川南頁巖小微尺度斷層井震結(jié)合識別方法研究

李 柯 唐 誠 王崇敬 梁 波 施 強 歐傳根

（①中石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心；②中石化經(jīng)緯有限公司西南測控公司）

0 引言

頁巖氣是近年來的勘探開發(fā)熱點，在鉆探過程中，經(jīng)常鉆遇不同規(guī)模的斷層，由于斷層展布特征較為復(fù)雜，對水平井的施工影響極大，針對地層開展斷層識別的研究成為當(dāng)前的研究熱點之一[1]。基于地震解釋、特殊測井、巖心觀察等多種方法，已經(jīng)取得了較多技術(shù)成果[2-4]。梁志強[5]開展了斷層尺度的分類研究，按走向延伸長度將斷層劃分為大尺度、中等尺度、小尺度、微尺度4 個級別。大尺度或中等尺度的斷層識別主要基于地震常規(guī)解釋方法，技術(shù)較為成熟，已廣泛應(yīng)用于井位部署工作中。但是，地震解釋的精度有限，小尺度及以下規(guī)模的斷層響應(yīng)不明顯，而這類斷層對井控安全、水平井優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率影響極大，是頁巖氣“甜點”的重要控制因素。由于大量的頁巖氣開發(fā)井不測井、不取心，常規(guī)方法已不適用于微小尺度斷層的識別。針對上述問題，本文介紹一種基于井震結(jié)合的小微尺度斷層綜合識別方法，為頁巖氣水平井的鉆頭位置識別提供可靠的依據(jù)，也可供其他類型油氣藏的斷層識別借鑒參考。

1 斷層識別方法適應(yīng)性分析

目前針對斷層識別的方法主要集中在地震解釋、測井解釋、巖心觀察等方面。測井解釋與巖心觀察方法能精確識別出厘米-米級別的微小尺度斷層，是開展綜合地質(zhì)評價的重要手段之一[6-7]。但是，由于大量的頁巖氣開發(fā)井不測井、不取心，導(dǎo)致這兩種方法無法得到應(yīng)用。近年來主要的研究熱點集中在地震解釋領(lǐng)域，地震檢測方法[2-4]大致可分為疊前與疊后分析兩大類，由于疊前技術(shù)需要的計算量較大，在隨鉆過程中的應(yīng)用沒有疊后分析技術(shù)廣泛。本次研究重點采用了疊后屬性分析與隨鉆資料分析相結(jié)合的方式，主要地質(zhì)對象為川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組海相頁巖氣地層。

川南頁巖氣工區(qū)的主要目的層埋深介于3500～4200 m 之間。張勇[8]研究表明地震資料對斷層的分辨能力與地層埋深關(guān)系密切，埋深達到3500 m 時，可分辨的斷距為25.90 m。

周津宇等[9]開展的正演模型研究表明，斷距≥20 m 的斷層人工解釋可以識別。由于實際的地震資料受采集條件的限制和噪聲的影響，不同資料的分辨能力會有差異，為準(zhǔn)確落實本工區(qū)的地震解釋精度，開展了正演模型試驗。根據(jù)工區(qū)三維地震資料，選取Ricker 子波頻率為35 Hz，模型自上而下龍馬溪組-五峰組的巖性為黑灰色頁巖，臨湘組的巖性為黃灰色灰?guī)r，并在頁巖底界上設(shè)計了5、10、20 m 三種斷距的逆斷層，根據(jù)工區(qū)內(nèi)導(dǎo)眼井的測井資料設(shè)定了各自的縱波速度和密度。斷層正演模型表明（圖1）：當(dāng)斷距達到20 m 時，地震響應(yīng)清楚，同相軸有明顯的錯斷；當(dāng)斷距為10 m 時，同相軸有輕微變形，單獨分析地震資料難以判斷是否為斷層；當(dāng)斷距為5 m 時，同相軸幾乎沒有變化。

圖1 工區(qū)目的層不同斷距的斷層正演模型

2 井震結(jié)合斷層識別方法研究

根據(jù)地震正演結(jié)果，斷距大于20 m 的斷層能夠通過常規(guī)地震剖面資料進行分辨，斷距為10～20 m的斷層需要結(jié)合地震屬性等方法綜合分析，斷距小于10 m 的斷層則難以直接通過地震資料進行分辨。由于常規(guī)地震解釋、常用屬性分析方法的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，本文重點研究斷距為10～20 m 的小尺度斷層及斷距小于10 m 的微尺度斷層的識別方法。

2.1 小尺度斷層識別方法

目前主要有螞蟻追蹤、最大似然屬性等地震屬性分析方法[3，5，7，9]。螞蟻追蹤技術(shù)模擬自然界中螞蟻的覓食行為，使用過程中需要設(shè)定螞蟻邊界、追蹤偏差、螞蟻步長、允許非法步數(shù)量、終止條件等，這些參數(shù)對控制螞蟻追蹤非常關(guān)鍵，不同的參數(shù)對識別結(jié)果影響極大[3]。最大似然屬性計算方法基于極大似然估計原理，需要設(shè)置的參數(shù)主要為傾角時窗、方位角時窗以及水平和垂直網(wǎng)格等，且不同參數(shù)的設(shè)置對細(xì)節(jié)的刻畫有一定的影響[10]。根據(jù)算法原理比較，以及在不同工區(qū)進行的實際應(yīng)用效果對比[5，9]，最大似然屬性分析數(shù)據(jù)體需要設(shè)置的控制參數(shù)更容易確定，并且是全局性的算法。因此，本文小尺度斷層識別分析研究采用了最大似然屬性計算方法。

地下地質(zhì)體的產(chǎn)狀可以用走向、傾向和傾角來描述，如果在開展地震解釋或?qū)傩苑治鰰r忽略掉地層產(chǎn)狀，會導(dǎo)致地震資料的分辨能力降低。沿地層反射傾角方向進行掃描、計算或追蹤，這個過程稱為傾角控制。在傾角控制的基礎(chǔ)上再開展地震資料的應(yīng)用，能有效壓制隨機噪聲，獲得更加準(zhǔn)確的地質(zhì)體信息，斷層的刻畫能力會明顯增強[11-12]?；谶@樣的思路，建立了小尺度斷層識別的步驟。

首先應(yīng)用疊后地震數(shù)據(jù)體計算傾角與方位角數(shù)據(jù)體，然后開展傾角控制增強處理，最后利用獲得的成果數(shù)據(jù)體計算最大似然屬性。如果斷層不發(fā)育，地震相鄰道相似性好，屬性減弱，通常用淺色表示；當(dāng)斷層較發(fā)育時，地震相鄰道的相似性不好，屬性增強，通常用深色表示（圖2）。屬性增強表明存在異常，因此可以根據(jù)屬性是否有異常來識別小尺度斷層。小尺度斷層識別過程中，關(guān)鍵步驟在于傾角控制增強和最大似然屬性的計算。傾角控制增強需要計算空間上每個點的傾角與方位角，以計算樣點為中心選取對比視窗，利用傾角及方位角的變化計算相鄰道的相似性，最后獲得增強后的數(shù)據(jù)體。最大似然屬性的計算過程將地震數(shù)據(jù)的每一個采樣點看做一個立體像素單元，其中包括振幅、傾角及走向等信息，在計算過程中，比較每一個采樣點與地震數(shù)據(jù)體內(nèi)所有采樣點之間的相似性，保留最小的相似性，將其作為最大似然法分析結(jié)果。在此基礎(chǔ)上進行全局歸一，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)使得具有相近相似性的立體像素相連接，得到最大似然屬性的計算結(jié)果。具體計算公式[10]為：

圖2 最大似然屬性識別斷層效果

式中：S為地震道間的相似性屬性；g為疊后地震數(shù)據(jù)體；（*）s代表計算括號內(nèi)的數(shù)據(jù)體采樣點的構(gòu)造導(dǎo)向平滑；（*）f代表沿斷層走向、傾向方向進行濾波；F為最終計算得到的斷層似然屬性，其值為0～1，由于相似性屬性S進行了8 次乘方，增強了F低值與高值之間的差異，使斷層的線性特征更加明顯。

2.2 微尺度斷層識別方法

由于微尺度斷層在地震剖面上沒有響應(yīng)，只能依靠隨鉆資料進行識別分析。川南海相頁巖地層中主要目的層為五峰組-龍馬溪組，自下而上劃分為①至⑨小層，其中②、③小層自上而下有3 個高伽馬峰值，分別命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ峰，Ⅱ峰與Ⅲ峰是水平井鉆探的主要靶窗[13-14]。實鉆資料表明，川南海相頁巖地層中正常連續(xù)沉積時橫向上地層非常穩(wěn)定，在縱向上的同樣位置，隨鉆伽馬、元素錄井等數(shù)值的變化幅度較小，而鉆遇斷層后，隨鉆伽馬、元素錄井等數(shù)值會有一定的變化。通過研究建立了伽馬比值法和元素三維顯示圖板法來識別微尺度斷層。

2.2.1 伽馬比值法

為了表征地層是否發(fā)生變化，定義了伽馬比值（GRB/GRA，其中GRA為GRB上一米的伽馬測值，GRB為當(dāng)前井深的伽馬測值），伽馬比值＞1 為伽馬上升，伽馬比值＜1 為伽馬下降。

受構(gòu)造運動影響，水平井沿井軌跡方向正常地層也存在一定的起伏，地層傾角會發(fā)生變化，鉆遇不同的地層位置導(dǎo)致伽馬測值易發(fā)生較大變化。圖3基于工區(qū)內(nèi)的典型井A-1 井導(dǎo)眼的實鉆數(shù)據(jù)，模擬出可能鉆遇上傾、下傾、近水平3 種地層產(chǎn)狀條件下的水平段，分析不同位置、不同地層產(chǎn)狀條件下的伽馬比值。模擬結(jié)果表明，正常地層隨地層傾角變化，伽馬比值介于0.81～1.25 之間，當(dāng)伽馬比值超出此范圍時，判定為地層內(nèi)發(fā)育了斷層。

圖3 A-1 井模擬不同地層產(chǎn)狀條件下的伽馬變化示意

2.2.2 元素三維顯示圖板法

利用伽馬比值法可以識別出伽馬測值有明顯變化的斷層，但在實鉆與模擬過程中均發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷層的斷距很小，特別是在Ⅲ峰內(nèi)部鉆遇斷層，從Ⅲ峰上半幅鉆入下半幅，或者從下半幅鉆入上半幅，斷層前后的伽馬測值相近，伽馬比值同樣介于0.81～1.25 之間，無法利用伽馬比值法識別斷層。因此，需要結(jié)合其他錄井?dāng)?shù)據(jù)來判斷鉆遇的地層是否連續(xù)。

唐誠等[13]研究了元素三維顯示圖板，將Ⅲ峰自上而下劃分為上半幅、峰尖、下半幅A 段、下半幅B 段4個不同的部位（圖4a），Ⅲ峰的上半幅和下半幅A 段的伽馬測值非常接近，如果在Ⅲ峰上半幅發(fā)育斷層直接進入下半幅A 段，或者從下半幅A 段直接進入上半幅，無法采用伽馬比值來判斷，但是在元素三維顯示圖板上[13]具有較好的區(qū)分度：Ⅲ峰上半幅為中-高Si、中-高Al、中等Ca 特征，Ⅲ峰下半幅A 段為低Si、中-高Al、中-高Ca 特征，Ⅲ峰下半幅B 段為中-高Si、低-中Ca、中等Al特征（圖4b）。雖然上半幅和下半幅B 段有一定的相似性，但從上半幅到下半幅B段，正常地層層序情況下需要經(jīng)過峰尖、下半幅A 段，反之亦然。因此，通過利用元素三維顯示圖板不間斷地分析，可獲得鉆頭位置穿行軌跡，能判斷地層連續(xù)或者存在缺失，如果發(fā)現(xiàn)鉆頭穿行的位置突然從Ⅲ峰的上半幅穿行到下半幅，或者從Ⅲ峰的下半幅穿行到上半幅及以上的地層，但沒有出現(xiàn)峰尖，則判斷為鉆遇斷層。綜合伽馬比值和元素三維顯示圖板，能有效識別是否鉆遇了微尺度斷層。

圖4 A 6 井Ⅲ峰峰形劃分及元素三維顯示圖板

2.3 井震結(jié)合斷層識別流程

地震資料是識別大尺度、中尺度斷層的主要手段，小尺度斷層具有一定的隱蔽性，通過采用傾角控制增強，計算最大似然屬性能提高小斷層的識別精度，而微尺度斷層的地震剖面上基本沒有響應(yīng)，需要利用隨鉆伽馬、元素錄井等資料開展識別。通過多種方法綜合應(yīng)用，建立井震結(jié)合斷層識別流程，如圖5所示。需要注意的是，雖然微尺度斷層在地震屬性上沒有明顯響應(yīng)，但小尺度斷層可能會出現(xiàn)伽馬比值或元素三維顯示圖板異常，因而需要綜合應(yīng)用。

圖5 井震結(jié)合斷層識別流程

3 應(yīng)用效果

通過研究建立的斷層識別流程與判別標(biāo)準(zhǔn)在川南頁巖氣工區(qū)進行了應(yīng)用。根據(jù)區(qū)域特征并結(jié)合已鉆井分析，工區(qū)內(nèi)不同程度地發(fā)育了斷層，多數(shù)屬于小尺度或微尺度規(guī)模斷層，斷層性質(zhì)為以壓性或壓扭性為主的逆斷層[14]。

3.1 總體符合率統(tǒng)計

截至2020 年底，已經(jīng)完鉆60 口井，其中16 口井的穿行位置上最大似然屬性有異常，地震屬性識別斷層無異常井有44 口，但2 口井伽馬比值異常，3 口井元素三維顯示圖板異常，最終實鉆鉆遇斷層井?dāng)?shù)11口。盡管16 口井地震屬性異常，但實鉆只有6 口井鉆遇斷層，沒有鉆遇斷層的井主要分布在A 6、C 6、C 9 平臺，另有5 口井由于斷距極小，超出了地震屬性能夠識別的范圍，只能依靠伽馬比值與元素三維顯示圖板識別斷層。故地震屬性異常符合率僅為75%，綜合多種識別方法后的總符合率為83.33%（表1）。

表1 川南工區(qū)小微尺度斷層識別符合率統(tǒng)計

3.2 典型井應(yīng)用效果

以C 9平臺為例，該平臺C 9-6井鉆遇了小尺度斷層，C 9-2井鉆遇了微尺度斷層。

3.2.1 C 9-6井

C 9-6 井鉆前分析表明，常規(guī)地震剖面無明顯異常，地層產(chǎn)狀較為平穩(wěn)，但最大似然屬性存在明顯異常，平面上分析水平段尾部將橫穿該異常層段（圖6、圖7）。實鉆水平段至井深5 161.00 m，井斜89.70°，隨鉆伽馬測值突降，伽馬比值由1.10 下降至0.56，結(jié)合地震屬性分析結(jié)果，判斷為鉆遇逆斷層。結(jié)合錄井?dāng)?shù)據(jù)分析鉆頭從Ⅲ峰上穿進入Ⅰ-Ⅱ峰之間的地層，為確保軌跡回到靶窗，緩慢降斜至88.1°，于井深5 370.00 m 開始隨鉆伽馬測值緩慢上升，軌跡回到Ⅲ峰上半幅，驗證了斷層判斷可靠。

圖6 川南工區(qū)已鉆井最大似然屬性應(yīng)用效果

圖7 C 9-6 井小尺度斷層識別效果

3.2.2 C 9-2井

C 9-2 井鉆前常規(guī)地震剖面、地震屬性分析均無明顯異常。實鉆過程中（圖8），根據(jù)元素三維顯示圖板判斷4 200.00～4 250.00 m 井段為Ⅲ峰下半幅A段，隨鉆伽馬測值由520 API 緩慢降至340 API，4 250.00～4 406.00 m 井段元素三維顯示圖板顯示為Ⅲ峰下半幅B 段，軌跡略下切地層。4 406.00～4 422.00 m 井段隨鉆伽馬測值在220～270 API 之間，基本沒有變化，但元素特征有明顯變化，元素三維顯示圖板表明該段不屬于Ⅲ峰下半幅B 段或A 段，地層存在缺失，綜合分析判斷鉆遇微尺度斷層，鉆頭上穿出靶框。經(jīng)持續(xù)降斜后于井深4 632.00 m 回到Ⅲ峰，隨鉆伽馬測值特征明顯，驗證了存在微尺度斷層。

圖8 C 9-2 井微尺度斷層識別效果

通過斷層識別技術(shù)的應(yīng)用，采用井震結(jié)合斷層識別流程，準(zhǔn)確地識別出小微尺度斷層，為頁巖氣水平井的施工提供了技術(shù)支撐。

3.3 誤差原因分析

從應(yīng)用效果分析，在識別誤差方面，依據(jù)地震屬性的小尺度斷層判別方法，雖然沒有發(fā)生漏判，但誤判較多，特別是靠近工區(qū)邊緣的井，地震屬性異常較多，但最終實鉆驗證結(jié)果表明，一些明顯異常的位置并沒有發(fā)育斷層。因此開展誤差的原因分析，有利于明確后續(xù)的研究方向。

3.3.1 地震資料具有多解性

地震資料具有多解性，是業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)識，地震同相軸的變化，既可以解釋為斷層的作用，也可以解釋為巖性尖滅，還可以解釋為地震采集過程中的激發(fā)、接收條件的變化造成的非真實響應(yīng)[3，5，8]。小尺度斷層的斷距小，展布規(guī)模有限，進一步增大了準(zhǔn)確識別的難度。

3.3.2 構(gòu)造特征對地震資料的影響

統(tǒng)計分析表明，實鉆中主要不符合的井分布在A 6、C 6兩個平臺。從地震屬性特征分析，A 6、C 6兩個平臺的地層屬性異常相對較弱，但異常的分布范圍較廣，分布的形態(tài)雜亂。從構(gòu)造特征分析，它們均位于向斜中心向背斜轉(zhuǎn)換的過渡帶上，地層與構(gòu)造特征的變化，對地震數(shù)據(jù)的采集及處理本身有一定影響，同時最大似然屬性的算法是通過計算相似性屬性的8次方來增強低值與高值之間的差異[10]，在提高斷層刻畫能力的同時，也增大了地震噪聲，導(dǎo)致地震屬性的雜亂異常分布，形成了較多異常假象。

4 認(rèn)識與建議

（1）川南海相龍馬溪組頁巖地層由于構(gòu)造作用容易發(fā)育斷距較小的逆斷層，根據(jù)地震正演分析，小微尺度的斷層無法通過常規(guī)地震資料分析判斷其是否發(fā)育，需要通過井震結(jié)合綜合分析。

（2）通過研究建立了井震結(jié)合的小微尺度斷層識別流程與判別標(biāo)準(zhǔn)，小尺度斷層主要采用最大似然地震屬性分析，微尺度斷層采用伽馬比值、元素三維顯示圖板綜合判斷。

（3）井震結(jié)合的小微尺度斷層判別方法具有較好的應(yīng)用效果，但地震屬性分析方法存在一定的判別誤差，主要原因為地震資料的多解性、構(gòu)造對地震資料的影響等，故有必要進一步加強地震資料去噪與精細(xì)解釋技術(shù)的研究與應(yīng)用。