0 引言

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储层的形成往往与地层中天然裂缝的发育程度密切相关(胡明毅等，2014；李景瑞等，2015)，裂缝既是重要储集空间，也是溶蚀作用、热液改造等过程发生的重要诱因和路径(刘忠宝等，2007；云露和曹自成，2014).在塔中北坡顺南地区碳酸盐岩内部的裂缝比较发育，尽管裂缝的种类、成因机制、发育规律以及对储层的影响作用等因素研究成果目前尚不明朗，但毫无疑问裂缝对这种致密的碳酸盐岩内部储集体的发育会起到正面的作用，一方面有助于形成储层，另一方面裂缝的存在会大大提高地层的连通性和渗透率，提高单井的产量(周兴熙，2000).因此，随着对该地区勘探的深入和产量预测的需求，裂缝发育情况的分析及预测问题成为越来越重要的研究课题.

顺南地区碳酸盐岩地层表现出良好的油气勘探前景(黄太柱等，2014; 漆立新，2014)，但目前针对该地区的裂缝预测研究极少，仅以储层地震正演和特征响应分析为主(陈明政等，2014；王保才等，2014)，在实际勘探生产中，受资料采集条件和品质的限制，裂缝预测也仅使用叠后属性分析技术，叠前方法研究很少涉及.目前利用纵波叠前地震数据进行裂缝预测的方法，主要是根据含裂缝介质的各向异性性质判断裂缝的发育和走向，自20世纪70年代以来，地震勘探中的各向异性研究发展迅速.其中Crampin(1981, 1985)提出了方位各向异性和横波分裂等概念，极大地推动了各向异性技术的发展，此后Hudson(1981, 1986)和Thomsen(1986)等先后提出了不同的理论模型，对此发展有很重要的贡献，而Rüger(1998)近似方程的提出大大地推动了利用各向异性进行裂缝预测技术的发展，成为目前该技术中最常用到的简化公式.随着地震勘探技术的发展和计算能力的大幅提高，叠前裂缝预测方法已成为生产和科研中常用的有效方法，由于其预测结果的直观性和对小尺度裂缝的强识别能力，已越来越引起研究者的重视并得到较广泛的应用(孙炜等，2014).国内外利用该方法，针对碳酸盐岩(刘军迎等，2012；陈明春等，2015)、火成岩(姜传金等，2011；贾跃玮等，2014)等不同岩性中的裂缝型储层进行预测，已取得了一些成效.但该技术对地震数据有较高的要求，如必须是宽方位采集，有较高的覆盖次数，目的层的最大入射角达到30°左右，有较高的信噪比等(杨晓等，2010).在本文的研究区域地震采集方位较窄，目的层埋藏深，使用该方法进行裂缝预测，存在一定困难.

基于以上考虑，本文从裂缝实际地质特征观察出发，综合多种方法进行裂缝预测.首先利用构造应力场反演结果，结合钻井资料和地质研究成果，间接评价裂缝的发育密度和方向；然后根据裂缝发育的主方向，对地震叠前数据进行了不同方位划分方案的资料处理，对比后优选较窄的方位划分数据，使用纵波方位各向异性方法预测碳酸盐岩储层裂缝发育方向与相对密度.多方法结合的裂缝预测结果符合研究区裂缝发育规律并与地质模式相吻合，并通过与岩心及成像测井资料对比，验证了该地区使用窄方位地震数据进行裂缝预测结果的有效性和合理性.

1 研究区概况 1.1 地质背景

研究区位于塔中北坡顺南地区(图 1黑色方框)，区域构造位置位于塔中Ⅰ号断层下盘，构造位置较低，与塔中隆起或塔北一些油气高产地区相比，整体上奥陶系碳酸盐岩地层发育完全，目前没有发现发生过大规模的暴露和剥蚀的证据，因此不具备发育大型岩溶风化壳的条件.但是从目前勘探情况看来，继顺南1井在一间房组顶部获得少量工业油气流之后，顺南4井、顺南5井分别在鹰山组上段、鹰山组下段钻获高产气流，获重大突破，2014年钻探的顺南7等一批新井也分别在一间房组-鹰山组不同层系测试获工业气流或见良好显示，展现了该地区碳酸盐岩多层系富集成藏的有利条件.

从区域断裂特征来看，塔中北坡除了发育NW走向的塔中Ⅰ号断裂带作为其边界断层以外，自西向东发育多条NE向为主的走滑断层，一系列走滑断层将下古生界切割成条块状.从平面上看断裂形迹十分丰富，呈线性延伸、断续分布的特征，断裂的规模和级别有较大的差异，规模较大的延伸大于20 km；从走向来看，可细分为三个方向：NE向、NEE向和NNW向.其中以NE向走滑断层发育规模较大，断穿地层自基底至上古生界石炭系或二叠系不等；NNW向断层主要发育在上奥陶统及其之上的地层内，为NE向主滑动带之上的派生断层或破裂.钻井揭示该区储层地质成因复杂，受多期断裂活动、表生岩溶和深部热液作用等影响，储层发育空间位置不同且类型多样，预测难度大；同时断层和裂缝在储层的形成中起到了关键的作用，因此裂缝预测问题成为储层评价中重要的环节之一.

1.2 裂缝发育特征

从岩心观察结果看，顺南地区主要发育构造缝、成岩缝及构造抬升形成的类风化缝3种类型裂缝(图 2)，发育少量溶蚀缝.构造缝以剪裂缝为主，发育少量张性缝及张剪性缝.受区域或局部构造应力控制的构造缝在该区普遍发育，大部分雁列式特征明显；成岩缝以缝合线为主，普遍发育；受后期流体溶蚀作用产生的溶蚀缝在局部地区发育，以充填硅质为主；受构造抬升作用形成的类风化裂缝也普遍发育，类风化缝在岩心剖开面为白色，但沿裂缝剖开发现实际无充填，岩心易沿该类缝开裂.

根据成像测井资料观察得到的单井裂缝走向玫瑰花图可以看出(图 1)，顺南地区裂缝走向以NE-NEE走向为主，局部NW走向，与断裂走向基本一致.NE-NEE走向裂缝主要为高角度-近垂直裂缝，以顺南501井为例，低角度缝走向杂乱，但高角度缝走向以NE为主，裂缝开度主要介于0~0.2 mm，局部裂缝开度大于1 mm，规模较大；NW走向裂缝发育与局部断裂走向变为NW有关，低角度缝(如顺南6井)和高角度缝都有发育(如顺南401井).从总体观察结果来看，该地区裂缝发育以构造成因的高角度缝为主，比较适合使用叠前地震各向异性等方法进行预测.

2 裂缝预测的原理及思路

目前裂缝预测的技术主要包含两大类：一是基于叠后数据的断裂检测技术，宏观上间接地反映裂缝发育情况；二是基于叠前地震数据，根据各向异性原理直接预测裂缝的密度和走向，本文将两种方法相结合进行裂缝的综合评价.

构造运动，往往伴生大量构造缝，并且由于地质演化史的大致相同，一个地区内在某一地质时期所受的应力场具有规律性，这为利用构造应力场分析方法预测构造缝的分布特征提供了依据.构造应力场反演的过程如下(陈兆明等，2012)：首先根据构造解释的层位和断层边界，利用待定系数法拟合地层趋势面函数，进而得到趋势面的曲率变形分量κ_x，κ_y，κ_xy；然后根据广义胡克定律和弹性薄板理论，计算平面上每个点的应力分量，公式为

(1)

式中:ν为泊松比，E为杨氏模量，这些参数可以通过叠前弹性反演获得.t为地层厚度的一半, 地层中心面之上为正, 地层中心面之下为负.从上式可得到主应力及其方向, 单位体积内的应变能, 根据岩石破裂准则, 计算出应力产生的裂缝密度大小.因此应力场反演的方法充分挖掘了地震叠后数据中包含的地层构造信息和叠前数据中包含的弹性参数的信息，从而对裂缝发育区进行预测.

在利用应力场反演评价裂缝发育情况的同时，使用叠前各向异性反演的方法进行裂缝密度和走向的直接计算.该方法是建立在假设地下地层为HTI介质的假设之上，利用纵波地震数据随观测方位发生变化的信息预测裂缝，其中最常用的反演近似方程是Rüger方程，简化后的两项方程可表示为

(2)

其中，，φ为测线方位角，φ_s为裂缝走向，i为入射角，α和β分别表示纵横波速度，δ^ν和γ为Thomsen参数，Z=ρα，G=ρβ².从该式可以看出，B^ani表征介质各向异性振幅梯度变化的大小，通常用来反映裂缝密度.

进行各向异性参数反演，首先要对地震数据进行分方位处理，然后利用不同方位之间地震数据的振幅等属性之间的差异，反演出裂缝密度和走向，并最终与钻井岩心、成像测井等实际数据进行对比，判断预测结果的正确性，结合应力场反演的结果，最终综合判定裂缝的发育情况，流程如图 3所示.

3 实际工区应用 3.1 叠前应力场反演

根据裂缝发育的地质特征观察可以知道，本区裂缝以构造成因缝为主，因此首先引入构造应力场反演的方法间接评价裂缝的发育情况.图 4为研究区反演地层应变与地应力方向综合展示的应力场分析结果(图 4a)，其中颜色表征应变强度，短线表征应力方向.由图可知顺南地区构造裂缝发育带及方向与断裂体系具有较高的相关性，主要分布于断层附近及构造变形比较厉害的区域.

从应力场模拟的方向统计来看，该地区应力场方向主要集中在两个方向，即NNE向和NW向(图 4c)，与成像测井观察到的裂缝发育走向具有相关性.从区域构造地质分析的结果来看，该地区的走滑断裂形成主要为来自北东向应力的差异挤压以及来自塔中Ⅰ号断裂带北西向剪切力共同作用下的结果(图 4b)，说明反演结果与地质模式是一致的.应力场反演结果一方面为裂缝预测提供指导和支撑，既可以表征裂缝主要发育方向，又间接指示出裂缝密度最大的区域；另一方面，对该地区下一步水平井的钻井方案设计也可以提供有价值的信息，优化勘探开发方案设计.

3.2 地震资料分析与处理

进行各向异性裂缝预测，首先要对地震资料进行道集分选及分方位处理.其中，方位角划分的方案尤其重要.在进行裂缝预测之前，要先了解地震资料采集方位分布情况，分析偏移距和方位角的分布关系，以选取合适的方位角划分方案.通常情况下，为保证预测结果的精度，进行裂缝各向异性预测需要进行全方位采集，方位角分布均匀；但是全方位采集需要花费大量的经费，所以目前大部分的地震工区都是进行的有限方位的采集，其中，本研究工区的采集纵横比为0.474，影响了裂缝预测的精度.

为了从叠前CMP道集中有效提取出地震各向异性信息，对地震资料进行了方位角抽取处理.从研究工区方位角与偏移距变化关系分析图上(图 5a)可以看到，在偏移距30~3100 m之间，各个方位角都有数据分布.通常情况下，进行各向异性反演，对方位进行均匀划分可以取得较好的效果，对裂缝的方位拟合也较为准确.但是在本工区，考虑到目的层很深，均在6000 m以下，而最大偏移距为3100 m，则转化为入射角较小.根据各向异性的公式(2) 可以看出，当入射角越大时，各向异性表现越明显，因此使用较小的偏移距，可能达不到观察各向异性的目的.因此，考虑到裂缝发育方向为NNE和NW向，我们进行了两个方案的划分对比，其中一个为传统的均匀划分入射角方案(图 5b)，即将入射角划分为0~45°，45~90°，90~135°，135~180°，偏移距取30~3100 m；另一个为窄方位角划分方案(图 5c)，即将入射角划分为0~25°，25~50°，130~155°，155~180°，偏移距取30~4600 m，.

设计方案之后进行数据的处理，首先对原始的CMP地震道集进行了方位数据的筛选，然后分别常规的处理流程，形成四个方位的地震数据.通过对比了两种划分方案处理后的地震数据偏移效果(图 6)，可以看到，窄方位角划分方案由于加入了大偏移距的信息，提高了覆盖次数，具有更高的信噪比和更好的偏移效果，并且对各向异性信息显示更加明显，最终使用这套方案数据进行裂缝反演(图 6b).

3.3 叠前各向异性裂缝反演结果

根据处理完的四个方位角数据，计算了相对波阻抗等对叠前各向异性反应敏感的地震属性，并反演裂缝密度.经过对比之后显示，振幅各向异性对裂缝的响应最敏感.如图 7所示，柱状图为分别表示从岩心及成像测井数据统计出的每口井的裂缝密度图.从统计结果来看，裂缝密度较高的是位于断层拉分段且距离断层较近的顺南4、顺南4-1和顺南501这三口井，从各向异性的反演结果来看，这三口井的剖面各向异性程度都较高，与钻井情况吻合.而统计结果上裂缝发育程度最低的几口井，如顺南5-2、顺南6、顺南5和顺南5-1，对应各向异性的反演结果显示的裂缝密度也较低.其中，裂缝密度为0的顺南5-2井，在裂缝反演剖面上从一间房组到鹰山组裂缝响应都非常弱，与成像测井情况非常吻合.

在此基础上，提取了一间房组的各向异性参数平面属性来表征裂缝密度(图 8a)，可以看到，反演的高裂缝密度带在平面上有沿断裂呈带状发育的形态，符合地质规律.对顺南5、顺南501和顺南401井的井点处的裂缝走向进行了统计，显示分别为NNE向、NE向和NW向为主，与成像测井资料比较一致(图 8b)，说明裂缝走向的计算结果也较为可信，具有参考价值.

4 结论 4.1

研究认为塔中北坡顺南地区裂缝以构造成因缝为主，高角度裂缝比较发育，因此适合使用构造应力场反演的方法，结合叠前各向异性裂缝反演技术，进而综合评价裂缝发育情况.

4.2

应力场反演方法有效结合了地震叠后数据中包含的地层构造信息和叠前数据中包含的地层弹性信息，预测结果与地质模式吻合，指出了符合地质规律的有利的裂缝发育带和主要发育方向.

4.3

研究区地震数据采集方位较窄，目的层埋藏深，均匀地划分地震方位进行叠前道集处理，资料品质难以满足各向异性裂缝反演的精度.在考虑了裂缝发育方向的情况下，使用了较窄方位划分方案后，能够包含大偏移距数据，资料品质提高，预测的裂缝结果与成像测井资料相吻合，平面分布规律与断裂展布方向较一致，说明方法具有可行性.

致谢 研究工作得到中国石化西北油田分公司勘探开发研究院的帮助，表示衷心感谢.感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持