“斷縫體”概念、地質模式及其在裂縫預測中的應用
——以四川盆地川西坳陷新場地區須家河組二段致密砂巖氣藏為例

劉振峰,劉忠群，郭元嶺，季玉新，李王鵬,林 恬,陳天勝,金武軍

(中國石化 石油勘探開發研究院，北京100083)

在致密油氣藏勘探開發實踐中，裂縫發育狀況預測非常重要。規模發育的有效裂縫可以顯著改善致密儲層的孔、滲條件，使其成為油氣聚集的有利場所，進而成為具有勘探開發價值的油氣藏“甜點”[1-3]。但是，由于裂縫地質尺度和地震資料信息承載尺度之間的巨大差異，地震裂縫預測長期以來一直是勘探開發實踐工作中的難題。除了信息尺度的差異，裂縫預測不能得到有效解決的很大一部分原因在于相應的地質模型或模式不清晰，預測目標不明朗。儲層裂縫預測不能局限于尋找單條的裂縫，而應該尋找有效裂縫相對聚集的地質單元。在實踐中，一些研究人員逐漸認識到這個問題，提出了“斷縫體”概念，將研究的關注點集中到具有勘探開發實踐價值的規模有效裂縫體的預測，為地震預測人員指出了努力的方向。筆者以川西坳陷新場地區須家河組二段(須二段)致密砂巖氣藏中的裂縫作為研究對象，對“斷縫體”的概念、地質模式及其在預測中的實踐價值進行了相關研究。

新場工區位于四川盆地川西坳陷中段綿竹-鹽亭NEE向大型隆起帶中部[4-5],其陸相沉積基底為中三疊統海相灰巖。自晚三疊世后，該地區逐漸轉變為陸相沉積，基底之上依次充填了上三疊統須一段海-陸過渡相地層，須二段、須三段、須四段、須五段陸相碎屑沉積及煤系地層,以及侏羅系-白堊系的陸相紅層。須一段、須三段和須五段為新場地區須家河組氣田的烴源巖層系，而須二段和須四段則為主要產層。須二段埋深為4 500～5 300 m，發育多個厚度較大的砂巖層，縱向上表現為厚層砂巖和薄層泥巖互層的特征。須二段儲層孔隙度分布在0.44%～16.38%，平均值僅為3.92%，屬于典型的致密砂巖儲層。在此致密圍巖背景下，裂縫發育與否成為制約優質儲層形成的關鍵因素。根據巖心及電成像資料分析，研究區須二段裂縫類型較多，主要以低角度裂縫為主。但真正對天然氣高產富集具有重要意義的是在燕山期和喜馬拉雅期的斷層活動，尤其是喜馬拉雅期南北向逆斷層活動中形成的中-高角度裂縫。在前期研究中，圍繞裂縫預測開展了大量的工作[6]，但由于前述原因，取得的效果非常有限。近年來，筆者在“斷縫體”地質概念及模式的指導下，進行了相關探索，在實踐中取得了較好的應用效果。

1 “斷縫體”概念與地質模式

1.1 “斷縫體”相關概念

斷層是沿斷裂面發生明顯位移的地質構造現象[7]。斷層發育規模不等，小的不足1 m，大到數百、上千千米。斷層破壞了巖層的連續性和完整性，在斷層帶上往往巖石破碎現象較為嚴重。裂縫是由構造變形作用或物理成巖作用在巖石中形成的沒有明顯位移的不連續面[8]。裂縫的形成取決于巖石所受應力的類型以及巖石的性質，其豐度和分布與應力大小、巖石類型(脆性或韌性)、結構狀態、深度(上覆壓力)、巖性、巖層厚度、孔隙度、巖相和年代等因素有關[9-10]。由斷層和裂縫的地質概念及成因可以看出，與斷層相關的構造裂縫與斷層在成因機制及分布規律方面有著密切的共生關系，甚至可以說，斷層是構造裂縫的宏觀表現。盡管研究人員很早就注意到斷層與裂縫之間的這種伴生關系，但二者之間的關系非常復雜，不同斷層的伴生裂縫發育程度可能截然不同，即便是同一條斷層，不同部位的裂縫發育程度也可能存在很大差異[11-12]。

在石油工業中，致密砂巖油氣儲層中的裂縫對于油氣勘探開發非常重要。隨著相關研究的深入，研究者逐漸意識到，相較于單條裂縫的詳細統計分析，裂縫的聚集單元及其與斷層的組合配置關系的分析與研究在實踐中具有更為重要的價值。一些研究者將與褶皺、斷層有關的裂縫和巖石孔隙結合所形成的不規則分布的、具有一定規模的、孔-滲性能較好的地質體或地質單元視為一種新的儲集體類型，稱之為“斷縫體”[13]。也有研究者將致密圍巖背景下巨厚砂巖層內部由后期構造運動改造所形成的局部斷層、有效裂縫發育的部位稱為“斷縫體”，認為致密砂巖油氣勘探的首要問題是尋找這些“斷縫體”目標[14]。

盡管目前有關“斷縫體”公開發表的文獻比較少，但近幾年國內致密砂巖油氣田現場地質研究工作中對這一概念的討論較為普遍，其概念內涵主要集中在3個方面：一是“斷縫體”發育的背景為致密巖層；二是在“斷縫體”內部，斷層及與斷層有關的中高角度裂縫(傾角>30°)比較發育；三是“斷縫體”內部孔-滲性能較好，是致密砂巖儲層油氣聚集的有利部位。

“斷縫體”概念的提出，以及其內涵方面達成的一些共識，將致密砂巖儲層裂縫的研究引入一個新的階段，使得研究人員不再將關注的重點集中在單條裂縫的產狀描述上，而是更多地集中在裂縫的聚集程度及其對致密圍巖儲-滲性能的改善效果。同時，關注重點的改變，使得地震裂縫預測工作更具有可操作性——研究目標尺度規模的放大，使得在頻寬有限的地震數據中尋找相應較大尺度的響應異常，并進而采取相應的技術手段對其進行預測成為可能。

1.2 新場地區須二段致密砂巖“斷縫體”地質模式

新場地區須二段“斷縫體”地質模式研究是在前人有關斷裂帶內部結構的相關研究成果基礎上開展的。在野外露頭中，斷層多以斷裂帶的形式出現，其內部結構較為復雜。國外研究者通常將其劃分為斷層核部和外圍破裂帶[7，15-17]，而中國的研究者通常將其劃分為破碎帶和誘導裂縫帶[7，18-20]。陳偉等人將斷裂帶劃分為2個構成單元，即核部的滑動破碎帶和核部外側的誘導裂縫帶[7]。這種劃分方式在露頭觀測和地震預測中比較簡單，可操作性強。在新場地區須二段致密砂巖“斷縫體”地質模式分析中，采用了這一簡便的術語體系。

借鑒斷裂帶內部結構方面的已有成果，通過研究所建立的新場地區須二段致密砂巖“斷縫體”地質模式如圖1所示。“斷縫體”包含3個組構單元，即斷層滑動面、滑動破碎帶和誘導裂縫帶。川西坳陷新場地區須二段應力環境復雜，巖層中的斷裂由一條甚至多條逆斷層滑動面組合而成。滑動破碎帶緊鄰斷層滑動面，是斷裂帶的中心,也是斷裂系統的主要錯動和破裂部位。在斷裂具有多條斷層滑動面的情況下，滑動破碎帶往往為相鄰的兩條斷層滑動面所挾持，是斷裂系統形成過程中的應力聚集部位。誘導裂縫帶在滑動破碎帶外側，寬度變化較大,為幾米至幾百米不等。根據新場地區須二段已鉆井統計結果，滑動破碎帶和誘導裂縫帶所組成的裂縫發育條帶在斷層滑動面兩側約400 m范圍內。其中200 m范圍之內，特別是逆斷層的上盤，中高角度裂縫尤為發育，也是目前高產井的主要分布部位。當兩個傾向相反的、以逆斷層為特征的斷裂帶相距較近時，其上盤所形成的地壘是中高角度裂縫集中發育的部位(圖1)。誘導裂縫帶內的巖石沒有完全破碎，在發生一些局部破裂的同時,往往伴有多期次裂縫發育,并保留了巖石破碎之前的基本特征。裂縫發育帶內，與斷裂相關的裂縫相互切割,而且其分布受到地下應力變化及巖石自身力學性質非均質性的影響，相互共軛裂縫之間的較小夾角的平分線多與主斷面平行或近于平行。

圖1 新場地區須二段“斷縫體”地質發育模式

2 “斷縫體”的地球物理響應特征

2.1 裂縫的測井響應特征

電成像測井通過陣列紐扣電極對井壁進行掃描以獲取電導率圖像信息，是識別裂縫最直觀和最有效的一種技術手段。當地層中發育裂縫時，泥漿濾液沿裂縫滲透到地層中，使得裂縫發育部位的電阻率明顯降低，電成像呈現光滑的暗色條紋。“斷縫體”中的滑動破碎帶電成像響應特征主要表現為不同傾角的裂縫呈暗色正弦條紋相互交叉，共同切割基質亮色區域，局部裂縫密度增大導致電成像圖像呈現暗黑色(圖2a中的深度4 735 m處，裂縫密度可達10條/m以上)。誘導裂縫帶相比滑動破碎帶而言，離斷層距離相對較遠，通常表現為高角度縫或直立縫的發育特征，裂縫密度通常在1～10條/m，在電成像上往往表現為近乎平行的光滑暗色條紋分布特征，由于裂縫傾角較大，正弦形態相對較陡(圖2b)。基巖中裂縫不發育，以基質孔隙發育為主，電成像上呈現塊狀分布特征，由于巖性及物性差異，電成像圖像亮度會有相應差異，但無暗色細條紋及正弦暗條紋的裂縫發育特征(圖2c)。在常規測井響應上，滑動破碎帶表現為中-低伽馬,聲波時差顯著增大，電阻率呈鋸齒狀且明顯降低，雙側向電阻率呈正差異；誘導裂縫帶通常發育在中等伽馬的中-粗砂巖中，聲波時差有一定的增大趨勢，電阻率有一定幅度的降低，由于高角度縫存在，雙側向電阻率曲線呈現正差異；基巖段在常規測井曲線上表現為聲波變化小，電阻率曲線形態變化平緩，無鋸齒狀變化等特征。

2.2 地震響應特征及地震屬性異常

在地震反射剖面上，“斷縫體”中的斷裂現象會引起地震反射同相軸表現出明顯的不連續，不連續部位也會出現弱相干、較高的混沌屬性、較高的最大似然屬性，以及傾角和曲率等屬性的異常現象。這些屬性異常為“斷縫體”的預測提供了可能性。下面對本次研究中使用較多的混沌屬性和最大似然屬性做以簡單介紹。

研究中的混沌屬性(熵)計算采用的是基于梯度結構張量(GST,gradient structure tensor)的計算方法[21-24]。梯度結構張量Mρ定義為

(1)

(2)

式中：ρ為高斯核Gρ的標準差，無量綱；U為地震數據，無量綱；Uσ為平滑后的地震數據，無量綱；σ為平滑尺度參數，無量綱，視噪音情況及研究對象的尺度而調整。標準差ρ的選擇取決于研究目標的尺度。對梯度結構張量Mρ進行矩陣特征分解：

(3)

式中：λ1≥λ2≥λ3≥0為Mρ的3個特征值(無量綱)；v1，v2，v3為對應的特征向量(無量綱)，v1為局部鄰域內對比度最大的方向(梯度方向)，v2和v3構成一個垂直于v1的局部平面。據此計算的混沌屬性(熵，Chaos,無量綱)如下：

(4)

基于GST的混沌屬性(熵)可以較為有效地反映局部數據結構的規則性[24]。

研究中運用較多的另一個屬性是最大似然屬性[25]。在計算最大似然屬性之前首先計算相似性屬性(Semblance，無量綱)：

(5)

式中：g為地震數據，無量綱；(·)s表示對括號內的地震數據進行構造導向濾波；[·]f表示參考斷裂產狀再一次濾波。在相似性計算基礎上，最大似然屬性(Likelihood，無量綱)計算如下：

Likelihood=1-Semblance8

(6)

最大似然屬性對相鄰數據點的相似程度有一個放大效應，能顯著突出斷層特征。依據該數學表達，最大似然屬性度量的是計算樣點處斷裂發育的可能性[27]。

圖3中的X601井毗鄰斷裂，為2個逆斷層所挾持，其中的Tx2(2)和Tx2(3)砂組的中高角度裂縫較為發育，在屬性異常剖面上，出現弱相干異常、較高的混沌屬性(熵)異常和較高的最大似然屬性異常等特征。在圖3a地震剖面上可以明顯地觀察到X601井Tx2(2)和Tx2(3)砂組的中高角度裂縫發育部位對應的2個地震反射特征：一是毗鄰左側的斷層滑動面；二是由于裂縫發育，裂縫發育段同下伏地層之間阻抗差異增大，導致X601井的Tx2(2)和Tx2(3)砂組底部出現弱反射背景下較強反射的特征。在圖3b相干屬性剖面上，X601井的Tx2(2)和Tx2(3)砂組處于左側斷層滑動面及滑動破碎帶所造成的弱相干異常帶上。在圖3c熵屬性剖面上，X601井的Tx2(2)和Tx2(3)砂組處于左側斷層滑動面、滑動破碎帶及誘導裂縫帶所造成的較高的熵屬性異常帶上，Tx2(3)砂組底界以下的熵屬性異常較弱，與之上的較高的熵屬性異常區域反差非常明顯。圖3d為最大似然屬性異常剖面，最大似然屬性對可能的斷層滑動面較為敏感，從圖上可以看到，X601井兩側的逆斷層滑動面具有較為明顯的響應異常。盡管相應的屬性異常能夠進一步放大和凸顯研究區目的層段逆斷層及其造成的斷層滑動面、滑動破碎帶，以及誘導裂縫帶的一些響應異常，為“斷縫體”的刻畫與描述提供研究基礎，但是也可以看到，相應的剖面所體現的部分異常缺少地質規律，很難進行相應的解釋，需要結合鉆、測井信息進行刻度，通過確定相應門檻去偽存真，保留并進一步凸顯與“斷縫體”有關的異常。

3 “斷縫體”預測技術方案及應用效果

3.1 “斷縫體”預測技術方案

“斷縫體”地質發育模式中的結構單元包括斷層滑動面、滑動破碎帶以及誘導裂縫帶。如前所述，在電成像測井圖像上，“斷縫體”內部不同結構單元的響應特征呈現出一定的差異。依據電成像所揭示的裂縫測井響應特征及裂縫解釋成果，以及地震反射剖面上“斷縫體”可能的地震反射特征和遴選的地震屬性異常，可以進一步利用斷層人工解釋樣本以及電成像測井裂縫解釋結果去刻度相應的地震屬性異常，確定“斷縫體”中斷層滑動面、滑動破碎帶以及誘導裂縫帶的敏感屬性及相應閾值，進而獲取相應的斷層滑動面數據體、裂縫發育帶數據體及相應的平面成果圖件。研究中所形成的“斷縫體”預測技術方案如圖4所示。

圖4 新場地區須二段致密砂巖“斷縫體”預測技術方案

依據此技術流程，可以實現對“斷縫體”中斷層滑動面、滑動破碎帶和誘導裂縫帶的自動解釋，在構造較為復雜的區域，可有效地減少斷層人工解釋帶來的巨大工作量，提升工作效率，同時較為客觀地刻畫與斷裂相關的“斷縫體”的空間展布情況。相較于常用的相干分析等純粹的地震幾何屬性分析方法，該技術流程由于參照了“斷縫體”地質發育模式，同時經過了電成像測井解釋結果的刻度，地質意義較為明晰，能夠減少常規地震幾何屬性分析等無井約束方法的不確定性。

3.2 新場地區須二段應用效果

在新場地區須二段“斷縫體”地質發育模型指導下，致密砂巖“斷縫體”預測使用了前述技術流程。研究中依據區內人工斷層解釋結果和15口具有電成像資料的鉆井對相關地震屬性進行了刻度。斷層滑動面使用的是最大似然屬性(值域范圍在0～1)，通過對最大似然屬性數據體沿層切片異常與人工斷層解釋成果的對比分析，將反映斷層滑動面的最大似然屬性門檻值確定為0.15，即大于0.15的最大似然屬性異常可以反映斷層滑動面的分布。滑動破碎帶使用的是混沌屬性(熵，值域范圍在0～1)，在混沌屬性剖面上，沿斷層滑動面兩側會出現強弱不一的與滑動破碎帶有關的混沌異常條帶，通過橫切斷層的104條不同級次的混沌屬性剖面統計分析，最終確定0.18～1的混沌屬性異常值反映滑動破碎帶。誘導裂縫帶利用的是另一個閾值區間的混沌屬性(熵)，通過電成像測井中-高角度裂縫解釋結果與混沌屬性異常值的統計分析，值域范圍在0.05～0.18的異常能夠較好地反映中高角度裂縫的發育狀況。圖5為相關屬性疊合顯示的“斷縫體”預測剖面，圖中的井曲線為電成像解釋的裂縫傾角曲線。從圖上可以看到，最大似然屬性(黑線)、混沌屬性(0.18～1，紅-紫色異常)、混沌屬性(0.05～0.18，藍-綠色異常)分別較為清晰地顯示了斷層滑動面、滑動破碎帶，以及外側誘導裂縫帶的分布狀況。在“斷縫體”的幾個組構單元中，滑動破碎帶、誘導裂縫帶中的中高角度裂縫比較發育，與電成像解釋結果較為一致。

圖5 新場地區須二段致密砂巖“斷縫體”不同結構單元預測剖面

依據得到的三維“斷縫體”預測結果，可以提取所關注層段的斷層滑動面、滑動破碎帶及誘導裂縫帶的平面分布圖件。圖6為新場工區須二段主產層Tx2(2)的斷層滑動面和裂縫發育帶(滑動破碎帶和誘導裂縫帶)的平面展布情況，圖中顏色由淺到深代表裂縫的發育程度，黑線為斷層。區內有電成像資料的井共計15口，Tx2(2)砂組中-高角度裂縫(裂縫傾角大于30°)比較發育的井有L150(17條)、X601(95條)、X201(14條)、X501(8條)、X3(10條)和XC8(13條)等6口井，中-高角度裂縫欠發育及不發育的井有X856(1條)、X202(3條)、X209(1條)、X5(1條)、X10(2條)、X11(4條)、X101(3條)、X203(無中-高角度裂縫)和XC6(無中-高角度裂縫)等9口井。由圖6可見，15口井中，中-高角度裂縫與異常不吻合的井有L150，X501和XC8等3口井，與預測情況吻合的鉆井占比80%。

圖6 新場地區Tx2(2)砂組斷層和裂縫發育帶(含滑動破碎帶和誘導裂縫帶)平面展布情況

4 結論

1)“斷縫體”是指致密巖層中的斷層及裂縫較為發育、孔-滲性能較好、有望成為致密油氣藏甜點的地質單元。“斷縫體”是裂縫較為發育的巖石集合體，相較于單條裂縫，其研究尺度的放大，有利于在頻寬有限的地震數據中尋找相應的地震屬性異常，對致密油氣藏勘探開發實踐中所關心的規模有效裂縫的預測具有重要意義。

2)新場地區須二段致密砂巖“斷縫體”地質發育模式具有3個組構單元：斷層滑動面、滑動破碎帶和滑動破碎帶外側的誘導裂縫帶。滑動破碎帶和誘導裂縫帶是中高角度構造裂縫(傾角>30°)較為發育部位。由滑動破碎帶和誘導裂縫帶組成的裂縫發育帶分布在斷層滑動面兩側約400 m范圍內，其中200 m范圍之內，特別是逆斷層的上盤是目前高產井的主要分布部位。

3)基于GST的混沌屬性(熵)和最大似然屬性可以作為“斷縫體”預測的敏感地震屬性。混沌屬性可以較為有效地反映局部數據結構的非規則性，最大似然屬性對相鄰數據點的相似程度有一個放大效應，能顯著突出斷層特征。在局部手工斷層解釋結果及電成像測井裂縫解釋成果的刻度下，可以用最大似然屬性刻畫斷層滑動面，用混沌屬性的不同閾值范圍刻畫滑動破碎帶和誘導裂縫帶。

4)新場須二段“斷縫體”預測技術方案應用實踐表明，依據人工斷層解釋樣本及電成像裂縫解釋成果刻度遴選的敏感地震屬性，可以獲取相應的斷層滑動面、滑動破碎帶及誘導裂縫帶數據體和平面預測結果。由于預測過程考慮了“斷縫體”的地質發育模式，預測結果的地質意義較為明晰，與實際情況吻合度較高，表明“斷縫體”概念及其地質模式在裂縫預測實踐中具有重要的應用價值。