許 杰,劉坤巖,武清釗

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;2.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室,北京100083;3.國家能源頁巖油研發(fā)中心,北京100083)

實現(xiàn)頁巖氣高效開發(fā)最有效的措施是工程壓裂造縫以溝通天然微裂縫、水平層理縫或基質(zhì)孔隙,而壓裂能否獲得成功的關(guān)鍵取決于頁巖地層的脆性能否承受大量的人工誘導(dǎo)裂縫[1]。實踐證明,具有較高脆性的頁巖地層是人工網(wǎng)狀縫發(fā)育的基礎(chǔ)。此外,頁巖中游離氣的賦存往往依賴于成巖作用和構(gòu)造運動中產(chǎn)生的大量裂隙,這也需要頁巖具有較高的脆性[2]。因此,頁巖巖石脆性分析對于頁巖氣的有利區(qū)域選取非常重要。近年來,國內(nèi)外學(xué)者圍繞頁巖脆性地震預(yù)測問題開展了大量的理論分析與方法研究,取得了一些成果[2-8]。但是,傳統(tǒng)的脆性指數(shù)預(yù)測方法是疊前三參數(shù)反演,即通過反演縱波速度、橫波速度和密度等參數(shù)計算頁巖脆性指數(shù)。受入射角度或偏移距的限制,疊前反演得到的密度誤差較大[9-11],利用這些參數(shù)計算的頁巖脆性指數(shù)累積誤差更大。為了解決上述問題,本文以四川盆地焦石壩頁巖氣區(qū)塊為例,探討了應(yīng)用疊后地震波形指示反演預(yù)測頁巖地層脆性的方法。在頁巖脆性礦物定量評價的基礎(chǔ)上,通過疊后地震波形指示反演得到脆性礦物含量數(shù)據(jù)體,提高了頁巖脆性預(yù)測精度,為該區(qū)頁巖氣田開發(fā)和井位部署提供了技術(shù)支持。

1 頁巖脆性評價

富含脆性礦物是頁巖地層能夠通過工程壓裂造縫獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[12-13]。四川盆地東部高陡褶皺帶焦石壩地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖屬于深水陸棚相沉積,脆性礦物含量高,可壓性好,為工程壓裂首選目的層。如何預(yù)測脆性頁巖的空間分布,是地震預(yù)測的一個重要課題。

焦石壩工區(qū)頁巖脆性礦物包括石英、鉀長石、斜長石、碳酸鹽巖及少量黃鐵礦,實測的脆性礦物含量為37.0%～91.8%,平均58.1%,具體參見表1。

JY1井位于焦石壩工區(qū)斷背斜高部位,JY1井脆性礦物含量與粘土含量具有良好的匹配關(guān)系(圖1),自上而下(即從淺往深)脆性礦物含量總體逐漸增加。2326.5～2415.5m井段脆性礦物含量最大為80.3%、最小為33.9%,87個樣品平均為56.5%,脆性礦物含量大于40%的樣品占60%。伊蒙混層自上而下逐漸減少,伊利石自上而下相對含量逐漸降低。其中,伊蒙混層總量為9.83%～33.16%,平均為21.35%;伊利石總量為1.99%～36.78%,平均為17.02%;綠泥石含量為0.34%～8.52%,平均為2.52%。此外,還發(fā)現(xiàn)石英含量與筆石、放射蟲+骨針含量表現(xiàn)出較好的相關(guān)性,從上至下逐漸增加(第①和第③小層石英含量最高),為深水有機成因硅。高有機質(zhì)硅含量有助于后期人工壓裂改造,利于形成網(wǎng)狀裂縫。

JY1井測試井段為2330.00～2414.88m龍馬溪組和五峰組地層,測試資料為粘土、石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦等礦物組分及含量。在測井響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上,利用敏感測井參數(shù)建立了基于多參數(shù)的礦物組分計算公式[14-16]:

(1)

表1 JY1井實測礦物含量數(shù)據(jù)分小層統(tǒng)計

圖1 JY1井頁巖礦物含量

式中:Vcl為粘土礦物含量,Vqu為硅質(zhì)礦物含量,Vca為鈣質(zhì)礦物含量;Δt為聲波時差;ρ為密度;φCNL為中子;γ為自然伽馬。

在上述頁巖礦物組分計算與含量評價的基礎(chǔ)上,計算頁巖礦物脆性指數(shù)(mBI),評價頁巖脆性。計算公式為:

(4)

圖2是利用上述頁巖礦物組分計算模型求取的單井目的層頁巖礦物組分含量曲線,與巖心測試的礦物組分散點數(shù)據(jù)吻合較好,驗證了頁巖礦物組分計算模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,利用頁巖礦物脆性指數(shù)公式(4)求取脆性指數(shù)曲線,從而為工區(qū)脆性波形地震反演奠定基礎(chǔ)。

圖2 JY1井礦物組分評價結(jié)果對比

2 脆性地震波形指示反演

地震波形代表了沉積環(huán)境及其巖性組合的空間變化,橫向變化反映了巖石相變特征。因此,依據(jù)地震波形的結(jié)構(gòu)變化可以預(yù)測儲層的空間變異性。

地震波形指示反演采用地震波形指示馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機模擬(SMCMC)算法[17-22],利用地震波形特征替代變差函數(shù)分析儲層空間結(jié)構(gòu)變化,實現(xiàn)儲層反演,解決了井間樣本不足的問題,在提高垂向預(yù)測分辨率的同時,保持了地震橫向分辨率。

地震波形指示反演的流程[23-25]如圖3所示。

圖3 地震波形指示反演流程

1) 依據(jù)已知樣本井的地震波形結(jié)構(gòu)特征,利用地震波形相似性和空間距離雙變量,優(yōu)選低頻結(jié)構(gòu)相似的井作為估計樣本,在層序地層格架約束下建立初始模型,并統(tǒng)計其縱波阻抗作為先驗信息。

2) 將初始模型與地震波阻抗進(jìn)行匹配濾波,得到最大似然函數(shù)。由于地震波形結(jié)構(gòu)相似的兩口井,其大的沉積環(huán)境應(yīng)該一致,盡管其高頻成分差異較大,但其低頻成分具有共性,因此,低頻段反演結(jié)果的確定性增強,同時可以約束高頻段取值范圍,保留確定性頻帶成分,提高反演結(jié)果的精度和可靠性。

3) 利用貝葉斯理論,結(jié)合似然函數(shù)概率和先驗概率得到后驗概率統(tǒng)計分布,并將其作為目標(biāo)函數(shù)。利用馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機模擬算法不斷優(yōu)化模型參數(shù),將后驗概率分布值最大時的解作為隨機解,取多次隨機解的均值作為期望值輸出。

對于波阻抗不能區(qū)分、敏感特征曲線能夠區(qū)分的巖性,可以結(jié)合地震數(shù)據(jù),利用敏感曲線進(jìn)行地震波形反演。一方面,沉積環(huán)境要相對穩(wěn)定,地層形態(tài)變化小;另一方面,工區(qū)內(nèi)參與反演的井?dāng)?shù)要多于10口,利于統(tǒng)計特征曲線與地震波形特征之間的關(guān)聯(lián)性分析。反演中的垂向分辨率主要通過合理的高通頻率、高截頻率調(diào)整。

3 頁巖脆性預(yù)測應(yīng)用

焦石壩氣田上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖沉積穩(wěn)定,主要目的層為高脆性含氣頁巖。根據(jù)合成記錄標(biāo)定,TO3層在五峰組底界面,為五峰組低阻抗頁巖與下伏澗草溝組高阻抗灰?guī)r形成的連續(xù)強波峰反射;TS1yy層在龍一段的1亞段和2亞段之間,為上覆粉砂巖與下伏頁巖形成的連續(xù)波谷反射;TS1hy層在龍一段的3亞段和4亞段之間,為上覆碳質(zhì)頁巖與下伏粉砂巖形成的連續(xù)強波峰反射;TS1sand層在龍2段頂界面,為上覆頁巖與下伏濁積砂巖形成的較連續(xù)波峰反射(圖4、圖5)。

根據(jù)以上地震解釋結(jié)果和地質(zhì)認(rèn)識,對研究區(qū)開展了脆性地震波形指示反演。

圖6和圖7展示了過井脆性指數(shù)反演成果,剖面與井信息吻合較好,地質(zhì)劃分的目的層9個小層能清楚地分辨出來,反映了穩(wěn)定沉積的頁巖序列?？v向向上脆性值逐漸減小,脆性指數(shù)高的主要為目的層下部的第①和第③小層(JY2和JY4井脆性指數(shù)大于55%,圖6),為工程壓裂的首選層;橫向上脆性指數(shù)也有變化,如JY3井第①小層脆性指數(shù)相對變小(JY3井脆性指數(shù)小于50%,圖7)。

相對主要目的層測井計算的脆性指數(shù),地震波形反演的脆性指數(shù)平均誤差為4.73%(表2)。

圖4 JY1井合成地震記錄

圖5 過JY1—JY2井地震解釋剖面

表2 測井計算脆性指數(shù)及反演脆性指數(shù)分小層統(tǒng)計對比

圖6 過JY4—JY2井脆性地震波形指示反演剖面

圖7 過JY2—JY3井脆性地震波形指示反演剖面

圖8展示了TO3—TS1yy層位間(包括主要目的層①、③小層)頁巖平均脆性平面分布,可見JY1、JY2和JY4井區(qū)附近區(qū)域脆性值較高,位于工區(qū)東部的JY3井和工區(qū)西部脆性值相對較低,顯示出較強的非均質(zhì)性。鉆井測試的無阻流量大小(圖中紅色空心圈代表無阻流量大于50×104m3/d,藍(lán)色實心圈代表無阻流量小于30×104m3/d)與脆性分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系,即無阻流量高的鉆井主要分布在脆性指數(shù)高的區(qū)域(如JY8-2井無阻流量126×104m3/d),無阻流量低的鉆井主要分布在脆性指數(shù)低的區(qū)域(如JY3井無阻流量14.8×104m3/d)。

圖8 TO3—TS1yy層平均脆性平面分布(圖中圓圈的大小表示鉆井測試無阻流量大小)

4 結(jié)論及認(rèn)識

利用自然伽馬、聲波時差、中子、密度等測井敏感參數(shù)建立了礦物組分計算公式,準(zhǔn)確地計算出粘土、石英和方解石等頁巖礦物組分含量,進(jìn)而計算出頁巖的礦物脆性指數(shù)。

綜合利用測井、地震和地質(zhì)等資料,應(yīng)用地震波形指示反演技術(shù)得到礦物脆性指數(shù)數(shù)據(jù)體,求取焦石壩頁巖地層各小層的脆性分布,提高了該區(qū)頁巖脆性預(yù)測的精度。

礁石壩地區(qū)頁巖脆性預(yù)測方法的成功應(yīng)用,為頁巖有利壓裂區(qū)域的選取提供了依據(jù),也為其它類似地區(qū)的頁巖脆性預(yù)測提供了借鑒。在具體應(yīng)用時,一方面要根據(jù)區(qū)域測井敏感參數(shù),對比實驗測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確建立基于多參數(shù)的礦物組分計算公式;另一方面,要根據(jù)地震有效頻帶寬度合理選擇地震波形指示反演中的濾波器高頻參數(shù),以提高反演結(jié)果的精度。