一種改進(jìn)的頁巖氣地震約束多因素孔隙壓力預(yù)測方法

巫芙蓉 周詩雨 鄧小江 楊 曉 黃 誠 蔣 波 王小蘭 王 夢 李陽靜

中國石油東方地球物理公司西南物探研究院

0 引言

地應(yīng)力場在斷層裂縫活動(dòng)評價(jià)、井壁穩(wěn)定、井位設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮著重要的作用[1-2]。在其預(yù)測過程中，要面對一個(gè)關(guān)鍵問題，即如何構(gòu)建高精度的孔隙壓力場。作為油氣藏基礎(chǔ)參數(shù)的孔隙壓力，它在地應(yīng)力場預(yù)測[3]中具有非常重要的作用?？紫秹毫Φ念A(yù)測精度將直接影響到地應(yīng)力場的預(yù)測精度，同時(shí)也是地應(yīng)力場中最小主應(yīng)力值的下限值。

通過分析四川盆地頁巖氣區(qū)塊鉆井實(shí)測孔隙壓力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)的孔隙壓力系數(shù)具有以下特點(diǎn)：①橫向變化大，相鄰兩井之間的孔隙壓力系數(shù)差值大，最大可達(dá)到1.1；②區(qū)域之間雖然相互連通，但卻存在著不同的壓力區(qū)域，既有低壓地區(qū)、也有高壓地區(qū)；③縱向穩(wěn)定，根據(jù)巖石物理實(shí)驗(yàn)、鉆井和測井?dāng)?shù)據(jù)，整個(gè)頁巖氣儲層段孔隙壓力系數(shù)在縱向上沒有大的波動(dòng)。

孔隙壓力可以通過隨鉆預(yù)測灰色模型加以預(yù)測[4]，但是所獲得的結(jié)果只是井點(diǎn)處的孔隙壓力，沒有辦法獲得平面結(jié)果。目前在實(shí)際生產(chǎn)中，對四川盆地頁巖氣孔隙壓力系數(shù)的分布主要通過以下兩種方法得到：①直接根據(jù)井測試數(shù)據(jù)插值得到，但精度低，人為主觀因素影響大；②根據(jù)目的層埋藏深度得到。研究發(fā)現(xiàn)，四川盆地頁巖儲層壓力系數(shù)與其埋藏深度具有較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，作為川南CN地區(qū)重要的頁巖氣井N201、N211等井，簡單地采用前期生產(chǎn)中壓力系數(shù)與埋深的關(guān)系（y=1.6348lnx-11.276，R2=0.7647），計(jì)算的壓力系數(shù)預(yù)測誤差達(dá)到30%左右，孔隙壓力誤差絕對值介于12～13 MPa。由此可見，利用壓力系數(shù)與埋深關(guān)系求取的孔隙壓力精度較低，不利于頁巖氣“甜點(diǎn)”區(qū)的準(zhǔn)確圈定及后續(xù)地應(yīng)力場的研究，因而有必要對孔隙壓力進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測。

一般認(rèn)為孔隙度與有效應(yīng)力之間存在著一定的關(guān)系。孔隙度可通過縱波速度加以計(jì)算，而通常情況下有效應(yīng)力可約等于垂直主應(yīng)力與孔隙壓力之差[5]。因此大部分的地球物理測井孔隙壓力預(yù)測方法中[6～8]（Eaton、Bowers、Phillipphone方法等），都基于縱波速度越低、孔隙度越大、有效應(yīng)力越低、孔隙壓力越大這一假設(shè)，利用縱波速度求解孔隙壓力。各類常規(guī)的基于縱波速度的方法，如Eaton、Bowers、Phillipphone法在上述地區(qū)的應(yīng)用都存在著一定的局限性。根據(jù)前面所述，四川盆地頁巖氣區(qū)塊孔隙壓力系數(shù)具有橫向變化大、縱向穩(wěn)定的特征。采用上述方法在進(jìn)行預(yù)測時(shí)，橫向和縱向預(yù)測值域無法協(xié)調(diào)：若要滿足橫向的壓力系數(shù)變化，則縱向上會出現(xiàn)大幅度的壓力系數(shù)波動(dòng)；若要滿足縱向上的壓力系數(shù)變化穩(wěn)定，則橫向的壓力系數(shù)變化值域又無法滿足壓力系數(shù)變化范圍。因此，需要尋求新的孔隙壓力經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

為此，筆者基于四川盆地頁巖氣區(qū)塊的構(gòu)造背景，綜合分析速度、巖性、構(gòu)造作用等因素對孔隙壓力的影響，并利用測井、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、地震構(gòu)造解釋以及疊前同時(shí)反演數(shù)據(jù)，形成了一套地震約束下的多因素孔隙壓力和孔隙壓力系數(shù)預(yù)測方法，以期為后續(xù)頁巖氣“甜點(diǎn)”區(qū)選擇、井位部署、水平應(yīng)力參數(shù)預(yù)測等提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。

1 蜀南頁巖氣田地質(zhì)概況

中石油頁巖氣田主要分布在蜀南WY、CN等地區(qū)，WY建產(chǎn)區(qū)主要位于WY構(gòu)造東南斜坡（圖1），即W201—W204井區(qū)，由于受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，WY構(gòu)造西北方向?yàn)榧永飽|古剝蝕區(qū)，古剝蝕線呈北東向展布。

CN建產(chǎn)區(qū)主要分布在CN構(gòu)造西南斜坡和向斜區(qū)域，即N206南—N201井一帶，CN地區(qū)由于受喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響形成CN構(gòu)造核部的現(xiàn)今剝蝕區(qū)。由WY至LZ再到CN地區(qū)，龍馬溪組埋藏深度表現(xiàn)為逐漸變深再變淺的變化規(guī)律。地層厚度有如下特點(diǎn)：由WY地區(qū)至LZ再到CN地區(qū)，地層厚度逐漸增大再減小；WY地區(qū)龍馬溪組地層向西北方向逐漸減薄甚至缺失，地層厚度變化快且大，CN地區(qū)地層厚度較LZ地區(qū)薄，但是地層厚度較穩(wěn)定（圖1）。從構(gòu)造平面圖和剖面圖可知，WY和CN頁巖氣主體開發(fā)區(qū)構(gòu)造整體較簡單，LZ地區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層縱向斷開層位、斷距、規(guī)模較大（圖1）。

2 蜀南頁巖氣孔隙壓力影響因素分析

如前所述，大部分的地球物理測井孔隙壓力預(yù)測方法都是通過孔隙度與有效應(yīng)力之間的關(guān)系來搭建縱波速度與孔隙壓力之間的關(guān)系，即以縱波速度為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。但對于四川盆地頁巖氣，縱波速度的變化受到了除孔隙壓力以外的其他因素影響。同時(shí)，孔隙壓力本身也不僅僅與縱波速度有關(guān)。根據(jù)該地區(qū)的測井、巖石力學(xué)數(shù)據(jù)以及地質(zhì)背景研究發(fā)現(xiàn)，對于四川盆地頁巖氣而言，斷裂發(fā)育情況、巖性、剝蝕作用是除速度以外影響孔隙壓力預(yù)測的3大因素。

2.1 斷裂發(fā)育情況

圖1 WY—LZ—CN地區(qū)地震反射剖面圖

四川盆地經(jīng)歷的多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了埋藏、抬升、斷裂和褶皺等多種作用，這些作用造成了頁巖氣的聚集與散失[9]。不同構(gòu)造部位決定了斷裂發(fā)育程度有所差異。蜀南鄰近盆地邊緣地區(qū)，大斷層發(fā)育，構(gòu)造核部斷層往往切穿頂?shù)装宓貙?，向上切至須家河組甚至地表，造成頁巖氣的垂向逸散，壓力系數(shù)低，保存條件差。如盆地邊緣YB構(gòu)造核部大斷裂發(fā)育，Y201井壓力系數(shù)1.1；CN地區(qū)的H9平臺、ZT地區(qū)的YS107井，也由于臨近大斷層，壓力系數(shù)分別為0.9和1.0。由盆地邊緣到盆地內(nèi)部，斷層發(fā)育程度有所減弱，壓力系數(shù)逐漸升高，保存條件逐漸變好。因此，不同構(gòu)造部位斷裂發(fā)育程度不同，斷裂發(fā)育程度又影響了地層壓力系數(shù)，同時(shí)影響頁巖氣的保存條件。

針對斷裂發(fā)育對孔隙壓力系數(shù)的影響，可選擇斷層斷裂分類的方法進(jìn)行考慮。根據(jù)四川盆地頁巖氣區(qū)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，切穿不同層位的斷層對壓力系數(shù)影響不一，大致可兩類：①從龍馬溪組目的層切穿地表的斷層，2 km范圍內(nèi)壓力系數(shù)基本變?yōu)槌?；②從龍馬溪組切至二疊系或下三疊統(tǒng)的斷層，通常在700 m范圍內(nèi)，壓力系數(shù)有一定的降低。同時(shí)在該區(qū)域內(nèi)，也存在油氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在進(jìn)行井位部署時(shí)，應(yīng)盡量避開這兩類區(qū)域。

2.2 巖性

根據(jù)測井資料顯示，四川盆地頁巖氣儲層底均顯示為高聲波時(shí)差，低縱波速度的特點(diǎn)（圖2）。根據(jù)地球物理孔隙壓力預(yù)測理論，應(yīng)該會相應(yīng)出現(xiàn)孔隙壓力明顯升高的情況[5]。但根據(jù)鉆井液密度數(shù)據(jù)反應(yīng)，從下二疊統(tǒng)底至龍馬溪組的孔隙壓力系數(shù)基本不變。從測井?dāng)?shù)據(jù)來看，龍馬溪組的孔隙度保持了相對穩(wěn)定，反而是伽馬曲線出現(xiàn)了明顯升高的情況。四川盆地頁巖氣儲層段高自然伽馬強(qiáng)度被認(rèn)為是頁巖氣中干酪根的函數(shù)[10]，即與地層巖性有關(guān)。

圖2 WY地區(qū)某井測井曲線與鉆井壓力系數(shù)剖面

顯然，四川盆地頁巖氣儲層段縱波速度的明顯降低，并不是僅僅由于孔隙壓力增大導(dǎo)致的，還有巖性變化引起的縱波速度降低。因此，在預(yù)測孔隙壓力時(shí)，需要將巖性的變化考慮在其中。

2.3 剝蝕作用

在加里東運(yùn)動(dòng)時(shí)期，四川盆地形成了樂山龍女寺古隆起，表現(xiàn)川西地區(qū)整體缺失石炭系、志留系，WY地區(qū)位于樂山龍女寺古隆起軸線的邊緣，志留系地層遭受了不同程度的剝蝕。CN構(gòu)造核部在喜山期遭遇了強(qiáng)烈剝蝕，核部出露上寒武統(tǒng)地層，由核部至向斜依次出現(xiàn)寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系甚至侏羅系。通過對WY和CN地區(qū)現(xiàn)有頁巖氣井壓力系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，儲層段壓力系數(shù)不僅與離剝蝕線（古剝蝕線、現(xiàn)今剝蝕線）的距離有關(guān)，還與目的層埋藏深度有關(guān)。隨著志留系剝蝕程度的增加，如果離剝蝕線距離較近，縱然井的埋深較大，其下二疊統(tǒng)底至龍馬溪組底部的孔隙壓力系數(shù)仍然會顯著低于其他相似埋藏深度的井。即在埋深、聲波時(shí)差、儲層物性均相近的情況下，越靠近剝蝕區(qū)，壓力系數(shù)也相應(yīng)越低。剝蝕作用會導(dǎo)致應(yīng)力卸載、流體逸散，致使孔隙壓力降低，而孔隙度僅會發(fā)生微小的恢復(fù)，此時(shí)反映孔隙度的縱波速度就無法完全反映孔隙壓力[11]。因此在四川盆地頁巖氣壓力系數(shù)預(yù)測中，需要結(jié)合區(qū)塊的地質(zhì)背景，根據(jù)具體情況考慮剝蝕作用對壓力系數(shù)的影響。

3 改進(jìn)的孔隙壓力預(yù)測方法

孔隙壓力的計(jì)算一般基于垂直主應(yīng)力和有效應(yīng)力：

式中pp表示孔隙壓力，MPa；pe表示有效應(yīng)力，MPa；Sv表示垂直主應(yīng)力，MPa；α表示Biot系數(shù)；可用泊松比σ求得[7]：

式中vp表示疊前同時(shí)反演縱波速度，m/s；vs表示疊前同時(shí)反演橫波速度，m/s。

基于地震約束進(jìn)行地質(zhì)建模和屬性建模，并對建模所得密度體進(jìn)行壓力積分計(jì)算，即可得到上覆地層壓力，可近似認(rèn)為等于Sv。

pe與縱波速度和巖性相互影響，可通過建立三參數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行求解：

1）由于目前四川盆地缺少針對頁巖氣有效應(yīng)力與縱波速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究，因此在這里，我們參考式（4）的Eaton法、式（5）的Bowers法、式（6）的Phillipphone法的函數(shù)形式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展。

式中Sv表示上覆地層壓力，MPa；pw表示靜水壓力，MPa；vnormal表示正常趨勢線上的縱波速度，m/s；c表示伊頓指數(shù)；vw表示地震波在水中的縱波速度，m/s；A，B表示常數(shù)；vmax，vmin分別表示目標(biāo)層位內(nèi)最大最小縱波速度，m/s；vint表示目標(biāo)層位層速度，m/s。

2）引入巖性變化指示因子。對自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后，將其作為表征地層巖性變化的指示因子Li，引入孔隙壓力的預(yù)測中。至此，有效應(yīng)力則表征為了縱波速度和巖性變化指示因子的函數(shù)：

3）基于式（4）～（7），設(shè)計(jì)6組非線性回歸實(shí)驗(yàn)（表1），并求解其相關(guān)系數(shù)，優(yōu)選相關(guān)系數(shù)最高的表達(dá)式作為有效應(yīng)力的回歸關(guān)系式。

表1 非線性回歸實(shí)驗(yàn)變量設(shè)計(jì)表

通過多地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)表明，四川盆地頁巖氣儲層一般采用式（8）的有效應(yīng)力與孔隙壓力的關(guān)系式，可取得較好預(yù)測效果：

式中A1、A2、A3表示回歸系數(shù)，為常數(shù)值。

4）引入剝蝕強(qiáng)度因子D，對孔隙壓力系數(shù)進(jìn)行校正。不同地區(qū)的剝蝕強(qiáng)度表征方法略有不同，如地層厚度、剝蝕厚度、距離剝蝕線距離等，具體應(yīng)結(jié)合區(qū)塊地質(zhì)背景進(jìn)行確定。在WY地區(qū)，由于加里東古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)剝蝕作用造成的志留系厚度變化明顯，因此，在該區(qū)塊采用剝蝕厚度表征剝蝕強(qiáng)度；然而在CN地區(qū)小范圍內(nèi)，志留系厚度變化不甚明顯，則采用離喜山期剝蝕線的距離作為剝蝕強(qiáng)度的表征。引入剝蝕強(qiáng)度后，對孔隙壓力系數(shù)做二次校正，則函數(shù)式表達(dá)為：

通過多元擬合實(shí)驗(yàn)，相關(guān)性最高的表達(dá)形式為線性表達(dá)式：

其中，B1、B2、B3為回歸系數(shù)，為常數(shù)值。

5）基于式（8）～（12），整理最終得到的孔隙壓力系數(shù)表達(dá)式為：

4 疊前同時(shí)反演體

用于壓力預(yù)測的速度有多種方法求取。通過地震資料處理然后利用Dix公式求取地層層速度[12-13]；通過鉆井資料擬合速度與深度的關(guān)系求取速度[14]；也可以通過反演方法獲得層速度[15-16]。為了獲得細(xì)節(jié)更加豐富、精度更高的孔隙壓力預(yù)測結(jié)果，本次研究我們利用疊前同時(shí)反演得到高精度縱橫波速度體以及密度體作為孔隙壓力預(yù)測的輸入數(shù)據(jù)。為了保證成果的可靠性，在進(jìn)行疊前同時(shí)反演時(shí)特別注重過程和結(jié)果的嚴(yán)格質(zhì)控（圖3）。

圖3 疊前同時(shí)反演各階段質(zhì)控圖

在角道集分組時(shí)，如果用于同時(shí)反演的角道集分組個(gè)數(shù)較少，疊前同時(shí)反演所利用的疊前地震信息也較少，會影響反演穩(wěn)定性。如果用于同時(shí)反演的角道集個(gè)數(shù)過多，會降低每組數(shù)據(jù)的信噪比。以WY地區(qū)道集數(shù)據(jù)為例，該地區(qū)角道集目的層入射角范圍在0°～42°，道集數(shù)據(jù)信噪比較高。因此，為增強(qiáng)疊前AVO反演的穩(wěn)定性，得到穩(wěn)定的密度反演體，適當(dāng)增加了角道集分組數(shù)量。故將角道集分為7組來開展反演研究，即0°～6°、6°～12°、12°～18°、18°～ 24°、24°～ 30°、30°～ 36°與 36°～ 42°，并提取隨角度變化的地震統(tǒng)計(jì)子波。所得到的速度和密度剖面如圖4、5所示。

圖4 WY地區(qū)縱波速度反演連井剖面

圖5 WY地區(qū)密度反演連井剖面

5 應(yīng)用實(shí)例與應(yīng)用效果

在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，選擇了地震約束下的孔隙壓力建模方法，以構(gòu)造模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科數(shù)據(jù)的一體化整合?；谏疃扔虻臉?gòu)造解釋成果、疊前同時(shí)反演成果、測井?dāng)?shù)據(jù)、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共同構(gòu)建地質(zhì)模型、彈性參數(shù)模型及巖性力學(xué)模型。圖6為WY某區(qū)的孔隙壓力預(yù)測模型。

WY地區(qū)斷裂不發(fā)育，因此可以不考慮斷層的影響。根據(jù)該地區(qū)的實(shí)鉆數(shù)據(jù)可以得到：A1=0.429 6，A2=0.455 8，A3=13.97，B1=0.139 8，B2=0.610 6，B3=2.678。該地區(qū)的儲層段壓力系數(shù)與地層厚度存在顯著關(guān)系，因此采用地層厚度來表征剝蝕強(qiáng)度因子D。針對龍馬溪組中部地層，B2C'p項(xiàng)（縱波速度與巖性）權(quán)重約占50%左右，B3D（剝蝕作用）權(quán)重約占40%，B1權(quán)重在10%以下。

圖6 WY連片某地區(qū)孔隙壓力預(yù)測模型圖

WY井區(qū)實(shí)測的孔隙壓力系數(shù)從0.92（低壓區(qū)）一直變化至1.96（高壓區(qū)）（表2），平面上壓力系數(shù)變化范圍大，且存在從低壓區(qū)至高壓區(qū)的過渡。若采用Eaton法則需要進(jìn)行壓力分區(qū)，而該區(qū)域儲層連通，無明顯的壓力邊界。若采用Bowers或者Phillipphone法，則會出現(xiàn)要么無法覆蓋平面上壓力系數(shù)的值域，要么在縱向上壓力系數(shù)波動(dòng)劇烈。

而采用改進(jìn)的孔隙壓力預(yù)測方法，在平面上，通過對WY井區(qū)8口井（驗(yàn)證井W70井、W8井）進(jìn)行計(jì)算，龍馬溪組的實(shí)測孔隙壓力系數(shù)與預(yù)測孔隙壓力系數(shù)的平均絕對誤差為0.04以內(nèi)，相對誤差在4.35%以內(nèi)，預(yù)測效果較好。

表2 WY地區(qū)驗(yàn)證井地層壓力系數(shù)預(yù)測誤差表

從縱向預(yù)測結(jié)果來看，常規(guī)方法所預(yù)測（以Phillipphone法為例）在縱向上的預(yù)測結(jié)果數(shù)值波動(dòng)巨大，在P1l～O3w的范圍內(nèi)壓力系數(shù)值從1.0變動(dòng)至2.5以上。而新方法中由于引入了巖性指示因子，相同層段所預(yù)測的孔隙壓力系數(shù)數(shù)值基本保持穩(wěn)定（圖7），這與梁山組（P1l）至龍馬溪（O3w）組實(shí)測壓力系數(shù)趨于較穩(wěn)定的地質(zhì)認(rèn)識是一致的，說明本文的預(yù)測結(jié)果更加可靠。

按WY區(qū)塊技術(shù)思路，根據(jù)CN區(qū)塊數(shù)據(jù)分析可得，A1=0.156，A2=0.455 8，A3=-13.97，B1=-3.135，B2=2.13，B3=-0.043 66。其儲層段壓力系數(shù)與距離CN剝蝕區(qū)的距離顯現(xiàn)顯著關(guān)系，因此采用距離剝蝕區(qū)的距離來表征剝蝕強(qiáng)度因子D。與原CN地區(qū)孔隙壓力預(yù)測結(jié)果相比，不僅平面上細(xì)節(jié)變化更豐富，所預(yù)測的結(jié)果也更合理，更符合該地區(qū)的實(shí)測結(jié)果（表3）。

圖7 孔隙壓力預(yù)測方法在WY地區(qū)的應(yīng)用效果對比圖

表3 CN地區(qū)驗(yàn)證井地層壓力系數(shù)預(yù)測誤差表

CN井區(qū)7口井（驗(yàn)證井N7井），實(shí)測孔隙壓力系數(shù)與預(yù)測孔隙壓力系數(shù)的平均絕對誤差為0.06以內(nèi)，相對誤差在3.50%以內(nèi)，預(yù)測效果較好。

6 結(jié)論

1）針對四川盆地目前下二疊統(tǒng)底至龍馬溪組底的孔隙壓力和孔隙壓力系數(shù)分布特征，提出了考慮縱波反演速度、巖性變化、剝蝕程度的孔隙壓力預(yù)測方法。

2）與該地區(qū)常用的井插值求孔隙壓力系數(shù)的方法相比，本文中改進(jìn)的孔隙壓力預(yù)測方法所得結(jié)果預(yù)測精度更高，也更符合地質(zhì)認(rèn)識。與僅考慮縱波速度的傳統(tǒng)預(yù)測方法相比，該方法不僅在平面上能夠保證孔隙壓力系數(shù)預(yù)測精度，同時(shí)在縱向上也能保持壓力系數(shù)的穩(wěn)定，在四川盆地的應(yīng)用效果具有較為明顯的優(yōu)勢，為后續(xù)的地應(yīng)力預(yù)測和分析工作提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。