趙 爽，李曙光，林正良

(1.中國石化西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610095;2.中國石化 石油物探技術研究院，江蘇 南京 211103)

1 引 言

目前，國內(nèi)頁巖氣的勘探開發(fā)規(guī)模越來越大[1]，國內(nèi)首個商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田——中石化涪陵頁巖氣田，已于2020年5月份累產(chǎn)突破300×108m3。頁巖氣作為一種非常規(guī)氣藏，必須經(jīng)過水力壓裂人工改造才能獲得商業(yè)產(chǎn)能。而壓裂人工改造的效果，除了與壓裂改造的規(guī)模及強度相關外，與頁巖儲層自身的工程屬性，即工程“甜點”參數(shù)的情況也直接相關。目前用來評價頁巖儲層的工程“甜點”參數(shù)，主要包括頁巖儲層的脆性、地層壓力及地應力等參數(shù)。頁巖的脆性是頁巖的巖石屬性，表明頁巖在外力作用下發(fā)生破裂的難易程度；頁巖的地層壓力表明了頁巖儲層孔隙的內(nèi)生壓力，反映了頁巖儲層的內(nèi)在能量，在一定程度上影響水力壓裂時的難度；頁巖儲層的地應力方向及最大最小應力差，對頁巖壓裂改造成縫的縫網(wǎng)復雜性有較大的影響，是當前頁巖氣水平井軌跡設計及壓裂施工重點考慮的參數(shù)。

通過地球物理預測可以實現(xiàn)這些參數(shù)的求取。地球物理在頁巖氣勘探開發(fā)中的作用不可替代，通過地震資料解釋及反演，確定頁巖儲層的平面分布、優(yōu)質(zhì)頁巖品質(zhì)及埋深，是進行頁巖氣評價選區(qū)、井位部署的基礎[2]。對反映優(yōu)質(zhì)頁巖品質(zhì)的頁巖厚度、有機質(zhì)含量、孔隙度等參數(shù)，可以通過地震反演，結合阻抗或密度等參數(shù)與相關參數(shù)的交會關系進行求取，方法已較為成熟[3]；但是對于反映頁巖儲層工程“甜點”的脆性、地層壓力與地應力等參數(shù)，依靠常規(guī)的地震反演無法獲取，其方法技術較為復雜。本文對這些工程“甜點”參數(shù)的地球物理預測方法進行論述和實踐，以川南WY地區(qū)為例，基于壓裂改造是否易于壓開、壓開是否易于成復雜網(wǎng)狀縫，針對頁巖儲層脆性、地層壓力、地應力等工程“甜點”參數(shù)開展地球物理預測，形成相應的技術系列，為深層頁巖氣水平井的部署論證及壓裂設計提供依據(jù)。

2 頁巖儲層特征

川南深層五峰—龍馬溪組頁巖氣資源豐富，針對3 500 m以深五峰—龍馬溪組頁巖氣，中石化、中石油均開展了深入的研究[4]。川南深層奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖，巖性主要為淺灰色、灰綠色、灰黑色頁巖，其中龍馬溪組分為3段，自下而上為龍一段、龍二段和龍三段，而龍一段為主要頁巖儲層段。內(nèi)部細分分為9個小層，①號小層對應五峰組，②～⑨小層對應龍一段，以①～④小層最為優(yōu)質(zhì)。

研究認為，川南深層WY地區(qū)五峰—龍馬溪組以陸棚相沉積為主。①～④號小層為深水陸棚相，具有富碳高硅特征，筆石極發(fā)育，TOC(Total Organic Carton,TOC)含量大于2 %，有機質(zhì)成熟度大于2.0 %，儲層物性和含氣性明顯優(yōu)于上部地層；礦物組分包括黏土、石英、方解石、白云石、黃鐵礦和斜長石，主要成分為黏土、石英、方解石和白云石，體積分數(shù)之和可占總礦物的80 %～98 %，表現(xiàn)為富硅質(zhì)頁巖。

圖1 WY地區(qū)某井五峰-龍馬溪組頁巖儲層特征

3 工程“甜點”參數(shù)預測方法

3.1 脆性系數(shù)

當巖石受力發(fā)生較小的塑性變形后，外力達到某個極限值時突破破裂，破裂時以彈性能量的形式釋放能量，這種性質(zhì)稱為巖石脆性，一般采用脆性系數(shù)進行巖石脆性強弱的描述[5]。巖石的脆性礦物成分可以表達巖石脆性系數(shù)，地球物理一般利用巖石彈性參數(shù)進行脆性系數(shù)的計算。Rickman等利用楊氏模量和泊松比，通過歸一化分別計算楊氏模量脆性和泊松比脆性[6-8]，然后綜合考慮兩者計算平均值進行脆性系數(shù)的表達，即：

(1)

其中，EBI為楊氏模量脆性，E、EMIN和EMAX分別為楊氏模量及其最小值和最大值；μBI為泊松比脆性，μ、μMIN和μMAX分別為泊松比及其最小值和最大值；BI表示巖石脆性系數(shù)。具體計算過程中，EMIN、EMAX和μMIN、μMAX根據(jù)不同地區(qū)的實測及計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。脆性系數(shù)BI越大，則巖石在受力時越容易發(fā)生破裂。相對高脆性的頁巖儲層，在進行壓裂改造時相對容易破裂,從而在頁巖內(nèi)形成裂縫。

實際工作發(fā)現(xiàn)，高脆性的頁巖并不一定為最優(yōu)質(zhì)的頁巖儲層。比如，在頁巖石英含量一定的情況下，頁巖的有機質(zhì)含量增加，頁巖的楊氏模量會降低，脆性則下降；孔隙度φ增加也會導致頁巖脆性下降，見圖2(a)和圖2(b)。因此希望能有一種脆性表達，可以將高孔隙、高有機質(zhì)的頁巖含氣富集性與頁巖易壓裂性統(tǒng)一。E/λ作為一種新的脆性系數(shù)表達方式，可以達到上述目標，其表達式為：

(4)

由圖2可見，隨著石英含量的增加，E/λ增加，孔隙度也增加。另外，隨著有機質(zhì)含量的增加，E/λ也增加。因此，E/λ脆性系數(shù)避免了頁巖孔隙度、有機質(zhì)含量、含流體情況等對頁巖彈性參數(shù)的影響，綜合指示了頁巖儲層的含氣性及易壓性，是一個地質(zhì)工程雙“甜點”參數(shù)。通過地震反演彈性參數(shù)[9]，利用反演結果計算E/λ脆性，即可進行三維脆性“甜點”的評價。

圖2 石英、有機質(zhì)含量及孔隙度變化與脆性關系

3.2 地層壓力

傳統(tǒng)的Eaton方程法和等效深度法作為異常壓力預測的經(jīng)典方法，在使用前必須確定沉積物正常壓實時其地球物理參數(shù)隨埋藏深度的變化關系，即正常壓實趨勢線[10]。而根據(jù)實測壓力數(shù)據(jù)點來擬合壓實趨勢線的傳統(tǒng)方法具有較強的主觀性和隨意性，對于缺少實際壓力資料的地區(qū)難以適用。近年來業(yè)內(nèi)提出一種名為CPS(Clay Plus Silt)的泥頁巖巖石物理模型，基于該模型得到的壓實趨勢線進行壓力預測具有更高的精度[11-13]。但是，該模型仍沒有考慮頁巖中有機質(zhì)的影響。

對模型進行改進，依然假設黏土與孔隙流體構成濕黏土混合物，而石英、長石、方解石、黃鐵礦等硬性礦物組成砂質(zhì)混合物。不同的是，模型的構成組分由原來的濕黏土—砂質(zhì)混合物兩相變?yōu)闈耩ね?砂質(zhì)混合物-有機質(zhì)三相。相比原模型中采用微分等效介質(zhì)理論(DEM模型,Differential Equivalent Medium Model)來求取兩相混合物的等效彈性張量，改進模型中選用Backus平均公式來求取濕黏土-砂質(zhì)混合物-有機質(zhì)三相所構成的等效介質(zhì)。而Backus平均公式，由于其具有的顯式表達形式，較需要迭代求解的DEM模型具有更高的計算效率，已被不同學者用在富含有機質(zhì)頁巖的巖石物理建模流程中[14]。圖3顯示了基于改進的CPS模型的頁巖氣單井地層壓力預測流程圖。

采用基于改進CPS模型的單井地層壓力預測流程對目標工區(qū)進行壓力預測，降低對實測壓力數(shù)據(jù)的依賴，同時保證壓力預測的精度。基于單井地層壓力預測，確定工區(qū)地層壓力預測模型及相關系數(shù)：

P=POV-(POV-PHY)(V/Vnct)n

(5)

可以看出，地震地層壓力預測的關鍵是要獲得準確的上覆地層壓力POV，靜水壓力PHY和常壓趨勢下的背景速度場Vnct，然后根據(jù)地震反演獲取的速度場，利用單井壓力預測時構建的壓力預測模型進行地層壓力預測。

3.3 地應力

3.3.1 最大水平主應力方向

地層最大主應力方向是指導壓裂工程設計的重要的參數(shù)之一，對水力壓裂改造效果的影響較大，國內(nèi)外大量學者在頁巖氣勘探開發(fā)中將主應力方向作為應力場研究的重點[15-21]。在主應力較為明顯的情況下，最大主應力方向與裂縫發(fā)育方位基本一致，因此，求取裂縫發(fā)育方位即可得知最大主應力方向[22-25]。AVAZ(Amplitue Versus Azmuith, AVAZ)特征分析是獲得裂縫主方位即裂縫對稱軸方位角的重要途徑，考慮裂縫對稱軸影響的HTI(Horizontal Transverse Isotropy,HTI)介質(zhì)反射系數(shù)近似公式如下所示：

(6)

式中，φsym為裂縫對稱軸的方位角。

假設，目前已有三個方位φ1、φ2和φ3的疊前角度道集，對三個方位的疊前道集分別進行AVO(Amplitude Variations Offset,AVO)特征分析，提取出的截距和梯度屬性為：P1、G1，P2、G2及P3、G3。理論上，不同方位的AVO截距屬性應該相等，即：P1=P2=P3，同時各向同性梯度項Giso也應相同。據(jù)此，裂縫方位對稱軸φsym的計算公式可表示為：

(7)

其中，D為G3-G1和G2-G1結果相除，即

(8)

3.3.2 最大最小水平主應力差(DHSR)

研究表明，最大與最小水平應力變化差與最大水平應力的比值(DHSR，Differential Horizontal Stress Ratio)是評價頁巖儲層是否能夠壓裂改造形成復雜縫網(wǎng)的參數(shù)。DHSR的計算如公式(20)所示：

(9)

其中，E為楊式模量;μ為泊松比;σH為水平最大應力;σh為水平最小應力;ZN為裂縫法向柔度。

從式(9)可以看出，DHSR與垂直方向的應力σv并不相關，因此在DHSR計算過程中無需已知上覆地層壓力的大小。通常情況下，如果DHSR數(shù)值較小，表明該頁巖儲層比較適于壓裂開發(fā)，易于形成復雜裂縫網(wǎng)。

已知Schoenberg線性滑動模型中裂縫法向柔度ZN和切向柔度ZT與裂縫法向參數(shù)ΔN和切向參數(shù)ΔT之間的關系式：

(10)

(11)

從公式(10)和公式(11)中可以看出，ZN單獨與ΔN相關，ZT單獨與ΔT相關，因此通過地震反演預測得到裂縫參數(shù)ΔN和ΔT之后，可以求解裂縫柔度ZN和ZT，進而獲得頁巖儲層的DHSR參數(shù)。

4 工程“甜點”參數(shù)地震預測

4.1 脆性地震預測

針對孔隙度較高的頁巖含氣區(qū)應用E/λ脆性進行脆性表征。通過反演得到楊氏模量、泊松比的基礎上進行E/λ計算，從圖4可以看出脆性預測結果穩(wěn)定性高，龍一段的優(yōu)質(zhì)頁巖層刻畫清晰。

圖4 五峰—龍馬溪組脆性地震預測剖面

單井計算結果可見④號小層為一個明顯的脆性變化界面，其中⑤～⑥號小層脆性相對較小，⑥號小層往上脆性逐漸減小，鉆井揭示與地震預測的結果一致(圖5)。

圖5 WY地區(qū)五峰-龍馬溪組過井脆性預測剖面

縱向上龍馬溪組下部①～④號小層脆性指數(shù)較高，這同頁巖儲層本身硅質(zhì)含量較高密切相關，脆性最高是底部①～②號小層段頁巖，硅質(zhì)含量分別為66.09 %、62.44 %，往上⑤⑥號小層硅質(zhì)含量逐漸降低為45 %左右，脆性參數(shù)剖面很好地指示了脆性礦物含量的相對高低。五峰組—龍一段下部沉積期，隨著古水深逐漸變淺，硅質(zhì)含量減少，進而導致儲層的脆性也降低。龍一段頂部、龍二段及龍三段沉積期，隨著水體進一步變淺，地層中黏土礦物含量增加，從而導致地層脆性減弱。這與該區(qū)的區(qū)域沉積演化認識是吻合的。在測井解釋上,該地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層的脆性礦物含量(硅質(zhì))也從下往上逐漸降低。

4.2 地層壓力地震預測

在獲得靜水壓力、上覆地層壓力、常壓背景速度場的情況下，基于疊前反演獲得的速度場，利用單井壓力預測時構建的壓力預測模型進行地層壓力預測，將地層壓力預測結果與靜水壓力進行比值計算,得到地層壓力系數(shù)，其結果如圖6所示。可以看出，①～④優(yōu)質(zhì)頁巖儲層地層壓力系數(shù)介于1.2～2.2之間，⑤～⑨頁巖儲層壓力系數(shù)介于1.2～2.0之間。深凹區(qū)壓力系數(shù)大，保存條件比隆起區(qū)好。龍馬溪組底部地層壓力明顯偏高，屬于超壓頁巖氣藏。

圖6 五峰—龍馬溪組地層壓力系數(shù)地震預測剖面

4.3 地應力地震預測

在疊前分方位偏移處理的基礎上，利用疊前道集進行地應力預測，結果表明WY地區(qū)最大水平主應力方向為北東東向—近東西向(圖7)。在斷層兩側局部應力方向有小范圍變化，最大水平主應力方向為近東西方向，主體區(qū)介于70°～89°之間，地應力方向受斷裂及構造影響大。根據(jù)工區(qū)內(nèi)電成像測井和偶極聲波測井資料分析，在龍馬溪組儲層段的誘導縫欠發(fā)育，井眼崩落不明顯，各向異性微弱，且方位不穩(wěn)定，但總體反映出地應力方向為北東東—東西向，與區(qū)域應力場基本吻合。

圖7 WY地區(qū)龍一段DHSR與地應力方向預測結果

水平應力變化率(DHSR)的預測結果顯示，①～④小層DHSR介于0.12～0.15之間(圖8)。受研究區(qū)構造形態(tài)以及斷裂的影響，隆起區(qū)應力釋放作用，DHSR相對于深凹區(qū)較小。在地層隆起區(qū)由于應力釋放，DHSR相對減??；而工區(qū)內(nèi)深凹陷區(qū)，應力相對集中以及地層埋深的加大，DHSR相對較大。

圖8 WY地區(qū)五峰—龍馬溪組DHSR預測剖面

5 結 論

1)頁巖儲層的厚度、有機質(zhì)含量、孔隙度、含氣量等參數(shù)，反映頁巖的地質(zhì)“甜點”，是頁巖氣勘探階段選區(qū)、選層的重要標準，在頁巖氣有利區(qū)、有利小層基本落實的情況下，頁巖的地質(zhì)“甜點”參數(shù)相對穩(wěn)定，一定范圍內(nèi)一般變化不大，此時頁巖儲層的工程"甜點"就是影響頁巖儲層壓裂改造效果的關鍵地質(zhì)因素。

2)頁巖脆性、地層壓力及地應力三個參數(shù)，反映出頁巖儲層在水力壓裂下巖石發(fā)生破裂的難易程度、地層內(nèi)在壓力對抗壓裂的強度以及壓裂成縫網(wǎng)的復雜程度。以高質(zhì)量的地震反演為基礎，通過E/λ預測頁巖脆性系數(shù)，利用改進的CPS模型預測地層壓力，基于線性滑動理論預測地應力，實現(xiàn)頁巖儲層的脆性、地層壓力、地應力三個關鍵參數(shù)的地震預測，完成三維空間的頁巖工程“甜點”評價，有效指導頁巖氣水平井的論證部署、測試選層、壓裂設計。

3)通過川南深層五峰—龍馬溪組頁巖儲層工程“甜點”地震預測，建立了頁巖氣工程“甜點”預測技術系列，為頁巖氣的地質(zhì)—工程一體化研究提供了關鍵參數(shù)，是實現(xiàn)頁巖氣高質(zhì)量勘探和高效開發(fā)的重要支撐，為國內(nèi)深層頁巖氣藏的研究提供了經(jīng)驗。