頁巖層系天然裂縫地震預測技術(shù)研究

劉喜武,劉宇巍,劉志遠,劉 炯,霍志周,錢恪然

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室,北京100083;2.國家能源頁巖油研發(fā)中心,北京100083;3.中國石油化工股份有限公司頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室,北京100083;4.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京100083)

頁巖油氣資源是指在粘土類烴源巖層系中由滯留烴類形成的非圈閉連續(xù)型含油氣系統(tǒng)中的油氣,既可以是烴源巖層系中富有機質(zhì)泥頁巖自生自儲,也可以是富有機質(zhì)泥頁巖生成的油氣在疊置貧有機質(zhì)連續(xù)層段內(nèi)聚集成藏。頁巖儲層分為3種情況[1]:以彌合裂縫為主的富有機質(zhì)泥頁巖(致密頁巖);含開啟裂縫的富有機質(zhì)泥頁巖(裂縫頁巖);貧有機質(zhì)層段與富有機質(zhì)層段疊置的復合系統(tǒng)(高孔隙夾層)[2]。在頁巖層系中,這3種類型往往是耦合存在的,其裂縫類型、性質(zhì)、地球物理響應特征、地震預測技術(shù)等都需進一步研究。

目前,對頁巖裂縫的一些關(guān)鍵屬性,如最大裂縫高度、裂縫大小分布以及張開或聚集模式知之甚少甚至未知,頁巖中常見的水平裂縫,可能會成為影響水力裂縫成長的局部因素。這些特性導致頁巖層系強各向異性,表現(xiàn)為HTI各向異性、VTI各向異性、正交各向異性,而關(guān)于頁巖層系復雜各向異性地震反演和裂縫預測技術(shù)的研究尚處于探索階段。

本文針對斷層和大尺度高角度裂縫,采用高精度曲率計算方法進行預測,明顯提高了裂縫預測的精度;針對紋層發(fā)育和順層層理縫,基于復雜頁巖的巖石物理模型建立了一種水平層理縫地震預測方法;針對正交各向異性介質(zhì),推導得到了界面反射系數(shù)簡化公式,并通過反演振幅隨偏移距和方位角變化(amplitude versus incident angle and azimuth,AVAZ)的屬性,提高了正交各向異性介質(zhì)中裂縫預測精度;在此基礎(chǔ)上,建立了一套基于人工智能方法的裂縫性質(zhì)綜合預測技術(shù),并初步建立了適應頁巖層系特點的天然裂縫地震預測技術(shù)體系,為裂縫參數(shù)的定量預測奠定了基礎(chǔ)。

1 頁巖層系中的天然裂縫

根據(jù)巖心和露頭的觀測結(jié)果,頁巖中的天然裂縫包括了3種常見的張開裂縫結(jié)構(gòu)[3]:與層理呈高角度相交的裂縫(主要為近垂直裂縫)、順層裂縫和壓實裂縫,其中近垂直裂縫最為常見,順層裂縫次之,壓實裂縫相對較少。近垂直裂縫最有可能影響產(chǎn)量,這主要是因為在許多頁巖中近垂直裂縫的裂縫類型最豐富,裂縫孔隙度也相對發(fā)育。順層裂縫通常是閉合的,沒有儲存空間,也不能提高滲透率,雖然靜巖壓力有利于易于保存低角度、閉合的順層裂縫,尤其在生產(chǎn)期間流體壓力下降時,但這些裂縫在水力壓裂增產(chǎn)處理期間可能起到弱化層面聯(lián)結(jié)的作用,導致水平裂縫再活化。

1.1 與層理呈高角度相交的裂縫

與層理呈高角度相交的裂縫大多垂直于層理和頁巖壓實組構(gòu),但也有不少裂縫與層理呈高角度相交(約70°～80°),見圖1。這類裂縫的主要特性包括:①豐度,它反映了裂縫發(fā)育程度;②組合及樣式,頁巖中的近垂直裂縫通常排列成近平行陣列式結(jié)構(gòu)或組合,而且至少發(fā)育兩組區(qū)域規(guī)模的裂縫;③相交、連通性及相對年代;④裂縫開度;⑤裂縫高度、地層控制趨勢及裂縫長度;⑥成巖作用;⑦空間結(jié)構(gòu),裂縫既可能均勻分布,也可能聚集成群。

圖1 頁巖陡傾角閉合或部分閉合張裂縫的屬性

1.2 斷層

頁巖中斷層的幾何形態(tài)能夠反映構(gòu)造應力場特征。斷層類型、方位及發(fā)育程度的變化主要取決于該區(qū)域的構(gòu)造背景和構(gòu)造史,而不是頁巖的內(nèi)在屬性。地震技術(shù)通常能檢測斷層是由張開裂縫、剪切張開裂縫以及變形帶構(gòu)成的斷裂帶,還是孤立或分散的張開裂縫。

1.3 順層裂縫

順層裂縫(層理縫)在頁巖中十分常見,頁巖中的順層裂縫比砂巖或碳酸鹽巖更加普遍,反映了頁巖的各向異性強度較高。順層裂縫可能是簡單的板狀或透鏡狀,或以多段透鏡復合體的形式出現(xiàn),通常底壁上凹,上壁平坦。深層熱解作用、裂解以及差異壓實再加上收縮或抬升引起的超壓,能夠打開順層裂縫。在裂縫富集的地方,順層裂縫與深層熱解作用有關(guān)。

1.4 壓實裂縫

壓實裂縫具有不規(guī)則的裂縫壁[4],且裂縫易變形,水力壓裂過程中簡單的擴張不太可能再活化該裂縫。壓實裂縫一定程度上能提高存儲空間和滲透率。雖然這類裂縫大多已堵塞,但在壓實裂縫的一些膠結(jié)物中發(fā)現(xiàn)的油包裹體表明:在生烴期間,這類裂縫可能受到流體流動的影響。

1.5 與結(jié)核伴生的裂縫

頁巖中的碳酸鹽結(jié)核直徑從數(shù)厘米至一米不等,形狀可能是橢圓形或不規(guī)則。這種結(jié)核內(nèi)部通常有不規(guī)則形態(tài)的裂縫,且裂縫中有復雜的膠結(jié)填充物。裂縫膠結(jié)物通常為方解石、石英、白云石、硫酸鹽礦物以及黃鐵礦。雖然這種裂縫保存了孔隙度,但因為缺乏有利于生烴的橫向連續(xù)性,在體積上沒有意義。

1.6 微裂縫

頁巖中偶見閉合的微裂縫。微裂縫的大小介于微米級與納米級之間,由于裂縫排列稀疏,故在小體積的巖石分析中難以觀測到。因群集的微裂縫會導致地震各向異性,故可以利用采集得到的地震數(shù)據(jù)預測微裂縫發(fā)育情況。

2 斷層及高角度、大尺度裂縫高精度曲率預測技術(shù)

前人對采用疊后地震資料曲率方法進行斷層和大尺度裂縫預測展開了大量研究,商業(yè)化軟件也有斷層和大尺度裂縫預測功能。曲率反映斷裂、地質(zhì)體的位置信息,同時對于斷層的相對斷距以及產(chǎn)狀等有一定雕刻能力。通常曲率計算存在兩方面問題：第一,斷層及地層的橫向非均勻性會引起直接對地震數(shù)據(jù)進行傾角計算的精度不足；第二,計算振幅的偏導數(shù)會放大噪聲的影響[5-6],從而影響曲率提取的精度。因此,我們提出一種考慮振幅橫向變化的高精度振幅曲率計算方法,該方法能夠明顯提高頁巖層系中高角度、大尺度裂縫的預測精度。

本文使用了基于主分量分析的高精度振幅曲率計算方法,基于相位梯度結(jié)構(gòu)張量、多窗估計主分量分析,降低斷層位置引起的傾角模糊現(xiàn)象,提高傾角的估計精度,利用多尺度擬合一階空間偏導數(shù),獲得了高精度穩(wěn)定多尺度地層曲率屬性。首先,利用Hilbert變換或者小波變換獲得復地震道,提取瞬時相位和瞬時振幅。其次,根據(jù)瞬時相位的梯度結(jié)構(gòu)張量計算傾角,可以減少地層橫向非均質(zhì)性引起的傾角計算精度不足的問題；在分析點鄰域內(nèi)選取相似度度量最大的計算窗口,即多窗分析可以減少斷層等不連續(xù)性結(jié)構(gòu)對傾角估計的影響。最后,沿傾角方向,采用主分量分析求取瞬時振幅的一階、二階導數(shù),從而降低噪聲干擾。振幅的一階偏導數(shù)有兩個方向,而二階偏導數(shù)有4個方向,振幅曲率屬性可通過二階偏導數(shù)獲得,見公式(1),刻畫振幅橫向的微小變化,振幅曲率的多尺度特性可以通過主分量分析中的分析窗大小來控制。

(1)

式中:kpos為正曲率,kneg為負曲率。其中,中間參數(shù)a,b,c分別為:

(2)

高精度曲率計算流程主要包括3個步驟:①基于各向異性拉普拉斯濾波器保邊緣去噪;②連續(xù)小波變換域頻譜自適應拓展;③高精度穩(wěn)定多尺度地層曲率屬性提取。圖2a為某頁巖層系主力層頂面采用本方法進行高精度曲率屬性計算的結(jié)果。與傳統(tǒng)商業(yè)軟件計算結(jié)果(圖2b)對比,高精度曲率成像結(jié)果精度更高,對不同尺度斷層和裂縫的刻畫更為清晰。

圖2 某頁巖層系主力層頂面曲率屬性a 高精度最大負曲率; b 利用傳統(tǒng)商業(yè)軟件計算得到的最大負曲率

3 基于VTI介質(zhì)各向異性反演的層理縫地震預測

頁巖層系水平層理縫密度地震預測方法,包括5個步驟:①構(gòu)建含油氣頁巖層水平層理縫密度各向異性巖石物理模型;② 根據(jù)測井聲波曲線和礦物組分解釋成果進行巖石物理反演,獲得水平層理縫密度及各向異性參數(shù);③對水平層理縫密度與各向異性參數(shù)進行統(tǒng)計交會分析,獲得水平層理縫密度與各向異性參數(shù)之間的關(guān)系;④利用含油氣頁巖層VTI介質(zhì)底界面AVO屬性估算含油氣頁巖層縱波各向異性參數(shù)的數(shù)值;⑤以步驟③得到的裂縫密度與各向異性參數(shù)擬合關(guān)系為基礎(chǔ),將步驟④中估算的縱波各向異性強度ε轉(zhuǎn)換為水平層理縫密度,得到水平層理縫地震預測結(jié)果。

3.1 含油氣頁巖層水平層理縫密度各向異性巖石物理模型

建立含油氣頁巖層巖石物理等效模型需考慮以下關(guān)鍵問題[7-9]。①多尺度各向異性:微觀尺度礦物分布各向異性描述、微觀尺度基質(zhì)孔隙與中觀尺度裂縫各向異性描述、正交各向異性宏觀尺度地震各向異性等效。②頻變與流體動態(tài)相互作用:不同頻帶范圍、流體流動引起的速度頻散與衰減的相互作用。③流體填充問題:水平縫引起的VTI各向異性、以及與流體流動性有關(guān)的頻散與衰減。本文給出了圖3所示的復雜頁巖巖石物理模型,并給出如下解決方案:①多尺度各向異性問題,分別考慮微觀尺度礦物的定向排列中觀尺度裂縫的定向排列以及垂直裂縫定向排列引起的宏觀尺度地震各向異性;②全頻帶問題,巖石物理建?？紤]了地震、測井、實驗室超聲波測量等不同頻帶范圍,可描述孔-縫系統(tǒng)中流體流動引起的頻散與衰減;③流體填充問題,針對低孔低滲頁巖的復雜孔-縫系統(tǒng),應用Chapman巖石物理理論進行流體填充并考慮水平縫引起的VTI各向異性。

基于所述巖石物理模型,根據(jù)測井曲線進行巖石物理反演,獲得水平層理縫密度以及各向異性參數(shù);對水平層理縫密度與各向異性參數(shù)進行統(tǒng)計交會分析,獲得水平層理縫密度與各向異性參數(shù)之間的關(guān)系,并建立預測模型。公式(3)為某頁巖氣儲層水平層理縫密度εH與各向異性參數(shù)ε的統(tǒng)計關(guān)系:

(3)

3.2 含油氣頁巖層VTI介質(zhì)各向異性反演預測水平層理縫

VTI介質(zhì)各向異性參數(shù)地震疊前反演需求解如下方程:

(4)

(5a)

圖3 考慮水平層理縫密度的含油氣頁巖層各向異性巖石物理模型

(5b)

(5c)

利用AVO系數(shù)計算各向異性參數(shù)ε:

(6)

圖4為某頁巖氣區(qū)目標層水平層理縫密度預測結(jié)果,與鉆井結(jié)果較為吻合。

4 正交各向異性介質(zhì)屬性反演裂縫預測方法

在紋層結(jié)構(gòu)和夾層背景下,頁巖層系中高角度垂直縫、順層層理縫和微裂縫均發(fā)育,采用正交各向異性介質(zhì)描述比使用HTI介質(zhì)和VTI介質(zhì)描述更符合實際情況[10]。正交各向異性介質(zhì)的理論和反射系數(shù)方程[11-13],前人著述頗多,但由于各向異性參數(shù)多,很難逐一反演。我們推導并簡化正交各向異介質(zhì)界面反射系數(shù)公式如下:

(7)

式中:φ是方位角。反射系數(shù)隨方位變化，其中Aani為其各向異性截距項;Bani為其各向異性梯度項。

Aani=I+b1sin2θ+b2sin2θtan2θ+

b3sin2θ+b5sin2θtan2θ

(8)

Bani=[(b4-b3)sin2θ+(b7-2b5)sin2θtan2θ]

(9)

AVAZ屬性能夠較好地反映裂縫發(fā)育強度。圖5 為正演模擬的AVAZ屬性,其中,圖5a為常規(guī)橢圓擬合的橢圓比,圖5b和圖5c分別為正交擬合的Aani屬性和Bani屬性,這3種屬性均隨垂直裂縫的發(fā)育呈現(xiàn)遞增趨勢,但橢圓比和Bani屬性均因水平縫的增加反而減弱,故提取的Aani屬性能夠很好反映裂縫密度的變化情況。

利用疊前分方位角的部分疊加數(shù)據(jù)進行屬性提取,先沿層位提取分方位分入射角度的反射振幅,再計算自然坐標系下的方位角,最后擬合計算Aani和Bani屬性。圖6顯示了某頁巖氣區(qū)目的層頂界面AVAZ各向異性屬性擬合的結(jié)果,色標色調(diào)越暖,代表垂直裂縫越發(fā)育,成像測井結(jié)果顯示JY7井裂縫發(fā)育,JY8井裂縫不發(fā)育,采用橢圓擬合計算的裂縫密度如圖6a所示,JY7和JY8均在裂縫不發(fā)育區(qū),本文方法計算的裂縫密度如圖6b所示,JY7在裂縫發(fā)育區(qū),JY8在裂縫不發(fā)育區(qū),與實際情況吻合。因此,正交各向異性介質(zhì)裂縫強度反演方法提高了高角度裂縫預測精度。

圖5 正交各向異性介質(zhì)正演模擬的AVAZ屬性a 橢圓比; b Aani屬性; c Bani屬性

5 基于人工智能的裂縫性質(zhì)綜合預測技術(shù)

疊前、疊后地震屬性反映了不同尺度裂縫的不同性質(zhì),如何利用多種屬性實現(xiàn)裂縫的綜合預測和評價值得探討,人工智能提供了一種新的手段[14],我們探索建立一套基于人工智能的裂縫性質(zhì)綜合預測技術(shù)。首先利用巖心和測井數(shù)據(jù),得到裂縫密度測井評價結(jié)果;再將描述裂縫密度的各種地震屬性作為輸入,應用交匯分析方法去掉相似度較高的冗余屬性,并利用模糊數(shù)學篩選出可靠性和貢獻度最好的幾個屬性;然后應用支持向量機器學習與概率密度約束相結(jié)合的算法,將輸入的預測目標評價指示曲線與優(yōu)選地震屬性組合,開展機器學習模型訓練,建立合理的機器學習裂縫密度預測模型;最后利用優(yōu)選地震屬性得到計算目標區(qū)裂縫密度綜合預測結(jié)果。如圖7所示,該結(jié)果是巖心、測井和多種地震屬性人工智能融合得到的,反映了裂縫密度發(fā)育情況,預測結(jié)果與巖心采樣和測井曲線吻合得很好。受限于井點的樣本數(shù)量和不同斷塊地質(zhì)情況的差異,地質(zhì)條件差異較大的工區(qū)最好分塊實施裂縫性質(zhì)的人工智能綜合預測。

圖7 某頁巖氣工區(qū)目的層頂面人工智能綜合預測的裂縫密度

6 結(jié)論與認識

1) 頁巖層系在紋層結(jié)構(gòu)和夾層背景下,高角度垂直縫、順層層理縫和微裂縫均發(fā)育,各向異性特征明顯。

2) 利用疊后高精度曲率預測技術(shù)預測高角度垂直大尺度裂縫是比較理想的方法。

3) 基于巖石物理正反演的VTI介質(zhì)各向異性參數(shù)反演是預測水平層理縫的有益探索。

4) 正交各向異性介質(zhì)反射系數(shù)公式簡化及其相應屬性的提取可以提高頁巖層系高角度裂縫預測的精度。

5) 基于人工智能的裂縫多屬性綜合預測與評價是多信息多尺度融合提高裂縫預測精度的有效途徑。