永川地區(qū)深層頁巖氣儲層不同尺度裂縫精細(xì)建模

葛 勛 郭彤樓 黎茂穩(wěn) 趙培榮 范宏娟王 鵬 李王鵬 鐘 城

（1. 頁巖油氣富集機(jī)理與高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 102206；2. 中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室，北京 102206；3. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；4. 中國石化西南油氣分公司，四川 成都 610041；5. 中國石油化工集團(tuán)有限公司，北京 100728；6. 中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041；7. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210033）

0 引 言

“十三五”期間，四川盆地深層海相頁巖氣及盆緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)、常壓區(qū)頁巖氣區(qū)均實現(xiàn)了有效開發(fā)［1-3］，頁巖儲層天然裂縫是影響頁巖氣井產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。天然裂縫的發(fā)育程度可以改善頁巖儲層的儲集空間，大尺度裂縫會直接破壞頁巖儲層的保存條件；中小尺度裂縫有利于增加游離氣與吸附氣的占比，極大提升了頁巖氣井產(chǎn)能［4-7］；天然裂縫影響著水力壓裂的效果，小尺度裂縫發(fā)育區(qū)的地應(yīng)力差異系數(shù)小，在壓裂過程中形成的縫網(wǎng)更為復(fù)雜［8-20］?，F(xiàn)今裂縫預(yù)測主要分為地質(zhì)和地震2 種方法，在地質(zhì)方面，主要通過三維有限元模擬并結(jié)合巖石破裂準(zhǔn)則來綜合預(yù)測裂縫密度［21-24］；在地震方面，應(yīng)用疊前地震預(yù)測技術(shù)和疊后地震預(yù)測技術(shù)進(jìn)行裂縫預(yù)測，疊前屬性技術(shù)包括方位各向異性反演等，疊后屬性技術(shù)包括相干、傾角、曲率、螞蟻體等［25-26］。

永川地區(qū)裂縫類型單一，主要以低角度水平縫為主，裂縫多被方解石、石英、黃鐵礦半充填或全充填［27］。對富順-永川地區(qū)裂縫曲率的預(yù)測顯示，曲率高值具有明顯沿背斜走向分布的規(guī)律，研究區(qū)東部及西南部背斜曲率值較其他區(qū)域背斜高［28］，不穩(wěn)定試井分析表明，永川中、北區(qū)壓裂改造難度大，不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，中北區(qū)氣井試采效果差，最終采收率（EUR）偏低。前人對于永川地區(qū)裂縫的研究多數(shù)仍是地震單屬性預(yù)測，裂縫預(yù)測的精度仍停留在大、中尺度上，對小尺度裂縫預(yù)測方面的認(rèn)識仍然不足。本文以永川地區(qū)五峰組—龍一段為研究對象進(jìn)行裂縫分布模擬，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用螞蟻追蹤技術(shù)細(xì)化裂縫規(guī)模，實現(xiàn)了永川地區(qū)五峰組—龍一段頁巖儲層小尺度裂縫的精準(zhǔn)預(yù)測，為四川盆地深層復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣增儲上產(chǎn)提供指導(dǎo)，具有一定的借鑒參考價值。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

永川頁巖氣田位于重慶市西部，整體屬于深層頁巖氣（埋深大于3 500 m）。永川地區(qū)位于川南低陡褶皺帶內(nèi)，研究區(qū)處于華鎣山斷裂東南部第一排正向構(gòu)造（圖1（a）），整體表現(xiàn)為“兩凹夾一隆”的構(gòu)造特征［29-30］。永川地區(qū)構(gòu)造形態(tài)受川南地區(qū)構(gòu)造演化的影響，早印支期，川南地區(qū)受壓扭應(yīng)力作用，北東向的構(gòu)造格局定型，形成了瀘州-開江古隆起；在中晚印支期，受東南側(cè)雪峰山、龍門山、大巴山的推覆影響，弧形構(gòu)造帶自NNE 逐漸向NEE 偏轉(zhuǎn)，此期間的形變?yōu)橛来ǖ貐^(qū)的總體構(gòu)造走向奠定了基礎(chǔ)［31］。在燕山期，整個永川地區(qū)繼續(xù)發(fā)生NW 向大幅度抬升剝蝕活動，在喜馬拉雅期，印亞板塊的閉合碰撞使得川南地區(qū)發(fā)生NE 向擠壓，整體的斷裂具有左旋和右旋的構(gòu)造特征［32］。

永川地區(qū)地層發(fā)育較完整，自上而下主要發(fā)育地層依次為侏羅系、三疊系、二疊系、志留系、奧陶系、寒武系，缺失石炭系和泥盆系地層。下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積厚度410～500 m，可劃分為一段、二段、三段，龍一段巖性以灰黑色筆石頁巖為主（圖1（b））。

2 單屬性天然裂縫定量預(yù)測

針對永川地區(qū)的斷裂特征，將裂縫劃分為大尺度裂縫、中尺度裂縫和小尺度裂縫3 個等級，大尺度裂縫斷距大于100 m，延伸長度大于5 km，中尺度裂縫斷距50～100 m，延伸長度2～5 km，小尺度裂縫斷距小于50 m，延伸長度小于2 km［33］。單屬性天然裂縫定量預(yù)測運用相干增強(qiáng)體、形變曲率體、Petrel 螞蟻體追蹤3 種屬性預(yù)測方法開展本區(qū)單屬性裂縫的定量預(yù)測。

2.1 相干增強(qiáng)體

三維相干技術(shù)可以用于檢測地震波同相軸的不連續(xù)性，本文采用第3 代相干技術(shù)計算永川地區(qū)的相干屬性。第3 代相干技術(shù)通過線性增強(qiáng)和斷層增強(qiáng)處理，以及平面和垂向上噪聲的濾波壓制，突出了斷層和裂縫的響應(yīng)特征，其相干體更為精細(xì)。圖2（a）為永川地區(qū)25 Hz 本征值相干平面分布情況，圖2（a）中黑色代表相似程度低，為斷裂發(fā)育區(qū)（-120～-40 代表大尺度裂縫，-40～40 代表中尺度裂縫），白色代表地震軸連續(xù)性較好，斷裂、裂縫基本不發(fā)育（40～120 代表小尺度裂縫）。

圖2 永川地區(qū)龍一段底界向上25 m（10 ms）的本征值相干、平均曲率、螞蟻追蹤屬性平面分布Fig. 2 Areal distribution of eigen coherence, mean curvature and ant tracking attributes 25 m (10 ms) upward from bottom boundary of Long-1 Member in Yongchuan area

整體上，該區(qū)相干屬性特征揭示研究區(qū)斷層走向以NE—SW 向為主，主要集中在新店子背斜構(gòu)造附近，北部向斜區(qū)發(fā)育NNE 走向斷層，南部向斜區(qū)發(fā)育NE 走向斷層。

2.2 形變曲率屬性

曲率是微分幾何學(xué)的概念，主要用于研究曲線和曲面的幾何學(xué)特征，表征的是地層傾角在空間上的變化率。圖2（b）為基于不同的曲率運算方式得到的研究區(qū)平均曲率屬性平面分布情況，圖2（b）中紅黃色為曲率大的區(qū)域，是構(gòu)造性裂縫比較發(fā)育的區(qū)域，靠近新店子背斜構(gòu)造處裂縫發(fā)育程度高（6.6～10.0 代表大尺度裂縫），北區(qū)、南部向斜裂縫發(fā)育程度次之（3.6～6.6 代表中尺度裂縫，0～3.3 代表小尺度裂縫）。由圖2（a）、（b）中可以看出，曲率屬性預(yù)測的裂縫發(fā)育情況與相干屬性的預(yù)測結(jié)果大體一致。

2.3 Petrel螞蟻體追蹤

螞蟻體追蹤技術(shù)基于蟻群算法實現(xiàn)對斷裂的追蹤和識別。其算法原理為：在地震數(shù)據(jù)體中撒播大量“螞蟻”，則在地震振幅屬性體中發(fā)現(xiàn)滿足預(yù)設(shè)斷裂條件的斷裂痕跡的“螞蟻”將釋放信號，召集其他區(qū)域螞蟻集中于該斷裂處進(jìn)行追蹤，直到完成該斷裂的追蹤與識別。圖2（c）為永川地區(qū)龍一段底界往上25 m（10 ms）位置的螞蟻追蹤屬性平面分布，圖2（c）中黑色為斷裂發(fā)育區(qū)（7～10 代表大尺度裂縫，4～7 代表中尺度裂縫），白色為斷裂不發(fā)育區(qū)（0～4 代表小尺度裂縫）。螞蟻追蹤屬性成果揭示，新店子背斜構(gòu)造帶，北區(qū)、南部向斜發(fā)育的大尺度裂縫，與曲率屬性預(yù)測的裂縫發(fā)育情況及相干屬性的預(yù)測結(jié)果大體一致，并在此基礎(chǔ)上比較清晰地刻畫出小尺度裂縫。

3 多屬性天然裂縫定量預(yù)測

本次研究主要預(yù)測永川地區(qū)的小尺度裂縫，預(yù)測精度需求較高，因此采用人工智能非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行裂縫分布模擬。首先加載裂縫面密度曲線，其次輸入與裂縫成因相關(guān)的地震屬性并利用模糊邏輯對輸入屬性與裂縫面密度曲線之間的相關(guān)性進(jìn)行排隊優(yōu)選，優(yōu)選出有利屬性，最終利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測裂縫面密度和裂縫發(fā)育概率。

3.1 三維地質(zhì)網(wǎng)格的建立

基于RTM 深度域和時間域資料，利用成像測井解釋的天然裂縫數(shù)據(jù)進(jìn)行天然裂縫三維建模，將龍一段上漂180 ms、下漂15 ms 作為裂縫建模范圍。模擬的網(wǎng)格橫向上網(wǎng)格大小為40 m×40 m，縱向上網(wǎng)格單元1 ms，總共6 100×104個網(wǎng)格（圖3）。同時利用Landmark 和FracPredictor 相關(guān)模塊，計算能夠表征天然裂縫發(fā)育情況的振幅類、曲率類、頻率類等屬性，并充填入3D 網(wǎng)格中作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；赗TM 時間域數(shù)據(jù)體提取了能夠反映天然裂縫分布的37 個地震屬性，并用速度譜轉(zhuǎn)換為深度域，充填入三維網(wǎng)格中。

圖3 永川地區(qū)三維網(wǎng)格模型Fig. 3 3D grid model of Yongchuan area

3.2 裂縫面密度曲線的構(gòu)建

根據(jù)6 口井的成像測井?dāng)?shù)據(jù)識別出的天然裂縫構(gòu)建了1 條能夠反映其分布特征的裂縫面密度曲線，通過這條曲線用來反映裂縫發(fā)育程度。根據(jù)成像測井識別出來的裂縫傾角（α）和裂縫發(fā)育段的頂深和底深，結(jié)合井眼直徑（A），分別換算出每條裂縫在統(tǒng)一的井眼環(huán)境中的寬度（等于井眼直徑A）、長度（b=A/cosα）和高度（h=A×tanα）（圖4），計算單條裂縫對應(yīng)的裂縫面密度值（Df=（π×A×b）/（2π×A×h）），將裂縫發(fā)育段均賦予該值作為單條裂縫的裂縫面密度曲線，最后將每條裂縫的裂縫面密度曲線進(jìn)行疊加計算，作為建模用的裂縫面密度曲線。

圖4 裂縫要素示意Fig. 4 Schematic diagram of fracture elements

3.3 天然裂縫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)建模

針對天然裂縫面密度曲線的特征，選擇按照不同的地震屬性類別，采用模糊邏輯屬性進(jìn)行排序，優(yōu)選每一類地震屬性當(dāng)中對裂縫面密度曲線最為敏感的1—3 個屬性參與最終的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)建模。從37 個地震屬性中優(yōu)選出6 個與裂縫面密度相關(guān)性最高的屬性參與建模，他們分別為曲率類屬性中的最大正曲率、最大曲率、平均曲率，邊緣檢測類屬性中的方差、相干屬性以及單頻振幅類屬性中的主頻振幅（表1）。

表1 相關(guān)性最高的地震屬性統(tǒng)計Table 1 Seismic attributes statistics with maximum correlations

在確定敏感屬性后，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使用70%的目標(biāo)測井曲線數(shù)據(jù)建立電阻率預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再使用剩余的30%目標(biāo)測井?dāng)?shù)據(jù)檢驗該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型；如果預(yù)測結(jié)果和檢查數(shù)據(jù)吻合較好，則可將該模型應(yīng)用到整個三維網(wǎng)格。預(yù)測曲線是根據(jù)成像測井識別出來的裂縫建立的天然裂縫面密度曲線，受測井方法的限制，僅能代表井筒表面的裂縫發(fā)育情況，而地質(zhì)網(wǎng)格的面元是40 m×40 m（地震數(shù)據(jù)面元也達(dá)到20 m×20 m），二者不匹配，所以在設(shè)置神經(jīng)網(wǎng)格算前質(zhì)控參數(shù)時，訓(xùn)練數(shù)據(jù)為70%：只用70%數(shù)據(jù)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，而剩余30%數(shù)據(jù)可代入進(jìn)行驗證（隨機(jī)挑選，每次運算不一樣）。訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)格關(guān)系運算中訓(xùn)練結(jié)果和原始值的相關(guān)性必須大于65%，待滿足相關(guān)性條件后，將驗證數(shù)據(jù)代入訓(xùn)練關(guān)系中，預(yù)測值和實際值相關(guān)性不能小于55%，滿足上述關(guān)系的實現(xiàn)不大于10 個。同時由于裂縫有極高的不確定性，所以得到的實現(xiàn)也需要更多，總共計算得到了273個實現(xiàn)，并保存了其中最優(yōu)質(zhì)的50 個實現(xiàn)作為預(yù)測結(jié)果，對50 個實現(xiàn)求平均值作為最終的天然裂縫面密度模型結(jié)果（圖5）。

圖5 永川地區(qū)天然裂縫面密度模型Fig. 5 Natural fracture surface density model of Yongchuan area

4 天然裂縫建模結(jié)果的驗證和分析

圖6 為在模擬得出的裂縫面密度模型基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行的螞蟻追蹤，裂縫整體形態(tài)展布更加清晰，7～10 代表大尺度裂縫，3～7 代表中尺度裂縫，1～3代表小尺度裂縫。由此可知永川地區(qū)天然裂縫發(fā)育程度由好到差依次為新店子背斜主體、南部向斜、北區(qū)向斜。永川南部微裂縫發(fā)育可以提高壓裂改造規(guī)模，如壓裂液總量、改造段數(shù)、簇數(shù)等參數(shù)均有所提高，同時永川南部水平井段較長，水平井長度1 500～1 800 m，并完成了24 段144 簇壓裂施工，加砂強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率在70%以上，無阻流量大于20×104m3/d。實際勘探開發(fā)情況也表明，南部氣井試采效果好，測試井6 口，測試產(chǎn)量8.0×104～14.1×104m3/d，平均11.1×104m3/d，無阻流量8.5×104～26.5×104m3/d；中部背斜區(qū)測試井產(chǎn)量7.2×104～7.3×104m3/d，平均7.2×104m3/d，無阻流量8.0×104～8.1×104m3/d；北區(qū)測試井產(chǎn)量6.1×104～7.3×104m3/d，平均6.5×104m3/d，無阻流量6.4×104～9.6×104m3/d。

圖6 永川地區(qū)龍一段底界向上25 m（10 ms）裂縫面密度和螞蟻追蹤屬性平面分布Fig. 6 Areal distribution of fracture surface density and ant tracking attribute 25 m(10 ms) upward from bottom boundary of Long-1 Member in Yongchuan area

綜上可知，適度發(fā)育的微裂縫是永川地區(qū)氣井高產(chǎn)的重要影響因素。根據(jù)目前最新鉆井認(rèn)識，永川南部區(qū)域仍作為滾動產(chǎn)建目標(biāo)區(qū)，中北部區(qū)域?qū)⒆鳛橄乱徊介_發(fā)評價目標(biāo)區(qū)。

5 結(jié) 論

（1）單屬性裂縫定量預(yù)測應(yīng)用相干、曲率、螞蟻體3 種屬性。模擬結(jié)果顯示，大尺度裂縫主要分布在新店子背斜，走向呈NE 向展布，南部向斜裂縫走向也呈NE 向，北區(qū)向斜裂縫走向呈NNE 向，螞蟻體屬性可以更清晰地刻畫出永川南部向斜發(fā)育的小尺度裂縫。

（2）多屬性天然裂縫預(yù)測顯示，永川地區(qū)總體裂縫發(fā)育程度由好到差依次為背斜主體、南部向斜、北區(qū)向斜，南部向斜微裂縫最發(fā)育，有利于壓裂改造。南部將作為滾動產(chǎn)建目標(biāo)區(qū)，水平井段長度長，無阻流量高，測試產(chǎn)量8.0×104～14.1×104m3/d，氣井試采效果好，說明新店子背斜大尺度斷裂不利于頁巖氣保存，北區(qū)小尺度裂縫不發(fā)育且目的層埋深過大，水平應(yīng)力差較大，不利于壓裂施工。