大民屯凹陷沙四段湖相頁巖油地震預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

陳 昌

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

隨著非常規(guī)油氣地質(zhì)理論的發(fā)展以及工程改造技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在北美地區(qū)及中國部分盆地發(fā)現(xiàn)了多個頁巖油氣藏[1-4]。不同于海相沉積環(huán)境，中國東部地區(qū)的渤海灣盆地主要發(fā)育湖相頁巖油藏，沉積環(huán)境相變快，儲層非均質(zhì)性強，如何高效準(zhǔn)確地確定頁巖油的“甜點”區(qū)是當(dāng)前研究的熱點及難點問題之一[5-6]。近年來，通過加強地質(zhì)基礎(chǔ)理論研究發(fā)現(xiàn)，大民屯凹陷沙河街組四段生油指標(biāo)好、地層厚度大、原始地層壓力保持好、脆性礦物含量高，且油氣顯示普遍，具備頁巖油氣連續(xù)成藏的有利條件[7]。通過攻關(guān)研究，目前已經(jīng)形成了部分針對大民屯凹陷沙四段頁巖油“甜點”表征的地球物理技術(shù)：肖佃師等[8]基于遺傳算法的最優(yōu)化反演技術(shù)預(yù)測了大民屯頁巖油層段礦物組分含量及干酪根含量等關(guān)鍵參數(shù)，有效地指導(dǎo)了頁巖油縱向“甜點”層位的優(yōu)選；劉興周等[9]研究認(rèn)為，結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度是控制沙四段儲層條件的關(guān)鍵因素，并提出利用自然電位幅度差來識別優(yōu)質(zhì)儲層；李曉光等[7]提出大民屯頁巖油“三品質(zhì)”評價方法，并建立了頁巖油“甜點”評價標(biāo)準(zhǔn)，有效地指導(dǎo)了該區(qū)頁巖油“甜點”的選區(qū)工作。截至目前，工區(qū)內(nèi)鉆遇該套地層的完鉆探井共137口，其中目的層有油氣顯示的井51口。雖然井控程度較高，但在實際的地質(zhì)評價中，要確定頁巖油“甜點”的分布特征，實現(xiàn)經(jīng)濟有效動用，還存在如下問題亟需解決：①高分辨率的有效儲層預(yù)測?？v向上，沙四段頁巖油層段具有典型“三明治”結(jié)構(gòu)特征，地層厚度變化大，部分區(qū)域單層有效厚度最低不到2 m；平面上，沉積相變快，多期扇體疊加連片分布，不同區(qū)域巖性差異大，地震上無明顯的沉積間斷現(xiàn)象，常規(guī)的疊后稀疏脈沖反演技術(shù)識別有效儲層精度偏低。②“甜點”分布規(guī)律復(fù)雜。研究表明，“甜點”的分布受巖性、物性、含油性和脆性等多因素共同控制[7]。儲層薄、類型多、空間變化快的特點，導(dǎo)致地質(zhì)“甜點”預(yù)測精度低，儲層鉆遇率低，目前的儲層預(yù)測技術(shù)難以指導(dǎo)水平井的優(yōu)化部署及壓裂層段優(yōu)選。

針對上述難點問題，綜合應(yīng)用測井、錄井、疊前疊后地震資料，以提高頁巖油“甜點”識別準(zhǔn)確率為導(dǎo)向，開展頁巖油“甜點”地震-地質(zhì)一體化高精度預(yù)測的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，探索形成了地震資料優(yōu)化處理、疊前彈性參數(shù)聯(lián)合反演、有效裂縫預(yù)測等多項關(guān)鍵技術(shù)，為大民屯地區(qū)頁巖油資源的精細(xì)評價提供了技術(shù)保障，有力的支撐了大民屯凹陷湖相頁巖油勘探部署工作。相關(guān)研究成果對國內(nèi)外同類型頁巖油儲層的高精度預(yù)測也有一定的借鑒意義。

1 地質(zhì)概況

大民屯凹陷位于渤海灣盆地遼河坳陷的北部地區(qū)，南接西部凹陷，西距沈陽市25 km，勘探面積約800 km2(圖1)。大民屯凹陷在平面上呈不規(guī)則三角形，南寬北窄，四周為3條邊界斷層所圍限，是在太古宇的變質(zhì)巖和元古界碳酸鹽巖、石英巖組成的雙重基底之上發(fā)育的新生代陸相凹陷[7]。此次研究的目的層段為古近系沙四下亞段，位于大民屯凹陷中央地區(qū)。沙四下亞段沉積時期，構(gòu)造升降引發(fā)區(qū)域性的水退和水進(jìn)，伴隨湖平面振蕩性變化，地層呈旋回性變化。巖性具有典型“三明治”結(jié)構(gòu)特征：頂層為一油組,巖性為油頁巖、粉砂油頁巖；中間為二油組，巖性為粉砂巖、泥質(zhì)白云巖；下部為三油組, 巖性為油頁巖夾薄層泥灰?guī)r、白云巖。地層厚度為20～220 m,TOC含量為2.0%～12.8%,Ro為0.4%～0.6%，有機質(zhì)均以I型為主，有少量Ⅱ1型和Ⅱ2型。生烴強度約為4 200×104t/km2。油氣顯示活躍，普遍具有高壓異常，最新預(yù)測顯示該套地層具有20.9×108t油氣資源量，是頁巖油勘探的重點目標(biāo)[10]。

2 地震預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地震資料處理技術(shù)

疊前反演對地震資料的要求較高，原始地震資料的可靠性直接影響儲層預(yù)測的效果。因此，在反演前，要進(jìn)行疊前資料質(zhì)控分析并對CRP道集進(jìn)行必要的特殊處理，以求在現(xiàn)有資料品質(zhì)的情況下，盡可能滿足疊前反演的需要。研究區(qū)疊前CRP道集存在隨機噪音干擾多和能量分布不均勻等問題。處理上，圍繞頁巖油儲層預(yù)測，制訂了以“全程Q補償”為核心的寬頻保幅處理技術(shù)思路，采用疊前保幅保真去噪、井控寬頻處理、寬方位處理的技術(shù)對策[11-16]，有效地改善了疊前地震資料的成像質(zhì)量，主頻提高10 Hz，分辨能力提高16 m，提高了地震資料解決復(fù)雜地質(zhì)問題的能力。由去噪前后道集對比結(jié)果可知，部分噪音被壓制后，道集明顯光滑，從噪音模型來看，沒有傷到有效波，道集質(zhì)量顯著改善，為沙四段頁巖油“三段式”內(nèi)幕結(jié)構(gòu)研究和“甜點”地震預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。

圖1 工區(qū)地理位置Fig.1 The geographical location of the work area

2.2 巖石物理分析技術(shù)

按照先識別優(yōu)勢巖性，再預(yù)測優(yōu)質(zhì)儲層的思路開展巖石物理分析，綜合縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比、楊氏模量等多種彈性參數(shù)與表征優(yōu)質(zhì)“甜點”的儲層參數(shù)，如TOC、巖性、孔隙度等開展多維度交互分析，優(yōu)選巖性敏感彈性參數(shù)，建立“甜點”的地球物理表征標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 巖性敏感彈性參數(shù)

研究區(qū)沙四段巖性主要為油頁巖、砂巖、白云巖、含碳酸鹽巖油頁巖、粉砂質(zhì)油頁巖。測井上，油頁巖表現(xiàn)為低速度、高聲波、低密度、低伽馬、高電阻等特征；砂巖表現(xiàn)為中高速度、中低聲波、中高密度、中高伽馬、低電阻等特征；白云巖表現(xiàn)為高速度、低聲波、高密度、高伽馬、低電阻等特征。選擇Vp/Vs、橫波阻抗Is、縱波阻抗Ip和體積模量k等彈性參數(shù)開展兩兩交會分析(圖2)，并建立巖石物理模板。由圖2可以看出：Ip-Vp/Vs交會圖識別巖性效果最好，橫波阻抗可以區(qū)分油頁巖、砂巖及白云巖等三大類巖性，Vp/Vs可有效區(qū)分含碳酸鹽巖油頁巖、粉砂質(zhì)油頁巖。

2.2.2 儲層敏感參數(shù)

在巖性預(yù)測的基礎(chǔ)上，對控制地質(zhì)“甜點”分布的關(guān)鍵參數(shù)脆性指數(shù)BRI及總有機碳含量TOC進(jìn)行分析。首先利用測井曲線計算得到BRI和TOC曲線，然后采用彈性參數(shù)分別與BRI和TOC進(jìn)行交會分析。結(jié)果表明，Ip與BRI之間相關(guān)性最好，脆性礦物含量高的巖性具有高阻抗特征。Is與TOC含量之間相關(guān)性最好，油頁巖類TOC含量高，具有低橫波阻抗特征。

2.3 復(fù)雜巖性預(yù)測技術(shù)

根據(jù)巖石物理分析結(jié)果，Is-Vp/Vs可有效區(qū)分5類巖性，因此，采用疊前彈性參數(shù)聯(lián)合反演[17-18]進(jìn)行巖性預(yù)測，該反演方法要求保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，地震數(shù)據(jù)要經(jīng)過相對保幅處理，構(gòu)造解釋要盡量準(zhǔn)確。該方法在求解過程中考慮了Vp、Vs和Den之間的關(guān)系，利用疊前同時反演直接求得密度體，避免了累計誤差，穩(wěn)定性好，可靠性強，為精細(xì)定量預(yù)測提供了基礎(chǔ)保證。首先，將優(yōu)化處理后的疊前CRP道集轉(zhuǎn)化為近、中、遠(yuǎn)3個角道集數(shù)據(jù)，分別針對不同角度道集數(shù)據(jù)提取子波，進(jìn)行井震標(biāo)定。反演時，以疊前角道集數(shù)據(jù)體為輸入，在模型約束下開展多參數(shù)同時反演，得到縱、橫波阻抗、密度、波速比等預(yù)測結(jié)果。實際處理過程中，不同子波可均衡不同角度部分疊加數(shù)據(jù)體之間振幅、頻率和相位差異，使得反演結(jié)果更準(zhǔn)確。根據(jù)巖石物理分析的結(jié)果將云巖類的橫波阻抗門檻值定為4.9×106kg·m-3·m·s-1，橫波阻抗反演剖面表明在井軌跡發(fā)育一套高阻抗云巖條帶，為Sy1井提供了準(zhǔn)確的入靶點。

圖2 巖性敏感彈性參數(shù)交會分析Fig.2 The intersection analysis of lithology-sensitive elastic parameters

通過反演明確了沙四段優(yōu)勢巖性發(fā)育特征，其中，一油組和三油組的含碳酸鹽巖油頁巖相對發(fā)育，白云巖厚度較薄，二油組的白云巖厚度較大，油頁巖不發(fā)育。以二油組為例，利用橫波阻抗反演結(jié)果提取白云巖的厚度(圖3)。由圖3可以看出，工區(qū)的西南側(cè)s229井附近和東北側(cè)的s224井附近是白云巖發(fā)育的厚度中心，厚度為20～40 m，由兩側(cè)向工區(qū)中部白云巖厚度逐漸減薄。基于巖性預(yù)測結(jié)果分析認(rèn)為，s229井附近和s224井附近應(yīng)該是優(yōu)勢巖性白云巖的集中發(fā)育區(qū)，可作為下一步頁巖油勘探的重點目標(biāo)區(qū)。

2.4 儲層參數(shù)預(yù)測技術(shù)

基于巖石物理分析模板，分別建立起TOC含量、脆性指數(shù)BRI與彈性參數(shù)的回歸關(guān)系，然后將反演得到彈性參數(shù)體轉(zhuǎn)化為TOC含量數(shù)據(jù)體和脆性指數(shù)BRI數(shù)據(jù)體[19-23]。以二油組為例，基于數(shù)據(jù)體提取該層TOC含量和脆性指數(shù)BRI的均方根值。預(yù)測結(jié)果表明，TOC含量的分布存在3個厚度中心，分別位于s224—s89附近、Sy1井附近以及a97東側(cè)。脆性礦物集中發(fā)育在工區(qū)的西南地區(qū)，在其他地區(qū)脆性指數(shù)相對較低。

2.5 有效裂縫預(yù)測技術(shù)

對于非常規(guī)油藏，裂縫的發(fā)育程度與油氣的飽和度具有較大的相關(guān)性，如何精確地預(yù)測儲層的裂縫發(fā)育情況，對于尋找“甜點”區(qū)至關(guān)重要。利用地震資料預(yù)測裂縫的方法較多，主要分為疊前和疊后2種手段。疊后的方法是利用相干、曲率、螞蟻體等構(gòu)造類屬性[21]；疊前的方法包括多方位的VSP，縱波AVAZ，橫波分裂等技術(shù)[24-29]。目前，比較經(jīng)濟有效的一種手段是AVAZ(AVOZ)方法，即利用地震資料的振幅隨偏移距和方位角變化關(guān)系。地震頻率的衰減和裂縫密度場的空間變化有關(guān)，沿裂縫走向方向隨偏移距衰減慢，而垂直裂縫走向方向隨偏移距衰減快，裂縫密度越大衰減越快。但是，傳統(tǒng)的AVOZ反演方法表征的各向異性程度不僅與裂縫發(fā)育程度有關(guān)，還與地應(yīng)力有關(guān)。為解決有效裂縫的預(yù)測問題，采用疊前各向異性頻散反演方法(AVOZF)，該方法在AVOZ方法的基礎(chǔ)上，將與流體有關(guān)的頻率信息引入到AVOZ方法中。因此，該方法能夠檢測到與裂縫流體有關(guān)的各向異性信息，用于表征有效裂縫的發(fā)育程度。此次研究將該方法應(yīng)用到大民屯沙四段頁巖油的有效裂縫預(yù)測中。圖4為過Sy1井軌跡的AVOZF有效裂縫反演剖面。由圖4可以看出，AVOZF反演剖面上指示有效裂縫僅發(fā)育在Sy1井的一油組的中段及二油組的前半段。實際地質(zhì)評價結(jié)果也顯示，Sy1井主要含油層段就是一油組的中間12～17段以及Ⅱ組的上半段4～7段，二者吻合程度很高。綜合評價認(rèn)為，Sy1井儲層鉆遇率達(dá)66.4%，較攻關(guān)前同比提高38%。

圖3 沙四段二油組泥質(zhì)云巖厚度分布預(yù)測Fig.3 The prediction of thickness distribution of argillaceous dolomite in the second oil-bearing formation of the fourth member of the Shahejie Formation

圖4 Sy1有效裂縫預(yù)測剖面Fig.4 The Sy1 effective fracture prediction profile

3 應(yīng)用效果

基于巖性、TOC含量、脆性指數(shù)、裂縫分布等參數(shù)的預(yù)測結(jié)果，依據(jù)大民屯凹陷頁巖油“甜點”分類評價標(biāo)準(zhǔn)[7]，構(gòu)建頁巖油“甜點”地震標(biāo)準(zhǔn)[30]，然后，基于多屬性融合技術(shù)計算得到反映“甜點”分布特征的數(shù)據(jù)體。基于“甜點”數(shù)據(jù)體，按照標(biāo)準(zhǔn)，提取得到一、二、三油組的“甜點”預(yù)測分布圖，共落實Ⅰ類、Ⅱ“甜點”面積143 km2。圖5為二油組提取的“甜點”平面分布特征。圖中Ⅰ類“甜點”為紅色，Ⅱ類為黃色，Ⅲ類為藍(lán)色。由圖10可以看出，工區(qū)的西南部S229井區(qū)和東北部的S104井區(qū)為頁巖油“甜點”集中發(fā)育區(qū)。從實際的鉆探效果上看，在研究區(qū)內(nèi)優(yōu)選了11口老井進(jìn)行二次試油，地層測試或壓裂后均見到油氣，其中7口井日產(chǎn)油達(dá)到2.00 t/d以上，證實了研究區(qū)頁巖油的勘探潛力。

2019年，針對一油組的含碳酸鹽油頁巖型和Ⅱ組的泥質(zhì)白云巖型的頁巖油，在工區(qū)西南部“甜點”區(qū)部署實施Sy1井，該井水平段長度為1 795 m，鉆遇一油組含碳酸鹽油頁巖厚度為1 245 m，Ⅱ組泥質(zhì)白云巖厚度為550 m。經(jīng)測井“三品質(zhì)”評價，共解釋Ⅰ類層厚度為530 m(10)層，Ⅱ類層厚度為920 m(3層)，儲層鉆遇率高，與地震“甜點”預(yù)測符合率高。該井分23段進(jìn)行大規(guī)模壓裂，壓后4 mm油嘴放噴，日產(chǎn)油為12.69 t/d，日產(chǎn)氣為1 194 m3/d，抽油機生產(chǎn)，最高日產(chǎn)油為16.87 t/d。鉆探成果表明：基于疊前地震儲層預(yù)測的“甜點”預(yù)測技術(shù)為大民屯地區(qū)沙四段頁巖油“甜點”選區(qū)、選層提供了有力依據(jù)，有效地提高了儲層的鉆遇率，為后續(xù)該區(qū)頁巖油的經(jīng)濟有效動用打下了良好基礎(chǔ)。

圖5 二油組頁巖油“甜點”預(yù)測平面圖Fig.5 The prediction plan of the “sweet spot” of shale oil in the second oil-bearing formation

4 結(jié) 論

(1) 基于巖石物理分析明確了對巖性、TOC含量、脆性指數(shù)等敏感的彈性參數(shù)，為疊前反演預(yù)測頁巖油“甜點”奠定了基礎(chǔ)。

(2) 針對大民屯凹陷沙四段頁巖油巖性復(fù)雜、地層薄、變化快的地質(zhì)特征，提出“全程Q補償”為核心的寬頻保幅處理技術(shù)思路以及疊前彈性參數(shù)聯(lián)合反演、AVOZF裂縫反演等多種針對性技術(shù)，得到彈性參數(shù)、TOC含量、脆性指數(shù)和有效裂縫等多個數(shù)據(jù)體。

(3) 依據(jù)頁巖油“甜點”分類評價標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建地震“甜點”綜合表征因子，實現(xiàn)了工區(qū)頁巖油“甜點”的有效預(yù)測，水平井儲層鉆遇率提高到66.4%，為井位部署及水平井軌跡的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠依據(jù)。