0 引言

裂缝可以作为油气储集的有利空间，还可以作为油气运移的通道，对油气的分布与储集有着重要的意义^[1]。裂缝性油气藏的岩性一般都属于致密岩，其开发难点在于确定工区的裂缝发育特征及发育程度^[2]。

一般情况下，地震裂缝预测技术主要分为叠前和叠后，叠前主要使用AVO或AVA技术；叠后主要应用蚂蚁追踪、属性分析、相干体检测和边缘检测等技术^[3]。与叠后方法相比，叠前技术选取的地震数据保留了炮检距和方位角信息，预测精度较高。

在大量理论研究和实际生产中，地震P波运用于裂缝预测有较好的效果。Mallick等^[4]发现，一个固定炮检距的P波反射振幅和炮检方向与裂缝走向的夹角存在一个近似的周期余弦函数关系。随后曲寿利等^[5]将上述发现扩展到反射波速度和炮检方向与裂缝走向之间夹角的关系。近年来人们总结出一套P波方位各向异性裂缝预测技术——利用地震波在各向异性介质中传播速度、时间、振幅属性随炮检距和方位角变化检测裂缝^[6]。AVAZ裂缝预测技术是根据P波振幅随方位角变化估算裂缝方位和密度^[7]，Schoenberg等^[8]利用地震波方位AVO预测裂缝分布取得了不错的效果。

本文以车排子凸起石炭系火山岩裂缝储层为目标，对叠前地震资料提取了随方位角变化的地震属性，并基于叠前P波方位各向异性原理，对该区大量发育的高角度、近平行裂缝进行了定量预测，获得了研究区裂缝发育方向和裂缝密度分布特征。

1 研究区概况 1.1 构造特征

研究区位于准噶尔盆地西部车排子凸起的东北部(图 1黑框所示)。车排子凸起东邻红车断阶带，西北部延伸至扎伊尔山，南部是四棵树凹陷^[9]。该凸起属于一个海西晚期的继承性凸起，呈三角形，现今地貌是喜山运动改造后的结果^[10]。车排子凸起在海西晚期的沉积层厚度比较有限，其后大部分多数地区缺少二叠系、三叠系以及侏罗系^[11]。同时，在海西晚期，车排子凸起为来自昌吉和四棵树凹陷的油气聚集有利区，主要储层为石炭系火山岩^[12]。

车排子地区石炭系火山岩经历海西运动、印支运动、燕山运动和喜山运动，发育了多条北西向、北东向和近东西向的断裂，形成了断块构造，同时形成了大量的构造裂缝，也为风化剥蚀、淋滤形成大量溶蚀孔缝创造了条件。区域内石炭系厚度大、岩性以中基性的火山熔岩和火山碎屑岩为主，储集空间类型多，原油分布极其复杂。整体上车排子北部地区石炭系顶面为一北西高、南东低的单斜。

车排子地区位于准噶尔盆地西北缘冲断带前缘，构造运动剧烈，断裂十分发育。车排子地区石炭系整体上受东西向主应力作用，大断裂多呈南北走向，与红车断裂近似平行，这些断裂控制了二级构造带的展布方向，形成了石炭系南北成带、西高东低的断阶式构造。南北向的应力场使构造格局复杂化，一方面使主应力场控制下发育的一系列近南北向断层发生扭转，另一方面又发育多条近东西向断层，这些断层与控带断裂组合形成了断块构造格局。

1.2 裂缝特征

本区石炭系火山岩发育四组裂缝：近南北向、东西向、北东东向和北北西向。野外及钻井裂缝走向与断裂走向基本一致，断裂作用影响较大。区域内不同的岩性裂缝发育程度不同，裂缝最发育的是凝灰岩和安山岩，且石炭系裂缝主要以高角度缝为主。裂缝发育程度受构造应力影响较大，离断层越近，裂缝越发育；不同走向裂缝发育程度差异较大，近南北向裂缝最发育。从裂缝的填充程度来看，充填物主要为方解石，部分为石英和石膏，少数为硅质和绿泥石。裂缝充填程度最高的为北北西向裂缝，其次为北东东向，东西向和南北向裂缝充填程度较低，反映断裂活动性强，输导性能优越。

2 反射系数影响因素分析

Ruger^[13]给出了HTI介质P波反射系数随入射角、方位角变化的近似计算公式

$ \begin{array}{l} R(\theta , \varphi ) = \frac{1}{2}\frac{{\Delta Z}}{{\bar Z}} + \frac{1}{2}\left\{ {\frac{{\Delta \alpha }}{{\bar \alpha }} - {{\left( {\frac{{2\bar \beta }}{{\bar \alpha }}} \right)}^2}\frac{{\Delta G}}{{\bar G}} + } \right.\\ \;\;\;\;\left[ {\Delta \delta + 2\left( {\frac{{2\bar \beta }}{{\bar \alpha }}} \right)\Delta \gamma } \right]{\cos ^2}\varphi \} {\sin ^2}\theta + \\ \;\;\;\;\frac{1}{2}\left( {\frac{{\Delta \alpha }}{{\bar \alpha }} + \Delta \varepsilon {{\cos }^4}\varphi + \Delta \delta {{\sin }^2}\varphi {{\cos }^2}\varphi } \right){\sin ^2}\theta {\tan ^2}\theta \end{array} $

(1)

式中：Z为P波阻抗；α、β分别为P波和S波速度；δ、γ、ε为Thomsen弱各向异性参数；G=ρβ²为剪切模量；θ和φ分别为入射角和方位角(测线与HTI介质对称轴夹角)；上划线和“Δ”分别表示界面上下参数的均值和差值。

为了能更加直观地分析P波反射系数随入射角、方位角变化规律，建立图 2所示的双层模型，其中上层为均匀各向同性介质，P波、S波速度分别为4500m/s和2500m/s，密度为2700kg/m³；下层为HTI介质，界面上下介质的P波速度、S波阻抗和剪切模量的相对变化量分别为Δα/α=0.1、ΔZ/Z=0.1、ΔG/G=0.1。

2.1 P波反射系数随入射角变化

根据式(1)给出的P波反射系数表达式，改变方位角和各向异性参数，可以计算出反射系数随着入射角(0°~40°)的变化曲线，如图 3~图 5所示。

从图 3~图 5可以看出，在其他参数相同的情况下，由于HTI介质中各向异性参数的变化，P波反射系数随着入射角的变化规律不同。

(1) 当介质存在各向异性，φ=0°时，P波反射系数随入射角的相对变化最大；φ=90°时，P波反射系数相对变化最小。

(2) 当入射角较小，反射系数在不同方位角的差异较小；大入射角时差别较大，所以大炮检距信息更能反映各向异性特征。

(3) 当δ、γ、ε小于0且φ小于70°，反射系数随入射角的增大而减小，当φ大于70°反射系数随入射角的增大先增大后减小；当δ、γ、ε大于0，大部分方位角反射系数随着入射角增大而增大，小部分方位角在入射角较大时有很小的减小趋势。

2.2 P波反射系数随方位角变化

同样，根据式(1)改变入射角和各向异性参数可以计算反射系数随方位角(0°~180°)的变化曲线，如图 6~图 8所示。

由图 6~图 8可以看出，在其他参数相同的情况下，由于HTI介质的各向异性参数不同，P波反射系数随着方位角变化规律也不同。

(1) 当θ=0°时，P波反射系数不随方位角变化；θ=40°时，P波反射系数随方位角变化最大。

(2) 当θ不为0°、φ=90°时，P波反射系数取极值，是极大值还是极小值由各向异性参数确定。

(3) 当δ、γ或ε小于0时，反射系数随方位角的增大先增加(方位角0°~90°)后减小(方位角90°~180°)；当δ、γ或ε大于0时，反射系数随方位角的增大先减小(方位角0°~90°)后增大(方位角90°~180°)。

3 AVAZ技术裂缝预测原理

在小入射角时，各向异性介质中P波的反射波系数公式(式(1))可简化为^[14]

$ \begin{array}{l} R\left( {\theta , {\varphi _{{\rm{obs}}}}} \right) = P + U\left( {{\varphi _{{\rm{obs}}}}} \right){\sin ^2}\theta \\ \;\;\;\;\;\; = P + \left[ {{U_{{\rm{iso}}}} + {U_{{\rm{ani}}}}{{\cos }^2}\left( {{\varphi _{{\rm{obs}}}} - {\varphi _{{\rm{sym}}}}} \right)} \right]{\sin ^2}\theta \end{array} $

(2)

式中：P为P波在垂直入射时的反射波振幅；U(φ_obs)是方位角为φ_obs时振幅的总变化率；U_iso为各向同性振幅随炮检距的变化率；U_ani为各向异性振幅随方位角的变化率；φ_obs表示激发点到接收点的方位角；φ_sym表示裂缝走向方位角。

当入射角固定时，式(2)可继续简化为

$ R\left( {\theta , {\varphi _{{\rm{obs}}}}} \right) = A + B\left( {{\varphi _{{\rm{obs}}}}} \right){\sin ^2}\theta $

(3)

式中：A反映了与炮检距有关的振幅变化；B(φ_obs)=U_iso+U_anicos²(φ_obs-φ_sym)反映了振幅随炮检距方位的变化^[15]。通过式(3)可以反演出振幅椭圆的相关参数A、B和φ_sym。B/A即椭圆长轴与短轴之比是一种表示裂缝密度的参数^[16]。

4 裂缝地震响应正演模拟

研究区排66井的成像测井数据显示，该井的1326~1400m深度范围内，裂缝发育明显，裂缝的纵向分布也比较广泛。利用该井的测井资料得到岩石物理参数，根据Ruger公式(式(1))可以计算不同方位角的反射系数，与地震子波褶积可以得到图 9所示的过该井石炭系段理论上不同方位角的振幅随炮检距变化的叠前地震响应剖面。根据图 9可以分析本工区不同方位角道集的AVO响应特征，同时可以在理论上得到拟合振幅椭圆，建立判断本区裂缝发育方向的依据，从图中可以看出：

(1) 当确定一个方位角时，裂缝发育区域的反射波振幅将随入射角的增大而减小。

(2) 当入射角小于12°时，不同方位角得到的反射波振幅基本一致。随着入射角的不断增大，不同方位上的反射波也产生了差异，这种差异随着入射角的不断增大而增大。因此，实际裂缝预测中可以选择去除一部分小炮检距数据，尽量保留大炮检距数据。

(3) 通过右下角的AVAZ振幅椭圆拟合图可以确定本区裂缝方向预测原则，即椭圆长轴方向平行于裂缝的走向，椭圆短轴垂直于裂缝走向。

5 叠前地震分方位角处理

在进行AVAZ处理前，先要进行研究区观测系统参数的全方位分析，并在地震响应正演模拟结果的指导下筛选出最能体现工区特点的方位角数据^[17]。图 10为该区叠前地震资料的方位角和炮检距统计结果，可以看出，炮检距大于1800m的部分，方位角一般都在0°~20°和160°~180°，这些数据如果被使用就会使得不同方位角的叠加产生较大差异，从而使结论产生误差。同时，叠前地震响应正演模拟表明小炮检距反射波振幅各向异性特征不明显，所以在划分方位角道集时也需要去除这部分的地震数据。

经过分析每个面元的覆盖次数和方位角的均衡问题后，针对该区的三维地震叠前资料，最终确定了工区应该保留的炮检距在100~1200m之间，如图 10b中蓝色虚线框所示。

在对叠前地震数据进行分方位角处理的时候需要充分考虑到各面元覆盖次数以及炮检距之间的平衡，且方位角区间不能划分过多，否则会使预测的准确性降低^[18]。经过反复试验最终选择不等方位角划分方案，如表 1所示，各个面元在不同方位角范围内的覆盖次数约为16。

在进行不同方位角道集叠加和偏移的时候，可以通过增加CMP面元的面积来减小炮检距不均匀的问题^[19]，同时还可以确保在不同方位角上有足够的炮检距道集分布以及基本相同的叠加次数，这样可以达到优化叠加的效果，提高各方位地震资料的信噪比^[20]。原始地震资料的面元为10m×20m，经过测算分析将面元扩大为20m×40m。通过对方位角道集进行叠加、叠后偏移处理得到不同中心角度的偏移剖面(图 11)。图中红色椭圆范围(排666井处)内地震各向异性明显，表明裂缝发育程度较高，与排666井实钻结果吻合。

6 各向异性裂缝检测

在前文中，首先分析了研究区地震资料的适用性，并根据实际测井、钻井资料进行了裂缝地震响应的正演模拟；然后进行了叠前地震资料方位角的划分、叠加及偏移处理，得到了方位角道集数据体。在此基础上，可以计算分方位角道集数据体的相对阻抗，将该相对阻抗值作为裂缝检测的基础数据^[21]。对方位角道集数据体消除剩余时差后^[22]，统计振幅值和入射角，可以得到一系列满足式(3)的正弦曲线，进而可以根据式(3)反演计算出各个位置点的不同方位角的梯度和截距属性，最终可以根据梯度和截距进行振幅椭圆拟合，从而得到工区的裂缝密度预测图(图 12)、剖面(图 13)以及裂缝方位玫瑰图(图 14)，以达到对裂缝密度和方位定量预测的目的。

为了验证裂缝密度预测结果的准确性，选取排668、排662和排674三口井进行对比。图 13为过这三口井的连井裂缝密度预测剖面，可以看出在石炭系地层中排668井裂缝密度最大，排674井裂缝密度中等，排662井裂缝不太发育。三口井累计产量分别为64.1、15、0.16.7 t，与叠前裂缝预测结果高度吻合，说明了预测的裂缝密度具有较高的可靠性。

图 14为研究区石炭系顶界面往下200ms以内的裂缝发育方向玫瑰图，表示各个统计面元(50m×50m)内石炭系该深度段内主要的裂缝发育方向。从图中来看，预测的排60、排61、排662和排66井的裂缝发育方向和成像测井资料基本吻合，说明预测的裂缝方向也具有较好的可靠性。图中区域1和区域2分别发育南北+北东东和北北西+北东东方向的裂缝，区域3主要发育南北+北北西向的裂缝，区域4主要发育南北+东西方向的裂缝。来自南部和东部的四棵树凹陷和昌吉凹陷的油气主要聚集在区域1和区域2，同时由于区域4的主要裂缝方向为南北向，来自凹陷的油气可以通过区域1和区域2并沿着裂缝和断层疏导至区域4，因此区域4可以认为是今后油气勘探的潜力区。

7 结束语

本文首先从理论上分析了HTI介质P波反射系数随方位角和入射角的变化规律，其次完成了叠前地震响应的正演模拟，并结合工区叠前地震资料的特点进行了不等分方位角道集的筛选和处理，最后基于AVAZ裂缝预测技术对研究区石炭系进行了裂缝定量预测研究，得到了裂缝发育密度和方位。对比结果认为，预测得到的裂缝发育密度和方位与成像测井资料吻合程度较高，预测结果能够较好地反映该区裂缝发育特征，为该区石炭系裂缝型油气藏的勘探和开发提供了依据。