李 翔, 尹 陳, 吳永宏, 熊曉軍, 劉 陽, 簡世凱

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 (成都理工大學(xué))，成都 610059;2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 地球物理勘探公司，成都 610213 3.中國石油西南油氣田分公司 重慶氣礦，重慶 400021)

基于Tsvankin參數(shù)頁巖儲層各向異性強(qiáng)度預(yù)測

李 翔1, 尹 陳2, 吳永宏3, 熊曉軍1, 劉 陽1, 簡世凱1

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 (成都理工大學(xué))，成都 610059;2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 地球物理勘探公司，成都 610213 3.中國石油西南油氣田分公司 重慶氣礦，重慶 400021)

在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，各向異性強(qiáng)弱與儲層品質(zhì)、地震波速度、巖石脆性、巖石彈性參數(shù)等都有關(guān)系，所以對頁巖各向異性特征的定量描述具有重要意義。綜合考慮頁巖頁片狀層理大量發(fā)育，基于VTI介質(zhì)模型對頁巖進(jìn)行模擬，通過對Thomsen參數(shù)簡化而利用Tsvankin參數(shù)進(jìn)行頁巖各向異性表征，然后以疊前偏移結(jié)果為基準(zhǔn)，修正均方根速度使得疊前偏移后的CRP道集層拉平效果明顯，迭代計算出使得疊前偏移效果最優(yōu)時的各向異性強(qiáng)度的Tsvankin參數(shù)值，并利用Tsvankin參數(shù)對疊前道集剩余時差進(jìn)行校正，最后輸出Tsvankin參數(shù)數(shù)據(jù)體，分析Tsvankin參數(shù)與頁巖層脆性發(fā)育及儲層性質(zhì)的關(guān)系。將該方法應(yīng)用于四川長寧“寧201”井區(qū)的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖，綜合地震資料分析發(fā)現(xiàn)Tsvankin參數(shù)譜值域范圍與頁巖脆性概率分布趨勢正相關(guān)，能夠預(yù)測頁巖儲層各向異性強(qiáng)度并能反映頁巖地層脆性強(qiáng)弱，在“甜點”預(yù)測中有一定的指導(dǎo)意義。

Tsvankin參數(shù)；頁巖；各向異性；脆性

頁巖氣賦存于具有超低孔隙度的頁巖中，是一種在海相、陸相及過渡相地層均有發(fā)育的很重要的非常規(guī)資源。頁巖由于其構(gòu)成礦物顆粒在成分、形狀及大小上均有差異，加之結(jié)構(gòu)上大量發(fā)育層理及片理，所以頁巖儲層各向異性特征十分明顯。四川盆地作為中國最重要的頁巖氣勘探區(qū)域，探究各向異性特征對頁巖儲層“甜點”預(yù)測及后期開發(fā)意義重大。

為了探究頁巖儲層各向異性發(fā)育情況，鄧?yán)^新等[1]在實驗室超聲條件下進(jìn)行試驗，探究了泥、頁巖縱橫波速度及各向異性參數(shù)隨壓力的變化過程；Carl等[2]探究了Thomsen參數(shù)的適用性并結(jié)合SEM資料研究了頁巖微觀物性對其各向異性特征的影響；王倩等[3]根據(jù)巖石物理實驗探究了頁巖彈性模量、泊松比與層理面的關(guān)系，設(shè)計了一種頁巖各向異性指數(shù)；謝劍勇等[4]基于巖樣測試研究了頁巖各向異性參數(shù)間的關(guān)系并對影響各向異性的因素進(jìn)行分析。這些研究證明了頁巖由于其層理發(fā)育可利用橫向各向同性(TI)介質(zhì)進(jìn)行模擬，在巖石物理領(lǐng)域，通過Thomsen參數(shù)評價頁巖各向異性特征具有較好的適用性[5]。

以上學(xué)者從實驗的角度對頁巖各向異性特征進(jìn)行研究；然而在頁巖氣勘探過程中，巖心資料珍貴而數(shù)量極少，實驗分析較難以滿足生產(chǎn)需求。如何從理論計算的角度進(jìn)行各向異性參數(shù)預(yù)測是一個亟待解決的問題。張廣智等[6]基于測井資料，采用巖石物理建模方法，反演計算了碳酸鹽巖地區(qū)橫波速度及各向異性參數(shù)；孫偉家等[7]從正演的角度對VTI介質(zhì)強(qiáng)各向異性特征進(jìn)行數(shù)值模擬。而如何充分利用地震資料進(jìn)行各向異性參數(shù)預(yù)測的研究成果較少。本文基于頁巖工區(qū)疊前地震資料，設(shè)計了一套針對頁巖儲層的Tsvankin各向異性參數(shù)計算方法。該參數(shù)能夠?qū)搸r工區(qū)各向異性強(qiáng)度進(jìn)行定量描述，從而對勘探開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義[8-16]。

1 方法原理

1.1 各向異性強(qiáng)度計算方法

頁巖由粒徑lt;0.003 9 mm的細(xì)粒碎屑、黏土及有機(jī)質(zhì)組成，頁巖中廣泛發(fā)育頁狀及薄片狀的層理，是一種典型的各向異性介質(zhì)。我們利用表征薄層旋回沉積的VTI介質(zhì)來模擬頁巖儲層頁片狀層理，VTI介質(zhì)的彈性剛度矩陣為

(1)

VTI介質(zhì)及HTI介質(zhì)的彈性剛度矩陣均含5個獨立的彈性參數(shù)。為便于理論研究，L.Thomsen[17]于1986年提出了一套新的彈性參數(shù)表達(dá)式，將5個彈性參數(shù)簡化為3個，定義如下

(2)

其中：ε值與介質(zhì)的縱波各向異性正相關(guān)，當(dāng)ε=0時，介質(zhì)的縱波無各向異性;δ是連接vP0和vP90(0和90表示入射角為0°和90°)之間的一種隨入射角變化而變化的過渡參數(shù)。

綜合考慮基于常規(guī)聲波地震資料的縱波勘探方法，T.Alkhalifah等[18]重新定義了一個有效的各向異性參數(shù)“η”(內(nèi)含Thomsen參數(shù))，將彈性參數(shù)進(jìn)一步簡化為

(3)

在常規(guī)各向同性介質(zhì)速度分析過程中，反射波時距曲線滿足雙曲線特征。TI介質(zhì)中，時距曲線不再滿足簡單的雙曲線規(guī)律，由T.Alkhalifah等[18]重新定義的時距方程

(4)

式中：x為偏移距；t0為零偏移距的雙程旅行時；vNM0為入射角為0°時的動校正速度。(4)式充分地描述了長距離傳播的縱波正常時差與零入射角時的動校正速度vNM0及各向異性參數(shù)η的關(guān)系。方程右端第三項不同于常規(guī)的雙曲線時距方程，其主要控制時差方程中的非雙曲線形態(tài)，若該式中η=0則該方程與常規(guī)雙曲線時距方程一致。分母中增加x校正因子，是為了將泰勒展開式中的截斷誤差進(jìn)行彌補(bǔ)。由(4)式能夠看出，當(dāng)介質(zhì)各向異性較強(qiáng)且偏移距較大時，反射波時距關(guān)系會偏離各向同性雙曲線關(guān)系。

由此，計算各向異性η參數(shù)可以通過進(jìn)行速度分析得到均方根速度，并依此速度對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前時間偏移。由于存在各向異性段的道集，其同相軸形態(tài)受(4)式中的η值影響，形態(tài)不會是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線；因而在常規(guī)疊前偏移后其層拉平效果不明顯。當(dāng)偏移迭代計算結(jié)果變化不大且層拉平效果不明顯時，基于(4)式引入η參數(shù)重新計算地震波時差，通過修改η值在CMP道集動校拉平效果最優(yōu)時輸出此時的各向異性η參數(shù)作為該道的各向異性強(qiáng)度檢測值。

1.2 各向異性參數(shù)計算流程

綜合考慮上述方法，本文設(shè)計了一套針對頁巖工區(qū)疊前各向異性強(qiáng)度計算流程，其具體步驟如下。

步驟1： 基于頁巖氣地區(qū)三維疊前地震數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行疊前道集保邊去噪處理。通過引入最小標(biāo)準(zhǔn)差準(zhǔn)則，在壓制資料噪聲的同時能很好地保留邊緣等細(xì)節(jié)信息。在實際資料處理過程中發(fā)現(xiàn)該步驟對計算結(jié)果影響顯著，基于保邊去噪后品質(zhì)較好的地震數(shù)據(jù)能計算得到更加穩(wěn)定的η參數(shù)。

步驟2： 對疊前道集進(jìn)行速度分析，計算RMS速度(均方根速度)，基于得到的RMS速度進(jìn)行疊前時間偏移，并觀察偏移后結(jié)果的道集拉平效果，可反復(fù)迭代計算至偏移后疊前道集位置變化不大時結(jié)束計算，作為計算η參數(shù)的基礎(chǔ)。

步驟3： 給定初始的各向異性參數(shù)η場，將η值代入(4)式重新計算地震波走時。利用計算得到的非雙曲線形態(tài)地震波走時對疊前道集剩余時差進(jìn)行修正，觀察修正后疊前道集層拉平效果，當(dāng)拉平效果滿足要求時輸出。迭代計算完成整塊三維疊前數(shù)據(jù)得到三維η數(shù)據(jù)體，作為工區(qū)各向異性強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果。

圖1為上述步驟的技術(shù)流程。

圖1 各向異性參數(shù)η場計算流程Fig.1 The flowchart of calculation of anisotropic parameter field

通過以上3個步驟計算得到頁巖工區(qū)的各向異性參數(shù)η數(shù)據(jù)體。由此對η數(shù)據(jù)體進(jìn)行分析，繪制研究區(qū)目的層η平面展布圖，可結(jié)合地震資料分析各向異性強(qiáng)度與地震屬性的聯(lián)系，并基于η參數(shù)進(jìn)一步實現(xiàn)各向異性疊前偏移。

2 應(yīng)用實例

四川長寧地區(qū)頁巖氣資源豐富，是中國石油天然氣股份有限公司頁巖氣建產(chǎn)核心區(qū)域之一[19]。其中寧201-H1井日產(chǎn)氣gt;0.15×106m3，其勘探目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖。

將本文提出的各向異性強(qiáng)度預(yù)測方法應(yīng)用在長寧的“寧201”井區(qū)三維疊前地震數(shù)據(jù)中，基于常規(guī)疊前時間偏移結(jié)果為約束，迭代計算使得層拉平效果最優(yōu)時的各向異性參數(shù)譜，并根據(jù)得到的η譜對疊前數(shù)據(jù)剩余時差進(jìn)行校正。工區(qū)實踐如圖2所示，圖2-A中計算所得的η參數(shù)譜能量越集中且偏離中線越遠(yuǎn)表示各向異性發(fā)育強(qiáng)度越大，圖2-B為未經(jīng)各向異性參數(shù)校正的疊前道集，圖2-C為經(jīng)各向異性校正后的疊前道集。對比發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過各向異性參數(shù)校正后，淺層遠(yuǎn)偏移距處的層拉平效果改善明顯。與此同時，圖2-A中拾取的η參數(shù)譜在1.4 s處偏離中線位置，且能量較強(qiáng)，對應(yīng)各向異性參數(shù)校正前后的CRP道集剖面；如圖2-B和圖2-C中紅色箭頭所指，疊前道集同相軸的層拉平效果有一定程度的改善，說明各向異性參數(shù)對CRP道集剩余時差校正有積極作用，計算得到的各向異性參數(shù)數(shù)據(jù)體對后期的疊前偏移意義同樣重大。

圖2 各向異性參數(shù)對疊前CRP道集校正結(jié)果Fig.2 The results of anisotropic parameter for the pre-stack gathers(A)各向異性參數(shù)譜剖面; (B)各向異性參數(shù)校正前的疊前道集; (C)各向異性參數(shù)校正后的疊前道集

對三維工區(qū)計算其各向異性參數(shù)體，針對目的層繪制平面圖(圖3)。我們發(fā)現(xiàn)“寧201”井處于各向異性強(qiáng)度中高值段(圖中紅黃色段)，與實鉆高產(chǎn)氣結(jié)論吻合，說明各向異性發(fā)育強(qiáng)度與頁巖儲層品質(zhì)有關(guān)，可以一定程度上指導(dǎo)儲層“甜點”預(yù)測。龍馬溪組頁巖脆性概率呈西南高東北低的趨勢，這與各向異性參數(shù)數(shù)據(jù)強(qiáng)弱趨勢范圍完全一致，說明各向異性強(qiáng)度與頁巖脆性發(fā)育存在一定程度的正相關(guān)關(guān)系，圖中紅黃色段是脆性概率較大區(qū)域，是有利的“甜點”區(qū)。

圖3 沿目的層向下50 ms各向異性參數(shù)平面圖Fig.3 The layout of anisotropy parameter downward for 50 ms along the target horizon

工區(qū)正東Inline 476線(圖3中黑線)疊后地震剖面如圖4，目的層段龍馬溪組(圖中藍(lán)線)地震同相軸連續(xù)性較差，可以觀察到小斷裂較為發(fā)育，說明此處地層普遍具有各向異性，與根據(jù)地震剩余時差計算所得的高各向異性參數(shù)結(jié)論吻合，該處頁巖層物性較差，為非有效儲層段。將Inline 476線投影在各向異性參數(shù)平面圖上，可以看到其處于強(qiáng)各向異性發(fā)育段(圖3中白色區(qū)域高值區(qū))，證明各向異性參數(shù)對評價頁巖儲層物性有一定意義。

圖4 目的層段龍馬溪組頁巖Inline 476線地震剖面Fig.4 The seismic profile along Inline 476 for Longmaxi Formation

3 結(jié) 論

a.頁巖中廣泛發(fā)育各向異性，利用Tsvankin各向異性參數(shù)可以獨立地表征縱波在頁巖中傳播時各向異性特征強(qiáng)弱，通過迭代可以得到一個最優(yōu)各向異性參數(shù)。該參數(shù)能夠進(jìn)一步校正常規(guī)疊前偏移后的剩余時差，為精細(xì)刻畫頁巖斷裂及儲層性質(zhì)提供依據(jù)。

b.得到的各向異性參數(shù)數(shù)據(jù)體可以為頁巖工區(qū)“甜點”預(yù)測提供一定的依據(jù)。將該方法應(yīng)用到長寧地區(qū)，分析認(rèn)為“寧201”井位于各向異性參數(shù)中高值區(qū)域，較優(yōu)的儲層發(fā)育著中等強(qiáng)度的各向異性特征。龍馬溪組頁巖脆性概率呈西南高東北低的趨勢，與各向異性參數(shù)的場數(shù)據(jù)強(qiáng)弱趨勢一致并呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在頁巖氣勘探中各向異性較強(qiáng)的區(qū)域其巖石脆性較強(qiáng)，是有利的“甜點”區(qū)。

c.在工區(qū)正東部各向異性場很強(qiáng)，呈片狀分布，結(jié)合地震資料分析得出：高各向異性可能由斷裂廣泛發(fā)育引起，地震同相軸連續(xù)性較差的地區(qū)，是勘探中應(yīng)當(dāng)回避的非“甜點”區(qū)。

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PredictionmethodforshalereservoiranisotropybasedontheTsvankinparameter

LI Xiang1, YIN Chen2, WU Yonghong3, XIONG Xiaojun1, LIU Yang1, JIAN Shikai1

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.GeophysicalExplorationCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,CNPC,Chengdu610213,China;3.ChongqingGasField,SouthwestOilamp;GasFieldCompary,CNPC,Chongqing420021,China

The anisotropy of rock is related to seismic velocity, brittleness, rock elastic parameters and so on. Quantitative description of anisotropy for shale is very important in the early exploration and post-development process of shale gas. VTI media model is used to simulate the shale depending on the constraint with pre-stack migration results and iteratively calculate the anisotropic strength Tsvankin parameter, and the Tsvankin parameter is used to correct the remaining time difference in pre-stack gather. Finally, the output volume of the Tsvankin parameter data is obtained. The anisotropy parameter from Longmaxi Formation shale is used to discuss the significance of shale anisotropy of reservoir exploration and to describe the shale brittleness. It reveals that the Tsvankin parameter of the Longmaxi Formation shale has positive correlation with probability distribution of shale brittleness. It also can be used to predict the intensity of shale anisotropy and reflect the strong and weak of formation brittleness.

Tsvankin parameter; shale; anisotropy; brittleness

P631.4; TE132

A

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.06.11

1671-9727(2017)06-0738-06

2016-11-30。

國家科技重大專項(2016ZX05023004-001-003); 國家自然科學(xué)基金項目(41274130)。

李翔(1993-)，男，碩士研究生，研究方向：地球物理勘探, E-mail：lixiang_cdut@163.com。

熊曉軍(1980-)，男，博士，教授，研究方向：地球物理勘探, E-mail:xiongxiaojun07@cdut.cn。