阿姆河右岸H區塊致密碳酸鹽巖儲層裂縫綜合預測

郭 凱,范樂元,李 洋,張 明,張春偉,李麗榮

(中國石油長城鉆探工程有限公司國際測井公司,北京100101)

裂縫不但可以提高儲層的滲流能力,而且控制著溶蝕孔洞縫的發育,對油氣的運聚和分布以及油氣藏產能具有重要的意義[1-2]。隨著對低滲或致密儲層勘探開發的不斷重視,加強裂縫研究,提高儲層裂縫分布預測及裂縫型儲層建模的準確度變得更重要[2-3]。儲層天然裂縫主要包括構造成因的張裂縫和剪裂縫、成巖成因的收縮縫和壓溶縫、異常高壓成因的水力破裂縫、應力或應變卸載縫以及復合成因的溶蝕縫等,而碳酸鹽巖儲層中各種構造成因的裂縫及其相關溶蝕縫洞分布范圍和尺度范圍都更廣泛[1,4-5]。目前已有基于構造應力與應變模擬計算的裂縫預測[6-9]、相干及曲率等疊后地震屬性預測裂縫[10-14]和疊前各向異性與疊前彈性參數反演預測裂縫型儲層[13-16]等眾多方法用于碳酸鹽巖儲層的裂縫預測。近年來,裂縫分布預測已由單一方法預測向多方法綜合預測發展,出現了如疊前疊后地震聯合預測[14-15]以及構造數值模擬與地震裂縫預測相結合[9,17]的綜合預測方法。

研究表明,褶皺逆沖帶發育的裂縫主要受構造作用控制,構造位置與褶皺變形特征對裂縫組系分布和密度等特征均有重要影響,并最終影響儲層品質[4,8,18-19]。從地質成因角度分析褶皺沖斷帶形成模式及其應變歷史對于預測裂縫的發育分布很有意義,目前已有許多針對碳酸鹽巖前陸沖斷帶構造位置影響裂縫發育特征及分布的研究,如中東扎格洛斯褶皺沖斷帶研究[19-20]和北美落基山脈沖斷帶研究[18,21]。隨著體曲率屬性在構造識別及裂縫檢測中的推廣應用,許多學者利用其進行裂縫預測[10-12,22]。因此,將構造應力應變模擬與地震預測方法相結合,根據構造應力應變模擬結果從地質成因入手尋找裂縫發育區,并根據地震體曲率等屬性分析結果進一步優化對有利裂縫帶的預測,可有效提高裂縫型儲層的預測精度[9]。本文以阿姆河右岸H區塊碳酸鹽巖儲層為例,從地質成因角度根據褶皺變形特征及應力應變分布等分析構造作用對該區裂縫發育的影響,并結合地震體曲率屬性的裂縫預測結果綜合分析有利裂縫發育帶,為下一階段的氣藏評價開發提供依據。

1 地質概況

1.1 區域地質特征

阿姆河右岸位于阿姆河盆地東北部北阿姆河坳陷,橫跨查爾朱階地、別什肯特坳陷和西南吉薩爾褶皺沖斷帶3個二級構造單元。研究區H區塊位于阿姆河右岸東部,構造上隸屬于吉薩爾褶皺沖斷帶(圖1)。阿姆河右岸的上侏羅統基末利—提塘階發育了一套巨厚的膏鹽巖將該區沉積蓋層分為鹽上和鹽下兩套勘探層系。鹽下上侏羅統卡洛夫—牛津階碳酸鹽巖為該區的主要目的層,該套地層在阿姆河右岸東部由上至下包括XVhp,XVa1,XVz,XVa2和XVⅠ共5個層段,其中XVhp為主要產氣層,其次為XVa1和XVa2。阿姆河右岸的上侏羅統基末利—提塘階主要發育鹽上和鹽下兩套斷裂體系,鹽下斷裂體系主要發育近北東向和近北西向逆斷層及走滑斷層。受喜馬拉雅期構造擠壓的控制,該地區自新近紀以來受來自西南吉薩爾方向的逆沖擠壓,形成山前褶皺沖斷帶,發育一系列含氣逆沖構造[23-24]。

1.2 儲層孔縫洞發育特征

研究表明,阿姆河右岸東部整體處于中、低能水動力的臺地前緣緩斜坡沉積環境[25-26],發育復合顆粒灘、生物丘、丘灘間和斜坡泥等沉積微相,主要發育泥粒灰巖和粒泥灰巖,其次為顆粒灰巖和泥灰巖。觀察鑄體薄片發現,研究區基質孔主要包括粒內溶孔和鑄模孔,還包括少量殘余粒間孔和生物體腔孔等(圖2a至圖2d),孔隙度通常小于6%,滲透率通常低于0.1×10-3μm2,孔徑小且連通性差,導致該區基質物性差,為典型的致密碳酸鹽巖儲層。

圖2 阿姆河右岸H區塊卡洛夫-牛津階碳酸鹽巖儲層及其孔縫洞發育特征a 泥晶似球粒灰巖(殘余粒間孔發育); b 泥晶藻團粒生屑灰巖(粒內溶孔發育); c 泥晶生屑灰巖(鑄模孔發育); d 泥晶生屑灰巖(殘余粒間孔及粒內溶孔見方解石晶體半充填); e 泥晶球粒灰巖(碳質瀝青充填壓溶疊錐及縫合線); f 泥晶砂屑灰巖(方解石充填切割生屑顆粒的構造裂縫); g 褐灰色泥粉晶灰巖(碳質瀝青充填的縫合線與方解石充填的不規則小裂縫相互切割); h 灰色泥粉晶灰巖(多條寬大高角度裂縫被粗晶方解石充填，見殘余裂縫孔); i 灰色泥粉晶灰巖(直立縫內粗晶方解石晶間孔發育); j 灰褐色泥晶灰巖(沿裂縫發育溶蝕孔洞)

巖心與成像資料表明,該區裂縫類型多樣,主要包括成巖縫(層理縫、壓溶縫合線和壓裂縫)與構造縫兩大類,大部分裂縫被方解石、有機質、泥質和碳質瀝青等充填或半充填,以方解石充填為主的構造縫為該區最主要的裂縫類型(圖2e至圖2j)。由裂縫解釋成果可知,該區構造縫包括近水平縫(<15°)、斜交縫(15°～75°)和高角度-垂直縫(75°～90°),有效裂縫主要以高角度-垂直構造縫為主,約占81%。沿這些裂縫發育了不同于基質孔的裂縫孔洞,包括因裂縫未完全充填所形成的剩余裂縫孔與粗晶充填礦物的晶間孔,以及晚期酸性烴類流體沿裂縫活動所形成的溶蝕擴大裂縫孔洞(圖2h至圖2j)。由成像資料可知,成像識別的孔洞與裂縫發育段具有良好的對應關系,其主要沿高角度構造縫分布(圖3)。由此可見,構造裂縫及其相關孔洞的發育程度是決定該區儲層是否有效的關鍵。

圖3 H-22井高角度構造縫及其相關孔洞的成像特征

2 構造應變與裂縫發育特征

研究表明,構造是控制裂縫走向及其密度、長度與開度等特征的重要因素,尤其是在褶皺沖斷帶等構造變形強烈地區[8,27]。因此,分析裂縫空間分布及其特征變化的關鍵在于分析褶皺的形成演化、應變歷史及分布。

2.1 三維構造應變模擬

本區褶皺沖斷帶發育演化的構造變形主要為新近紀以來北西向的擠壓構造運動,該時期西南吉薩爾坳陷區反轉形成褶皺隆起區,別什肯特坳陷深埋形成前陸坳陷,是該區主要的鹽下褶皺沖斷構造定型期,也是主要的構造應變形成期及構造裂縫發育期[23-24]。該區塊剖面具有明顯的非對稱背斜與斷展褶皺特征,即具有不對稱的兩翼,前翼窄而陡,后翼相對寬緩,上部地層的斷層位移逐漸減小至消失[28],背斜構造幅度也明顯降低,表明該斷層褶皺在東北部構造變形強度低(圖4a至圖4c)。為分析H區塊褶皺形成過程中的應變分布及其對裂縫發育的影響,首先利用構造模擬軟件建立了碳酸鹽巖目的層的三維構造模型(圖4d),而后基于運動學三維構造恢復方法,采用斷層平行流恢復斷距[29]和彎滑去褶皺的方法[30]將研究區構造恢復到變形前的狀態,并計算褶皺形成前、后的應變量,得到構造擠壓期該區碳酸鹽巖頂面(T14反射層)和底面(T16反射層)的最大主應變分布(圖5)。最大主應變分布結果表明,高應變區主要分布在褶皺樞紐及樞紐與斷層間的陡前翼,西南部陡后翼的部分區域仍顯示相對較高的應變,而東北部寬緩后翼區應變低,應變分布與構造變形強度一致。

圖4 H區塊H-22井區(a)、H-21井區(b)和H-23井區(c)斷展褶皺剖面及三維構造模型(d)

圖5 H區塊碳酸鹽巖頂、底反射層褶皺形成期的最大主應變模擬結果a T14反射層最大主應變分布; b T16反射層最大主應變分布

2.2 裂縫發育特征分析

眾多褶皺位置與裂縫發育關系的研究結果表明[8,18,20-21,31]:沿逆沖斷層帶、褶皺高曲率及高應變部位裂縫密度整體較高,褶皺樞紐帶及前翼的裂縫密度通常比后翼要高,且不同褶皺位置的裂縫組系、長度、開度及連通性等特征也明顯不同。因此,在構造應變分析的基礎上,可進一步分析H區塊褶皺位置及其應變分布對裂縫發育特征的影響。

2.2.1 裂縫密度

通過H區塊褶皺構造剖面特征及構造應變平面分布分析可知,該區3口井均位于褶皺樞紐帶附近,H-22和H-21井位于構造變形程度高且應變高的褶皺樞紐頂部及陡翼區,而H-23井位于構造變形程度低且應變低的褶皺寬緩后翼區(圖5)。此外,H-22井區和H-21井區比H-23井區的主斷層斷距更大也表明,前者受到的擠壓作用比后者更強烈(圖4)。這意味著H-22井和H-21井的裂縫發育強度理論上應明顯高于H-23井。3口井的電阻率成像裂縫解釋統計分析結果(圖6)表明,H-22井和H-21井的裂縫密度明顯高于H-23井的裂縫密度,反映了不同的褶皺位置由于構造變形程度及應變強度的不同,裂縫發育密度也明顯不同。

2.2.2 裂縫長度與開度

構造作用可控制裂縫長度及開度。如果褶皺形成期應變增加,裂縫會持續擴展以適應應變的增加,從而導致高應變區發育長裂縫[18,31]或高開度裂縫[32-33],這也從理論上解釋了裂縫長度與開度通常呈正相關。

圖6 H區塊卡洛夫-牛津階碳酸鹽巖裂縫發育密度直方顯示

對H區塊3口井的裂縫開度與長度分析表明,位于褶皺高應變區的H-22井和H-21井裂縫平均開度明顯高于低應變區的H-23井裂縫平均開度,且井筒內裂縫長度與開度也呈現了較好的正相關,即褶皺位置對裂縫長度及開度具有明顯的控制作用(圖7)。

圖7 裂縫開度分布(a)及裂縫開度與裂縫長度關系(b)

2.2.3 裂縫組系

研究表明,非對稱背斜最多可發育4組不同方位的裂縫集[31]:第1組是走向平行于褶皺樞紐并垂直于層理面的張裂縫集(J1);第2組為走向垂直于樞紐并且垂直于層理面的張裂縫集(J2);另外兩組裂縫集(S1和S2)為沖斷背斜內的共軛剪裂縫集,其銳角等分線與逆沖方向一致。這4組裂縫集既可全部發育也可部分發育。H區塊3口井全井眼地層微電阻率掃描成像測井(Formation MicroScanner Image,FMI)裂縫方位法向量極射赤平投影結果見圖8,該區褶皺樞紐及前翼應變較高的部位裂縫分布集中,表現為數組裂縫集,H-22井區主要發育走向與逆沖方向成銳角的北西西向剪裂縫集(S1),另一組剪裂縫集(S2)基本不發育(圖8a),H-21井區主要發育走向平行于樞紐的張裂縫集(J1),其次為走向與逆沖方向成銳角的北西西向剪裂縫集(S1)(圖8b)。從區域應變分布看,這2口井均處于應變較高的褶皺樞紐帶與陡翼,說明構造作用對裂縫發育具有較強的控制作用。位于褶皺緩后翼低應變區的H-23井區除了發育走向與逆沖方向呈銳角的北西西向剪裂縫集(S1),還有一部分方位分散、規律性差的裂縫(圖8c),這些裂縫發育受構造作用的控制減弱。結合前人研究可知,高應變區或強變形區裂縫的發育主要受構造作用影響,裂縫組系多符合PRICE[31]定義的上述4組裂縫集分類,而隨著應變強度或變形程度降低,裂縫的發育受巖性影響不斷增強,導致裂縫分布的方向性變差[8,21]。

圖8 H區塊H-22井(a)、H-21井(b)和H-23井(c)FMI裂縫方位法向量極射赤平投影結果

3 基于體曲率屬性的裂縫預測

體曲率屬性不同于傳統的沿層屬性和層間屬性,不依賴于層位及層位的解釋精度,而是基于三維疊后地震數據體直接計算,該屬性可指示構造變形程度,有效檢測與構造變形相關的斷層和裂縫等線性構造。體曲率屬性種類很多,其中最大正曲率和最大負曲率屬性在刻畫與裂縫發育相關的線狀構造和褶皺特征方面較為有效[10-11,22,34]。

利用地震傾角和方位角信息,采用分形導數方法計算體曲率屬性[35],獲得最大正曲率屬性體后,提取井點附近的最大正曲率,并分小層計算平均最大正曲率,將其與成像解釋的各小層平均裂縫密度交會后發現,兩者正相關(圖9),表明最大正曲率屬性可較好地指示裂縫發育密度。

對卡洛夫-牛津階碳酸鹽巖頂、底面進行等比例內插制作地層切片,可獲得不同深度的體曲率屬性切片,進而展開裂縫的縱橫向發育特征分析。圖10為XVhp和XVa2層段的最大正曲率切片及其對應的單井成像裂縫解釋結果。從最大正曲率的分布可以看出,H-22井位于高應變區的最大正曲率高值帶,該井的裂縫解釋結果(圖10a)中XVhp和XVa2層段的最大正曲率切片(圖10b和圖10c)位置附近均發育較多高角度張開縫;而H-23井位于低應變區的最大正曲率低值帶,XVhp和XVa2層段的最大正曲率切片位置(圖10d和圖10e)附近裂縫發育差,僅有少量的張開縫,具體可見其裂縫解釋結果(圖10f)。最大正曲率與鉆井揭示的裂縫發育情況具有良好的對應關系,高應變區的最大正曲率高值帶為有利的高密度裂縫發育帶。

圖9 平均最大正曲率與裂縫密度交會分析

圖10 最大正曲率切片與微電阻率掃描成像的裂縫解釋結果a H-22井FMI裂縫解釋; b XVhp切片(位置見圖10a); c XVa2切片(位置見圖10a); d XVhp切片(位置見圖10f); e XVa2切片(位置見圖10f); f H-23井FMI裂縫解釋

4 產能分析與有利裂縫帶預測

4.1 產能分析

試井分析是研究油藏生產動態的重要方法,可有效反映大段產層的生產特征,試油結果和試井成果可進一步驗證地震裂縫預測結果。該區H-21井和H-22井位于高應變區的最大正曲率高值帶(圖11),位于圈閉高部位的H-21井第1測試層以11.11mm油嘴自然求產獲高產氣流74.7×104m3/d,產水為4.4×104m3/d,生產壓差為1.35MPa,試井有效滲透率達728.00×10-3μm2;H-22井第1測試層以12.7mm油嘴自然求產獲高產氣流96.04×104m3/d,產水為4.08×104m3/d,生產壓差為1.15MPa,試井有效滲透率為404.00×10-3μm2。說明這兩口井產出能力強,儲層連通性好(表1),這與它們的裂縫密度、長度與開度等裂縫發育特征緊密相關。與H-22井海拔相當的H-23井位于低應變區的最大正曲率低值帶(圖11),其第2測試層酸化前無流體產出,酸化后以12.0mm油嘴求產僅獲氣8.24×104m3/d,產水達10.08×104m3/d,生產壓差高達54.24MPa,試井有效滲透率僅為0.17×10-3μm2;第1測試層酸化前無氣水產出,酸化后以14.0mm油嘴求產僅有微氣產出,表明該井的產出能力差,儲層連通性差(表1),與該井裂縫密度、長度與開度等裂縫發育特征一致。高產氣層受圈閉位置與裂縫發育特征綜合控制,除圈閉位置外,構造應變控制下的裂縫發育特征是影響該區產能變化的重要因素,強應變區的最大正曲率高值帶具有產氣量高且穩定以及不產或低產水的特點。

表1 H區塊產能分析測試數據

4.2 有利裂縫帶預測

結合前述構造應變模擬及地震曲率分析可知,H區塊內的褶皺由西向東構造變形強度明顯減弱,樞紐帶及陡前翼為主要的高應變分布區,其次為西南部陡后翼,這些區域最大正曲率高值帶分布密集;而東北部的緩后翼則為低應變區,其最大正曲率高值帶分布相對稀疏(圖11)。不同的褶皺位置具有不同的應變強度,應變強度越高裂縫越發育;最大正曲率高值帶可指示裂縫發育帶,因此將應變強度與地震曲率屬性疊合可綜合分析有利裂縫發育帶,提高裂縫預測結果的可靠性(表2)。

由裂縫發育特征與產能分析結果可知,在高應變區的最大正曲率高值帶(疊合類型a),裂縫發育情況最好,其裂縫的密度、長度與開度高,且裂縫組系特征明顯,這種裂縫特征有利于優質裂縫型儲層的發育,儲層連通性好且生產壓差低,可獲得穩定的高產氣流;在低應變區的最大正曲率低值帶(疊合類型b),裂縫密度、長度與開度低,而且由于構造應變對裂縫發育的控制減弱,裂縫組系特征不明顯,難以形成較好的裂縫型儲層,儲層連通性差且生產壓差高,產氣量低且氣水同產;高應變區內的最大正曲率低值帶,雖然地震曲率對裂縫帶的影響變弱,但由于控制裂縫發育的構造應變高,仍可能形成相對較好的裂縫型儲層(疊合類型c);考慮到低應變區巖性對裂縫發育的重要影響[8,21],在低應變區的最大正曲率高值帶也可能發育相對較好的裂縫型儲層(疊合類型d)。

圖11 H區塊XVhp層段(a)和XVa2層段(b)最大正曲率、應變分布與褶皺構造疊合顯示

疊合類型構造應變最大正曲率裂縫發育情況a高高好b低低差c高低中等d低高中等

由H區塊井筒地應力分析可知,現今最大主應力呈北西西至北西向,與各井主要裂縫集的方位基本一致或呈銳角,有利于裂縫有效性的保存。綜合利用應變區及最大正曲率分布并結合已鉆井位置分析可知,H-22井向西至構造閉合線之間橫跨樞紐帶、陡前翼及陡后翼的區域應變強度高且最大正曲率分布密集,可作為進一步評價氣藏的有利區(圖11)。

5 結論

巖心薄片及成像資料分析表明,阿姆河右岸H區塊碳酸鹽巖儲層基質致密,為典型的裂縫型儲層,儲層有效裂縫主要為高角度-垂直構造縫,有效儲集空間主要為裂縫殘余孔及沿縫溶蝕孔洞。

構造應變模擬及單井裂縫發育特征分析表明,阿姆河右岸H區塊高應變區主要分布于褶皺樞紐帶與陡前翼,其次為西南部陡后翼,向褶皺東北部緩后翼應變減小,與構造變形程度由西向東減弱的特征一致。褶皺高應變區裂縫發育主要受構造應變控制,裂縫的密度、長度及開度高且組系規律明顯,而低應變區巖性對裂縫發育的影響增強,裂縫組系規律性變差。

結合指示裂縫發育的敏感地震體曲率屬性,建立了構造應變與最大正曲率綜合分析裂縫發育帶的預測方法,高應變區的最大正曲率高值帶裂縫發育情況好,低應變區的最大正曲率低值帶裂縫發育情況差,而高應變區的最大正曲率低值帶或低應變區的最大正曲率高值帶的裂縫發育情況為中等。結合產能分析可知,高應變區的最大正曲率高值帶為優質裂縫型儲層發育區,據此優選了H區塊氣藏有利評價區。