重要信息，對小尺度特殊地質體、裂縫發育帶引起的地層非均質性具有直接指示作用，當地質體的空間尺度接近或小于地震1/4波長時，從地震數據中分離的繞射波數據能夠精細刻畫小尺度地質體(圖5)。因此，可以利用繞射波數據預測潛山內幕中、小尺度裂縫儲層[14-15]。

圖5 特征值區間優選對比

在地震剖面上，繞射波往往出現于斷點、地層尖滅點、特殊地質體等不連續結構以及破碎帶和裂縫帶等非均質性較強的地層中。繞射波會導致反射波能量在繞射點處存在局部異常，尤其在破碎帶和裂縫帶，往往會引起反射波能量擾動甚至破壞同相軸的連續性，從而破壞反射信號的相關性。主成分分析(principal component analysis，PCA)是一種常用的多元統計數據分析方法，能夠將原始數據中相關性較強的多個變量轉化成含有原有變量最大信息的彼此獨立的少數幾個變量[16-18]。PCA是一種統計方法，通過正交變換將一組可能存在相關性的變量轉換為一組線性不相關的變量，轉換后的這組變量叫主成分，其常用于降維和特征提取[19-20]。利用PCA方法提取繞射波的步驟如下。

(1)計算原始地震數據的協方差矩陣

C=cov(X)=E[(X-EX)(X-EX)T]

(2)

式中：X為輸入地震數據；E表示取均值。

(2)求取協方差矩陣的特征值和特征向量

λ=ACAT

(3)

(4)

式中：λ為特征值矩陣；λ1>λ2>…>λn為n個特征值；A為特征向量。

(3)取前k(k

(4)提取原始地震數據的主能量(反射波)Y

Y=AkX

(5)

(5)求取分離的繞射波

D=X-Y

(6)

確定數據重構的最優特征值區間(即k值)是基于PCA分離繞射波的關鍵。為此，根據鉆井巖性數據建立不同尺度的裂縫模型，并進行波動方程正演模擬，通過模型數據分析不同特征區間提取的繞射波結果(圖5)。對不同尺度裂縫模型(圖5a)正演分析表明，采用前7%特征值對應的特征向量重構數據提取的繞射波剖面(圖5d)能較好地保持并突出繞射波能量，且殘留反射波能量相對較小。因此，該參數對應的特征區間即為本區潛山內幕繞射波能量的集中區間。首先，對圖3中的模型數據進行測試。圖6為對圖3e提取的繞射波剖面。由圖可見，提取的繞射波能較好地反映斷點、裂縫等造成的地層不連續性和非均質性。將該參數用于實際數據得到凸顯內幕裂縫響應的繞射波剖面(圖7)。可見：在地層受到擠壓、容易產生破裂的“脊”部以及在斷層附近容易產生派生裂隙的部位，繞射波能量相對較強；在平行反射同相軸(地層連續性較好)部位繞射波能量較弱。說明繞射波能量能夠較好地反映中、小尺度裂縫發育帶。

圖6 對圖3e提取的繞射波剖面

圖7 實際原始地震剖面(a)、繞射波地震剖面(b)

2.3 應用效果

將(由曲波變換增強的)反映大尺度裂縫信息的高角度內幕反射數據與(基于PCA提取的)反映中、小尺度裂縫信息的繞射波數據歸一化融合，綜合多波場信息有效預測了潛山內幕多尺度裂縫型儲層。圖8為實際原始振幅屬性與融合屬性平面圖。由圖可見，相對原始振幅屬性(圖8a)，融合屬性(圖8b)預測的裂縫儲層分布與斷裂分布、張性裂縫應力區具有較好的相關性，更符合地質認識。該區前期鉆井大多針對潛山頂部風化帶儲層，在本文研究基礎上，通過優化、調整后續鉆井方案，針對潛山內幕加深鉆探評價部署了多口井，為潛山內幕的高效勘探評價奠定了基礎，也為外圍區的滾動勘探提供了技術支持，擴大了儲量規模。

圖8 實際原始振幅屬性(a)與融合屬性(b)平面圖

3 結論

根據鉆井資料，通過分析地震、地質特征與地震正演模擬，總結了渤中19-6油田變質巖潛山內幕不同尺度裂縫的地震響應特征，認為潛山內幕大尺度裂縫帶是產生高角度地震反射的主控因素，內幕中、小尺度裂縫導致地層具有較強的非均質性，是產生地震散射或繞射的主控因素。在此認識的基礎上，綜合利用基于曲波變換的內幕斷裂或大尺度裂縫帶反射波增強技術和基于繞射波的中、小尺度裂縫預測技術，提高了變質巖潛山內幕裂縫儲層的預測精度。對變質巖潛山內幕的勘探評價具有一定借鑒意義。