曾慶才，陳勝, ，賀佩，楊青，郭曉龍，陳鵬，代春萌，李璇，蓋少華，鄧宇，侯華星

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國石油大學（北京），北京 102249）

0 引言

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高炭泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要賦存形式的非常規(guī)天然氣聚集[1]。全球頁巖氣資源豐富，勘探開發(fā)程度低，發(fā)展?jié)摿薮骩2]。國際能源署統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全球非常規(guī)天然氣儲量遠超常規(guī)天然氣，其中頁巖氣占可采非常規(guī)天然氣儲量的63%，全球可采儲量達221×1012m3[3]。近年來，隨著水平鉆井、體積壓裂和地球物理甜點預測 3大核心技術的突破，頁巖氣產量大幅增加[4]。截至2016年，美國共發(fā)現(xiàn)近20個頁巖氣產區(qū)，2016年頁巖氣產量約4 447×108m3，年產量超200×108m3以上的產區(qū)有7個，與2015年相比，2016年產量增長247×108m3，增幅為5.5%，且這一增幅仍在持續(xù)甚至增大[5]。

美國頁巖氣的成功開發(fā)在全球引發(fā)頁巖氣革命。中國頁巖氣資源潛力巨大，經多年勘探，在四川盆地基本實現(xiàn)了海相頁巖氣工業(yè)開采，但在其他地區(qū)和領域仍未取得實質性突破[6]?？傮w而言，目前中國頁巖氣開發(fā)剛剛起步，尚處于技術準備和工業(yè)起步階段[7]。中國的頁巖氣資源主要分布在南方四川盆地及其周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組和寒武系筇竹寺組中，與美國頁巖氣相比，中國海相頁巖最突出的特點是地層古老、成熟度高、高產富集影響因素多、甜點地震預測難度大[8]。國內學者在焦石壩等地區(qū)頁巖氣勘探中進行了地震甜點預測技術的研究及應用，并取得了很多成果，但大多以定性預測為主，部分實現(xiàn)了單參數(shù)的定量預測[9-11]。模糊優(yōu)化方法是一種綜合定量評價方法，以模糊數(shù)學為基礎，應用模糊關系耦合的基本原理，將變量多、邊界模糊、定量分析難度大的因素實現(xiàn)定量化，進而進行綜合定量評價的一種方法，適合于解決高成熟頁巖甜點區(qū)定量預測等類似復雜問題。本文以四川盆地威遠區(qū)塊上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組為例，應用模糊優(yōu)化方法進行高成熟頁巖氣甜點區(qū)地震定量預測技術研究及應用。

1 地質背景

威遠頁巖氣田位于四川盆地西南部，地理位置上屬內江市威遠縣、資中縣、自貢市榮縣境內，面積約6 500 km2，構造上位于川中低緩隆起區(qū)（見圖1）[12]。威遠區(qū)塊為一寬緩的背斜構造，工區(qū)龍馬溪組底界埋深為1 100～2 800 m，由威遠背斜自北西往南東方向埋深逐漸增加（見圖 2），地層由下至上依次發(fā)育前震旦系變質巖基底、震旦系—中三疊統(tǒng)海相沉積、上三疊統(tǒng)—白堊系陸相碎屑巖。其中，在震旦系—中三疊統(tǒng)發(fā)育兩套優(yōu)質頁巖：下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組[13]。本文重點關注威遠 201區(qū)塊龍馬溪組頁巖儲集層。

圖1 研究區(qū)位置圖

圖2 威遠201區(qū)塊龍馬溪組底界埋深構造圖

根據(jù)巖性和測井曲線特征，龍馬溪組可進一步細分為龍一段和龍二段（見圖 3），兩者之間的界面在地震剖面上表現(xiàn)為強振幅、高連續(xù)波峰反射特征，全區(qū)可追蹤對比。圖3為威201井龍馬溪組巖性剖面及常規(guī)測井曲線，在測井響應特征上，龍一段自然伽馬、聲波時差、密度和井徑曲線均為漏斗型，TOC值大于2%；龍二段自然伽馬、聲波時差、密度和井徑曲線均為鐘型，TOC值小于2%。龍一段為本地區(qū)勘探主要目的層[14]，巖性以灰黑色鈣質頁巖、黑色頁巖夾黃鐵礦、鈣質條帶為主，中上部頁理欠發(fā)育，底部頁理發(fā)育[14]。威遠地區(qū)龍一段地層保存完整，厚度為140～240 m，區(qū)域分布穩(wěn)定，可對比性強。

圖3 威201井龍馬溪組巖性剖面及常規(guī)測井曲線

2 甜點地球物理響應特征

2.1 龍馬溪組頁巖氣儲集層特征

頁巖氣甜點是指埋深適中、有機碳含量高、成熟度高、天然裂縫發(fā)育、保存條件好、含氣量高、容易壓裂形成復雜縫網(wǎng)的儲集層，甜點規(guī)模分布則形成甜點區(qū)。在國土資源部頒布的《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規(guī)范》（DZ/T 0254—2014）中，頁巖氣儲集層評價參數(shù)包括頁巖有效厚度、總含氣量、總有機碳含量（TOC）、有機質成熟度（Ro）、脆性礦物含量 5個指標（見表1），視頁巖有效厚度不同總含氣量指標下限稍有差異[15-16]。在這 5個關鍵評價指標中，頁巖有效厚度、TOC、脆性礦物含量可通過地震方法進行空間及平面分布預測[17-18]，威遠區(qū)塊的生產實踐表明孔隙度和地層壓力對甜點分布具有明顯控制作用，因此將二者也加入評價指標。

表1 含氣頁巖儲集層參數(shù)下限標準[15]

在上述標準框架下，綜合巖石學、沉積構造、古生物學和電性等資料，對研究區(qū)儲集層進行了小層細分。將龍一段劃分為龍一1、龍一2和龍一33個亞段，其中龍一1亞段由下至上又可進一步劃分為龍一11、龍一12、龍一13和龍一14小層（見表2）。

表2 威遠201區(qū)塊龍馬溪組龍一1亞段各小層特征

2.2 甜點地震定量預測基礎

北美頁巖氣開發(fā)實踐表明，頁巖TOC值對頁巖氣儲集層總含氣量影響較大[19]，因此將TOC作為頁巖儲集層評價最重要的指標之一。綜合國內外各大頁巖氣田的儲集層分類標準及本地區(qū)頁巖氣儲集層特征，以TOC值為主要指標，將研究區(qū)頁巖氣儲集層分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類，其他評價指標包括總含氣量、有效孔隙度及脆性礦物含量3個。其中，Ⅰ類儲集層TOC值大于3%，為高含氣頁巖，Ⅱ類儲集層TOC值為2%～3%，Ⅲ類儲集層為TOC值小于2%的普通頁巖，其中TOC值大于等于 2%的Ⅰ+Ⅱ類儲集層為主要開發(fā)目標，即優(yōu)質儲集層，也即甜點。分類標準如表3所示。

地震巖石物理分析結果表明：①隨著頁巖氣儲集層TOC值的增加，縱橫波速度、密度、波阻抗、泊松比、縱橫波速度比等彈性參數(shù)均明顯降低；②Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類儲集層和灰?guī)r圍巖彈性參數(shù)值存在明顯差異[20]，但 3類儲集層間存在重疊，地震方法可定性預測儲集層與非儲集層，但對儲集層好壞的預測存在較大誤差。威遠區(qū)塊已鉆井龍馬溪組 3類儲集層和底界灰?guī)r圍巖地球物理彈性參數(shù)分析結果如圖 4所示。

表3 威遠頁巖氣儲集層分類標準

圖4 頁巖氣儲集層地震巖石物理分析圖

不同成熟度情況下TOC值與含氣量之間的關系不同。圖5a是美國Barnett頁巖TOC值與含氣量關系圖，Barnett頁巖成熟度相對較低，TOC值與含氣量間存在較好的線性正相關關系，可直接通過TOC值求取含氣量；圖5b是本研究區(qū)塊TOC值與含氣量之間的關系圖，由圖可見TOC值與含氣量間的相關關系較差，因此通過TOC值進而定量預測高含氣優(yōu)質頁巖儲集層的方法不適用。

3 甜點地震預測流程及方法

3.1 甜點地震預測流程

首先在地震資料解釋基礎上，進行測井資料解釋和地震巖石物理分析，研究頁巖儲集層巖石物理特征，優(yōu)選出對頁巖氣甜點關鍵評價參數(shù)敏感的地震彈性參數(shù)，并建立甜點關鍵評價參數(shù)與地震彈性參數(shù)間的定量關系。然后，井震結合進行疊前彈性參數(shù)反演，獲取縱波速度、橫波速度、密度等地震彈性參數(shù)；根據(jù)巖石物理分析結果將彈性參數(shù)轉換為儲集層評價參數(shù)，預測TOC值、儲集層厚度、地層壓力、脆性礦物含量等評價參數(shù)的空間及平面分布。最后，采用模糊優(yōu)化分析方法對甜點關鍵參數(shù)預測結果進行綜合分析與評價，定量預測頁巖氣甜點。

3.2 疊前同時反演

圖5 不同成熟度頁巖氣儲集層總有機碳含量與總含氣量關系圖

儲集層厚度、TOC值、孔隙度、脆性指數(shù)等關鍵參數(shù)的精確預測均依賴于地震疊前反演[21]，近年來，疊前反演技術被廣泛應用于儲集層預測，但傳統(tǒng)疊前反演主要是基于部分疊加數(shù)據(jù)體進行，該方法抗噪能力強、穩(wěn)定性好，但缺點是疊加過程中損失了地震原始疊前道集中的AVO信息，彈性參數(shù)的反演精度低。而基于全道集的疊前同時反演技術則能最大限度保持疊前道集的AVO信息，保證了多種彈性參數(shù)反演的一致性，增強反演結果的可靠性，進而實現(xiàn)對儲集層各項評價參數(shù)的最佳預測[22-25]。本文應用基于全道集的疊前同時反演技術對該地區(qū)頁巖氣儲集層彈性參數(shù)進行了預測，取得了良好效果。圖 6是基于全道集的疊前同時反演與傳統(tǒng)疊前反演所得縱波速度對比，對比結果表明，基于全道集的疊前同時反演所得結果細節(jié)更清晰，對初始模型的依賴程度更低，更能真實反映儲集層變化。

3.3 模糊優(yōu)化定量預測甜點區(qū)

3.3.1 模糊優(yōu)化評價方法原理

該方法通過構建等級模糊子集把反映被評價對象的各個評價指標進行定量化，然后利用模糊變換原理對各指標進行綜合評價分析[26-27]。模糊優(yōu)化的最優(yōu)評判標準是基于最小二乘法原理，給出評價依據(jù)[28]。

3.3.2 方法步驟

①根據(jù)評價需要建立合理的評價矩陣。例如選擇m個評價指標（本文有5個），確定n個評價單元構建綜合評價矩陣A。其中，aij為經過標準化后的各評價指標值，公式如下：

②優(yōu)化確定各評價指標的取值范圍。應用取大取小模糊優(yōu)化法則的數(shù)學變換方法對評價矩陣A進行運算，確定各單項評價指標最佳取值，公式為：

式中gi為各單項評價指標的取值上限，bi為各單項評價指標的取值下限，本文中所得結果為各評價指標的門檻值。

③計算各評價指標在評價結果中所占權重。關鍵是利用層次分析方法，確定各標準化后的單項評價指標在最終結果中所占權重，得到權重系數(shù)向量W。其中，wj為單項評價指標j所占權重，權重系數(shù)wj愈大，代表著該評價指標j對最終評價結果的影響愈大，這里意味著該因素對含氣量控制作用越大。

④綜合評價。利用步驟②、③所得結果計算最終評價值Vi，公式為：

在本研究中Vi越大，目標區(qū)為頁巖氣甜點的幾率越大，表明頁巖氣儲集層甜點特征越突出，越有利于頁巖氣開發(fā)；反之，則越不利于頁巖氣開發(fā)。

4 威遠地區(qū)甜點區(qū)定量預測

圖6 基于全道集的疊前同時反演與傳統(tǒng)疊前反演縱波速度對比

以地震巖石物理分析為基礎，通過基于全道集的疊前地震同時反演技術，獲取各關鍵評價參數(shù)數(shù)據(jù)體，進而得到各關鍵評價參數(shù)的平面分布。其中TOC值由反演密度數(shù)據(jù)體通過TOC定量解釋模板得到，孔隙度由縱波波阻抗數(shù)據(jù)體轉化得到，厚度由TOC數(shù)據(jù)體根據(jù)該地區(qū)的儲集層下限統(tǒng)計得到，壓力系數(shù)應用反演縱波速度數(shù)據(jù)體通過Fillippone壓力計算公式求取，脆性指數(shù)則是根據(jù)彈性模量和泊松比數(shù)據(jù)體用脆性指數(shù)計算公式求取。圖7a是龍一1亞段TOC平均值平面分布圖，該區(qū)塊大部分區(qū)域TOC值為0.7%～4.2%，TOC值較高區(qū)域主要分布于工區(qū)東部及西北部局部區(qū)域；圖7b是龍一1亞段平均孔隙度平面分布圖，該區(qū)塊平均孔隙度2%～10%且分布相對穩(wěn)定，高孔隙度區(qū)主要分布于工區(qū)中部和東部；圖7c是龍一1亞段優(yōu)質儲集層厚度平面分布圖，該區(qū)塊優(yōu)質儲集層厚5～25 m，優(yōu)質儲集層主要分布于工區(qū)東部；圖7d是龍一1亞段平均地層壓力系數(shù)平面分布圖，平均地層壓力系數(shù)1.4～1.7，大部分區(qū)域壓力系數(shù)大于1.5，高壓地層廣泛分布，壓力系數(shù)高于1.55的超壓地層主要分布于工區(qū)東部；圖7e是龍一1亞段平均脆性指數(shù)平面分布圖，該區(qū)塊脆性指數(shù)為0.1～0.6，大部分地區(qū)脆性指數(shù)在0.3以上，總體可壓性較好。

在得到研究區(qū)頁巖氣儲集層TOC值、孔隙度、厚度、地層壓力系數(shù)和地層脆性數(shù)據(jù)體及平面分布的基礎上，結合現(xiàn)場生產實際，選取施工參數(shù)、工藝相同或相近的 2口生產井的測試產量數(shù)據(jù)作為輸出，測井解釋TOC值等關鍵評價參數(shù)為輸入，應用模糊優(yōu)化算法進行自動優(yōu)化分析，最終確定了各關鍵評價參數(shù)的取值范圍及其權重系數(shù)，建立了該地區(qū)甜點區(qū)定量評價及預測體系（見表4）。

從表4評價體系各評價參數(shù)的權重系數(shù)可以看出，在 5個參與評價的單因素中，權重從高到低依次為地層壓力系數(shù)、優(yōu)質儲集層厚度、TOC、孔隙度和脆性指數(shù)。地層壓力系數(shù)、優(yōu)質儲集層厚度和TOC對頁巖氣甜點的分布具有明顯控制作用。孔隙度及脆性指數(shù)權重系數(shù)較小，這與該區(qū)塊孔隙度和脆性指數(shù)普遍較高且分布穩(wěn)定有關。

應用表4所建立的威遠地區(qū)頁巖氣甜點區(qū)地震定量預測體系，將各關鍵評價參數(shù)標準化后進行加權，對研究區(qū)塊進行了定量評價。將評價結果經已鉆井測試產量標定后即可得到最終預測結果（見圖8）。

圖7 威遠201區(qū)塊龍一1亞段各單項評價指標平面分布圖

表4 威遠地區(qū)頁巖氣甜點區(qū)地震定量預測參數(shù)及分類指標

圖8 威遠201區(qū)塊甜點區(qū)定量預測平面圖

選取最新完鉆且施工工藝相同、施工參數(shù)相同或相近的 7口井的測試情況對預測結果的可靠性進行了驗證，驗證結果如表5所示。結果表明，地震預測初始產量及甜點分布與生產測試結果吻合程度較高。

表5 威遠區(qū)塊甜點區(qū)地震定量預測結果與實際測試結果對比

5 結論

四川盆地威遠區(qū)塊龍馬溪頁巖儲集層甜點具有明顯的低縱橫波速度、低密度、低縱橫波波阻抗、低泊松比、低縱橫波速度比特征，縱向上甜點主要分布于龍馬溪組底部，厚度25 m左右，橫向上，頁巖氣甜點區(qū)主要分布于工區(qū)東部、東南部地區(qū)，厚度、平均TOC值等各項關鍵指標分布相對穩(wěn)定。本研究應用模糊優(yōu)化方法對頁巖氣儲集層甜點區(qū)進行綜合定量預測，確定了TOC值等5個影響頁巖氣產量的關鍵評價參數(shù)在綜合評價中的權重，并將最終評價結果采用測試產量標定，實現(xiàn)頁巖氣甜點區(qū)地震預測的定量化，與實際生產測試結果對比表明本文方法可靠性較高。

符號注釋：

aij——經過標準化后的各評價指標值；A——綜合評價矩陣；bi——各單項評價指標的取值下限；gi——各單項評價指標的取值上限；B，G——取值下限矩陣和取值上限矩陣；i——第i個評價單元，取值 1，2，…，n；j——第j個評價指標，取值1，2，…，m；m——評價指標個數(shù)；n——評價單元個數(shù)；W——權重系數(shù)向量；wj——單項評價指標j所占權重；Vi——綜合評價值。