李金磊

(中國石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

涪陵焦石壩頁巖氣層壓力預(yù)測技術(shù)研究

李金磊

(中國石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

壓力系數(shù)是頁巖氣保存條件的綜合判別指標。以涪陵焦石壩頁巖氣藏為例,基于壓力偏低系數(shù)與高角度裂縫密度呈正相關(guān)關(guān)系,提出了復(fù)雜構(gòu)造區(qū)基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)及實現(xiàn)流程。首先利用已知井建立封存型和逸散型壓力系數(shù)預(yù)測模型,然后基于歸一化的曲率屬性定量表征裂縫密度,建立壓力偏低系數(shù)預(yù)測模型,最后綜合考慮地層速度和裂縫密度,實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的壓力系數(shù)預(yù)測。焦石壩三維工區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣層壓力系數(shù)的預(yù)測結(jié)果表明,該技術(shù)適應(yīng)性強,預(yù)測精度高,在中國南方多期構(gòu)造運動影響下的勘探區(qū)塊具有很好的推廣應(yīng)用價值。

涪陵頁巖氣田;復(fù)雜構(gòu)造區(qū);壓力偏低系數(shù);裂縫修正;壓力預(yù)測

四川盆地東南緣JY1HF井在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組獲得穩(wěn)定高產(chǎn)工業(yè)氣流,實現(xiàn)了南方海相頁巖氣的戰(zhàn)略突破,展示了四川盆地海相頁巖氣良好的勘探前景[1-2]。勘探實踐及精細研究形成了南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)高演化海相頁巖氣“二元富集”理論,即深水陸棚優(yōu)質(zhì)泥頁巖發(fā)育是頁巖氣“成烴控儲”的基礎(chǔ);良好的保存條件是頁巖氣“成藏控產(chǎn)”的關(guān)鍵[3-4]。地層壓力系數(shù)是頁巖氣保存條件評價的綜合判別指標,統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),四川盆地及周緣下古生界頁巖氣井產(chǎn)量與壓力系數(shù)呈對數(shù)正相關(guān)關(guān)系[5],選區(qū)評價時,認為壓力系數(shù)>1.2時,頁巖氣保存條件好[4]。因此,研究分析頁巖儲層的壓力特征及開展壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)的攻關(guān),對于評價頁巖氣保存條件、尋找高產(chǎn)富集的頁巖“甜點”具有十分重要的意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者對異常地層壓力預(yù)測進行了探索和研究,預(yù)測方法主要有兩類:一是基于測井數(shù)據(jù)的預(yù)測[6-8],能較準確地在鉆后計算地層壓力,但只能針對單井不能實現(xiàn)井孔以外的地層壓力平面預(yù)測;二是基于地震資料進行壓力預(yù)測[9-20],以地震速度作為預(yù)測的基礎(chǔ),可分為依賴正常壓實趨勢線的方法和不依賴正常壓實趨勢線的綜合參數(shù)方法。這兩類方法大多應(yīng)用于常規(guī)油氣勘探中砂巖和碳酸鹽巖地層壓力預(yù)測,而對頁巖儲層的壓力預(yù)測方法研究較少,尤其是針對構(gòu)造復(fù)雜區(qū)常規(guī)方法表現(xiàn)出較強的不適用性。

以涪陵焦石壩地區(qū)為例,綜合構(gòu)造、巖心、成像測井和鉆井等資料,分析確定影響該區(qū)壓力系數(shù)的主要因素,建立適應(yīng)于不同復(fù)雜地質(zhì)條件的壓力系數(shù)預(yù)測模型,提出了基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)及實現(xiàn)流程,在五峰組—龍馬溪組頁巖氣層壓力系數(shù)預(yù)測應(yīng)用中取得良好的效果。

1 壓力系數(shù)影響因素分析

1.1 構(gòu)造與壓力系數(shù)分布特征

涪陵焦石壩地區(qū)位于川東隔擋式褶皺帶、盆地邊界斷裂齊岳山斷裂以西的萬州復(fù)向斜內(nèi)[3-4],受雪峰、大巴山等多方向、多期構(gòu)造運動影響,總體表現(xiàn)為一北東向大型似箱狀斷背斜,構(gòu)造主體地層產(chǎn)狀平緩,翼部變陡,被斷層切割復(fù)雜化。早期發(fā)育北東向斷層,形成“東西分塊、隆洼相間”的格局;后期發(fā)育北西向斷層,形成“南北分帶”的特征(圖1)。鉆井表明,該區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖分布穩(wěn)定,優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段(總有機碳含量TOC≥2%)厚度為30～50m;TOC平均值大于3%,脆性礦物含量介于65%～79%,孔隙度平均約為4.53%,含氣量平均約為4.21m3/t。由于橫向上孔隙度、含氣量和壓力系數(shù)存在差異性,因此總體來看構(gòu)造復(fù)雜區(qū)比構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)含氣性要差、孔隙度要低,表現(xiàn)出較低的壓力系數(shù)(表1)。同時,勘探結(jié)果證實:頂部寬緩、地層傾角小、斷層不發(fā)育的背斜主體,其頁巖氣藏壓力系數(shù)高,一般為1.30～1.55,普遍高產(chǎn),無阻流量一般大于50×104m3/d;構(gòu)造翼部較復(fù)雜區(qū),壓力系數(shù)相對偏低,無阻流量一般為(20～50)×104m3/d,而位于西南部北東及北西兩組斷裂結(jié)合部位的烏江斷鼻,受多期應(yīng)力改造,斷裂及裂縫發(fā)育,壓力系數(shù)小于1.0,無阻流量以小于10×104m3/d為主。

圖1 涪陵焦石壩地區(qū)五峰組底界構(gòu)造

表1 焦石壩地區(qū)探井優(yōu)質(zhì)頁巖評價參數(shù)對比結(jié)果

1.2 造成壓力系數(shù)差異的主要因素

四川盆地東部五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏超壓形成的機制主要是烴源巖生烴而造成的流體膨脹,晚期構(gòu)造擠壓抬升作用的早晚、強度以及多期應(yīng)力場的疊加改造、高角度裂縫的發(fā)育特征是影響頁巖氣超壓后期保持的控制因素[4]。裂縫對頁巖氣藏具有雙重作用,一方面頁巖層段內(nèi)小尺度裂縫和微裂縫發(fā)育改善了頁巖儲集條件,有助于頁巖氣的富集和后期的壓裂改造,對壓裂增產(chǎn)具有積極的作用;另一方面,如果裂縫規(guī)模過大,破壞了頂板或底板,導(dǎo)致頁巖氣散失,降低含氣量,不利于頁巖氣保存[21-23]。

在焦石壩地區(qū),晚期構(gòu)造作用形成的斷裂及其伴生的裂縫是五峰組—龍馬溪組頁巖氣散失的主要因素。巖心觀察和FMI成像發(fā)現(xiàn),主要發(fā)育高角度縫(斜交縫和垂直縫)和水平縫(層間頁理縫、層間滑動縫)兩種類型的裂縫(圖2,圖3)。水平縫在頁巖層段內(nèi)均有發(fā)育(圖2a,圖2b,圖2c,圖3b),基本未對頁巖氣的保存產(chǎn)生破壞性。影響含氣性的關(guān)鍵因素是高角度縫,實鉆結(jié)果表明:焦石壩箱狀背斜構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)(以JY1-JY4井區(qū)為代表),高角度縫主要發(fā)育于五峰組—龍馬溪組一段的底部(圖2a),且裂縫規(guī)模較小,多被方解石充填或半充填,基本未見開啟的裂縫(圖3a),基于體曲率的裂縫預(yù)測結(jié)果顯示,該構(gòu)造部位裂縫發(fā)育強度較低;而處于斷裂發(fā)育帶的構(gòu)造復(fù)雜區(qū)(以JY5井區(qū)為代表),高角度縫在頁巖層段均有發(fā)育(圖2d,圖2e),裂縫密度明顯增加,見大量未被充填的裂縫(圖3c,圖3d),裂縫發(fā)育強度較高,造成保存條件變差,頁巖氣大量散失,因此,在壓力系數(shù)的定性與定量評價過程中需要重點考慮此類裂縫的影響。

圖2 JY3井、JY5井頁巖氣層FMI裂縫解釋成果a JY3井,五峰組,2409.2～2412.3m,含放射蟲筆石頁巖中水平縫、高角度縫發(fā)育; b JY3井,龍馬溪組一段二亞段,2359.1～2362.1m,含碳含粉砂泥巖中水平縫較發(fā)育; c JY3井,龍馬溪組一段三亞段,2334.8～2337.7m,含碳筆石頁巖中水平縫較發(fā)育; d JY5井,五峰組,3080.5～3084.9m,含碳筆石頁巖中水平縫、高角度縫發(fā)育; e JY5井,龍馬溪組一段一亞段,3064.0～3068.3m,含碳筆石頁巖中水平縫、高角度縫發(fā)育

圖3 焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組巖心裂縫發(fā)育特征a 高角度縫和水平縫,方解石充填,JY1井,2409.50m; b 水平縫,方解石和黃鐵礦充填,JY3井,龍馬溪組,2408.43m; c 高角度縫,JY5井,龍馬溪組,3072.50～3072.65m; d 高角度縫,JY6井,龍馬溪組,3211.06～3211.30m

2 復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣層壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)

基于大尺度高角度裂縫發(fā)育對焦石壩地區(qū)保存條件的影響控制作用,將裂縫表征與壓力預(yù)測有機地結(jié)合起來,建立了基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù),進而開展頁巖氣層壓力系數(shù)預(yù)測。

2.1 封存型及逸散型壓力系數(shù)預(yù)測模型

屈大鵬等[19]、陳超等[24]在川東南焦石壩和丁山地區(qū),結(jié)合實鉆井壓力系數(shù)與地層速度之間的負相關(guān)關(guān)系,進一步優(yōu)化Fillippone公式,形成了新的函數(shù)關(guān)系式:

Pc=a-bvi

(1)

式中:Pc為壓力系數(shù);vi為目的層層速度;a,b為經(jīng)驗系數(shù),可通過實際井資料擬合得到。

在保存條件好的構(gòu)造穩(wěn)定區(qū),優(yōu)選有實測壓力系數(shù)的鉆井,分析壓力系數(shù)和層速度的關(guān)系(圖4),確定公式(1)中的a,b分別為7.901 9,0.001 6,相關(guān)系數(shù)達到0.8900,建立焦石壩地區(qū)封存型壓力系數(shù)預(yù)測模型:

Pc-封存型=7.9019-0.0016vi

(2)

式中:Pc-封存型為封存模型壓力系數(shù)。

同時將位于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的鉆井加入上述封存型預(yù)測模型,發(fā)現(xiàn)其實測壓力系數(shù)明顯低于封存型模型壓力系數(shù)(圖4),而且表現(xiàn)出受斷層、大尺度高角度裂縫破壞越強偏低系數(shù)越大的典型特征,進一步提出斷層、大尺度裂縫破壞的逸散型壓力系數(shù)預(yù)測模型:

(3)

式中:Pc-逸散型為逸散模型壓力系數(shù);ΔPc為偏低系數(shù)。

圖4 焦石壩地區(qū)鉆井五峰組—龍馬溪組層速度與壓力系數(shù)交會分析結(jié)果

利用公式(2)計算構(gòu)造復(fù)雜區(qū)鉆井的理論封存模型壓力系數(shù),將計算得到的理論值與實測壓力系數(shù)Pc-實測比較,求取偏低系數(shù)ΔPc:

(4)

2.2 偏低系數(shù)預(yù)測模型的構(gòu)建

以上分析結(jié)果表明:焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段地層壓力系數(shù)降低主要與斷層及其伴生的大尺度高角度裂縫相關(guān),高角度裂縫發(fā)育主要受構(gòu)造作用影響。在常規(guī)儲層預(yù)測和油藏識別中,地震體曲率屬性往往用來表征微斷裂和大尺度裂縫發(fā)育特征,一般來講,地層因受力變形越嚴重,其破裂程度可能越大,曲率也應(yīng)越大,裂縫也越發(fā)育[25]。YENUGU等[26]將高密度的裂縫帶測得的成像測井與疊后地震數(shù)據(jù)估算的曲率屬性進行相關(guān)分析,兩者具有很好的相關(guān)性,因此曲率屬性有助于識別裂縫。對比分析焦石壩地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)壓力系數(shù)較低的鉆井,發(fā)現(xiàn)曲率屬性表征的裂縫相對較發(fā)育,壓力系數(shù)相對低,為該區(qū)利用曲率屬性定量表征裂縫發(fā)育相對密度以及進一步實現(xiàn)偏低系數(shù)的橫向預(yù)測奠定了基礎(chǔ)(圖5)。地震體曲率屬性為幾何屬性,曲率大的地方,裂縫密度相對較大,其表征的是一個相對概念,常被用于定性描述。為了實現(xiàn)定量描述,開展體曲率屬性的歸一化處理來表征裂縫發(fā)育密度,定義地震體曲率歸一化后裂縫密度0為裂縫不發(fā)育,裂縫密度1為裂縫最發(fā)育,將表征焦石壩地區(qū)裂縫發(fā)育程度的地震體曲率屬性進行歸一化處理得到裂縫密度體,進一步統(tǒng)計裂縫密度與壓力偏低系數(shù)的相互關(guān)系發(fā)現(xiàn),裂縫密度越大,壓力偏低系數(shù)越大(圖6),基于此,建立偏低系數(shù)預(yù)測模型:

圖5 焦石壩區(qū)塊過JY103-2井-JY5井-JY4井地震疊合曲率剖面

ΔPc=F(Kf)=0.0706lnKf+0.3123

(5)

式中:Kf為裂縫密度;ΔPc為偏低系數(shù);F表示函數(shù)關(guān)系。

圖6 焦石壩構(gòu)造復(fù)雜區(qū)鉆井壓力偏低系數(shù)與裂縫密度相關(guān)分析結(jié)果

2.3 基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)及實現(xiàn)流程

綜合公式(2)至公式(5),建立復(fù)雜構(gòu)造區(qū)通用的壓力系數(shù)預(yù)測模型為:

(6)

基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)實現(xiàn)及流程如下。

1) 建立封存型壓力系數(shù)預(yù)測模型及計算壓力偏低系數(shù)。選取構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的鉆井,對實測壓力系數(shù)與目的層層速度進行交會分析,建立封存型壓力系數(shù)預(yù)測模型,依據(jù)此模型對構(gòu)造復(fù)雜區(qū)壓力系數(shù)偏低的鉆井計算理論封存型壓力系數(shù),將此理論壓力系數(shù)與實測壓力系數(shù)相比,求得構(gòu)造復(fù)雜區(qū)鉆井的壓力偏低系數(shù)。

2) 反演高精度速度。層速度是壓力系數(shù)預(yù)測的基礎(chǔ),層速度預(yù)測精度直接影響壓力系數(shù)預(yù)測的精度。根據(jù)研究區(qū)資料情況,選取合適的疊前或疊后速度反演方法獲得高精度速度數(shù)據(jù)體[14,16-19]。

3) 提取體曲率屬性。對地震數(shù)據(jù)體開展針對性的斷裂增強濾波、擴散濾波等特殊處理,利用基于新一代優(yōu)化掃描的曲率技術(shù),計算體曲率屬性,獲得曲率數(shù)據(jù)體[25],應(yīng)用最大正曲率屬性定量表征裂縫密度,并進行歸一化得到裂縫密度體。

4) 建立基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測模型。將步驟1)中得到的壓力偏低系數(shù)與步驟3)中得到的歸一化裂縫密度進行交會分析,建立偏低系數(shù)預(yù)測模型,結(jié)合此模型與步驟1)中的封存型壓力系數(shù)預(yù)測模型,應(yīng)用于公式(6),建立基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測模型。

5) 復(fù)雜構(gòu)造區(qū)壓力系數(shù)預(yù)測。將步驟2)反演獲得的速度數(shù)據(jù)應(yīng)用于步驟4)建立的基于裂縫修正的逸散型壓力系數(shù)預(yù)測模型,便可實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)壓力系數(shù)預(yù)測。

3 頁巖氣層壓力系數(shù)預(yù)測及效果分析

基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)流程,結(jié)合焦石壩地區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)以及斷裂復(fù)雜區(qū)大量鉆井的實際資料(圖4,圖6),建立適用于焦石壩地區(qū)的壓力系數(shù)預(yù)測模型為:

Pc=7.9019-0.0016vi-0.0706lnKf-0.3123

(7)

依據(jù)公式(7),首先采用疊前同時反演獲得目的層五峰組—龍馬溪組較為準確且精度較高的層速度;再對三維疊前時間偏移數(shù)據(jù)體進行斷裂增強濾波優(yōu)化處理,應(yīng)用模擬退火全局尋優(yōu)的方法計算最大正曲率,并進行歸一化處理得到裂縫密度(圖7),焦石壩箱狀背斜主體形變較弱,裂縫基本上不發(fā)育,但烏江斷鼻、太和背斜以及東南斜坡等外圍復(fù)雜構(gòu)造區(qū)斷裂發(fā)育,JY5井、JY103-2井等多口鉆井資料表明,該區(qū)保存條件較差,壓力系數(shù)較低,含氣量較低,測試效果不理想。

圖7 焦石壩三維工區(qū)五峰組—龍馬溪組一段預(yù)測的裂縫密度平面分布

圖8和圖9分別為應(yīng)用封存型和基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測模型得到的焦石壩三維工區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣層壓力系數(shù)預(yù)測平面圖。表2為未參與建模的探井和焦石壩箱狀背斜外圍開發(fā)井的壓力系數(shù)預(yù)測對比結(jié)果。在構(gòu)造相對穩(wěn)定、裂縫欠發(fā)育、保存條件較好的背斜主體區(qū),兩種預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果一致,而在外圍斷層及大尺度裂縫發(fā)育、保存條件被后期構(gòu)造活動破壞的區(qū)域,基于裂縫修正的預(yù)測結(jié)果與實測壓力系數(shù)吻合更好,預(yù)測精度明顯高于封存型模型,進一步說明該模型的適用性和通用性。

圖8 焦石壩三維工區(qū)封存模型預(yù)測的壓力系數(shù)平面分布

圖9 焦石壩三維工區(qū)基于裂縫修正預(yù)測的壓力系數(shù)平面分布

井名實測壓力系數(shù)基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測封存模型壓力系數(shù)預(yù)測預(yù)測結(jié)果絕對誤差預(yù)測結(jié)果絕對誤差構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)JY11.451.37-0.081.37-0.08JY31.351.25-0.101.25-0.10JY41.461.42-0.041.42-0.04JY87-31.671.61-0.061.61-0.06構(gòu)造復(fù)雜區(qū)JY50.991.000.011.430.44JY103-21.001.100.101.340.34JY81-21.211.20-0.011.440.23

4 結(jié)論與認識

1) 基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)綜合考慮了構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的頁巖氣超壓保持和構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的斷層及其伴生的大尺度高角度裂縫對頁巖氣的逸散作用,適用性更強,為復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣層壓力系數(shù)高精度預(yù)測提供了一種新方法。

2) 構(gòu)造作用形成的斷裂及其伴生的裂縫是涪陵焦石壩頁巖氣藏保存及散失的主控因素,應(yīng)用基于裂縫修正的壓力系數(shù)預(yù)測技術(shù)成功預(yù)測了焦石壩三維工區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣層的壓力系數(shù),預(yù)測精度較高。

壓力系數(shù)預(yù)測模型的建立需要多口井的實測壓力系數(shù),該方法在少井區(qū)的應(yīng)用效果有待進一步驗證。

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(編輯:顧石慶)

《石油物探》 2018年征訂啟事

《石油物探》創(chuàng)刊于1962年，面向國內(nèi)外公開發(fā)行(國際標準連續(xù)出版物號：ISSN1000-1441,中國標準連續(xù)出版物號CN32-1284/TE)。其辦刊宗旨為：介紹科研成果，推廣先進技術(shù)，開展學(xué)術(shù)討論，交流工作經(jīng)驗，直接為發(fā)展我國油氣地球物理勘探事業(yè)服務(wù)?？堑膬?nèi)容包括油氣地球物理勘探的基礎(chǔ)理論，方法技術(shù)，經(jīng)驗交流，學(xué)術(shù)論壇，問題討論等。《石油物探》站在物探技術(shù)的前沿，全方位地了解和掌握物探技術(shù)發(fā)展的動態(tài)和方向，以石油勘探的需要為本，以解決生產(chǎn)實際中的問題為重，及時地推廣和介紹物探新方法、新技術(shù)，以及成功的經(jīng)驗，是廣大石油物探科技工作者不可或缺的參考書。

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Pressure prediction of Jiaoshiba shale gas reservoir in the Fuling Shale Gasfield

LI Jinlei

(SinopecExplorationCompany,Chengdu610041,China)

Pressure coefficient is a comprehensive index for assessing preservation conditions of shale gas.Taking the Fuling Shale Gasfield as example,we proposed a complex structure adaptive method for predicting pressure coefficient based on fracture modification,and its implementing process,as a positive correlation between the lower pressure coefficient and the density of high-angle fractures is discovered.First,according to drilling results,two types of predicting models for pressure coefficient,a sealed type and a dissipation type,are established.Then,a predicting model for lower pressure coefficient is built up by quantitatively characterizing the fracture density using normalized curvature attribute.Finally,overall considering the formation velocity and the fracture density,the prediction for pressure coefficient in complex structure areas is realized.The application result of the Wufeng-Longmaxi shale gas reservoirs,in the Jiaoshiba block verified that this technique has strong adaptability and high prediction accuracy.

Fuling Shale Gasfield,complex structure area,lower pressure coefficient,fracture modification,pressure prediction

2017-01-13;改回日期:2017-03-24。

李金磊(1982—),男,博士,高級工程師,主要從事地震資料綜合解釋、油氣勘探研究工作。

國家科技重大專項(2017ZX05036)和中國石油化工股份有限公司科技部基礎(chǔ)研究項目(P15074)聯(lián)合資助。

P631

A

1000-1441(2017)04-0567-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.04.013

This research is financially supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2017ZX05036) and the Basic Research Project of Sinopec(Grant No.P15074).