基于Fault Likelihood屬性分區標定的裂縫預測與三維地質建模
——以川西坳陷新場氣田須二段氣藏為例

商曉飛,王鳴川,李 蒙

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發研究院,北京 102206)

0 引言

四川盆地蘊含豐富的天然氣資源,含氣層位多,既有海相碳酸鹽巖氣藏,也有陸相致密砂巖氣藏[1-4]。新場氣田屬于川西地區大型氣田,在須家河組探明天然氣儲量千億方。新場地區儲層具有低孔隙、低滲透、低單井日產量的特點,氣藏開發技術難度較大。郭旭升等認為新場地區須家河組二段(須二段)天然裂縫發育,增加氣藏儲集空間,改善氣藏滲流特征,裂縫發育程度和分布直接影響氣藏的產能[5]。因此,準確預測裂縫分布,精確刻畫裂縫的空間展布,進行定量化裂縫三維地質建模研究,對新場氣田開發生產優化具有實際意義。

巖心裂縫觀察與測井裂縫解釋可以提供鉆井的裂縫信息,由于裂縫分布具有非均質性,測井資料無法預測井間裂縫分布規律[6-8]。利用三維地震資料進行裂縫預測,能在三維空間定量計算裂縫發育密度和方位,一定程度上可以識別和預測儲層裂縫分布規律[9-10]。傳統相關屬性在反映大型斷裂分布時具有連續性好、邊界清晰、分布規律與構造走向一致等優點,但難以反映大型斷裂之間的小尺度裂縫[11-12]。Fault Likelihood(FL)屬性[13-14]可以反映大尺度斷裂(橫向延伸長度幾公里或數十公里)及小尺度裂縫帶(橫向延伸長度小于100 m)。在地震資料采集、處理及解釋過程中受一些因素(地質、方法等)影響,裂縫屬性反映存在一些假象。筆者采用一套基于FL屬性分區調整方法,根據測井裂縫解釋和地質認識,優化和處理裂縫探測屬性體,提高裂縫預測準確度,為裂縫三維地質模型建立和開發方案部署提供更準確的數據基礎。

1 區域地質概況

川西坳陷位于揚子地塊西北緣,西鄰龍門山沖斷帶,向外過渡到松潘—甘孜褶皺帶,北東與昆侖—秦嶺構造帶相接,呈北東向延伸,面積超過5×104km2,是一個典型的中新生代盆地[15-16]。新場地區位于川西坳陷中段、孝泉—豐谷北東東向隆起帶西段,為孝泉—新場復式背斜局部圈閉。新場構造帶是晚三疊世以來形成的大型隆起帶,經歷多期構造運動疊加,現今構造整體表現為近東西向的長垣背斜,南翼陡,北翼緩(見圖1)。新場構造帶內部的次級構造及斷層與龍門山構造帶的活動密切相關[17-21]。新場氣田的儲量探明區主要分布于新場地區(包含部分孝泉和合興場區域)。目前,在新場探區須家河組致密砂巖氣藏實施勘探評價井百余口,獲得工業氣井近50口,預示良好的勘探潛力。

新場地區主要發育NS、WE和NE向斷裂,為逆斷層,斷距較小,斷層傾角較大,集中分布于新場地區中部,斷層活動從深至淺逐步減弱。裂縫主要表現近NS和近WE向簇系。斷裂分級分期評價表明主斷裂(F1—F5)不僅控制天然氣運移和輸導,還控制裂縫發育,微斷裂決定裂縫帶發育。氣水總產量高及產水量占比大的井多分布于距離主斷裂較近、裂縫密度較高的區域,氣水總產量低及產水量占比小的井多位于裂縫密度較低的區域[22-23],說明裂縫控產效果較為顯著。

2 裂縫發育特征

分析新場地區12口井、304 m須二段巖心裂縫發育情況,研究區發育5種裂縫類型,即平縫(傾角小于10°)、低角度縫(傾角為10°～30°)、斜縫(傾角為30°～60°)、高角度縫(傾角為60°～80°)與立縫(傾角大于80°),其中,平縫與低角度縫基本沿層理發育,成因與沉積相關,多被泥質充填；斜縫、高角度縫及立縫與層理斜交或垂直,是典型的構造成因縫。低角度縫和斜縫可見泥質充填,高角度縫與立縫未見充填(見圖2)。研究區Tx22砂組裂縫類型較多,以平縫、低角度縫和斜縫為主,其次為高角度縫和立縫；Tx24和Tx25砂組以平縫和低角度縫為主,斜縫、高角度縫和立縫相對不發育；Tx26和Tx27砂組以平縫、低角度縫和斜縫為主,高角度縫和立縫基本不發育(見圖3)。對比重點儲層(Tx22和Tx24砂組)的不同類型裂縫走向、不同砂組高角度縫分布、不同類型裂縫發育程度等參數,研究區高角度縫以近WE向為主,當角度變低時,裂縫的走向分布分散不明顯。

根據研究區15口成像測井裂縫解釋結果,識別約1 300條裂縫,裂縫以中低角度為主(731條),同時發育高角度縫及少量的立縫(173條)。新場地區須二段同一砂組不同鉆井的裂縫發育程度不同,Tx22和Tx24砂組為主要產氣層,裂縫相對發育,裂縫發育總厚度分別為204.9、170.0 m,裂縫條數分別為401和369條。統計研究區須家河組的平均裂縫密度,裂縫分布具有較強的非均質性(見表1),在Tx22砂組中,X601井裂縫最為發育,平均裂縫密度大于2.00條/m,X201、X5井裂縫相對不發育；在Tx24砂組中,X202井裂縫最為發育,平均裂縫密度為0.83條/m,X501、X201井的平均裂縫密度分別為0.66、0.48條/m,X3、X203井裂縫相對不發育。同一口鉆井不同砂組裂縫發育程度不同,如XC8井,Tx22砂組平均裂縫密度為0.46條/m,Tx24砂組的為0.23條/m。不同砂組中不同類型裂縫密度也具有較大差異,總體上高角度縫的發育密度小于低角度縫的。通過氣井無阻流量、日產量、累積產量等產能數據與裂縫密度、裂縫傾角交會表明,斜縫、高角度縫和立縫組成的構造縫越發育,初期產氣能力越好,即無阻流量與裂縫密度呈正相關關系,隨裂縫傾角增大,無阻流量快速增大[22,24]。這是因為高角度縫更能溝通氣層,從而提高儲層滲流能力,向試采段供氣能力越強。因此,傾角大于30°的裂縫(有效裂縫)是新場地區須二段氣藏控藏控產的主要因素。

表1 研究區測井計算裂縫發育參數Table1 Fracture development parameters by logging calculation in the study area

3 FL屬性原理與提取

Fault Likelihood(FL)屬性反映斷裂存在的可能性,其計算基于以斷裂識別為導向的相似性屬性Semblance(S屬性)[25]。對地震數據體進行構造導向平滑,以及沿斷裂走向、傾向進行濾波,計算S屬性(S為0～1),增強S屬性計算的穩定性。地層的橫向強連續性將導致S屬性在大多數空間位置接近1,在預測小尺度的、沒有明顯斷距的斷裂或裂縫時,難以區分斷裂、裂縫存在的可能性。

為預測更小尺度的裂縫,對S屬性進行指數運算,得到FL屬性。FL屬性提高不同樣點間的對比度,提升傳統相似性屬性的檢測能力,對較大的斷裂有響應,能刻畫小尺度的裂縫。當斷裂發育時,地震反射連續性降低,S屬性急劇減小,FL屬性顯著增強；反之,FL屬性減弱。實際應用表明,S的冪指數為8時,FL屬性效果較理想,其表達空間某一位置相對其他位置發育斷裂、裂縫的可能性。

對研究區進行FL屬性提取,可以較好反映斷裂發育趨勢。在剖面不同尺度的斷裂和裂縫表現信號異常,其中主斷裂表現為強異常,數值反映不同尺度的斷裂和裂縫發育概率,從而反映斷裂、裂縫發育程度的空間變化趨勢(見圖4)。

計算FL屬性時,關鍵參數是計算步長的選取。根據測井巖性解釋,單砂體厚度不超過50 m,即地震信號傳輸的雙程旅行時約為25 ms(砂巖平均速度約為4 000 m/s)。為避免將沉積相邊緣錯誤解釋為斷裂,將計算時間步長設置大于25 ms。基于研究區偏移處理的疊后三維地震數據體計算FL屬性,數值越大代表斷層存在的可能性越高(見圖4)。

4 FL屬性分區標定

根據裂縫發育程度,將研究區須家河組地層劃分為裂縫發育區、裂縫較發育區和裂縫欠發育區。FL屬性可以較好地刻畫斷裂系統,為劃分不同裂縫區域的空間分布提供可能。隨地震裂縫預測研究的深入,一方面沉積作用、構造作用等因素引起巖性、地層厚度、地層產狀的空間非均質性,使地震信號的不連續性出現變化[26-27]；另一方面含氣性的差異、大斷裂的影響加劇地震反射噪聲的波動,對裂縫屬性結果造成較大干擾[28-30]。初步提取研究區目標層FL屬性,不同構造區域的裂縫屬性對裂縫的響應程度有差異。Tx22砂組不同構造區域FL屬性對裂縫的響應程度不同,若統一閾值分析,則弱響應區域的裂縫未顯示,強響應區域的裂縫過度顯示(見圖5)。地震裂縫探測屬性通常對具有一定傾角的裂縫(斜縫、高角度縫和立縫)響應程度較好,為更準確地統計和標定FL屬性與測井裂縫解釋結果,需要明確FL屬性與傾角大于多少的裂縫相關關系最好,提出一套分區FL屬性裂縫預測技術(見圖6),提升裂縫預測準確性,進行三維裂縫地質建模。

4.1 FL屬性預處理

裂縫成像測井多用于解釋砂巖裂縫,因此,需要考慮去除砂巖和泥巖裂縫發育情況對FL屬性的影響。自然伽馬反演在一定程度上反映砂泥巖變化,FL屬性交會反映裂縫多發育于砂巖段(見圖7)。為與鉆井資料更好地對比,提高地震屬性預測精度,對FL屬性進行預處理。結合自然伽馬反演結果,利用砂泥巖的空間分布范圍,剔除泥巖段裂縫屬性,保留砂巖層FL屬性值。

4.2 FL屬性分區標定

研究區須二段氣藏氣水總產量較高的井多集中于近東西向的中央背斜高構造部位,南、北兩個斜坡帶的氣井含水率通常較高,前期的阻抗反演表明含氣性好的砂體多分布于構造高部位[22,31]。另外,儲量動用程度最高的F1主斷裂周圍鉆井揭示裂縫發育,產水量普遍較高,井區水淹程度高。根據新場地區沉積砂體分布和構造形態特征[32],結合鉆井資料實際產能,考慮含氣性、巖性變化與斷裂展布情況,劃分5個構造單元,分別為北區斜坡、南區斜坡、中央背斜西區、中央背斜中區和中央背斜東區(見圖8)。

根據鉆井資料解釋的裂縫發育程度(發育、較發育和欠發育),標定并調整每個區域內部FL屬性,定量每個區域FL屬性對裂縫的響應區間(裂縫發育FL屬性下限值)。對比鉆井裂縫發育情況,研究區Tx22和Tx24砂組5個構造單元的FL屬性下限值北區斜坡分別為0.055和0.090,南區斜坡分別為0.060和0.100,中央背斜西區分別為0.025和0.060,中央背斜中區分別為0.020和0.030,中央背斜東區分別為0.030和0.040。

4.3 FL屬性整合

不同構造單元FL屬性對裂縫探測的閾值有差異。為進行三維地質建模和數值模擬研究,需要整合各構造單元調整的FL屬性。將各構造單元閾值進行歸一化,整合調整后FL屬性對裂縫的響應,即不同構造單元的FL屬性閾值不同,歸一化區間也不同

采用線性等比例歸一化方法,確定各構造單元的歸一化區間。以Tx22砂組為例,FL屬性對裂縫響應閾值最大的①構造單元(FL屬性閾值為0.020～0.300),作為最大歸一化區間,可設置為0～1,其他構造單元根據裂縫響應閾值通過等比計算,確定②～⑤構造單元歸一化區間分別為0.02～1.00、0.04～1.00、0.12～1.00、0.14～1.00(見圖9(a))。將各個構造單元FL屬性整合,得到完整的FL屬性平面分布(見圖9(b))。

4.4 效果檢驗

各構造單元調整后的FL屬性與鉆井裂縫情況有更好的對應關系(見圖10),統計Tx22和Tx24砂組的井震吻合率分別為85.2%和88.9%,提高FL屬性對裂縫探測的準確性(見圖11(a-b))。

通過成像測井計算得到裂縫發育、裂縫較發育、裂縫欠發育井,以及FL屬性調整前后分布結果,裂縫發育井的FL屬性閾值明顯提升(見圖7、圖11(c-d)),裂縫欠發育井的FL屬性閾值明顯下降,地震屬性區間能較好地反映不同裂縫發育程度鉆井的分布。統計測井裂縫解釋傾角大于30°(有效裂縫)的裂縫密度和調整后的FL屬性交會,Tx22和Tx24砂組的相關因數分別為0.78和0.86,說明調整后FL屬性能預測裂縫的空間分布(見圖11(e-f))。

5 三維地質建模

5.1 裂縫密度模型

根據不同砂組的FL屬性分區標定處理技術,調整研究區每個砂組FL屬性,代表砂組裂縫的空間分布情況。

基于成像測井解釋裂縫參數的常規測井裂縫識別和評價,獲取裂縫綜合指示曲線。結合井點裂縫解釋和評價統計數據,分析裂縫參數和裂縫發育特征,明確在縱向上的主要裂縫發育段,計算并獲取傾角大于30°的裂縫發育密度曲線。以井點裂縫密度為條件數據,各個砂組利用調整后的FL屬性作為裂縫分布約束,采用序貫高斯模擬方法,建立裂縫密度模型,作為基于地球物理預測的裂縫發育概率體(見圖12)。

5.2 裂縫DFN模型

利用Petrel軟件,在裂縫密度模型約束下,根據裂縫發育規律和產狀,輸入不同的參數,采用隨機模擬方法,分砂組對近WE向(裂縫最發育)和近NS向簇系的小尺度裂縫分別建立裂縫DFN模型(見圖13)。該模型是隨機模擬產生裂縫片,裂縫片的多少和分布受裂縫密度模型的控制。裂縫片的產狀受井點裂縫統計參數的控制,如利用裂縫玫瑰花圖確定裂縫走向和傾角。

5.3 裂縫屬性模型

裂縫屬性模型反映裂縫孔隙度、滲透率的三維分布,屬于連續變量模型。建模方法主要有兩種:第一種采用儲層參數建模方法進行建模[33]。在裂縫密度模型約束下,通過單井裂縫物性參數,運用地質統計學方法進行插值或隨機模擬,得到裂縫屬性參數的三維分布模型。第二種以裂縫離散網絡模型為基礎,通過裂縫開度等參數計算裂縫物性(見圖3、表1)。在裂縫離散網絡模型中,裂縫以面元形式分布,單個地層網格中裂縫的條數、方向、長度、面積為已知參數,裂縫開度由井眼統計數據得到[34]。新場地區致密氣藏單井裂縫解釋難以有效準確評價裂縫滲透率,對裂縫屬性模擬采用第二種方法計算裂縫貢獻的儲層物性參數,從而建立裂縫屬性模型。

裂縫孔隙度需要利用裂縫開度進行計算,裂縫孔隙度與裂縫平均開度具有較好的相關關系,確定裂縫開度信息,根據裂縫開度計算裂縫孔隙度。巖心觀察的裂縫開度分布范圍廣(在0.01～10.00 mm之間),多數分布在0.10～2.00 mm之間；成像測井解釋的裂縫開度相比巖心和露頭計算結果普遍小1～2個數量級[24]。統計研究區成像測井解釋裂縫開度,各砂組平縫和低角度縫的開度總體較大,立縫、高角度縫、斜縫的開度相對較小。篩選地球物理計算能夠響應的傾角大于30°的裂縫開度數據,獲取每個砂組裂縫開度的平均值和變異因數,Tx22、Tx24砂組裂縫開度平均分別為0.057、0.053,變異因數分別為0.043 6、0.041 8。

在裂縫DFN模型基礎上模擬生成裂縫開度分布場,計算裂縫孔隙度三維分布模型(見圖14(a))。裂縫滲透率與裂縫開度、裂縫孔隙度有關,采用Oda計算公式[35]計算裂縫滲透率(見圖14(b))。

在致密砂巖氣藏中,基質儲層為天然氣提供儲集空間,裂縫對天然氣滲流起決定性作用,通常采用雙重介質模型(基質儲層模型和裂縫模型)評價天然氣儲量和產能預測[22,36]。基于基質儲層模型和裂縫模型,分析氣藏參數空間分布,分析數值模擬后的飽和度、含氣豐度等參數變化情況。分析主力產氣層的模型參數分布,研究區X851井區在須二段基質孔隙度平均約為5.67%,基質滲透率平均約為3.14×10-3μm2,物性高值區位于X301井附近,主要產氣井X851、X2井附近物性參數相對較低,Tx22、Tx24砂組裂縫滲透率高,與井區裂縫發育、產氣主要來自裂縫溝通甜點的認識一致。

在FL屬性的基礎上,對于致密氣藏裂縫預測特點與需求,建立一套基于FL屬性分區標定的裂縫預測技術,通過構造單元分區、裂縫井震標定、屬性閾值調整、歸一化整合等,有效提升FL屬性對裂縫的預測準確性。利用該技術獲取新的屬性數據體,用于預測斷裂空間分布并約束裂縫密度模型的建立,建立的天然裂縫三維地質模型能更好地刻畫儲層的裂縫空間分布,保證裂縫發育程度與測井裂縫解釋結果相匹配,同時還能更準確反映井間的裂縫孔隙度、滲透率等屬性參數的分布。天然裂縫模型能夠保證天然裂縫參數的空間分布,評價研究區致密砂巖氣藏甜點質量及分布,為后續優化井位、壓裂評價和壓裂縫網模型建立提供數據基礎。

6 結論

(1)川西坳陷新場地區須二段天然裂縫發育,以平縫、低角度縫和斜縫為主,高角度縫和立縫發育較少,以近WE向為主。裂縫在縱向和平面分布上具有較強的非均質性,Tx22和Tx24主力產氣砂組的裂縫相對更發育,高角度縫的發育密度小于低角度縫的。

(2)Fault Likelihood(FL)屬性表征斷裂存在的可能性,能夠更好反映裂縫的分布,受沉積、構造、含氣性等地質因素的影響,不同構造區域FL屬性對裂縫的響應程度和不同裂縫發育帶的閾值范圍有差異。

(3)提出一套基于FL屬性分區標定的裂縫預測技術,分不同構造單元進行井震對比并調整FL屬性對不同裂縫發育帶的響應閾值,整合的FL屬性與鉆井揭示的裂縫發育情況對比吻合率超過85%,有效提升裂縫預測準確度。

(4)基于不同砂組調整的FL屬性,約束構建新場地區須二段氣藏裂縫密度模型,形成基于地球物理預測的裂縫概率體,控制裂縫DFN模型構建,更好地刻畫裂縫空間分布。