地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (1): 120-127   PDF    
火山岩地层裂缝地震波场特征研究
戴世立     
中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院, 大庆 163712
摘要:火山岩地层裂缝发育、裂缝发育程度是制约产能关键因素.裂缝是怎样影响地层横向的地震成像效果,并具有什么独特的地球物理反射特征,是人们一直关注的重点.本文设计不同类型含裂缝地质模型,结合不同岩性实验室测试参数将地质模型转化为地球物理模型,采用计算精度高的交错网格高阶有限差分法,开展不同裂缝模型地震波场特征正演模拟研究,对比分析含裂缝和不含裂缝地层波场传播的特征和成像剖面特征,以及含裂缝和不含裂缝全弹性波场的频率域特征变化,指导火山岩地层中裂缝的识别和预测.研究表明,含裂缝地层产生强散射波场,裂缝散射波振幅与裂缝数量、速度差有关;发育裂缝的火山机构,散射波场与其他波场(如反射波场、透射波场等)叠加、干涉相互作用,造成波前面出现断断续续的现象,在成像地震剖面上裂缝形成断续反射,且火山岩地层中裂缝散射波主频高于地层反射波的,裂缝发育地层具有高频段振幅明显增强的特征.
关键词火山岩    裂缝    地震波场    正演模拟    
Volcanic rock formation fracture characteristics of seismic wave field research
DAI Shi-li     
Exploration and Development Research Institute of Daqing Oilfield Company Ltd, Daqing 163712, China
Abstract: As to Volcanic rocks formation, fracture development and development degree are the crucial factors that restrict its productivity. How cracks affect lateral seismic effect of formation has been focused on, as well as what unique geophysical reflection characteristic of cracks. In this paper, different crack geological models are designed. Combined with different lithology laboratory test parameters, geological model is transformed to geophysical model. Using staggering grid high order limit difference method with high calculation accuracy, forward modeling research of different crack model characteristics in seismic wave field are carried out. The characteristics of wave field propagation and imaging profile characteristics in crack formation and in non-crack formation are contrastively analysed, as well as changing characteristics of the frequency domain in elastic wave field between in crack formation and in non-crack formation. Forecasting and identifying cracks in volcanic rock formation are guided. Researches show that strong scattering wave field and wave field amplitude generated in crack formation, are related with the amount of crack and speed difference. The superposition and interaction of volcanic edifice developed with cracks, scattering wave field and others wave fields, such as reflected wave field, transmission wave field, make the front wave discontinuous. This discontinuity makes the cracks reflected continuously in the seismic section. In volcanic formation, if the dominant frequency of scattering wave, generated by cracks, is higher than the dominant frequency of formation reflected wave, the character is that, in crack developed formation, the amplitude of high frequency enhanced obviously.
Key words: volcanic rock     fracture     seismic wave field     forward modeling    
0 引言

裂缝不仅是油气运移的通道和储集空间, 对裂缝介质的研究意义重大 (周新桂等,2003雷茂盛等,2005阮宝涛等,2011).火山岩地层中,裂缝十分发育,尤其是火山岩的柱状节理,在现今的露头剖面上,更是广泛存在.近年来,对裂缝性储集层的勘探越来越受到重视,作为裂缝性油气藏勘探开发的重要课题亦是最大难点,就是对储层裂缝发育程度和分布范围的预测.在裂缝型储层研究中,人们常用方位各向异性探测其裂缝分布和发育特征,方位各向异性特征主要表现在振幅随炮检距和方位角的变化特征及NMO速度随炮检距和方位角的变化特征等方面 (王德利等,2005孙炜等, 2013, 2015).描述裂隙岩石的弹性本构理论模型主要有两种:Hudson的模型 (Hudson, 1980, 1981) 和Schoenberg等的线形滑动界面模型 (Schoenberg,1980Schoenberg and Douma, 1988),两者采用不同背景介质物理参数计算出有效弹性常数张量矩阵,描述EDA介质模型.牟永光和裴正林 (牟永光和裴正林,2005裴正林和牟永光,2004) 研究了裂隙储层建模以及三维各向异性介质弹性波方程数值模拟.裴正林 (Pei and Wang, 2005) 采用交错网格高阶有限差分法对层状各向异性介质中横波分裂和再分裂进行了数值模拟研究,裴正林 (裴正林等,2007) 基于二维-三分量各向异性弹性波方程交错网格高阶有限差分法数值模拟,研究了高裂隙密度煤层弹性波场及其方位各向异性特征.姚志祥 (姚志祥等,2007) 基于有限差分数值模拟对昆仑山断裂带开展了三维数值模拟解释,应用三分量及P和S波震相的模拟增加了对围陷波模拟的约束,从而提高了最终数值模拟结果的可信度.然而,很少文献直观地研究波场在裂缝发育的地层中的波场传播特征,裂缝发育对地层地震成像效果的影响.本文根据地震剖面揭示的火山机构外部形态和火山岩相的边界,建立两期叠置的复合火山机构模型,结合实验室弹性参数测试数据,对含裂缝的火山机构地质模型进行参数填充,采用计算精度高、运算速度快和存储空间要求小的交错网格高阶有限差分法对裂缝模型开展高精度地震波响应数值模拟 (裴正林,2004董良国等,2000),研究不同裂缝模型的波场特征,寻找火山岩地层中裂缝地震响应特征,指导火山岩地层裂缝的预测.

1 单裂缝模型波场正演模拟

根据等效介质理论,采用有限长度低速薄片模型来刻画含流体有限长度张开裂缝.图 1所示为小尺度或岩心尺度单裂缝模型,模型大小为500 mm×500 mm.模型基质 (背景) 物性参数为Vp=4200 m/s,Vs=2700 m/s,ρ=2.46×103 kg/m3网格大小均为1 mm.裂缝长度为100 mm (约为纵波波长的2.4倍),宽度为3 mm,裂缝充填水.震源为P波点震源,主频为100 kHz,位置为 (200 mm,200 mm) 处,时间采样间隔Δt=0.1 μs.

图 1 小尺度单裂缝模型 Figure 1 Small scale single crack model

对比不同时刻 (50 μs、100 μs和120 μs) 水平分量和垂直分量的波场快照 (图 2) 分析认为,当P波点震源激发时,P波波前经过靠近源点的裂缝端点时形成二次源,产生散射波场,包括散射P-P波、散射P-S波,在固相介质中还存在PS反射波,裂缝内传播的G波;对于裂缝的另一端点而言,由于有一次和次生三个震源,即P波、P-P波和P-S波,于是其散射波场包括P-P波、P-S波、P-P-P波、P-P-S波、P-S-P波、P-S-S波等6种波型;当裂缝下端点上的4种散射波波前面经过其上端点时,再次产生散射,这一过程在裂缝的两个端点上反复进行下去,形成多次散射现象.

图 2 单裂缝模型不同时刻弹性波场快照 (左:水平分量,右:垂直分量) (a) 单裂缝模型t=50 μs时刻弹性波场快照 (左:水平分量,右:垂直分量); (b) 单裂缝模型t=100 μs时刻弹性波场快照 (左:水平分量,右:垂直分量); (c) 单裂缝模型t=120 μs时刻弹性波场快照 (左:水平分量,右:垂直分量). Figure 2 Elastic wave field snapshot of the single fracture model (left: horizontal component, right: vertical component)

对比垂直裂缝模型弹性波场模拟地震记录 (图 3),第一个同相轴为直达P波,第二个和第三个分别是裂缝上端点的散射P-P波和散射P-S波,紧接着裂缝下端点的散射波同相轴,且后续的同相轴存在明显干涉现象,这也是有限长度裂缝所特有的,且多次散射形成明显的尾波.

图 3 垂直裂缝模型弹性波场模拟地震记录 (a) 水平分量; (b) 垂直分量. Figure 3 Elastic wave field simulation seismic records of vertical crack model (a) Horizontal component; (b) Vertical component.
2 一组垂直裂缝层状模型波场正演模拟

在小尺度单裂缝模型波场正演研究的基础上,设计了含一组垂直裂缝的三层模型 (图 4),其中,模型大小为500 mm×500 mm,发育三条垂直于地层平行裂缝,其长度为50 mm (约为第二层纵波波长的1.4倍),宽度为3 mm,分布于第二层中部,间距为60 mm,裂缝充填水,震源为P波点震源,主频为100 kHz,位置为 (250 mm,50 mm) 处,接收检波器分布在模型顶面上,道距为2 mm,时间采样间隔Δt=0.1 μs.

图 4 一组垂直裂缝层状模型 Figure 4 A set of vertical cracks in layered model

一组垂直裂缝层状模型弹性波场在t=140 μs时刻快照 (图 5a:水平分量,图 5b:垂直分量) 显示,一组平行垂直裂缝所产生的散射波场是每一单个裂缝散射波场的叠加、干涉形成的复杂波场.其波前面是每一单个裂缝的圆形散射波前的包络,且能量很强;下行散射波将在界面上产生反射、透射和波型转换,形成散射波的反射波场和透射波场,存在明显的多次散射现象.

图 5 一组垂直裂缝层状模型弹性波场快照 (t=140 μs) (a) 水平分量; (b) 垂直分量. Figure 5 Elastic wave field snapshot of a set of vertical cracks in layered (t=140 μs) (a) Horizontal component; (b) Vertical component.

为了研究裂缝独特的反射特征,本文对比含一组垂直裂缝 (图 6) 和不含裂缝 (图 7) 的三层模型弹性波模拟记录,一组裂缝散射波互相叠加、干涉,互为激发源,裂缝散射波形成很强的相干干扰,且散射波同相轴不再是双曲线型,散射波的个数与裂缝个数是有关的,裂缝散射波能量的强弱可以反映出裂缝的密度大小.

图 6 含一组垂直裂缝层状模型弹性波方程数值模拟记录 (a) 水平分量; (b) 垂直分量. Figure 6 Elastic wave equation numerical simulation record of model Contains a set of vertical cracks in layered (a) Horizontal component; (b) Vertical component.

图 7 不含裂缝层状模型弹性波方程数值模拟记录 (a) 水平分量; (b) 垂直分量. Figure 7 Elastic wave equation numerical simulation record of model contains no cracks in layered (a) Horizontal component; (b) Vertical component.
3 裂缝发育的火山机构模型波场正演模拟 3.1 地质模型的地球物理参数

火山岩岩性复杂,种类多,岩性、岩相空间变化快,为保证不同火山岩岩性地球物理参数的准确性.本文采用超声脉冲透射测量系统,模拟地层温度和压力条件,对松辽盆地北部徐家围子、双城、古龙及林甸等四个断陷内的38口典型井的取心资料进行了测试分析,共测试16种岩性、105块岩样在干燥、饱含气和饱含水状态下的纵波速度、横波速度和密度等参数 (表 1),共获得664组数据 (姜传金等,2014).通过误差分析,波速测量误差小于0.54%,密度测量误差小于0.22%,确保了不同岩性地球物理参数的准确性和普遍规律性.

表 1 火山岩岩性地球物理参数表 Table 1 Volcanic rock lithology geophysical parameters table
3.2 波场正演模拟分析

火山岩储层作为非常规储层,火山岩储层中大多发育裂缝,储层类型多为孔隙、裂缝、孔洞构成的双 (多) 孔隙介质.火山岩在纵向和横向上都具有极强的非均质性.为了更好的描述裂缝发育的火山岩地层波场传播特征,在火山机构模型设计过程中,按地震剖面揭示的火山机构外部形态和火山岩相的边界,建立两期叠置的复合火山机构模型,并在实际火山模型中研究两组裂缝的地震波场特征 (图 8).在地质模型构建的基础上,将建模软件绘制好的二维封闭结构底图作为输入.利用图象处理中区域填充算法,对不同二维封闭结构底图进行不同颜色填充.其中不同颜色代表不同二维封闭结构面的属性 (速度、密度) 等,即代表不同火山岩相发育不同岩性类型.为了得到二维封闭结构模型的属性模型,对二维封闭结构模型的彩色图进行速度像素空间和属性空间转换,根据颜色空间和属性空间一一映射,就得到了最终复杂地质体的属性模型.结合弹性参数实验室测试结果,实现地质模型转化为地球物理模型.

图 8 发育两组裂隙的火山机构模型 Figure 8 Development of two groups of fractured volcanic model

火山岩裂缝模型声波方程正演模拟第41炮全波场快照 (图 9) 显示,火山岩裂缝 (带) 产生强散射波场,散射波场与其他波场 (如反射波场、透射波场等) 叠加、干涉相互作用,造成波前面出现断断续续的现象,且裂缝散射波能量大小与离震源距离有关,离震源裂近的缝散射波能量比较强.

图 9 火山岩裂缝模型声波方程数值模拟第41炮t=150 ms全波场快照 Figure 9 Shot41 t=150 ms full wave field snapshots of acoustic wave equation numerical simulation for volcanic rock crack model

对比同一模型含裂缝和不含裂缝声波方程正演模拟第41炮地震记录,火山岩裂缝带产生强散射波场 (图 10);散射波场与反射波场、透射波场等其他波场叠加、干涉相互作用,造成波前面出现断断续续的现象,并且裂缝散射波能量大小与离震源距离有关,离震源裂近的缝散射波能量比较强.

图 10 不含裂缝和裂缝发育的火山机构模型声波方程正演模拟第41炮地震记录对比 (a) 不含裂缝模型; (b) 含裂缝模型. Figure 10 Contrast shot 41 seismic records of acoustic wave equation forward modeling contains no cracks and fractures volcanic model (a) No crack model; (b) Crack model.

对比裂缝发育的火山机构模型弹性介质和声波介质正演模拟第41炮地震记录 (图 11),声波地震记录与全弹性波场分离后的纵波记录基本相同,明显区别在于裂缝弹性波场存在模式转换和能量转换.与声波场相比,弹性波场携带着于裂缝形状有关的更丰富、更复杂的信息,因此,全弹性波波场能够更加全面地表征裂缝储层及其储集体.

图 11 裂缝发育的火山机构模型声波方程和弹性波方程正演模拟第41炮地震记录对比 (a) 声波方程正演模拟第41炮地震记录; (b) 弹性波方程正演模拟第41炮地震记录 (纵波分量). Figure 11 Contrast shot 41 seismic records of the elastic wave equation and acoustic wave equation forward modeling Fracture development volcanic model (a) Acoustic wave equation forward modeling shot 41seismic record; (b) Elastic wave equation forward modeling shot 41 seismic records (p-wave component).

成像剖面特征显示,当裂缝成带发育时,在地震剖面上,会形成反射同相轴断续反射 (图 12).

图 12 裂缝发育的火山机构模型成像剖面 Figure 12 Imaging section of fracture volcanic model

为搞清含裂缝模型全弹性波场的频率域特征或振幅与频率关系即AVF特征,对比含裂缝和不含裂缝频谱,以及相同炮点炮记录相减提取裂缝的散射波频谱,裂缝散射波主频 (80 Hz左右) 高于地层反射波的 (50 Hz左右)(图 13),裂缝发育地层高频明显振幅增强.

图 13 火山岩含裂缝和不含裂隙模型弹性波方程正演模拟第41炮118道 (上图) 和120道 (下图) 波形频谱对比 (纵波分量) Figure 13 The118 CDP (above) and 120 CDP (below) wave spectrum contrast of volcanic rock containing cracks and contains no fracture model for elastic wave equation forward modeling shot 41 (p-wave component)
4 实例分析

基于裂缝地层高频振幅明显增强的特征,优选地震属性开展安达地区火山岩地层裂缝检测,将裂缝预测结果与其顶面构造图叠合分析 (图 14),立体图中高低起伏表示构造幅度;而颜色表示裂缝发育密度,暖色调红色代表裂缝发育密度高,黄色次之,冷色调蓝色表示裂缝密度低.预测结果显示,裂缝主要发育带基本位于局部构造高部位,即火山机构发育的地区,也是构造相对发育地区,后期的构造运动促使这些地区发育高密度裂缝带;相对而言,在构造相对较为平缓的地区,裂缝发育程度不高,预测结果与钻井资料认识一致.

图 14 裂缝预测与构造图叠合图 Figure 14 Crack prediction and structural map overlay
5 结论 5.1

采用超声脉冲透射测量系统,模拟地层温度和压力条件,对松辽盆地北部四个断陷中105块岩性样品开展测试,共获得664组数据.通过误差分析,波速测量误差小于0.54%,密度测量误差小于0.22%,确保了地球物理参数的可靠性和准确性.

5.2

含裂缝火山岩地层产生强散射波场,散射波场与其他波场 (如反射波场、透射波场等) 叠加、干涉相互作用,造成波前面出现断断续续的现象,裂缝散射波振幅与裂缝数量、速度差等有关;成像剖面上,裂缝形成断续反射.

5.3

火山岩地层裂缝发育地层较不发育的地层高频段振幅明显增强,可指导火山岩裂缝的预测.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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