發布時間：2022-02-14所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：中國深層頁巖氣具有良好勘探前景和巨大勘探潛力，隨著埋深增加壓裂難度增大，可壓性預測及評價至關重要。以 DS地區研究為例，明確了深層頁巖氣工程甜點敏感地球物理參數，提出了脆性、裂縫及水平應力差地震預測技術：①結 合 巖 石 力 學實驗，發現了泊松比對圍
摘要：中國深層頁巖氣具有良好勘探前景和巨大勘探潛力，隨著埋深增加壓裂難度增大，可壓性預測及評價至關重要。以 DS地區研究為例，明確了深層頁巖氣工程“甜點”敏感地球物理參數，提出了脆性、裂縫及水平應力差地震預測技術：①結 合 巖 石 力 學實驗，發現了泊松比對圍壓變化敏感，基于此構建了塑延性轉換敏感因子及脆性指數地震預測新模型;②各向異性 研 究 發 現，頁巖具有明顯 HTI介質旅行時方位各向異性特征，通過分方位地震旅行時解釋及校正，利用橢圓擬合技術，形成了一種高效的裂縫地震預測新技術;③基于貝葉斯理論推導建立了組稀疏方位彈性阻抗同時反演方法，實現了各向異性參數及水平地應力差異系數的預測。預測結果表明：脆性指數、裂縫及地應力差是評價深層頁巖氣能否實現體積改造的工程“甜 點”參 數，脆 性 指 數 越高，儲層裂縫越發育，頁巖越容易壓開，破裂壓力越低;地應力差越小，越容易壓裂形成復雜縫網。
關鍵詞：深層頁巖氣;工程“甜點”;裂縫預測;脆性指數;水平應力差;各向異性;彈性阻抗同時反演
四川盆地及周緣頁巖氣地質資源豐富，在“二元富集”理論[1]的指導下，南方海相五峰-龍馬溪組頁巖氣勘探開發取得重大突破，焦石壩、長寧、威遠等頁巖氣田的發現推動了我國頁巖氣行業快速發展。勘探地球物理技術貫穿頁巖氣勘探開發整個過程，發揮了關鍵作用[2]，形成了適合我國南方中淺層平穩構造區的海相頁巖氣“甜點”地震預測與評價技術體系，包括基于疊前高精度密度反演有機碳含量(TOC)的預測技術[3]、多元回歸脆性指數預測技術[4]、壓 力 系 數預測技術[5]、二元約束含氣量預測技術[6]等，有 效 支撐了南方海相頁巖氣的勘探及開發。目前，美國頁巖氣勘探開發由中淺層向深層逐漸拓 展，Haynesville、EagleFord和 CanaWoodford這3個埋深為3500～4100m 的深層頁巖氣藏已實現商業開發，正在探索更深(埋深4500m 左右)的 Hilliard-Baxter和 Man-cos頁巖氣藏[7-8]。中國深層(埋深≥4000m)頁巖氣資源量遠大于 中 淺 層 的 頁 巖 氣 資 源 量，2015年 以 來已 取 得 了 系 列 勘 探 突 破，單井測試最高 產量達137.9×104 m3/d，揭 示 了 良 好 的 勘 探 前 景 和 巨 大 勘探潛力[9]。但是，深層頁巖地層溫度較高，頁巖 塑 性增強，地應力較大且應力差值高，導致裂縫起裂及延伸困難，體積 壓 裂 改 造 難 度 大[10]。工 程 可 壓 裂 性 是制約深層頁巖氣勘探開發的核心問題。
前人 針 對 工 程 “甜 點”的研究形成了 一些認識[11-13]，脆性指數及裂 縫 發 育 可 表 征 深 層 頁 巖 地 層能否壓開，可結合破裂壓力聯合分析;地 應 力 差 可以評價能否壓裂形成縫網，可 結 合 壓 裂 G 函 數 或 者微地震展開評價。目 前，針 對 深 層 頁 巖 氣 勘 探 的 工程“甜點”地球物理 參 數 不 完 全 明 確，尤 其 缺 少 針 對性地震預測技術;常 用 的 礦 物 脆 性 指 數 只 能 反 映 頁巖氣儲層靜態指標 的 變 化，不 能 反 映 脆 性 隨 深 度 的變化特征;地 應 力 的 理 論 研 究 較 多，實 際 應 用 仍 不完全成 熟。本 文 進 一 步 結 合 大 量 巖 石 力 學 實 驗 及鉆井壓裂施 工 參 數，分 析 DS地 區 可 表 征 深 層 頁 巖氣工程“甜點”的敏 感 地 球 物 理 參 數，建 立 針 對 性 地震預測模型，利用 OVT域疊 前 地 震 資 料，形 成 脆 性指數、裂縫及地應力差地震預測技術，期 望 取 得 良好的應用效果。
1 研究區概況
DS研究區主體位于重慶市綦江縣境內，距離涪陵頁巖氣田150km，構造位置位于四川盆地東南部盆緣褶皺帶，形態上表現為一個向盆內延伸的鼻狀構造(圖1)。該區 五 峰 組-龍馬溪組一段一亞段為典型的深水陸 棚 沉 積 環 境，發 育 了 一 套 黑 色 碳 質 泥 頁巖。共完鉆6口重點探井，早期 DY1井及 DY3井鉆探頁巖氣層埋深小于3000m，但保存條件較差，勘探效果一般，近 期 勘 探 逐 步 向 深 層 探 索，DY4井、DY5井及 DYS1井均試獲高產頁巖氣流，產量分別為20.56×104，16.33×104，31.18×104 m3/d。研究區頁巖整體具有有機碳含量高、有機質類型好、熱演化程度適中、脆性礦物含量高等特征;同時距離齊岳山斷裂的遠近、埋深、頁巖氣層頂板特征，共同決定了該地區保存條件的差異;隨著埋深的增大，水平擴散影響逐漸減少，保存條件好，壓力系數高[14-15]，該區深層頁巖氣具有良好的富集條件。
2 工程“甜點”地震預測技術
2.1 深層頁巖脆性指數構建與預測方法
2.1.1 基于塑延性轉換敏感因子的頁巖脆性指數
通常利用礦物脆性指數開展頁巖地層脆性評價，目前基于地震資料的脆性指數預測方法主要以基于礦物脆性指數為目標[4，16]，沒有體現埋深變化對脆性的影響。DS地區礦物脆性指數為52%～54%，差異不大，但隨著埋深、地層圍壓的增加，巖石破裂壓力及難度顯著增大，礦物脆性指數與破裂壓力相關性差，不能有效評價地層可壓性(圖2)。
侯振坤等[17]針對龍馬溪組頁巖脆性特征進行了詳細的試驗研究，基于跌落系數、應力降系數、軟化模量定義了頁巖綜合脆性指數
在不同有效圍壓條件下，采用相同方法開展 DS地區重點探井優質頁巖段巖石力學試驗。研究結果表明，隨著埋深及有效圍壓的增大，頁巖會發生脆塑性轉換，圍壓從0增加至80MPa，頁巖綜合脆性指數由0.8696減小到0.6586，降 幅 達24.3%(表1)。同時，鑒于楊氏模量和泊松比是反映巖石力學性質的兩個關鍵力學參數，進行了重點對比分析，結果表明，楊氏模量與圍 壓 相 關 性 差(圖3a)，并 不 能 有 效 反 映 脆性隨深度變化的脆性特征，利用楊氏模量的 Rickman公式[18]并不適用于 DS地區頁巖的脆性評價;
從圖6可以看出，泊松比反演結果與單井實測結果基 本 一 致，隨 著 深 度 的 增 大，DY1 井、DY3 井 和DY2井的泊松 比 不 斷 增 大，頁巖脆性明顯有降低的趨勢。基于新建立的深層脆性指數(公式(3))完成了DS地區五峰組—龍馬溪組一段優質頁巖脆性指數的預測，結果如圖7所示，可以看出，預測結果很好地體現了隨埋深增加的塑延性變化趨勢特征，同時由于泊松比的橫向變化，反映出脆性的平面細節變化特征。比較工區內已鉆井的脆性預測結果與破裂壓力的關系可以看出，優質頁巖脆性與破裂壓力有良好相關性，脆性指數越高，破裂壓力越低，預 測 DY5井 的 脆性指數高于 DY4井 的 脆 性 指 數(表2)，與 實 際 結 果匹配較好。
2.2 基于 OVT域數據的疊前裂縫地震預測技術
高角度裂縫發育的地層(HTI介質)導致地震波在不同傳播方向的振幅、衰減、彈性性質等屬性隨方位的變化而變化。研究人員提出了多種基于縱波方位各向 異 性 信 息 識 別 天 然 微 裂 縫 的 預 測 方 法，如AVAz技術[20-22]等。但是研究區處 于 四 川 盆 地 盆 緣復雜構造區，地表起伏大、巖性橫向變化快，地震資料振幅能量的保幅性及一致性處理要求極高，實際資料難以達到上述技術的要求，未 能 取 得 較 好 的 預 測 效果。HTI介質下地震波傳播速度的差異可表現為地震波同相軸旅行時的差異，固定入射角情形下，不同方位旅行時可近似為橢圓，進而可以預測裂縫強度及其走 向，即 VVAz 技 術。 本 次 研 究 基 于 DS 地 區OVT域數據分析旅行時隨方位變化的特征，盡量避免了 AVAz技術因能量一致性處理而造成的裂縫預測誤差，形成 了 方 位 旅 行 時 橢 圓 擬 合 裂 縫 預 測 新 技術，尤其是針對五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣地震反射層穩定，旅行時易于自動拾取等特點，取得了一定效果。
2.2.1 裂縫方位各向異性響應分析
通過偏移距向量片(OVT 域)單次覆蓋地震數據全三維分方位處理，可充分挖掘寬(全)方位三維地震方位信息和改善成像品質，為裂縫預測提供豐富的疊前數據信息。單井的巖心裂縫分析結果以及成像測井分析結果均表明，DS地區頁巖層內高角度裂縫均較為發育(圖8，圖9)。抽取了 DY4井 井 旁 道 OVT域道集，分析所有方位的五峰組底界反射同相軸的旅行時，可以看出，不同的方位存在明顯的旅行時差異，即旅行時各向異性特征(圖10)。
2.2.2 方位旅行時差異裂縫地震預測技術
RGER[23]研究發現，縱波的方位各向異性信息可以近似為一個橢圓，即可以利用最小二乘橢圓擬合法(RGER橢圓)或者傅里葉級數展開進行各向異性小尺度裂縫檢測。
2.2.3 裂縫地震預測及效果分析
在實際地震預測研究中，首先需做好 OVT 域道集預處理，如未校正目的層上部地層方位旅行時各向異性，錯誤地將目的層上部地層的方位旅行時各向異性累積到了目的層，會影響目的層預測精度。采用的方法是：①針對目的層頂界面反射波同相軸進行校平處理，校正后的數據更能真實反映目的層的各向異性特征(圖14);②針對校平后地震道集數據進行方位角劃分與疊加，獲得多個分方位疊加數據，拾取所述分方位疊加數據的目的層地震同相軸旅行時開展解釋，進而通過橢圓擬合可預測裂縫發育強度和方位。
針對五峰組—龍馬溪組頁巖儲層段底界 反 射 開展了橢圓擬合裂縫預測。DY4井、DY5井導眼井處預測的優質頁巖段高角度裂縫發育(圖15)，與成像測井解釋結果的吻合度較高，如 DY4井 深3700～3725m內高角度裂縫發育，DY5井深3800～3825m 內高角度裂縫發育。分析預測結果可知，裂縫的發育程度明顯表現出對水平井水力壓裂施工有重要影響。DY5HF井各段破裂壓力(地面)為93.60～105.73MPa，大多低于100.00MPa，平 均 為 98.69MPa;DY4HF 井 各 段破 裂 壓 力 為 97.65 ～ 106.47MPa，大 多 高 于100.00MPa，平 均 為 103.19MPa。 分 析 后 認 為，DY5HF井裂縫更為發育，有效降低了深層頁巖破裂壓力，預測結果與工程壓裂施工破裂壓力相吻合。
2.3 水平地應力差地震預測方法
地應力是決定所生成裂縫的形態、方位以及延伸方向的關鍵因素，水平應力差異系數(DHSR)是有效的表征參數[24]，低 DHSR 值表明其所在區域在水力壓裂施工時，容易被壓裂成復雜縫網;高 DHSR 值容易被壓裂成定向排列的裂縫，縫網復雜程度較差。馬妮等[25]基于地應力的基礎理論以及地震各向異性介質地震巖石物理理論，推導建立了地應力差系數與各種彈性參數、。
基于方位地震數據的地應力反演方法，首先要開展方位彈性阻抗反演，若對不同方位的部分疊加數據分別開展彈性阻抗反演，則可能導致不同方位的反演結果不具有一致性，從而造成預測精度降低。對于同一套地層而言，不同方位、不同入射角的彈性阻抗應具有相同的地層結構，只是不同方位的彈性阻抗值不同。將同一采樣點的不同方位角、不同入射角的反射系數組合，組內反射系數呈高斯分布，組與組之間滿足修正柯西分布。基于貝葉斯理論框架，建立組稀疏彈性阻抗反演目標函數(如(12)式)，保證了不同方位彈性阻抗采樣點一致性。
求解(12)式得到不同方位角、不同入射角的彈性阻抗數據體，再利用馬妮等[25]提出的方法流程，同時充分考慮測井各向異性巖石物理先驗信息，實現各向異性參數ε(v)的反演，最后應用(9)式至(11)式，結合彈性模量的反演，實現水平地應力差異系數五維地震預測。
從 DY5HF井的 DHSR反演預測剖面(圖16)可以明顯看出，在優質泥頁巖段具有較低的水平應力差系數，具備形成縫網的能力。DY5HF井各段壓裂 G函 數 顯 示 5～12 段 壓 裂 裂 縫 整 體 復 雜 程 度 高(圖17)，形成了復雜網縫，預測剖面(圖16)中5～12段地應力差系數較低，與實際壓裂效果一致。
3 工程“甜點”綜合預測及評價
前文研究結果表明，脆性指數、裂縫及地應力差是評價本區深層頁巖氣能否實現體積改造的工程“甜點”，脆性指數越高，儲層裂縫越發育，頁巖越容易壓開，破裂壓力越低;地應力差越小，越容易壓裂形成復雜縫網，增加改造體積。我們在此基礎上，利用多屬性融合技術，實現了工程“甜點”的綜合預測(圖18)，具體工程甜點預測及評價流程如圖19所示。
圖18中，DY4 井 和 DY5 井 基 本 處 于 工 程 “甜點”區，基本 實 現 了 較 好 的 壓 裂 改 造，測 試 獲 工 業 氣流;從圖18中 還 可 以 看 出，DY2井 區 脆 性 指 數 高 于45%，儲 層 裂 縫 更 為 發 育，地 應 力 差 小，同 樣 為 工 程 “甜點”區，由于 DY2井未實施大規模壓裂改造，所以未獲得高產，評價認為該井區應該是 DS地區深層頁巖氣勘探的有利目標區，如進一步實施鉆探，有望獲得新突破。
4 結論
本文以 DS 地 區 為 例，分析了深層頁巖氣工程 “甜點”的敏感地球物理參數，建立了針對性的地震預測模型，利用 OVT 域疊前地震資料開展高精度疊前彈性參數反演，形成了地震預測技術。首先，結合巖石力學實驗，發現了泊松比對圍壓變化敏感，基于此構建了塑延性轉換敏感因子及脆性指數地震預測新模型;其次，通 過 各 向 異 性 研 究，發 現 頁 巖 具 有 明 顯HTI介質旅行 時 方 位 各 向 異 性 特 征，通 過 分 方 位 地震旅行時解釋及校正，利用橢圓擬合技術，形成了一種有效的裂縫地震預測新技術;第三，基于貝葉斯理論推導建立了組稀疏方位彈性阻抗同時反演方法，保證了不同方位彈性阻抗采樣點一致性，實現了各向異性參數及水平地應力差異系數的預測。
預測結果表明，脆性指數越高儲層裂縫越發育，頁巖越容易壓開，破裂壓力越低;地應力差越小，越容易壓裂形成復雜縫網，增加改造體積。形成的地震預測技術可有效支撐深層頁巖氣的勘探部署及評價，具有較好的推廣應用價值。——論文作者：陳 超1，2，印興耀1，陳祖慶2，劉曉晶2
參 考 文 獻
[1] 郭旭升.南方海相頁巖氣“二元富集”規律———四川盆地及周 緣龍馬溪組頁巖氣勘探實 踐認識 [J].地 質 學 報，2014，88(7)：1209-1218GUOXS.Rulesoftwo-factorenrichimentformarineshalegasinSouthernChina-UnderstandingfromtheLongmaxiforma-tionshalegasinSichuanbasinanditssurroundingarea[J].Ac-taGeologicaSinica，2014，88(7)：1209-1218
[2] 陳祖慶，楊鴻飛，王 靜 波，等.頁巖氣高精度三維地震勘探技術的應用與探討———以四川盆地焦石壩大型頁巖氣田勘探實踐為例[J].天然氣工業，2016，36(2)：9-20CHENZQ，YANG H F，WANGJB，etal.Applicationof3Dhigh-precisionseismictechnologytoshalegasexploration：AcasestudyofthelargeJiaoshibashalegasfieldintheSichuanBasin[J].NaturalGasIndustry，2016，36(2)：9-20
[3] 陳超，劉韻，王明飛，等.焦石壩地區泥頁巖有機碳含量預測技術及對比[J].成都理 工 大 學 學 報(自 然 科 學 版)，2016，43(1)：50-58CHENC，LIU Y，WANG M F，etal.ResearchonshaleTOCcontentpredictiontechniquesandcontrastinJiaoshibaarea，Si-chuanBasin，China[J].JournalofChengduUniversityofTech-nology(Science&TechnologyEdition)，2016，43(1)：50-58
[4] 陳祖慶，郭旭升，李 文 成，等.基于多元回歸的頁巖脆性指數預測方法研究[J].天然氣地球科學，2016，27(3)：461-469CHENZQ，GUOXS，LIW C，etal.Studyonshalebrittlenessindexpredictionbasedon multivariateregression method[J].NaturalGasGeoscience，2016，27(3)：461-469
SCISSCIAHCI
