基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法

技术领域

本发明涉及非常规油气地质勘探资料处理方法领域，特别是涉及到一种基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法。

背景技术

地应力研究对于低孔隙、低渗透的砂砾岩、碳酸盐岩、火成岩、变质岩等储层类型的油气藏勘探和开发具有重要意义，而地应力方位的确定是当前地应力研究中的重要核心内容之一，其研究成果对开发井网的布置、定向井及水平井井身轨迹的设计与控制、油层压裂、后期改造措施中裂缝的方位的预测、注水开发中注水方向等石油工程的各个领域均具有重要指导意义。如何精细描述和表征地应力方位成为当前迫切深入研究和解决的重要课题，目前针对地应力方位的研究比较局限，主要以实验测试为主，缺乏利用地震资料进行地应力场方位的预测研究，需要展开系统研究。

以往对于地应力的研究比较局限，主要以地应力测试、测井计算和应力场数值模拟为主，但在实际勘探中，这种计算的地应力值与地层实际的地应力值仍有一定的偏差，有必要结合其它方法对测井计算出的地应力结果进行校正，如《牛35块沙河街组三段Es3中现今地应力研究》(汪必峰等，《西安石油大学学报》2007年5月第22卷第3期)，《南翼山油田地应力的测井分析与计算》(徐小虎等，《国外测井技术》2011年第5期)。

在地应力方向预测方面，现有的文献仅限于应用测井资料、室内岩心测试等，但该方法只限井点小范围处有效，难以获得某一区域平面的主应力的方向，并未考虑地层的方位各向异性进行地应力的方位的地震预测研究。如《特殊测井方法识别地应力方向在镇泾油田的应用》(陈英等，《石油天然气学报》2013年1月第33卷第1期)，《成像测井综合分析地应力方向的方法》(赵永强，《石油钻探技术》，2009年11月第37卷第6期)，《地应力方向研究新方法-磁组构法》(朱德武等，《断块油气田》，2002年1月第9卷第1期)，《差应变分析法在地应力方向研究中的应用》(韩军等，《石油天然气学报》2005年4月第27卷第2期)。为此我们发明了一种新的基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种将地应力的方位各向异性导致的快慢横波速度差异与叠前方位地震资料有机结合，提高地应力方位的预测精度的基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法，该基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法包括：步骤1，进行AVO正演模拟，明确各类AVO的地震响应特征；步骤2，AVO正演基础上，分析AVO属性与快慢横波速度差异间的关系，建立基于快慢横波速度变化率的AVO地震响应模式，并利用实际井AVO正演模拟进行验证；步骤3，进行叠前地震资料优选，分方位角地震处理，分方位进行属性分析，建立AVO属性与地应力方位间的关系，优选地应力方位的敏感属性；步骤4，应用90°交叉方位判别剔除异常值，结合FMI成像测井、声波各向异性测井资料进行验证对比；步骤5，进行地应力方位的地震识别与预测。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，根据含油气砂岩与包围砂岩的页泥岩的波阻抗关系，将含油气砂岩划分为四类,并明确了四类AVO方位P波反射振幅随偏移距变化的规律；以实际测得的岩石物理参数为基础，利用Zoeppr i tz方程对两层介质进行AVO正演模拟，明确不同AVO类型的反射系数与入射角的变化规律以及地震响应特征。

在步骤1中，将含油气砂岩划分为四类,Ⅰ类为高阻抗含气砂岩，这类砂岩具有比上覆介质高的波阻抗，其AVO特征为零偏移距振幅强且为正极性，AVO曲线成减小趋势，当入射角足够大时可看到极性反转；Ⅱ类为近零阻抗差的含气砂岩，这种砂岩的AVO特征为零偏移距振幅很小，趋于零，故在零偏移距附近不易检测，随着偏移距的增大其AO特征变化较大此类气层又可分为两种；Ⅲ类和Ⅳ类为低阻含气砂岩，它比上覆介质的阻抗低，其AVO特征为零偏移距振幅很强，呈负极性，AVO振幅绝对值呈增加趋势的为第Ⅲ类，AVO振幅绝对值呈减小趋势的为第Ⅳ类。

4.根据权利要求1所述的基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法，其特征在于，在步骤2中，在正演的基础上计算AVO属性包括截距P和梯度G,以相邻两目标层的快慢横波的变化速率作为约束，分析AVO属性与上下 层快慢横波速度差异间的关系，建立了顶层快慢横波速度变化率大于、等于、小于目标层三种基于层间横波速度变化率的地应力AVO地震响应模式，并利用实际井的AVO正演进行验证，通过对实际井的正演模拟得出：AVO截距变化不大，AVO梯度与截距比值比较稳定可进行不同方位的速度差异及应力方向判识。

在步骤2中，以相邻两目标层的快慢横波的变化速率作为约束，将顶层的快慢横波变化率小于底层的快慢横波变化率定义为Ⅰ类AVO，该类AVO的梯度极小值的方位代表快横波的方向，将顶层的快慢横波变化率等于底层的快慢横波变化率定义为Ⅱ类AVO，将顶层的快慢横波变化率大于底层的快慢横波变化率定义为Ⅲ类AVO，梯度极大值的方位代表快横波的方向。

在步骤3中，优选叠前地震资料，保证宽方位、高覆盖次数及高信噪比，将地震资料品质好的叠前道集进行方位角处理，抽取方位角道集数据时应遵循在炮检距范围内叠加次数要尽量均衡的原则，以突出反映由于地应力变化引起的方位各向异性特征差异，通过对观测系统分析，根据抽取原则确保每个方位角覆盖相同或相近，初步确定了十二个方位角划分方案，0°-15°,15°-30°,30°-45°，45°-60°,60°-75°,75°-90°，120°-135°,135°-150°，150°-165°,165°-180°，对标定处理的不同方位角道集数据体分别计算AVO梯度和截距属性，得到不同方位角的AVO梯度和截距剖面，在目的层段内分析AVO梯度和截距属性随不同方位角的变化,根据方位各向异性，查找AVO梯度G与截距P的比值最大和最小时所在的方位，即：

K＝G/P

k_max＝max(K₁,K₂…K₁₂)

k_min＝min(K₁,K₂…K₁₂)

Az_i＝INDEX(Az₁:Az₁₂,1,MACTCH(K_max,K₁:K₁₂,0))

Az_j＝INDEX(Az₁:Az₁₂,1,MACTCH(K_min,K₁:K₁₂,0))

式中，K为不同方位角的AVO梯度与截距的比值,A_Z为方位角，A_Zi为AVO梯度与截距的比值最大时所在的方位，A_Zj为AVO梯度与截距的比值最小时所在的方位。

在步骤4中，根据方位各向异性理论，AVO梯度与截距比值最小的方位为最大主应力方位，而AVO梯度与截距比值最大的方位为最小主应力方位，二 者垂直或接近垂直，若不符合则为异常值；应用90°交叉方位判别剔除异常值。

本发明中的基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法，以AVO正演为基础，通过改变快慢横波的速度明确三类AVO异常的地震反射特征；借助横波各向异性理论，建立基于层间速度变化的地应力与AVO地震响应模式；优选叠前地震资料，将叠前宽方位地震数据分方位角处理，提取不同方位AVO属性，分析AVO属性与地应力方位间的关系，优选地应力方位的敏感属性；应用90°交叉方位判别剔除异常值，结合FMI成像测井、声波各向异性测井资料进行验证对比，最终实现地应力方位的表征。该方法充分考虑了地应力的方位各向异性，明确了不同类型AVO的地震响应特征，通过分析AVO属性与上下层快慢横波速度差异间的关系，建立基于层间横波速度变化率的地应力AVO地震响应模式，并利用实际井的AVO正演进行验证，通过分方位角处理，建立不同方位属性与地应力方位间的关系，完成了地应力方位的地震识别，为油田勘探目标优选和钻完井方案设计提供可靠依据。该方法具有良好的应用效果和推广前景。

附图说明

图1为本发明的基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中典型气层的AVO分类模型图；

图3为本发明的一具体实施例中不同类型AVO反射系数与入射角的关系曲线特征图；

图4为本发明的一具体实施例中几类AVO响应G值随横波的变化规律图；

图5为本发明的一具体实施例中义183井快慢横波AVO正演模拟综合分析图

图6为本发明的一具体实施例中三种类型AVO梯度属性判识模板图；

图7为本发明的一具体实施例中叠前资料品质分析图

图8为本发明的一具体实施例中方位辨别与异常值剔除图；

图9为本发明的一具体实施例中样本层段中地应力方位的平面分布图；

图10为本发明的一具体实施例中实测井地应力方位与预测值的对比效果图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的基于横波速度变化率的地应力方位地震预测方法的流程图。

在步骤101，根据含油气砂岩与包围砂岩的页泥岩的波阻抗关系，将含油气砂岩划分为四类，并明确了四类AVO方位P波反射振幅随偏移距变化的规律；以实际测得的岩石物理参数为基础，利用Zoeppr i tz方程对两层介质进行AVO正演模拟，明确不同AVO类型的反射系数与入射角的变化规律以及地震响应特征。Ⅰ类为高阻抗含气砂岩，这类砂岩具有比上覆介质高的波阻抗，其AVO特征为零偏移距振幅强且为正极性，AVO曲线成减小趋势，当入射角足够大时可看到极性反转；Ⅱ类为近零阻抗差的含气砂岩，这种砂岩的AVO特征为零偏移距振幅很小，趋于零，故在零偏移距附近不易检测，随着偏移距的增大其AO特征变化较大此类气层又可分为两种；Ⅲ类和Ⅳ类为低阻含气砂岩，它比上覆介质的阻抗低，其AVO特征为零偏移距振幅很强，呈负极性，AVO(指振幅绝对值)呈增加趋势的为第Ⅲ类，AVO(指振幅绝对值)呈减小趋势的为第Ⅳ类。

在步骤102，在正演的基础上计算AVO属性包括截距P和梯度G,以相邻两目标层的快慢横波的变化速率作为约束，分析AVO属性与上下层快慢横波速度差异间的关系，建立了顶层快慢横波速度变化率大于、等于、小于目标层三种基于层间横波速度变化率的地应力AVO地震响应模式，并利用实际井的AVO正演进行验证，通过对实际井的正演模拟得出：AVO截距变化不大，AVO梯度与截距比值比较稳定可进行不同方位的速度差异及应力方向判识。在四类AVO正演模型基础上变化上下层的快慢横波速度：1)上层横波不变，下层增大；2)上下层横波增大幅度一致；3)上层横波变大较下层快；4)上层横波变大较下层慢；5)上层横波速度变小下层横波速度变大；6)上层横波速度变大下层横波速度减小。然后对这几种模型提取相应的梯度与截距属性，建立了几种类型的AVO响应G值与下层横波的关系曲线图，根据曲线图得出：Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ类三种类型的AVO截距变化不大，当上层横波变化率较下层大时，G值随下层横波的增大而增大；而当上层横波的变化率较下层小时，G 值随下层横波的增大而减小；当上层下层的横波变化率相同时，G值不变。为此建立了三种基于快慢横波速度变化率的AVO模板：将顶层的快慢横波变化率小于底层的快慢横波变化率定义为Ⅰ类AVO，该类AVO的梯度G属性随横波的增大而减小，即梯度极小值的方位代表快横波的方向；将顶层的快慢横波变化率等于底层的快慢横波变化率定义为Ⅱ类AVO，此类AVO在实际地层中出现的极少；将顶层的快慢横波变化率大于底层的快慢横波变化率定义为Ⅲ类AVO，该类AVO的梯度G属性随横波的增大而增大，即梯度极大值的方位代表快横波的方向。由于AVO截距属性变化不大，AVO梯度与截距比值比较稳定可进行不同方位的速度差异及应力方向判识。为验证此结论，对义183井进行了AVO正演模拟与分析，当目标层的泥质含量高、砂质含量低的时候，上层快慢横波的变化率大于下层快慢横波变化率，此时为定义的Ⅲ类AVO，这种情况快横波的梯度属性G值大，即G值的极大值大方位代表快横波的方向；当目标层的泥质含量低、砂质含量高的时候，上层快慢横波的变化率小于下层快慢横波变化率，此时为定义的Ⅰ类AVO，这种情况快横波的梯度属性G值小，即G值的极小值大方位代表快横波的方向。这个结果与理论模拟的结果相同，证明了该方法在判断快慢横波方向上的有效性。

在步骤103，叠前地震资料优选，分方位角处理，建立AVO属性与地应力方位间的关系。罗42三维地震为全方位角采集，地震资料品质较好,信噪比和分辨率较高,保幅性好。在抽取方位角道集数据时为保证在炮检距范围内叠加次数尽量均衡，去掉小偏移距和较大偏移距的地震数据来确保每个方位角的覆盖次数相似或相等，以“突出”反映由于裂缝非均质性引起的方位各向异性特征差异。初步确定了十二个方位角划分方案，0°-15°,15°-30°,30°-45°，45°-60°,60°-75°,75°-90°，120°-135°,135°-150°，150°-165°,165°-180°。对标定处理的不同方位角道集数据体分别计算AVO梯度和截距属性，得到不同方位角的AVO梯度和截距剖面，在目的层段内分析AVO梯度和截距属性随不同方位角的变化规律,建立AVO属性与地应力方位间判识标准。具体实现方法是提取每个方位角的AVO梯度和截距属性，每隔1km抽取一点对比12个方位的AVO梯度与截距比值，统计比值最小、最大的点所在的方位，即：

K＝G/P

k_max＝max(K₁,K₂…K₁₂)

k_min＝min(K₁,K₂…K₁₂)

Az_i＝INDEX(Az₁:Az₁₂,1,MACTCH(K_max,K₁:K₁₂,0))

Az_j＝INDEX(Az₁:Az₁₂,1,MACTCH(K_min,K₁:K₁₂,0))

式中，K为不同方位角的AVO梯度与截距的比值,A_Z为方位角，A_Zi为AVO梯度与截距的比值最大时所在的方位，A_Zj为AVO梯度与截距的比值最小时所在的方位。

在步骤104，根据方位各向异性理论，AVO梯度与截距比值最小的方位为最大主应力方位，而AVO梯度与截距比值最大的方位为最小主应力方位，二者垂直或接近垂直，若不符合则为异常值。应用90°交叉方位判别剔除异常值；结合FMI成像测井、声波各向异性测井资料进行验证对比；经验证后，进行地应力方位的地震识别与预测，为泥页岩油藏的高效勘探开发提供重要参考依据。

在步骤105，结合FMI成像测井、声波各向异性测井资料进行验证对比；经验证后，进行地应力方位的地震识别与预测，为泥页岩油藏的高效勘探开发提供重要参考依据。

图2、图3是典型气层的AVO分类模型及反射系数与入射角的关系曲线特征图，是方位地震预测的理论基础；图4是几类AVO响应G值随横波的变化规律图，分析AVO属性与上下层快慢横波速度差异间的关系，图5是义183井快慢横波AVO正演模拟综合分析图，对AVO正演结果进行验证；图6是三种类型AVO梯度属性判识模板图；通过正演模拟，属性优选，建立了顶层快慢横波速度变化率大于、等于、小于目标层三种基于层间横波速度变化率的地应力AVO属性判识模板；图7是叠前地震品质分析图；为确保每个方位角覆盖相同或相近，初步确定了十二个方位角划分方案，图8是方位辨别与异常值剔除图；采用“90度共轭”来辅助判定最大主应力方位，剔除因每个方位覆盖次数有限、有快慢横波数据的井位较少、个别数据存在异常等因素存在的异常值，提高方位预测精度。图9是样本层段中地应力方位的平面分布图；工区地应力的方位以北东方向为主，局部北西方向，与实测的地应力方向基本吻合，准确的预测地应力的方位。图10是实测井地应力方位与预测值的对比效 果图，表明预测的地应力方位与成像测井资料地应力方向基本吻合，相对误差小于10％。由此说明，该方法的实际应用效果较好，实现了地应力方位的地震预测，为页岩勘探目标优选、钻完井方案设计、油层压裂等各个领域提供重要参考依据。

本方法以地应力的方位各向异性理论为基础，充分考虑了相邻两目标层的快慢横波的变化速率，借助AVO正演模拟明确不同方位的横波速度差异与叠前地震属性之间的关系，通过叠前资料分方位角处理及属性分析，从而实现地应力方位的地震预测方法，为页岩勘探目标优选、钻完井方案设计、油层压裂等各个领域提供重要参考依据。