发布时间：2022-02-14所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：中国深层页岩气具有良好勘探前景和巨大勘探潜力，随着埋深增加压裂难度增大，可压性预测及评价至关重要。以 DS地区研究为例，明确了深层页岩气工程甜点敏感地球物理参数，提出了脆性、裂缝及水平应力差地震预测技术：①结 合 岩 石 力 学实验，发现了泊松比对围
摘要：中国深层页岩气具有良好勘探前景和巨大勘探潜力，随着埋深增加压裂难度增大，可压性预测及评价至关重要。以 DS地区研究为例，明确了深层页岩气工程“甜点”敏感地球物理参数，提出了脆性、裂缝及水平应力差地震预测技术：①结 合 岩 石 力 学实验，发现了泊松比对围压变化敏感，基于此构建了塑延性转换敏感因子及脆性指数地震预测新模型;②各向异性 研 究 发 现，页岩具有明显 HTI介质旅行时方位各向异性特征，通过分方位地震旅行时解释及校正，利用椭圆拟合技术，形成了一种高效的裂缝地震预测新技术;③基于贝叶斯理论推导建立了组稀疏方位弹性阻抗同时反演方法，实现了各向异性参数及水平地应力差异系数的预测。预测结果表明：脆性指数、裂缝及地应力差是评价深层页岩气能否实现体积改造的工程“甜 点”参 数，脆 性 指 数 越高，储层裂缝越发育，页岩越容易压开，破裂压力越低;地应力差越小，越容易压裂形成复杂缝网。
关键词：深层页岩气;工程“甜点”;裂缝预测;脆性指数;水平应力差;各向异性;弹性阻抗同时反演
四川盆地及周缘页岩气地质资源丰富，在“二元富集”理论[1]的指导下，南方海相五峰-龙马溪组页岩气勘探开发取得重大突破，焦石坝、长宁、威远等页岩气田的发现推动了我国页岩气行业快速发展。勘探地球物理技术贯穿页岩气勘探开发整个过程，发挥了关键作用[2]，形成了适合我国南方中浅层平稳构造区的海相页岩气“甜点”地震预测与评价技术体系，包括基于叠前高精度密度反演有机碳含量(TOC)的预测技术[3]、多元回归脆性指数预测技术[4]、压 力 系 数预测技术[5]、二元约束含气量预测技术[6]等，有 效 支撑了南方海相页岩气的勘探及开发。目前，美国页岩气勘探开发由中浅层向深层逐渐拓 展，Haynesville、EagleFord和 CanaWoodford这3个埋深为3500～4100m 的深层页岩气藏已实现商业开发，正在探索更深(埋深4500m 左右)的 Hilliard-Baxter和 Man-cos页岩气藏[7-8]。中国深层(埋深≥4000m)页岩气资源量远大于 中 浅 层 的 页 岩 气 资 源 量，2015年 以 来已 取 得 了 系 列 勘 探 突 破，单井测试最高 产量达137.9×104 m3/d，揭 示 了 良 好 的 勘 探 前 景 和 巨 大 勘探潜力[9]。但是，深层页岩地层温度较高，页岩 塑 性增强，地应力较大且应力差值高，导致裂缝起裂及延伸困难，体积 压 裂 改 造 难 度 大[10]。工 程 可 压 裂 性 是制约深层页岩气勘探开发的核心问题。
前人 针 对 工 程 “甜 点”的研究形成了 一些认识[11-13]，脆性指数及裂 缝 发 育 可 表 征 深 层 页 岩 地 层能否压开，可结合破裂压力联合分析;地 应 力 差 可以评价能否压裂形成缝网，可 结 合 压 裂 G 函 数 或 者微地震展开评价。目 前，针 对 深 层 页 岩 气 勘 探 的 工程“甜点”地球物理 参 数 不 完 全 明 确，尤 其 缺 少 针 对性地震预测技术;常 用 的 矿 物 脆 性 指 数 只 能 反 映 页岩气储层静态指标 的 变 化，不 能 反 映 脆 性 随 深 度 的变化特征;地 应 力 的 理 论 研 究 较 多，实 际 应 用 仍 不完全成 熟。本 文 进 一 步 结 合 大 量 岩 石 力 学 实 验 及钻井压裂施 工 参 数，分 析 DS地 区 可 表 征 深 层 页 岩气工程“甜点”的敏 感 地 球 物 理 参 数，建 立 针 对 性 地震预测模型，利用 OVT域叠 前 地 震 资 料，形 成 脆 性指数、裂缝及地应力差地震预测技术，期 望 取 得 良好的应用效果。
1 研究区概况
DS研究区主体位于重庆市綦江县境内，距离涪陵页岩气田150km，构造位置位于四川盆地东南部盆缘褶皱带，形态上表现为一个向盆内延伸的鼻状构造(图1)。该区 五 峰 组-龙马溪组一段一亚段为典型的深水陆 棚 沉 积 环 境，发 育 了 一 套 黑 色 碳 质 泥 页岩。共完钻6口重点探井，早期 DY1井及 DY3井钻探页岩气层埋深小于3000m，但保存条件较差，勘探效果一般，近 期 勘 探 逐 步 向 深 层 探 索，DY4井、DY5井及 DYS1井均试获高产页岩气流，产量分别为20.56×104，16.33×104，31.18×104 m3/d。研究区页岩整体具有有机碳含量高、有机质类型好、热演化程度适中、脆性矿物含量高等特征;同时距离齐岳山断裂的远近、埋深、页岩气层顶板特征，共同决定了该地区保存条件的差异;随着埋深的增大，水平扩散影响逐渐减少，保存条件好，压力系数高[14-15]，该区深层页岩气具有良好的富集条件。
2 工程“甜点”地震预测技术
2.1 深层页岩脆性指数构建与预测方法
2.1.1 基于塑延性转换敏感因子的页岩脆性指数
通常利用矿物脆性指数开展页岩地层脆性评价，目前基于地震资料的脆性指数预测方法主要以基于矿物脆性指数为目标[4，16]，没有体现埋深变化对脆性的影响。DS地区矿物脆性指数为52%～54%，差异不大，但随着埋深、地层围压的增加，岩石破裂压力及难度显著增大，矿物脆性指数与破裂压力相关性差，不能有效评价地层可压性(图2)。
侯振坤等[17]针对龙马溪组页岩脆性特征进行了详细的试验研究，基于跌落系数、应力降系数、软化模量定义了页岩综合脆性指数
在不同有效围压条件下，采用相同方法开展 DS地区重点探井优质页岩段岩石力学试验。研究结果表明，随着埋深及有效围压的增大，页岩会发生脆塑性转换，围压从0增加至80MPa，页岩综合脆性指数由0.8696减小到0.6586，降 幅 达24.3%(表1)。同时，鉴于杨氏模量和泊松比是反映岩石力学性质的两个关键力学参数，进行了重点对比分析，结果表明，杨氏模量与围 压 相 关 性 差(图3a)，并 不 能 有 效 反 映 脆性随深度变化的脆性特征，利用杨氏模量的 Rickman公式[18]并不适用于 DS地区页岩的脆性评价;
从图6可以看出，泊松比反演结果与单井实测结果基 本 一 致，随 着 深 度 的 增 大，DY1 井、DY3 井 和DY2井的泊松 比 不 断 增 大，页岩脆性明显有降低的趋势。基于新建立的深层脆性指数(公式(3))完成了DS地区五峰组—龙马溪组一段优质页岩脆性指数的预测，结果如图7所示，可以看出，预测结果很好地体现了随埋深增加的塑延性变化趋势特征，同时由于泊松比的横向变化，反映出脆性的平面细节变化特征。比较工区内已钻井的脆性预测结果与破裂压力的关系可以看出，优质页岩脆性与破裂压力有良好相关性，脆性指数越高，破裂压力越低，预 测 DY5井 的 脆性指数高于 DY4井 的 脆 性 指 数(表2)，与 实 际 结 果匹配较好。
2.2 基于 OVT域数据的叠前裂缝地震预测技术
高角度裂缝发育的地层(HTI介质)导致地震波在不同传播方向的振幅、衰减、弹性性质等属性随方位的变化而变化。研究人员提出了多种基于纵波方位各向 异 性 信 息 识 别 天 然 微 裂 缝 的 预 测 方 法，如AVAz技术[20-22]等。但是研究区处 于 四 川 盆 地 盆 缘复杂构造区，地表起伏大、岩性横向变化快，地震资料振幅能量的保幅性及一致性处理要求极高，实际资料难以达到上述技术的要求，未 能 取 得 较 好 的 预 测 效果。HTI介质下地震波传播速度的差异可表现为地震波同相轴旅行时的差异，固定入射角情形下，不同方位旅行时可近似为椭圆，进而可以预测裂缝强度及其走 向，即 VVAz 技 术。 本 次 研 究 基 于 DS 地 区OVT域数据分析旅行时随方位变化的特征，尽量避免了 AVAz技术因能量一致性处理而造成的裂缝预测误差，形成 了 方 位 旅 行 时 椭 圆 拟 合 裂 缝 预 测 新 技术，尤其是针对五峰组—龙马溪组深层页岩气地震反射层稳定，旅行时易于自动拾取等特点，取得了一定效果。
2.2.1 裂缝方位各向异性响应分析
通过偏移距向量片(OVT 域)单次覆盖地震数据全三维分方位处理，可充分挖掘宽(全)方位三维地震方位信息和改善成像品质，为裂缝预测提供丰富的叠前数据信息。单井的岩心裂缝分析结果以及成像测井分析结果均表明，DS地区页岩层内高角度裂缝均较为发育(图8，图9)。抽取了 DY4井 井 旁 道 OVT域道集，分析所有方位的五峰组底界反射同相轴的旅行时，可以看出，不同的方位存在明显的旅行时差异，即旅行时各向异性特征(图10)。
2.2.2 方位旅行时差异裂缝地震预测技术
RGER[23]研究发现，纵波的方位各向异性信息可以近似为一个椭圆，即可以利用最小二乘椭圆拟合法(RGER椭圆)或者傅里叶级数展开进行各向异性小尺度裂缝检测。
2.2.3 裂缝地震预测及效果分析
在实际地震预测研究中，首先需做好 OVT 域道集预处理，如未校正目的层上部地层方位旅行时各向异性，错误地将目的层上部地层的方位旅行时各向异性累积到了目的层，会影响目的层预测精度。采用的方法是：①针对目的层顶界面反射波同相轴进行校平处理，校正后的数据更能真实反映目的层的各向异性特征(图14);②针对校平后地震道集数据进行方位角划分与叠加，获得多个分方位叠加数据，拾取所述分方位叠加数据的目的层地震同相轴旅行时开展解释，进而通过椭圆拟合可预测裂缝发育强度和方位。
针对五峰组—龙马溪组页岩储层段底界 反 射 开展了椭圆拟合裂缝预测。DY4井、DY5井导眼井处预测的优质页岩段高角度裂缝发育(图15)，与成像测井解释结果的吻合度较高，如 DY4井 深3700～3725m内高角度裂缝发育，DY5井深3800～3825m 内高角度裂缝发育。分析预测结果可知，裂缝的发育程度明显表现出对水平井水力压裂施工有重要影响。DY5HF井各段破裂压力(地面)为93.60～105.73MPa，大多低于100.00MPa，平 均 为 98.69MPa;DY4HF 井 各 段破 裂 压 力 为 97.65 ～ 106.47MPa，大 多 高 于100.00MPa，平 均 为 103.19MPa。 分 析 后 认 为，DY5HF井裂缝更为发育，有效降低了深层页岩破裂压力，预测结果与工程压裂施工破裂压力相吻合。
2.3 水平地应力差地震预测方法
地应力是决定所生成裂缝的形态、方位以及延伸方向的关键因素，水平应力差异系数(DHSR)是有效的表征参数[24]，低 DHSR 值表明其所在区域在水力压裂施工时，容易被压裂成复杂缝网;高 DHSR 值容易被压裂成定向排列的裂缝，缝网复杂程度较差。马妮等[25]基于地应力的基础理论以及地震各向异性介质地震岩石物理理论，推导建立了地应力差系数与各种弹性参数、。
基于方位地震数据的地应力反演方法，首先要开展方位弹性阻抗反演，若对不同方位的部分叠加数据分别开展弹性阻抗反演，则可能导致不同方位的反演结果不具有一致性，从而造成预测精度降低。对于同一套地层而言，不同方位、不同入射角的弹性阻抗应具有相同的地层结构，只是不同方位的弹性阻抗值不同。将同一采样点的不同方位角、不同入射角的反射系数组合，组内反射系数呈高斯分布，组与组之间满足修正柯西分布。基于贝叶斯理论框架，建立组稀疏弹性阻抗反演目标函数(如(12)式)，保证了不同方位弹性阻抗采样点一致性。
求解(12)式得到不同方位角、不同入射角的弹性阻抗数据体，再利用马妮等[25]提出的方法流程，同时充分考虑测井各向异性岩石物理先验信息，实现各向异性参数ε(v)的反演，最后应用(9)式至(11)式，结合弹性模量的反演，实现水平地应力差异系数五维地震预测。
从 DY5HF井的 DHSR反演预测剖面(图16)可以明显看出，在优质泥页岩段具有较低的水平应力差系数，具备形成缝网的能力。DY5HF井各段压裂 G函 数 显 示 5～12 段 压 裂 裂 缝 整 体 复 杂 程 度 高(图17)，形成了复杂网缝，预测剖面(图16)中5～12段地应力差系数较低，与实际压裂效果一致。
3 工程“甜点”综合预测及评价
前文研究结果表明，脆性指数、裂缝及地应力差是评价本区深层页岩气能否实现体积改造的工程“甜点”，脆性指数越高，储层裂缝越发育，页岩越容易压开，破裂压力越低;地应力差越小，越容易压裂形成复杂缝网，增加改造体积。我们在此基础上，利用多属性融合技术，实现了工程“甜点”的综合预测(图18)，具体工程甜点预测及评价流程如图19所示。
图18中，DY4 井 和 DY5 井 基 本 处 于 工 程 “甜点”区，基本 实 现 了 较 好 的 压 裂 改 造，测 试 获 工 业 气流;从图18中 还 可 以 看 出，DY2井 区 脆 性 指 数 高 于45%，储 层 裂 缝 更 为 发 育，地 应 力 差 小，同 样 为 工 程 “甜点”区，由于 DY2井未实施大规模压裂改造，所以未获得高产，评价认为该井区应该是 DS地区深层页岩气勘探的有利目标区，如进一步实施钻探，有望获得新突破。
4 结论
本文以 DS 地 区 为 例，分析了深层页岩气工程 “甜点”的敏感地球物理参数，建立了针对性的地震预测模型，利用 OVT 域叠前地震资料开展高精度叠前弹性参数反演，形成了地震预测技术。首先，结合岩石力学实验，发现了泊松比对围压变化敏感，基于此构建了塑延性转换敏感因子及脆性指数地震预测新模型;其次，通 过 各 向 异 性 研 究，发 现 页 岩 具 有 明 显HTI介质旅行 时 方 位 各 向 异 性 特 征，通 过 分 方 位 地震旅行时解释及校正，利用椭圆拟合技术，形成了一种有效的裂缝地震预测新技术;第三，基于贝叶斯理论推导建立了组稀疏方位弹性阻抗同时反演方法，保证了不同方位弹性阻抗采样点一致性，实现了各向异性参数及水平地应力差异系数的预测。
预测结果表明，脆性指数越高储层裂缝越发育，页岩越容易压开，破裂压力越低;地应力差越小，越容易压裂形成复杂缝网，增加改造体积。形成的地震预测技术可有效支撑深层页岩气的勘探部署及评价，具有较好的推广应用价值。——论文作者：陈 超1，2，印兴耀1，陈祖庆2，刘晓晶2
参 考 文 献
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