頁(yè)巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用
——以長(zhǎng)寧國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)為例

何 嘉 陳小強(qiáng) 韓 翀 趙 磊 楊 孛 聶 舟

（1. 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川 成都 610051；2. 四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610051）

0 引言

中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)近年來(lái)快速發(fā)展，而頁(yè)巖氣的裂縫預(yù)測(cè)是關(guān)鍵。天然裂縫的發(fā)育程度不僅影響著頁(yè)巖氣藏的開(kāi)采效益，而且決定著頁(yè)巖氣藏的品質(zhì)和產(chǎn)量。裂縫發(fā)育有助于頁(yè)巖層中游離態(tài)天然氣含量的增加和吸附態(tài)天然氣的解吸與總含氣量的增加。國(guó)外已經(jīng)投入開(kāi)發(fā)的地區(qū)往往天然裂縫系統(tǒng)比較發(fā)育，例如，Michigan盆地北部Antrim組頁(yè)巖生產(chǎn)帶主要發(fā)育北西向和北東向兩組近垂直的天然裂縫；Fort Worth 盆地Newark East 氣田Barnett 組頁(yè)巖氣產(chǎn)量高低與巖石內(nèi)部微裂縫發(fā)育程度有關(guān)。國(guó)內(nèi)川南海相頁(yè)巖氣即五峰—龍馬溪組頁(yè)巖氣高產(chǎn)也與裂縫發(fā)育緊密相關(guān)。實(shí)踐證明，裂縫既是儲(chǔ)集空間也是滲流通道，是頁(yè)巖氣從基質(zhì)孔隙流入井底的必經(jīng)通道。在孔隙度小于5%的低孔、滲透率小于0.05 mD低滲的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中，當(dāng)其發(fā)育有足夠的天然裂縫或巖石內(nèi)的微裂縫和納米級(jí)孔隙及裂縫經(jīng)壓裂改造后能產(chǎn)生大量裂縫系統(tǒng)時(shí)，泥頁(yè)巖完全可以成為有效的油氣儲(chǔ)集層或儲(chǔ)集體。

1 頁(yè)巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)

頁(yè)巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)主要流程是，首先通過(guò)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波使目標(biāo)層位的構(gòu)造更加清晰；然后再應(yīng)用多種疊后裂縫預(yù)測(cè)方法及裂縫標(biāo)定對(duì)斷層和斷裂系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確解釋?zhuān)詈蠼⑵鹁?xì)的平臺(tái)速度場(chǎng)，將時(shí)間域轉(zhuǎn)化為深度域的數(shù)據(jù)體，并建立螞蟻體地質(zhì)模型，通過(guò)地質(zhì)模型對(duì)裂縫進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)。其中，螞蟻體的解釋以及高精度深度域地質(zhì)模型的建立是其中的關(guān)鍵技術(shù)（圖1）。

1.1 構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波技術(shù)

圖1 頁(yè)巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)流程圖

該技術(shù)是筆者引入的針對(duì)地震幾何屬性研究和微斷裂發(fā)育區(qū)帶預(yù)測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù)。由于很多地震幾何屬性在數(shù)學(xué)上表示為二階導(dǎo)數(shù)，易受噪音影響，所以對(duì)地震數(shù)據(jù)體的目的層段進(jìn)行空間濾波是求取地震幾何屬性之前的必要步驟。通過(guò)壓制任意分析點(diǎn)的頻段來(lái)消除噪音是傳統(tǒng)的濾波方法，這種方法在增強(qiáng)地震資料信噪比的同時(shí)通常也使反映的有效信息有所削弱。而構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波的原理是首先計(jì)算地震反射界面的傾角和方位角，進(jìn)而對(duì)反射軸進(jìn)行定向，將有效信號(hào)和噪音區(qū)分開(kāi)來(lái)，其中噪音不但包括隨機(jī)噪音，還包括與反射軸交叉的其他方向的相干噪音，從而避免了對(duì)斷層、裂縫或其他有意義構(gòu)造的平滑，在提高橫向分辨率的同時(shí)保證了其地震道之間的不連續(xù)性。構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波后的地震剖面同相軸的斷開(kāi)較之濾波前整體更加清晰，垂向斷層更加明顯（圖2）。通過(guò)構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波，原始地震剖面中的隨機(jī)噪聲得到了很好的壓制。濾波后的地震數(shù)據(jù)中，在噪聲得到壓制，同相軸連續(xù)性增強(qiáng)的同時(shí)，斷層邊界也受到濾波器作用變得平滑（圖2）。而各向異性擴(kuò)散濾波的結(jié)果不僅有效壓制了噪聲、增強(qiáng)了同相軸的一致連續(xù)性，而且很好地保持了斷層的邊界信息，斷面更加清晰，這對(duì)于解釋人員來(lái)說(shuō)，斷層和層位的解釋變得更加容易。

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

1.2 疊后裂縫預(yù)測(cè)方法選取及裂縫標(biāo)定

綜合應(yīng)用多種方法提取的上奧陶統(tǒng)底界斷裂預(yù)測(cè)屬性圖，包含相干屬性圖、相似性屬性圖、曲率屬性圖、Likelihood 屬性圖（圖3）。從整體上來(lái)看，幾種方法對(duì)規(guī)模較大、連續(xù)性較強(qiáng)的主斷裂的預(yù)測(cè)規(guī)律比較一致，主斷裂方向主要呈北西向、北東向及北東東向分布，但細(xì)節(jié)有所差異，相似體屬性與相干屬性在主斷裂刻畫(huà)上基本一致，黑色均表示地震幾何屬性突變區(qū)域即斷裂發(fā)育區(qū)域（圖3A、圖3B），而曲率和likelihood 屬性能體現(xiàn)更多次級(jí)斷裂的細(xì)節(jié)展布（圖3C、圖3D），尤其是由likelihood屬性衍生的faulttracking 屬性圖，其次級(jí)斷裂展布刻畫(huà)更為清晰，紅綠藍(lán)色表征一級(jí)斷裂，黑色表征次級(jí)斷裂（圖4）。

圖3 上奧陶統(tǒng)底界斷裂預(yù)測(cè)屬性圖

圖4 上奧陶統(tǒng)底界fault-tracking屬性圖

實(shí)鉆資料表明，CNH5-1井在鉆井過(guò)程中鉆遇小斷裂，在3 525～3 550 m、3 602～3 620 m 附近成像測(cè)井響應(yīng)表明有明顯的裂縫發(fā)育。通過(guò)井震標(biāo)定，在過(guò)井疊前時(shí)間偏移剖面中將斷裂投影在相應(yīng)的位置，可以看出，成像測(cè)井顯示在鉆遇小斷裂位置地層附近，地震同相軸向上傾斜，出現(xiàn)微幅擾曲，振幅能量出現(xiàn)變化。將上述預(yù)測(cè)方法在上奧陶統(tǒng)底界的斷裂預(yù)測(cè)結(jié)果在CNH5-1井軌跡位置局部放大，可以看到沿CNH5-1 井軌跡，最大正曲率和likelihood屬性有明顯異常，而likelihood 屬性在抗噪能力和橫向分辨率上較最大正曲率更好，相似性有微弱異常，螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果顯示的細(xì)節(jié)最多。在相應(yīng)的likelihood 屬性剖面上，在斷裂位置出現(xiàn)明顯的對(duì)稱(chēng)性異常，與斷裂位置吻合很好（圖5A）。在相應(yīng)的螞蟻?zhàn)粉欉^(guò)井剖面上（圖5B），在同相軸扭動(dòng)位置并未出現(xiàn)螞蟻?zhàn)粉櫘惓＃卩徑恢贸霈F(xiàn)了螞蟻?zhàn)粉櫘惓！＝Y(jié)合前期鉆探經(jīng)驗(yàn)和前人研究成果表明，螞蟻?zhàn)粉櫘惓Ｅc鉆井顯示有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，指示的往往是同相軸無(wú)明顯扭動(dòng)的次一級(jí)微斷裂。因此，為了更精細(xì)地預(yù)測(cè)裂縫，本次選取likelihood 屬性對(duì)小斷裂進(jìn)行預(yù)測(cè)，運(yùn)用螞蟻?zhàn)粉檶?duì)次一級(jí)更小級(jí)別的斷裂進(jìn)行預(yù)測(cè)。

螞蟻?zhàn)粉櫴峭ㄟ^(guò)地震數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育狀態(tài)和應(yīng)力分布的一種很好的技術(shù)。通過(guò)該技術(shù)可以獲得一個(gè)低噪音、具有清晰斷裂痕跡的三維數(shù)據(jù)體。螞蟻體的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)地震數(shù)據(jù)比較敏感，地震數(shù)據(jù)上振幅或是頻率的變化在螞蟻體上都有所體現(xiàn)。基于該數(shù)據(jù)體可以追蹤斷層，甚至是裂縫發(fā)育帶。在此基礎(chǔ)上可以預(yù)測(cè)局部應(yīng)力方向及天然裂縫閉合狀態(tài)，獲得儲(chǔ)層非均質(zhì)性信息及地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)。利用螞蟻體預(yù)測(cè)儲(chǔ)層裂縫網(wǎng)絡(luò)以及利用曲率和螞蟻體的結(jié)合預(yù)測(cè)潛在影響水力裂縫延伸的壓裂屏障。利用三維地震獲得上述信息進(jìn)行裂縫建模指導(dǎo)壓裂方案設(shè)計(jì)以及施工參數(shù)調(diào)整，并且對(duì)明確頁(yè)巖氣水力延伸及天然裂縫開(kāi)啟閉合控制因素有很好的指導(dǎo)作用。為了尋找最適合研究區(qū)的螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)進(jìn)行了大量的流程測(cè)試和參數(shù)試驗(yàn)，最終確定應(yīng)用likelihood 屬性進(jìn)行螞蟻?zhàn)粉櫍瑑?yōu)化參數(shù)設(shè)置為初始螞蟻分布邊界10、螞蟻?zhàn)粉櫛畴x1、螞蟻搜索步長(zhǎng)3、非法步長(zhǎng)2、合法步長(zhǎng)3、終止標(biāo)準(zhǔn)1。

圖5 CNH5-1井過(guò)井剖面屬性圖

1.3 精細(xì)速度場(chǎng)建立

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)主要是通過(guò)儲(chǔ)層的整體體積壓裂改造來(lái)獲得高產(chǎn)，而如何精確控制井周?chē)臻g位置發(fā)育的裂縫形態(tài)首先是要解決精細(xì)速度場(chǎng)的建立。通過(guò)已鉆井的測(cè)井資料對(duì)構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)校正，采用的技術(shù)流程為：收集資料→選取地層小層作為校正地層基面→數(shù)據(jù)處理→建立相關(guān)性→計(jì)算求取距基面的真厚度→異常值處理→得出構(gòu)造基面值。方法步驟如下：

1）收集頁(yè)巖氣水平井測(cè)井資料、井軌跡資料（斜深、垂深、方位、井斜）。

2）選取某一地層分層界面作為校正構(gòu)造基面。

3）建立選取井深x m 處的測(cè)井參數(shù)校正構(gòu)造基面真厚度H，其相關(guān)性公式為：

式中，A、B、C、…、a 為常數(shù)，X、Y、Z、…為選取的測(cè)井參數(shù)。

4）根據(jù)求出的H，刪除其中的異常數(shù)值，最終得到沿井軌跡向下投影的構(gòu)造基面數(shù)值F：

式中，TVD為對(duì)應(yīng)井深x m的垂深數(shù)值。

在研究區(qū)，通過(guò)本方法對(duì)壓裂前CNH9平臺(tái)井的構(gòu)造進(jìn)行了精細(xì)校正，得出五峰組頂精細(xì)校正構(gòu)造面，然后根據(jù)校正后的構(gòu)造面進(jìn)行速度場(chǎng)反演，得到精細(xì)平臺(tái)速度場(chǎng)（圖6）。

圖6 平臺(tái)井精細(xì)速度場(chǎng)分布圖

1.4 螞蟻體空間刻畫(huà)

三維空間刻畫(huà)螞蟻體需要突出螞蟻體并去掉非螞蟻體解釋部分。對(duì)于螞蟻體部分，需要對(duì)其范圍和大小進(jìn)行進(jìn)一步的刻畫(huà)，對(duì)螞蟻體裂縫采取數(shù)字化處理。將三維螞蟻體導(dǎo)入模型后把三維地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地質(zhì)模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)，詳細(xì)刻畫(huà)裂縫的規(guī)模和大小。根據(jù)勘探實(shí)踐認(rèn)為，壓裂作業(yè)螞蟻體模型裂縫縱向的影響尺度為上下50 m，在提取的螞蟻體數(shù)據(jù)體中，保留井軌跡上下50 m的螞蟻體，然后刻畫(huà)螞蟻體空間，突出螞蟻體儲(chǔ)層空間展布情況、螞蟻體占有效儲(chǔ)層的體積比等。通過(guò)建立精細(xì)的平臺(tái)速度場(chǎng)，將時(shí)間域轉(zhuǎn)化為深度域的數(shù)據(jù)體，建立螞蟻體地質(zhì)模型。

2 驗(yàn)證及應(yīng)用情況

頁(yè)巖氣裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)在頁(yè)巖氣井的壓裂施工作業(yè)中具有重要的影響。斷層和裂縫系統(tǒng)的預(yù)測(cè)可以對(duì)在鉆井過(guò)程中可能發(fā)生的異常情況進(jìn)行預(yù)警，對(duì)鉆后壓裂設(shè)計(jì)和施工參數(shù)的選擇以及壓裂施工對(duì)鄰井的影響等作業(yè)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.1 裂縫預(yù)測(cè)與近井筒井漏情況驗(yàn)證

本次主要通過(guò)該技術(shù)應(yīng)用的41 口井作為樣本進(jìn)行驗(yàn)證，如鉆井過(guò)程的井漏響應(yīng)，見(jiàn)表1。從表1 可以看出，4次井漏井段分別在螞蟻體預(yù)測(cè)井段有強(qiáng)響應(yīng)，符合率100%。

表1 井漏統(tǒng)計(jì)表

2.2 裂縫預(yù)測(cè)與近井筒小斷層情況驗(yàn)證

CNH13-6井鉆至3 960 m穿越一小斷層，巷道鉆遇小層由龍一11小層穿至龍一13小層，該井螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)剖面見(jiàn)圖7，從圖7 可以看出，對(duì)應(yīng)小斷層的井段，螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)有明顯的強(qiáng)響應(yīng)特征，符合率100%。

圖7 CNH13-6井螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)剖面圖

2.3 裂縫預(yù)測(cè)與遠(yuǎn)井端壓裂情況驗(yàn)證

壓裂井與生產(chǎn)井發(fā)生連通1例，對(duì)應(yīng)井段預(yù)測(cè)裂縫中有大規(guī)模裂縫發(fā)育，符合率100%。CNH10-3井在壓裂過(guò)程中，當(dāng)壓裂到裂縫預(yù)測(cè)段11 段時(shí)對(duì)鄰井CNH10-2 的排采造成影響，出現(xiàn)明顯的壓力下降、瞬時(shí)產(chǎn)氣量下降和產(chǎn)水量上升，證明預(yù)測(cè)裂縫在壓裂過(guò)程中導(dǎo)致兩井連通。通過(guò)螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)平面圖可以看出（圖8），對(duì)應(yīng)的井段位置在CNH10平臺(tái)中兩口井CNH10-2 和CNH10-3 有明顯的裂縫網(wǎng)格連通，如圖8紅色圓圈所示。

圖8 CNH10平臺(tái)水平段螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)圖

2.4 裂縫預(yù)測(cè)與微地震響應(yīng)情況驗(yàn)證

通過(guò)裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)寧國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)的應(yīng)用，分別對(duì)比了三家不同微地震監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)天然裂縫發(fā)育段與微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，其中，與中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司微地震監(jiān)測(cè)（CNH2、CNH3 平臺(tái)）符合率達(dá)70%，與四川圣諾油氣工程技術(shù)服務(wù)有限公司微地震監(jiān)測(cè)（CNH4、CNH6、CNH12）符合率達(dá)80%，與北京創(chuàng)世博鴻科技發(fā)展有限公司微地震監(jiān)測(cè)（CNH9）符合率達(dá)30%。

綜上所述，通過(guò)計(jì)算裂縫與井漏、小斷層符合率和壓裂連通井現(xiàn)象、微地震監(jiān)測(cè)符合率，裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)平均符合率為80%。

2.5 裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)應(yīng)用

通過(guò)大量的勘探實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，水力壓裂改造在天然裂縫發(fā)育段容易造成液體濾失從而發(fā)生砂堵現(xiàn)象。CNH10-3 井壓裂10 段和11 段時(shí)發(fā)生了明顯與CNH10-2 井的連通，既導(dǎo)致CNH10-2 井氣量降低，又因?yàn)樘烊涣芽p的溝通發(fā)生砂堵，導(dǎo)致本井加砂壓裂規(guī)模下降。通過(guò)裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)技術(shù)可以有針對(duì)性地在壓裂之前對(duì)天然裂縫發(fā)育段進(jìn)行優(yōu)化分段分簇，為壓裂改造規(guī)模、工序、工藝提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)壓裂改造從而最終提高單井產(chǎn)能。在CNH13平臺(tái)進(jìn)行了裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)，其中對(duì)應(yīng)CNH13-5 井16、19 段壓裂段天然裂縫預(yù)測(cè)發(fā)育，如圖9 紅色圓圈所示。在16段和19段加砂壓裂時(shí)均發(fā)生砂堵現(xiàn)象，通過(guò)16 段壓裂驗(yàn)證了裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)發(fā)育天然裂縫之后，19 段壓裂調(diào)整了壓裂參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了增加加砂規(guī)模，砂量由81.7 t提高到100.32 t。

圖9 CNH13平臺(tái)水平段螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)圖

3 結(jié)論

1）將原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波處理可以提高信噪比和構(gòu)造解釋精度。

2）應(yīng)用likelihood屬性進(jìn)行螞蟻體追蹤可以?xún)?yōu)化裂縫檢測(cè)精度，獲得更小級(jí)別的裂縫響應(yīng)，裂縫優(yōu)化參數(shù)設(shè)置為初始螞蟻分布邊界10、螞蟻?zhàn)粉櫛畴x1、螞蟻搜索步長(zhǎng)3、非法步長(zhǎng)2、合法步長(zhǎng)3、終止標(biāo)準(zhǔn)1。

3）通過(guò)勘探實(shí)踐表明，裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)平均符合率為80%。

4）天然裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)可以有效地指導(dǎo)壓裂改造的規(guī)模、工序、工藝、壓裂參數(shù)的設(shè)置，從而有效地提升改造效果和單井產(chǎn)能。