唐建信

(中國石化 華東油氣分公司,江蘇 南京 210019)

品質因子Q是最重要的地震屬性參數(shù),有關品質因子Q的研究早在50年前就被廣泛地應用于校正地震波衰減、時移與畸變、提高地震資料的質量[1-4],以及常規(guī)油氣領域的地層巖性、孔隙流體和壓力預測[2-6],甚至用于研究地殼深部結構[5-6]。多數(shù)學者認為地震波衰減的主要原因是微裂縫與巖石顆粒表面上的摩擦、液體流動、黏性張弛以及擴散[1,7]。品質因子Q值的實驗測量和地理物理估算等方法雖然有多種,但是任何一種方法僅適用于一定的地質條件[4,8-9]。

品質因子Q用于常規(guī)油氣微裂縫與應力場描述是近10年來的重要進展[2],尹志恒等利用地震物理模擬方法開展了常規(guī)油氣儲層的品質因子Q值各向異性研究,并主張Q最大值方向平行于裂縫方向而Q最小值垂直裂縫層[10]；這為在非常規(guī)領域頁巖油氣勘探開發(fā)提供了一個有益的借鑒。

從地質角度看,四川盆地及周緣地區(qū)頁巖儲層中的不同尺度裂縫對含氣量與頁巖氣產能是否有利存在兩類主流觀點：一類觀點認為裂縫不利于頁巖氣保存與富集,郭旭升等認為焦石壩五峰組-龍馬溪組下部頁巖的開啟性巖心尺度高角度縫易于形成頁巖氣逸散通道,并造成頁巖氣藏豐度降低[11]；類似地,孫健等提出涪陵頁巖氣田的高的構造變形強度造成平面上含氣性變差[12]；鄰區(qū)武隆向斜在生烴高峰之后由于構造大規(guī)模抬升導致部分烴類散失和地層壓力降低至常壓[13]。另一類觀點主張裂縫有利于頁巖氣保存與富集,佘曉宇等認為焦石壩在燕山期經歷了基底疊瓦沖斷-蓋層滑脫-左行壓扭3個變形幕,所形成的構造縫是涪陵大型頁巖氣田的重要因素[14]；同樣地,徐政語等提出昭通地區(qū)羅場向斜頁巖變形相對較弱、微裂縫欠發(fā)育的Ⅰ3與Ⅰ4小層有利于高產的類似觀點[15]；更值得一提的是,根據(jù)泥頁巖脆-延轉化帶新方法,袁玉松等認為頁巖氣高產穩(wěn)產探井多位于在脆-延轉化帶內,不僅頁巖氣保存較好,而且泥頁巖又具有較好的可壓性[16]。除了地質研究之外,采用品質因子Q方法識別頁巖氣儲層中的微裂縫與斷裂破碎帶的文獻報道極其罕見,引用這一方法有助于解決兩類主流觀點的分歧。

南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組下部頁巖的斷裂破碎帶較為發(fā)育,對單井頁巖氣產能與開發(fā)井部署具有重要的影響；如何快速識別這些斷裂破碎帶與微裂縫發(fā)育區(qū)是一個亟待解決的難題。本文旨在通過南川地區(qū)地震品質因子Q平面上分布研究,識別出斷裂破碎帶與微裂縫發(fā)育區(qū),評價頁巖氣保存條件,為頁巖氣開發(fā)提供依據(jù)。

1 構造地質特征

南川研究區(qū)北鄰焦石壩,南接丁山,其構造處于四川盆地川東高陡弧形褶皺帶二級構造單元的東部,呈北東走向,是四川盆地五峰組-龍馬溪組重要頁巖氣產氣區(qū)[17-19](圖1)。在燕山期,川東高陡褶皺帶受太平洋板塊向北西的強烈擠壓,形成一系列高陡背斜以及寬緩的向斜；喜馬拉雅期,印度板塊向歐亞板塊俯沖,構造應力主要為西北向的擠壓應力,形成了目前以正向構造為主的構造格局。該地區(qū)的焦頁197-4HF井壓裂試氣產量超過20×104m3/d,顯示出南川地區(qū)頁巖氣藏具有很好的開發(fā)前景[20-21]。

南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組下段頁巖的發(fā)育特征與焦石壩、丁山地區(qū)十分相似,縱向上分為3個三級層序,自下而上分別為SQ1，SQ2和SQ3[22-24]。其中,五峰組SQ1與龍馬溪組下部SQ2的TST為優(yōu)質頁巖段(有機碳含量TOC≥2%)。在南川地區(qū),該優(yōu)質頁巖段的厚度約為30.0～35.3 m,分布穩(wěn)定,是該地區(qū)頁巖氣藏開發(fā)最重要的層位。對比南川以及周邊地區(qū)的鉆井、測井資料發(fā)現(xiàn)該地區(qū)五峰-龍馬溪組的優(yōu)質頁巖段的實測TOC最高可達7.06%,均值為3.71%；含氣量與TOC之間具有很好的線性相關關系； 實測含氣量均在3.0 m3/t以上?？傮w上看,該區(qū)優(yōu)質頁巖段的厚度、TOC及含氣量的變化均不大[17,25-26],但是,構造與保存條件差異較大,影響了頁巖氣井產能,對頁巖氣藏開發(fā)選區(qū)比較重要。

圖1 四川盆地構造背景與南川地區(qū)位置Fig.1 Tectonic setting of Sichuan Basin and the location of Nanchuan area

雖然南川緊鄰焦石壩與丁山地區(qū),但在構造形態(tài)與頁巖氣保存條件上,南川地區(qū)與焦石壩和丁山地區(qū)差異非常大[27-28]。在焦石壩地區(qū),焦頁1井與焦頁2井所在的構造為一個寬緩的正向構造單元,整個構造呈箱狀且保存完好,沒有被斷裂切割。丁山則為一鼻狀斷背斜,構造簡單,其中斷裂系統(tǒng)不發(fā)育,斷層延伸范圍與斷距均較小。南川地區(qū)則不同,該地區(qū)被多條北東走向的斷裂系統(tǒng)形成的斷裂破碎帶所控制,將南川地區(qū)分割成多個北西方向呈階梯狀深埋的斷塊(圖2)。

南川地區(qū)斷裂破碎帶普遍發(fā)育,在地震剖面上,斷裂破碎帶呈北東走向,傾角較大甚至局部區(qū)域接近直立；然而,目前的構造解釋難以詳細刻畫出斷裂破碎帶的內幕特征與分布邊界。為此,需要采用一種地震品質因子Q的新方法,以快速、直觀評價頁巖氣藏,并確定斷裂破碎帶的分布[29]。

地震品質因子Q是衡量地震波衰減的重要參數(shù),是對巖石非完全彈性特征的表征,非完全彈性特征是巖石內部的本質特征。品質因子Q與巖石的結構相關,其定義如下：

(1)

式中：Q為品質因子,無量綱；E為能量,J；ΔE為能量損失,J。

根據(jù)公式(1),品質因子Q的物理意義是當?shù)卣鸩▊鞑ヒ粋€波長后,原來的能量與在此過程中所消耗的能量的比值的2π倍。

2 地震品質因子Q值分析

2.1 地震品質因子Q值計算方法

地震品質因子Q值的計算方法有多種,不同的地質條件,應采用針對性的具體方法。

在南川地區(qū),與上覆和下伏地層相比,該區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖在地震剖面上表現(xiàn)為強震幅特征。針對這些地質條件和地震響應,可基于時域振幅衰減法所估算的品質因子Q值來刻畫頁巖地層的內部變化特征[10,30-31]。根據(jù)兩個不同時間位置的振幅的比來求取品質因子Q值：

(2)

式中：Q為品質因子,無量綱；ω為主頻,Hz；Δx為介質的旅程,ms；c為速度,m/ms；a(ct1)為時間t1處振幅,m；a(ct2)為時間t2處振幅,m。

2.2 地震品質因子Q值特征

2.2.1 地震品質因子Q值分布

計算表明,南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖品質因子Q值分布在區(qū)間(-10 984.5,26 962.2)值域范圍,但是,品質因子Q值集中分布在(-2,+2)的區(qū)間內(圖3)；其他的品質因子Q值零散地分布在區(qū)間(-2,+2)之外,其中,小于-2的Q值占總數(shù)的0.65%,大于+2的Q值占總數(shù)的1.38%。

圖2 過南川地區(qū)的SE向地震剖面Fig.2 The SE-trending seismic profile across Nanchuan area

圖3 南川地區(qū)頁巖地震品質因子Q值分布直方圖Fig.3 The histogram of seismic quality factor Q values for the shale rocks in Nanchuan area

品質因子的穩(wěn)定性是地震波傳播能量損失變化的體現(xiàn),品質因子Q值變化越大說明地層越不穩(wěn)定,借此可以分析頁巖層是否位于斷裂破碎帶內[32]。斷裂破碎帶內的頁巖保存條件差,其中的頁巖氣藏或者已經被破壞且頁巖氣散失；或者由于巖石內部較為破碎并被地層水充填而使后續(xù)的工程壓裂無法達到預期效果,兩者均導致單井產能降低。如果頁巖層位于斷裂破碎帶內則可能導致頁巖氣難以有效開發(fā),品質因子Q值變化有助于確定這類斷裂破碎帶。

2.2.2 基于地震品質因子Q分布識別斷裂破碎帶

1) 直接使用地震品質因子Q值

如果將頁巖品質因子Q在(-2,+2)值域范圍的均值直接用來分析該區(qū)的斷裂破碎帶,可以發(fā)現(xiàn)其Q均值在平面上的分布比較雜亂且邊界不清(圖4),難以達到有效識別破碎帶的要求。從圖4可以看出,Q均值僅微弱地呈現(xiàn)出北東向分布條帶,代表了不穩(wěn)定變化,反映了斷裂破碎帶的特征。盡管可以觀察到北東走向的斷裂破碎帶的分布趨勢,但是,圖4中所展示的該斷裂破碎帶的邊界十分模糊,這種識別精度對頁巖氣藏評價是不夠的。

圖4 南川地區(qū)頁巖層地震品質因子Q均值分布(局部)Fig.4 Distribution of mean value of seismic quality factor Q for the shale layers in Nanchuan area(local)

2) 間接使用地震品質因子Q值

在南川地區(qū),穩(wěn)定的、沒有被斷裂破碎帶波及的區(qū)域,其品質因子Q值均集中位于0值附近,說明品質因子Q值越離散(不穩(wěn)定)則地層被破壞得越嚴重?；谶@一特征,將頁巖層的品質因子Q值穩(wěn)定部分的比例提取出來,作為一個代表頁巖層穩(wěn)定性的參數(shù)來研究[33-34],并引入“品質因子Q比例”這一術語。這樣,一是可以更清楚地分辨出斷裂破碎帶；二是穩(wěn)定的品質因子Q比例是一個連續(xù)的反映地層屬性的量,與Q值或Q均值不同,它的值域范圍位于(0,+1)區(qū)間內,不存在負數(shù),對于定量化識別斷裂破碎帶及評價頁巖氣藏更有效。

針對南川地區(qū)頁巖氣的實際情況,本文提出了一種新的工作流程與相應的迭代算法來獲取穩(wěn)定的品質因子Q比例及其界限,具體步驟與方法如下。

① 首先選擇(-2,+2)作為初始值域范圍,并記該范圍的穩(wěn)定半徑為R,此時R=2。

② 將值域范圍縮小一半,即取(-R/2,+R/2)范圍內的Q值作為穩(wěn)定值,此時穩(wěn)定半徑R1=R/2,記半徑增量為S=R-R1,將原來的R的值替換為R1的值,然后計算穩(wěn)定品質因子Q比例：

(3)

式中：P為穩(wěn)定品質因子Q比例,小數(shù)；Count(Q(-R,+R))為值域分布為(-R,+R)的品質因子Q值的總數(shù),個；Count(Qtotal)為所有的品質因子Q值的總數(shù),個。

③ 將計算結果與地震剖面進行比對,如果非穩(wěn)定品質因子Q比例的分布區(qū)超過了在地震剖面上明確的斷裂破碎帶分布,那么說明穩(wěn)定品質因子Q比例的分布范圍選取過小；將穩(wěn)定半徑R加上半徑增量的一半即S/2,作為新的穩(wěn)定半徑；將S減少到原來的一半即S=S/2,重復第②步；直到非穩(wěn)定區(qū)域的品質因子Q比例的分布區(qū)與地震剖面上明確的斷裂破碎帶分布相一致。如果非穩(wěn)定區(qū)域的品質因子Q比例的分布區(qū)小于地震剖面上明確的斷裂破碎帶分布,那么說明穩(wěn)定品質因子Q比例的分布范圍選取過大；將穩(wěn)定半徑R減去半徑增量的一半即S/2,作為新的穩(wěn)定半徑；將S減少到原來的一半即S=S/2,重復第②步；直到非穩(wěn)定區(qū)域的品質因子Q比例的分布區(qū)與地震剖面上明確的斷裂破碎帶分布相一致。

④ 輸出結果。經過迭代計算后,最終的計算結果見圖5,從此圖可以看出,品質因子Q比例的分布顯示出邊界清晰的條帶或斑塊狀,能簡單、直觀識別出斷裂破碎帶。圖6為穩(wěn)定品質因子Q比例的分布,其中,圖6b的地震剖面位置位于圖6a中的黑線；圖6a中所顯示出的斷裂破碎帶與圖6b地震剖面上的斷裂破碎帶可一一對應,但邊界更清晰可靠、內幕細節(jié)更豐富,斷裂破碎帶內又反映出更次一級的破碎帶；可以發(fā)現(xiàn),地震剖面上的每一條斷裂破碎帶在品質因子Q屬性或品質因子Q比例的分布上均明確地體現(xiàn)出來了。這對于開發(fā)井部署是至關重要的,因為開發(fā)井優(yōu)先要避開低序次斷層或斷裂破碎帶。

3 頁巖氣藏評價

根據(jù)品質因子Q比例的分布識別出南川地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖的3類區(qū)：斷裂破碎帶頁巖區(qū)、穩(wěn)定分布的頁巖區(qū)和內部微裂隙發(fā)育的穩(wěn)定頁巖區(qū)。其中,斷裂破碎帶頁巖區(qū)屬于不利的頁巖氣開發(fā)前景區(qū),其他兩種類型頁巖區(qū)為有利的頁巖氣開發(fā)前景區(qū)；尤其是,內部微裂隙發(fā)育的穩(wěn)定頁巖區(qū)為最佳的頁巖氣開發(fā)前景區(qū)。

3.1 斷裂破碎帶頁巖區(qū)

如圖7所示,使用品質因子Q比例的分布可容易地識別斷裂破碎帶。斷裂破碎帶內部,品質因子Q比例總體上是偏小的,其頁巖地層表現(xiàn)出強烈的不穩(wěn)定性；總體上看,該頁巖區(qū)的品質因子Q比例小于0.2,局部超過0.5,分布雜亂。頁巖呈北東向展布的條帶,被斷裂所撕裂、破碎,保存條件較差。

圖5 南川地區(qū)頁巖地震品質因子Q比例的分布Fig.5 Distribution of seismic quality factor Q for shales in Nanchuan area

圖6 南川地區(qū)頁巖地震品質因子Q比例的分布(a)與地震剖面的斷裂破碎帶(b)Fig.6 Correlation of distribution of seismic quality factor Q with faulted fracture zones on the seismic profile for shales in Nanchuan area

圖7 南川地區(qū)斷裂破碎帶頁巖地震品質因子Q比例的分布Fig.7 Distribution of seismic quality factor Q for shales within the faulted fracture zones in Nanchuan area

3.2 穩(wěn)定分布的頁巖區(qū)

在斷裂破碎帶以外,頁巖的品質因子Q比例是較高的,并表現(xiàn)出穩(wěn)定的分布狀態(tài)(圖8)。穩(wěn)定分布的頁巖品質因子Q比例超過0.7,變化穩(wěn)定,沒有突變現(xiàn)象。說明頁巖在這樣的區(qū)域具有分布穩(wěn)定,保存條件好的特點。

3.3 內部微裂隙發(fā)育的穩(wěn)定頁巖區(qū)

巖石內部或巖心尺度的裂縫以及裂縫中的流體對品質因子具有較大的影響。在頁巖中微裂縫發(fā)育的區(qū)域,品質因子Q比例的分布具有相應的反映,具有明顯的趨勢性與規(guī)律性,不存在突變的情形。圖9為研究區(qū)內保存條件相對較好、內部微裂隙發(fā)育的頁巖區(qū)。沿該頁巖區(qū)方向,品質因子Q比例的分布從該頁巖區(qū)的邊部0.7向中部有規(guī)律地減小至0.1,這與圖7中的斷裂破碎帶頁巖區(qū)的突變式品質因子Q比例的變化特征具有顯著的差異。在圖9中,該頁巖區(qū)中部的微裂縫最為發(fā)育的帶與正向構造的高部位相一致,其品質因子Q比例也是相對較低的0.1,這與地層曲率較大且微裂縫較發(fā)育是相吻合的。

總之,結合保存條件、單井試氣結果看,斷裂破碎帶頁巖區(qū)具有較差的保存條件,降低了單井頁巖氣產能；穩(wěn)定分布的頁巖區(qū)具有較好的保存條件；內部微裂隙發(fā)育的穩(wěn)定頁巖區(qū)不僅保存條件較好,而且微裂隙發(fā)育有利于頁巖氣連通和滲流,提高了單井頁巖氣產能。南川地區(qū)頁巖氣開發(fā)證明,各高產氣井均位于穩(wěn)定分布的頁巖區(qū)或內部微裂隙發(fā)育的穩(wěn)定頁巖區(qū)。

4 分析與討論

品質因子Q值與地震波衰減直接相關,它反映了巖石的非彈性、非均勻性、裂隙與流體、巖石速度各向異性的重要指標[10,30]。必須根據(jù)研究區(qū)實際地質條件選擇合適的品質因子Q計算方法。

在有效應力較低的情況下,品質因子Q值可以很好地描述巖石的微裂隙[10],這是本文使用該屬性識別微裂隙較發(fā)育的頁巖的原因。雖然頁巖經受住構造應力的作用而沒有破碎,但在地層變形(正向或負向)后,其內部會發(fā)育小規(guī)模的裂隙(一般在正向構造的頂部或負向構造的底部,巖石曲率最大,也最易于形成裂隙),這些微裂隙對頁巖氣藏開發(fā)具有重要意義。

在迭代計算時,何時結束迭代是個不易確定的參數(shù)。筆者選擇交互式方法來人為干預完成迭代,也可以通過計算斷裂破碎帶與穩(wěn)定分布的頁巖區(qū)的品質因子Q的方差來決定何時停止迭代。在方差異常大時,可以認為此時地層具有斷裂破碎帶的特征。但這種做法仍然需要輸入一個門限值來限定斷裂破碎帶與穩(wěn)定分布的頁巖區(qū)的方差差異,另外該方法會產生計算方差的額外計算量與時間。

圖8 南川地區(qū)穩(wěn)定分布的頁巖地震品質因子Q比例的分布Fig.8 Distribution of seismic quality factor Q values of the stably-distributed shales in Nanchuan area

圖9 南川地區(qū)內部微裂縫發(fā)育的穩(wěn)定頁巖地震品質因子Q比例的分布Fig.9 Distribution of seismic quality factor Q for the micro-fracture stable shales in Nanchuan area

需要注意的是,根據(jù)實際地質條件的不同,品質因子Q具有不同的應用條件和適用性。在南川地區(qū),使用品質因子屬性是在對比多種地震屬性(諸如振幅均方根等)的基礎上優(yōu)選出來的參數(shù)。筆者提取的品質因子Q值是沿層提取的均值,地震解釋精度會影響品質因子Q值的提取,在進行地質分析時,需要考慮由于解釋精度對計算結果造成的影響。

5 結論

1) 五峰組-龍馬溪組頁巖劃分為3類區(qū)：斷裂破碎帶頁巖區(qū)的品質因子Q比例總體上偏小,表現(xiàn)出強烈的不穩(wěn)定性；穩(wěn)定分布的頁巖區(qū)的品質因子Q比例是較高的,表現(xiàn)出穩(wěn)定的分布狀態(tài)；微裂縫發(fā)育的頁巖區(qū)的品質因子Q值具有漸變的趨勢性,不存在突變的情形。

2) 地震品質因子Q可評價南川頁巖氣藏的保存條件,并證明該方法是合理的。研究表明,斷裂破碎帶與保存條件是南川地區(qū)頁巖氣藏富集高產的重要影響因素之一。