富有機質(zhì)頁巖微裂縫地震響應(yīng)特征
——以長寧示范區(qū)寧201井為例

高博樂，潘仁芳，金吉能，張 鑒，趙圣賢，鄢 杰

(1.長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100； 2.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100； 3.中國石油 西南油氣田分公司，四川 成都 610000)

富有機質(zhì)頁巖中發(fā)育的微裂縫不僅在天然氣儲集過程中有助于游離氣聚集和吸附氣解吸[1]，也是天然氣運移和滲流的重要通道。在頁巖氣開發(fā)的儲集改造過程中，構(gòu)造微裂縫會對起裂壓力產(chǎn)生影響[2]，形成人造裂縫網(wǎng)格，增大儲集體裂縫體積，提高單井產(chǎn)量和最終采收率[3]。四川盆地志留系龍馬溪組-奧陶系五峰組頁巖氣資源豐富，但不同區(qū)塊單井產(chǎn)量差異較大，主要是因為“甜點區(qū)”微裂縫的發(fā)育情況對人工造縫效果影響甚大。目前長寧示范區(qū)龍馬溪組-五峰組頁巖微裂縫研究主要集中在微裂縫微裂縫擴展規(guī)律[4]、微裂縫應(yīng)力敏感性[5]和微裂縫發(fā)育規(guī)律[6]等方面，但對不同微裂縫密度以及微裂縫的走向所引起的地震響應(yīng)特征變化尚無系統(tǒng)認識。

在小尺度地質(zhì)體的刻畫方面，Rutherford(1989)，Castagna(1994)和Avseth(2001)等知名學(xué)者最早開始利用振幅隨偏移距變化(AVO)的特性對巖性和孔隙流體類型進行了有效預(yù)測[7-10]。但隨著頁巖氣勘探開發(fā)的深入，曾經(jīng)總結(jié)的小尺度地質(zhì)體的AVO特征無法滿足微裂縫識別需求，因此利用微裂縫自身的方向性所造成振幅隨方位角變化(AVAZ)的特征來刻畫微裂縫密度和走向成為頁巖氣勘探開發(fā)的重點。

本文以四川盆地長寧示范區(qū)寧201井龍馬溪組-五峰組富有機質(zhì)頁巖為例，構(gòu)建單井地質(zhì)模型，利用HTI等效介質(zhì)理論和地震建模手段，建立多頻多方位多入射角疊前地震道集模型。這些地震模型主要用于：①了解在頁巖氣勘探、開發(fā)和生產(chǎn)中不同頻率地震數(shù)據(jù)對微裂縫識別的能力；②利用不同入射角和不同方位角的地震數(shù)據(jù)組合來解釋富有機質(zhì)頁巖中微裂縫發(fā)育情況并改善地震解釋工作；③為長寧地區(qū)未來進行AVAZ反演預(yù)測微裂縫發(fā)育情況提供理論支撐。

1 地質(zhì)背景及地層模型設(shè)置

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

長寧示范區(qū)位于四川盆地西緣(圖1)，地處四川盆地與蜀南低陡褶皺帶兩個區(qū)域的結(jié)合部位，整體表現(xiàn)出縱橫錯落的構(gòu)造格局。研究目標(biāo)井寧201井位于珙縣以東，興文縣西南側(cè)，井點周緣構(gòu)造樣式相對簡單，受構(gòu)造影響較小，地層分布連貫且厚度及埋深變化較小(圖2)。

圖1 四川盆地寧201井區(qū)地質(zhì)概況Fig.1 Geology of the Well Ning201 area in Sichuan Basina. 寧201井工區(qū)位置示意圖;b. 寧201井地層綜合柱狀圖

龍馬溪組頁巖為淺海相碎屑巖，龍馬溪組上覆地層為石牛欄組深灰色、灰綠色泥灰?guī)r,龍馬溪組上部為灰色、深灰色灰?guī)r夾深褐色泥質(zhì)灰?guī)r,中部為黑灰色粉砂質(zhì)頁巖、深褐色泥晶灰?guī)r,下部為深灰色、黑灰色、灰黑色、黑色頁巖；上奧陶統(tǒng)五峰組為黑色頁巖,底部為寶塔組灰?guī)r(圖1)。

1.2 礦物特征及巖相分類

寧201井龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖各小層段內(nèi)巖心礦物含量縱向變化較大。其中龍一段一亞段2小層為黑色頁巖，石英+長石礦物含量較高，粘土礦物與碳酸鹽巖礦物含量相當(dāng)；1小層為黑色頁巖，石英+長石礦物含量較高，粘土礦物含量與碳酸鹽巖礦物相當(dāng)；五峰組為黑色頁巖，石英+長石礦物與粘土礦物含量相當(dāng)，碳酸鹽巖礦物略低。

三角圖分析結(jié)果顯示巖性可細分為9類(圖3)，分別為硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、粘土質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、粘土巖、灰?guī)r(白云巖)、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖、粘土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖、粘土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁巖。據(jù)王超等[11]巖相類型劃分方案，2小層為硅質(zhì)頁巖，1小層為硅質(zhì)鈣質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖，五峰組為硅質(zhì)頁巖和混合頁巖，具體礦物含量及巖相分類總結(jié)于表1。

1.3 儲層微裂縫特征

微裂縫成因的控制因素復(fù)雜，主要受內(nèi)因和外因兩方面控制，外因主要包括構(gòu)造應(yīng)力、沉積成巖作用以及生烴增壓，內(nèi)因包括有巖相和礦物組成等[12]。汪虎等[13]從內(nèi)因和外因兩方面將微裂縫總結(jié)為構(gòu)造縫、有機質(zhì)演化異常壓力縫、成巖收縮縫、貼?？p和層間頁理縫。

富有機質(zhì)頁巖在地層中受力可分為上覆巖層壓力、側(cè)向最大應(yīng)力和側(cè)向最小應(yīng)力，其中上覆巖層壓力是最大主應(yīng)力，側(cè)向最小應(yīng)力是最小主應(yīng)力。按巖石力學(xué)特征來說，構(gòu)造縫一般垂直于最小主應(yīng)力，因此富有機質(zhì)頁巖的構(gòu)造縫通常應(yīng)與巖層呈垂直狀態(tài)[14]，在寧201井所獲得的各段巖心中(13～28 cm)也常見垂直于地層的微裂縫發(fā)育(表1)。

圖2 四川盆地寧201井區(qū)構(gòu)造特征Fig.2 Structural characteristics of Well Ning201 in Sichuan Basina. 過寧201井構(gòu)造剖面;b. 寧201井區(qū)構(gòu)造平面圖P2l-P2ch.龍?zhí)督M-梁山組;P1m.茅口組;P1q.棲霞組;S3-2.上-中志留統(tǒng);S1s.石牛欄組;S1l.龍馬溪組;O3bt.寶塔組;3-2.上-中寒武統(tǒng);1c-1l.滄浪鋪組-龍王廟組;1q.筇竹寺組;Z2d.燈影組

圖3 四川盆地寧201井龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖巖心礦物分布特征Fig.3 Distribution characteristics of minerals in the organic-rich shale core from Well Ning201 in the Longmaxi Formation,Sichuan Basina. 巖相解釋圖版;b. 富有機質(zhì)頁巖段巖心礦物分布三角圖

表1 四川盆地寧201井龍馬溪組地質(zhì)參數(shù)Table 1 Geological parameters of Well Ning201 in the Longmaxi Formation,Sichuan Basin

在頁巖氣儲層壓裂改造中主要針對與層間頁理縫相垂直的構(gòu)造縫進行壓力改造，使其與天然裂縫形成裂縫網(wǎng)格[15]，因此可以認為那些構(gòu)造縫的發(fā)育情況是地震預(yù)測研究的重點。

1.4 地層模型設(shè)置

在構(gòu)建模型時需要提供地層分層方案作為模型的框架基礎(chǔ)。鑒于頁巖地層巖相平面分布均勻而縱向差異較大的特殊性。如圖4所示，在對寧201井實際分層方案設(shè)計中，將寧201井富有機質(zhì)頁巖上下約40 m的地層分成3個小段：①頂部，貧有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖和鈣質(zhì)頁巖互層(即龍一段一亞段3小層)；②目的層，富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、混合頁巖(即2小層至五峰組)；③底部，寶塔組灰色灰?guī)r。具體模型參數(shù)設(shè)置見表2。

圖4 四川盆地寧201井龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖段地層綜合柱狀圖Fig.4 A composite stratigraphic column of organic-rich shale from Well Ning201 in the Longmaxi Formation,Sichuan Basin

表2 四川盆地寧201井地震模型地球物理參數(shù)Table 2 Geophysical parameters of seismic model obtained from Well Ning201,Sichuan Basin

2 各向異性HTI介質(zhì)反射系數(shù)

對于橫向各項同性介質(zhì)，一般采用TI介質(zhì)(transverse isotropy)對各向異性進行描述。如圖5a所示，當(dāng)均勻?qū)訝盍芽p發(fā)育時，可以認為是VTI介質(zhì)(transverse isotropy with a vertical axis of symmetry)；而與VTI相對的，含有垂直裂縫的均勻?qū)訝罱橘|(zhì)被稱為HTI介質(zhì)(transverse isotropy with a horizontal axis of symmetry)，如圖5b所示；當(dāng)裂縫具有一定傾角或非水平排列時，可稱為TTI介質(zhì)(transverse isotropy with a tilt axis of symmetry)，如圖5c所示。

考慮到寧201井周緣富有機質(zhì)頁巖中的構(gòu)造微裂縫傾角常見近垂直于地層，因此可將其看做是一種含有垂直裂縫的均勻?qū)訝罱橘|(zhì)，即HTI介質(zhì)。

2.1 Thomsen各向異性參數(shù)及彈性參數(shù)計算

Thomsen為了方便理論研究與實際應(yīng)用給出了3個各向異性系數(shù)，即ε，γ和δ，他們是彈性系數(shù)的組合[16-17]。其中,ε約等于縱波水平速度與垂直速度的相對差別，其大小反映了各向異性的強弱；γ表示橫波各向異性[18]；δ指示縱波相速度曲線在對稱軸方向曲率的大小[16,19]。

Bakulin(2000)等根據(jù)Hudson理論，討論了HTI介質(zhì)Thomsen參數(shù)與裂縫密度e的關(guān)系[20]，認為當(dāng)裂縫僅含氣時：

(1)

(2)

(3)

式中：εH，γH，δH分別為HTI介質(zhì)下的Thomsen參數(shù)；g為橫、縱波速度比；e為裂縫密度，無量綱。

其中微裂縫密度e的計算公式可寫為：

e=Na3/V

(4)

式中：N為平均半徑為a的裂縫在單位體積V中的數(shù)量。

通過上述認識，對N201井富有機質(zhì)頁巖微裂縫發(fā)育層段的微裂縫密度及Thomsen參數(shù)進行了計算，具體計算結(jié)果見表3。

表3 四川盆地寧201井AVAZ模型Thomsen參數(shù)Table 3 Thomsen parameters of AVAZ model obtained from Well Ning201,Sichuan Basin

注：α為介質(zhì)縱波速度；β為介質(zhì)SH波速度；ρ為介質(zhì)密度。

圖6 四川盆地寧201井HTI介質(zhì)Thomsen參數(shù)與微裂縫密度關(guān)系Fig.6 The relationship between Thomsen parameters and micro-fracture density in HTI media from Well Ning201,Sichuan Basin

圖6為富有機質(zhì)頁巖不同裂縫密度時Thomsen各向異性參數(shù)的變化規(guī)律，當(dāng)裂縫密度增大時，各向異性參數(shù)逐漸降低。

2.2 Rüger公式反射系數(shù)計算

Rüger(1997)在各向同性HTI介質(zhì)P-P波反射系數(shù)近似公式的基礎(chǔ)上，給出了弱各向異性HTI介質(zhì)P-P波反射系數(shù)近似公式[21]：數(shù)均值，m/s；Δ為上、下兩層參數(shù)差。

(5)

根據(jù)Rüger公式，利用N201井實測物性參數(shù)對富有機質(zhì)頁巖地層進行不同入射角和不同方位角情況的弱各向異性反射系數(shù)求取并分別求取了不同微裂縫密度下的弱各向異性反射系數(shù)(圖7)。

圖7中方位角為90°和270°時為微裂縫走向，富有機質(zhì)頁巖整體呈正反射特征，在入射角相同時，富有機質(zhì)頁巖反射系數(shù)隨微裂縫密度增大而增加，且沿著微裂縫對稱軸方向相對稱(即方位角0°與180°)。在入射角增大時，富有機質(zhì)頁巖在0°和180°扇形范圍內(nèi)對稱的方位角中反射系數(shù)隨入射角增大而增大，而90°和270°扇形范圍內(nèi)對稱的方位角反射系數(shù)隨入射角增大而降低。因此根據(jù)其含有的AVAZ特征，在研究中可以對微裂縫走向進行分析，同時可見反射系數(shù)能夠在一定程度上指示微裂縫密度的變化，但是考慮到富有機質(zhì)頁巖厚度較薄，易受到子波頻率的影響，因此還需要從地震振幅方面進行進一步的分析。

3 地震建模

3.1 正演模型建立

不同的主頻模型可以代表不同勘探階段的地震資料[22]，其中15 Hz主頻模型代表勘探早期二維地震勘探階段的地震資料，25～35 Hz主頻模型代表勘探中期常規(guī)三維地震資料，45 Hz主頻模型代表當(dāng)油氣田進入開發(fā)階段后高分辨率三維地震資料。

考慮到頁巖地層非均質(zhì)性和地層發(fā)育特征縱向差異較大而橫向差異較小，因此在構(gòu)建地層模型時，忽略地層橫向展布而直接建立AVAZ道集，為滿足主題研究富有機質(zhì)頁巖在不同微裂縫密度下地震響應(yīng)特征變化的需要，分別建立原始地層微裂縫密度模型，原始地層1/2微裂縫密度模型，原始地層1/3微裂縫密度模型共計4組分別為45 Hz主頻、35 Hz主頻、25 Hz主頻和15 Hz主頻的雷克子波AVAZ地震道集模型(圖8)，各模型均使用前文所述反射系數(shù)進行褶積計算并成圖。

圖7 四川盆地寧201井AVAZ模型反射系數(shù)變化趨勢Fig.7 The variation trend of reflectance coefficients of AVAZ models obtained from Well Ning201,Sichuan Basina. 15°入射角;b. 25°入射角;c. 35°入射角

圖8 四川盆地寧201井多頻AVAZ正演模型Fig.8 The AVAZ forward modeling of multi-frequency obtained from Well Ning201,Sichuan Basina.低微裂縫密度;b.中微裂縫密度;c.高微裂縫密度

3.2 模型有效性

目前長寧地區(qū)已進入勘探晚期-開發(fā)早期階段[23]，地震勘探資料為常規(guī)三維地震勘探階段所獲取，地震資料主頻為25～30 Hz，目的層入射角為0°～21°，無方位角信息。

為檢驗反射系數(shù)計算的可靠性，應(yīng)用反射系數(shù)同時制作了25 Hz主頻的入射角道集和全入射角疊加模型用以驗證模型有效性。對比寧201井實測地震資料可見，在入射角道集中，實測道集上部為灰質(zhì)頁巖高速層與低速層轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的波谷響應(yīng)，隨著入射角的增大波谷響應(yīng)逐漸降低，地層底部為低速層與寶塔組灰?guī)r高速層轉(zhuǎn)換的強波峰顯示，道集振幅整體增強(圖9a)，入射角道集各反射界面呈現(xiàn)出與實測入射角道集相同的趨勢(圖9b)；疊加剖面顯示整個龍一段一亞段至五峰組整體地震響應(yīng)表現(xiàn)為“寬波谷-強波峰”的特征(圖9a)，模型疊加剖面與實測剖面在各反射界面表現(xiàn)出同樣特征(圖9b)。

入射角道集與疊加剖面對比可見，地震模型與實測地震數(shù)據(jù)吻合程度較高，說明地震模型的構(gòu)建思路和模擬效果符合實際地震勘探的特征，可以應(yīng)用于微裂縫密度地震響應(yīng)特征分析研究。

圖9 四川盆地寧201井實測地震道(a)與正演模型(b)對比Fig.9 Comparisons between seismic trace(a) and forward modeling(b) obtained from Well Ning201,Sichuan Basin

4 模型參數(shù)

4.1 不同入射角振幅變化特征

地震資料主頻在合適范圍時(35～45 Hz)，當(dāng)入射角增大時振幅強度隨入射角逐漸增強。同時不同微裂縫密度之間振幅強度變化差異較為明顯，但如圖10可見，雖然隨著微裂縫密度的增加振幅強度逐漸呈現(xiàn)出一定增強的趨勢，但是這種趨勢并不具有方向性，因此可以認為傳統(tǒng)的AVO方法并無法對微裂縫走向進行分析。

圖10 四川盆地寧201井AVAZ道集振幅屬性分析Fig.10 The amplitude attribute analysis of AVAZ gather obtained from Well Ning201,Sichuan Basin

4.2 不同方位角振幅變化特征

在適當(dāng)?shù)闹黝l范圍和入射角范圍內(nèi)(35～45 Hz，入射角大于20°)，AVAZ道集在微裂縫不同方位角的振幅變化表現(xiàn)出極大的差異性。如圖10所見，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑シ较虼怪庇诹芽p面法線時(即方位角為90°和270°)，振幅基本不受微裂縫發(fā)育的影響。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑シ较蚺c裂縫面法線方向的夾角減小時(即90°～180°和270°～360°時)，振幅逐漸變大，且變化幅度隨著微裂縫密度增大而增大，相對稱地，當(dāng)夾角增大時(即0°～90°和180°～270°時)振幅變化規(guī)律與其恰好相反。當(dāng)方位角垂直于微裂縫面時(即0°和180°)，振幅隨微裂縫密度增大的幅度達到最大。當(dāng)方位角垂直于微裂縫面時(即0°和180°)，振幅達到最高。當(dāng)微裂縫密度增大時，振幅在微裂縫面法線方向的方位角上呈高度分離的趨勢，隨著微裂縫密度的增加而快速增大，而在垂直微裂縫走向時，振幅基本不受微裂縫密度的影響。

4.3 不同主頻振幅變化特征

地震資料主頻對地震數(shù)據(jù)對地震數(shù)據(jù)識別能力具有直接影響(圖8，圖10)，當(dāng)主頻增加時地震振幅強度逐漸增加，并使振幅對微裂縫密度的變化敏感程度逐漸增強。同時，受調(diào)諧效應(yīng)的影響，低頻地震資料在小入射角(<20°)時會出現(xiàn)振幅異常增大。

5 結(jié)論

1) 富有機質(zhì)頁巖微裂縫的地震識別受到地震資料的入射角、方位角以及主頻控制。地震資料入射角控制不同微裂縫密度對振幅造成的差異性，方位角控制微裂縫走向的識別能力，主頻保證振幅不會受到地震波調(diào)諧效應(yīng)的影響。

2) 隨著地震波傳播方向與裂縫面法向的夾角增大，振幅值逐漸降低，在夾角為90°時達到最低。垂直于微裂縫走向的方位角振幅不受微裂縫密度的影響，垂直于裂縫面的方位角振幅隨著微裂縫密度增大而增大。