四川盆地元壩地區(qū)大安寨段頁巖氣“甜點”地震預(yù)測

彭嫦姿 彭 俊 陳燕輝 張漢榮

1.中國石化勘探南方分公司 2.長江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院 3.中國石油川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司

近年來，北美頁巖氣的成功主要是定向水平井的鉆井技術(shù)和分段壓裂技術(shù)的進(jìn)步，同時，建立了頁巖氣的地質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，主要包括頁巖儲層的埋深、厚度、有機碳的含量（TOC）、脆性礦物的含量（可壓性）等指標(biāo)［1－3］，在頁巖油氣的勘探開發(fā)中，水平鉆井和壓裂施工費用較高，基于頁巖氣的地質(zhì)特征及水平鉆井和壓裂施工工程難度大等特點，頁巖氣儲層的地震預(yù)測思路與常規(guī)油氣藏相比發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)變，即跳出常規(guī)油氣勘探“找圈閉”的定式思維，本著“地震地質(zhì)服務(wù)于工程”的全新理念，積極尋找以“生烴能力強、巖石可破裂性高、裂縫發(fā)育、地應(yīng)力非均質(zhì)性弱”為要義的非常規(guī)油氣“甜點”區(qū)［4］，為鉆井和壓裂等提供依據(jù)。

四川盆地元壩地區(qū)下侏羅統(tǒng)大安寨段二亞段富有機質(zhì)泥頁巖，分布范圍廣泛且穩(wěn)定，厚度較大（30～50 m），且TOC較高，平均值為1.06%，該段油氣顯示活躍，鉆井證實YB101、YB102、YB11、YB5、YB21井等5口井在大安寨段二亞段獲中高產(chǎn)工業(yè)氣流。因此，通過頁巖氣“甜點”地震預(yù)測技術(shù)的研究，有效地識別出大安寨段二亞段的有利沉積相帶和頁巖氣勘探有利區(qū)［2］，為優(yōu)化頁巖氣定向水平鉆井和儲層壓裂改造的部署提供技術(shù)支撐。

1 頁巖氣“甜點”地震預(yù)測

1.1 大安寨段沉積相特征

大安寨段時期周緣山系活動處于一個平靜期，大型河流不發(fā)育，進(jìn)入湖盆的陸源碎屑較少，水體較清澈，加上溫暖的氣候條件，雙殼、腹足類等生物大量繁衍，從而在淺湖相帶廣泛發(fā)育介殼灘，形成了侏羅系特別的一種沉積。大安寨段經(jīng)歷了一個完整的湖進(jìn)—湖退過程，大安寨段早期（大三時期）開始湖侵，這次湖侵是早侏羅世最大的一次湖侵；到大安寨段中期（大二時期），湖水范圍達(dá)到最廣，元壩地區(qū)主要發(fā)育淺湖—半深湖沉積；此后開始湖退，到大安寨段晚期（大一時期），元壩地區(qū)演化為濱湖—淺湖沉積。因此大安寨段二亞段（大二時期）的淺湖—半深湖相是暗色泥頁巖發(fā)育的有利相帶。

1.2 優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度地震預(yù)測技術(shù)

1.2.1 泥頁巖的精細(xì)標(biāo)定及地震響應(yīng)特征分析

泥頁巖的精細(xì)標(biāo)定是泥頁巖層段地震預(yù)測的基礎(chǔ)。根據(jù)泥頁巖層段的巖性、物性特征，將泥頁巖地質(zhì)層位準(zhǔn)確地標(biāo)定在地震剖面上。通過對YB101、YB102、YB21等井大安寨段二亞段泥頁巖層段進(jìn)行標(biāo)定，表明大安寨段二亞段泥頁巖的地震響應(yīng)特征為：頂部表現(xiàn)為波谷反射、底部為中強振幅波峰反射、中低頻、較連續(xù)的反射特征，同時優(yōu)質(zhì)泥頁巖表現(xiàn)為有機質(zhì)含量高、自然伽馬數(shù)值點高、低波阻抗的特征［5］。

1.2.2 地震相分析技術(shù)

地震相分析采用了Stratimagic地震相分析軟件。該軟件系統(tǒng)運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)、統(tǒng)計聚類的分級分類技術(shù)、主組分分析（PCA）技術(shù)，對地震屬性及所反映的地質(zhì)特征進(jìn)行分析解釋，實現(xiàn)地震道、多屬性數(shù)據(jù)體以及變時窗／深度和等時窗／深度的層段內(nèi)的地震相自動劃分，預(yù)測有利的沉積相帶。

圖1為大安寨段二亞段地震相分析圖，從圖中可以看出，大安寨段二亞段的地震相全區(qū)基本分為3大類：①從南至北依次為第Ⅰ類藍(lán)色為主（圖中白色虛線以南區(qū)域）。強振幅、低頻、較連續(xù)平行地震相，主要分布在研究區(qū)的南部YB16、YB9井區(qū)，北部邊界呈不規(guī)則狀，對應(yīng)半深湖相帶，暗色泥頁巖發(fā)育。②第Ⅱ類紅—黃色夾淡綠色（圖中黃色虛線與白色虛線所夾區(qū)域）。低頻、中強振幅較連續(xù)平行地震相，分布在研究區(qū)的中部YB21、YB102井及以東區(qū)域，總體呈近東西方向展布，對應(yīng)淺湖相帶，發(fā)育介屑灰?guī)r和暗色泥頁巖互層。③第Ⅲ類淡藍(lán)色—藍(lán)色—綠色（圖中黃色虛線以北區(qū)域）。中高頻、中弱振幅較連續(xù)、平行反射地震相，分布在研究區(qū)的北部YB6井區(qū)，總體呈近東西方向展布，對應(yīng)濱淺湖相相帶，主要沉積物為砂泥巖。分析認(rèn)為Ⅰ、Ⅱ類地震相分布區(qū)為暗色泥頁巖發(fā)育的有利沉積相區(qū)。

圖1 元壩地區(qū)大安寨段二亞段地震相平面圖

1.2.3 泥頁巖層段多參數(shù)地震反演

1）泥頁巖層段高分辨率波阻抗反演

圖2 過YB6－YB9井波阻抗反演剖面圖

井約束波阻抗反演是利用疊后地震資料進(jìn)行反演的一種技術(shù)，根據(jù)反演方法的試驗及反演效果，選擇Jason反演軟件的稀疏脈沖反演模塊開展高分辨率波阻抗反演［6］。從波阻抗反演剖面圖（圖2）可以看出：波阻抗反演剖面不僅提高了分辨率，而且反映的地質(zhì)現(xiàn)象更加豐富，與實鉆情況基本一致；大安寨段二亞段濱湖相為砂泥巖互層沉積，波阻抗表現(xiàn)為中高阻抗（淺藍(lán)—綠—紅色）；淺湖相為介屑灰?guī)r與暗色泥頁巖互層沉積，石灰?guī)r表現(xiàn)為高波阻抗（紅黃色），泥巖表現(xiàn)為低波阻抗（藍(lán)色）；半深湖相大多為泥頁巖沉積，表現(xiàn)為低波阻抗特征（藍(lán)色）。

2）泥頁巖層段自然伽馬反演

大安寨段二亞段主要發(fā)育介屑灰?guī)r、砂巖和泥巖，尋找富含有機質(zhì)暗色泥頁巖的展布是本次研究的重要目的，波阻抗統(tǒng)計直方圖上泥巖和其他巖性（主要是砂巖和石灰?guī)r）的波阻抗有重疊，單純的應(yīng)用波阻抗特征不能很好地區(qū)分出泥巖和其他巖性，從目的層段所有井的自然伽馬與波阻抗的統(tǒng)計分析圖可以看出（圖3－a）：自然伽馬能夠較好地區(qū)分出泥巖和其他巖性，分析認(rèn)為GR＝66API可以作為剔除石灰?guī)r和砂巖的界限?；舅悸罚簩⒉ㄗ杩箶?shù)據(jù)體作為軟約束開展伽馬隨機反演，根據(jù)井統(tǒng)計結(jié)果設(shè)置伽馬門檻值，對波阻抗數(shù)據(jù)體進(jìn)行濾波，去除低伽馬灰?guī)r和砂巖，得到反映純泥頁巖的波阻抗數(shù)據(jù)體。

圖3 大安寨段二亞段特征參數(shù)統(tǒng)計與連井自然伽馬反演剖面圖

自然伽馬反演是采用Jason軟件的StatMod模塊實現(xiàn)的，StatMod隨機反演提供了基于由StatMod Modeling得出地質(zhì)統(tǒng)計信息的三維油藏模型（如巖性模擬體、伽馬反演數(shù)據(jù)體）。這些模型除滿足地震、地質(zhì)和測井?dāng)?shù)據(jù)外，還滿足地質(zhì)統(tǒng)計變量的空間分布規(guī)律，反演數(shù)據(jù)體的分辨率得到有效提高（圖3－b）。同時從圖3－b中可以看出自然伽馬反演的結(jié)果與井吻合較好。通過伽馬反演，剔除反演波阻抗數(shù)據(jù)體中石灰?guī)r和砂巖的影響，泥頁巖儲層的地震預(yù)測更為精細(xì)。

圖4 大安寨段二亞段TOC與鈾交會圖和連井鈾曲線反演剖面圖

3）泥頁巖層段鈾曲線反演

從井的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，泥頁巖TOC與鈾具有很好的正相關(guān)（圖4－a），因此利用TOC與鈾的正相關(guān)關(guān)系，首先開展鈾曲線反演，再用鈾反演結(jié)果和TOC的正相關(guān)關(guān)系及井的對比分析，預(yù)測TOC高值區(qū)。

鈾曲線反演是在波阻抗反演的基礎(chǔ)上通過E－merge多屬性反演得到，Emerge實際上是尋找地震多屬性與目標(biāo)曲線的關(guān)系（內(nèi)部屬性和外部屬性），其中波阻抗作為外部屬性輸入，同時可以計算復(fù)合地震道的一系列內(nèi)部地震屬性，通過步聰遞歸法確定最佳的屬性組合，使用相關(guān)度最大的屬性預(yù)測和估算目標(biāo)曲線的屬性特征，達(dá)到預(yù)測曲線數(shù)據(jù)體的目的。圖4－b為JL5－YB6－YB21－YB102井的連井鈾反演剖面。從圖4－b中可以看出U反演的結(jié)果與井吻合較好。

4）泥頁巖層段TOC和優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度預(yù)測

利用TOC與鈾的正相關(guān)關(guān)系，將鈾曲線數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換成TOC數(shù)據(jù)體，開展TOC的預(yù)測。圖5－a為大安寨段二亞段TOC預(yù)測平面圖，從圖中可以看出，暗色泥頁巖TOC由西北向東南，東北向西南逐漸增大，淺湖相—半深湖相TOC大于1%。

根據(jù)TOC測井解釋成果認(rèn)為：TOC＞1%的暗色泥頁巖為有效泥頁巖即優(yōu)質(zhì)泥頁巖。根據(jù)TOC反演結(jié)果，以小于11 600 ［（m／s）·（g／cm3）］作為大安寨段二亞段泥頁巖的波阻抗門檻值，以TOC＞1.0為優(yōu)質(zhì)泥頁巖下限，應(yīng)用去掉石灰?guī)r及砂巖影響的純泥頁巖波阻抗體，在大安寨段二亞段頂?shù)捉鐣r窗內(nèi)提取滿足TOC＞1.0 和波阻抗小于11 600［（m／s）·（g／cm3）］的“相對低波阻抗”異常的樣點值，得到優(yōu)質(zhì)泥頁巖的時間厚度網(wǎng)格數(shù)據(jù)，再與速度網(wǎng)格相乘求得大安寨段二亞段優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度（圖5－b）。通過對比，預(yù)測結(jié)果與井吻合程度較高。從圖5－b可以看出，大安寨段二亞段含氣泥頁巖厚度分布受沉積相帶控制，泥頁巖厚度從北往南，隨濱湖到淺湖到半深湖，整體上逐漸增厚。元壩地區(qū)南部 YB11－YB10－YB4－YL17井一線以南泥頁巖厚度較大，一般在30～50m之間；元壩地區(qū)西部 YB27－YB204－YB205－YB271井井區(qū)泥頁巖厚度較薄，厚度一般小于30m。

1.3 泥頁巖裂縫預(yù)測

1.3.1 應(yīng)力場數(shù)值模擬技術(shù)

裂縫對頁巖氣的成藏具有非常重要的意義［7－8］。針對背斜等張裂縫的地層構(gòu)造，從構(gòu)造力學(xué)出發(fā)，利用地層的幾何信息（構(gòu)造面）、巖性信息（速度、密度）、巖石物理信息（泊松比、拉梅常數(shù)、剪切模量）等建立地質(zhì)模型、力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，運用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法對地層的應(yīng)力場進(jìn)行模擬，研究構(gòu)造、斷層、地層巖性厚度、區(qū)域應(yīng)力場等地質(zhì)因素與構(gòu)造裂縫分布的關(guān)系，計算地層面的曲率張量，變形張量和應(yīng)力場張量，從而得到主曲率、主應(yīng)變和主應(yīng)力、主應(yīng)力方向等參數(shù)來預(yù)測與構(gòu)造有關(guān)的裂縫分布及發(fā)育程度。大安寨段二亞段應(yīng)力分析顯示了構(gòu)造最終形成時期，主應(yīng)力方向主要是北東向和北西向，張裂縫也主要發(fā)育在這兩個方向上，而且靠近斷層越近，裂縫越發(fā)育，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造分析，北西向的主應(yīng)力，是由早期的燕山期運動所致，而北東向應(yīng)力，則為后期的喜山運動所致。

1.3.2 曲率分析技術(shù)

構(gòu)造作用是裂縫形成的關(guān)鍵因素。目前利用三維地震層位和三維地震數(shù)據(jù)計算出來的曲率屬性，在預(yù)測小尺度的斷層和裂縫中發(fā)揮了重要的作用。如果地層因受力變形越嚴(yán)重，其破裂程度可能越大，曲率值也應(yīng)越高。由于曲率屬性的檢測尺度較小，對地層褶皺的敏感度比較高，可能受到噪音的影響，因此運用曲率體屬性進(jìn)行計算前，需要做濾波去噪等預(yù)處理工作，其成像效果更好，對斷層以及微斷裂的刻畫更加清晰。圖6為根據(jù)上述理論和方法提取的大安寨段二亞段曲率分析平面圖，從圖中可以看出，元壩地區(qū)自流井組大安寨段二亞段微裂縫較發(fā)育，鉆井證實，YB21－YB101井區(qū)（白色虛線區(qū)）微裂縫發(fā)育，經(jīng)測試YB21、YB101、YB102、YB11井獲中高產(chǎn)工業(yè)氣流。

圖6 大安寨段二亞段曲率分析平面圖

1.4 泥頁巖有利壓裂品質(zhì)區(qū)預(yù)測

1.4.1 巖石物理敏感參數(shù)統(tǒng)計

從取心井YL4井大安寨段二亞段脆性礦物含量（石英含量）與彈性參數(shù)楊氏模量、泊松比交會分析認(rèn)為楊氏模量與脆性礦物含量呈正相關(guān)，泊松比與脆性礦物含量呈負(fù)相關(guān)。因此通過疊前縱橫波阻抗同時反演得到楊氏模量和泊松比數(shù)據(jù)體，進(jìn)而計算出脆性指數(shù)，來預(yù)測有利壓裂品質(zhì)區(qū)［9－11］。

1.4.2 疊前縱、橫波阻抗聯(lián)合反演預(yù)測脆性指數(shù)

疊前縱橫波阻抗聯(lián)合反演是一種從部分角道集疊加數(shù)據(jù)體中同步反演出縱、橫波阻抗和密度數(shù)據(jù)體的技術(shù)，利用該技術(shù)可以計算出楊氏模量、泊松比等彈性參數(shù)數(shù)據(jù)體，然后利用Rickman于2008年提出的基于彈性參數(shù)的脆性指數(shù)（Brittleness Index，簡稱BI）計算公式，根據(jù)元壩地區(qū)泥頁巖實測巖石力學(xué)數(shù)據(jù)對Rickman提出的BI公式進(jìn)行優(yōu)化，利用楊氏模量和泊松比反演數(shù)據(jù)體計算得到的脆性指數(shù)反演數(shù)據(jù)體，能很好地預(yù)測元壩地區(qū)泥頁巖的有利壓裂區(qū)［12］。通常認(rèn)為脆性指數(shù)大于30%時頁巖脆性較好，圖7為大安寨段二亞段脆性指數(shù)預(yù)測平面圖，從圖中可以看出，脆性指數(shù)在研究區(qū)的北部和中部為高值，均大于30%（綠色—黃紅色區(qū)），為有利壓裂品質(zhì)區(qū)，便于后期壓裂改造的實施；在南部脆性指數(shù)為低值（紫紅色區(qū)），據(jù)元壩地區(qū)大安寨段沉積相特征，由北往南為濱湖到淺湖到半深湖相沉積，脆性礦物含量在濱湖到淺湖相區(qū)相對較高，而在南部的半深湖相相對較低，預(yù)測結(jié)果與實際情況吻合。

圖7 脆性指數(shù)預(yù)測平面圖

2 有利區(qū)帶評價

評價思路和原則：針對元壩地區(qū)大安寨段湖相泥頁巖具有時代新、脆性礦物含量較低以及非均質(zhì)性強等特點，選擇相應(yīng)的評價參數(shù)，包括沉積相帶、泥頁巖埋藏深度、富有機質(zhì)泥頁巖厚度、有機碳含量、裂縫發(fā)育程度、可壓裂品質(zhì)等參數(shù)，同時參考國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)目標(biāo)優(yōu)選的評價標(biāo)準(zhǔn)，并考慮到元壩地區(qū)大安寨段湖相頁巖氣的實際情況，建立了一套頁巖氣選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)（表1），從而能夠準(zhǔn)確地優(yōu)選出研究區(qū)有利勘探區(qū)帶，落實頁巖氣的勘探“甜點”區(qū)域，為優(yōu)化頁巖氣定向水平鉆井和儲層壓裂改造的部署提供依據(jù)。

根據(jù)以上評價標(biāo)準(zhǔn)，綜合沉積相、泥頁巖分布、有機質(zhì)豐度、物性特征、裂縫發(fā)育程度、巖性組合以及大安寨段油氣顯示和勘探成果，推定YB區(qū)塊中部淺湖相與南部半深湖是大安寨頁巖氣勘探的有利相帶，其巖性組合特征更有利于裂縫發(fā)育，其中富有機質(zhì)泥頁巖厚度大于30m、埋深小于4 200m的區(qū)域為大安寨段頁巖氣勘探有利地區(qū)，面積為1 719km2。

表1 元壩地區(qū)頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選評價標(biāo)準(zhǔn)表

3 結(jié)論

1）在沉積相和泥頁巖地震響應(yīng)特征研究的基礎(chǔ)上，利用地震相分析技術(shù)，有效地識別出了大安寨段二亞段的有利沉積相帶為中部淺湖相和南部半深湖相帶，目前已有YB101、YB102、YB11、YB5、YB21井等5口井在大安寨段二亞段頁巖層段中部淺湖相帶獲得中高產(chǎn)工業(yè)天然氣流，南部半深湖—深湖相的YB9井獲低產(chǎn)天然氣流。

2）通過頁巖氣“甜點”地震預(yù)測技術(shù)的研究和元壩地區(qū)頁巖氣選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測出元壩地區(qū)大安寨段中部淺湖相區(qū)以及南部半深湖相區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖厚度大于30m、埋深小于4 200m的區(qū)域為頁巖氣勘探有利區(qū)，面積為1 719km2，為優(yōu)化頁巖氣定向水平鉆井和儲層壓裂改造的部署提供依據(jù)，同時建立了一套頁巖氣“甜點”地震預(yù)測的方法技術(shù)。

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