基于正演模擬的最大似然法火山巖有效裂縫識別及預測

熊 婷，賈春明，妥軍軍，李 勝，尚 春

(中國石油新疆油田分公司, 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

隨著油氣勘探的進一步加深，裂縫-孔隙雙重介質型油藏逐漸占據勘探開發的重要位置。裂縫是火山巖儲層重要的儲集空間和滲流通道[1-3]，前人形成了一系列斷裂的識別及預測方法。何順等[4-7]通過研究單井巖心及裂縫的測井響應特征對裂縫進行識別，并將其詳細分類，開展成因機理分析、產能分析及有利區預測，但巖心及測井響應只能判斷高勘探程度區米級及以下的裂縫，不能對百米級甚至公里級別大尺度的裂縫及裂縫平面分布特征進行識別和預測。劉松鳴等[8-11]通過傾角、方位角、連續性、光照體、相干、本征值、曲率、螞蟻體以及井震聯合斷層識別法對大尺度裂縫進行平面預測；但這些斷裂識別方法只能大致定性反映小斷層級別的斷裂發育區，難以獲得高精度的裂縫預測結果，存在尺度大、精度低的問題，同時，缺乏對預測的裂縫結果進行有效判定的方法。該文首次通過建立3種斷裂模型，進行地震正演模擬論證了最大似然法在預測斷裂上的優勢，并將其應用于火山巖斷裂分析及預測，對比表明最大似然斷裂預測精度更高、成像效果更好，對斷裂發育帶內裂縫發育細節具有良好的應用效果。基于巖心和成像測井解釋有效裂縫發育特征的微觀刻度，取現今最大主應力方向40 °準噶爾盆地車排子凸起CT1井夾角走向范圍的高角度裂縫作為有效裂縫進行建模，預測研究區火山巖有效裂縫分布特征，為火山巖有利目標的優選提供了技術支持。

1 研究區地質概況

準噶爾盆地車排子凸起石炭系儲層是重要的勘探領域。車排子凸起位于沙灣和四棵樹2個富烴凹陷之間的長期繼承性古隆起，石炭系整體為北西向鼻隆，向東南方傾沒于沙灣凹陷和四棵樹凹陷之間，雙側多源供烴，多期構造運動造成了斷裂較為發育[12]。車排子斷裂將車排子凸起分為南段和北段，南北向斷裂將車排子凸起分為3個條帶，控制石炭系內部隆凹格局及地層展布。其中，中部條帶發育有石炭系南、北2個次凹，次凹側向封擋，北西向斷裂溝通油源，沿斷裂發育有一系列火山巖體，火山巖儲層成藏條件十分有利。準噶爾盆地車排子凹起石炭系地層由淺至深分別為希貝庫拉斯組(C1x)、包古圖組(C1b)以及太勒古拉組(C1t)(圖1)。

1.1 裂縫發育特征

裂縫從成因上可劃分為構造縫、成巖縫、風化縫及溶蝕縫4種。其中，構造縫是在構造運動中形成的最大尺度的裂縫，具有和應力場相匹配的方向性及期次性，能夠通過單井巖心、測井響應及地震屬性等方法多維度的進行識別和預測。多期構造運動產生的不同期次的斷裂相互切割，大斷層伴隨形成了小的構造裂縫，共同形成了研究區石炭系的斷裂發育體系。研究區主要發育有2組斷裂系統：一組為海西—印支期形成，后期持續活動，從石炭系斷至白堊系底礫巖的一系列近南北走向的逆掩走滑斷裂；另一組為喜山期形成的張性正斷裂，從白堊系斷至新近系，局部發育的一些斷裂斷至地表(圖1)。

火山巖巖性不同，裂縫發育程度不同，不同井裂縫發育程度也不同。CT1井在石炭系太勒古拉組地層(C1t)3 890～4 034 m獲得高產工業油氣流，其裂縫最為發育。綜合巖心觀察、薄片鑒定，結果表明該區石炭系火山巖構造縫主要分布于火山角礫巖、凝灰角礫巖、凝灰巖及安山巖中，構造裂縫發育，規模較大，占裂縫總量的70%以上。構造裂縫傾角變化范圍較大，從水平縫到直劈縫皆有分布，整體來說水平縫充填程度高于直劈縫。構造裂縫的線密度平均為3.9條/m，長度為5～10 cm，寬度為0.50～2.00 mm(圖2)。

1.2 裂縫測井響應特征

巖心只能判斷小段地層的裂縫發育情況，而測井曲線能夠反映整段地層的裂縫發育特征。成像測井FMI可以反映高導縫、高阻縫以及誘導縫等裂縫方位、充填程度的信息，結合電阻率(Rxo、Ri、Rt)、密度(DEN)及聲波時差曲線(AC)，能夠準確判斷裂縫的傾角、走向、充填程度以及最大主應力方向。

FMI成像測井垂向延伸切割巖心的正弦暗色曲線表示高角度開啟的構造縫，稍扁的切割層理正弦暗色曲線表示低角度開啟的構造縫。由于裂縫發育的非均質性，流體及鉆井液進入火山巖開啟裂縫發育段，該段沖洗帶電阻率(Rxo)相比圍巖有鋸齒狀下降的特征，同時，P波速度增大，聲波時差降低，密度相應下降。CT1井成像測井識別的高導縫為開啟的構造縫，傾角大多大于45 °，走向近東西向，和識別的誘導縫判斷的最大主應力方向夾角較小，為有效裂縫。有效裂縫發育的層段孔隙度及滲透率相對高，表明裂縫極大改善了火山巖的物性，是火山巖油藏滲流的重要通道(圖2)。充填縫為亮白色正弦曲線，被高阻物填充，是無效裂縫。高阻縫在CT1井高產段發育少，多為低中角度充填縫，走向東西向和南北向，和巖心描述充填裂縫產狀基本一致。

綜上研究可知，與現今最大主應力方向一致的高角度構造裂縫開度大，連通性高，滲流能力最強，相對應的火山巖物性最佳，是火山巖油藏最有利的發育位置；而與最大主應力方向垂直的低角度構造裂縫開度小，連通性差，大多處于充填狀態，滲流能力最弱。

2 斷裂識別正演模擬

建立張性正斷裂、逆斷裂以及理想的水平層走滑斷裂3種模型，通過正演，模擬不同屬性識別斷裂的地震響應特征，從而優選出最佳地震屬性，指導實際三維資料斷裂識別及平面預測。

2.1 最大似然方法原理

斷裂識別的常規屬性包括相干、曲率等屬性。Hale于2012年基于相干算法提出最大似然方法，進一步增強斷層和非斷層響應之間的差異性，對每個數據樣點掃描其傾向、傾角的似然屬性，當掃描到準確的傾向和傾角時獲得最大值，因此，最大似然法識別的斷裂在剖面上具有更高的分辨力[13]。

相似性屬性Semblance數值范圍為0～1，公式如下[14-15]：

(1)

最大似然屬性Likelihood公式如下[14-15]：

Likelihood=1-Semblance8

(2)

式中：Semblence為相似性屬性；g為三維數據體；下標s為對數據體進行構造導向平滑；下標f為傾角增強；Likelihood為最大似然屬性。

最大似然屬性是相似性屬性指數冪與1的差，相鄰樣點間相似性對比關系在最大似然屬性下得到了放大，更加凸顯斷裂成像。因此，地震同相軸越連續，相似性越大，最大似然屬性越小，斷裂存在的可能越小；反之，同相軸斷點相似性越小，最大似然屬性越大，越可能存在斷裂。

2.2 正演模擬

張性正斷裂、逆斷裂以及理想的水平層走滑斷裂3種模型均采用和實際資料相一致的30 Hz主頻Rick子波進行反射系數褶積，對比相干、曲率以及最大似然法識別斷裂的效果。

2.2.1 張性正斷裂正演模擬

模型1具有3層高速巖體，隨著深度增加，厚度分別為30、40、50 m，速度分別為3 800、3 850、4 000 m/s；低速夾層厚度為20 m，速度為3 400 m/s，包括2條傾向相反的正斷層，斷距為10 m(圖3a)。其中，圖3b為其相干屬性識別斷層，斷層產狀表征較粗，斷裂細節表現為斷續豎條狀；圖3c為最大正曲率屬性識別斷層，相比相干屬性精細；圖3d為最大似然屬性識別斷層，和斷面最為吻合，精細程度最高。

圖3 張性正斷裂相干、曲率和最大似然屬性識別

2.2.2 逆斷裂正演模擬

模型2和模型1巖體厚度及速度屬性一致，模型構建了2條傾向相反的逆斷層，斷距為10 m(圖4a)。圖4b為其相干屬性識別斷層，斷層產狀表征較粗，具體表現為斷續豎條狀；圖4c為最大正曲率屬性識別斷層，和斷面吻合程度較低，無法準確表征斷面產狀；圖4d為最大似然屬性識別斷層，和斷面最為吻合，精細程度最高。

圖4 逆斷裂相干、曲率和最大似然屬性識別

2.2.3 走滑斷裂正演模擬

模型3為理想的無剪切分量水平層垂直走滑斷裂的地質模型，圖5a為走滑斷裂立體模式，圖5b為其二維地質模型，水平中速巖體隨深度增加，厚度分別為30、40、50 m，速度分別為3 800、3 850、4 000 m/s；水平高速巖體和中速巖體厚度一致，速度隨深度增加，分別為3 850、3 900、4 050 m/s；低速夾層厚度為20 m，速度為3 400 m/s。圖5c為相干屬性識別斷層，表現為斷續豎條狀，斷層產狀表征較粗，斷面吻合較差；圖5d為最大正曲率屬性，由于曲率是根據曲面的彎曲程度進行計算，所以對于理想中的水平層走滑斷裂沒有響應，近似零背景值，不適用于該種模型的斷裂識別；圖5e為最大似然屬性識別斷裂，和斷面最為吻合，精細程度最高。

由以上對比可知，最大似然屬性相比相干和曲率適用性更廣，在剖面上貼合斷面展布，對斷裂的識別十分精細，降低了地震識別斷裂的多解性。

3 火山巖構造斷裂地震識別和預測

應用最大似然屬性進行研究區內斷裂識別，對比相干屬性，最大似然屬性對斷裂刻畫的成像效果更好，分支斷裂走向、斷裂帶內部細節皆有比較明確的響應，識別精度更高(圖6)。

圖6 相干和最大似然屬性斷裂識別平面分布

研究區內石炭系裂縫主要沿著車排子斷裂、石橋1井東斷裂及石橋2井北斷裂3條主要斷裂發育，距離主斷裂越近，裂縫密度越高，反之越低。分析研究區火山巖儲層巖心、薄片以及測井裂縫發育特征和單井油氣顯示，結果表明：該區CT1井石炭系泰勒古拉組(C1t)獲得高產工業油氣流，主要受控于裂縫的發育；HG1、CP17井石炭系裂縫均不太發育，油氣顯示較差，產能低；最大似然屬性地震識別裂縫發育密度分布基本和單井識別裂縫特征一致(圖7a)，但裂縫密度依然較為低，有效裂縫發育與否才是影響儲層物性的關鍵。該文利用成像測井裂縫解釋，以微觀耦合最大似然屬性識別裂縫，通過對高角度有效裂縫進行建模，預測更精細的有效裂縫分布，從而為有利區的優選提供依據。據前文單井有效裂縫產狀特征分析，該文將裂縫走向和東西向夾角小于40 °的高角度裂縫作為有效縫進行建模。研究表明，高產井CT1井位于整體裂縫密度高且有效縫發育的位置，HG1井和CP17井位于整體裂縫和有效縫皆不太發育的位置。采用以上方法，預測了4個高角度有效裂縫發育的區域，其相對裂縫發育密度均大于0.7(無量綱化)，展布面積約76 km2，可以作為下一步勘探的有利區(圖7b)。該方法適用于低勘探程度裂縫-孔隙雙重介質型有利目標的優選，有效提高了鉆探的可靠性和精度。

4 結 論

(1) 首次通過建立3種斷裂正演模型對比相干、曲率以及最大似然屬性對斷裂的預測效果，結果表明，最大似然法識別斷裂適用性最廣，成像效果最好，精度最高。

(2) 整體裂縫密度較高的區域不代表其有效裂縫發育，有效裂縫發育程度控制了產能高低，通過巖心及成像測井解釋裂縫發育特征，從微觀耦合最大似然屬性裂縫識別，對研究區有效裂縫發育進行了定量預測，為火山巖有利目標的優選提供了技術支持。