商曉飛,王鳴川,李 蒙

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院,北京 102206)

0 引言

四川盆地蘊含豐富的天然氣資源,含氣層位多,既有海相碳酸鹽巖氣藏,也有陸相致密砂巖氣藏[1-4]。新場氣田屬于川西地區(qū)大型氣田,在須家河組探明天然氣儲量千億方。新場地區(qū)儲層具有低孔隙、低滲透、低單井日產(chǎn)量的特點,氣藏開發(fā)技術(shù)難度較大。郭旭升等認為新場地區(qū)須家河組二段(須二段)天然裂縫發(fā)育,增加氣藏儲集空間,改善氣藏滲流特征,裂縫發(fā)育程度和分布直接影響氣藏的產(chǎn)能[5]。因此,準(zhǔn)確預(yù)測裂縫分布,精確刻畫裂縫的空間展布,進行定量化裂縫三維地質(zhì)建模研究,對新場氣田開發(fā)生產(chǎn)優(yōu)化具有實際意義。

巖心裂縫觀察與測井裂縫解釋可以提供鉆井的裂縫信息,由于裂縫分布具有非均質(zhì)性,測井資料無法預(yù)測井間裂縫分布規(guī)律[6-8]。利用三維地震資料進行裂縫預(yù)測,能在三維空間定量計算裂縫發(fā)育密度和方位,一定程度上可以識別和預(yù)測儲層裂縫分布規(guī)律[9-10]。傳統(tǒng)相關(guān)屬性在反映大型斷裂分布時具有連續(xù)性好、邊界清晰、分布規(guī)律與構(gòu)造走向一致等優(yōu)點,但難以反映大型斷裂之間的小尺度裂縫[11-12]。Fault Likelihood(FL)屬性[13-14]可以反映大尺度斷裂(橫向延伸長度幾公里或數(shù)十公里)及小尺度裂縫帶(橫向延伸長度小于100 m)。在地震資料采集、處理及解釋過程中受一些因素(地質(zhì)、方法等)影響,裂縫屬性反映存在一些假象。筆者采用一套基于FL屬性分區(qū)調(diào)整方法,根據(jù)測井裂縫解釋和地質(zhì)認識,優(yōu)化和處理裂縫探測屬性體,提高裂縫預(yù)測準(zhǔn)確度,為裂縫三維地質(zhì)模型建立和開發(fā)方案部署提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

川西坳陷位于揚子地塊西北緣,西鄰龍門山?jīng)_斷帶,向外過渡到松潘—甘孜褶皺帶,北東與昆侖—秦嶺構(gòu)造帶相接,呈北東向延伸,面積超過5×104km2,是一個典型的中新生代盆地[15-16]。新場地區(qū)位于川西坳陷中段、孝泉—豐谷北東東向隆起帶西段,為孝泉—新場復(fù)式背斜局部圈閉。新場構(gòu)造帶是晚三疊世以來形成的大型隆起帶,經(jīng)歷多期構(gòu)造運動疊加,現(xiàn)今構(gòu)造整體表現(xiàn)為近東西向的長垣背斜,南翼陡,北翼緩(見圖1)。新場構(gòu)造帶內(nèi)部的次級構(gòu)造及斷層與龍門山構(gòu)造帶的活動密切相關(guān)[17-21]。新場氣田的儲量探明區(qū)主要分布于新場地區(qū)(包含部分孝泉和合興場區(qū)域)。目前,在新場探區(qū)須家河組致密砂巖氣藏實施勘探評價井百余口,獲得工業(yè)氣井近50口,預(yù)示良好的勘探潛力。

新場地區(qū)主要發(fā)育NS、WE和NE向斷裂,為逆斷層,斷距較小,斷層傾角較大,集中分布于新場地區(qū)中部,斷層活動從深至淺逐步減弱。裂縫主要表現(xiàn)近NS和近WE向簇系。斷裂分級分期評價表明主斷裂(F1—F5)不僅控制天然氣運移和輸導(dǎo),還控制裂縫發(fā)育,微斷裂決定裂縫帶發(fā)育。氣水總產(chǎn)量高及產(chǎn)水量占比大的井多分布于距離主斷裂較近、裂縫密度較高的區(qū)域,氣水總產(chǎn)量低及產(chǎn)水量占比小的井多位于裂縫密度較低的區(qū)域[22-23],說明裂縫控產(chǎn)效果較為顯著。

2 裂縫發(fā)育特征

分析新場地區(qū)12口井、304 m須二段巖心裂縫發(fā)育情況,研究區(qū)發(fā)育5種裂縫類型,即平縫(傾角小于10°)、低角度縫(傾角為10°～30°)、斜縫(傾角為30°～60°)、高角度縫(傾角為60°～80°)與立縫(傾角大于80°),其中,平縫與低角度縫基本沿層理發(fā)育,成因與沉積相關(guān),多被泥質(zhì)充填；斜縫、高角度縫及立縫與層理斜交或垂直,是典型的構(gòu)造成因縫。低角度縫和斜縫可見泥質(zhì)充填,高角度縫與立縫未見充填(見圖2)。研究區(qū)Tx22砂組裂縫類型較多,以平縫、低角度縫和斜縫為主,其次為高角度縫和立縫；Tx24和Tx25砂組以平縫和低角度縫為主,斜縫、高角度縫和立縫相對不發(fā)育；Tx26和Tx27砂組以平縫、低角度縫和斜縫為主,高角度縫和立縫基本不發(fā)育(見圖3)。對比重點儲層(Tx22和Tx24砂組)的不同類型裂縫走向、不同砂組高角度縫分布、不同類型裂縫發(fā)育程度等參數(shù),研究區(qū)高角度縫以近WE向為主,當(dāng)角度變低時,裂縫的走向分布分散不明顯。

根據(jù)研究區(qū)15口成像測井裂縫解釋結(jié)果,識別約1 300條裂縫,裂縫以中低角度為主(731條),同時發(fā)育高角度縫及少量的立縫(173條)。新場地區(qū)須二段同一砂組不同鉆井的裂縫發(fā)育程度不同,Tx22和Tx24砂組為主要產(chǎn)氣層,裂縫相對發(fā)育,裂縫發(fā)育總厚度分別為204.9、170.0 m,裂縫條數(shù)分別為401和369條。統(tǒng)計研究區(qū)須家河組的平均裂縫密度,裂縫分布具有較強的非均質(zhì)性(見表1),在Tx22砂組中,X601井裂縫最為發(fā)育,平均裂縫密度大于2.00條/m,X201、X5井裂縫相對不發(fā)育；在Tx24砂組中,X202井裂縫最為發(fā)育,平均裂縫密度為0.83條/m,X501、X201井的平均裂縫密度分別為0.66、0.48條/m,X3、X203井裂縫相對不發(fā)育。同一口鉆井不同砂組裂縫發(fā)育程度不同,如XC8井,Tx22砂組平均裂縫密度為0.46條/m,Tx24砂組的為0.23條/m。不同砂組中不同類型裂縫密度也具有較大差異,總體上高角度縫的發(fā)育密度小于低角度縫的。通過氣井無阻流量、日產(chǎn)量、累積產(chǎn)量等產(chǎn)能數(shù)據(jù)與裂縫密度、裂縫傾角交會表明,斜縫、高角度縫和立縫組成的構(gòu)造縫越發(fā)育,初期產(chǎn)氣能力越好,即無阻流量與裂縫密度呈正相關(guān)關(guān)系,隨裂縫傾角增大,無阻流量快速增大[22,24]。這是因為高角度縫更能溝通氣層,從而提高儲層滲流能力,向試采段供氣能力越強。因此,傾角大于30°的裂縫(有效裂縫)是新場地區(qū)須二段氣藏控藏控產(chǎn)的主要因素。

表1 研究區(qū)測井計算裂縫發(fā)育參數(shù)Table1 Fracture development parameters by logging calculation in the study area

3 FL屬性原理與提取

Fault Likelihood(FL)屬性反映斷裂存在的可能性,其計算基于以斷裂識別為導(dǎo)向的相似性屬性Semblance(S屬性)[25]。對地震數(shù)據(jù)體進行構(gòu)造導(dǎo)向平滑,以及沿斷裂走向、傾向進行濾波,計算S屬性(S為0～1),增強S屬性計算的穩(wěn)定性。地層的橫向強連續(xù)性將導(dǎo)致S屬性在大多數(shù)空間位置接近1,在預(yù)測小尺度的、沒有明顯斷距的斷裂或裂縫時,難以區(qū)分斷裂、裂縫存在的可能性。

為預(yù)測更小尺度的裂縫,對S屬性進行指數(shù)運算,得到FL屬性。FL屬性提高不同樣點間的對比度,提升傳統(tǒng)相似性屬性的檢測能力,對較大的斷裂有響應(yīng),能刻畫小尺度的裂縫。當(dāng)斷裂發(fā)育時,地震反射連續(xù)性降低,S屬性急劇減小,FL屬性顯著增強；反之,FL屬性減弱。實際應(yīng)用表明,S的冪指數(shù)為8時,FL屬性效果較理想,其表達空間某一位置相對其他位置發(fā)育斷裂、裂縫的可能性。

對研究區(qū)進行FL屬性提取,可以較好反映斷裂發(fā)育趨勢。在剖面不同尺度的斷裂和裂縫表現(xiàn)信號異常,其中主斷裂表現(xiàn)為強異常,數(shù)值反映不同尺度的斷裂和裂縫發(fā)育概率,從而反映斷裂、裂縫發(fā)育程度的空間變化趨勢(見圖4)。

計算FL屬性時,關(guān)鍵參數(shù)是計算步長的選取。根據(jù)測井巖性解釋,單砂體厚度不超過50 m,即地震信號傳輸?shù)碾p程旅行時約為25 ms(砂巖平均速度約為4 000 m/s)。為避免將沉積相邊緣錯誤解釋為斷裂,將計算時間步長設(shè)置大于25 ms?；谘芯繀^(qū)偏移處理的疊后三維地震數(shù)據(jù)體計算FL屬性,數(shù)值越大代表斷層存在的可能性越高(見圖4)。

4 FL屬性分區(qū)標(biāo)定

根據(jù)裂縫發(fā)育程度,將研究區(qū)須家河組地層劃分為裂縫發(fā)育區(qū)、裂縫較發(fā)育區(qū)和裂縫欠發(fā)育區(qū)。FL屬性可以較好地刻畫斷裂系統(tǒng),為劃分不同裂縫區(qū)域的空間分布提供可能。隨地震裂縫預(yù)測研究的深入,一方面沉積作用、構(gòu)造作用等因素引起巖性、地層厚度、地層產(chǎn)狀的空間非均質(zhì)性,使地震信號的不連續(xù)性出現(xiàn)變化[26-27]；另一方面含氣性的差異、大斷裂的影響加劇地震反射噪聲的波動,對裂縫屬性結(jié)果造成較大干擾[28-30]。初步提取研究區(qū)目標(biāo)層FL屬性,不同構(gòu)造區(qū)域的裂縫屬性對裂縫的響應(yīng)程度有差異。Tx22砂組不同構(gòu)造區(qū)域FL屬性對裂縫的響應(yīng)程度不同,若統(tǒng)一閾值分析,則弱響應(yīng)區(qū)域的裂縫未顯示,強響應(yīng)區(qū)域的裂縫過度顯示(見圖5)。地震裂縫探測屬性通常對具有一定傾角的裂縫(斜縫、高角度縫和立縫)響應(yīng)程度較好,為更準(zhǔn)確地統(tǒng)計和標(biāo)定FL屬性與測井裂縫解釋結(jié)果,需要明確FL屬性與傾角大于多少的裂縫相關(guān)關(guān)系最好,提出一套分區(qū)FL屬性裂縫預(yù)測技術(shù)(見圖6),提升裂縫預(yù)測準(zhǔn)確性,進行三維裂縫地質(zhì)建模。

4.1 FL屬性預(yù)處理

裂縫成像測井多用于解釋砂巖裂縫,因此,需要考慮去除砂巖和泥巖裂縫發(fā)育情況對FL屬性的影響。自然伽馬反演在一定程度上反映砂泥巖變化,FL屬性交會反映裂縫多發(fā)育于砂巖段(見圖7)。為與鉆井資料更好地對比,提高地震屬性預(yù)測精度,對FL屬性進行預(yù)處理。結(jié)合自然伽馬反演結(jié)果,利用砂泥巖的空間分布范圍,剔除泥巖段裂縫屬性,保留砂巖層FL屬性值。

4.2 FL屬性分區(qū)標(biāo)定

研究區(qū)須二段氣藏氣水總產(chǎn)量較高的井多集中于近東西向的中央背斜高構(gòu)造部位,南、北兩個斜坡帶的氣井含水率通常較高,前期的阻抗反演表明含氣性好的砂體多分布于構(gòu)造高部位[22,31]。另外,儲量動用程度最高的F1主斷裂周圍鉆井揭示裂縫發(fā)育,產(chǎn)水量普遍較高,井區(qū)水淹程度高。根據(jù)新場地區(qū)沉積砂體分布和構(gòu)造形態(tài)特征[32],結(jié)合鉆井資料實際產(chǎn)能,考慮含氣性、巖性變化與斷裂展布情況,劃分5個構(gòu)造單元,分別為北區(qū)斜坡、南區(qū)斜坡、中央背斜西區(qū)、中央背斜中區(qū)和中央背斜東區(qū)(見圖8)。

根據(jù)鉆井資料解釋的裂縫發(fā)育程度(發(fā)育、較發(fā)育和欠發(fā)育),標(biāo)定并調(diào)整每個區(qū)域內(nèi)部FL屬性,定量每個區(qū)域FL屬性對裂縫的響應(yīng)區(qū)間(裂縫發(fā)育FL屬性下限值)。對比鉆井裂縫發(fā)育情況,研究區(qū)Tx22和Tx24砂組5個構(gòu)造單元的FL屬性下限值北區(qū)斜坡分別為0.055和0.090,南區(qū)斜坡分別為0.060和0.100,中央背斜西區(qū)分別為0.025和0.060,中央背斜中區(qū)分別為0.020和0.030,中央背斜東區(qū)分別為0.030和0.040。

4.3 FL屬性整合

不同構(gòu)造單元FL屬性對裂縫探測的閾值有差異。為進行三維地質(zhì)建模和數(shù)值模擬研究,需要整合各構(gòu)造單元調(diào)整的FL屬性。將各構(gòu)造單元閾值進行歸一化,整合調(diào)整后FL屬性對裂縫的響應(yīng),即不同構(gòu)造單元的FL屬性閾值不同,歸一化區(qū)間也不同

采用線性等比例歸一化方法,確定各構(gòu)造單元的歸一化區(qū)間。以Tx22砂組為例,FL屬性對裂縫響應(yīng)閾值最大的①構(gòu)造單元(FL屬性閾值為0.020～0.300),作為最大歸一化區(qū)間,可設(shè)置為0～1,其他構(gòu)造單元根據(jù)裂縫響應(yīng)閾值通過等比計算,確定②～⑤構(gòu)造單元歸一化區(qū)間分別為0.02～1.00、0.04～1.00、0.12～1.00、0.14～1.00(見圖9(a))。將各個構(gòu)造單元FL屬性整合,得到完整的FL屬性平面分布(見圖9(b))。

4.4 效果檢驗

各構(gòu)造單元調(diào)整后的FL屬性與鉆井裂縫情況有更好的對應(yīng)關(guān)系(見圖10),統(tǒng)計Tx22和Tx24砂組的井震吻合率分別為85.2%和88.9%,提高FL屬性對裂縫探測的準(zhǔn)確性(見圖11(a-b))。

通過成像測井計算得到裂縫發(fā)育、裂縫較發(fā)育、裂縫欠發(fā)育井,以及FL屬性調(diào)整前后分布結(jié)果,裂縫發(fā)育井的FL屬性閾值明顯提升(見圖7、圖11(c-d)),裂縫欠發(fā)育井的FL屬性閾值明顯下降,地震屬性區(qū)間能較好地反映不同裂縫發(fā)育程度鉆井的分布。統(tǒng)計測井裂縫解釋傾角大于30°(有效裂縫)的裂縫密度和調(diào)整后的FL屬性交會,Tx22和Tx24砂組的相關(guān)因數(shù)分別為0.78和0.86,說明調(diào)整后FL屬性能預(yù)測裂縫的空間分布(見圖11(e-f))。

5 三維地質(zhì)建模

5.1 裂縫密度模型

根據(jù)不同砂組的FL屬性分區(qū)標(biāo)定處理技術(shù),調(diào)整研究區(qū)每個砂組FL屬性,代表砂組裂縫的空間分布情況。

基于成像測井解釋裂縫參數(shù)的常規(guī)測井裂縫識別和評價,獲取裂縫綜合指示曲線。結(jié)合井點裂縫解釋和評價統(tǒng)計數(shù)據(jù),分析裂縫參數(shù)和裂縫發(fā)育特征,明確在縱向上的主要裂縫發(fā)育段,計算并獲取傾角大于30°的裂縫發(fā)育密度曲線。以井點裂縫密度為條件數(shù)據(jù),各個砂組利用調(diào)整后的FL屬性作為裂縫分布約束,采用序貫高斯模擬方法,建立裂縫密度模型,作為基于地球物理預(yù)測的裂縫發(fā)育概率體(見圖12)。

5.2 裂縫DFN模型

利用Petrel軟件,在裂縫密度模型約束下,根據(jù)裂縫發(fā)育規(guī)律和產(chǎn)狀,輸入不同的參數(shù),采用隨機模擬方法,分砂組對近WE向(裂縫最發(fā)育)和近NS向簇系的小尺度裂縫分別建立裂縫DFN模型(見圖13)。該模型是隨機模擬產(chǎn)生裂縫片,裂縫片的多少和分布受裂縫密度模型的控制。裂縫片的產(chǎn)狀受井點裂縫統(tǒng)計參數(shù)的控制,如利用裂縫玫瑰花圖確定裂縫走向和傾角。

5.3 裂縫屬性模型

裂縫屬性模型反映裂縫孔隙度、滲透率的三維分布,屬于連續(xù)變量模型。建模方法主要有兩種:第一種采用儲層參數(shù)建模方法進行建模[33]。在裂縫密度模型約束下,通過單井裂縫物性參數(shù),運用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法進行插值或隨機模擬,得到裂縫屬性參數(shù)的三維分布模型。第二種以裂縫離散網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ),通過裂縫開度等參數(shù)計算裂縫物性(見圖3、表1)。在裂縫離散網(wǎng)絡(luò)模型中,裂縫以面元形式分布,單個地層網(wǎng)格中裂縫的條數(shù)、方向、長度、面積為已知參數(shù),裂縫開度由井眼統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到[34]。新場地區(qū)致密氣藏單井裂縫解釋難以有效準(zhǔn)確評價裂縫滲透率,對裂縫屬性模擬采用第二種方法計算裂縫貢獻的儲層物性參數(shù),從而建立裂縫屬性模型。

裂縫孔隙度需要利用裂縫開度進行計算,裂縫孔隙度與裂縫平均開度具有較好的相關(guān)關(guān)系,確定裂縫開度信息,根據(jù)裂縫開度計算裂縫孔隙度。巖心觀察的裂縫開度分布范圍廣(在0.01～10.00 mm之間),多數(shù)分布在0.10～2.00 mm之間；成像測井解釋的裂縫開度相比巖心和露頭計算結(jié)果普遍小1～2個數(shù)量級[24]。統(tǒng)計研究區(qū)成像測井解釋裂縫開度,各砂組平縫和低角度縫的開度總體較大,立縫、高角度縫、斜縫的開度相對較小。篩選地球物理計算能夠響應(yīng)的傾角大于30°的裂縫開度數(shù)據(jù),獲取每個砂組裂縫開度的平均值和變異因數(shù),Tx22、Tx24砂組裂縫開度平均分別為0.057、0.053,變異因數(shù)分別為0.043 6、0.041 8。

在裂縫DFN模型基礎(chǔ)上模擬生成裂縫開度分布場,計算裂縫孔隙度三維分布模型(見圖14(a))。裂縫滲透率與裂縫開度、裂縫孔隙度有關(guān),采用Oda計算公式[35]計算裂縫滲透率(見圖14(b))。

在致密砂巖氣藏中,基質(zhì)儲層為天然氣提供儲集空間,裂縫對天然氣滲流起決定性作用,通常采用雙重介質(zhì)模型(基質(zhì)儲層模型和裂縫模型)評價天然氣儲量和產(chǎn)能預(yù)測[22,36]。基于基質(zhì)儲層模型和裂縫模型,分析氣藏參數(shù)空間分布,分析數(shù)值模擬后的飽和度、含氣豐度等參數(shù)變化情況。分析主力產(chǎn)氣層的模型參數(shù)分布,研究區(qū)X851井區(qū)在須二段基質(zhì)孔隙度平均約為5.67%,基質(zhì)滲透率平均約為3.14×10-3μm2,物性高值區(qū)位于X301井附近,主要產(chǎn)氣井X851、X2井附近物性參數(shù)相對較低,Tx22、Tx24砂組裂縫滲透率高,與井區(qū)裂縫發(fā)育、產(chǎn)氣主要來自裂縫溝通甜點的認識一致。

在FL屬性的基礎(chǔ)上,對于致密氣藏裂縫預(yù)測特點與需求,建立一套基于FL屬性分區(qū)標(biāo)定的裂縫預(yù)測技術(shù),通過構(gòu)造單元分區(qū)、裂縫井震標(biāo)定、屬性閾值調(diào)整、歸一化整合等,有效提升FL屬性對裂縫的預(yù)測準(zhǔn)確性。利用該技術(shù)獲取新的屬性數(shù)據(jù)體,用于預(yù)測斷裂空間分布并約束裂縫密度模型的建立,建立的天然裂縫三維地質(zhì)模型能更好地刻畫儲層的裂縫空間分布,保證裂縫發(fā)育程度與測井裂縫解釋結(jié)果相匹配,同時還能更準(zhǔn)確反映井間的裂縫孔隙度、滲透率等屬性參數(shù)的分布。天然裂縫模型能夠保證天然裂縫參數(shù)的空間分布,評價研究區(qū)致密砂巖氣藏甜點質(zhì)量及分布,為后續(xù)優(yōu)化井位、壓裂評價和壓裂縫網(wǎng)模型建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

(1)川西坳陷新場地區(qū)須二段天然裂縫發(fā)育,以平縫、低角度縫和斜縫為主,高角度縫和立縫發(fā)育較少,以近WE向為主。裂縫在縱向和平面分布上具有較強的非均質(zhì)性,Tx22和Tx24主力產(chǎn)氣砂組的裂縫相對更發(fā)育,高角度縫的發(fā)育密度小于低角度縫的。

(2)Fault Likelihood(FL)屬性表征斷裂存在的可能性,能夠更好反映裂縫的分布,受沉積、構(gòu)造、含氣性等地質(zhì)因素的影響,不同構(gòu)造區(qū)域FL屬性對裂縫的響應(yīng)程度和不同裂縫發(fā)育帶的閾值范圍有差異。

(3)提出一套基于FL屬性分區(qū)標(biāo)定的裂縫預(yù)測技術(shù),分不同構(gòu)造單元進行井震對比并調(diào)整FL屬性對不同裂縫發(fā)育帶的響應(yīng)閾值,整合的FL屬性與鉆井揭示的裂縫發(fā)育情況對比吻合率超過85%,有效提升裂縫預(yù)測準(zhǔn)確度。

(4)基于不同砂組調(diào)整的FL屬性,約束構(gòu)建新場地區(qū)須二段氣藏裂縫密度模型,形成基于地球物理預(yù)測的裂縫概率體,控制裂縫DFN模型構(gòu)建,更好地刻畫裂縫空間分布。