四川盆地北部山前带三叠系须家河组致密砂岩历经多年勘探部署，成效显著，多口井在须家河组测试获得高产工业气流，通南巴气田已累计提交超千亿方天然气规模储量。受米仓山冲断带和大巴山冲断带的联合影响，川东北地区经历了多期次、多方向的构造运动改造，须家河组发育不同走向和不同规模的断裂。其中，通江地区靠近大巴山前带，受构造推覆影响变形程度最强，北西走向断裂带成排成带发育，规模网状裂缝对致密砂岩完成有效改造，形成优质孔渗储集体，即“断缝体”储层。“断缝体”裂缝的成因类型复杂，只有在多期断裂交切发育，不同方位、不同期次的裂缝形成有效沟通的条件下，才能形成规模网状裂缝，并有效改善致密砂岩储渗条件。因此，实现天然裂缝的准确预测，是提高勘探成功率的关键。

早在二十世纪七十年代，国外学者就开始用地震资料开展裂缝检测的方法研究，先后经历了横波勘探、多波多分量勘探和纵波裂缝检测等几个发展阶段，针对裂缝型油气藏的识别和描述形成了多种方法技术，包括利用边缘检测、本征相干、曲率、蚂蚁体等叠后属性技术，以及方位各向异性反演等叠前技术等^[1]。Mallick等^[2]基于不同方位地震数据的振幅周期性变化开展裂缝预测；AL-Marzong等^[3]利用方位AVO梯度椭圆拟合开展裂缝预测；Downton等对Rüger提出的方位AVO近似方程进行傅里叶级数展开，并开展裂缝预测^[4-5]。国内学者也对裂缝预测方法开展了大量研究，潘新朋等^[6]推导了含单组或多组裂缝诱导的等效HTI介质弱各向异性流体替换方程和纵波反射系数方程；陈超等^[7]、陈怀震等^[8]、Li等^[9]基于裂缝型储层各向异性岩石物理理论，利用方位弹性阻抗、衰减弹性阻抗等完成裂缝预测，实现了页岩气等致密油气藏的裂缝五维地震预测。然而，在预测裂缝发育的方位和走向方面，当前各向异性裂缝预测技术仍然受制于断裂附近地震资料的信噪比影响，预测精度有限。针对“断缝体”致密砂岩的裂缝预测主要围绕不同尺度开展方法研究，即利用叠后曲率、相干和蚂蚁体等属性预测大尺度断裂及伴生裂缝，利用OVT域叠前各向异性理论预测小尺度的层间微裂缝^[10-11]。无论是叠后的属性计算，还是叠前的各向异性反演，单一的裂缝预测方法只能针对某一类断裂或裂缝发育带进行预测，结果往往是不同规模、不同尺度、不同方位裂缝在地震波组上的综合响应，难以准确划分“尺度”。同时，传统的Rüger各向异性裂缝预测技术是通过对不同方位的旅行时等运动学属性进行椭圆拟合，进而实现裂缝强度和方位的预测，但对地震资料的品质、信噪比等依赖性较高，对于复杂构造区难以实现对裂缝方位和期次的准确预测。

基于四川盆地北部通江地区“断缝体”裂缝成因和发育规律，提出一种复杂网状裂缝地震综合预测技术，对不同方位、不同期次的断层伴生裂缝，裂缝发育强度和规模进行定量预测，以期实现该区致密砂岩规模网状裂缝的综合预测，为勘探开发提供有力支撑。

通江地区位于四川盆地川北坳陷，北部靠近米仓山前通南巴构造带，东部紧邻大巴山前推覆带，受自印支期以来多期强烈构造的叠加影响，断裂、规模网状裂缝发育。区内须家河组主要发育辫状河三角洲—湖泊沉积体系，纵向上自下而上发育须二下亚段滨湖滩坝砂体、须四段水下分流河道砂体及辫状河道砂砾岩体等多套砂体，岩石类型以岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主（图 1），储层整体致密，平均孔隙度小于4%，渗透率一般小于0.1 mD。须二段与须四段广泛分布的致密砂岩与裂缝叠合，形成“断缝体”储层，其中裂缝对致密砂岩气藏的改造是获得高产气流的关键，裂缝的规模发育为储层活化提供有利基础地质条件^[12-13]。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 四川盆地北部通江地区位置（a）和三叠系须家河组岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Location of Tongjiang area(a)and comprehensive stratigraphic column of Triassic Xujiahe Formation(b), northern Sichuan Basin

通江地区须家河组致密砂岩层间裂缝以构造成因缝为主，其发育规律和分布模式主要受控于构造活动的强度（包括断层活动的剧烈程度、规模和密度等）以及原始沉积岩相的共同作用。结合实钻分析和裂缝成因物理实验模拟^[14]可知，裂缝的发育程度与断层的活动强度之间存在显著的相关性，在断裂活动强烈的区域，裂缝在断裂断面附近规模发育；同时，由于研究区自印支期至喜马拉雅期经历多轮次构造运动联合挤压改造，北西向断褶构造成排成带展布，形成的多期次断裂及伴生裂缝交切发育（图 2）。根据典型井岩心与成像资料可知，构造裂缝主要为中高角度剪切裂缝（图 3a，3b），是断裂形成及活动时期伴随生成的走向一致的裂缝，呈多组系分布，相互交切形成网状裂缝，沿裂缝面发育不同程度方解石与石英矿物充填（图 3c），反映出明显的多期联合改造特征。这些不同期次、不同方位的裂缝在空间上形成具有连通性的三维网状系统（图 3d），是“断缝体”储层油气规模富集的重要基础。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 四川盆地北部地区三叠系须家河组构造诱导裂缝物理模拟实验结果 Fig. 2 Physical simulation experiment results of tectonic induced fractures of Triassic Xujiahe Formation in northern Sichuan Basin

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 四川盆地通江地区典型井三叠系须家河组岩心及FMI成像裂缝特征 Fig. 3 Characteristics of cores and FMI imaging fractures of Triassic Xujiahe Formation in typical wells in Tongjiang area of northern Sichuan Basin

通江地区须家河组致密砂岩复杂网状裂缝主要发育在由不同期次构造运动所形成的交切断裂附近，对其进行预测主要包含2个关键技术环节，一是提高裂缝发育强度或裂缝密度的预测精度，二是对裂缝期次和方位进行预测。为了进一步适应研究区复杂构造地质条件，选用反褶积广义S变换开展分频蚂蚁追踪，提高低序级断裂的识别能力，利用叠前衰减各向异性反演方法实现裂缝密度的定量预测。

蚂蚁追踪是油气地球物理勘探领域一项常用且有效的断裂检测技术^[15-16]，传统蚂蚁追踪算法对地震资料噪声极其敏感，而“断缝体”致密砂岩由于多期构造运动联合叠加影响，地震资料信噪比和分辨率有限，易出现“断裂假象”。谱分解技术可以有效反映全频带地震数据无法凸显的微弱地震异常，对于实现低序级、小尺度断裂刻画具有重要意义，且能够对复杂构造区局部低信噪比异常的影响进行压制。利用反褶积广义S变换^[17-18]实现蚂蚁追踪分频融合，进而实现致密砂岩多尺度断裂检测。该方法首先对地震信号求取广义S变换谱：

式中：u(t) 为t时刻的地震信号；λ和p为函数时频调节参数，均大于0；i为虚数；f为频率，Hz；τ为小波函数对应于频率f的时间位置。当λ = 1，p = 1时，式（1）为S变换小波函数，而当p = 0时，该式为短时傅氏变换。

魏格纳分布是一种高分辨非线性时频分析方法，时频聚焦性好，地震信号u(t) 的广义S变换谱的魏格纳分布为

式中：x为输入信号变量；u^T为信号的共轭转置。

引入Lucy-Richardson反褶积算法，通过迭代运算得到最佳的原始信号时频分布，同时压制魏格纳分布带来的交叉项干扰。该算法的表达式为

式中：k为迭代次数；上标“-”表示上一次迭代结果；W_x (k)，W_x⁻(k) 分别为地震信号x(t) 魏格纳分布的第k次及其上一次的迭代结果；W_h为其窗函数h(t，f) 的魏格纳分布；*为相关算子；⊗为二位褶积算子；GST_x为输入信号的广义S变换谱。该算式的初始边界条件为W_x⁻(0) = GST_x。

由单道合成地震信号及不同时频分析方法得到的时频谱（图 4）可知：广义S变换能够对低频分量进行较明显的聚焦，但难以实现高频分量的谱分析，而对信号进行反褶积广义S变换得到的时频分布整体时频聚焦性明显提升，分辨率高，能够有效识别高频分量的变化，更适用于小尺度断裂和裂缝的检测。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 单道模拟合成信号及不同分析方法得到的时频谱 （a）合成地震信号；（b）广义S变换时频谱；（c）反褶积广义S变换时频谱。 Fig. 4 Single-channel simulated synthetic signal and the time-frequency spectra obtained by different analysis methods

近年来发展迅速的“五维”叠前各向异性裂缝预测技术为实现裂缝规模和强度的定量预测提供了可能，但传统依赖振幅和速度各向异性的OVT域叠前裂缝预测技术比较依赖地震资料的品质，难以有效解决陆相碎屑岩岩性快速变化导致的“各向异性假象”。图 5中研究区某典型井须四段砂泥岩岩性突变导致横波分裂，表现为不同方位的振幅及波形结构变化，进而影响了振幅各向异性的预测结果。理论上来讲，裂缝的发育必然导致横波分裂，因此利用多波勘探地震资料开展快慢横波预测能够对微裂缝进行较为准确地预测，但实际工作中由于勘探成本的限制，多数情况下缺少多波地震资料的支撑，因此需要结合更多的角度和方法来降低基于纵波地震资料的裂缝预测多解性。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 四川盆地北部通江地区典型井三叠系须家河组各向异性强度解释（a）与振幅叠前各向异性裂缝预测结果（b） Fig. 5 Anisotropy intensity interpretation(a), and fracture prediction results from prestack amplitude anisotropy(b)of Triassic Xujiahe Formation in typical wells of Tongjiang area, northern Sichuan Basin

在弱各向异性和弱衰减近似背景假设下，根据Aki精确反射系数方程，结合反射PP波射线理论，将完全各向同性背景下裂隙诱导衰减各向异性HTI介质PP波反射系数表示为

式中：θ和φ分别为入射角和方位角，（°）；M_b、μ_b和ρ_b分别为各向同性衰减背景岩石的模量参数，可利用背景岩石纵、横波品质因子Q_bP^-1和Q_bS^-1计算得到；δ_T和δ_N分别为裂缝切向、法向弱度；Δ表示对应参数差值；α₁，…，α₇等系数可通过弹性模量等参数计算^[19-21]；Q_cP^-1和Q_cS^-1分别为沿对称轴方向的裂缝诱导纵波和横波逆品质因子；式（4）的后四项是与裂缝方位、强度及衰减相关的扰动项。

参考Connolly的研究^[22]，基于方位HTI各向异性等效介质水平界面的纵波反射系数与分方位弹性阻抗的关系，给出耗散HTI衰减各向异性介质近似方位反射系数方程：

式中：EI^Q(θ，φ) 是与入射角和方位角相关的地层衰减弹性阻抗。

在弱各向异性假设条件下，背景弹性模量的差值均远小于1。将上式修改并取积分后再取对数，整理可得最终的HTI介质裂缝诱导方位衰减弹性阻抗方程：

结合贝叶斯理论和组稀疏原理，利用分方位衰减弹性阻抗实现裂缝密度和背景参数的反演。在反演得到不同方位角、不同入射角的衰减弹性阻抗数据体基础上，利用阻尼最小二乘算法求得流体项、剪切模量和裂缝法向及切向弱度，根据加权平均即可得到裂缝密度参数：

式中：e_N和e_T分别为介质法向、切向裂缝密度，可根据裂缝法向和切向弱度求得；α为权重系数，用于平衡裂缝诱导法向和切向的贡献。

复杂网状裂缝的“三步法”预测思路（图 6）：①以叠后地震成果数据为基础，利用反褶积广义S变换[式（3）]完成分频蚂蚁追踪，基于频率融合后的蚂蚁体构建离散裂缝网格模型（DFN），按照纵向等间隔进行沿时间切片的裂缝自动扫描，追踪裂缝横向的线状构造特征，通过计算裂缝的拓扑学属性完成模型构建，进而实现裂缝期次的空间预测。②对研究区OVT域叠前道集数据进行优化处理，按照研究区实际资料纵横比等基础参数计算分方位道集，基于QVAZ反射系数方程[式（5）]反演得到拉梅系数、剪切模量、法向弱度、切向弱度等背景参数，结合最小二乘算法得到裂缝密度数据体。③利用DFN实现对不同期次、不同方位裂缝的直观描述，将交切部位作为复杂网状裂缝的发育有利区，结合叠前各向异性预测结果落实裂缝发育的规模。通过将裂缝期次和裂缝密度的预测结果进行叠合多维度分析，最终实现复杂网状裂缝的综合预测。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 复杂网状裂缝地震预测技术流程 Fig. 6 Flowwork of seismic prediction technology for complex network fracture

针对四川盆地北部通江地区须家河组致密砂岩“断缝体”目标开展技术应用研究。首先，利用高分辨分频蚂蚁追踪技术，获取地层中更加丰富的多序级断裂及伴生裂缝的有效信息。理论分析表明，不同频率组分对不同级别断裂敏感性存在区别，利用低频（小于25 Hz，与实际地震数据有效频带有关）地震数据实现对断距和规模较大断裂及裂缝发育带的识别，中频（25~35 Hz）地震数据则用于检测有一定规模，地震剖面上也容易肉眼识别的断裂及伴生裂缝，而高频（35~50 Hz）可用于反映地震剖面上难以肉眼识别的低序级断裂及伴生裂缝，其断距一般在15 m以内，平面展布不清晰（图 7）。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 四川盆地北部通江地区三叠系须家河组四段分频蚂蚁追踪结果 Fig. 7 Results of frequency-division ant tracking of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Tongjiang area, northern Sichuan Basin

传统蚂蚁追踪技术能够实现规模较大的断裂带检测，但整体连续性较差，且难以实现构造相对平缓区的低序级断裂精准检测（图 8a）。基于反褶积广义S变换的分频蚂蚁追踪结果压制了大部分的噪声信息，对断裂发育带的刻画精度更高，能够有效追踪出规模较小、采用常规方法难以识别的低序级断层，特别是主体构造附近呈网状分布的、不同走向的断裂（如图 8b中箭头所示），与靶区不同期次的构造应力背景吻合，表明预测结果的可靠性，这也为下步实现不同期次、不同方位的裂缝发育带预测奠定基础。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 四川盆地北部通江地区三叠系须家河组四段传统蚂蚁追踪结果（a）与高分辨分频蚂蚁追踪结果（b）对比 Fig. 8 Results comparison of traditional ant tracking(a) and high-resolution frequency-division ant tracking(b) of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Tongjiang area, northern Sichuan Basin

基于研究区分频蚂蚁追踪结果构建离散裂缝网格模型（图 9），按照裂缝发育方向进行统计，须四段主要发育北东向、北西向及近东西向3组裂缝，其中北西向裂缝大面积分布，主要为受晚期大巴山造山带向西南挤压而形成，裂缝数量占比达59.82%；北东向及近东西向裂缝主要发育在工区西北部，受早期米仓山造山带向南挤压而形成，裂缝数量占比分别为9.41% 和30.77%。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 四川盆地北部通江地区三叠系须家河组四段离散裂缝网格模型 Fig. 9 Discrete fracture network model of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Tongjiang area, northern Sichuan Basin

离散裂缝网格模型能够直观地反映尺度断层伴生裂缝的多期发育规律，不同方位断裂的交会部位是规模复杂网状裂缝发育的有利区。以M601井为例，DFN模型预测显示井周主体以北西向裂缝为主（约32个裂缝片），同时发育交切的北东向裂缝（约6个裂缝片），实钻FMI成像测井显示M601井须四下亚段发育高导缝29条，方位主要为北西向，且交切发育北东向高角度裂缝，未钻遇断层。实钻裂缝发育方位与DFN预测结果吻合性好，证实了该方法对于预测裂缝期次和方位的可靠性（图 10）。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 四川盆地北部通江地区M601井三叠系须家河组离散裂缝网格模型与实钻结果对比 Fig. 10 Comparison of the discrete fracture network model and actual drilling results of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in well M601 of Tongjiang area, northern Sichuan Basin

需要指出的是，虽然分频蚂蚁追踪及DFN技术能够较好地减少对于地震资料信噪比的依赖，但蚂蚁追踪的基础为最大似然、曲率等地震结构属性，仍然可能将局部褶皱变化误判为断层^[23-25]。此外，该方法主要依赖叠后地震成果资料，难以实现裂缝密度等参数的定量预测。因此，需要结合叠前各向异性裂缝预测技术进行综合判别，在降低预测多解性的同时，对裂缝发育规模和强度进行定量表征。

由于通江地区断裂发育程度高，地震资料信噪比整体较低，常规振幅各向异性裂缝预测对噪声或断裂导致的杂乱地震信号较敏感，难以有效反映断裂附近的裂缝发育情况。同时，对于工区西南部构造低部位，常规振幅各向异性裂缝预测结果难以体现构造起伏变化带来的裂缝发育差异（图 11a）。利用衰减各向异性裂缝预测技术，开展须家河组致密砂岩“断缝体”目标叠前裂缝预测，能够有效规避这一问题，显著减弱地震资料低信噪比的影响。其裂缝预测结果显示裂缝密度较高的部位均主要位于断裂带附近，西南部埋藏深度更大的构造低部位断裂带附近发育伴生裂缝，但地层平稳区裂缝发育程度整体相对较低（图 11b）。这一结果与真实构造形态匹配性更高，与实钻井及裂缝地质发育规律更加吻合，同时有效地反映了不同构造部位裂缝发育程度的差异。

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 四川盆地北部通江地区三叠系须家河组四段叠前振幅各向异性（a）及叠前衰减各向异性（b）裂缝强度预测结果对比 Fig. 11 Fracture intensity prediction results comparison of the prestack amplitude anisotropy(a)and prestack attenuation anisotropy(b)of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Tongjiang area, northern Sichuan Basin

综合裂缝期次和裂缝密度的预测结果进行多维度叠合分析，最终实现复杂网状裂缝的综合预测。以M6井—M602井区须家河组致密砂岩“断缝体”为例，开展网状裂缝预测应用效果分析，离散网格模型与叠前衰减各向异性裂缝预测结果的叠合平面图（图 12）揭示，裂缝主要发育在断层附近，且走向与断裂较一致，以断层伴生的构造成因裂缝为主，局部发育褶皱形成的张裂缝，但并非“断缝体”储层“甜点”区；离散网格模型预测的裂缝较发育，但各向异性预测结果显示裂缝发育程度较低（如图 12中蓝色箭头所示），综合局部构造形态分析可知，该部位为局部背斜构造中地层相对稳定区，存在局部褶皱，但断裂不发育。因此，利用离散网格模型识别裂缝发育带在类似构造部位存在一定多解性，而结合各向异性裂缝定量预测结果进行综合判别能够有效排除这种假象。

图 12

Fig. 12

下载原图 图 12 四川盆地北部通江地区M6—M602井区三叠系须家河组网状裂缝综合预测平面分布 Fig. 12 Comprehensive prediction of complex network fracture of Triassic Xujiahe Formation in well area of M6-M602 in Tongjiang area, northern Sichuan Basin

M6井为区内须家河组致密砂岩测试高产气流井，井周须家河组裂缝发育程度高，主要为北西向和近东西向断层伴生裂缝，局部发育一定数量的北东向裂缝，裂缝多期交切发育呈网状特征。M6井网状裂缝综合预测剖面（图 13）显示，井旁断背斜构造断距大，发育大量断层伴生裂缝，远离断层区域裂缝发育程度明显降低；各向异性裂缝预测结果显示，井周须家河组裂缝密度大，呈现较明显的团块状发育形态，与成像测井结果一致。通过联合裂缝平面展布和发育强度分析可知，多期规模裂缝在空间形成三维复杂网状系统，对测试获高产起到了至关重要的作用。

图 13

Fig. 13

下载原图 图 13 四川盆地北部通江地区M6井三叠系须家河组成像测井解释（a）与复杂网状裂缝综合预测剖面（b） Fig. 13 Imaging log interpretation(a)and comprehensive prediction profile of complex network fractures(b)of Triassic Xujiahe Formation in well M6 of Tongjiang area, northern Sichuan Basin

M602井须家河组钻遇多套厚层砂体，FMI成像测井结果显示须家河组高导缝较发育，地质基础条件较好，但实际测试产量较低。基于衰减各向异性的裂缝预测结果与成像测井吻合性较好，揭示井周有一定规模的裂缝发育；不同方位裂缝预测结果揭示，井周主要发育北西—近南北向单一方向断层伴生缝，北东向、近东西向期次裂缝欠发育（图 14），因此难以在空间形成复杂网状裂缝，单一期次裂缝有效性相对较差，对于致密砂岩而言难以形成规模的油气富集带，故判断是该井测试低产的主要原因，同时也证实了本文提出的复杂网状综合预测方法的可靠性。

图 14

Fig. 14

下载原图 图 14 四川盆地北部通江地区M602井三叠系须家河组成像测井解释（a）与复杂网状裂缝综合预测剖面（b） Fig. 14 Imaging logging interpretation(a)and comprehensive prediction profile of complex network fractures(b) of Triassic Xujiahe Formation in well M602 of Tongjiang area, northern Sichuan Basin

应用本文方法准确刻画了研究区须家河组网状裂缝的分布，并支撑新部署完钻的M15井在须四段试获10.35×10⁴ m³/d工业气流，有力地支撑了勘探生产，同时为致密砂岩储量的高效商业动用提供了重要技术支撑。

（1）以“断缝体”致密砂岩复杂网状裂缝地质成因和发育规律为指导，采用“三步法”分层次开展地震预测：利用反褶积广义S变换开展高分辨分频蚂蚁追踪，提高时频聚焦性，实现低序级断层的高清识别，通过构建离散网格模型预测裂缝期次和方位，有效反映不同期次构造运动形成的断层及伴生裂缝空间展布；根据衰减各向异性理论建立方位衰减弹性阻抗QVAZ方程，减少复杂构造区低信噪比及岩性突变的影响，结合组稀疏反演完成对裂缝密度的叠前定量预测，规避局部地层褶皱可能带来的裂缝假象，降低传统方法对地震资料信噪比的依赖，获得高分辨率层间微裂缝预测结果；最终结合2种方法的技术优势及特点，以复杂网状裂缝的地质成因和识别标准为依据，将裂缝方位、裂缝密度等关键参数进行融合表征，来实现网状裂缝分布的综合预测。

（2）复杂网状裂缝预测方法在川北通江地区须家河组“断缝体”致密砂岩储层中的预测结果与成像测井解释、测试产能等数据吻合度高，有效预测了网状裂缝的分布，支撑新部署完钻的M15井，在须四段试获10.35×10⁴ m³/d工业气流，有力地支撑了勘探生产。