裂縫型頁巖儲(chǔ)層DHSR預(yù)測方法研究

吳　昊,楊少春,宋　爽

(中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580)

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裂縫型頁巖儲(chǔ)層DHSR預(yù)測方法研究

吳昊,楊少春,宋爽

(中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580)

摘要水平應(yīng)力差異比是頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力評(píng)價(jià)的重要參數(shù),可從應(yīng)力角度有效判斷出壓裂有利區(qū),在頁巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”預(yù)測中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。頁巖儲(chǔ)層裂縫較為發(fā)育,因此可將裂縫型頁巖儲(chǔ)層等效為具有水平對(duì)稱軸的橫向各項(xiàng)同性介質(zhì)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)方位疊前反演理論,結(jié)合等效各向異性介質(zhì)方位反射特征,發(fā)展了一種基于方位地震數(shù)據(jù)的頁巖儲(chǔ)層水平應(yīng)力差異比預(yù)測方法。模型試算結(jié)果表明,該方法具有較好的穩(wěn)定性和精度,可較為準(zhǔn)確地預(yù)測頁巖儲(chǔ)層水平應(yīng)力差異比,為頁巖儲(chǔ)層有利壓裂區(qū)及“甜點(diǎn)”區(qū)的尋找提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞水平應(yīng)力差異比;地應(yīng)力;“甜點(diǎn)”預(yù)測;方位疊前反演

隨著常規(guī)油氣資源的日漸緊缺,勘探開發(fā)難度逐漸加大,加之北美頁巖氣勘探開發(fā)獲得的成功掀起了國內(nèi)“非常規(guī)”的研究熱潮,如同非常規(guī)油氣理論存在于傳統(tǒng)的石油地質(zhì)理論之外,非常規(guī)儲(chǔ)層也突破了傳統(tǒng)常規(guī)儲(chǔ)層的范疇。非常規(guī)儲(chǔ)層主要包括致密砂巖儲(chǔ)層和頁巖儲(chǔ)層,均以低孔隙度、低(特低)滲透率為重要特點(diǎn),不受圈閉控制,往往源儲(chǔ)共生、大面積連續(xù)分布和局部富集,對(duì)其進(jìn)行勘探的過程需注重“甜點(diǎn)”區(qū)的識(shí)別[1-3]。周德華等[4]提出了頁巖氣“甜點(diǎn)”的評(píng)價(jià)體系、關(guān)鍵步驟及核心參數(shù)評(píng)價(jià)法和標(biāo)準(zhǔn),并以四川盆地建南地區(qū)侏羅系為例,研究了頁巖氣儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”基本地質(zhì)特征,預(yù)測了“甜點(diǎn)”分布規(guī)律。

在對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層設(shè)計(jì)壓裂改造時(shí),需考慮在設(shè)計(jì)水平井方向時(shí)保證水平井的方向垂直于最大水平主應(yīng)力,易于實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)溝通,保證其穩(wěn)產(chǎn)。目前國內(nèi)外常用的地應(yīng)力測試方法包括:鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測試[5-11]、解除法地應(yīng)力測試(空芯包體解除法和壓磁應(yīng)力解除法)、利用鉆孔巖芯或測井資料的間接測試方法[12,13]及近年來快速發(fā)展起來的一種基于巖芯的非(滯,粘)彈性應(yīng)變恢復(fù)(ASR,anelastic strain recovery)法的三維地應(yīng)力測量方法[4-18]。然而,有關(guān)地應(yīng)力在儲(chǔ)層中的分布狀況的研究還鮮有報(bào)道,裂縫型頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力及其相關(guān)參數(shù)的預(yù)測方法還有待進(jìn)一步研究。

研究結(jié)合裂縫型頁巖儲(chǔ)層的巖石物理特性,從裂縫型儲(chǔ)層反射特征方程出發(fā),構(gòu)建了針對(duì)裂縫型頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力敏感參數(shù)的方位各向異性彈性阻抗方程。然后根據(jù)疊前方位彈性阻抗反演方法,進(jìn)行儲(chǔ)層地應(yīng)力敏感參數(shù)提取。最后根據(jù)地應(yīng)力敏感參數(shù)與水平應(yīng)力差異比(DHSR,differential horizontal stress ratio)的關(guān)系,進(jìn)行裂縫型頁巖儲(chǔ)層DHSR預(yù)測。為頁巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”區(qū)域的預(yù)測、儲(chǔ)層壓裂改造等提供有效依據(jù)。

1方法原理

DHSR表示儲(chǔ)層水平方向上最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的相對(duì)差異,這種差異越小,在壓裂改造時(shí)越有利于壓裂裂縫形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高儲(chǔ)層連通性和開采效率。疊前反演是儲(chǔ)層地震參數(shù)預(yù)測的一種有效手段,而方位彈性阻抗反演是針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層疊前反演最為有效的方法之一。發(fā)現(xiàn)了一種針對(duì)頁巖儲(chǔ)層DHSR預(yù)測的方位彈性阻抗反演方法,為頁巖儲(chǔ)層有利壓裂區(qū)塊選取提供了可靠的依據(jù)。

1.1一種新的各向異性反射系數(shù)方程

根據(jù)對(duì)實(shí)際頁巖儲(chǔ)層野外露頭和取芯采樣標(biāo)本的觀察可發(fā)現(xiàn),頁巖儲(chǔ)層中多發(fā)于近垂直的裂縫群,因而該介質(zhì)可近似等效為具有水平對(duì)稱軸的各向同性(HTI,horizontal transverse isotropy)介質(zhì)。Ruger[19]基于Thomsen弱各向異性理論推導(dǎo)了HTI介質(zhì)方位反射系數(shù)近似公式:

(1)

Bakulin等[20]結(jié)合Thomsen弱各向異性理論和Schoenberg提出的線形滑動(dòng)理論,研究了各向異性參數(shù)與裂縫弱度之間的關(guān)系,并給出裂縫弱度與各向異性參數(shù)之間的表達(dá)式,即

(2)

其中:ΔN為法向弱度;ΔT為切向弱度。

將式(2)帶入式(1),在小入射角近似(即當(dāng)入射角θ<30°時(shí),sin2θtan2θ≈0)條件下,方位各向異性反射系數(shù)近似公式可以改寫為

(gcos2φsin2θ)δΔT。

(3)

根據(jù)地震波傳播動(dòng)力學(xué)信息,可以建立楊氏模量、泊松比與縱、橫波速度之間的直接關(guān)系式,即

(4)

進(jìn)一步結(jié)合宗兆云等[21]推導(dǎo)的各向同性介質(zhì)中基于楊氏模量和泊松比表示的反射系數(shù)近似公式,構(gòu)建了基于楊氏模量、泊松比、密度以及法向弱度和切向弱度的反射系數(shù)近似方程:

[g(1-2g)cos2φsin2θ]δΔN+

(gcos2φsin2θ)δΔT,

(5)

1.2各向異性彈性阻抗方程推導(dǎo)

Connolly[22]提出了彈性阻抗的概念,并給出了從反射系數(shù)到彈性阻抗的詳細(xì)推導(dǎo)過程。Whitcombe[23]發(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)化的彈性阻抗方程,解決了不同角度彈性阻抗之間量綱相差較大的問題。研究根據(jù)Connolly彈性阻抗方程的推導(dǎo)思路,推導(dǎo)了一種針對(duì)頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力敏感參數(shù)的方位彈性阻抗方程,借鑒Whitcombe彈性阻抗方程歸一化的思想,對(duì)方位彈性阻抗方程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,得到了標(biāo)準(zhǔn)化后的方位彈性阻抗方程。

根據(jù)Connolly彈性阻抗方程的推導(dǎo)過程可進(jìn)一步得到方位反射系數(shù)與方位彈性阻抗方程存在如下關(guān)系:

(6)

將式(6)所示的方位反射系數(shù)方程帶入式(5)可得

(7)

(8)

對(duì)式(8)等號(hào)左右兩邊同時(shí)積分,忽略掉積分常數(shù)項(xiàng)可得

(9)

式(9)等號(hào)兩邊同時(shí)取指數(shù),并對(duì)方位彈性阻抗方程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,便可得到標(biāo)準(zhǔn)化后的方位各向異性彈性阻抗方程:

(10)

1.3裂縫型頁巖儲(chǔ)層巖石物理參數(shù)反演

裂縫型頁巖儲(chǔ)層的地震預(yù)測方法主要是根據(jù)疊前方位反演得到的儲(chǔ)層巖石物理參數(shù)來指示有效儲(chǔ)層。研究所采用的方法分為兩步:第一步,根據(jù)疊前方位反演方法,得到儲(chǔ)層不同方位不同角度的彈性阻抗數(shù)據(jù)體;第二步,根據(jù)方位彈性阻抗數(shù)據(jù)體與非常規(guī)儲(chǔ)層彈性參數(shù)之間的關(guān)系,進(jìn)一步得到儲(chǔ)層巖石物理參數(shù)。具體反演流程如圖1所示。

與常規(guī)的疊前反演相比較,該方法主要存在如下改進(jìn):首先,該方法是針對(duì)裂縫近垂直發(fā)育的裂縫型儲(chǔ)層,因此其數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是方位地震數(shù)據(jù),在地震數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí),此方法在提取部分角度疊加數(shù)據(jù)之前還需要對(duì)疊前數(shù)據(jù)進(jìn)行方位角的劃分,然后針對(duì)各個(gè)方位的地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分角度疊加道集;其次,在生成方位彈性阻抗偽測井曲線時(shí),該方法需計(jì)算各方位、各入射角的方位彈性阻抗偽測井曲線,而不再是各向同性介質(zhì)同三個(gè)角度的彈性阻抗偽測井曲線;最后,反演得到的數(shù)據(jù)體是對(duì)應(yīng)地震數(shù)據(jù)各方位、各入射角的方位彈性阻抗數(shù)據(jù)體,相比各向同性疊前地震反演而言,該方法得到的數(shù)據(jù)體更為豐富,不僅體現(xiàn)了儲(chǔ)層彈性參數(shù)信息,還利用了裂縫引起的地震數(shù)據(jù)方位信息,為裂縫儲(chǔ)層地應(yīng)力等的預(yù)測提供了可靠保障。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的方位彈性阻抗方程(10)兩邊取對(duì)數(shù),便可得到線性化的方位彈性阻抗表達(dá)式,帶入不同方位、不同入射角的彈性阻抗數(shù)據(jù)體便可得到式(11)所示的方程組:

(11)

由于方程(11)的系數(shù)可以根據(jù)入射角、方位角以及有關(guān)儲(chǔ)層的先驗(yàn)信息計(jì)算得到,因此,結(jié)合彈性阻抗反演得到的儲(chǔ)層彈性阻抗數(shù)據(jù)體,求解方程(11)便可進(jìn)行裂縫型頁巖儲(chǔ)層的地應(yīng)力敏感參數(shù)(E、ν、ΔN、ΔT)的定量評(píng)價(jià),為儲(chǔ)層DHSR預(yù)測提供理論依據(jù)。

1.4儲(chǔ)層地應(yīng)力預(yù)測

DHSR是儲(chǔ)層地應(yīng)力的一種重要指示因子,它決定著儲(chǔ)層壓裂改造的效果。當(dāng)DHSR較小時(shí),在儲(chǔ)層壓裂過程中,應(yīng)力釋放比較均勻,往往更容易形成網(wǎng)狀的裂縫群;在DHSR較大時(shí),在對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造時(shí),應(yīng)力往往沿一個(gè)方向釋放,導(dǎo)致儲(chǔ)層裂縫發(fā)育較為單一,對(duì)儲(chǔ)層滲透率等的提高效果不明顯。因此,頁巖儲(chǔ)層DHSR越小的區(qū)域,即對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層有利壓裂區(qū)域。Gray等[24]推導(dǎo)了基于楊氏模量、泊松比和法向柔度的DHSR表達(dá)式:

(12)

其中:KN為法向柔度。

Hsu等[25]得出了裂縫儲(chǔ)層法向弱度ΔN與裂縫儲(chǔ)層法向柔度KN之間的關(guān)系:

(13)

根據(jù)拉梅參數(shù)與楊氏模量、泊松比之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,結(jié)合式(13)便可得到基于楊氏模量、泊松比和法相弱度表示的DHSR表達(dá)式:

(14)

式(14)構(gòu)建了DHSR與楊氏模量、泊松比和法相弱度之間的定量關(guān)系,根據(jù)方位彈性阻抗反演得到楊氏模量、泊松比和法相弱度,結(jié)合式(14)便可得到儲(chǔ)層DHSR,進(jìn)而進(jìn)行儲(chǔ)層應(yīng)力預(yù)測,輔助尋找有利壓裂區(qū)域。

2模型測試

選取某頁巖儲(chǔ)層A井進(jìn)行模型測試,A井已經(jīng)測得的測井曲線有縱波速度、橫波速度、密度和裂縫密度曲線。根據(jù)線性滑動(dòng)理論可以由裂縫密度等計(jì)算出井所在位置的法向弱度和切向弱度曲線,同時(shí)可根據(jù)楊氏模量、泊松比和縱、橫波速度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算井所在位置的楊氏模量和泊松比曲線。因此,根據(jù)研究推導(dǎo)的方位反射系數(shù)方程,可計(jì)算得到井所在位置處方位角分別為0和90°,入射角分別為7°、14°、21°的方位反射系數(shù)曲線,利用40 Hz的雷克子波與各反射系數(shù)曲線褶積,便可得到兩個(gè)方位、三個(gè)入射角的方位角度域合成地震數(shù)據(jù)。

利用方位彈性阻抗疊前地震反演方法便可得到井所在位置的方位彈性阻抗。根據(jù)方位彈性阻抗與儲(chǔ)層巖石物理參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,利用最小二乘法便可得到反演的楊氏模量、泊松比、密度、法向弱度和切向弱度。在無噪聲情況下,各參數(shù)的反演結(jié)果如圖2所示,其中虛線為模型真實(shí)值,實(shí)線為反演結(jié)果。從圖2中可以看出,楊氏模量、法向弱度、切向弱度在無噪聲的情況下與模型真實(shí)值基本吻合,反演的泊松比和密度與模型真實(shí)值趨勢(shì)一致,反演結(jié)果在誤差允許范圍之內(nèi),證明了該反演方法的可行性。進(jìn)一步,根據(jù)反演得到的各巖石物理參數(shù)計(jì)算了井所在位置的DHSR,如圖3所示,其中虛線為根據(jù)測井已知參數(shù)計(jì)算得到的該處的DHSR曲線,實(shí)線為根據(jù)反演得到的各向異性巖石物理參數(shù)計(jì)算得到的DHSR。從圖3中可以看出預(yù)測的井所在位置的DHSR與真實(shí)值趨勢(shì)一致、誤差較小,基本滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

為繼續(xù)驗(yàn)證該方法的可靠性和穩(wěn)定性,進(jìn)一步測試了當(dāng)合成地震記錄信噪比為5∶1和信噪比為2∶1時(shí)的反演結(jié)果(如圖4、圖5所示)。在信噪比為5∶1時(shí),楊氏模量反演結(jié)果仍能較好的反映模型真實(shí)值,其他各參數(shù)反演結(jié)果與真實(shí)值存在一定偏差,但總的來說還能反映出模型的大致變化情況。當(dāng)信噪比為2∶1時(shí),楊氏模量反演結(jié)果依然較為穩(wěn)定,但其他各參數(shù)反演結(jié)果已與真實(shí)值相差較大。說明該方法適用于信噪比較好的數(shù)據(jù),當(dāng)信噪比較低時(shí),很難得到反映實(shí)際地層的反演結(jié)果,儲(chǔ)層DHSR預(yù)測具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

通過模型測試表明,研究中提出的方法對(duì)于裂縫型頁巖儲(chǔ)層DHSR的預(yù)測具有一定的效果,在資料信噪比較高的情況下,該方法能較好地指示儲(chǔ)層DHSR分布情況,但當(dāng)資料信噪比較低時(shí),方法的穩(wěn)定性以及結(jié)果的可靠性還有待進(jìn)一步提升。

3結(jié)論

研究提出了一種針對(duì)頁巖儲(chǔ)層的DHSR預(yù)測方法,為頁巖儲(chǔ)層有利壓裂區(qū)域的選取提供了可靠的依據(jù)。首先,針對(duì)頁巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育較為普遍的現(xiàn)象,將裂縫型頁巖儲(chǔ)層等效為HTI介質(zhì);然后,根據(jù)HTI介質(zhì)反射特征,及其引起的疊前地震數(shù)據(jù)方位特征,利用疊前方位反演的理論,構(gòu)建了基于疊前方位彈性阻抗反演的頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力敏感參數(shù)預(yù)測方法;最后通過地應(yīng)力敏感參數(shù)與DHSR之間的關(guān)系,進(jìn)行儲(chǔ)層DHSR預(yù)測。該方法在頁巖儲(chǔ)層DHSR預(yù)測精度方面,通過反演的地應(yīng)力敏感參數(shù)直接求取儲(chǔ)層DHSR,減少了儲(chǔ)層DHSR估算的累計(jì)誤差,提高了儲(chǔ)層預(yù)測的精度,此外,采用的疊前方位彈性阻抗反演兼具疊前AVAz信息與疊后反演抗噪性的優(yōu)勢(shì),提高了反演的可靠性。通過模型試算表明,該方法能較好地反映裂縫型頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力敏感參數(shù),DHSR預(yù)測結(jié)果與模型較為吻合,驗(yàn)證了方法的可靠性與有效性。

值得注意的是,此方法適用于裂縫近垂直發(fā)育定向排列的頁巖儲(chǔ)層,對(duì)于薄互層與裂縫交替發(fā)育的儲(chǔ)層,該方法具有一定的借鑒性,但結(jié)果的可靠性需要仔細(xì)辨別。此外,通過模型試算不難發(fā)現(xiàn),該方法對(duì)地震數(shù)據(jù)的信噪比要求較高,在實(shí)際資料應(yīng)用中,應(yīng)在保證疊前地震數(shù)據(jù)保幅性的同時(shí)盡量提高地震數(shù)據(jù)信噪比。

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DHSR Forecasting Methods Research on Fractured Shale Reservoir

Wu Hao,Yang Shaochun,Song Shuang

(School of Geosciences,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Key wordsHorizontal stress diversity ratio;Ground stress;"Deserts" forecast;Azimuth pre-stack inversion

AbstractHorizontal stress diversity ratio,which is a key parameter in ground stress evaluation of shale reservoir,plays an important role in the forecasting "deserts" of shale reservoir by effectively estimating favorable fracture zone from the point of view of stress.A forecasting method of horizontal stress difference ratio in shale reservoir based on using azimuth seismic data is developed by the azimuth pre-stack inversion theory and integrating equivalent azimuth reflection character of anisotropic medium on the basis of regarding fractured shale reservoir as transversely isotropic medium with horizontal symmetry axis because it is more developed.Trial calculation of model indicates that this method has better stability and precision,and comparatively perfect forecast on the horizontal stress diversity ratio of shale reservoir,which provides evidence for the searching of favorable fracture zones and "deserts" zones in shale reservoir.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.002.

收稿日期:2015-09-02;修回日期:2015-10-19.

基金項(xiàng)目:國家“十二五”油氣重大專項(xiàng)課題“復(fù)雜油氣藏精細(xì)表征及剩余油分布預(yù)測”(2011ZX05009-003).

作者簡介:吳昊(1991-)，男，山東東營人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌饪碧降刭|(zhì)及地球物理.E-mail:15589825839@163.com.

中圖分類號(hào):P618.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)03-0006-08

引用格式:Wu Hao,Yang Shaochun,Song Shuang.DHSR Forecasting Methods Research on Fractured Shale Reservoir[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):6-12,15.[吳昊,楊少春,宋爽.裂縫型頁巖儲(chǔ)層DHSR預(yù)測方法研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(3):6-12,15.]