利用最大正、負曲率識別準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組甜點段微小斷層開啟性

李 維 陳 剛 王東學 韓 寶 王振林 齊洪巖

(①中國石油新疆油田公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依 834000； ②中國石油大學(北京)非常規油氣科學技術研究院，北京 102249； ③中國石油新疆油田公司油藏評價處，新疆克拉瑪依 834000)

1 概況

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部，二疊系蘆草溝組發育頁巖、薄層砂質云巖和云質粉砂巖，為主要烴源巖，也是頁巖油賦存層系[1-2]，具有典型的“自生自儲”特點，分布范圍達到1278km2(圖1)。蘆草溝組地層厚度為25～300m，平均為200m；埋深為800～4500m，平均為3570m；發育2套“甜點”，橫向分布穩定，上“甜點”厚度為8～26m，下“甜點”厚度為12～40m[3]。

圖1 吉木薩爾凹陷構造圖

近幾年，吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油勘探取得重大突破，自 2011 年起，經鉆探證實蘆草溝組整體含油，估算資源量達15.8×108t，已成為中國最現實的陸相頁巖油規模建產區[4-5]。該區相繼開展了直井開發試驗、水平井提產試驗，2016—2017年，部署并實施了兩口開發試驗水平井，初期日產油突破百噸，形成了水平井+體積壓裂的主體開發技術[6-7]。2018—2020年，按照“直井控面、水平井提產”的開發理念，開展工廠化作業，創建國家首個陸相頁巖油示范區。

由于受地震資料品質的限制，以往的勘探、開發成果不能有效識別微小斷層，同時由于井網密度較低，鉆井數據沒有揭示斷層的影響，因此普遍認為吉木薩爾凹陷斷層不發育，為一簡單的單斜構造[8]。隨著開發程度的提高、工廠化作業的開展，井網密度逐漸增大，微小斷層明顯影響開發進程，導致鉆井鉆進和壓裂過程中多次發生復雜事故：①在水平井鉆進過程中鉆遇斷層，易發生油層鉆遇落空和井漏，不僅降低了油層鉆遇率，同時延長了鉆采周期，增加了施工成本；②受斷層影響，水平井體積壓裂過程發生嚴重竄擾，不僅降低了本井壓裂效果，同時對鄰井產生壓裂干擾[9]，致使鄰井生產異常，產量降低；③受斷層影響，估算的斷層附近的地層傾角不準確，導致設計的井軌跡貼頂/貼底，甚至鉆出目的層，地層傾角的突變增加了水平井軌跡調整難度。

開發實踐證實，蘆草溝組甜點段微小斷層非常發育，嚴重影響開發效果，因而對微小斷層的精細描述尤為重要。以往僅依賴常規測井、成像測井以及野外露頭識別該區微小斷層[10-11]，僅限于單井裂縫識別，無法有效獲得微小斷層的平面展布形態。目前主要利用疊前/疊后地震數據計算波形的幾何特征識別斷層[12-14]，但對地震數據信噪比要求較高，且難以預測斷層的開啟性。利用低信噪比地震數據的幾何屬性刻畫斷層多解性強，噪聲干擾增加了斷層識別難度，因此一般在提取地震屬性前要對原始地震數據濾波[15]，以降低噪聲干擾。本文以吉木薩爾蘆草溝組頁巖油層為例，采用基于橫、縱向組合的卡爾曼濾波技術和地震屬性提取技術，結合鉆井、壓裂、水平井生產動態等數據刻畫頁巖油甜點段微小斷層開啟性，進而指導水平井開發部署。

2 微小斷層識別與發育特征

2.1 微小斷層識別

吉木薩爾蘆草溝組頁巖為一套濱淺湖—半深湖相細粒混積巖，自下而上分為蘆一段(P2l1)、蘆二段(P2l2)，主要為陸源碎屑與湖相碳酸鹽組分混合沉積，源儲一體，源巖有機質豐度較高，儲層硬度較小。由新采集的高密度三維地震資料可見：①目的層蘆草溝組地震頻寬為8～72Hz，主頻約為38Hz(圖2)，目的層速度為4000m/s，因此地震可分辨斷距約10m的斷層。②地震同相軸沒有明顯的錯斷特征，但鉆井已證實甜點段發育微小斷層。實鉆結果表明，微小斷層主要表現為波形相位發生明顯變化，一般情況下，斷距越大，同相軸扭曲程度越大(圖2藍色圈位置)，微小斷層地震響應特征主要表現為同相軸有規律的扭曲。因此，通過波形相位變化可以有效識別微小斷層。

圖2 吉305井區Inline1155地震地質解釋剖面

微小斷層地震響應特征表明，利用曲率屬性可以有效識別微小斷層。曲率描述的是曲線上任意一點的彎曲程度，可表示為曲線上某點的角度與弧長變化率之比。

曲率分為二維面曲率和三維體曲率，其中二維面曲率因缺乏傾角信息，其結果不能真實反映地質構造，因此可將三維地震數據體先轉化為傾角數據體，再根據傾角數據體計算其中任意點的曲率，進而得到三維體曲率。過三維空間內某點的曲面可以產生任意多個曲率，其中最有用的是那些正交于曲面投影平面的曲率組合，稱之為法曲率，不同的法曲率可以構成相應的曲率屬性。曲率在20世紀90年代中期引入地震解釋流程，屬于幾何屬性，用于描述地震波形的幾何變化，與地下反射體的彎曲程度相對應。其中，高斯曲率僅反映斷層、裂縫等斷裂構造，平均曲率可以反映構造落差，最大正、負曲率可有效描述斷層、裂縫等斷裂構造[16]。通過計算原始地震數據最大正、負曲率體識別和刻畫微小斷層，利用構造解釋層位提取甜點段中部原始地震數據平面曲率。在某些情況下地震資料受噪聲干擾較嚴重，而曲率對噪聲十分敏感，這將大大降低利用曲率屬性刻畫微小斷層的精度。當最大正曲率受噪聲干擾嚴重時，在平面上多呈無規律的網狀、散點狀，斷層分布規律不清(圖3a)。最大負曲率(絕對值)可以較好地識別區域大斷裂，但噪聲干擾嚴重時對微小斷層識別難度大(圖3b)。

圖3 原始地震數據最大正(a)、負(b)曲率

為降低噪聲干擾，精確刻畫微小斷層平面展布規律，需對原始地震數據濾波處理，提高地震資料信噪比。在實際地震資料采集、處理過程中，受覆蓋次數影響，滿覆蓋范圍內地震數據信噪比較高，靠近工區邊界，信噪比逐漸降低。噪聲主要集中在信號的高頻段，特別是高頻噪聲往往導致利用二維面曲率難以有效識別微小斷層。因此，選取合適的濾波方法壓制噪聲非常必要，本文采用基于橫、縱向組合的卡爾曼濾波技術進行去噪。

首先，建立地震道之間的狀態轉換方程

(1)

其次，建立地震道的測量方程

(2)

根據式(1)，就可以優化Xk，那么對應Xk的標準差Pk的更新公式為

(3)

式中：Pk、Pk-1分別為第k道和第k-1道的標準差；Rk為Pk更新過程中的誤差標準差。

根據地震道狀態的預測結果和地震道測量值，可以最優化估算Xk

(4)

(5)

這里Qk為系統過程的標準差。

為了最優化估計Xk+1，需得到更新的P′k，即

P′k=Pk(I-K)

(6)

基于卡爾曼濾波原理建立的濾波模式，在確定P0、Rk和Qk后就可對地震資料進行橫向濾波。這里，P0取開始濾波的第一道的標準差，而針對沉積巖地層，相鄰地震道之間的差異可近似看成平穩的隨機高斯白噪聲。因此，Rk、Qk分別為

(7)

Qk=Ak[std(Xk-Xk-1)+std(Xk+1-Xk)]

(8)

式中std表示取標準差。

卡爾曼濾波原理采用橫向和縱向迭代循環濾波次數之比為2∶1的迭代循環組合濾波模式，在濾波效率和效果上均優于一般平滑濾波、單獨橫向或縱向迭代循環濾波[17]。該濾波器可以有效提高地震數據信噪比和地震同相軸的橫向連續性，消除因前期處理存在的假不連續現象，得到高信噪比、高保真地震數據。由濾波后地震數據的最大正曲率(圖4a)和最大負曲率(圖4b)可見，噪聲得到明顯壓制，有效信號更突出，較好地識別了微小斷層。

2.2 微小斷層發育特征

由圖4可見，微小斷層在全區較發育。由圖4a可見，微小斷層集中發育在吉37井附近，即：吉37井以東主要發育北東—南西向斷層；吉37井西南方向主要發育北東—南西和北西—南東向兩組相互切割的微小斷層(圖4a黑色圈位置)；吉37井以北曲率屬性特征多呈孤立的點狀，線性構造不明顯。結合地震剖面分析認為，該區域以噪聲干擾為主，并零星分布一些微小斷層。

最大負曲率屬性識別斷層效果較好，其中區域性大斷裂位于吉36井、吉30井附近，呈近南北向展布，微小斷層集中發育在吉37井、吉39井附近(圖4b)。其中：吉37井以東主要發育多組北東—南西向微小斷層，彼此平行展布；吉37井西南方向主要發育北東—南西和北西—南東向兩組相互切割且呈網狀分布的微小斷層，這與最大正曲率屬性識別結果一致(圖4b黑色圈位置)；吉39井以西發育近南北向的區域性大斷裂，在該斷裂以東發育多組北東—南西向呈雁列式展布的微小斷層，以走滑斷層為主，斷層延伸長度約為2km。上述呈雁列式展布的微小斷層將早期形成的近南北向斷層切割，形成了兩組相互交切的復雜斷裂系統(圖4b藍色圈位置)。

圖4 濾波后地震數據最大正(a)、負(b)曲率

3 斷層開啟性預測

斷層能作為流體運移的通道，則斷層表現為開啟性；反之，斷層起封閉作用，阻礙流體流動。斷層一般不是一個簡單的面，而是由一系列破裂面或次級斷層組成的帶，當斷層表現為開啟性時，大量的開口裂隙作為流體流動的通道，使斷層穿過的沉積層從下到上成為一個開放系統，流體可以沿斷層局部的高滲透帶快速上移到淺層。高崗等[18]分析了斷塊油氣藏的特征，認為斷層基本都有不同程度的絕對開啟性，而封閉性是相對的，影響斷層開啟性的因素主要包括構造應力的強弱、方向、泥巖涂抹、破碎帶厚度、成巖作用以及破裂面的張開程度等。

3.1 微小斷層開啟性識別

研究區位于準噶爾盆地吉木薩爾凹陷，凹陷經歷了海西、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構造運動，但凹陷內構造活動相對較弱。目的層二疊系蘆草溝組儲層巖性主要為頁巖、薄層砂質云巖和云質粉砂巖。張云釗等[11]利用野外露頭觀察、巖心觀察、巖石薄片觀察等手段發現，該區蘆草溝組在印支期形成的近南北向構造裂縫幾乎被方解石完全充填，燕山早期形成的北東—南西向和晚燕山期形成的北西—南東向構造裂縫僅部分被方解石充填。成巖作用和破裂面的張開程度為本區斷層開啟性的主控因素，破裂面的張開程度越大，成巖作用越弱，裂縫未被充填，斷層的開啟性越大。由于不同的構造擠壓/拉張程度導致斷層內破裂面的不同裂隙張開程度，地層的變形程度和變形方向與裂隙張開程度往往是相關聯的。

曲率可以定量表征地質體變形程度和變形方向。曲率一般包括最大曲率、最小曲率、高斯曲率、平均曲率等。其中：最大正曲率一般表征正向構造最大彎曲程度，在張性應力場下，正向構造一般處于拉張狀態，斷層一般呈開啟狀態；最大負曲率一般表征負向構造最大彎曲程度，負向構造一般處于擠壓狀態，斷層一般處于封閉狀態[19]。優選僅對微小斷層響應明顯的最大正、負曲率再結合斷層走向預測微小斷層開啟性是可行的。

近年Nissen等[20]及 Guo等[21]利用疊后地震資料曲率屬性計算方位強度預測裂縫的開啟性。陳志剛等[22]利用疊后地震資料的方位強度屬性預測開啟裂縫，首次將曲率方位強度屬性用于碳酸鹽巖儲層裂縫預測。本文在凹陷區內構造活動相對較弱、甜點段微小斷層各向異性較弱的背景下，結合頁巖儲層源儲一體、儲層硬度較小的特性預測裂縫的開啟性。首先，應用橫、縱向組合卡爾曼濾波技術對原始地震數據濾波。由于斷層各向異性較弱，為保證資料具有較高的信噪比，本文不對濾波后地震數據進行分方位處理，直接求取最大正、負曲率體；其次，利用構造解釋層位提取甜點段平面曲率屬性，識別斷層及斷層平面組合；再次，根據識別的斷層統計井軌跡在斷點附近的鉆井井漏、壓裂竄擾以及地層傾角等數據；最后，統計曲率類型、曲率值以及斷層走向與鉆井井漏、壓裂竄擾、地層傾角的關系，首次建立了一套頁巖儲層微小斷層開啟性預測技術流程(圖5)。

圖5 頁巖儲層微小斷層開啟性預測技術流程

由甜點段平面曲率屬性可見：凹陷區最大正、負曲率絕對值以300～500ft-1的中等值為主(圖4綠色區域)；南部大型阜康斷裂帶曲率絕對值普遍大于500ft-1，集中于700～800ft-1(圖4紅色區域)。

3.2 微小斷層開啟性分類

吉木薩爾蘆草溝組頁巖油主要采用水平井+體積壓裂方式開發，在水平井鉆進到體積壓裂過程中經常遇到微小斷層。開啟性斷層往往造成井漏，不僅提高了鉆井成本，還耗費大量鉆井時間，嚴重井漏導致水平井提前完鉆，降低水平段長度，進而影響開發效果；封閉性斷層一般對水平井鉆進、壓裂影響較小，因此如何有效避開危害性斷層，充分利用封閉性斷層對頁巖油高效開發至關重要。利用濾波后地震數據曲率屬性可以較好地識別斷層，利用曲率值和斷層走向可以定性地判斷微小斷層開啟性。為進一步驗證斷層開啟性，結合實際鉆井、錄井、壓裂、生產動態等數據落實斷層開啟性，進而對微小斷層開啟性進行分類。

3.2.1 開啟性微小斷層

圖6為過水平井A、B地震解釋剖面及正曲率平面圖。由圖可見：第一，②號斷層同相軸扭曲明顯，目的層內部反射結構在斷層兩盤明顯錯動(圖6a)，主要表現為正曲率構造，且彎曲程度較大，最大正曲率值整體大于500ft-1(圖6b)；由地層微電阻率掃描成像(FMI)測井可以明顯看出不規則網狀縫非常發育，且無充填，進一步證實②號斷層發育，且為開啟性斷層。第二，①號和②號斷層均有明顯的同相軸扭曲現象，但最大扭曲點位置不同，且彎曲變形程度不同。其中①號斷層位于斜面處，變形程度較弱，主要為負曲率構造；②號斷層變形程度較強，主要為正曲率構造(圖6c)，最大正曲率值整體大于500ft-1(圖6d)。因此，②號斷層為開啟性斷層，①號斷層呈擠壓狀態，表現為封閉性。開啟性微小斷層主要為呈雁列式展布的走滑斷層，斷距小(約為10m)，走向以北東—南西向為主，斷層延伸距離約為2km，正曲率值整體大于500ft-1。

圖6 過水平井A、B地震解釋剖面及正曲率平面圖(a)過水平井A地震剖面； (b)水平井A正曲率平面圖； (c)過水平井B地震剖面； (d)水平井B正曲率平面圖水平井A鉆至目的層P2l1，錄井見良好油氣顯示，側鉆水平段經過②號斷層時，目的層丟失并伴有嚴重井漏，通過堵漏并上調井軌跡找回目的層。水平井B位于P2l2，鉆后錄、測井表明水平段巖性變化較小，水平段鉆進過程中鉆井液密度維持在1.61～1.62g/cm3；在鉆至①號斷層時，并未發生井漏，在鉆至②號斷層時發生嚴重井漏，漏失鉆井液474.5m3

3.2.2 半開啟性微小斷層

圖7為實例井生產曲線及地震解釋剖面。由圖可見：第一，水平井C、D均鉆遇②號斷層，且均未發生井漏，但在2020年4月19日水平井D壓裂第4段時，水平井C生產異常，含水率突升，由穩定含水64%上升到99%，日產油量由27t下降到0.8t。排除平面上其他井干擾，分析認為受水平井D壓裂影響，②號斷層被“激活”，由半開啟性轉為開啟性，壓裂液沿著開啟斷層發生竄流導致水平井C生產異常，干擾天數達15天(圖7a)。第二，②號斷層地震響應特征主要表現為同相軸扭曲(圖7b)，為扭曲程度較小的正曲率構造，曲率值約為300ft-1(圖7c)。

圖7 實例井生產曲線及地震解釋剖面(a)水平井C生產曲線；(b)過水平井C地震剖面；(c)水平井C正曲率平面圖水平井C位于P2l2，為2019年的一口產能井，該井鉆進過程未發生井漏，投產后生產效果較好，日產油量穩定在20～30t，含水率穩定在60%～80%。水平井D位于P2l1，為2020年的一口產能井，該井鉆井過程未發生井漏。兩口井縱向上位于兩套油層，縱向跨度近100m

圖8為過水平井E地震解釋剖面及正曲率平面圖。由圖可見：第一，水平井E、F均鉆遇②號斷層，但鉆井過程并未發生井漏，表明斷層并未完全開啟，由于F井壓裂施工導致②號斷層被“激活”。第二，②號斷層穿過兩井水平段，斷層走向為北西—南東向，延伸距離為1.9km，傾向北東(圖8a)，地震響應特征主要表現為同相軸扭曲且幅度較低，主要為正曲率構造，整體正曲率值約為300ft-1，斷層表現為半開啟性，受壓裂影響轉為開啟性斷層(圖8b)。半開啟性微小斷層主要為走滑斷層，斷距小(約為10m)，走向以為北西—南東向為主，斷層延伸距離約2km，正曲率值約為300ft-1。

圖8 過水平井E地震解釋剖面(a)及正曲率平面圖(b)水平井E位于P2l2，為2019年一口產能井，該井于2019年8月23日完井過程發生嚴重溢流，涌入地層流體及氣體井段為2902～3300m，造成氣測值升高，鉆井液密度下降。距離該井平面距離1390m處水平井F正在壓裂施工，排除平面其他井干擾，分析認為受②號斷層影響，兩井發生嚴重竄流

3.2.3 封閉性微小斷層

圖9為過水平井G地震解釋剖面及實鉆軌跡。由圖可見：水平井G鉆遇②號和③號斷層，地震同相軸扭曲明顯，扭曲程度較大，為負曲率構造(圖9a)。實鉆結果表明，在井深4830m處鉆遇②號斷層并未發生井漏，軌跡調整4°，降斜至82°鉆進(圖9b藍色框位置)，后鉆遇③號斷層，軌跡由82°逐漸調整回86°鉆進(圖9b綠色框位置)，最終測、錄井解釋油層鉆遇率達91.8%，高于區塊平均水平。分析實鉆結果可知，地震同相軸扭曲為負曲率構造時，斷層多表現為封閉性，扭曲程度越大，地層傾角變化越大，②號和③號斷層負曲率絕對值整體大于300ft-1(圖9c)，該井后期壓裂結果未監測到明顯的竄擾特征，表明封閉性斷層未被“激活”。在擠壓狀態下，斷層多表現為封閉性，呈負曲率。封閉性微小斷層主要為近南北向正斷層，斷距較小(約為10m)，斷層延伸距離約為2km，部分斷層斷距達15m，負曲率絕對值整體大于300ft-1。

圖9 過水平井G地震解釋剖面及實鉆軌跡(a)過水平井G地震剖面；(b)水平井G實鉆軌跡；(c)水平井G負曲率平面圖水平井G位于蘆草溝組P2l1，為2020年一口產能井，該井鉆井過程未發生井漏，投產后日產油量穩定在40～60t，生產效果較好。該井在鉆井過程中多次作出軌跡調整，最大調整角度達4°

4 應用效果

通過曲率類型、曲率值以及斷層走向，結合吉木薩爾蘆草溝組甜點段鉆井、水平井壓裂信息以及生產動態預測微小斷層開啟性，得到以下認識：①最大正曲率值大于500ft-1的北東—南西向斷層多為開啟性斷層，最大正曲率值約為300 ft-1的北西—南東向和北東—南西向兩組斷層多為半開啟性斷層，最大負曲率絕對值大于300 ft-1的近南北向以及北東—南西向斷層多為封閉性斷層；②斷層附近地層傾角變化較大，曲率值越大，傾角變化越大。基于以上認識，優化吉木薩爾蘆草溝組水平井開發方案，優化前在蘆草溝組部署水平井42口，預測17口井鉆遇半開啟性斷層(圖10a的C區)，10口井鉆遇封閉性斷層(圖10a的B、D區)，優化后將17口高風險井向東側斷裂不發育區進行調整。方案優化后，維持A、B區原開發方案不變，C區取消部署，D區僅局部發育兩條封閉性斷層，適合水平井開發，故加密部署，最終合計部署水平井55口(圖10b)。目前已實施水平井9口(圖10b 的A、B區)，9口水平井在鉆進過程中均未發生井漏、地層傾角劇烈變化等問題，有效降低了復雜事故，極大地縮短了鉆井周期(僅用35天實鉆井深達5000m)，有效節約了鉆井成本。

圖10 水平井開發方案優化前(a)、后(b)部署平面圖

5 結論

(1)對原始地震數據進行橫、縱向組合的卡爾曼濾波處理是利用曲率屬性有效識別微小斷層的關鍵。凹陷區構造活動弱且儲層巖性主要為頁巖、薄層砂質云巖和云質粉砂巖，成巖作用和破裂面的張開程度為本區斷層開啟性的主控因素。最大正、負曲率對不同類型的斷層敏感程度不同，最大正曲率可以更好地識別開啟性斷層，曲率值越大，斷層開啟可能性越大；最大負曲率指示擠壓狀態下的封閉性斷層，曲率絕對值越大，斷層的封閉性越好。

(2)開啟性微小斷層主要為北東—南西向走滑斷層，對鉆井影響較大，易導致嚴重井漏；半開啟性微小斷層主要為北西—南東和北東—南西向的兩組走滑斷層，在鉆進過程一般不會發生明顯井漏，但在壓裂時斷層被激活，易發生斷竄，影響壓裂效果和鄰井生產；封閉性斷層主要為近南北向和北東—南西向正斷層，一般對鉆井、壓裂無明顯影響，主要危害表現為斷層附近地層傾角變化大、地層傾角預測難度大，從而影響水平井鉆遇率。

(3)實踐證實，微小斷層開啟性預測對于頁巖油水平井開發具有重要意義，水平井部署需避開開啟性斷層，壓裂時需避開半開啟性斷層，可有效降低復雜鉆井事故，保證壓裂效果，避免發生斷竄。同時，水平井部署要充分利用封閉性斷層發育區，以提高資源動用程度。