李 柯 唐 誠(chéng) 王崇敬 梁 波 施 強(qiáng) 歐傳根

（①中石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心；②中石化經(jīng)緯有限公司西南測(cè)控公司）

0 引言

頁(yè)巖氣是近年來(lái)的勘探開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，在鉆探過(guò)程中，經(jīng)常鉆遇不同規(guī)模的斷層，由于斷層展布特征較為復(fù)雜，對(duì)水平井的施工影響極大，針對(duì)地層開(kāi)展斷層識(shí)別的研究成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[1]?；诘卣鸾忉?、特殊測(cè)井、巖心觀察等多種方法，已經(jīng)取得了較多技術(shù)成果[2-4]。梁志強(qiáng)[5]開(kāi)展了斷層尺度的分類(lèi)研究，按走向延伸長(zhǎng)度將斷層劃分為大尺度、中等尺度、小尺度、微尺度4 個(gè)級(jí)別。大尺度或中等尺度的斷層識(shí)別主要基于地震常規(guī)解釋方法，技術(shù)較為成熟，已廣泛應(yīng)用于井位部署工作中。但是，地震解釋的精度有限，小尺度及以下規(guī)模的斷層響應(yīng)不明顯，而這類(lèi)斷層對(duì)井控安全、水平井優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率影響極大，是頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)”的重要控制因素。由于大量的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井不測(cè)井、不取心，常規(guī)方法已不適用于微小尺度斷層的識(shí)別。針對(duì)上述問(wèn)題，本文介紹一種基于井震結(jié)合的小微尺度斷層綜合識(shí)別方法，為頁(yè)巖氣水平井的鉆頭位置識(shí)別提供可靠的依據(jù)，也可供其他類(lèi)型油氣藏的斷層識(shí)別借鑒參考。

1 斷層識(shí)別方法適應(yīng)性分析

目前針對(duì)斷層識(shí)別的方法主要集中在地震解釋、測(cè)井解釋、巖心觀察等方面。測(cè)井解釋與巖心觀察方法能精確識(shí)別出厘米-米級(jí)別的微小尺度斷層，是開(kāi)展綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)的重要手段之一[6-7]。但是，由于大量的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井不測(cè)井、不取心，導(dǎo)致這兩種方法無(wú)法得到應(yīng)用。近年來(lái)主要的研究熱點(diǎn)集中在地震解釋領(lǐng)域，地震檢測(cè)方法[2-4]大致可分為疊前與疊后分析兩大類(lèi)，由于疊前技術(shù)需要的計(jì)算量較大，在隨鉆過(guò)程中的應(yīng)用沒(méi)有疊后分析技術(shù)廣泛。本次研究重點(diǎn)采用了疊后屬性分析與隨鉆資料分析相結(jié)合的方式，主要地質(zhì)對(duì)象為川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組海相頁(yè)巖氣地層。

川南頁(yè)巖氣工區(qū)的主要目的層埋深介于3500～4200 m 之間。張勇[8]研究表明地震資料對(duì)斷層的分辨能力與地層埋深關(guān)系密切，埋深達(dá)到3500 m 時(shí)，可分辨的斷距為25.90 m。

周津宇等[9]開(kāi)展的正演模型研究表明，斷距≥20 m 的斷層人工解釋可以識(shí)別。由于實(shí)際的地震資料受采集條件的限制和噪聲的影響，不同資料的分辨能力會(huì)有差異，為準(zhǔn)確落實(shí)本工區(qū)的地震解釋精度，開(kāi)展了正演模型試驗(yàn)。根據(jù)工區(qū)三維地震資料，選取Ricker 子波頻率為35 Hz，模型自上而下龍馬溪組-五峰組的巖性為黑灰色頁(yè)巖，臨湘組的巖性為黃灰色灰?guī)r，并在頁(yè)巖底界上設(shè)計(jì)了5、10、20 m 三種斷距的逆斷層，根據(jù)工區(qū)內(nèi)導(dǎo)眼井的測(cè)井資料設(shè)定了各自的縱波速度和密度。斷層正演模型表明（圖1）：當(dāng)斷距達(dá)到20 m 時(shí)，地震響應(yīng)清楚，同相軸有明顯的錯(cuò)斷；當(dāng)斷距為10 m 時(shí)，同相軸有輕微變形，單獨(dú)分析地震資料難以判斷是否為斷層；當(dāng)斷距為5 m 時(shí)，同相軸幾乎沒(méi)有變化。

圖1 工區(qū)目的層不同斷距的斷層正演模型

2 井震結(jié)合斷層識(shí)別方法研究

根據(jù)地震正演結(jié)果，斷距大于20 m 的斷層能夠通過(guò)常規(guī)地震剖面資料進(jìn)行分辨，斷距為10～20 m的斷層需要結(jié)合地震屬性等方法綜合分析，斷距小于10 m 的斷層則難以直接通過(guò)地震資料進(jìn)行分辨。由于常規(guī)地震解釋、常用屬性分析方法的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，本文重點(diǎn)研究斷距為10～20 m 的小尺度斷層及斷距小于10 m 的微尺度斷層的識(shí)別方法。

2.1 小尺度斷層識(shí)別方法

目前主要有螞蟻?zhàn)粉?、最大似然屬性等地震屬性分析方法[3，5，7，9]。螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)模擬自然界中螞蟻的覓食行為，使用過(guò)程中需要設(shè)定螞蟻邊界、追蹤偏差、螞蟻步長(zhǎng)、允許非法步數(shù)量、終止條件等，這些參數(shù)對(duì)控制螞蟻?zhàn)粉櫡浅ｊP(guān)鍵，不同的參數(shù)對(duì)識(shí)別結(jié)果影響極大[3]。最大似然屬性計(jì)算方法基于極大似然估計(jì)原理，需要設(shè)置的參數(shù)主要為傾角時(shí)窗、方位角時(shí)窗以及水平和垂直網(wǎng)格等，且不同參數(shù)的設(shè)置對(duì)細(xì)節(jié)的刻畫(huà)有一定的影響[10]。根據(jù)算法原理比較，以及在不同工區(qū)進(jìn)行的實(shí)際應(yīng)用效果對(duì)比[5，9]，最大似然屬性分析數(shù)據(jù)體需要設(shè)置的控制參數(shù)更容易確定，并且是全局性的算法。因此，本文小尺度斷層識(shí)別分析研究采用了最大似然屬性計(jì)算方法。

地下地質(zhì)體的產(chǎn)狀可以用走向、傾向和傾角來(lái)描述，如果在開(kāi)展地震解釋或?qū)傩苑治鰰r(shí)忽略掉地層產(chǎn)狀，會(huì)導(dǎo)致地震資料的分辨能力降低。沿地層反射傾角方向進(jìn)行掃描、計(jì)算或追蹤，這個(gè)過(guò)程稱為傾角控制。在傾角控制的基礎(chǔ)上再開(kāi)展地震資料的應(yīng)用，能有效壓制隨機(jī)噪聲，獲得更加準(zhǔn)確的地質(zhì)體信息，斷層的刻畫(huà)能力會(huì)明顯增強(qiáng)[11-12]?；谶@樣的思路，建立了小尺度斷層識(shí)別的步驟。

首先應(yīng)用疊后地震數(shù)據(jù)體計(jì)算傾角與方位角數(shù)據(jù)體，然后開(kāi)展傾角控制增強(qiáng)處理，最后利用獲得的成果數(shù)據(jù)體計(jì)算最大似然屬性。如果斷層不發(fā)育，地震相鄰道相似性好，屬性減弱，通常用淺色表示；當(dāng)斷層較發(fā)育時(shí)，地震相鄰道的相似性不好，屬性增強(qiáng)，通常用深色表示（圖2）。屬性增強(qiáng)表明存在異常，因此可以根據(jù)屬性是否有異常來(lái)識(shí)別小尺度斷層。小尺度斷層識(shí)別過(guò)程中，關(guān)鍵步驟在于傾角控制增強(qiáng)和最大似然屬性的計(jì)算。傾角控制增強(qiáng)需要計(jì)算空間上每個(gè)點(diǎn)的傾角與方位角，以計(jì)算樣點(diǎn)為中心選取對(duì)比視窗，利用傾角及方位角的變化計(jì)算相鄰道的相似性，最后獲得增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)體。最大似然屬性的計(jì)算過(guò)程將地震數(shù)據(jù)的每一個(gè)采樣點(diǎn)看做一個(gè)立體像素單元，其中包括振幅、傾角及走向等信息，在計(jì)算過(guò)程中，比較每一個(gè)采樣點(diǎn)與地震數(shù)據(jù)體內(nèi)所有采樣點(diǎn)之間的相似性，保留最小的相似性，將其作為最大似然法分析結(jié)果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全局歸一，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)使得具有相近相似性的立體像素相連接，得到最大似然屬性的計(jì)算結(jié)果。具體計(jì)算公式[10]為：

圖2 最大似然屬性識(shí)別斷層效果

式中：S為地震道間的相似性屬性；g為疊后地震數(shù)據(jù)體；（*）s代表計(jì)算括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)體采樣點(diǎn)的構(gòu)造導(dǎo)向平滑；（*）f代表沿?cái)鄬幼呦?、傾向方向進(jìn)行濾波；F為最終計(jì)算得到的斷層似然屬性，其值為0～1，由于相似性屬性S進(jìn)行了8 次乘方，增強(qiáng)了F低值與高值之間的差異，使斷層的線性特征更加明顯。

2.2 微尺度斷層識(shí)別方法

由于微尺度斷層在地震剖面上沒(méi)有響應(yīng)，只能依靠隨鉆資料進(jìn)行識(shí)別分析。川南海相頁(yè)巖地層中主要目的層為五峰組-龍馬溪組，自下而上劃分為①至⑨小層，其中②、③小層自上而下有3 個(gè)高伽馬峰值，分別命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ峰，Ⅱ峰與Ⅲ峰是水平井鉆探的主要靶窗[13-14]。實(shí)鉆資料表明，川南海相頁(yè)巖地層中正常連續(xù)沉積時(shí)橫向上地層非常穩(wěn)定，在縱向上的同樣位置，隨鉆伽馬、元素錄井等數(shù)值的變化幅度較小，而鉆遇斷層后，隨鉆伽馬、元素錄井等數(shù)值會(huì)有一定的變化。通過(guò)研究建立了伽馬比值法和元素三維顯示圖板法來(lái)識(shí)別微尺度斷層。

2.2.1 伽馬比值法

為了表征地層是否發(fā)生變化，定義了伽馬比值（GRB/GRA，其中GRA為GRB上一米的伽馬測(cè)值，GRB為當(dāng)前井深的伽馬測(cè)值），伽馬比值＞1 為伽馬上升，伽馬比值＜1 為伽馬下降。

受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，水平井沿井軌跡方向正常地層也存在一定的起伏，地層傾角會(huì)發(fā)生變化，鉆遇不同的地層位置導(dǎo)致伽馬測(cè)值易發(fā)生較大變化。圖3基于工區(qū)內(nèi)的典型井A-1 井導(dǎo)眼的實(shí)鉆數(shù)據(jù)，模擬出可能鉆遇上傾、下傾、近水平3 種地層產(chǎn)狀條件下的水平段，分析不同位置、不同地層產(chǎn)狀條件下的伽馬比值。模擬結(jié)果表明，正常地層隨地層傾角變化，伽馬比值介于0.81～1.25 之間，當(dāng)伽馬比值超出此范圍時(shí)，判定為地層內(nèi)發(fā)育了斷層。

圖3 A-1 井模擬不同地層產(chǎn)狀條件下的伽馬變化示意

2.2.2 元素三維顯示圖板法

利用伽馬比值法可以識(shí)別出伽馬測(cè)值有明顯變化的斷層，但在實(shí)鉆與模擬過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷層的斷距很小，特別是在Ⅲ峰內(nèi)部鉆遇斷層，從Ⅲ峰上半幅鉆入下半幅，或者從下半幅鉆入上半幅，斷層前后的伽馬測(cè)值相近，伽馬比值同樣介于0.81～1.25 之間，無(wú)法利用伽馬比值法識(shí)別斷層。因此，需要結(jié)合其他錄井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)判斷鉆遇的地層是否連續(xù)。

唐誠(chéng)等[13]研究了元素三維顯示圖板，將Ⅲ峰自上而下劃分為上半幅、峰尖、下半幅A 段、下半幅B 段4個(gè)不同的部位（圖4a），Ⅲ峰的上半幅和下半幅A 段的伽馬測(cè)值非常接近，如果在Ⅲ峰上半幅發(fā)育斷層直接進(jìn)入下半幅A 段，或者從下半幅A 段直接進(jìn)入上半幅，無(wú)法采用伽馬比值來(lái)判斷，但是在元素三維顯示圖板上[13]具有較好的區(qū)分度：Ⅲ峰上半幅為中-高Si、中-高Al、中等Ca 特征，Ⅲ峰下半幅A 段為低Si、中-高Al、中-高Ca 特征，Ⅲ峰下半幅B 段為中-高Si、低-中Ca、中等Al特征（圖4b）。雖然上半幅和下半幅B 段有一定的相似性，但從上半幅到下半幅B段，正常地層層序情況下需要經(jīng)過(guò)峰尖、下半幅A 段，反之亦然。因此，通過(guò)利用元素三維顯示圖板不間斷地分析，可獲得鉆頭位置穿行軌跡，能判斷地層連續(xù)或者存在缺失，如果發(fā)現(xiàn)鉆頭穿行的位置突然從Ⅲ峰的上半幅穿行到下半幅，或者從Ⅲ峰的下半幅穿行到上半幅及以上的地層，但沒(méi)有出現(xiàn)峰尖，則判斷為鉆遇斷層。綜合伽馬比值和元素三維顯示圖板，能有效識(shí)別是否鉆遇了微尺度斷層。

圖4 A 6 井Ⅲ峰峰形劃分及元素三維顯示圖板

2.3 井震結(jié)合斷層識(shí)別流程

地震資料是識(shí)別大尺度、中尺度斷層的主要手段，小尺度斷層具有一定的隱蔽性，通過(guò)采用傾角控制增強(qiáng)，計(jì)算最大似然屬性能提高小斷層的識(shí)別精度，而微尺度斷層的地震剖面上基本沒(méi)有響應(yīng)，需要利用隨鉆伽馬、元素錄井等資料開(kāi)展識(shí)別。通過(guò)多種方法綜合應(yīng)用，建立井震結(jié)合斷層識(shí)別流程，如圖5所示。需要注意的是，雖然微尺度斷層在地震屬性上沒(méi)有明顯響應(yīng)，但小尺度斷層可能會(huì)出現(xiàn)伽馬比值或元素三維顯示圖板異常，因而需要綜合應(yīng)用。

圖5 井震結(jié)合斷層識(shí)別流程

3 應(yīng)用效果

通過(guò)研究建立的斷層識(shí)別流程與判別標(biāo)準(zhǔn)在川南頁(yè)巖氣工區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。根據(jù)區(qū)域特征并結(jié)合已鉆井分析，工區(qū)內(nèi)不同程度地發(fā)育了斷層，多數(shù)屬于小尺度或微尺度規(guī)模斷層，斷層性質(zhì)為以壓性或壓扭性為主的逆斷層[14]。

3.1 總體符合率統(tǒng)計(jì)

截至2020 年底，已經(jīng)完鉆60 口井，其中16 口井的穿行位置上最大似然屬性有異常，地震屬性識(shí)別斷層無(wú)異常井有44 口，但2 口井伽馬比值異常，3 口井元素三維顯示圖板異常，最終實(shí)鉆鉆遇斷層井?dāng)?shù)11口。盡管16 口井地震屬性異常，但實(shí)鉆只有6 口井鉆遇斷層，沒(méi)有鉆遇斷層的井主要分布在A 6、C 6、C 9 平臺(tái)，另有5 口井由于斷距極小，超出了地震屬性能夠識(shí)別的范圍，只能依靠伽馬比值與元素三維顯示圖板識(shí)別斷層。故地震屬性異常符合率僅為75%，綜合多種識(shí)別方法后的總符合率為83.33%（表1）。

表1 川南工區(qū)小微尺度斷層識(shí)別符合率統(tǒng)計(jì)

3.2 典型井應(yīng)用效果

以C 9平臺(tái)為例，該平臺(tái)C 9-6井鉆遇了小尺度斷層，C 9-2井鉆遇了微尺度斷層。

3.2.1 C 9-6井

C 9-6 井鉆前分析表明，常規(guī)地震剖面無(wú)明顯異常，地層產(chǎn)狀較為平穩(wěn)，但最大似然屬性存在明顯異常，平面上分析水平段尾部將橫穿該異常層段（圖6、圖7）。實(shí)鉆水平段至井深5 161.00 m，井斜89.70°，隨鉆伽馬測(cè)值突降，伽馬比值由1.10 下降至0.56，結(jié)合地震屬性分析結(jié)果，判斷為鉆遇逆斷層。結(jié)合錄井?dāng)?shù)據(jù)分析鉆頭從Ⅲ峰上穿進(jìn)入Ⅰ-Ⅱ峰之間的地層，為確保軌跡回到靶窗，緩慢降斜至88.1°，于井深5 370.00 m 開(kāi)始隨鉆伽馬測(cè)值緩慢上升，軌跡回到Ⅲ峰上半幅，驗(yàn)證了斷層判斷可靠。

圖6 川南工區(qū)已鉆井最大似然屬性應(yīng)用效果

圖7 C 9-6 井小尺度斷層識(shí)別效果

3.2.2 C 9-2井

C 9-2 井鉆前常規(guī)地震剖面、地震屬性分析均無(wú)明顯異常。實(shí)鉆過(guò)程中（圖8），根據(jù)元素三維顯示圖板判斷4 200.00～4 250.00 m 井段為Ⅲ峰下半幅A段，隨鉆伽馬測(cè)值由520 API 緩慢降至340 API，4 250.00～4 406.00 m 井段元素三維顯示圖板顯示為Ⅲ峰下半幅B 段，軌跡略下切地層。4 406.00～4 422.00 m 井段隨鉆伽馬測(cè)值在220～270 API 之間，基本沒(méi)有變化，但元素特征有明顯變化，元素三維顯示圖板表明該段不屬于Ⅲ峰下半幅B 段或A 段，地層存在缺失，綜合分析判斷鉆遇微尺度斷層，鉆頭上穿出靶框。經(jīng)持續(xù)降斜后于井深4 632.00 m 回到Ⅲ峰，隨鉆伽馬測(cè)值特征明顯，驗(yàn)證了存在微尺度斷層。

圖8 C 9-2 井微尺度斷層識(shí)別效果

通過(guò)斷層識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，采用井震結(jié)合斷層識(shí)別流程，準(zhǔn)確地識(shí)別出小微尺度斷層，為頁(yè)巖氣水平井的施工提供了技術(shù)支撐。

3.3 誤差原因分析

從應(yīng)用效果分析，在識(shí)別誤差方面，依據(jù)地震屬性的小尺度斷層判別方法，雖然沒(méi)有發(fā)生漏判，但誤判較多，特別是靠近工區(qū)邊緣的井，地震屬性異常較多，但最終實(shí)鉆驗(yàn)證結(jié)果表明，一些明顯異常的位置并沒(méi)有發(fā)育斷層。因此開(kāi)展誤差的原因分析，有利于明確后續(xù)的研究方向。

3.3.1 地震資料具有多解性

地震資料具有多解性，是業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)識(shí)，地震同相軸的變化，既可以解釋為斷層的作用，也可以解釋為巖性尖滅，還可以解釋為地震采集過(guò)程中的激發(fā)、接收條件的變化造成的非真實(shí)響應(yīng)[3，5，8]。小尺度斷層的斷距小，展布規(guī)模有限，進(jìn)一步增大了準(zhǔn)確識(shí)別的難度。

3.3.2 構(gòu)造特征對(duì)地震資料的影響

統(tǒng)計(jì)分析表明，實(shí)鉆中主要不符合的井分布在A 6、C 6兩個(gè)平臺(tái)。從地震屬性特征分析，A 6、C 6兩個(gè)平臺(tái)的地層屬性異常相對(duì)較弱，但異常的分布范圍較廣，分布的形態(tài)雜亂。從構(gòu)造特征分析，它們均位于向斜中心向背斜轉(zhuǎn)換的過(guò)渡帶上，地層與構(gòu)造特征的變化，對(duì)地震數(shù)據(jù)的采集及處理本身有一定影響，同時(shí)最大似然屬性的算法是通過(guò)計(jì)算相似性屬性的8次方來(lái)增強(qiáng)低值與高值之間的差異[10]，在提高斷層刻畫(huà)能力的同時(shí)，也增大了地震噪聲，導(dǎo)致地震屬性的雜亂異常分布，形成了較多異常假象。

4 認(rèn)識(shí)與建議

（1）川南海相龍馬溪組頁(yè)巖地層由于構(gòu)造作用容易發(fā)育斷距較小的逆斷層，根據(jù)地震正演分析，小微尺度的斷層無(wú)法通過(guò)常規(guī)地震資料分析判斷其是否發(fā)育，需要通過(guò)井震結(jié)合綜合分析。

（2）通過(guò)研究建立了井震結(jié)合的小微尺度斷層識(shí)別流程與判別標(biāo)準(zhǔn)，小尺度斷層主要采用最大似然地震屬性分析，微尺度斷層采用伽馬比值、元素三維顯示圖板綜合判斷。

（3）井震結(jié)合的小微尺度斷層判別方法具有較好的應(yīng)用效果，但地震屬性分析方法存在一定的判別誤差，主要原因?yàn)榈卣鹳Y料的多解性、構(gòu)造對(duì)地震資料的影響等，故有必要進(jìn)一步加強(qiáng)地震資料去噪與精細(xì)解釋技術(shù)的研究與應(yīng)用。