各向异性裂缝

5.2.5叠前各向异性（方位P波）裂缝检测

5.2.5.1叠前方位P波裂缝方法原理

目前已经发展起来的裂缝性油气藏勘探技术有：横波勘探、P-S转换波、多分量地震、多方位VSP、纵波AVAZ等。其中最有效的方法当属横波分裂技术。但横波采集和处理的费用极高，油田投资风险大，因此不能成为常用技术。多分量地震、多方位VSP、P-S转换波技术有不错的效果，但要么勘探成本高，要么是非常规地震采集项目，在国内现阶段难于广泛应用。因此AVAZ发展成为商业化技术。

FRS裂缝检测方法是基于纵波的一种地震检测方法，当地震P波在遇到裂缝地层产生反射时，由于P波与裂缝的方位角不同，产生的反射就不同，如图7-1，利用三维地震资料宽方位角的特点，提取不同方位角的地震P波响应特征，就可以用于检测裂缝发育的相对程度，该方法尤其对开启的高角度裂缝效果明显。

图7-1 垂直裂缝储层与三维地震方位数据采集示意图

AVAZ（或AVOZ）：即3D地震资料的振幅随偏移距（入射角）和方位角变化关系。

沈凤教授等的研究表明，地震频率的衰减和裂缝密度场的空间变化有关。沿裂缝走向方向随offset衰减慢,而垂直裂缝走向方向随offset衰减快,裂缝密度越大衰减越快。

据Thomsen的研究，AVO梯度较小的方向是裂缝走向，梯度最大的方向是裂缝法线方向，并且差值本身与裂缝的密度成正比，因此裂缝的密度可以标定出来。

Gray等的研究描述了AVAZ分析法并表明AVO随方位角的变化关系(即AVO梯度)反映了岩石硬度的变化。

Ramos等的研究表明，纵波垂直于裂缝带传播会有明显的旅行时延迟和衰减，并有

反射强度降低和频率变低等现象。

贺振华等通过岩石物理模型实验结果表明，地震P波沿垂直于裂缝方向的传播速度小于沿平行于裂缝方向的传播速度。并且地震波的动力学特征如振幅、主频、衰减等比运动学特征如速度对裂缝特征的变化更为敏感。

这些研究为AVAZ的发展奠定了基础。并且表明，利用叠前地震资料提取方位地震属性如振幅、速度、主频、衰减等检测裂缝型储层是完全可行的，比基于叠后地震资料的裂缝检测技术有更大的优越性。

根据图7-2所示的裂缝方位检测示意图，可以得出如下的裂缝检测计算流程：

图7-2 裂缝方位检测方法图示

1.在CMP道集中抽选方位道集并进行叠加。计算的方位角个数可选3~6个，要求基本均匀地分布在0°-180°范围；

2.地震属性可以采用经过标定的振幅数据，如相对波阻抗数据。对每一个方位叠加道集计算相对波阻抗。这一过程实质是量纲的标定；

3.对储层的每个CDP点，使用上述各方位角的时窗统计属性值进行椭圆拟合，计算出3个特征值：椭圆长轴长度、短轴长度、及其与X轴的夹角。然后获得椭圆扁率（长轴/短轴）；

4.根据所选地震属性对裂缝方位的响应关系，以及在正演模拟中的结果，判定该夹角如何指示裂缝方向。椭圆扁率通常指示裂缝密度分布；

5.裂缝方位分析可以选择其它属性的数据。

裂缝预测流程见图7-3，其关键步骤分述如下。

图7-3 FRS模块结构和工作流程

FRS裂缝检测方法是基于纵波的一种地震检测方法，当地震P波在遇到裂缝地层产生反射时，由于P波与裂缝的方位角不同，产生的反射就不同，利用三维地震资料宽方位角的特点，提取不同方位角的地震P波响应特征，就可以用于检测裂缝发育的相对程度，该方法尤其对开启的高角度裂缝效果明显。

地震衰减和裂缝密度场的空间变化有关。沿裂缝走向方向衰减慢,而垂直裂缝走向方向衰减快,裂缝密度越大衰减越快。裂缝不仅产生地震衰减，还产生地震波的干涉,瞬时频率被用来研究地震波场干涉现象。瞬时频率可用来分析裂缝储层中相干波的时变频谱属性和刻划地震波的衰减属性。垂直裂缝走向方向衰减快, 并出现强非均质性,含气裂缝较含油裂缝表现出更强的非均质，如图7-4。

图7-4 不同方位角的地震P波响应特征示意图

在相同的孔隙度条件下，细小的裂缝比圆形的孔隙对速度的影响更大，在砂岩中小于0.01%裂缝孔隙度能导致纵波和横波速度降低10%以上，如图7-5(Kuster and Toksoz, 1974)。

图7-5 不同孔隙条件下裂缝发育程度与速度的影响

因此, 裂缝的方向、密度和所含流体变化会对纵波和横波速度产生很大影响并产生较强的地震各向异性, 裂缝对振幅随方位角变化特征的影响力是随偏移距的增加而增加，较大的偏移距可使由裂缝引起的振幅随方位角的变化变得明显, 因此, 方位振幅随偏移距变化 ( AVO ) 属性可用来检测裂缝。含油气的储层裂缝密度越大，同一偏移距下振幅的方位角变化就越大。由此可见, 裂缝引起的地震各项异性特征很明显, 利用叠前地震资料研究裂缝是切实可行的。

5.2.5.2方位各向异性岩石物理正演模拟

通过岩石物理正演模型的研究，可以帮助我们建立储层岩石物性的理论模型以及理论上该模型所产生的地震各向异性响应特征。

建立地震各向异性岩石物理模型的主要目的是建立起岩石弹性模量与裂缝参数（密度、所含流体、裂缝宽度/长度比）之间的关系。根据等效介质理论，我们将含裂缝岩石的等效柔度张量定义为岩石骨架的柔度张量和裂缝引起的附加柔度张量之和。如果裂缝的排列具有轴对称性（即平行发育的裂缝），那么裂缝总体柔度张量可视作两部分之和(Hudson and Li,1999;Liu and Li,2000)，即裂缝法向柔度张量和切向柔度张量。这两个张量可与Hudson’s裂缝模型建立理论关系(Hudson,1981;Hudson et al.,1996，Shen et al.,2002)。得到了裂缝的总柔度张量就可以进行弹性系数的反演，由反演得到的弹性系数可以计算各种弹性模量，如岩石的体变模量，切变模量和拉梅系数等。我们首先要计算研究区域内的理论地震反射振幅。计算反射振幅的方法之一是依据精确的反射和透射系数公式（Fryer and Frazer,1984），另外也可以根据基于弱各向异性和弱反射界面的假设下得到的近似公式（Lietal.，1996；Rüger，1996，1998）。

水平层状介质的成层构造易形成具有垂直对称的侧向各向同性介质(VTI), 而垂直排列的裂缝组成的岩石可形成水平对称轴的侧向各向同性介质(HTI)，对这种TI介质，它们需要5个独立的弹性系数来描述它们的各向异性特征。当构造引起岩层倾斜后，这些介质将不再是VTI和HTI介质，而是任意各向异性介质，它们需要21个弹性系数来描述它们的各向异性。而岩层倾斜是常见的构造现象。因此，我们还开发了能计算任意各向异性介质的岩石物理模型，它能准确地给我们提供具有构造特征的各向异性介质的地震响应。

在叠前正演模拟研究中，我们要建立裂缝储层的地质模型和弹性介质模型。要建立裂缝岩石的岩石物理模型，我们需要知道岩石的纵横波速度和密度。得到了井中的纵横波速度和岩石密度资料后，我们要根据岩石物理模型计算井中的含有裂缝的储层段的岩石的弹性张量和各向异性等效的Thomsen指数，从而了解裂缝对各向异性的岩石物理参数的影响。通过得到的井中的裂缝各向异性的参数，计算叠前地震反射在各个方位角的响应，并计算各向异性的地震反射振幅与裂缝定向的关系。这一计算给我们提供了裂缝在井旁地震道的地震响应，包括叠前AVO特征和叠前各方位角的AVO特征，以及在裂缝影响下的AVO特征随方位角的变化规律。通常，岩石中裂缝的密度，裂缝的宽度和所含流体的成份都是影响地震各向异性的因素。地震各向异性的幅度随着裂缝密度的增加而增加，不同流体对地震各向异性的响应也有不同的影响。对于含气和含水的裂缝储层而