東濮凹陷北部鹽間泥巖裂縫儲層預(yù)測技術(shù)研究

國殿斌，徐懷民，梁國勝，蘇 惠

（1.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；2.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南濮陽457001）

東濮凹陷北部發(fā)育5套鹽巖，其中沙三段上亞段與中亞段之間的鹽間泥巖在以往勘探過程中發(fā)現(xiàn)了受生烴及構(gòu)造作用影響而產(chǎn)生的大量垂向、高角度裂縫，以脆性較強的富碳酸鹽烴源巖中最為發(fā)育，其間見到了一些良好的油氣顯示，表明其可以作為儲層形成泥巖裂縫油氣藏。以往由于受傳統(tǒng)觀念束縛，對泥巖裂縫油氣藏的重視和研究程度不夠，對裂縫展布等成藏控制因素的認(rèn)識程度較低，給泥巖油氣藏勘探帶來很大困難［1-2］。中外泥巖裂縫油氣藏的不斷發(fā)現(xiàn)和近年來北美地區(qū)頁巖氣勘探獲得的巨大成功［3］均表明，東濮凹陷北部的泥巖裂縫油氣藏具備較大的勘探潛力。

大量發(fā)育的微裂縫不但可以為泥頁巖油氣的賦存提供有效儲集空間，還可為泥頁巖油氣的成功開采提供可壓裂通道，是泥巖油氣井高產(chǎn)的一個重要因素。東濮凹陷北部鹽間泥巖裂縫性油氣藏勘探開發(fā)的最大難點主要表現(xiàn)在對泥巖裂縫儲層發(fā)育程度和分布范圍的預(yù)測上。目前中外用于砂巖裂縫預(yù)測的技術(shù)主要有3種［4-10］：第1種為定性分析與相干體分析相結(jié)合的裂縫預(yù)測方法；第2種主要通過構(gòu)造應(yīng)力、體曲率計算來分析預(yù)測裂縫［11］；第3種是利用地震縱波方位的各向異性來預(yù)測裂縫［12］。其中，第1種方法精度較低，目前應(yīng)用較少；第2種方法適用于斷層等曲率較大的地質(zhì)體，而對于鼻狀構(gòu)造和背斜等低幅度、寬緩、微曲率的地質(zhì)體效果不理想；第3種方法要求地震資料需具有高覆蓋次數(shù)和高品質(zhì)，技術(shù)較為復(fù)雜且研究周期長，對于薄層精度較低，其適用性受到很大局限。由于目前尚無成型的適用于泥巖裂縫預(yù)測的專用技術(shù)，因此，筆者針對東濮凹陷鹽間泥巖裂縫具有的脆性礦物成分含量高、高壓、構(gòu)造形變成因以及層薄等特征，通過技術(shù)攻關(guān)與實踐，形成了剩余構(gòu)造分析和廣義多屬性聚類分析為核心的泥巖裂縫儲層預(yù)測技術(shù)，以期為非常規(guī)油氣勘探開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)與地球物理特征

1.1 地質(zhì)特征

脆性礦物成分含量高 X衍射全巖物相分析結(jié)果表明，東濮凹陷鹽間泥巖的礦物組成歸為碎屑礦物、粘土和碳酸鹽3類。泥巖全巖礦物組成中，粘土礦物含量為17%～52.1%，平均為27.6%，不到源巖總礦物組成的三分之一。粘土礦物中，伊利石占絕對優(yōu)勢，占粘土礦物含量的88%～100%，平均為97.8%；硅質(zhì)礦物含量最高為26%，最低為2%，平均為17.3%；碳酸鹽含量除少量薄層灰?guī)r外，最高為46%，最低為6.1%，平均為33.42%。在碳酸鹽礦物中，以方解石為主，白云石次之。泥巖全巖礦物硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物之和平均為50.72%，普遍含有相對較高的脆性礦物，增加了巖石脆性，有利于裂縫的形成及后期壓裂改造。

泥巖裂縫主要為構(gòu)造裂縫 泥巖裂縫可以分為構(gòu)造裂縫、成巖裂縫、異常壓力裂縫和變質(zhì)收縮裂縫。東濮凹陷烴源巖成巖作用規(guī)模一般較小，成巖裂縫不發(fā)育；且古近系埋藏較淺，泥巖發(fā)生變質(zhì)作用，形成變質(zhì)收縮裂縫的可能性較小。濮深18-1井的巖心觀察與成像測井結(jié)果表明，泥巖裂縫主要為構(gòu)造裂縫，以高角度張裂縫和剪切縫為主，見少量張剪裂縫和一定數(shù)量的水力破裂縫。這是由于富含脆性礦物的鹽間泥巖層，延展性越小，易產(chǎn)生破裂，且泥巖有機質(zhì)含量越高，巖石固結(jié)程度越差，有利于微裂縫的形成。由于在局部隆升（鼻狀構(gòu)造或背斜）與斷裂活動等局部或區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，夾于鹽間的板狀泥巖地層發(fā)生彎曲，在彎曲頂部產(chǎn)生縱張應(yīng)力，形成垂直于最大主應(yīng)力方向的張裂縫，縱張裂縫與橫張裂縫的延伸方向垂直。由于東濮凹陷鹽間泥巖在成巖過程中存在欠壓實作用，且鹽巖的塑性流動也易造成地層的差異壓實，從而形成異常高壓［13］。同時，泥巖在封閉狀態(tài)下，由粘土礦物轉(zhuǎn)化脫水、生烴增壓和水熱增壓等綜合作用形成高異常流體壓力，當(dāng)流體壓力超過泥巖破裂壓力時，形成以垂直方向為主的微裂縫系統(tǒng)。以上異常高壓層段都會產(chǎn)生張裂縫。因此，可以認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力是東濮凹陷泥巖裂縫產(chǎn)生的主要控制因素，其次為異常高壓導(dǎo)致的水力破裂作用。

1.2 地球物理特征

泥巖中由于裂縫的發(fā)育，速度特征常常表現(xiàn)為低速異常。如柳屯次洼沙三段上亞段10砂組鹽間裂縫不發(fā)育的泥質(zhì)白云巖層段地震速度一般為2 900～3 000 m/s，表現(xiàn)為較低的波阻抗。作為圍巖的巖鹽速度一般為4 000 m/s，波阻抗較高，橫向變化不大，基本不隨埋深而變化，二者接觸界面的地震反射特征表現(xiàn)為橫向連續(xù)性較好、振幅變化較小的中強反射。而裂縫發(fā)育的泥質(zhì)白云巖層段降速特征明顯，如濮深18井泥質(zhì)白云巖裂縫發(fā)育段速度為2 200 m/s，降低幅度較大，波阻抗表現(xiàn)為異常低值，即裂縫發(fā)育導(dǎo)致反射系數(shù)增大。因此，在泥巖裂縫發(fā)育區(qū)，地震反射相對于裂縫不發(fā)育層段往往表現(xiàn)為振幅增強的強反射。此外，由于裂縫對地震發(fā)射波高頻成分的吸收衰減作用，裂縫發(fā)育區(qū)的地震反射頻率也會降低，泥巖彈性力學(xué)參數(shù)往往具有低泊松比特征，與脆性礦物含量之間成明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；且具有較低的楊氏彈性模量，與泥巖中的脆性礦物含量之間成比較明顯的正相關(guān)關(guān)系。由于脆性礦物（白云巖、灰?guī)r）含量較高，泥巖裂縫發(fā)育段相對于普通泥巖段具有較高的電阻率。

2 泥巖裂縫儲層預(yù)測技術(shù)

泥巖裂縫儲層地質(zhì)與地球物理特征分析結(jié)果表明，鹽間泥巖裂縫形成的條件是在特定的沉積背景下，既要滿足富含脆性礦物的內(nèi)因又需要有局部構(gòu)造形變的外因。因此，首先通過井震聯(lián)合的沉積微相研究，劃定存在富含有機質(zhì)的鹽間泥巖發(fā)育區(qū)，這是泥巖裂縫存在的基本石油地質(zhì)條件；其次，根據(jù)脆性礦物與電阻率的關(guān)系，利用測井資料圈定脆性礦物發(fā)育區(qū)，這是泥巖裂縫易發(fā)育的巖性條件。鑒于鹽間泥巖主要為構(gòu)造裂縫，需要研究是否存在局部構(gòu)造形變的外因條件，若具備這樣的外因條件則基本可以判定存在裂縫發(fā)育區(qū)。剩余構(gòu)造分析技術(shù)和廣義多屬性分析技術(shù)是甄別泥巖裂縫發(fā)育導(dǎo)致的地震屬性異常的有效手段。

2.1 剩余構(gòu)造分析技術(shù)

局部構(gòu)造形變、地層高壓是影響鹽間泥巖裂縫發(fā)育必不可少的外部因素，其中局部構(gòu)造形變是關(guān)鍵因素。構(gòu)造形變程度通常可以用曲率來表示［11］。由于常規(guī)的體曲率計算僅適用于研究斷層等曲率較大的地質(zhì)體的發(fā)育，為了突出局部低幅度構(gòu)造的形變特征，筆者提出了剩余構(gòu)造分析技術(shù)。首先，假定地質(zhì)現(xiàn)象大體上由區(qū)域性因素、局部性因素和隨機性因素3部分組合而成。剩余構(gòu)造分析的目的就是將復(fù)雜的構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象分解為這3個部分，以趨勢面代替區(qū)域性因素，用統(tǒng)計方法消除隨機性因素，最后達到突出局部性因素，即突出局部構(gòu)造微曲率變化的目的，有助于更好地認(rèn)識局部構(gòu)造形變特征，從而預(yù)測由構(gòu)造應(yīng)力變化導(dǎo)致的裂縫發(fā)育區(qū)。研究的基本步驟為：①利用多項式函數(shù)擬合法或構(gòu)造圖多次平滑法，對目標(biāo)層進行趨勢面分析，得到反映區(qū)域構(gòu)造背景的趨勢面。多項式次數(shù)越高，趨勢面對空間數(shù)據(jù)點的逼近程度越高，一般需要4次以上的趨勢面分析。②用目標(biāo)層常規(guī)構(gòu)造圖數(shù)據(jù)減去構(gòu)造趨勢面數(shù)據(jù)，即常規(guī)構(gòu)造減去構(gòu)造背景，得到反映局部形變或構(gòu)造微曲率變化的剩余構(gòu)造數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進行適當(dāng)平滑消除隨機性因素，再進行繪圖，即得到剩余構(gòu)造圖。③在對剩余構(gòu)造圖進行分析的過程中，將正值設(shè)定為正曲率范圍，表示構(gòu)造向上局部隆起形變，該值越大表示形變幅度越大；負(fù)值為負(fù)曲率范圍，表示構(gòu)造向下局部形變，最終結(jié)合已鉆井資料的常規(guī)測井序列識別的裂縫，分析曲率與裂縫發(fā)育關(guān)系。一般正曲率與負(fù)曲率構(gòu)造形變均可產(chǎn)生裂縫，但正曲率范圍裂縫發(fā)育程度優(yōu)于負(fù)曲率范圍。

2.2 廣義多屬性聚類分析技術(shù)

東濮凹陷鹽間泥巖地球物理特征分析研究結(jié)果表明，地層中裂縫發(fā)育引起的層速度降低幅度可達15%～20%，從而導(dǎo)致地震屬性發(fā)生顯著變化，這為利用地震多屬性聚類分析預(yù)測泥巖裂縫提供了依據(jù)。目前儲層預(yù)測技術(shù)系列中常用的技術(shù)方法有2類，一是地震多屬性分析技術(shù)，二是儲層地震反演技術(shù)。由于東濮凹陷鹽間泥巖裂縫的地震響應(yīng)特征比較復(fù)雜，單一地震屬性預(yù)測結(jié)果存在多解性［14］，預(yù)測效果較差，因此，在地震拓頻、高精度地震反演的基礎(chǔ)上，把波阻抗等作為普通的屬性參與屬性提取和優(yōu)選，將地震反演法與地震屬性法結(jié)合起來形成廣義多屬性聚類分析技術(shù)來預(yù)測泥巖裂縫發(fā)育區(qū)。

在進行儲層預(yù)測過程中，為了充分利用各種有用的地震信息，共提取了涵蓋振幅類、復(fù)數(shù)道統(tǒng)計類、頻譜統(tǒng)計類、層序統(tǒng)計類和相關(guān)統(tǒng)計類的5大類26種地震屬性。在分析泥巖裂縫產(chǎn)生的地震響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，采用聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)分析與人工優(yōu)選相結(jié)合的原則進行地震敏感屬性優(yōu)選（圖1）。按照其與裂縫相關(guān)程度確定對泥巖裂縫較為敏感的地震屬性由好到差依次排列為：波谷最小振幅（負(fù)半周積分）、波阻抗、吸收系數(shù)、地震波弧長和均方根振幅。在不同地區(qū)、不同層位，由于地質(zhì)條件不同、巖性組合搭配不同，屬性優(yōu)化所得到的屬性和次序也不同，將研究區(qū)內(nèi)已鉆井進行分析評價的結(jié)果作為學(xué)習(xí)樣本，進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類分析，可定性地預(yù)測出泥巖裂縫發(fā)育區(qū)。

圖1 廣義多屬性聚類分析技術(shù)預(yù)測泥巖裂縫儲層流程

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用剩余構(gòu)造分析與廣義多屬性聚類分析技術(shù)，分別對柳屯次洼沙三段上亞段10砂組開展泥巖裂縫儲層預(yù)測。剩余構(gòu)造分析結(jié)果（圖2a）顯示，濮深18井區(qū)位于隆起形變較大的曲率正值區(qū)，屬于泥巖裂縫較為發(fā)育的區(qū)域；濮深18-8井、文218井、文408井位于構(gòu)造形變幅度較小的曲率負(fù)值區(qū)，泥巖裂縫儲層不發(fā)育。利用廣義多屬性聚類方法預(yù)測柳屯次洼沙三段上亞段10砂組泥巖裂縫分布特征顯示，濮深18井區(qū)為裂縫發(fā)育地震屬性異常區(qū)，構(gòu)造的疊合結(jié)果（圖2b）與剩余構(gòu)造分析結(jié)果吻合較好，說明2種方法預(yù)測泥巖裂縫的可信度較高。根據(jù)該項預(yù)測結(jié)果，部署濮深18-1井和濮深18-側(cè)1井均在沙三段上亞段10砂組鹽間鉆遇較為發(fā)育的泥巖裂縫，其中濮深18-1井鉆至沙三段上亞段10砂組井深3 258 m處見到良好油氣顯示，產(chǎn)油量為215～420 m3/d。

圖2 柳屯次洼沙三段上亞段10砂組剩余構(gòu)造分析與廣義多屬性聚類分析泥巖裂縫儲層預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)束語

東濮凹陷北部鹽間泥巖裂縫主要由富含脆性礦物的高壓泥巖地層在局部構(gòu)造形變作用下形成的，為構(gòu)造裂縫。裂縫發(fā)育段具有低速、低波阻抗、低泊松比、高電阻率等地球物理特征，具有強振幅、較連續(xù)的地震響應(yīng)特征。應(yīng)用剩余構(gòu)造分析與廣義多屬性聚類分析2種不同機理的方法預(yù)測泥巖裂縫儲層。其中，剩余構(gòu)造分析是著眼于泥巖裂縫的構(gòu)造成因，而廣義多屬性聚類分析則側(cè)重于對泥巖裂縫發(fā)育所造成的地震屬性異常的檢測。實際應(yīng)用結(jié)果表明，2種方法預(yù)測的泥巖裂縫發(fā)育區(qū)吻合度較高，與研究區(qū)已有鉆井資料吻合較好，說明廣義多屬性聚類分析和剩余構(gòu)造分析適用于東濮凹陷鹽間超壓、構(gòu)造成因的泥巖裂縫儲層預(yù)測，具有較好的可操作性、實用性以及較高的推廣應(yīng)用價值。

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