張殿偉 孫 煒 李雙建 郝運輕 劉 玲

中國石化石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

四川盆地涪陵頁巖氣田的頁巖氣勘探開發(fā)實踐表明，保存條件的好壞是影響頁巖氣資源富集程度的關(guān)鍵因素[1-5]。針對頁巖氣儲層的保存條件的研究和評價工作，前人從地質(zhì)及構(gòu)造分析的角度做了大量的研究。魏祥峰等[6]通過研究建立了四川盆地及周緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)下古生界海相頁巖氣5大類、28項參數(shù)的保存條件綜合評價指標(biāo)體系，并指出壓力系數(shù)可在一定程度上指示保存條件的優(yōu)劣；董清源等[7]綜合成藏條件、構(gòu)造特征、蓋層條件、地層水特征及頁巖氣組分等因素對上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣保存條件進行了探討，并建立了保存條件評價指標(biāo)，優(yōu)選了保存條件有利區(qū)；何順等[8]從構(gòu)造因素、頂?shù)装鍡l件、埋深、地層壓力系數(shù)、水文地質(zhì)及氣體組分條件等非構(gòu)造因素出發(fā)，分析了川東南丁山地區(qū)頁巖氣的保存條件。

從前人的研究成果來看，目前關(guān)于保存條件的研究主要是從地質(zhì)因素考慮建立保存條件評價標(biāo)準(zhǔn)，并優(yōu)選保存條件有利區(qū)，但是利用地球物理方法預(yù)測保存條件特征的研究則相對較少。為此，筆者從頁巖氣保存條件的兩項指示參數(shù)——裂縫和地層壓力系數(shù)出發(fā)，利用地球物理方法對頁巖氣層的保存條件進行評價，形成了一套能夠有效預(yù)測頁巖氣保存條件分布特征的新方法，并基于涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁巖氣井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對比探討了新方法的適用性。

1 方法原理

1.1 基于方位各向異性的裂縫預(yù)測方法

泥頁巖中的裂縫依其產(chǎn)狀可分為水平縫（或低角度縫）與高角度裂縫。水平縫一般沿著裂縫的順層薄弱面發(fā)育，有利于頁巖氣的保存；高角度裂縫的密集發(fā)育，容易造成頁巖氣的散失，是保存條件被破壞的重要特征。從目前的地球物理預(yù)測技術(shù)現(xiàn)狀來看，水平縫的預(yù)測技術(shù)仍不成熟，相比之下，基于方位各向異性的高角度裂縫預(yù)測技術(shù)應(yīng)用范圍較廣。因此，筆者利用基于方位各向異性的裂縫預(yù)測技術(shù)描述高角度縫的分布特征，作為保存條件是否被破壞的依據(jù)。

基于具有水平對稱軸的橫向各向同性（Transversely Isotropy with a Horizontal Axis of Symmetry，簡稱HTI）介質(zhì)的方位各向異性裂縫預(yù)測技術(shù)，目前應(yīng)用最廣泛的方法是Rüger[9-10]基于弱各向異性的概念，結(jié)合Thomsen的各向異性系數(shù)，在小入射角的前提下得到各向異性介質(zhì)中反射系數(shù)隨方位角和入射角變化的公式，即

式中θ表示入射角，(e)；表示方位角（圖1），(e)；RP(θ,)表示與入射角θ和方位角相關(guān)的縱波反射系數(shù)；Z=ρα表示縱波波阻抗，g/cm3gm/s；ρ表示介質(zhì)密度，g/cm3；α表示縱波速度，m/s；G=ρβ2表示剪切模量，Pa；β表示橫波速度，m/s；γ、δ、ε表示Thomsen各向異性系數(shù)；、分別表示上、下界面物理量的差值、均值，其中分別表示α、β、γ、δ、ε、G、Z。

圖1 縱波在HTI介質(zhì)模型中的入射示意圖

Rüger在小入射角的前提下，對式（1）進一步簡化，并引入了各向同性項Biso和各向異性項Bani，將地震反射系數(shù)變?yōu)锽iso、Bani以及裂縫方位角的關(guān)系式[10-11]，即

基于式（2），可以對方位各向異性強度進行求取。具體的實現(xiàn)方法一般包括兩種：①利用3個方位或3個方位以上的地震振幅數(shù)據(jù)，對3個未知量進行超定方程組的求解[12]，將求出的各向同性項Biso和各向異性項Bani進行比值運算，即可得到方位各向異性強度，同時求解出的方位角為裂縫的對稱軸方向；②對原始方位角道集進行分方位角疊加、偏移處理，然后在不同方位角的地震數(shù)據(jù)上進行地震屬性求取，最后在方位角—地震屬性的坐標(biāo)系中進行方位各向異性橢圓的擬合，橢圓的長軸或短軸方向代表著裂縫的走向，且裂縫密度越大、各向異性越強，橢圓的扁率越小，橢圓越扁[12-17]。

利用上述兩種方法，均可實現(xiàn)對高角度裂縫的裂縫發(fā)育程度以及裂縫方向的預(yù)測，筆者采用方法②以實現(xiàn)對各向異性強度及方向的求取。

1.2 基于疊前縱波波阻抗反演的地層壓力預(yù)測方法

地層壓力即孔隙流體壓力，是由巖石孔隙中地層水、石油、天然氣等地質(zhì)流體作用產(chǎn)生的壓力。在任何地質(zhì)背景下，正常地層壓力與從地表到目的層的靜水柱壓力相等，偏離正常壓力趨勢線的壓力被認(rèn)為是異常地層壓力。

在對焦石壩區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣儲層的研究中發(fā)現(xiàn)，異常地層壓力是頁巖氣富集高產(chǎn)的重要標(biāo)志[1-5]。地層壓力出現(xiàn)異常高壓現(xiàn)象的根本原因是天然氣在封閉空間（如有機孔等）內(nèi)的大量聚集，異常高壓說明頁巖儲層的保存條件較好。

目前，在勘探階段針對地層壓力評價的方法主要是綜合地震數(shù)據(jù)和地層壓力計算公式進行區(qū)域地層壓力計算，并進一步結(jié)合靜水壓力實現(xiàn)地層壓力系數(shù)的預(yù)測。地層壓力計算公式有等效深度法、Eaton公式法及其改進方法和Fillippone公式法及其改進方法等。等效深度法和Eaton公式法中的正常壓實趨勢線往往難于確定，而Fillippone公式法雖然避免了建立正常壓實趨勢線，但是，其地層壓力預(yù)測精度受控于求取的層速度精度的影響，分辨率較低。

筆者提出了基于疊前縱波波阻抗反演的新的地層壓力系數(shù)預(yù)測方法（以下簡稱波阻抗反演法），如式（3）：

式中ap表示地層壓力系數(shù)，無量綱；p地層表示地層壓力，MPa；p靜水表示地層靜水柱壓力，MPa；p視巖表示基于縱波阻抗構(gòu)建的地層壓力，MPa；p靜巖表示地層靜巖壓力，MPa；A表示壓力校正系數(shù)，無量綱。

對于有實測地層壓力數(shù)據(jù)的井段，可以根據(jù)測井曲線計算出靜水柱壓力值、靜巖壓力值和視巖壓力值，結(jié)合實測地層壓力可得到對應(yīng)的校正系數(shù)A；再分別計算出靜水柱壓力數(shù)據(jù)體、靜巖壓力數(shù)據(jù)體和視巖壓力數(shù)據(jù)體，結(jié)合式（3）可計算目的層段的地層壓力系數(shù)數(shù)據(jù)體，從而描述目的層地層壓力的分布特征。筆者研究中將新公式與傳統(tǒng)Fillippone法進行了單井預(yù)測精度的對比，結(jié)果表明新公式的精度更高，從而證實了該方法的有效性（圖2）。

圖2 JY1井地層壓力系數(shù)預(yù)測與實測結(jié)果對比圖

2 應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)地質(zhì)背景

涪陵頁巖氣田焦石壩構(gòu)造屬于四川盆地東部川東褶皺帶，構(gòu)造上位于萬縣復(fù)向斜的南部與方斗山背斜帶西側(cè)的交匯處，邊界主要受北東向大耳山西斷層、石門斷層、吊水巖斷層、天臺場斷層等斷層及北西向烏江斷層控制[18-19]，主體構(gòu)造特征總體表現(xiàn)為南寬北窄、中部寬緩的特點，北東走向，主體為平緩的箱狀背斜，背斜兩側(cè)發(fā)育多條逆斷層（圖3）。從應(yīng)力特征來看，位于正向構(gòu)造焦石壩斷背斜的構(gòu)造高部位以張應(yīng)力為主[18-19]。筆者研究的地震數(shù)據(jù)面積為464 km2，目的層為五峰組—龍馬溪組的一套優(yōu)質(zhì)泥頁巖（五峰組與龍馬溪組巖性相同，且五峰組地層厚度小于10 m[1-2]，地震剖面上兩套地層無法區(qū)分）。

頁巖氣儲層有多種孔隙類型，但都是以微米—納米級孔隙為主。Yang等[20-21]針對泥頁巖特低孔、特低滲的特點，利用流體示蹤實驗分析了泥頁巖地層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為：①頁巖內(nèi)部連通孔隙非常少，裂縫是頁巖氣擴散的主要通道，裂縫是影響頁巖氣保存的關(guān)鍵因素；②大量的不連通微米—納米孔隙存在于泥頁巖烴源巖中，這些不連通孔隙內(nèi)氣體的不斷聚集可能是頁巖氣地層形成超壓的重要成因。

圖3 焦石壩構(gòu)造五峰組底界構(gòu)造圖

2.2 裂縫發(fā)育特征

利用各向異性來預(yù)測高角度裂縫，就是利用不同方位角的地震屬性差異來擬合方位各向異性橢圓，并進一步預(yù)測裂縫的發(fā)育程度和方向。賀振華等[17]認(rèn)為裂縫特別是高角度裂縫的地震波動力學(xué)屬性（頻率、衰減等）比其運動學(xué)屬性（速度、旅行時間）更為敏感。此外，在動力學(xué)屬性中，衰減相關(guān)屬性與裂縫的關(guān)系更為密切[13]。筆者以收集到的成像測井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行屬性優(yōu)選，最終確定使用85%衰減頻率屬性。該屬性是指在有效頻帶范圍內(nèi)，能量衰減到85%時對應(yīng)的頻率值（fm1），計算公式為：

式中fh和f1分別表示有效頻帶的最高頻率和最低頻率，Hz；p(f)表示頻譜函數(shù)。

利用頻率衰減屬性進行各向異性橢圓的擬合得到研究區(qū)各向異性強度的數(shù)據(jù)體，可用于描述高角度裂縫的分布特征。首先從剖面上驗證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，將預(yù)測結(jié)果的剖面圖在井點處放大，并與對應(yīng)深度段的成像測井進行對比（圖4-a～d）。從對比情況來看，JY4井的無裂縫段在預(yù)測結(jié)果上表現(xiàn)為局部低值，JY1井、JY2和JY3井的裂縫段均對應(yīng)局部高值區(qū)，預(yù)測結(jié)果與成像測井的裂縫發(fā)育情況較為一致，表明預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 預(yù)測各向異性強度與單井成像測井對比圖

對得到的高角度裂縫數(shù)據(jù)體進行平面成圖，得到焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組高角度裂縫的平面分布特征（圖5）。圖5中平面圖的色標(biāo)表示各向異性強度，用于表征高角度縫的發(fā)育情況，暖色調(diào)代表高角度縫發(fā)育區(qū)；玫瑰圖的暖色調(diào)表示預(yù)測裂縫的優(yōu)勢方向。從圖5可以看出，裂縫方向與最大水平主應(yīng)力方向一致，以近東西向為主，北東東—南西西向為輔；高角度縫主要發(fā)育在斷層附近，箱狀背斜區(qū)高角度裂縫不發(fā)育。此外，基于4口井的成像測井資料，對預(yù)測的裂縫方向進行進一步對比分析發(fā)現(xiàn)，單井預(yù)測裂縫方向與成像測井的最大水平主應(yīng)力方向較為一致，預(yù)測的裂縫方向準(zhǔn)確（表1）。

圖5 焦石壩構(gòu)造五峰組—龍馬溪組各向異性強度平面圖

2.3 地層壓力系數(shù)分布特征

筆者收集了8口的實測地層壓力數(shù)據(jù)（表2），以實測地層壓力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別利用傳統(tǒng)的Fillippone公式法以及波阻抗反演法來預(yù)測研究區(qū)龍一1亞段的地層壓力系數(shù)分布特征（圖6-a、b），并基于實測地層壓力數(shù)據(jù)，進行兩種方法預(yù)測結(jié)果的誤差對比（表2），驗證兩種方法預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

結(jié)合圖6和表2的數(shù)據(jù)分析認(rèn)為：①從地層壓力系數(shù)分布圖的分辨率來看，F(xiàn)illippone公式法預(yù)測的超壓發(fā)育帶呈大片連續(xù)分布，分辨率較低，波阻抗反演法的預(yù)測結(jié)果分辨率更高；②從地層壓力系數(shù)的分布特征來看，兩種方法預(yù)測的地層壓力系數(shù)整體趨勢較為一致，預(yù)測的超壓均主要分布在研究區(qū)的中部和東北部地區(qū)；③從預(yù)測精度的誤差分析來看，F(xiàn)illippone公式法預(yù)測的結(jié)果誤差較大；波阻抗反演法預(yù)測的平均相對誤差絕對值為12.86%，單井最大相對誤差絕對值為18.18%，預(yù)測精度相對更高。

2.4 保存系數(shù)

采用波阻抗反演法預(yù)測的地層壓力系數(shù)與開發(fā)井的無阻流量關(guān)系如圖7所示。利用波阻抗反演法得出的地層壓力系數(shù)與單井無阻流量線性相關(guān)關(guān)系總體較好，但個別井、特別是低產(chǎn)井（JY3-3HF、JY7-2HF及JY1-3HF）的地層壓力系數(shù)與單井無阻流量一致性并不好，這說明頁巖氣開發(fā)井產(chǎn)量除了受地層壓力的影響，還與其他因素有關(guān)。

表1 疊前方位各向異性預(yù)測裂縫方向與單井裂縫方向?qū)Ρ缺?/p>

表2 兩種方法的地層壓力系數(shù)預(yù)測結(jié)果分析表

圖6 兩種方法預(yù)測的焦石壩構(gòu)造龍一1亞段地層壓力系數(shù)平面圖

圖7 焦石壩區(qū)塊部分頁巖氣井無阻流量與波阻抗反演法地層壓力系數(shù)對比圖

考慮到裂縫發(fā)育可能會對保存條件產(chǎn)生影響，因此，結(jié)合井上無阻流量數(shù)據(jù)，將高角度裂縫預(yù)測結(jié)果與地層壓力系數(shù)的預(yù)測結(jié)果進行綜合對比分析，并通過各向異性強度與地層壓力系數(shù)構(gòu)建新的參數(shù)——保存系數(shù)（Preservation Indicator）來進行保存條件與頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)系分析，即

式中PIimp表示保存系數(shù)；Fden表示各向異性強度；pc-imp表示波阻抗反演法預(yù)測的地層壓力系數(shù)。

將前述研究中得到的各向異性強度數(shù)據(jù)體以及地層壓力系數(shù)數(shù)據(jù)體代入到式（5），即可得到保存系數(shù)的分布特征（圖8），將計算所得的保存系數(shù)與氣井無阻流量進行進一步對比（圖9）可以看出，保存系數(shù)與頁巖氣無阻流量對應(yīng)性較好，并且彌補了低產(chǎn)井與無阻流量之間的不吻合關(guān)系，從而驗證了新的頁巖氣保存條件預(yù)測參數(shù)的有效性。

圖8 焦石壩構(gòu)造龍一1亞段保存系數(shù)平面圖

圖9 焦石壩區(qū)塊部分頁巖氣井保存系數(shù)與無阻流量對比圖

3 結(jié)論

1）頁巖氣藏的保存條件與產(chǎn)量的關(guān)系密切，綜合裂縫發(fā)育強度和地層壓力系數(shù)提出的新參數(shù)——保存系數(shù)，能夠較好的評價頁巖氣的保存條件。

2）疊前方位各向異性裂縫預(yù)測方法和疊前縱波阻抗反演方法兩種地球物理技術(shù)方法對疊前地震數(shù)據(jù)有一定要求，需要疊前數(shù)據(jù)有足夠?qū)挼姆轿唤羌拜^大的偏移距范圍，以保證預(yù)測結(jié)果的可靠性。

3）保存條件評價對于頁巖氣勘探開發(fā)具有重要的參考意義，應(yīng)進一步將地質(zhì)與地球物理相結(jié)合，形成更為完善的頁巖氣保存條件評價體系，從而推動我國頁巖氣勘探開發(fā)的進程。