CN103257363A - 一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法，依次包括以下步骤：（1）通过在反射纵波数据体时间域上确定裂缝性储层所在的时窗；（2）测量时窗内每道信号的最大李雅谱诺夫指数；（3）对最大李雅谱诺夫指数进行倾角刻度，获得储层中裂缝的倾角。由于裂缝的缝面广泛具有一定的倾角，竖直或水平属特殊情况，当裂缝倾斜时，干扰了纵波的周期性，纵波表现出一定的混沌性质。本发明基于裂缝性储层反射系统的非线性特征——混沌性质，直接测量表征非线性特征的最大李雅谱诺夫指数，定量刻画了裂缝倾角，效果好，方法简单易行，使用裂缝性储层的反射纵波叠加数据体实用性强，成本低。

Description

一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法

技术领域

本发明涉及石油、天然气地震勘探领域的一种地面地震勘探技术，应用于地下地层裂缝倾角探测。

背景技术

地下地层储积的石油、天然气是满足我国能源需求的重要勘探开发目标。地震勘探是探测地下石油、天然气储集层的重要手段。地下地层依靠地层岩体中的孔、缝、洞的还未被其它填充物占据的空间来储集石油、天然气。其中，以裂缝空间储积石油、天然气为主导地位的地下地层称为裂缝性储层。探测并精确描述裂缝性储层中裂缝的各种属性特征，如缝密度、缝面倾角、倾向、走向、开度、尺度、系统性（或称网络性、区带性）、连通性、缝所在地层的岩性、缝中的填充物、埋深及空间分布，对于正确指导石油、天然气的生产开发具有巨大的经济价值。前人已研究了许多裂缝性储层的地震勘探方法、技术。这些方法、技术分别基于经地震勘探采集、处理得出的裂缝性储层的不同种类的地震资料，采用相应的手段进行数据加工、处理，提取出各种信息来反映裂缝的各种属性特征。

（一）基于叠后纵波地震资料的裂缝勘探方法

1、相干分析方法

通过测量得到反射纵波地震信号的空间一阶变化率指数----相干系数，定性反映大尺度缝的空间分布。如王恩利等，一种改进型C3相干算法，西北地震学报，2009，31(3)：217～220。

2、曲率分析方法

通过测量得到反射纵波地震信号的空间二阶变化率指数----曲率，定性反映裂缝系统的空间分布。如Satinder Chopra等，Structural curvature versus amplitude curvature，SEG 2011年年会论文集。

3、边缘检测方法

利用图象处理中的边缘检测方法，对反射纵波地震信号构成的空间“图像”的边缘特征进行提取，定性反映裂缝发育带空间分布。如迟新刚等，基于熵算子的地震裂缝检测方法，矿物岩石，2003，23(2)：117～119。

4、地震属性方法

广义地讲，一切由地震资料提取的信息都可称作地震属性，其它所有的方法都可纳入地震属性方法。但从地震信息应用通常的分类来讲，地震属性主要还是指把反射地震信号作为一种时间序列看待的数字特征，应用这些时间信号数字特征的方法称作地震属性方法。提取裂缝性储层反射纵波地震信号的各类属性特征，由裂缝发育带引起的属性异常定性反映裂缝发育带的空间分布。各类地震属性有：（1）振幅类属性、频率类属性、吸收衰减类属性，如王秀玲等，潜山裂缝储层地震多信息综合预测方法及应用实例，石油地球物理勘探，2002，37（增）：196-201。（2）波形类属性，如师永民等，应用地震波形分析技术预测裂缝的方法探讨，石油物探，2005，44(2)：128～130。（3）非线性类属性，包括有双谱属性，如迟新刚等，应用双谱进行裂缝储层检测，石油地球物理勘探，2003，38(3)：285～289；Lyapunov指数、关联维、突变参数，如李琼等，同铁构造嘉陵江组储层裂缝非线性预测与分析研究，矿物岩石，2004，24(2)：78～81。

（二）基于叠前纵波地震资料的裂缝勘探方法

使用叠前纵波地震资料提供了观测更多信息的机会，较之叠后方法能更紧密地联系裂缝的各种属性特征。如可观测到反射振幅随偏移距、入射角、方位角变化的特征。因此可产生以下3种方法。

1、AVO（AVA）类方法

AVO是“振幅随偏移距变化”的英文单词“Amplitude Versus Offset”首字母的简称。AVA是“振幅随角度变化”的英文单词“Amplitude Versus Angle”首字母的简称。其中的偏移距与角度有一一对应关系，并可等价转换，故实质相同，归为同一类方法。AVO(AVA)的另一种称谓可写作“Amplitude Vary with Offset（Angle）”，但本质相同。

2、AVAz类方法

AVAz是“振幅随方位角变化”的英文单词“Amplitude Versus Azimuth”的缩写。为了区别于“AVA”这一简称，对单词“Azimuth”取了前两个字母，并且z为小写。AVAz的另一种称谓可写作“Amplitude Vary with Azimuth”，但本质相同。

3、AVOA（AVOZ、AVAZ）类方法

在1、2类方法的基础上，AVOA（AVOZ、AVAZ）为两类方法的综合，意义为“振幅随偏移距（角度）和方位角变化”，英文为“Amplitude Versus Offset(Angle)and Azimuth”或“Amplitude Vary with Offset（Angle）and Azimuth”，方位角缩写可取用字母“A”或“Z”。此类方法可导出各向异性梯度参数指示裂缝密度属性，各向异性梯度的方位参数指示HTI型裂缝的方位，如Lynn,H.B.等，Correlation between P-wave AVOA and S-wavetraveltime anisotropy in a naturally fractured gas reservoir,The Leading Edge,1996,15(8):931-935。

此处对第（二）类方法作出以下推论。从观测反射波振幅随偏移距和方位角的变化特征可进一步推广，观测其它反射特征的变化，例如观测速度、阻抗、……，多种多样的地震属性随着偏移距和方位角的变化特征。再推而广之，可观测反射波的A属性、B属性、C属性、……，随着参数X1、X2、X3、……的变化特征，例如反射波能量衰减属性随频率变化。依照属性随参数变化的观测方式：(A、B、C、……)～(X1、X2、X3、……)，这里使用符号“～”来表示“随之变化”的意义，理论上，属性A、B、C、……和参数X1、X2、X3、……可自由组合出无穷尽的特征变化的实例，例如（PP波NMO速度）～（方位角），并从这些变化特征导出相应的参数以反映裂缝的密度、方位等属性特征。

（三）基于多波地震资料的裂缝勘探方法

对多波地震资料的利用主要是指单独应用PS波地震资料或联合应用PP波和PS波地震资料。而单独应用PP波地震资料应属于前述（一）、（二）类方法。

1、多波NMO速度分析方法

联合利用PP波、PS波NMO速度随方位角变化的特征，即（PP波NMO速度、PS波NMO速度）～（方位角），导出各向异性参数来反映裂缝的方位。如Ivan Vasconcelos等.Seismiccharacterization of multiple fracture sets at Rulison Field,Colorado[J].Geophysics,2007,72(2):B19～B30。

2、横波分裂分析方法

利用PS波地震资料经资料处理得到的快横波和慢横波资料，导出快慢横波之间的时差参数来反映裂缝的发育区带，而用快、慢横波的极化方向指示裂缝走向。如程冰洁等，转换波资料在川西坳陷储层预测中的应用.石油物探，2009，48(2)：181～186。

3、多波联合反演方法

利用观测到的（PP波反射振幅、PS波反射振幅）～（入射角）的变化特征，反演出各向异性参数来反映裂缝发育区带。如徐天吉等，PP波与P-SV波叠前联合反演研究与应用.勘探地球物理进展，2008，31(5)：365～372。

上述各类方法从不同角度对裂缝进行了预测研究，大量方法已能较好描述裂缝系统的区带性，属于对大套的裂缝系统宏观的、定性的描述。相干、曲率方法可进一步分辨裂缝区带中的大尺度裂缝走向、空间分布。在HTI型裂缝假设条件下，即假设裂缝面是垂直的，一些纵波叠前方法和多波方法可提高裂缝密度、裂缝方向的探测精度。叠前技术使用成本较叠后技术稍高，但精度更好。多波技术成本还要高些，但精度又可提高一步。在实际生产中，裂缝面的倾角不是垂直的情况才是广泛存在的。由于裂缝的倾斜，使得储层反射特征产生较大变化，直接影响人们对储层的认识，进而影响对储层的预测结果。探明裂缝倾角是储层预测的一项重要因素。在上述研究中还缺乏对裂缝性储层中裂缝倾角的探测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法，该方法基于裂缝性储层反射系统的非线性特征，直接测量表征非线性特征的最大李雅谱诺夫指数，定量刻画了裂缝倾角，克服了现有技术存在的缺陷。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

裂缝的缝面广泛具有一定的倾角，竖直或水平属特殊情况。由于裂缝倾斜使储层反射特征产生较大变化，直接影响人们对储层的认识，进而影响对储层的预测结果。当裂缝倾斜时，干扰了纵波的周期性，纵波表现出一定的混沌性质。对应于裂缝从垂直到水平，反射纵波信号的最大李雅谱诺夫指数从最小的负值逐步趋近于0。本发明通过在反射纵波数据体时间域上确定裂缝性储层所在的时窗，测量时窗内每道信号的最大李雅谱诺夫指数，对最大李雅谱诺夫指数进行倾角刻度，从而获得储层中裂缝的倾角。

一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法，依次包括以下步骤：

（1）在反射纵波数据体时间域上确定裂缝性储层所在的时窗。

反射纵波数据体是由针对地下裂缝性储层在地面布设的反射波接收装置接收到的炮记录，经信号处理加工后得到的。接收装置是从业人员熟知的二维或三维观测系统。炮记录是从业人员熟知的原始反射纵波记录。信号的处理加工为从业人员熟知的手段，如去噪、静校正、动校正、反褶积、叠前时间偏移、叠加等等。叠加方式为选择一个接收反射纵波的偏移距范围，或者入射角范围，将选择范围内的反射纵波进行叠加。偏移距是接收点位置与激发点位置之间的距离。入射角是与偏移距对应的入射纵波与裂缝性储层顶界面法线的夹角。时间域是指数据体的纵坐标为时间轴。时窗是时间轴上的一个闭区间。时窗的确定是以裂缝性储层顶界面与底界面的层位为参照设定的。层位是由从业人员熟知的储层层位拾取得到的。

（2）测量时窗内每道信号的最大李雅谱诺夫指数。

李雅谱诺夫指数是动力学系统混沌性质的定量表示。下面使用一种基于Wolf方法的发散速度统计法来计算最大李雅普洛夫指数。设地震信号x(t)重构的相空间为如下向量序列X_i：

X_i=(x(i),x(i+τ),x(i+2τ),…,x(i+(D-1)τ)^T

其中，τ为时间延迟，取为1～100个采样间隔；D为相空间维数，取为1～100；i为相空间中向量的下标，取1,2,3，…，N，N为相空间中向量的个数，T为向量的转置符。设相空间中，每一对相邻最近两点的距离为

$d_i\left(0\right)=\underset{j}{\min }\left|\right|X_i{-X}_j\left|\right|---\left(1\right)$

并称最近两点构成一个领域。当系统随着时间演化，领域点对的距离扩散满足方程：

$d\left(t\right)={\mathrm{ce}}^{{\mathrm{\λ}}_{1}t}---\left(2\right)$

式中，d(t)为相空间相邻两点的距离，c为归一化常数，可为初始距离d(0)，λ₁为最大李雅普洛夫指数，t为时间控制变量。对发散方程两边取对数可得

lnd(t)=lnc+λ₁t   (3)

统计相空间各领域的运动状态，可得一系列直线关系，取直线系的平均点，并拟合一条统计平均直线，求得其斜率即可得最大李雅普洛夫指数。

（3）对最大李雅谱诺夫指数进行倾角刻度，获得储层中裂缝的倾角。纵波穿过含垂直裂缝的储层时，其极化方向近乎于与裂缝面平行，因此，纵波等价于在均匀介质中传播，裂缝不会影响纵波振动的周期性。而当裂缝倾斜时，干扰了纵波的周期性，纵波表现出一定的混沌性质。尤其是裂缝水平时对纵波的周期振动干扰最严重。对应于裂缝从垂直到水平，反射纵波信号的最大李雅谱诺夫指数从最小的负值逐步趋近于0，指示了反射系统的动力性质从线性、周期性逐步转化为非线性、混沌性。结合所研究的勘探工区的钻井、测井对裂缝性储层的测量资料，可将（反射纵波最大李雅谱诺夫指数）～（裂缝倾角）的变化特征进行指数拟合，再用拟合函数关系将最大李雅谱诺夫指数映射为裂缝倾角，完成刻度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：基于裂缝性储层反射系统的非线性特征——混沌性质，直接测量表征非线性特征的最大李雅谱诺夫指数，定量刻画了裂缝倾角，效果好，方法简单易行。使用裂缝性储层的反射纵波叠加数据体可实施，实用性强，成本低。

具体实施方式

一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法，依次包括以下步骤：

（1）在反射纵波数据体时间域上确定裂缝性储层所在的时窗。裂缝性储层反射纵波数据体的接收、处理，及裂缝性储层的顶、底层位采用从业人员熟知的、通用的、常规的工序获得。偏移距范围是0米至1万米之间的一个闭区间。角度范围是与偏移距范围对应的纵波入射角范围。时窗分3种设定方式。

1、基于裂缝性储层顶层，向上扩展30～100ms，向下扩展30～100ms。

2、基于裂缝性储层底层，向上扩展30～100ms，向下扩展30～100ms。

3、基于裂缝性储层顶层，向上扩展0～100ms，或者向下扩展0～100ms。基于裂缝性储层底层，向上扩展0～100ms，或者向下扩展0～100ms。

（2）测量时窗内每道信号的最大李雅谱诺夫指数。设地震信号x(t)重构的相空间为如下向量序列：

X_i=(x(i),x(i+τ),x(i+2τ),…,x(i+(D-1)τ)^T

其中，τ为时间延迟，取为1～100个采样间隔，D为相空间维数，取为1～100。设相空间中，每一对相邻最近两点的距离为

$d_i\left(0\right)=\underset{j}{\min }\left|\right|X_i{-X}_j\left|\right|---\left(1\right)$

并称最近两点构成一个领域。当系统随着时间演化，领域点对的距离扩散满足方程：

$d\left(t\right)={\mathrm{ce}}^{{\mathrm{\λ}}_{1}t}---\left(2\right)$

式中，d(t)为相空间相邻两点的距离，c为归一化常数，可为初始距离d(0)，λ₁为最大李雅普洛夫指数，t为时间控制变量。对发散方程两边取对数可得：

lnd(t)=lnc+λ₁t   (3)

统计相空间各领域的运动状态，可得一系列直线关系，取直线系的平均点，并用最小二乘法拟合一条统计平均直线，求得其斜率即可得最大李雅普洛夫指数λ₁。

（3）对最大李雅谱诺夫指数进行倾角刻度，获得储层中裂缝的倾角。用至少两口，也可多于两口钻井或者测井资料描述的不同的裂缝倾角α₁,α₂,…,α_n，与井位处的最大李雅谱诺夫指数L₁，L₂，…，L_n（此处符号L用于表示位于井位处的最大李雅谱诺夫指数λ₁），将（反射纵波最大李雅谱诺夫指数）～（裂缝倾角）的变化特征用最小二乘法作指数拟合，使得拟合误差

$J\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{ce}}^{-({\mathrm{\α}}_i-b)/a}{L}_i\right)}^2---\left(4\right)$

达到最小值。即采用指数函数拟合反射纵波最大李雅谱诺夫指数随裂缝倾角变化的关系，a，b分别为调节指数函数图像的申缩参数和平移参数。经拟合取得关系式后再用拟合函数关系将研究区井外最大李雅谱诺夫指数映射为裂缝倾角，完成刻度。

Claims (3)

1.一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

（1）在反射纵波数据体时间域上确定裂缝性储层所在的时窗，裂缝性储层反射纵波数据体的接收、处理，及裂缝性储层的顶、底层位采用从业人员熟知的、通用的、常规的工序获得，偏移距范围是0米至1万米之间的一个闭区间，角度范围是与偏移距范围对应的纵波入射角范围，时窗分3种设定方式：

1)、基于裂缝性储层顶层，向上扩展30～100ms，向下扩展30～100ms，

2)、基于裂缝性储层底层，向上扩展30～100ms，向下扩展30～100ms，

3)、基于裂缝性储层顶层，向上扩展0～100ms，或者向下扩展0～100ms，基于裂缝性储层底层，向上扩展0～100ms，或者向下扩展0～100ms；

（2）测量时窗内每道信号的最大李雅谱诺夫指数，设地震信号x(t)重构的相空间为如下向量序列：

X_i=(x(i),x(i+τ),x(i+2τ),…,x(i+(D-1)τ)^T

其中，τ为时间延迟，D为相空间维数，i为相空间中向量的下标，取1,2,3，…，N，N为相空间中向量的个数，T为向量的转置符，设相空间中每一对相邻最近两点的距离为：

$d_i\left(0\right)=\underset{j}{\min }\left|\right|X_i-X_j\left|\right|$

并称最近两点构成一个领域，当系统随着时间演化，领域点对的距离扩散满足方程：

$d\left(t\right)={\mathrm{ce}}^{{\mathrm{\λ}}_{1}t}$

对发散方程两边取对数可得：

lnd(t)=lnc+λ₁t

式中，d(t)为相空间相邻两点的距离，c为归一化常数，可为初始距离d(0)，λ₁为最大李雅普洛夫指数，t为时间控制变量，统计相空间各领域的运动状态，得一系列直线关系，取直线系的平均点，用最小二乘法拟合一条统计平均直线，求得其斜率即为最大李雅普洛夫指数；

（3）对最大李雅谱诺夫指数进行倾角刻度，获得储层中裂缝的倾角，用至少两口，也可多于两口钻井或者测井资料描述的不同的裂缝倾角α₁,α₂,…,α_n，与井位处的最大李雅谱诺夫指数L₁，L₂，…，L_n，将反射纵波最大李雅谱诺夫指数～裂缝倾角的变化特征用最小二乘法作指数拟合，使拟合误差

$J\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left({\mathrm{ce}}^{-({\mathrm{\α}}_i-b)/a}{-L}_i\right)}^2$

达到最小值，a、b分别为调节指数函数图像的申缩参数和平移参数，经拟合取得关系式后再用拟合函数关系将研究区井外最大李雅谱诺夫指数映射为裂缝倾角，完成刻度。

2.根据权利要求1中所述的一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法，其特征在于，步骤（1）中，反射纵波数据体时间域上裂缝性储层所在的时窗是据实际地区地下地层的地质情况而确定的。

3.根据权利要求1中所述的一种探测地下裂缝性储层中裂缝倾角的方法，其特征在于，步骤（2）中，时间延迟τ采用1～100个采样间隔，相空间维数D采用1～100。