何 嘉 陳小強(qiáng) 韓 翀 趙 磊 楊 孛 聶 舟

（1. 中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610051；2. 四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610051）

0 引言

中國頁巖氣勘探開發(fā)近年來快速發(fā)展，而頁巖氣的裂縫預(yù)測是關(guān)鍵。天然裂縫的發(fā)育程度不僅影響著頁巖氣藏的開采效益，而且決定著頁巖氣藏的品質(zhì)和產(chǎn)量。裂縫發(fā)育有助于頁巖層中游離態(tài)天然氣含量的增加和吸附態(tài)天然氣的解吸與總含氣量的增加。國外已經(jīng)投入開發(fā)的地區(qū)往往天然裂縫系統(tǒng)比較發(fā)育，例如，Michigan盆地北部Antrim組頁巖生產(chǎn)帶主要發(fā)育北西向和北東向兩組近垂直的天然裂縫；Fort Worth 盆地Newark East 氣田Barnett 組頁巖氣產(chǎn)量高低與巖石內(nèi)部微裂縫發(fā)育程度有關(guān)。國內(nèi)川南海相頁巖氣即五峰—龍馬溪組頁巖氣高產(chǎn)也與裂縫發(fā)育緊密相關(guān)。實踐證明，裂縫既是儲集空間也是滲流通道，是頁巖氣從基質(zhì)孔隙流入井底的必經(jīng)通道。在孔隙度小于5%的低孔、滲透率小于0.05 mD低滲的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中，當(dāng)其發(fā)育有足夠的天然裂縫或巖石內(nèi)的微裂縫和納米級孔隙及裂縫經(jīng)壓裂改造后能產(chǎn)生大量裂縫系統(tǒng)時，泥頁巖完全可以成為有效的油氣儲集層或儲集體。

1 頁巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測技術(shù)

頁巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測技術(shù)主要流程是，首先通過構(gòu)造導(dǎo)向濾波使目標(biāo)層位的構(gòu)造更加清晰；然后再應(yīng)用多種疊后裂縫預(yù)測方法及裂縫標(biāo)定對斷層和斷裂系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確解釋，最后建立起精細(xì)的平臺速度場，將時間域轉(zhuǎn)化為深度域的數(shù)據(jù)體，并建立螞蟻體地質(zhì)模型，通過地質(zhì)模型對裂縫進(jìn)行精細(xì)預(yù)測。其中，螞蟻體的解釋以及高精度深度域地質(zhì)模型的建立是其中的關(guān)鍵技術(shù)（圖1）。

1.1 構(gòu)造導(dǎo)向濾波技術(shù)

圖1 頁巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測技術(shù)流程圖

該技術(shù)是筆者引入的針對地震幾何屬性研究和微斷裂發(fā)育區(qū)帶預(yù)測的一項新技術(shù)。由于很多地震幾何屬性在數(shù)學(xué)上表示為二階導(dǎo)數(shù)，易受噪音影響，所以對地震數(shù)據(jù)體的目的層段進(jìn)行空間濾波是求取地震幾何屬性之前的必要步驟。通過壓制任意分析點的頻段來消除噪音是傳統(tǒng)的濾波方法，這種方法在增強(qiáng)地震資料信噪比的同時通常也使反映的有效信息有所削弱。而構(gòu)造導(dǎo)向濾波的原理是首先計算地震反射界面的傾角和方位角，進(jìn)而對反射軸進(jìn)行定向，將有效信號和噪音區(qū)分開來，其中噪音不但包括隨機(jī)噪音，還包括與反射軸交叉的其他方向的相干噪音，從而避免了對斷層、裂縫或其他有意義構(gòu)造的平滑，在提高橫向分辨率的同時保證了其地震道之間的不連續(xù)性。構(gòu)造導(dǎo)向濾波后的地震剖面同相軸的斷開較之濾波前整體更加清晰，垂向斷層更加明顯（圖2）。通過構(gòu)造導(dǎo)向濾波，原始地震剖面中的隨機(jī)噪聲得到了很好的壓制。濾波后的地震數(shù)據(jù)中，在噪聲得到壓制，同相軸連續(xù)性增強(qiáng)的同時，斷層邊界也受到濾波器作用變得平滑（圖2）。而各向異性擴(kuò)散濾波的結(jié)果不僅有效壓制了噪聲、增強(qiáng)了同相軸的一致連續(xù)性，而且很好地保持了斷層的邊界信息，斷面更加清晰，這對于解釋人員來說，斷層和層位的解釋變得更加容易。

圖2 構(gòu)造導(dǎo)向濾波前后地震剖面對比圖

1.2 疊后裂縫預(yù)測方法選取及裂縫標(biāo)定

綜合應(yīng)用多種方法提取的上奧陶統(tǒng)底界斷裂預(yù)測屬性圖，包含相干屬性圖、相似性屬性圖、曲率屬性圖、Likelihood 屬性圖（圖3）。從整體上來看，幾種方法對規(guī)模較大、連續(xù)性較強(qiáng)的主斷裂的預(yù)測規(guī)律比較一致，主斷裂方向主要呈北西向、北東向及北東東向分布，但細(xì)節(jié)有所差異，相似體屬性與相干屬性在主斷裂刻畫上基本一致，黑色均表示地震幾何屬性突變區(qū)域即斷裂發(fā)育區(qū)域（圖3A、圖3B），而曲率和likelihood 屬性能體現(xiàn)更多次級斷裂的細(xì)節(jié)展布（圖3C、圖3D），尤其是由likelihood屬性衍生的faulttracking 屬性圖，其次級斷裂展布刻畫更為清晰，紅綠藍(lán)色表征一級斷裂，黑色表征次級斷裂（圖4）。

圖3 上奧陶統(tǒng)底界斷裂預(yù)測屬性圖

圖4 上奧陶統(tǒng)底界fault-tracking屬性圖

實鉆資料表明，CNH5-1井在鉆井過程中鉆遇小斷裂，在3 525～3 550 m、3 602～3 620 m 附近成像測井響應(yīng)表明有明顯的裂縫發(fā)育。通過井震標(biāo)定，在過井疊前時間偏移剖面中將斷裂投影在相應(yīng)的位置，可以看出，成像測井顯示在鉆遇小斷裂位置地層附近，地震同相軸向上傾斜，出現(xiàn)微幅擾曲，振幅能量出現(xiàn)變化。將上述預(yù)測方法在上奧陶統(tǒng)底界的斷裂預(yù)測結(jié)果在CNH5-1井軌跡位置局部放大，可以看到沿CNH5-1 井軌跡，最大正曲率和likelihood屬性有明顯異常，而likelihood 屬性在抗噪能力和橫向分辨率上較最大正曲率更好，相似性有微弱異常，螞蟻追蹤結(jié)果顯示的細(xì)節(jié)最多。在相應(yīng)的likelihood 屬性剖面上，在斷裂位置出現(xiàn)明顯的對稱性異常，與斷裂位置吻合很好（圖5A）。在相應(yīng)的螞蟻追蹤過井剖面上（圖5B），在同相軸扭動位置并未出現(xiàn)螞蟻追蹤異常，但在鄰近位置出現(xiàn)了螞蟻追蹤異常。結(jié)合前期鉆探經(jīng)驗和前人研究成果表明，螞蟻追蹤異常與鉆井顯示有較好的對應(yīng)關(guān)系，指示的往往是同相軸無明顯扭動的次一級微斷裂。因此，為了更精細(xì)地預(yù)測裂縫，本次選取likelihood 屬性對小斷裂進(jìn)行預(yù)測，運用螞蟻追蹤對次一級更小級別的斷裂進(jìn)行預(yù)測。

螞蟻追蹤是通過地震數(shù)據(jù)來預(yù)測裂縫發(fā)育狀態(tài)和應(yīng)力分布的一種很好的技術(shù)。通過該技術(shù)可以獲得一個低噪音、具有清晰斷裂痕跡的三維數(shù)據(jù)體。螞蟻體的優(yōu)勢在于其對地震數(shù)據(jù)比較敏感，地震數(shù)據(jù)上振幅或是頻率的變化在螞蟻體上都有所體現(xiàn)?；谠摂?shù)據(jù)體可以追蹤斷層，甚至是裂縫發(fā)育帶。在此基礎(chǔ)上可以預(yù)測局部應(yīng)力方向及天然裂縫閉合狀態(tài)，獲得儲層非均質(zhì)性信息及地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)。利用螞蟻體預(yù)測儲層裂縫網(wǎng)絡(luò)以及利用曲率和螞蟻體的結(jié)合預(yù)測潛在影響水力裂縫延伸的壓裂屏障。利用三維地震獲得上述信息進(jìn)行裂縫建模指導(dǎo)壓裂方案設(shè)計以及施工參數(shù)調(diào)整，并且對明確頁巖氣水力延伸及天然裂縫開啟閉合控制因素有很好的指導(dǎo)作用。為了尋找最適合研究區(qū)的螞蟻追蹤技術(shù)進(jìn)行了大量的流程測試和參數(shù)試驗，最終確定應(yīng)用likelihood 屬性進(jìn)行螞蟻追蹤，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置為初始螞蟻分布邊界10、螞蟻追蹤背離1、螞蟻搜索步長3、非法步長2、合法步長3、終止標(biāo)準(zhǔn)1。

圖5 CNH5-1井過井剖面屬性圖

1.3 精細(xì)速度場建立

頁巖氣開發(fā)主要是通過儲層的整體體積壓裂改造來獲得高產(chǎn)，而如何精確控制井周圍空間位置發(fā)育的裂縫形態(tài)首先是要解決精細(xì)速度場的建立。通過已鉆井的測井資料對構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)校正，采用的技術(shù)流程為：收集資料→選取地層小層作為校正地層基面→數(shù)據(jù)處理→建立相關(guān)性→計算求取距基面的真厚度→異常值處理→得出構(gòu)造基面值。方法步驟如下：

1）收集頁巖氣水平井測井資料、井軌跡資料（斜深、垂深、方位、井斜）。

2）選取某一地層分層界面作為校正構(gòu)造基面。

3）建立選取井深x m 處的測井參數(shù)校正構(gòu)造基面真厚度H，其相關(guān)性公式為：

式中，A、B、C、…、a 為常數(shù)，X、Y、Z、…為選取的測井參數(shù)。

4）根據(jù)求出的H，刪除其中的異常數(shù)值，最終得到沿井軌跡向下投影的構(gòu)造基面數(shù)值F：

式中，TVD為對應(yīng)井深x m的垂深數(shù)值。

在研究區(qū)，通過本方法對壓裂前CNH9平臺井的構(gòu)造進(jìn)行了精細(xì)校正，得出五峰組頂精細(xì)校正構(gòu)造面，然后根據(jù)校正后的構(gòu)造面進(jìn)行速度場反演，得到精細(xì)平臺速度場（圖6）。

圖6 平臺井精細(xì)速度場分布圖

1.4 螞蟻體空間刻畫

三維空間刻畫螞蟻體需要突出螞蟻體并去掉非螞蟻體解釋部分。對于螞蟻體部分，需要對其范圍和大小進(jìn)行進(jìn)一步的刻畫，對螞蟻體裂縫采取數(shù)字化處理。將三維螞蟻體導(dǎo)入模型后把三維地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地質(zhì)模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)，詳細(xì)刻畫裂縫的規(guī)模和大小。根據(jù)勘探實踐認(rèn)為，壓裂作業(yè)螞蟻體模型裂縫縱向的影響尺度為上下50 m，在提取的螞蟻體數(shù)據(jù)體中，保留井軌跡上下50 m的螞蟻體，然后刻畫螞蟻體空間，突出螞蟻體儲層空間展布情況、螞蟻體占有效儲層的體積比等。通過建立精細(xì)的平臺速度場，將時間域轉(zhuǎn)化為深度域的數(shù)據(jù)體，建立螞蟻體地質(zhì)模型。

2 驗證及應(yīng)用情況

頁巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測技術(shù)在頁巖氣井的壓裂施工作業(yè)中具有重要的影響。斷層和裂縫系統(tǒng)的預(yù)測可以對在鉆井過程中可能發(fā)生的異常情況進(jìn)行預(yù)警，對鉆后壓裂設(shè)計和施工參數(shù)的選擇以及壓裂施工對鄰井的影響等作業(yè)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.1 裂縫預(yù)測與近井筒井漏情況驗證

本次主要通過該技術(shù)應(yīng)用的41 口井作為樣本進(jìn)行驗證，如鉆井過程的井漏響應(yīng)，見表1。從表1 可以看出，4次井漏井段分別在螞蟻體預(yù)測井段有強(qiáng)響應(yīng)，符合率100%。

表1 井漏統(tǒng)計表

2.2 裂縫預(yù)測與近井筒小斷層情況驗證

CNH13-6井鉆至3 960 m穿越一小斷層，巷道鉆遇小層由龍一11小層穿至龍一13小層，該井螞蟻體裂縫預(yù)測剖面見圖7，從圖7 可以看出，對應(yīng)小斷層的井段，螞蟻體裂縫預(yù)測有明顯的強(qiáng)響應(yīng)特征，符合率100%。

圖7 CNH13-6井螞蟻體裂縫預(yù)測剖面圖

2.3 裂縫預(yù)測與遠(yuǎn)井端壓裂情況驗證

壓裂井與生產(chǎn)井發(fā)生連通1例，對應(yīng)井段預(yù)測裂縫中有大規(guī)模裂縫發(fā)育，符合率100%。CNH10-3井在壓裂過程中，當(dāng)壓裂到裂縫預(yù)測段11 段時對鄰井CNH10-2 的排采造成影響，出現(xiàn)明顯的壓力下降、瞬時產(chǎn)氣量下降和產(chǎn)水量上升，證明預(yù)測裂縫在壓裂過程中導(dǎo)致兩井連通。通過螞蟻體裂縫預(yù)測平面圖可以看出（圖8），對應(yīng)的井段位置在CNH10平臺中兩口井CNH10-2 和CNH10-3 有明顯的裂縫網(wǎng)格連通，如圖8紅色圓圈所示。

圖8 CNH10平臺水平段螞蟻體裂縫預(yù)測圖

2.4 裂縫預(yù)測與微地震響應(yīng)情況驗證

通過裂縫精細(xì)預(yù)測技術(shù)在長寧國家級頁巖氣示范區(qū)的應(yīng)用，分別對比了三家不同微地震監(jiān)測機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，預(yù)測天然裂縫發(fā)育段與微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合，其中，與中國石油川慶鉆探工程有限公司微地震監(jiān)測（CNH2、CNH3 平臺）符合率達(dá)70%，與四川圣諾油氣工程技術(shù)服務(wù)有限公司微地震監(jiān)測（CNH4、CNH6、CNH12）符合率達(dá)80%，與北京創(chuàng)世博鴻科技發(fā)展有限公司微地震監(jiān)測（CNH9）符合率達(dá)30%。

綜上所述，通過計算裂縫與井漏、小斷層符合率和壓裂連通井現(xiàn)象、微地震監(jiān)測符合率，裂縫精細(xì)預(yù)測平均符合率為80%。

2.5 裂縫精細(xì)預(yù)測應(yīng)用

通過大量的勘探實踐發(fā)現(xiàn)，水力壓裂改造在天然裂縫發(fā)育段容易造成液體濾失從而發(fā)生砂堵現(xiàn)象。CNH10-3 井壓裂10 段和11 段時發(fā)生了明顯與CNH10-2 井的連通，既導(dǎo)致CNH10-2 井氣量降低，又因為天然裂縫的溝通發(fā)生砂堵，導(dǎo)致本井加砂壓裂規(guī)模下降。通過裂縫精細(xì)預(yù)測技術(shù)可以有針對性地在壓裂之前對天然裂縫發(fā)育段進(jìn)行優(yōu)化分段分簇，為壓裂改造規(guī)模、工序、工藝提供參考依據(jù)，實現(xiàn)最優(yōu)壓裂改造從而最終提高單井產(chǎn)能。在CNH13平臺進(jìn)行了裂縫精細(xì)預(yù)測，其中對應(yīng)CNH13-5 井16、19 段壓裂段天然裂縫預(yù)測發(fā)育，如圖9 紅色圓圈所示。在16段和19段加砂壓裂時均發(fā)生砂堵現(xiàn)象，通過16 段壓裂驗證了裂縫精細(xì)預(yù)測發(fā)育天然裂縫之后，19 段壓裂調(diào)整了壓裂參數(shù)，從而實現(xiàn)了增加加砂規(guī)模，砂量由81.7 t提高到100.32 t。

圖9 CNH13平臺水平段螞蟻體裂縫預(yù)測圖

3 結(jié)論

1）將原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向濾波處理可以提高信噪比和構(gòu)造解釋精度。

2）應(yīng)用likelihood屬性進(jìn)行螞蟻體追蹤可以優(yōu)化裂縫檢測精度，獲得更小級別的裂縫響應(yīng)，裂縫優(yōu)化參數(shù)設(shè)置為初始螞蟻分布邊界10、螞蟻追蹤背離1、螞蟻搜索步長3、非法步長2、合法步長3、終止標(biāo)準(zhǔn)1。

3）通過勘探實踐表明，裂縫精細(xì)預(yù)測平均符合率為80%。

4）天然裂縫精細(xì)預(yù)測可以有效地指導(dǎo)壓裂改造的規(guī)模、工序、工藝、壓裂參數(shù)的設(shè)置，從而有效地提升改造效果和單井產(chǎn)能。