地震与微地震融合技术在页岩油压后评估中的应用

2021-04-08杜金玲纪拥军许文莉伍顺伟

岩性油气藏 2021年2期

杜金玲，林鹤，纪拥军，江洪，许文莉，伍顺伟

（1.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司新兴物探开发处，河北涿州 072751；2.中国石油新疆油田分公司开发公司，新疆克拉玛依 834000；3.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

近年来，随着水平钻井技术和多级水力压裂技术的不断进步，非常规油气勘探开发得到了迅猛发展，页岩油即是其中一个热点，且在我国多个盆地均有发现［1-3］。非常规油气勘探具有高风险、高投入、高难度的特点，该特点促使了多学科整合技术的发展。多学科整合技术通过多种资料和多学科人员的共同协作来提高油气藏“甜点区”的识别能力和水平井段有效储层的钻遇率，可优化储层改造方案，实现单井经济效益最大化。目前，已有学者提出了多学科信息融合的思路，吴奇等［4］提出了地质工程一体化概念，并通过实践验证了这一思路的有效性。Sturm 等［5］通过成像测井、岩石物理和岩石力学分析等开展了精细层序地层学研究，并通过优化钻井设计，获得较大产能。Hernandez 等［6］提出地质和地球物理学的整合是实现水平井地质导向钻井轨迹准确的必要条件。Stephens 等［7］提出了综合岩石物理、三维地震、地质统计学和裂缝模型等信息建立储层模型的统计学岩石物理工作流程。Swenberg 等［8］认为通过多学科信息的融合分析能优化井位部署和完井设计，可经济有效地进行资源开采。这种不同学科、不同技术的交叉研究，多种信息融合分析，可较好地解决目前非常规油气藏勘探开发过程中面临的多学科协作要求。

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起，是在中石炭统褶皱基底上发展起来的西断东超的箕状凹陷，构造单元面积1 278 km2，经历了海西、印支、燕山、喜马拉雅等多期构造运动，在中二叠世晚期，发育一套三角洲—湖相沉积，形成了该凹陷最重要的芦草沟组烃源岩，该地层成为吉木萨尔凹陷主要的页岩油储层。芦草沟组岩性主要为泥岩、泥质砂岩、砂岩、白云岩和白云质泥岩等［9-11］。芦草沟组根据储层发育情况和含油性分为“上甜点”和“下甜点”2 套“甜点体”［12-13］。“上甜点体”埋深3 000～3 100 m，厚度30～40 m，平均孔隙度10%，平均渗透率0.01 mD［14-15］，表现为高伽马、低声波时差、中—高密度。“上甜点体”又细分为3 套小层，砂屑云岩、砂屑长石粉细砂岩和云屑砂岩等。自2011 年在芦草沟组压裂后获得高产油流，目前已在多口井中获得油气产能［16］，展现了良好的勘探开发前景。

1 研究方法

页岩油储层具有低孔、低渗的特征，因此需要采用水力压裂的方式对储层进行改造［17］，这就要求不仅要分析储层的物性参数，还要分析储层的工程力学参数。常规地震可以开展储层物性参数和工程力学参数的评价与分析，但是地震解释存在多解性，所以地震评价的精确度尚不能满足页岩油的开发需求。利用微地震监测成果可以对储层改造效果进行评价，将其与地震属性进行融合分析，以进一步评价地震属性，可以有效降低地震的多解性，同时将微地震事件点的局部规律推广到三维空间，以弥补微地震监测成果的空间局限性。本次研究提出了地震-地质-工程一体化技术，利用钻井资料研究岩石物理特征，开展储层敏感参数分析，同时通过井震结合分析储层地质“甜点”的发育情况和工程“甜点”的发育特征，并在此基础上利用微地震监测成果来分析人工缝网形态。地震与微地震融合技术页岩油压后的评估路线如图1 所示。

图1 地震与微地震融合技术页岩油压后评估路线Fig.1 Work flow for post fracturing evaluation of seismic and micro-seismic fusion

2 地震属性分析

反射波振幅属性是地层岩性、内部流体、物性和层序变化等的综合响应，分析目的层内振幅变化特征可以预测有利储层。合成记录标定结果认为：储层物性好，地震反射同相轴表现为弱振幅波峰特征；储层物性差，地震反射同相轴表现为强振幅波峰特征。从过水平井W3H 和CH 的联井地震剖面［图2（a）］可看出：CH 井目的层反射同相轴表现为弱振幅特征，W3H 井目的层反射同相轴表现为较强振幅特征。测井解释结果显示：CH 井储层物性好；W3H 井近井口的水平段储层物性好，而近井底水平段储层物性差。根据振幅属性体在储层位置的平面特征［图2（b）］可知，在弱振幅发育的A 区，CH井平均日产油10.5 t，而A 区外的W3H 井平均日产油4.9 t。此振幅差异特征不仅是储层物性的响应特征，也是油气聚集的一个响应，可用来预测油气的富集情况。

图2 吉木萨尔凹陷过W3H 井、CH 井的地震剖面及振幅平面图Fig.2 Seismic section and slice of RMS amplitude across wells W3H and CH in Jimsar sag

岩石力学特性可影响储层改造过程中技术措施的针对性和有效性，这直接关系到储层压裂改造效果和油气产量。岩石力学参数包含弹性参数和强度参数，其中弹性参数有杨氏模量、体积模量、剪切模量、泊松比等［18-19］，这些参数可利用地震叠前资料中的纵波和横波信息转换获得。本次研究以地震叠前资料为基础研究了弹性参数中的脆性特征和水平应力差。

岩石的脆性决定了储层的抗压裂程度，是致密型储层的一个重要岩石力学特征［20-21］。利用叠前地震资料并结合测井信息开展叠前弹性参数反演，获得岩石脆性的空间分布特征。在图3（a）中的A 区为脆性较好的储层，该区域储层在改造过程中容易形成缝网，后期微地震监测结果显示该区水平井段压裂时形成了复杂缝网。

图3 吉木萨尔凹陷地震属性沿目的层切片Fig.3 Slices of brittleness and horizontal stress difference along the target layer in Jimsar sag

当最大水平应力和最小水平应力具有较大差异时，储层压裂改造人工缝网通常向最大主应力方向延伸并形成单组缝；当二者之间无明显差异时，压裂产生的人工缝网为任意方向，容易形成网状缝，储层改造效果更好。因此利用三维地震资料获得水平应力差参数并结合脆性属性可以较好地开展工程甜点的预测分析。图3（b）中A 区范围内，即W1H 井，W2H 井，W3H 井，W4H 井的部分井段水平应力差较小，这些井段在储层压裂改造过程中容易形成复杂缝网。

3 裂缝预测

页岩油储层裂缝的发育情况会直接影响油气产能［22］。从相干体和蚂蚁体2 种与裂缝相关的属性开展天然裂缝评价［23-24］，分析天然裂缝对人工缝网的影响。相干体属性是用来检测断层、裂缝以及刻画地质体边界的一种属性。特征值相干算法在保证抗噪能力的同时能提高断层的横向分辨能力，当地层存在裂缝时，表现为低相干值特征。从图4可看出，A 区是相干值较低的区域，对应剖面上相同位置具有明显的低相干值特征，后期生产结果显示，天然裂缝发育区储层压裂改造效果和油气井产量都很好。说明该区域天然裂缝较发育，利于储层改造，易提高水平井油气产能。

Pedersen 等［25］提出了利用蚂蚁追踪的方式在三维地震数据体进行自动断层识别的方法，该方法可以精细刻画断层和微裂缝，将隐藏于属性中的断层和微裂缝清晰地展现出来，这一属性在微裂缝预测中得到了广泛应用。通过蚂蚁体属性与微地震监测结果融合可以建立二者之间的相关性。从图5可看出，大震级的微地震事件主要集中在蚂蚁体属性中的微裂缝位置，进一步说明在天然裂缝发育区，人工缝网也发育。

图4 吉木萨尔凹陷相干剖面和平面图Fig.4 Section and slice of coherence in Jimsar sag

图5 吉木萨尔凹陷微地震事件与地震蚂蚁体属性叠合图Fig.5 Fusion of microseismic events and ant trackingattribute in Jimsar sag

4 微地震监测成果分析

在储层压裂改造过程中，当岩石发生破裂时会产生弹性波，用地震检波器来探测和记录这些弹性波，并由此分析产生微地震信号的震源信息，进而描述人工缝网的空间形状和尺寸等参数［26-29］。图6中，水平井段在蓝色框内压裂改造的人工缝网纵向延伸较低，人工缝网平均缝高34 m，缝宽123 m，缝长329 m，平面上以网状分布为主，表现为复杂缝网形态；水平井段在绿色框内压裂改造的人工缝网纵向延伸较高，表现为纵向缝网形态，平均缝高74 m，缝宽143 m，缝长348 m。本次研究采用了分形维理论以及随机事件信息熵理论，对人工缝网复杂度指数进行了定义，指数的高低反映了微地震事件的分布密度（人工缝网的复杂程度），具体定义如下

式（1）中：r为划分的网格边长；P()r为对应划分网格（边长r）的微地震事件分布密度。

从式（1）可看出，人工缝网复杂度指数近似为微地震事件分布的信息熵-∑P(r)lnP(r)与对应ln(1/r)的比值。人工缝网复杂度指数越大，人工缝网越复杂。利用该算法获得W3H 井各压裂段的人工缝网复杂度指数如表1 所列。从表1 中可看出，W3H 井1—7 段（图6 中绿色框内）在储层改造过程中人工缝网复杂度指数较低，与微地震事件空间展布纵向缝网特征一致；W3H 井8—15 段（图6 中蓝色框内）在储层改造过程中人工缝网复杂度指数较高，与微地震事件空间展布复杂缝网特征吻合。

表1 吉木萨尔凹陷W3H 井各压裂段人工缝网复杂度指数Table 1 Artificial fracture network complexity index for each fracturing stage in well W3H

结合三维地震属性分析图6 中蓝色框内的井段，地震属性表现为弱振幅、高脆性、低水平应力差，储层物性相对较好，微地震监测结果显示事件点在纵向上集中在井轨迹附近的储层中，人工缝网表现为复杂缝网，储层改造效果较好。图6 中绿色框内的井段，地震属性表现为强振幅、低脆性和高水平应力差，储层物性较差，预测储层压裂改造效果较差，微地震监测成果显示该井段人工缝网呈纵向缝网形态。由此可见，地震属性也可以验证微地震监测成果的准确性，但微地震监测成果只能在压裂过程中对人工缝网进行描述，描述的范围也仅限于压裂井段，无法在压裂前对储层改造效果进行预测，而利用地震属性的空间特征与人工缝网的结果进行综合分析，即可在压裂前开展储层改造效果预测。

图6 吉木萨尔凹陷W3H 井微地震监测结果空间展布Fig.6 Distribution of microseismic events along well W3H in Jimsar sag

5 应用效果

微地震事件点特征与地震属性具有良好的对应关系，因此，在利用三维地震属性评价和预测“甜点区”时，融入微地震监测成果，可以降低地震的多解性，提高预测精度，还可以直接描述储层压裂改造效果。由图7 可看出，W2H 井A 段表现为低相干值、弱振幅、脆性好、水平应力差值小等，测井曲线显示储层物性较好，微地震监测结果显示事件点在纵向上集中在井轨迹附近的储层中，人工缝网表现为复杂缝网，储层压裂改造效果较好；在高相干值、强振幅、脆性差、水平应力差值大的W2H 井B段测井显示储层物性中等，微地震事件表现为纵向发育，人工缝网为纵向缝网。由于W2H 井未分A，B 段进行生产测试，本次研究结合储层物性和产能都与该井相似的W1H 井进行分析。W1H 井B 段储层改造后生产180 d，平均日产油2.3 t，A 段储层改造后生产1 140 d，平均日产油6.4 t。因此认为W2H 井的A，B 段产能情况应该与W1H 井的情况相同，即不同的三维地震属性响应特征可影响储层压裂改造效果和后期产能。因此开展微地震监测结果与地震多信息融合研究，识别出的优质“甜点区”更准确、更可靠。

图7 吉木萨尔凹陷沿W2H 井井轨迹的属性剖面与微地震事件融合图（a）相干属性；（b）振幅属性；（c）水平应力差属性；（d）脆性属性Fig.7 Data fusion of seismic attribute and microseismic events along well W2H path in Jimsar sag

图8 吉木萨尔凹陷芦草沟组有利“甜点区”平面展布Fig.8 Distribution of sweet spots of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

用上述方法对吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层压裂改造过程中的敏感属性进行优选分析，最终优选了相干、振幅、脆性和水平应力差等属性，共划分出3 类“甜点区”类型（图8），其中一类区是各项参数都适于开展储层压裂改造的区域，二类区为有1 个参数不适宜储层改造的区域，三类区为部分参数适于开展储层压裂改造的区域。如CH 井前半支处于一类区，后半支处于二类区，而W1H 井、W2H井、W3H 井、W4H 井只有前半支处于三类区，这一现象符合CH 井产量明显高于其他4 口井的特征。同时W2H 井水平段分别处于2 个储层类别发育区，与前文论述的属性特征、钻井特征以及缝网特征存在差异的情况吻合。

对研究区内3 口直井D 井，E 井，F 井开展完钻前储层预测，从3 口井所在的位置以及剖面、平面属性等进行分析，结果显示E 井产能情况好于F井，F 井产能情况好于D 井，3 口井的试油结果如表2 所列，实钻结果与预测结果吻合。同时预测2口水平井（W5H 井、W6H 井）的储层发育特征，从储层类别划分来看，W5H 井储层优于W6H 井。完井后测井分析结果与预测结果一致，核磁测井解释成果如表3 所列。