劉厚彬 ，于興川，張 震，萬秀梅，孫航瑞

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

2.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院，四川 成都610051

引言

長寧區(qū)塊位于四川盆地南部長寧–威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)。長寧區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)量豐富，但在鉆井過程中，該區(qū)塊頁巖儲(chǔ)層井漏事故頻發(fā)，導(dǎo)致鉆井周期延長、施工成本增大，極大地阻礙了該地區(qū)頁巖氣資源效益化開發(fā)進(jìn)程。長寧區(qū)塊龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層井下復(fù)雜與斷層、裂縫發(fā)育及展布密切相關(guān)，科學(xué)可靠的儲(chǔ)層裂縫發(fā)育及三維展布預(yù)測(cè)可為長寧區(qū)塊頁巖儲(chǔ)層水平井井漏預(yù)測(cè)與防漏工藝提供依據(jù)[1-2]。

國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于裂縫預(yù)測(cè)做了大量研究。2003 年，周新桂等[3]歸納了儲(chǔ)層裂縫的研究內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與巖石力學(xué)屬性相互作用的研究方法已成為構(gòu)造裂縫空間定量預(yù)測(cè)的主流。2005 年，蘇培東等[4]總結(jié)了國內(nèi)外儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)研究方法，并預(yù)測(cè)對(duì)儲(chǔ)層裂縫孔隙度、滲透性及裂縫有效性方面的預(yù)測(cè)研究是今后儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)的重點(diǎn)。2006年，童亨茂[5]提出利用成像測(cè)井資料進(jìn)行儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的思路和方法。2012 年，賈凌霄等[6]將改進(jìn)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法引入到裂縫預(yù)測(cè)中，使利用常規(guī)測(cè)井曲線能較好地達(dá)到預(yù)測(cè)裂縫的目的。2014年，Xian 等[7]介紹了利用高密度、全方位地震資料進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)的前景，對(duì)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，并用于描述碳酸鹽巖縫洞系統(tǒng)。2018年，Chen等[8]通過疊前方位反演預(yù)測(cè)了納杰馬組的裂縫方位。2019 年，Guo 等[9]基于寬方位地震資料，應(yīng)用3種方法對(duì)頁巖儲(chǔ)層裂縫進(jìn)行了定量預(yù)測(cè)。2019 年，于曉東等[10]基于疊前P 波進(jìn)行各向異性分析，結(jié)合工區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行裂縫地震響應(yīng)的正演模擬，最后使用AVAZ 預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了裂縫空間展布特征預(yù)測(cè)。2020 年，陳志剛等[11]對(duì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行曲率運(yùn)算預(yù)測(cè)裂縫型儲(chǔ)層發(fā)育帶。2020 年，宋維琪等[12]將HTI模型縱波反射系數(shù)近似公式展開成傅里葉級(jí)數(shù)形式，利用最小二乘擬合提取傅里葉級(jí)數(shù)系數(shù)，從而提高各向異性參數(shù)估計(jì)和裂縫預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

前人對(duì)裂縫斷層的預(yù)測(cè)方法做了大量的研究，在眾多裂縫識(shí)別的方法中，還沒有一種方法能單獨(dú)有效地用于裂縫預(yù)測(cè)。目前國內(nèi)大多采用數(shù)值模擬方法研究裂縫，缺少全面地從理論角度應(yīng)用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行裂縫定量預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)裂縫有效性、孔隙度的研究[4]。而且基本未使用已鉆井井下復(fù)雜數(shù)據(jù)對(duì)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確率與可信度的驗(yàn)證。本文將對(duì)長寧井區(qū)已鉆井井漏數(shù)據(jù)進(jìn)行縱橫向分析，使用疊后地震數(shù)據(jù)體通過螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)的方式進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與已鉆井井區(qū)實(shí)際工況相結(jié)合驗(yàn)證其準(zhǔn)確率與可信度。

1 長寧區(qū)塊井漏信息數(shù)據(jù)及對(duì)比分析

圖1 為長寧區(qū)塊龍?zhí)督M底–五峰組底三維地質(zhì)模型，可以看出，該目的層構(gòu)造起伏較大，構(gòu)造大致呈中間低、四周高的形態(tài)。寧209 井區(qū)位于中間的構(gòu)造低部位，寧216 井區(qū)位于構(gòu)造高部位，寧201井區(qū)位于寧209 井區(qū)與寧216 井區(qū)之間。

圖1 長寧區(qū)塊構(gòu)造及井區(qū)井下復(fù)雜分布圖Fig.1 Changning Block structure map and downhole complex distribution

將長寧區(qū)塊寧201 井區(qū)、寧209 井區(qū)與寧216井區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆井下復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，長寧區(qū)塊上述3 個(gè)井區(qū)井下復(fù)雜在橫向和縱向分布上均存在差異性，且差異性明顯。

通過對(duì)井漏數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，寧201 井區(qū)茅口組井漏事故最為突出（圖2），同時(shí)，茅口組和龍馬溪組相比其他地層井漏情況嚴(yán)重，但事故類型單一。寧209井區(qū)（圖3）的井下復(fù)雜主要發(fā)生在茅口組和龍馬溪組層位，且以茅口組海相地層井下復(fù)雜居多。寧216 井區(qū)（圖4）的井下復(fù)雜情況與寧209 井區(qū)相同，大多分布在茅口組海相地層和龍馬溪組頁巖地層，但在井下復(fù)雜次數(shù)上寧216 井區(qū)要明顯多于寧209 井區(qū)和寧201 井區(qū)，在井下復(fù)雜的橫向展布上呈現(xiàn)差異性。

圖2 寧201 井區(qū)井下復(fù)雜統(tǒng)計(jì)Fig.2 Downhole complex statistics for Ning 201 Well Area

圖3 寧209 井區(qū)井下復(fù)雜統(tǒng)計(jì)Fig.3 Downhole complex statistics for Ning 209 Well Area

圖4 寧216 井區(qū)井下復(fù)雜統(tǒng)計(jì)Fig.4 Downhole complex statistics for Ning 216 Well Area

綜上所述，長寧區(qū)塊的井下復(fù)雜呈現(xiàn)出構(gòu)造高部位相較于構(gòu)造低部位嚴(yán)重的橫向展布差異性（圖1），在縱向上呈現(xiàn)出茅口組、龍馬溪組相較其他地層井下復(fù)雜嚴(yán)重的縱向展布的差異性。

此外，針對(duì)不同地層的井下復(fù)雜進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。以龍?zhí)督M底–梁山組底和梁山組底–五峰組底為單位統(tǒng)計(jì)寧201 井區(qū)、寧209 井區(qū)及寧216 井區(qū)的井下復(fù)雜次數(shù)如表1 所示。可以看出，井下復(fù)雜次數(shù)與地層深度大致呈一種正相關(guān)的趨勢(shì)，即井下復(fù)雜次數(shù)隨深度的增加而增加，另外，由表1 同樣可以得出寧216 井區(qū)相較于其他兩個(gè)井區(qū)井下復(fù)雜情況嚴(yán)重的結(jié)論。

表1 不同地層井下復(fù)雜次數(shù)Tab.1 Downhole complex times in different formations

不同井區(qū)、地層裂縫的三維展布規(guī)律存在差異是導(dǎo)致井下復(fù)雜在縱橫向差異性明顯的重要原因。因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)長寧區(qū)塊裂縫展布情況，將對(duì)后期的井軌跡設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供重要參考依據(jù)。

2 基于螞蟻?zhàn)粉櫟捻搸r地層裂縫發(fā)育及三維展布研究

裂縫是指巖石在構(gòu)造或成巖作用下，地層發(fā)生形變的過程中形成的天然破裂面[13]。裂縫的正確描述與預(yù)測(cè)是裂縫性油氣藏勘探開發(fā)成功的關(guān)鍵[14]，同時(shí)也是油氣勘探開發(fā)中的一大難點(diǎn)，尤其是對(duì)儲(chǔ)層中的裂縫發(fā)育程度和范圍的預(yù)測(cè)，由于裂縫發(fā)育分布研究不準(zhǔn)確，而使油氣井鉆探和油氣田開發(fā)方案達(dá)不到預(yù)期目的而造成的間接損失難以完全統(tǒng)計(jì)[4]。相對(duì)理想的儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)井區(qū)的后續(xù)效益化勘探開發(fā)具有重要作用。三維地震數(shù)據(jù)體中含有豐富的構(gòu)造信息及斷裂信息，可有效地反映大裂縫及中等裂縫信息[15]。

2.1 螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)原理

螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)，又稱斷裂系統(tǒng)自動(dòng)追蹤技術(shù)，相比于常規(guī)疊后裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，該方法具有運(yùn)行時(shí)間短，預(yù)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)[16-17]。螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)的實(shí)質(zhì)就是檢測(cè)地震數(shù)據(jù)體中的不連續(xù)性，因此，在進(jìn)行螞蟻?zhàn)粉欀斑M(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行構(gòu)造光滑、振幅反差、邊界加強(qiáng)可以突出地震數(shù)據(jù)體中的不連續(xù)特征，增強(qiáng)螞蟻?zhàn)粉櫟木取Ｍㄟ^疊后地震數(shù)據(jù)體對(duì)目標(biāo)地層進(jìn)行三維裂縫預(yù)測(cè)追蹤原理及流程如圖5 所示[18]。

圖5 螞蟻?zhàn)粉櫾砑傲鞒虉DFig.5 Principle and flow chart of ant tracking

（1）構(gòu)造光滑處理前后對(duì)比

通過構(gòu)造光滑處理去除原始地震數(shù)據(jù)體中的隨機(jī)噪聲，實(shí)際效果如圖6 所示，從圖中可以明顯看出，相同切片中構(gòu)造光滑后斷層表示更加明顯，為之后的螞蟻?zhàn)粉櫶峁┝烁玫那疤釛l件。

圖6 相同切片構(gòu)造光滑處理前后對(duì)比Fig.6 Comparison of structure smoothing of the same slice before and after

（2）振幅反差處理前后對(duì)比

振幅反差處理是進(jìn)行邊界檢測(cè)的一種手段，地震波在裂縫或斷層處會(huì)發(fā)生振幅的變化，通常會(huì)在螞蟻?zhàn)粉櫱袄谜穹床钐幚磉M(jìn)行邊界檢測(cè)，此舉可以使輸入數(shù)據(jù)體更好地顯示斷層、裂縫細(xì)節(jié)，如圖7 所示，這為后續(xù)處理創(chuàng)造更好的解釋條件。

圖7 相同切片振幅反差處理前后對(duì)比Fig.7 Comparison of amplitude contrast of the same slice before and after

（3）三維邊界加強(qiáng)處理前后對(duì)比

在疊后地震數(shù)據(jù)體的處理中，三維邊界加強(qiáng)被當(dāng)作一種體屬性濾波器，通常用于過濾噪聲，凸顯有效信息。將振幅反差處理后的地震數(shù)據(jù)體與三維邊界加強(qiáng)后的地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行比較，噪聲級(jí)有很大降低，并且邊緣的連續(xù)性得到了改善（圖8）。

圖8 相同切片三維邊界加強(qiáng)處理前后對(duì)比Fig.8 Comparison of 3D boundary enhancement of the same slice before and after

（4）螞蟻?zhàn)粉?/p>

螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)原理就是在地震體中按照初始邊界設(shè)定值分布一定數(shù)量“人工螞蟻”，并讓每個(gè)“螞蟻”在追蹤偏差等追蹤參數(shù)的約束下沿著可能的斷層裂縫面向前移動(dòng)，同時(shí)發(fā)出“信息素”。若遇到預(yù)期的斷層或裂縫將用“信息素”做出非常明顯的標(biāo)記，而對(duì)不可能是斷層裂縫的那些面將不做標(biāo)記或只做不太明顯的標(biāo)記。螞蟻?zhàn)粉櫵惴ń⒘艘环N突出斷層面特征的新型斷層解釋技術(shù)。通過該算法可自動(dòng)提取斷層裂縫，或?qū)Φ貙硬贿B續(xù)詳細(xì)成圖。螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)消除了人工解釋的主觀性，提高了斷層識(shí)別的速度與精度[19-20]。

將一定數(shù)量的螞蟻放入地震體中，每條路徑螞蟻的初始轉(zhuǎn)移概率相同，為一個(gè)接近于零的常數(shù)。螞蟻按照路徑上的信息素濃度、規(guī)定步長及點(diǎn)間的距離來選擇下一個(gè)目的點(diǎn)的位置，其轉(zhuǎn)移概率為[21-22]

式中：

α–軌跡的相對(duì)重要性；

β–能見度的相對(duì)重要性；

s–螞蟻k允許經(jīng)過的點(diǎn)。

當(dāng)該螞蟻完成一次路徑，此時(shí)，所經(jīng)過路徑上的信息素就會(huì)被更新

式中：

τij(t+n)–(t+n)次循環(huán)中路徑(i,j)上的信息素?cái)?shù)量；

ρ–信息素殘留系數(shù)，1 ?ρ 為信息素?fù)]發(fā)系數(shù)；

Δτij–本次循環(huán)中路徑(i,j) 上信息素?cái)?shù)量的增量；

2.2 長寧區(qū)塊漏失地層裂縫發(fā)育與展布預(yù)測(cè)

螞蟻?zhàn)粉欘A(yù)測(cè)裂縫結(jié)果如圖9 所示，圖中黑色細(xì)線為螞蟻?zhàn)粉櫝龅牧芽p結(jié)果。為驗(yàn)證裂縫與井漏復(fù)雜關(guān)系，需對(duì)時(shí)間域螞蟻體進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，本文利用時(shí)間域與深度域的層面數(shù)據(jù)建立速度模型，對(duì)時(shí)間域螞蟻體進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前后螞蟻體見圖9。

圖9 螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果Fig.9 Ant tracking results

利用龍?zhí)督M底、梁山組底和五峰組底深度域?qū)游蛔鳛閰⒖紝用嬖谏疃扔虻奈浵佔(zhàn)粉櫧Y(jié)果中提取龍?zhí)督M底、梁山組底和五峰組底（圖10）深度域?qū)游坏奈浵佔(zhàn)粉櫧Y(jié)果屬性。圖中不規(guī)則藍(lán)色陰影部分為每個(gè)層位裂縫投影。每個(gè)構(gòu)造層位裂縫分布情況基本相同，大致情況為目標(biāo)區(qū)塊四周為構(gòu)造高部位，相較于中間的構(gòu)造低部位裂縫投影密集，裂縫發(fā)育、密度大。

圖10 不同層面螞蟻體切片F(xiàn)ig.10 Slice of ant body in different layers

通過對(duì)深度域的螞蟻體進(jìn)行斷層裂縫提取得到裂縫三維展布模型，利用龍?zhí)督M底、梁山組底及五峰組底層面對(duì)裂縫模型進(jìn)行切割，得到茅口組–五峰組不同地層的裂縫三維展布（圖11）。為區(qū)別不同裂縫，對(duì)不同裂縫采用不同顏色進(jìn)行標(biāo)注。

從提取的裂縫三維展布規(guī)律，結(jié)合寧201 井區(qū)、寧209 井區(qū)和216 井區(qū)具體位置，由裂縫提取結(jié)果圖（圖11）可以看出，長寧區(qū)塊裂縫發(fā)育的裂縫展布規(guī)律呈一種四周裂縫密度高、較為發(fā)育，中間裂縫密度低的展布規(guī)律。茅口組–五峰組裂縫發(fā)育、斜交縫與層理縫交叉貫通，且該地層寧209 井區(qū)裂縫密度明顯小于寧216 井區(qū)的裂縫密度，由此也可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果印證了寧216 井區(qū)的單井平均井下復(fù)雜次數(shù)多于寧209 井區(qū)的單井平均井下復(fù)雜次數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆情況。從圖11 也可以明顯看出，梁山組底–五峰組底裂縫密度大于龍?zhí)督M底–梁山組底裂縫密度，證實(shí)了最初通過分析不同地層井下復(fù)雜次數(shù)得出的地層深度與裂縫密度呈正相關(guān)的推測(cè)。

圖11 不同地層裂縫三維展布規(guī)律（不同顏色代表不同裂縫）Fig.11 Three-dimensional distribution of fractures in different formations（Different colors represent different crack）

3 長寧區(qū)塊井下復(fù)雜與裂縫三維展布之間響應(yīng)關(guān)系

為避免提取參數(shù)對(duì)驗(yàn)證響應(yīng)結(jié)果的影響，通過制作深度域螞蟻?zhàn)粉櫝晒麛?shù)據(jù)體沿井剖面來驗(yàn)證預(yù)測(cè)裂縫與井下復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系。分別選取寧201井區(qū)、寧209 井區(qū)和寧216 井區(qū)各兩口井的井漏信息（表2），進(jìn)行井漏和裂縫預(yù)測(cè)的響應(yīng)關(guān)系驗(yàn)證。

表2 長寧區(qū)塊部分井漏統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Selected well leakage statistics for the Changning Block

圖12、圖13 和圖14 為3 個(gè)井區(qū)井漏裂縫響應(yīng)圖（圖中，黑色直線為井軌跡；陰影部分為裂縫存在可能性較大的區(qū)域；放大部分為可能引起井漏的裂縫與井軌跡相交位置局部特寫）。從螞蟻體預(yù)測(cè)結(jié)果的沿井剖面中可以看出，在寧201H2-5 井在測(cè)深1 254.08 m 附近井軌跡與螞蟻體預(yù)測(cè)裂縫相交。其余的5 口驗(yàn)證井的井下復(fù)雜與螞蟻體預(yù)測(cè)的裂縫也有較好的響應(yīng)關(guān)系。寧201H2-5 井井漏發(fā)生部位裂縫錯(cuò)綜復(fù)雜、密度大，而寧209H6-7 井井漏部位裂縫數(shù)量較少、密度小。從其他的驗(yàn)證井也可以得出相似的結(jié)論，螞蟻體預(yù)測(cè)裂縫密度大的相較于預(yù)測(cè)裂縫密度低的位置漏失量較大，但由于螞蟻體數(shù)據(jù)的沿井剖面為二維圖像，因此，在某種程度上對(duì)于漏失量的反映并不理想。

圖12 寧201 井區(qū)井漏裂縫響應(yīng)圖Fig.12 Response diagram of lost circulation and fracture in Ning 201 Well Block

圖13 寧209 井區(qū)井漏裂縫響應(yīng)圖Fig.13 Response diagram of lost circulation and fracture in Ning 209 Well Block

圖14 寧216 井區(qū)井漏裂縫響應(yīng)圖Fig.14 Response diagram of lost circulation and fracture in Ning 216 Well Block

通過以上的驗(yàn)證可以看出，井漏井段在螞蟻體預(yù)測(cè)位置有較強(qiáng)響應(yīng)，同時(shí)，螞蟻體的預(yù)測(cè)結(jié)果在一定程度上也可以與井漏事故的漏失量有較好的聯(lián)系，基于螞蟻體的裂縫預(yù)測(cè)方法在長寧區(qū)塊有著較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

（1）長寧區(qū)塊井下復(fù)雜問題突出，其主要原因?yàn)榈貙訑鄬?、裂縫極為發(fā)育。井下復(fù)雜縱向、橫向三維展布差異性明顯，且不同構(gòu)造位置點(diǎn)井下復(fù)雜程度與頻次不同。

（2）長寧區(qū)塊寧216 井區(qū)井下復(fù)雜發(fā)生頻率大于寧209 井區(qū)，縱向上井下復(fù)雜地層多，寧209 井區(qū)的井下復(fù)雜多發(fā)生于茅口組和龍馬溪組，且又以茅口組居多，寧216 井區(qū)井下復(fù)雜同樣多發(fā)于茅口組與龍馬溪組，但二者井下復(fù)雜次數(shù)大致相同。

（3）長寧區(qū)塊構(gòu)造呈現(xiàn)“中間向斜凹陷、四周背斜隆起”，長寧區(qū)塊背斜隆起構(gòu)造部位地勢(shì)高、擠壓應(yīng)力弱，裂縫較為發(fā)育，向斜凹陷部位地勢(shì)低、壓力壓力高，不宜形成裂縫，寧206 井區(qū)位于背斜隆起部位、裂縫發(fā)育、井下復(fù)雜頻次高，寧209 井區(qū)北部、南緣地勢(shì)升高，井下復(fù)雜增多。

（4）長寧井區(qū)井下復(fù)雜與地層裂縫發(fā)育程度密切相關(guān)，裂縫發(fā)育、斜交縫與層理縫交叉貫通是誘發(fā)長寧區(qū)塊井漏事故的主要原因。