地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (2): 853-857   PDF    
基于全方位地下局部角度域成像的页岩气储层各向异性预测
刘喜武, 刘志远, 宁俊瑞, 陈业全     
1. 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083;
2. 中国石化页岩油气勘探开发重点实验室, 北京 100083;
3. 国家能源页岩油研发中心, 北京 100083
摘要:宽方位地震数据是叠前地震各向异性预测的基础数据之一, 如何处理和分析宽方位地震数据是预测的关键.传统分扇区处理无法获得地下真正角度域信息, 存在信息丢失问题.为保证地下方向、分辨率以及成像的正确性, 使用全方位地下局部角度域分解与成像技术, 直接在地下局部角度域中以连续的方式进行地震数据成像分解, 得到两个互补的全方位角度道集:倾角道集和反射角道集, 成像精度提高, 各向异性发育方向和强度预测更可靠.全方位成像与反演一体化技术流程在四川盆地涪陵页岩气储层表征中初步应用, 为提高非均匀储层成像质量和裂缝预测精度提供有效手段, 对于页岩气储层甜点预测、水平井钻井轨迹和压裂方案优化等具有重要意义.
关键词页岩气     全方位     局部角度域成像     各向异性    
Full azimuth subsurface local angle domain imaging based anisotropy characterization for shale gas reservoir
LIU Xi-wu, LIU Zhi-yuan, NING Jun-rui, CHEN Ye-quan    
1. Petroleum Exploration and Production Research Institute, SinoPEC, Beijing 100083, China;
2. Sinopec Key Laboratory of Shale Oil/Gas Exploration and Production Technology, Beijing 100083, China;
3. National energy R & D center of shale oil, Beijing 100083, China
Abstract: Wide azimuthal seismic data acquisition is the basis of anisotropy characterization. Furthermore, the data processing and analyzing procedure are critical to ensure good results. Nowadays, the popular processing procedure for wide azimuthal seismic data is sectoring. However, sectoring processing could not get the real subsurface angel information and would leak geological information because of its intrinsic defects. Using a new local angle domain imaging method in the paper, two type angle gathers can be generated: directional angle gathers and reflection angle gathers, which can make the subsurface imaging correctly with valid direction and resolution. On base of the full azimuth local angle domain decomposition and imaging, anisotropy orientation and intensity can be characterized better by residual move-outs (RMO) and amplitude versus angle with azimuth (AVAZ). The integrated full azimuthal imaging and inversion work flow is applied to shale gas reservoir anisotropy characterization of Fu-ling acreage in Sichuan basin and effective results are obtained. The predicted anisotropy orientation and intensity properties would be beneficial to identifying “sweet spot”, the horizontal well deployment and hydraulic fracturing option.
Key words: shale gas     full azimuth     local angle domain imaging     anisotropy    
0 引 言

当前,页岩气已成为世界能源的重要领域,也是研究的热点.其中,泥页岩裂缝既是油气的储集空间,又是有效运移通道,是页岩气“甜点”的主要控制要素,有效的裂缝预测对于页岩气勘探开发十分关键(董宁,2014).在岩心、测井识别的基础上,利用地表地震勘探数据挖掘和提取裂缝相关信息也非常重要(孙炜等,2014).常用地震方法(刘振峰等,2006)主要有:多波多分量探测方法(程冰洁等,2012)、横波探测方法、三维纵波方法,其中三维纵波方法包括叠后地震属性分析和叠前方位各向异性属性分析.其中,叠前各向异性能够预测小于地震波长尺度裂缝,精度较高(E.LIU,2012),但需要高成本宽方位角地震数据支持.面对花费大量资金所采集的具有丰富方位角信息的地震数据,有效利用好宽方位三维地震资料,真正解决页岩气储层地下真实成像点角度域数据分解(张保庆等,2011),提取叠前叠后地震属性,获得与地层应力相关的参数,较好预测裂缝发育的方向和密度(孙伟家,2013),是页岩气勘探开发面临的一个重要的技术和经济问题.

常规地震资料处理技术依据野外施工设计,叠加和偏移后没有了方位信息,资料处理中的方向信息也没有考虑地下储层的地质特性(应力方向、裂缝的方向和密度等),绝大多数情况与应力(裂缝)方向不一致,无法提供准确的特性描述.考虑方位的地震资料处理技术,目前也大多采用分扇区处理的替代方法,把记录数据分成几个偏移方位角扇区分别处理和成像,方位角扇区所表示的仍然是地表激发、接收偏移距和方位角的地震成像技术,无法表达出地下成像点的真正角度域信息(地下反射点的方位、方向、能量、倾角等),既不能真正解决成像问题,也不能提供真正有效的属性处理和分析手段,解决与地层各向异性及储层特征(应力分布、裂缝发育方向及密度)问题,严重制约地震资料对储层信息描述的精度,尤其不能很好解决与页岩气储层各向异性有关的裂缝预测问题.本文应用一种新的全方位叠前地震数据成像与反演技术(Zvi Koren et al,2011),基于宽方位角地震资料,进行全方位全波场地震的成像、描述、可视化和解释,获得常规处理成像技术无法提供的关于地层的各向异性特性和应力分布情况、地层裂缝发育方向以及裂缝发育密度.在全方位成像技术基本原理阐述的基础上,给出全方位成像、分解和反演技术在涪陵页岩气勘探中的一个应用实例.研究结果表明:全方位地下局部角度域成像与反演一体化技术,能够在页岩气储层表征中发挥重要作用.

1 全方位成像与反演技术原理

全方位地下角度域波场分解与成像采用一种新的地下角度域地震成像机制(Zvi Koren et al,2011),生成并提取地下角度依赖的反射系数,直接在地下局部角度域(LAD,local angle domain)以一种连续的方式利用全部记录到的地震数据,产生两类互补的全方位共像点角度道集:方向与反射成像道集,并建立精确可靠高分辨率速度模型,进行储层表征.方向角度道集分解能够实现真实三维各向同性/异性地质模型下的镜像与绕射成像,同时突出强调连续的构造界面和不连续地质对象(Paul Sava, et al,2011),如断层和小尺度裂缝,在地下反射界面上的每个点的倾角、方位角和连续性等构造属性也能够从方向角度道集中提取得到.而反射角度道集则把反射系数显示为反射面开角和反射开面的方位角的函数,在实际的局部反射界面附近特别有意义,反映局部背景镜像方向,通过自动拾取全方位角度域的剩余动校正量(RMO,residual move-outs),结合导出的地下反射层位的背景方向信息,为各向同性/异性层析速度建模提供一系列完整的输入数据(贾福宗等,2013),同时全方位入射角度依赖的振幅变化则可应用于可靠且精确地分析振幅随入射角和方位角变化(AVAZ,amplitude versus angle and azimuth),进行储层表征.全方位地下局部角度域成像方法一方面对复杂构造下部成像与分析十分有效,更重要的是可用于精确的方位各向异性成像与分析,为裂缝检测和储层表征提供有效的技术解决方案.

1.1 地下局部角度域

全方位地下角度域波场分解与成像方法也遵循各向同性/异性地下模型局部角度域成像与分析的基本原理.成像系统涉及两个波场,即入射波场和散射波场.每个波场可分解为局部平面波(或射线),代表波传播的方向,入射和散射射线的方向用各自的极角描述,每个极角包含两个分量:倾角和方位角.每个射线对将采集中地表记录的地震数据映射到地下四维局部角度域空间,如图 1所示,射线对法线的倾角ν1和方位角ν2,射线对反射开面的开角γ1和开面的方位角γ2(与方向北夹角),这四个标量角度意味着入射与反射射线的方向与地下局部角度域的四个角度相关联,反之亦然.

图 1 地下成像点的入射与 散射射线对及其地下局部 角度域的4个角度示意图 Fig. 1 Schematic of local angle domain
1.2 全方位地下局部角度域分解与成像方法原理

采用一种渐进的基于射线的偏移/反演点散射算子,从成像点向上到地表,计算得到:射线路径、慢度矢量、旅行时、几何扩散和相位旋转因子等(段鹏飞等,2013),构成一个成像体系,将地表记录地震数据映射到地下成像点的局部角度域,其优势在于能够构建不同类型的高质量角度域共像点道集(ADCIG,Angle-domain common-image gathers),来表示实际三维空间中连续的、全方位、角度依赖的反射系数.

首先将地震记录数据分解到倾角角度道集(或称为方向角度道集).对于每个倾角而言,地震数据同相轴对应的射线对具有相同视反射面方向但开角不同,用一个加权和的形式来表示(程玖兵等,2011).方向道集包含关于镜像和散射能量的方向依赖信息.方向数据的分解与所谓的绕射波成像密切相关.在全方位地下局部角度域分解与成像体系中,在全方位方向角度道集中,对获得的总散射场进行镜像(反射)和绕射能量分解,基于对方向性依赖的镜像属性的估算,衡量沿着3D方向道集在计算的局部菲涅尔带内反射能量的大小.方向性依赖的菲涅尔带则用预先计算的绕射射线属性进行估算,比如旅行时、地表位置,以及慢度矢量.实际工作中,计算镜像反射的方向道集是为了从相应的方向道集中提取地下局部反射/绕射面的构造面属性(例如,倾角、方位角和镜像性/连续性).这些构造属性信息比从叠后偏移地震数据中提取属性更精确、稳定.沿着方向角度道集值计算的能量(镜像性衡量指标)也可用作加权的叠加因子,可构造出两种类型的成像结果:镜像加权叠加——突出地下反射界面的构造连续性;绕射加权叠加——突出小尺度地质体的不连续性,如断层、河道和缝洞系统等.

其次,根据方向性信息,获得反射角度道集.背景方向性得到后,围绕该方向对所有的倾角/方位角进行积分,就可以生成全方位反射角度道集.注意到,若背景方向性的确定程度较高(采用镜像性准则衡量),则捕获镜像能量只需要利用围绕该背景方向(从角度依赖的菲涅尔带估算)一个较小的倾角范围就足够.镜像性准则是对沿着方向角度道集能量集中度的一种衡量.来自地下成像点的反射/绕射地震数据则分解为共开角(反射/绕射)和射线对开面方位角.全方位反射角道集用于提取RMO剩余动校正量,衡量使用的背景速度模型的准确性.全方位的RMO连同方向性信息一起,则作为层析成像速度建模的输入数据.此外,真振幅全方位反射角度道集则是AVAZ振幅分析的最优道集数据,可用于提取高分辨率的弹性参数.

1.3 全方位方向与反射角度道集分解与成像

全方位地下角度域分解与成像方法包括三个主要过程:射线追踪、全方位角度域分解和最终加权叠加成像.

1.3.1 射线追踪

射线追踪过程涉及到从地下成像点向上到地面发射一系列扇形单程绕射射线.向上进行射线追踪的角度围绕背景反射界面的局部法向方向进行测算.每一条射线的有关属性,如旅行时、射线坐标、慢度矢量、振幅和相位因子等,都要记录存储.

1.3.2 全方位角度域分解

全方位角度域分解过程涉及到构造入射和反射(绕射)射线对的组合.每一个射线对儿将采集地表记录的地震数据同相轴映射到地下4D局部角度域空间:即,射线对法线的倾角和方位角(与X轴夹角),射线对所在开面的开角和开面的方位角(与正北方向夹角),见图 2,每个射线对将采集地表记录的特定地震同相轴映射到地下4D局部角度域空间:即,射线对法线的倾角和方位角(与X轴夹角),射线对所在开面的开角和开面的方位角(与正北方向夹角).这里所谓的射线对方向是指基于各向同性或各向异性速度模型,即入射和散射的慢度方向已知,采用Snell定律计算的视法线方向(也称偏移倾向矢量).注意:当射线对方向与物理反射界面的法向方向一致时,射线对的法向方向才是所谓的镜像方向.

图 2 基于地下到地面和地面到地下射线的空间映射示意图 Fig. 2 Schematic of mapping surface coordinates to subsurface local angles

图 2中,炮点和检波点地面的4个坐标(炮点2个,检波点2个)可以用移位矢量(地下成像点的地面投影点和炮检中点之间的水平距离,也称为偏移孔径距离)和偏移距矢量(炮点和检波点之间的距离)来定义,而移位矢量和偏移距矢量均采用水平距离大小和方位方向来定义.注意到:理论上四个地表参数完全取决于地下四个局部角度域的角度,反之亦然.但是,方向角度道集和移位矢量之间的依赖关系更强些,开角角度和偏移距矢量之间的依赖关系更强一些,尤其是对于一些适度复杂的速度模型来说,更为明显.

地表地震数据 到地下角度域映射可以表示为

其中M为地下成像点,S={Sx,Sy},R={Rx,Ry}分别为地表炮点和检波点的坐标,从地面5D地震数据向地下映射,将会生成7D角度域数据(每个地下界面反射点包括4个角度,这就意味着整个的映射过程需要大容量的计算机内存和海量磁盘空间存储计算结果.

1.3.3 方向和反射角度地震道集成像

在方向角度地震道集中,地下成像点的反射/绕射率Iυ是射线对法向的倾角υ1和方位角υ2的函数为

其中Kυ是方向积分的核函数.

在反射角度道集中,地下成像点的反射率是开角γ1和开面方位角γ2的函数为

其中Kγ是反射积分的核函数.

在方向角度道集的基础上,可以计算镜向能量道集:

其中Eυ(M,υ1,υ2)为能量道集,N(M,υ1,υ2)是射线对数目.

依据镜向能量道集,可以明显区分散射能量与反射能量,再进行加权叠加成像,当赋予镜面能量比较高的加权值时可以有效突出复杂构造成像,当给予散射能量较高的加权值时可以突出绕射体的成像.

图 3为涪陵页岩气区块全方位地下局部角度域偏移成像的效果.镜像加权突出有效构造,提高资料信噪比,散射加权弱化反射能量,突出散射成像(该地区目的层没有明显的绕射体).

图 3 涪陵页岩气储层地下局部角度域偏移成像结果 Fig. 3 LAD Imaging shale gas reservoir of Fuling acreage
1.4 全方位道集自动RMO分析与AVAZ反演提取方位信息

在全方位角度域偏移成像的基础上,提取方位各向异性信息也具有挑战性(陈怀震等,2014).方位信息的变化可以用三个参数来表征(α1,α2,β)或(G1,G2,β),其中(α1,α2)是剩余速度椭圆的长短轴,(G1,G2)是Ruger方程(Zvi Koren et al,2011)AVAZ椭圆的长短轴,β是各向异性方向角度.采用VTI速度模型全方位偏移后的3D道集,将包含RMO和AVAZ的方位变化信息.图 4是涪陵页岩气层全方位地下局部角度偏移成像后RMO随方位变化的3D道集实例,按照反射角增加进行道集排列,每个分区方位角从0到360°变化,由于方位速度变化导致的RMO现象较为明显.

图 4 全方位反射角道集分析HTI各向异性 Fig. 4 HTI anisotropy analysis on full azimuth reflection gathers

基本的AVAZ模型(Ruger,1998)为

其中R是反射系数,I是垂直入射的反射系数,θ是入射角,φ是方位角.剩余均方根速度可以表示成方位角的函数:

其中 I和G 为Hilbert变换定义的复地震道,f0是主频.

从3D道集中提取方位信息,包括两步:提取(α1,α2,β),拉平道集,为AVAZ分析做准备;AVAZ分析提取(G1,G2,β).一般地,方位剩余RMS速度校正要自动实现,在每个样 点估算参数(α1,α2,β),要充分考虑横向连续性、低信噪比. 图 5是实现的流程,首先计算垂直入射反射系数I和初始AVAZ梯度场(G1,G2,β),定义HTI分析可靠性评价因子Q(z)(z是深度), 进行平滑和插值,保证分析质量;再计算(α1,α2,β),进行拉平处理;最后进行AVAZ分析,得到(G1,G2,β).

图 5 自动RMO分析与AVAZ工作流程(据Canning,2013) Fig. 5 Automatic RMO analysis and AVAZ workflow(by Canning,2013)
2 应用实例

涪陵地区构造位置处于川东高陡褶皱带万县复向斜礁石坝构 造带内,页岩气储层为志留系下统龙马溪组页岩.页岩气勘探开发研究过程中,使用全方位地下局部角度域成像与反演技术进行各向异性分布预测,考虑到高角度裂缝不发育,认为各向异性是裂缝与应力综合作用的反映.采用图 5给出的技术流程,图 6为基于全方位地下局部角度域成像进行页岩气储层内部各向异性预测的结果(沿页岩层底界面上50米提取),左侧为RMO分析预测的结果,右侧为AVAZ分析预测的结果,图中黑色棒代表各向异性发育方向,两者吻合度较高,另外JY-1井目的层段成像测井分析结果与预测的裂缝发育方向吻合,表明各向异性预测结果具有一定准确性.引起各向异性分布的原因可能是裂缝发育与应力分布综合作用的结果,可以进一步指导水平井轨迹和压裂方向设计.

图 6 全方位剩余时差反演(左侧)和全方位振幅AVAZ(右侧)反演的各向异性强度图 Fig. 6 Full azimuthal RMO(left) and AVAZ(right)anisotropy intensity

3 结 论

基于全方位地下局部角度域分解与成像技术,可以较好利用宽方位地震数据,而成像与反演一体化技术流程能够有效提取目的层HTI各向异性特征,来确定各向异性发育的方向和强度.涪陵地区页岩气储层应用表明,基于地下局部角度成像技术的全方位道集自动RMO分析与AVAZ反演,能够较好提取页岩气储层各向异性特征,使得在页岩气油气藏勘探中的地震数据的应用与分析更加可靠.与传统叠前偏移成像及各向异性分析方法相比,本文方法计算成本仍然比较高.此外,进行目标层预测时如何消除上覆地层各向异性的影响仍需研究.

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