疊前地球物理技術預測頁巖氣保存條件
——以四川盆地焦石壩構造頁巖氣藏為例

2020-07-02 02:39:24張殿偉李雙建郝運輕

天然氣工業 2020年6期

張殿偉孫煒李雙建郝運輕劉玲

中國石化石油勘探開發研究院

0 引言

四川盆地涪陵頁巖氣田的頁巖氣勘探開發實踐表明，保存條件的好壞是影響頁巖氣資源富集程度的關鍵因素[1-5]。針對頁巖氣儲層的保存條件的研究和評價工作，前人從地質及構造分析的角度做了大量的研究。魏祥峰等[6]通過研究建立了四川盆地及周緣復雜構造區下古生界海相頁巖氣5大類、28項參數的保存條件綜合評價指標體系，并指出壓力系數可在一定程度上指示保存條件的優劣；董清源等[7]綜合成藏條件、構造特征、蓋層條件、地層水特征及頁巖氣組分等因素對上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣保存條件進行了探討，并建立了保存條件評價指標，優選了保存條件有利區；何順等[8]從構造因素、頂底板條件、埋深、地層壓力系數、水文地質及氣體組分條件等非構造因素出發，分析了川東南丁山地區頁巖氣的保存條件。

從前人的研究成果來看，目前關于保存條件的研究主要是從地質因素考慮建立保存條件評價標準，并優選保存條件有利區，但是利用地球物理方法預測保存條件特征的研究則相對較少。為此，筆者從頁巖氣保存條件的兩項指示參數——裂縫和地層壓力系數出發，利用地球物理方法對頁巖氣層的保存條件進行評價，形成了一套能夠有效預測頁巖氣保存條件分布特征的新方法，并基于涪陵頁巖氣田焦石壩區塊五峰組—龍馬溪組頁巖氣井的生產數據，對比探討了新方法的適用性。

1 方法原理

1.1 基于方位各向異性的裂縫預測方法

泥頁巖中的裂縫依其產狀可分為水平縫（或低角度縫）與高角度裂縫。水平縫一般沿著裂縫的順層薄弱面發育，有利于頁巖氣的保存；高角度裂縫的密集發育，容易造成頁巖氣的散失，是保存條件被破壞的重要特征。從目前的地球物理預測技術現狀來看，水平縫的預測技術仍不成熟，相比之下，基于方位各向異性的高角度裂縫預測技術應用范圍較廣。因此，筆者利用基于方位各向異性的裂縫預測技術描述高角度縫的分布特征，作為保存條件是否被破壞的依據。

基于具有水平對稱軸的橫向各向同性（Transversely Isotropy with a Horizontal Axis of Symmetry，簡稱HTI）介質的方位各向異性裂縫預測技術，目前應用最廣泛的方法是Rüger[9-10]基于弱各向異性的概念，結合Thomsen的各向異性系數，在小入射角的前提下得到各向異性介質中反射系數隨方位角和入射角變化的公式，即

式中θ表示入射角，(e)；表示方位角（圖1），(e)；RP(θ,)表示與入射角θ和方位角相關的縱波反射系數；Z=ρα表示縱波波阻抗，g/cm3gm/s；ρ表示介質密度，g/cm3；α表示縱波速度，m/s；G=ρβ2表示剪切模量，Pa；β表示橫波速度，m/s；γ、δ、ε表示Thomsen各向異性系數；、分別表示上、下界面物理量的差值、均值，其中分別表示α、β、γ、δ、ε、G、Z。

圖1 縱波在HTI介質模型中的入射示意圖

Rüger在小入射角的前提下，對式（1）進一步簡化，并引入了各向同性項Biso和各向異性項Bani，將地震反射系數變為Biso、Bani以及裂縫方位角的關系式[10-11]，即

基于式（2），可以對方位各向異性強度進行求取。具體的實現方法一般包括兩種：①利用3個方位或3個方位以上的地震振幅數據，對3個未知量進行超定方程組的求解[12]，將求出的各向同性項Biso和各向異性項Bani進行比值運算，即可得到方位各向異性強度，同時求解出的方位角為裂縫的對稱軸方向；②對原始方位角道集進行分方位角疊加、偏移處理，然后在不同方位角的地震數據上進行地震屬性求取，最后在方位角—地震屬性的坐標系中進行方位各向異性橢圓的擬合，橢圓的長軸或短軸方向代表著裂縫的走向，且裂縫密度越大、各向異性越強，橢圓的扁率越小，橢圓越扁[12-17]。

利用上述兩種方法，均可實現對高角度裂縫的裂縫發育程度以及裂縫方向的預測，筆者采用方法②以實現對各向異性強度及方向的求取。

1.2 基于疊前縱波波阻抗反演的地層壓力預測方法

地層壓力即孔隙流體壓力，是由巖石孔隙中地層水、石油、天然氣等地質流體作用產生的壓力。在任何地質背景下，正常地層壓力與從地表到目的層的靜水柱壓力相等，偏離正常壓力趨勢線的壓力被認為是異常地層壓力。

在對焦石壩區塊龍馬溪組頁巖氣儲層的研究中發現，異常地層壓力是頁巖氣富集高產的重要標志[1-5]。地層壓力出現異常高壓現象的根本原因是天然氣在封閉空間（如有機孔等）內的大量聚集，異常高壓說明頁巖儲層的保存條件較好。

目前，在勘探階段針對地層壓力評價的方法主要是綜合地震數據和地層壓力計算公式進行區域地層壓力計算，并進一步結合靜水壓力實現地層壓力系數的預測。地層壓力計算公式有等效深度法、Eaton公式法及其改進方法和Fillippone公式法及其改進方法等。等效深度法和Eaton公式法中的正常壓實趨勢線往往難于確定，而Fillippone公式法雖然避免了建立正常壓實趨勢線，但是，其地層壓力預測精度受控于求取的層速度精度的影響，分辨率較低。

筆者提出了基于疊前縱波波阻抗反演的新的地層壓力系數預測方法（以下簡稱波阻抗反演法），如式（3）：

式中ap表示地層壓力系數，無量綱；p地層表示地層壓力，MPa；p靜水表示地層靜水柱壓力，MPa；p視巖表示基于縱波阻抗構建的地層壓力，MPa；p靜巖表示地層靜巖壓力，MPa；A表示壓力校正系數，無量綱。

對于有實測地層壓力數據的井段，可以根據測井曲線計算出靜水柱壓力值、靜巖壓力值和視巖壓力值，結合實測地層壓力可得到對應的校正系數A；再分別計算出靜水柱壓力數據體、靜巖壓力數據體和視巖壓力數據體，結合式（3）可計算目的層段的地層壓力系數數據體，從而描述目的層地層壓力的分布特征。筆者研究中將新公式與傳統Fillippone法進行了單井預測精度的對比，結果表明新公式的精度更高，從而證實了該方法的有效性（圖2）。

圖2 JY1井地層壓力系數預測與實測結果對比圖

2 應用實例

2.1 研究區地質背景

涪陵頁巖氣田焦石壩構造屬于四川盆地東部川東褶皺帶，構造上位于萬縣復向斜的南部與方斗山背斜帶西側的交匯處，邊界主要受北東向大耳山西斷層、石門斷層、吊水巖斷層、天臺場斷層等斷層及北西向烏江斷層控制[18-19]，主體構造特征總體表現為南寬北窄、中部寬緩的特點，北東走向，主體為平緩的箱狀背斜，背斜兩側發育多條逆斷層（圖3）。從應力特征來看，位于正向構造焦石壩斷背斜的構造高部位以張應力為主[18-19]。筆者研究的地震數據面積為464 km2，目的層為五峰組—龍馬溪組的一套優質泥頁巖（五峰組與龍馬溪組巖性相同，且五峰組地層厚度小于10 m[1-2]，地震剖面上兩套地層無法區分）。

頁巖氣儲層有多種孔隙類型，但都是以微米—納米級孔隙為主。Yang等[20-21]針對泥頁巖特低孔、特低滲的特點，利用流體示蹤實驗分析了泥頁巖地層的孔隙結構特征，認為：①頁巖內部連通孔隙非常少，裂縫是頁巖氣擴散的主要通道，裂縫是影響頁巖氣保存的關鍵因素；②大量的不連通微米—納米孔隙存在于泥頁巖烴源巖中，這些不連通孔隙內氣體的不斷聚集可能是頁巖氣地層形成超壓的重要成因。

圖3 焦石壩構造五峰組底界構造圖

2.2 裂縫發育特征

利用各向異性來預測高角度裂縫，就是利用不同方位角的地震屬性差異來擬合方位各向異性橢圓，并進一步預測裂縫的發育程度和方向。賀振華等[17]認為裂縫特別是高角度裂縫的地震波動力學屬性（頻率、衰減等）比其運動學屬性（速度、旅行時間）更為敏感。此外，在動力學屬性中，衰減相關屬性與裂縫的關系更為密切[13]。筆者以收集到的成像測井數據為基礎進行屬性優選，最終確定使用85%衰減頻率屬性。該屬性是指在有效頻帶范圍內，能量衰減到85%時對應的頻率值（fm1），計算公式為：

式中fh和f1分別表示有效頻帶的最高頻率和最低頻率，Hz；p(f)表示頻譜函數。

利用頻率衰減屬性進行各向異性橢圓的擬合得到研究區各向異性強度的數據體，可用于描述高角度裂縫的分布特征。首先從剖面上驗證預測結果的準確性，將預測結果的剖面圖在井點處放大，并與對應深度段的成像測井進行對比（圖4-a～d）。從對比情況來看，JY4井的無裂縫段在預測結果上表現為局部低值，JY1井、JY2和JY3井的裂縫段均對應局部高值區，預測結果與成像測井的裂縫發育情況較為一致，表明預測結果的準確性。

圖4 預測各向異性強度與單井成像測井對比圖

對得到的高角度裂縫數據體進行平面成圖，得到焦石壩區塊五峰組—龍馬溪組高角度裂縫的平面分布特征（圖5）。圖5中平面圖的色標表示各向異性強度，用于表征高角度縫的發育情況，暖色調代表高角度縫發育區；玫瑰圖的暖色調表示預測裂縫的優勢方向。從圖5可以看出，裂縫方向與最大水平主應力方向一致，以近東西向為主，北東東—南西西向為輔；高角度縫主要發育在斷層附近，箱狀背斜區高角度裂縫不發育。此外，基于4口井的成像測井資料，對預測的裂縫方向進行進一步對比分析發現，單井預測裂縫方向與成像測井的最大水平主應力方向較為一致，預測的裂縫方向準確（表1）。

圖5 焦石壩構造五峰組—龍馬溪組各向異性強度平面圖

2.3 地層壓力系數分布特征

筆者收集了8口的實測地層壓力數據（表2），以實測地層壓力數據為基礎，分別利用傳統的Fillippone公式法以及波阻抗反演法來預測研究區龍一1亞段的地層壓力系數分布特征（圖6-a、b），并基于實測地層壓力數據，進行兩種方法預測結果的誤差對比（表2），驗證兩種方法預測結果的準確性。

結合圖6和表2的數據分析認為：①從地層壓力系數分布圖的分辨率來看，Fillippone公式法預測的超壓發育帶呈大片連續分布，分辨率較低，波阻抗反演法的預測結果分辨率更高；②從地層壓力系數的分布特征來看，兩種方法預測的地層壓力系數整體趨勢較為一致，預測的超壓均主要分布在研究區的中部和東北部地區；③從預測精度的誤差分析來看，Fillippone公式法預測的結果誤差較大；波阻抗反演法預測的平均相對誤差絕對值為12.86%，單井最大相對誤差絕對值為18.18%，預測精度相對更高。

2.4 保存系數

采用波阻抗反演法預測的地層壓力系數與開發井的無阻流量關系如圖7所示。利用波阻抗反演法得出的地層壓力系數與單井無阻流量線性相關關系總體較好，但個別井、特別是低產井（JY3-3HF、JY7-2HF及JY1-3HF）的地層壓力系數與單井無阻流量一致性并不好，這說明頁巖氣開發井產量除了受地層壓力的影響，還與其他因素有關。

表1 疊前方位各向異性預測裂縫方向與單井裂縫方向對比表

表2 兩種方法的地層壓力系數預測結果分析表

圖6 兩種方法預測的焦石壩構造龍一1亞段地層壓力系數平面圖

圖7 焦石壩區塊部分頁巖氣井無阻流量與波阻抗反演法地層壓力系數對比圖

考慮到裂縫發育可能會對保存條件產生影響，因此，結合井上無阻流量數據，將高角度裂縫預測結果與地層壓力系數的預測結果進行綜合對比分析，并通過各向異性強度與地層壓力系數構建新的參數——保存系數（Preservation Indicator）來進行保存條件與頁巖氣富集高產的關系分析，即

式中PIimp表示保存系數；Fden表示各向異性強度；pc-imp表示波阻抗反演法預測的地層壓力系數。

將前述研究中得到的各向異性強度數據體以及地層壓力系數數據體代入到式（5），即可得到保存系數的分布特征（圖8），將計算所得的保存系數與氣井無阻流量進行進一步對比（圖9）可以看出，保存系數與頁巖氣無阻流量對應性較好，并且彌補了低產井與無阻流量之間的不吻合關系，從而驗證了新的頁巖氣保存條件預測參數的有效性。