黃浩勇，茍其勇，劉勝軍，王樂(lè)之，張宗和，鐘高，程曉莉

（1.中國(guó)石油西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院，四川 成都 610051；2.安東石油技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，北京 100102）

0 引言

天然裂縫（簡(jiǎn)稱裂縫，下同）是頁(yè)巖氣藏的重要儲(chǔ)集空間和主要滲流通道。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂縫是頁(yè)巖氣藏開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-7]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了裂縫預(yù)測(cè)方面的研究，如孫樂(lè)等[8-9]綜合應(yīng)用地震相干體、方差體、螞蟻體等分析技術(shù)對(duì)烏夏、任丘地區(qū)進(jìn)行了疊后地震裂縫預(yù)測(cè)；黨青寧等[10-12]采用寬方位地震采集和OVT（寬方位矢量偏移距）域地震處理技術(shù)開展了疊前裂縫預(yù)測(cè)，該技術(shù)對(duì)識(shí)別裂縫發(fā)育的密度和方向有較好的效果。疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)主要用于識(shí)別高角度裂縫發(fā)育區(qū)，且對(duì)地震數(shù)據(jù)要求高，如覆蓋次數(shù)高、均勻分布、寬方位等[11-12]。長(zhǎng)寧地區(qū)地震疊前道集不能滿足上述要求，且FMI成像測(cè)井資料顯示，該區(qū)高角度縫（大于 70°）占比 25%，低角度縫（小于 35°）占比75%，主要為低角度裂縫發(fā)育區(qū)。因此，疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)于長(zhǎng)寧地區(qū)適用性不強(qiáng)，裂縫預(yù)測(cè)精度較低，不能滿足該區(qū)壓裂改造和開發(fā)的要求。疊后裂縫綜合預(yù)測(cè)技術(shù)能充分挖掘放大地震資料的差異性，該技術(shù)包括邊緣檢測(cè)、本征相干、曲率、似然體及螞蟻體等分析方法[13-15]，主要利用疊后不連續(xù)檢測(cè)的特點(diǎn)。該技術(shù)表征的裂縫尺度普遍偏大，能夠達(dá)到人工解釋斷層的級(jí)別，而對(duì)于微小裂縫難以識(shí)別。常規(guī)螞蟻體追蹤結(jié)果縱向上分層性明顯，受參數(shù)設(shè)置影響明顯，只能識(shí)別某一尺度裂縫，預(yù)測(cè)結(jié)果隨機(jī)性較大，常常不能反映斷裂的展布規(guī)律。由于裂縫成因類型復(fù)雜，裂縫預(yù)測(cè)方法各有側(cè)重，單一預(yù)測(cè)方法往往不能準(zhǔn)確反映各類裂縫分布。

鑒于此，本文根據(jù)各種裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)以及長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣地質(zhì)特征，提出了適用于長(zhǎng)寧地區(qū)的疊后裂縫綜合預(yù)測(cè)技術(shù)，即優(yōu)選基于三維體最大正振幅曲率屬性基礎(chǔ)上的螞蟻體追蹤技術(shù)進(jìn)行頁(yè)巖氣裂縫綜合預(yù)測(cè)。該技術(shù)綜合了曲率體屬性及螞蟻體追蹤的優(yōu)點(diǎn)，有效提高了裂縫預(yù)測(cè)精度。

1 疊后裂縫綜合預(yù)測(cè)技術(shù)

1.1 技術(shù)流程

疊后裂縫預(yù)測(cè)一般采用螞蟻體追蹤，該技術(shù)傳統(tǒng)流程為：1）在原始地震數(shù)據(jù)體上構(gòu)造平滑；2）運(yùn)行方差體或混沌體；3）進(jìn)行1～2次螞蟻體追蹤。但該技術(shù)手段在研究區(qū)難以得到滿意的預(yù)測(cè)結(jié)果。為此，本研究提出了疊后裂縫綜合預(yù)測(cè)技術(shù)，將方差體或混沌體替換為三維振幅曲率體，有效改善了螞蟻體追蹤效果[8，14-15]（見圖1）。

圖1 技術(shù)路線示意

疊后裂縫綜合預(yù)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵步驟是三維體最大正振幅曲率屬性提取、螞蟻體追蹤及實(shí)鉆井資料驗(yàn)證。三維體最大正振幅曲率屬性受地震資料中的噪聲影響較大，所以需采用構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波等技術(shù)提高地震信噪比。該屬性提取的時(shí)窗為關(guān)鍵參數(shù)。時(shí)窗太大，影響頁(yè)巖薄儲(chǔ)層的計(jì)算；時(shí)窗太小，計(jì)算的結(jié)果隨機(jī)性增大，影響結(jié)果準(zhǔn)確性。為此，本研究?jī)?yōu)選時(shí)窗值為20 ms。螞蟻體追蹤過(guò)程參數(shù)及步驟較多，可在對(duì)小區(qū)塊反復(fù)測(cè)試，并與斷裂系統(tǒng)及井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比的基礎(chǔ)上，得到研究區(qū)螞蟻體追蹤的關(guān)鍵初始邊界參數(shù)，即：偏移角度為5，搜索步長(zhǎng)為2，允許的非法步數(shù)為3，允許的合法步數(shù)為2，終止的標(biāo)準(zhǔn)為10%。螞蟻體追蹤方式選取“被動(dòng)+主動(dòng)+被動(dòng)”的組合方式，可得到噪聲受壓制、小裂縫沒(méi)有丟失的追蹤結(jié)果。另外，頁(yè)巖氣鉆井和壓裂生產(chǎn)過(guò)程中很多事件受到裂縫的影響，要盡可能大量收集整理上述資料，分析裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際資料的吻合程度。驗(yàn)證資料越豐富，越能保證裂縫預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.2 構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波

曲率等地震幾何屬性在數(shù)學(xué)上為二階導(dǎo)數(shù)，易受噪聲影響。因此，對(duì)地震數(shù)據(jù)體空間濾波是求取地震幾何屬性的基礎(chǔ)。本研究采用優(yōu)于常規(guī)的、利用頻段消除噪聲的構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波技術(shù)[16-17]。與構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波前的原始地震剖面相比，濾波后的地震剖面上同相軸錯(cuò)斷更加清晰，垂向斷裂更明顯（見圖2。圖中藍(lán)圈指示同相軸錯(cuò)斷區(qū)）。濾波后的地震數(shù)據(jù)體噪聲得到壓制，同相軸連續(xù)性增強(qiáng)；與此同時(shí)，斷層邊界由于濾波作用，相對(duì)應(yīng)的地震信號(hào)變得增強(qiáng)和平滑。

圖2 構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波前、后地震剖面對(duì)比

1.3 三維體最大正振幅曲率計(jì)算與提取

1.3.1 計(jì)算方法

構(gòu)造應(yīng)力高低反映地層的應(yīng)變大小。通常情況，構(gòu)造應(yīng)力越高，地層彎曲就越大（即曲率越高），破裂作用相應(yīng)增加，即一般曲率越大，張應(yīng)力也越大，張裂縫也越發(fā)育。地震數(shù)據(jù)中，振幅曲率大小的變化對(duì)應(yīng)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)上的變化。與曲率屬性相比，三維體最大正振幅曲率屬性可以獲得更多振幅上的細(xì)節(jié)，裂縫預(yù)測(cè)效果較好。

一維振幅曲率KA的計(jì)算公式為

式中：A為振幅，dB；x為東西方向（即主測(cè)線方向）。

將振幅曲率由一維延伸到三維數(shù)據(jù)體，由原始地震體生成的三維振幅數(shù)據(jù)體中任意反射點(diǎn)沿不同方向的變化率可用梯度grad（A）表示：

式中：y為南北方向（即聯(lián)絡(luò)線方向）；t為垂直方向；px，qy，rt分別為 x，y，t方向上的視傾角分量；px，min，qy，min，rt，min分別為 x，y，t方向上的最小視傾角分量。

在較小的局部地層范圍內(nèi)，地層界面對(duì)應(yīng)的空間曲面Z(x，y)可以用方程近似表示為

式中：a，b，c，d，e，f為系數(shù)。

最大正振幅曲率屬性Kmpc可由式（5）中系數(shù)計(jì)算得到：

1.3.2 屬性提取

為對(duì)比三維體正振幅曲率屬性預(yù)測(cè)裂縫的效果，對(duì)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波數(shù)據(jù)體分別提取相干體屬性和三維體最大正振幅曲率屬性剖面及沿層切片（見圖3、圖4）。

圖3 相干體屬性與三維體最大正振幅曲率屬性剖面對(duì)比

圖4 相干體屬性與三維體最大正振幅曲率屬性切片對(duì)比

由圖3（圖中黑色箭頭指示斷裂處的異?，F(xiàn)象，下同）可知：相干體屬性剖面上，目的層斷裂處地震反射波異常（簡(jiǎn)稱異常，下同）明顯，非斷裂處正常，目的層以外的其他層段異常連片分布（即分層現(xiàn)象明顯）；三維體最大正振幅曲率剖面上，目的層斷裂處異常明顯，其他位置也檢測(cè)出異常，且縱向分布清晰，說(shuō)明該屬性可降低相干體屬性中的分層現(xiàn)象。

由圖4可知：三維體最大正振幅曲率沿層切片與相干體切片在斷裂處相似，但在裂縫細(xì)節(jié)上，三維體最大正振幅曲率屬性顯示更豐富。

1.4 螞蟻體追蹤

螞蟻體追蹤算法是基于種群?jiǎn)l(fā)式的仿生進(jìn)化算法，通過(guò)在地震數(shù)據(jù)體中撒播大量“螞蟻”，在地震屬性體中發(fā)現(xiàn)滿足預(yù)設(shè)斷裂-裂縫條件的痕跡的“螞蟻”釋放某種信號(hào)，召集其他的“螞蟻”集中在該處對(duì)其進(jìn)行追蹤，直至完成追蹤與識(shí)別，獲得微斷裂及裂縫發(fā)育條帶的空間分布。

1.5 基于三維體最大正振幅曲率屬性的螞蟻體追蹤

針對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣的地質(zhì)特點(diǎn)，在對(duì)該區(qū)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波、三維體最大正振幅曲率屬性提取等基礎(chǔ)上，采用基于三維體最大正振幅曲率屬性的螞蟻體追蹤技術(shù)進(jìn)行疊后裂縫預(yù)測(cè)，以提高該區(qū)裂縫預(yù)測(cè)精度。

相比常規(guī)螞蟻體算法，該方法在裂縫寬度及傾向的刻畫方面更精細(xì)。由圖4、圖5可知：研究區(qū)斷層、裂縫發(fā)育程度高，大斷裂主要發(fā)育在北西部，斷層走向以北東—南西向?yàn)橹?，延伸距離長(zhǎng)；向斜區(qū)發(fā)育大量微裂縫，以網(wǎng)狀縫為主，裂縫傾角較大，呈近直立狀。

圖5 2種螞蟻體算法結(jié)果對(duì)比

2 裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

2.1 微地震事件驗(yàn)證

微地震檢測(cè)時(shí)常能見到豐富的微地震事件，其中部分微地震事件與斷裂、裂縫有關(guān)，如高震級(jí)、遠(yuǎn)離井筒分布、帶狀分布等顯示。

由圖6可知：1）N1井靶點(diǎn)B附近微地震事件震級(jí)強(qiáng)，延伸距離遠(yuǎn)，與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果——北西向裂縫發(fā)育較吻合；靶點(diǎn)A附近微地震事件表現(xiàn)為沿井筒附近分布，且西側(cè)分布較集中，與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果——北西向裂縫發(fā)育較吻合，東側(cè)發(fā)育與井軌跡呈小角度夾角的裂縫，對(duì)微地震事件起屏障作用。2）N2井水平段軌跡中段北西向裂縫發(fā)育，微地震事件表現(xiàn)為震級(jí)較強(qiáng)；靶點(diǎn)A，B附近預(yù)測(cè)裂縫不發(fā)育，微地震事件表現(xiàn)為延伸距離短、震級(jí)較弱。利用46口井微地震事件驗(yàn)證裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果，裂縫預(yù)測(cè)符合率達(dá)82.6%。

圖6 微地震檢測(cè)與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

2.2 成像測(cè)井資料驗(yàn)證

利用6口成像測(cè)井資料，結(jié)合成像測(cè)井高阻縫（裂縫）的走向與相鄰斷裂、裂縫走向的一致性，對(duì)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖7中W2，W4井成像測(cè)井解釋裂縫走向主要為東西向和北東—南西向，與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果一致。6口井裂縫預(yù)測(cè)符合率為83.0%。

圖7 W2，W4井裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果

2.3 鉆井液漏失事件驗(yàn)證

在頁(yè)巖氣井鉆井過(guò)程中，井漏事件常與斷裂、天然裂縫有關(guān)，龍馬溪組頁(yè)巖裂縫的活化是引起鉆井過(guò)程中鉆井液漏失的主要原因。本次利用15口井20個(gè)井漏段作為樣本，對(duì)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，裂縫預(yù)測(cè)符合率為80.0%。由圖8可以看出：在W2井的井漏段A點(diǎn)附近（井深3299.0～3299.8m，鉆井液漏失量3.6m3，鉆井液密度 1.97 g/cm3）、B點(diǎn)附近（井深 4 278.0～4 281.2 m，鉆井液漏失量10.6 m3，鉆井液密度1.96 g/cm3）和 W4井的 C 點(diǎn)附近（井深 3 520.0～3 523.0 m，鉆井液漏失量54.5 m3，鉆井液密度2.00～2.04 g/cm3），井漏事件在裂縫預(yù)測(cè)剖面上均有響應(yīng)。

圖8 W7，W8井裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果

2.4 套變事件驗(yàn)證

頁(yè)巖氣井鉆井過(guò)程中的套變事件常與斷裂、裂縫有關(guān)，套變事件段在裂縫預(yù)測(cè)剖面上均有響應(yīng)（見圖9）。如W9，W10井鉆遇中等規(guī)模裂縫，W9井套變段a段（井深 3 788～3 839 m）、b 段（井深 2 994～3 041 m）及W10井套變段c段（井深3 270～3 371m）在裂縫預(yù)測(cè)剖面上均有響應(yīng)。利用19口井32個(gè)套變段作為樣本，對(duì)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，裂縫預(yù)測(cè)符合率為84.6%。

圖9 套變事件與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

綜上所述，利用多種信息驗(yàn)證，對(duì)比104個(gè)樣本點(diǎn)，裂縫預(yù)測(cè)符合率達(dá)80.6%，說(shuō)明本研究裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

3 裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)用

本研究將裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)用到研究區(qū)28口井鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、15口井壓裂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、37口井壓裂后效果評(píng)估中，為裂縫建模提供了三維空間裂縫數(shù)據(jù)，提取了212口井裂縫強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對(duì)頁(yè)巖氣井產(chǎn)量主控因素分析及頁(yè)巖氣勘探開發(fā)起到較好指導(dǎo)作用[18-19]。

例如，W11-1井水平段鉆探前，根據(jù)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)該井進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。W11-1井鉆探中，分別在井深 3 547.57，3 568.32，3 580.00，3 677.00，3 987.71，4 216.00 m附近發(fā)生井漏事件。其中，前5個(gè)與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果較吻合，裂縫與井軌跡呈小角度（15°左右）相交。該井原設(shè)計(jì)井深為5 600.00 m，在鉆到4 413.00 m斷裂位置附近時(shí)，又發(fā)生卡鉆、井漏情況。之后，考慮鉆遇小角度微裂縫，易造成異常事故，提出了該井提前完鉆建議。與W11-1井同平臺(tái)的3口井鉆探前，在水平段預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育段7個(gè)，為此降低了鉆井液密度，鉆井液密度最大值為1.82 g/cm3（小于W11-1井的1.86 g/cm3），確保了該井未發(fā)生井漏等復(fù)雜事故而順利完鉆。

4 結(jié)論

1）與常規(guī)螞蟻體追蹤識(shí)別裂縫方法比較，基于三維體最大正振幅曲率屬性的螞蟻體追蹤結(jié)果橫向分辨率高，縱向上降低分層性，裂縫預(yù)測(cè)精度高，能同時(shí)識(shí)別不同級(jí)別的斷裂、裂縫。通過(guò)實(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)、成像測(cè)井、微地震檢測(cè)等資料驗(yàn)證，裂縫預(yù)測(cè)符合率為80.6%。

2）裂縫綜合預(yù)測(cè)結(jié)果可以指導(dǎo)鉆井軌跡設(shè)計(jì)及優(yōu)化、鉆井液參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、鉆中軌跡優(yōu)化、壓裂分段分簇方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化、壓裂改造規(guī)模及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、壓裂效果分析、頁(yè)巖氣產(chǎn)量主控因素分析等研究工作，從而有效提升頁(yè)巖氣井壓裂改造效果和產(chǎn)能。