地震與微地震融合技術在頁巖油壓后評估中的應用

杜金玲，林 鶴，紀擁軍，江 洪，許文莉，伍順偉

（1.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司新興物探開發處，河北涿州 072751；2.中國石油新疆油田分公司開發公司，新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

近年來，隨著水平鉆井技術和多級水力壓裂技術的不斷進步，非常規油氣勘探開發得到了迅猛發展，頁巖油即是其中一個熱點，且在我國多個盆地均有發現［1-3］。非常規油氣勘探具有高風險、高投入、高難度的特點，該特點促使了多學科整合技術的發展。多學科整合技術通過多種資料和多學科人員的共同協作來提高油氣藏“甜點區”的識別能力和水平井段有效儲層的鉆遇率，可優化儲層改造方案，實現單井經濟效益最大化。目前，已有學者提出了多學科信息融合的思路，吳奇等［4］提出了地質工程一體化概念，并通過實踐驗證了這一思路的有效性。Sturm 等［5］通過成像測井、巖石物理和巖石力學分析等開展了精細層序地層學研究，并通過優化鉆井設計，獲得較大產能。Hernandez 等［6］提出地質和地球物理學的整合是實現水平井地質導向鉆井軌跡準確的必要條件。Stephens 等［7］提出了綜合巖石物理、三維地震、地質統計學和裂縫模型等信息建立儲層模型的統計學巖石物理工作流程。Swenberg 等［8］認為通過多學科信息的融合分析能優化井位部署和完井設計，可經濟有效地進行資源開采。這種不同學科、不同技術的交叉研究，多種信息融合分析，可較好地解決目前非常規油氣藏勘探開發過程中面臨的多學科協作要求。

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起，是在中石炭統褶皺基底上發展起來的西斷東超的箕狀凹陷，構造單元面積1 278 km2，經歷了海西、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構造運動，在中二疊世晚期，發育一套三角洲—湖相沉積，形成了該凹陷最重要的蘆草溝組烴源巖，該地層成為吉木薩爾凹陷主要的頁巖油儲層。蘆草溝組巖性主要為泥巖、泥質砂巖、砂巖、白云巖和白云質泥巖等［9-11］。蘆草溝組根據儲層發育情況和含油性分為“上甜點”和“下甜點”2 套“甜點體”［12-13］。“上甜點體”埋深3 000～3 100 m，厚度30～40 m，平均孔隙度10%，平均滲透率0.01 mD［14-15］，表現為高伽馬、低聲波時差、中—高密度。“上甜點體”又細分為3 套小層，砂屑云巖、砂屑長石粉細砂巖和云屑砂巖等。自2011 年在蘆草溝組壓裂后獲得高產油流，目前已在多口井中獲得油氣產能［16］，展現了良好的勘探開發前景。

1 研究方法

頁巖油儲層具有低孔、低滲的特征，因此需要采用水力壓裂的方式對儲層進行改造［17］，這就要求不僅要分析儲層的物性參數，還要分析儲層的工程力學參數。常規地震可以開展儲層物性參數和工程力學參數的評價與分析，但是地震解釋存在多解性，所以地震評價的精確度尚不能滿足頁巖油的開發需求。利用微地震監測成果可以對儲層改造效果進行評價，將其與地震屬性進行融合分析，以進一步評價地震屬性，可以有效降低地震的多解性，同時將微地震事件點的局部規律推廣到三維空間，以彌補微地震監測成果的空間局限性。本次研究提出了地震-地質-工程一體化技術，利用鉆井資料研究巖石物理特征，開展儲層敏感參數分析，同時通過井震結合分析儲層地質“甜點”的發育情況和工程“甜點”的發育特征，并在此基礎上利用微地震監測成果來分析人工縫網形態。地震與微地震融合技術頁巖油壓后的評估路線如圖1 所示。

圖1 地震與微地震融合技術頁巖油壓后評估路線Fig.1 Work flow for post fracturing evaluation of seismic and micro-seismic fusion

2 地震屬性分析

反射波振幅屬性是地層巖性、內部流體、物性和層序變化等的綜合響應，分析目的層內振幅變化特征可以預測有利儲層。合成記錄標定結果認為：儲層物性好，地震反射同相軸表現為弱振幅波峰特征；儲層物性差，地震反射同相軸表現為強振幅波峰特征。從過水平井W3H 和CH 的聯井地震剖面［圖2（a）］可看出：CH 井目的層反射同相軸表現為弱振幅特征，W3H 井目的層反射同相軸表現為較強振幅特征。測井解釋結果顯示：CH 井儲層物性好；W3H 井近井口的水平段儲層物性好，而近井底水平段儲層物性差。根據振幅屬性體在儲層位置的平面特征［圖2（b）］可知，在弱振幅發育的A 區，CH井平均日產油10.5 t，而A 區外的W3H 井平均日產油4.9 t。此振幅差異特征不僅是儲層物性的響應特征，也是油氣聚集的一個響應，可用來預測油氣的富集情況。

圖2 吉木薩爾凹陷過W3H 井、CH 井的地震剖面及振幅平面圖Fig.2 Seismic section and slice of RMS amplitude across wells W3H and CH in Jimsar sag

巖石力學特性可影響儲層改造過程中技術措施的針對性和有效性，這直接關系到儲層壓裂改造效果和油氣產量。巖石力學參數包含彈性參數和強度參數，其中彈性參數有楊氏模量、體積模量、剪切模量、泊松比等［18-19］，這些參數可利用地震疊前資料中的縱波和橫波信息轉換獲得。本次研究以地震疊前資料為基礎研究了彈性參數中的脆性特征和水平應力差。

巖石的脆性決定了儲層的抗壓裂程度，是致密型儲層的一個重要巖石力學特征［20-21］。利用疊前地震資料并結合測井信息開展疊前彈性參數反演，獲得巖石脆性的空間分布特征。在圖3（a）中的A 區為脆性較好的儲層，該區域儲層在改造過程中容易形成縫網，后期微地震監測結果顯示該區水平井段壓裂時形成了復雜縫網。

圖3 吉木薩爾凹陷地震屬性沿目的層切片Fig.3 Slices of brittleness and horizontal stress difference along the target layer in Jimsar sag

當最大水平應力和最小水平應力具有較大差異時，儲層壓裂改造人工縫網通常向最大主應力方向延伸并形成單組縫；當二者之間無明顯差異時，壓裂產生的人工縫網為任意方向，容易形成網狀縫，儲層改造效果更好。因此利用三維地震資料獲得水平應力差參數并結合脆性屬性可以較好地開展工程甜點的預測分析。圖3（b）中A 區范圍內，即W1H 井，W2H 井，W3H 井，W4H 井的部分井段水平應力差較小，這些井段在儲層壓裂改造過程中容易形成復雜縫網。

3 裂縫預測

頁巖油儲層裂縫的發育情況會直接影響油氣產能［22］。從相干體和螞蟻體2 種與裂縫相關的屬性開展天然裂縫評價［23-24］，分析天然裂縫對人工縫網的影響。相干體屬性是用來檢測斷層、裂縫以及刻畫地質體邊界的一種屬性。特征值相干算法在保證抗噪能力的同時能提高斷層的橫向分辨能力，當地層存在裂縫時，表現為低相干值特征。從圖4可看出，A 區是相干值較低的區域，對應剖面上相同位置具有明顯的低相干值特征，后期生產結果顯示，天然裂縫發育區儲層壓裂改造效果和油氣井產量都很好。說明該區域天然裂縫較發育，利于儲層改造，易提高水平井油氣產能。

Pedersen 等［25］提出了利用螞蟻追蹤的方式在三維地震數據體進行自動斷層識別的方法，該方法可以精細刻畫斷層和微裂縫，將隱藏于屬性中的斷層和微裂縫清晰地展現出來，這一屬性在微裂縫預測中得到了廣泛應用。通過螞蟻體屬性與微地震監測結果融合可以建立二者之間的相關性。從圖5可看出，大震級的微地震事件主要集中在螞蟻體屬性中的微裂縫位置，進一步說明在天然裂縫發育區，人工縫網也發育。

圖4 吉木薩爾凹陷相干剖面和平面圖Fig.4 Section and slice of coherence in Jimsar sag

圖5 吉木薩爾凹陷微地震事件與地震螞蟻體屬性疊合圖Fig.5 Fusion of microseismic events and ant trackingattribute in Jimsar sag

4 微地震監測成果分析

在儲層壓裂改造過程中，當巖石發生破裂時會產生彈性波，用地震檢波器來探測和記錄這些彈性波，并由此分析產生微地震信號的震源信息，進而描述人工縫網的空間形狀和尺寸等參數［26-29］。圖6中，水平井段在藍色框內壓裂改造的人工縫網縱向延伸較低，人工縫網平均縫高34 m，縫寬123 m，縫長329 m，平面上以網狀分布為主，表現為復雜縫網形態；水平井段在綠色框內壓裂改造的人工縫網縱向延伸較高，表現為縱向縫網形態，平均縫高74 m，縫寬143 m，縫長348 m。本次研究采用了分形維理論以及隨機事件信息熵理論，對人工縫網復雜度指數進行了定義，指數的高低反映了微地震事件的分布密度（人工縫網的復雜程度），具體定義如下

式（1）中：r為劃分的網格邊長；P()r為對應劃分網格（邊長r）的微地震事件分布密度。

從式（1）可看出，人工縫網復雜度指數近似為微地震事件分布的信息熵-∑P(r)lnP(r)與對應ln(1/r)的比值。人工縫網復雜度指數越大，人工縫網越復雜。利用該算法獲得W3H 井各壓裂段的人工縫網復雜度指數如表1 所列。從表1 中可看出，W3H 井1—7 段（圖6 中綠色框內）在儲層改造過程中人工縫網復雜度指數較低，與微地震事件空間展布縱向縫網特征一致；W3H 井8—15 段（圖6 中藍色框內）在儲層改造過程中人工縫網復雜度指數較高，與微地震事件空間展布復雜縫網特征吻合。

表1 吉木薩爾凹陷W3H 井各壓裂段人工縫網復雜度指數Table 1 Artificial fracture network complexity index for each fracturing stage in well W3H

結合三維地震屬性分析圖6 中藍色框內的井段，地震屬性表現為弱振幅、高脆性、低水平應力差，儲層物性相對較好，微地震監測結果顯示事件點在縱向上集中在井軌跡附近的儲層中，人工縫網表現為復雜縫網，儲層改造效果較好。圖6 中綠色框內的井段，地震屬性表現為強振幅、低脆性和高水平應力差，儲層物性較差，預測儲層壓裂改造效果較差，微地震監測成果顯示該井段人工縫網呈縱向縫網形態。由此可見，地震屬性也可以驗證微地震監測成果的準確性，但微地震監測成果只能在壓裂過程中對人工縫網進行描述，描述的范圍也僅限于壓裂井段，無法在壓裂前對儲層改造效果進行預測，而利用地震屬性的空間特征與人工縫網的結果進行綜合分析，即可在壓裂前開展儲層改造效果預測。

圖6 吉木薩爾凹陷W3H 井微地震監測結果空間展布Fig.6 Distribution of microseismic events along well W3H in Jimsar sag

5 應用效果

微地震事件點特征與地震屬性具有良好的對應關系，因此，在利用三維地震屬性評價和預測“甜點區”時，融入微地震監測成果，可以降低地震的多解性，提高預測精度，還可以直接描述儲層壓裂改造效果。由圖7 可看出，W2H 井A 段表現為低相干值、弱振幅、脆性好、水平應力差值小等，測井曲線顯示儲層物性較好，微地震監測結果顯示事件點在縱向上集中在井軌跡附近的儲層中，人工縫網表現為復雜縫網，儲層壓裂改造效果較好；在高相干值、強振幅、脆性差、水平應力差值大的W2H 井B段測井顯示儲層物性中等，微地震事件表現為縱向發育，人工縫網為縱向縫網。由于W2H 井未分A，B 段進行生產測試，本次研究結合儲層物性和產能都與該井相似的W1H 井進行分析。W1H 井B 段儲層改造后生產180 d，平均日產油2.3 t，A 段儲層改造后生產1 140 d，平均日產油6.4 t。因此認為W2H 井的A，B 段產能情況應該與W1H 井的情況相同，即不同的三維地震屬性響應特征可影響儲層壓裂改造效果和后期產能。因此開展微地震監測結果與地震多信息融合研究，識別出的優質“甜點區”更準確、更可靠。

圖7 吉木薩爾凹陷沿W2H 井井軌跡的屬性剖面與微地震事件融合圖（a）相干屬性；（b）振幅屬性；（c）水平應力差屬性；（d）脆性屬性Fig.7 Data fusion of seismic attribute and microseismic events along well W2H path in Jimsar sag

圖8 吉木薩爾凹陷蘆草溝組有利“甜點區”平面展布Fig.8 Distribution of sweet spots of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

用上述方法對吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層壓裂改造過程中的敏感屬性進行優選分析，最終優選了相干、振幅、脆性和水平應力差等屬性，共劃分出3 類“甜點區”類型（圖8），其中一類區是各項參數都適于開展儲層壓裂改造的區域，二類區為有1 個參數不適宜儲層改造的區域，三類區為部分參數適于開展儲層壓裂改造的區域。如CH 井前半支處于一類區，后半支處于二類區，而W1H 井、W2H井、W3H 井、W4H 井只有前半支處于三類區，這一現象符合CH 井產量明顯高于其他4 口井的特征。同時W2H 井水平段分別處于2 個儲層類別發育區，與前文論述的屬性特征、鉆井特征以及縫網特征存在差異的情況吻合。

對研究區內3 口直井D 井，E 井，F 井開展完鉆前儲層預測，從3 口井所在的位置以及剖面、平面屬性等進行分析，結果顯示E 井產能情況好于F井，F 井產能情況好于D 井，3 口井的試油結果如表2 所列，實鉆結果與預測結果吻合。同時預測2口水平井（W5H 井、W6H 井）的儲層發育特征，從儲層類別劃分來看，W5H 井儲層優于W6H 井。完井后測井分析結果與預測結果一致，核磁測井解釋成果如表3 所列。

表2 吉木薩爾凹陷直井試油情況Table 2 Oil test of vertical wells in Jimsar sag

表3 吉木薩爾凹陷W5H 井和W6H 井測井解釋結果Table 3 Logging interpretation result of wells W5H and W6H in Jimsar sag

6 結論

（1）微地震監測成果可直觀描述人工縫網的發育形態，并評價儲層改造效果。

（2）微地震監測成果與地震敏感屬性融合，可降低地震的多解性，提高“甜點區”預測的精度和可靠性。

（3）微地震與地震融合技術可有效地選擇出水平井鉆探的有利區域，為優化儲層壓裂改造方案提供依據，提高油氣產能。

（4）微地震與地震融合技術在吉木薩爾凹陷頁巖油中應用效果良好，“甜點區”預測結果與實測結果吻合良好，該方法在其他區塊的應用效果還有待進一步研究。

致謝：本研究得到了新疆油田公司的謝斌，東方公司微地震技術中心的徐剛、容嬌君、劉騰蛟、馮超等的大力支持與幫助，在此一并致謝。