富有机质页岩微裂缝地震响应特征<br/>——以长宁示范区宁201井为例

富有机质页岩微裂缝地震响应特征
——以长宁示范区宁201井为例

2020-04-28高博乐潘仁芳金吉能赵圣贤

石油与天然气地质 2020年2期

高博乐，潘仁芳，金吉能，张鉴，赵圣贤，鄢杰

(1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北武汉 430100； 2.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100； 3.中国石油西南油气田分公司，四川成都 610000)

富有机质页岩中发育的微裂缝不仅在天然气储集过程中有助于游离气聚集和吸附气解吸[1]，也是天然气运移和渗流的重要通道。在页岩气开发的储集改造过程中，构造微裂缝会对起裂压力产生影响[2]，形成人造裂缝网格，增大储集体裂缝体积，提高单井产量和最终采收率[3]。四川盆地志留系龙马溪组-奥陶系五峰组页岩气资源丰富，但不同区块单井产量差异较大，主要是因为“甜点区”微裂缝的发育情况对人工造缝效果影响甚大。目前长宁示范区龙马溪组-五峰组页岩微裂缝研究主要集中在微裂缝微裂缝扩展规律[4]、微裂缝应力敏感性[5]和微裂缝发育规律[6]等方面，但对不同微裂缝密度以及微裂缝的走向所引起的地震响应特征变化尚无系统认识。

在小尺度地质体的刻画方面，Rutherford(1989)，Castagna(1994)和Avseth(2001)等知名学者最早开始利用振幅随偏移距变化(AVO)的特性对岩性和孔隙流体类型进行了有效预测[7-10]。但随着页岩气勘探开发的深入，曾经总结的小尺度地质体的AVO特征无法满足微裂缝识别需求，因此利用微裂缝自身的方向性所造成振幅随方位角变化(AVAZ)的特征来刻画微裂缝密度和走向成为页岩气勘探开发的重点。

本文以四川盆地长宁示范区宁201井龙马溪组-五峰组富有机质页岩为例，构建单井地质模型，利用HTI等效介质理论和地震建模手段，建立多频多方位多入射角叠前地震道集模型。这些地震模型主要用于：①了解在页岩气勘探、开发和生产中不同频率地震数据对微裂缝识别的能力；②利用不同入射角和不同方位角的地震数据组合来解释富有机质页岩中微裂缝发育情况并改善地震解释工作；③为长宁地区未来进行AVAZ反演预测微裂缝发育情况提供理论支撑。

1 地质背景及地层模型设置

1.1 区域地质背景

长宁示范区位于四川盆地西缘(图1)，地处四川盆地与蜀南低陡褶皱带两个区域的结合部位，整体表现出纵横错落的构造格局。研究目标井宁201井位于珙县以东，兴文县西南侧，井点周缘构造样式相对简单，受构造影响较小，地层分布连贯且厚度及埋深变化较小(图2)。

图1 四川盆地宁201井区地质概况Fig.1 Geology of the Well Ning201 area in Sichuan Basina. 宁201井工区位置示意图;b. 宁201井地层综合柱状图

龙马溪组页岩为浅海相碎屑岩，龙马溪组上覆地层为石牛栏组深灰色、灰绿色泥灰岩,龙马溪组上部为灰色、深灰色灰岩夹深褐色泥质灰岩,中部为黑灰色粉砂质页岩、深褐色泥晶灰岩,下部为深灰色、黑灰色、灰黑色、黑色页岩；上奥陶统五峰组为黑色页岩,底部为宝塔组灰岩(图1)。

1.2 矿物特征及岩相分类

宁201井龙马溪组富有机质页岩各小层段内岩心矿物含量纵向变化较大。其中龙一段一亚段2小层为黑色页岩，石英+长石矿物含量较高，粘土矿物与碳酸盐岩矿物含量相当；1小层为黑色页岩，石英+长石矿物含量较高，粘土矿物含量与碳酸盐岩矿物相当；五峰组为黑色页岩，石英+长石矿物与粘土矿物含量相当，碳酸盐岩矿物略低。

三角图分析结果显示岩性可细分为9类(图3)，分别为硅质页岩、钙质页岩、粘土质页岩、硅质岩、粘土岩、灰岩(白云岩)、钙质硅质混合页岩、粘土质硅质混合页岩、粘土质钙质混合页岩。据王超等[11]岩相类型划分方案，2小层为硅质页岩，1小层为硅质钙质页岩和硅质页岩，五峰组为硅质页岩和混合页岩，具体矿物含量及岩相分类总结于表1。

1.3 储层微裂缝特征

微裂缝成因的控制因素复杂，主要受内因和外因两方面控制，外因主要包括构造应力、沉积成岩作用以及生烃增压，内因包括有岩相和矿物组成等[12]。汪虎等[13]从内因和外因两方面将微裂缝总结为构造缝、有机质演化异常压力缝、成岩收缩缝、贴粒缝和层间页理缝。

富有机质页岩在地层中受力可分为上覆岩层压力、侧向最大应力和侧向最小应力，其中上覆岩层压力是最大主应力，侧向最小应力是最小主应力。按岩石力学特征来说，构造缝一般垂直于最小主应力，因此富有机质页岩的构造缝通常应与岩层呈垂直状态[14]，在宁201井所获得的各段岩心中(13～28 cm)也常见垂直于地层的微裂缝发育(表1)。

图2 四川盆地宁201井区构造特征Fig.2 Structural characteristics of Well Ning201 in Sichuan Basina. 过宁201井构造剖面;b. 宁201井区构造平面图P2l-P2ch.龙潭组-梁山组;P1m.茅口组;P1q.栖霞组;S3-2.上-中志留统;S1s.石牛栏组;S1l.龙马溪组;O3bt.宝塔组;3-2.上-中寒武统;1c-1l.沧浪铺组-龙王庙组;1q.筇竹寺组;Z2d.灯影组

图3 四川盆地宁201井龙马溪组富有机质页岩岩心矿物分布特征Fig.3 Distribution characteristics of minerals in the organic-rich shale core from Well Ning201 in the Longmaxi Formation,Sichuan Basina. 岩相解释图版;b. 富有机质页岩段岩心矿物分布三角图

表1 四川盆地宁201井龙马溪组地质参数Table 1 Geological parameters of Well Ning201 in the Longmaxi Formation,Sichuan Basin

在页岩气储层压裂改造中主要针对与层间页理缝相垂直的构造缝进行压力改造，使其与天然裂缝形成裂缝网格[15]，因此可以认为那些构造缝的发育情况是地震预测研究的重点。

1.4 地层模型设置

在构建模型时需要提供地层分层方案作为模型的框架基础。鉴于页岩地层岩相平面分布均匀而纵向差异较大的特殊性。如图4所示，在对宁201井实际分层方案设计中，将宁201井富有机质页岩上下约40 m的地层分成3个小段：①顶部，贫有机质硅质页岩和钙质页岩互层(即龙一段一亚段3小层)；②目的层，富有机质硅质页岩、混合页岩(即2小层至五峰组)；③底部，宝塔组灰色灰岩。具体模型参数设置见表2。

图4 四川盆地宁201井龙马溪组富有机质页岩段地层综合柱状图Fig.4 A composite stratigraphic column of organic-rich shale from Well Ning201 in the Longmaxi Formation,Sichuan Basin

表2 四川盆地宁201井地震模型地球物理参数Table 2 Geophysical parameters of seismic model obtained from Well Ning201,Sichuan Basin

2 各向异性HTI介质反射系数

对于横向各项同性介质，一般采用TI介质(transverse isotropy)对各向异性进行描述。如图5a所示，当均匀层状裂缝发育时，可以认为是VTI介质(transverse isotropy with a vertical axis of symmetry)；而与VTI相对的，含有垂直裂缝的均匀层状介质被称为HTI介质(transverse isotropy with a horizontal axis of symmetry)，如图5b所示；当裂缝具有一定倾角或非水平排列时，可称为TTI介质(transverse isotropy with a tilt axis of symmetry)，如图5c所示。

考虑到宁201井周缘富有机质页岩中的构造微裂缝倾角常见近垂直于地层，因此可将其看做是一种含有垂直裂缝的均匀层状介质，即HTI介质。

2.1 Thomsen各向异性参数及弹性参数计算

Thomsen为了方便理论研究与实际应用给出了3个各向异性系数，即ε，γ和δ，他们是弹性系数的组合[16-17]。其中,ε约等于纵波水平速度与垂直速度的相对差别，其大小反映了各向异性的强弱；γ表示横波各向异性[18]；δ指示纵波相速度曲线在对称轴方向曲率的大小[16,19]。

Bakulin(2000)等根据Hudson理论，讨论了HTI介质Thomsen参数与裂缝密度e的关系[20]，认为当裂缝仅含气时：

(1)

(2)

(3)

式中：εH，γH，δH分别为HTI介质下的Thomsen参数；g为横、纵波速度比；e为裂缝密度，无量纲。

其中微裂缝密度e的计算公式可写为：

e=Na3/V

(4)

式中：N为平均半径为a的裂缝在单位体积V中的数量。

通过上述认识，对N201井富有机质页岩微裂缝发育层段的微裂缝密度及Thomsen参数进行了计算，具体计算结果见表3。

表3 四川盆地宁201井AVAZ模型Thomsen参数Table 3 Thomsen parameters of AVAZ model obtained from Well Ning201,Sichuan Basin

注：α为介质纵波速度；β为介质SH波速度；ρ为介质密度。

图6 四川盆地宁201井HTI介质Thomsen参数与微裂缝密度关系Fig.6 The relationship between Thomsen parameters and micro-fracture density in HTI media from Well Ning201,Sichuan Basin

图6为富有机质页岩不同裂缝密度时Thomsen各向异性参数的变化规律，当裂缝密度增大时，各向异性参数逐渐降低。

2.2 Rüger公式反射系数计算

Rüger(1997)在各向同性HTI介质P-P波反射系数近似公式的基础上，给出了弱各向异性HTI介质P-P波反射系数近似公式[21]：数均值，m/s；Δ为上、下两层参数差。

(5)

根据Rüger公式，利用N201井实测物性参数对富有机质页岩地层进行不同入射角和不同方位角情况的弱各向异性反射系数求取并分别求取了不同微裂缝密度下的弱各向异性反射系数(图7)。

图7中方位角为90°和270°时为微裂缝走向，富有机质页岩整体呈正反射特征，在入射角相同时，富有机质页岩反射系数随微裂缝密度增大而增加，且沿着微裂缝对称轴方向相对称(即方位角0°与180°)。在入射角增大时，富有机质页岩在0°和180°扇形范围内对称的方位角中反射系数随入射角增大而增大，而90°和270°扇形范围内对称的方位角反射系数随入射角增大而降低。因此根据其含有的AVAZ特征，在研究中可以对微裂缝走向进行分析，同时可见反射系数能够在一定程度上指示微裂缝密度的变化，但是考虑到富有机质页岩厚度较薄，易受到子波频率的影响，因此还需要从地震振幅方面进行进一步的分析。

3 地震建模

3.1 正演模型建立

不同的主频模型可以代表不同勘探阶段的地震资料[22]，其中15 Hz主频模型代表勘探早期二维地震勘探阶段的地震资料，25～35 Hz主频模型代表勘探中期常规三维地震资料，45 Hz主频模型代表当油气田进入开发阶段后高分辨率三维地震资料。

考虑到页岩地层非均质性和地层发育特征纵向差异较大而横向差异较小，因此在构建地层模型时，忽略地层横向展布而直接建立AVAZ道集，为满足主题研究富有机质页岩在不同微裂缝密度下地震响应特征变化的需要，分别建立原始地层微裂缝密度模型，原始地层1/2微裂缝密度模型，原始地层1/3微裂缝密度模型共计4组分别为45 Hz主频、35 Hz主频、25 Hz主频和15 Hz主频的雷克子波AVAZ地震道集模型(图8)，各模型均使用前文所述反射系数进行褶积计算并成图。

图7 四川盆地宁201井AVAZ模型反射系数变化趋势Fig.7 The variation trend of reflectance coefficients of AVAZ models obtained from Well Ning201,Sichuan Basina. 15°入射角;b. 25°入射角;c. 35°入射角

图8 四川盆地宁201井多频AVAZ正演模型Fig.8 The AVAZ forward modeling of multi-frequency obtained from Well Ning201,Sichuan Basina.低微裂缝密度;b.中微裂缝密度;c.高微裂缝密度

3.2 模型有效性

目前长宁地区已进入勘探晚期-开发早期阶段[23]，地震勘探资料为常规三维地震勘探阶段所获取，地震资料主频为25～30 Hz，目的层入射角为0°～21°，无方位角信息。

为检验反射系数计算的可靠性，应用反射系数同时制作了25 Hz主频的入射角道集和全入射角叠加模型用以验证模型有效性。对比宁201井实测地震资料可见，在入射角道集中，实测道集上部为灰质页岩高速层与低速层转换产生的波谷响应，随着入射角的增大波谷响应逐渐降低，地层底部为低速层与宝塔组灰岩高速层转换的强波峰显示，道集振幅整体增强(图9a)，入射角道集各反射界面呈现出与实测入射角道集相同的趋势(图9b)；叠加剖面显示整个龙一段一亚段至五峰组整体地震响应表现为“宽波谷-强波峰”的特征(图9a)，模型叠加剖面与实测剖面在各反射界面表现出同样特征(图9b)。

入射角道集与叠加剖面对比可见，地震模型与实测地震数据吻合程度较高，说明地震模型的构建思路和模拟效果符合实际地震勘探的特征，可以应用于微裂缝密度地震响应特征分析研究。

图9 四川盆地宁201井实测地震道(a)与正演模型(b)对比Fig.9 Comparisons between seismic trace(a) and forward modeling(b) obtained from Well Ning201,Sichuan Basin

4 模型参数

4.1 不同入射角振幅变化特征

地震资料主频在合适范围时(35～45 Hz)，当入射角增大时振幅强度随入射角逐渐增强。同时不同微裂缝密度之间振幅强度变化差异较为明显，但如图10可见，虽然随着微裂缝密度的增加振幅强度逐渐呈现出一定增强的趋势，但是这种趋势并不具有方向性，因此可以认为传统的AVO方法并无法对微裂缝走向进行分析。

图10 四川盆地宁201井AVAZ道集振幅属性分析Fig.10 The amplitude attribute analysis of AVAZ gather obtained from Well Ning201,Sichuan Basin

4.2 不同方位角振幅变化特征

在适当的主频范围和入射角范围内(35～45 Hz，入射角大于20°)，AVAZ道集在微裂缝不同方位角的振幅变化表现出极大的差异性。如图10所见，当地震波传播方向垂直于裂缝面法线时(即方位角为90°和270°)，振幅基本不受微裂缝发育的影响。当地震波传播方向与裂缝面法线方向的夹角减小时(即90°～180°和270°～360°时)，振幅逐渐变大，且变化幅度随着微裂缝密度增大而增大，相对称地，当夹角增大时(即0°～90°和180°～270°时)振幅变化规律与其恰好相反。当方位角垂直于微裂缝面时(即0°和180°)，振幅随微裂缝密度增大的幅度达到最大。当方位角垂直于微裂缝面时(即0°和180°)，振幅达到最高。当微裂缝密度增大时，振幅在微裂缝面法线方向的方位角上呈高度分离的趋势，随着微裂缝密度的增加而快速增大，而在垂直微裂缝走向时，振幅基本不受微裂缝密度的影响。