页岩气叠后裂缝综合预测技术——以长宁国家级页岩气示范区为例

黄浩勇，苟其勇，刘胜军，王乐之，张宗和，钟高，程晓莉

（1.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院，四川 成都 610051；2.安东石油技术（集团）有限公司，北京 100102）

0 引言

天然裂缝（简称裂缝，下同）是页岩气藏的重要储集空间和主要渗流通道。因此，准确预测裂缝是页岩气藏开发的重点和难点[1-7]。国内许多学者进行了裂缝预测方面的研究，如孙乐等[8-9]综合应用地震相干体、方差体、蚂蚁体等分析技术对乌夏、任丘地区进行了叠后地震裂缝预测；党青宁等[10-12]采用宽方位地震采集和OVT（宽方位矢量偏移距）域地震处理技术开展了叠前裂缝预测，该技术对识别裂缝发育的密度和方向有较好的效果。叠前裂缝预测技术主要用于识别高角度裂缝发育区，且对地震数据要求高，如覆盖次数高、均匀分布、宽方位等[11-12]。长宁地区地震叠前道集不能满足上述要求，且FMI成像测井资料显示，该区高角度缝（大于 70°）占比 25%，低角度缝（小于 35°）占比75%，主要为低角度裂缝发育区。因此，叠前裂缝预测技术对于长宁地区适用性不强，裂缝预测精度较低，不能满足该区压裂改造和开发的要求。叠后裂缝综合预测技术能充分挖掘放大地震资料的差异性，该技术包括边缘检测、本征相干、曲率、似然体及蚂蚁体等分析方法[13-15]，主要利用叠后不连续检测的特点。该技术表征的裂缝尺度普遍偏大，能够达到人工解释断层的级别，而对于微小裂缝难以识别。常规蚂蚁体追踪结果纵向上分层性明显，受参数设置影响明显，只能识别某一尺度裂缝，预测结果随机性较大，常常不能反映断裂的展布规律。由于裂缝成因类型复杂，裂缝预测方法各有侧重，单一预测方法往往不能准确反映各类裂缝分布。

鉴于此，本文根据各种裂缝预测技术特点以及长宁地区页岩气地质特征，提出了适用于长宁地区的叠后裂缝综合预测技术，即优选基于三维体最大正振幅曲率属性基础上的蚂蚁体追踪技术进行页岩气裂缝综合预测。该技术综合了曲率体属性及蚂蚁体追踪的优点，有效提高了裂缝预测精度。

1 叠后裂缝综合预测技术

1.1 技术流程

叠后裂缝预测一般采用蚂蚁体追踪，该技术传统流程为：1）在原始地震数据体上构造平滑；2）运行方差体或混沌体；3）进行1～2次蚂蚁体追踪。但该技术手段在研究区难以得到满意的预测结果。为此，本研究提出了叠后裂缝综合预测技术，将方差体或混沌体替换为三维振幅曲率体，有效改善了蚂蚁体追踪效果[8，14-15]（见图1）。

图1 技术路线示意

叠后裂缝综合预测技术的关键步骤是三维体最大正振幅曲率属性提取、蚂蚁体追踪及实钻井资料验证。三维体最大正振幅曲率属性受地震资料中的噪声影响较大，所以需采用构造导向滤波等技术提高地震信噪比。该属性提取的时窗为关键参数。时窗太大，影响页岩薄储层的计算；时窗太小，计算的结果随机性增大，影响结果准确性。为此，本研究优选时窗值为20 ms。蚂蚁体追踪过程参数及步骤较多，可在对小区块反复测试，并与断裂系统及井数据对比的基础上，得到研究区蚂蚁体追踪的关键初始边界参数，即：偏移角度为5，搜索步长为2，允许的非法步数为3，允许的合法步数为2，终止的标准为10%。蚂蚁体追踪方式选取“被动+主动+被动”的组合方式，可得到噪声受压制、小裂缝没有丢失的追踪结果。另外，页岩气钻井和压裂生产过程中很多事件受到裂缝的影响，要尽可能大量收集整理上述资料，分析裂缝预测结果与实际资料的吻合程度。验证资料越丰富，越能保证裂缝预测的准确性。

1.2 构造导向滤波

曲率等地震几何属性在数学上为二阶导数，易受噪声影响。因此，对地震数据体空间滤波是求取地震几何属性的基础。本研究采用优于常规的、利用频段消除噪声的构造导向滤波技术[16-17]。与构造导向滤波前的原始地震剖面相比，滤波后的地震剖面上同相轴错断更加清晰，垂向断裂更明显（见图2。图中蓝圈指示同相轴错断区）。滤波后的地震数据体噪声得到压制，同相轴连续性增强；与此同时，断层边界由于滤波作用，相对应的地震信号变得增强和平滑。

图2 构造导向滤波前、后地震剖面对比

1.3 三维体最大正振幅曲率计算与提取

1.3.1 计算方法

构造应力高低反映地层的应变大小。通常情况，构造应力越高，地层弯曲就越大（即曲率越高），破裂作用相应增加，即一般曲率越大，张应力也越大，张裂缝也越发育。地震数据中，振幅曲率大小的变化对应地质构造形态上的变化。与曲率属性相比，三维体最大正振幅曲率属性可以获得更多振幅上的细节，裂缝预测效果较好。

一维振幅曲率KA的计算公式为

式中：A为振幅，dB；x为东西方向（即主测线方向）。

将振幅曲率由一维延伸到三维数据体，由原始地震体生成的三维振幅数据体中任意反射点沿不同方向的变化率可用梯度grad（A）表示：

式中：y为南北方向（即联络线方向）；t为垂直方向；px，qy，rt分别为 x，y，t方向上的视倾角分量；px，min，qy，min，rt，min分别为 x，y，t方向上的最小视倾角分量。

在较小的局部地层范围内，地层界面对应的空间曲面Z(x，y)可以用方程近似表示为

式中：a，b，c，d，e，f为系数。

最大正振幅曲率属性Kmpc可由式（5）中系数计算得到：

1.3.2 属性提取

为对比三维体正振幅曲率属性预测裂缝的效果，对构造导向滤波数据体分别提取相干体属性和三维体最大正振幅曲率属性剖面及沿层切片（见图3、图4）。

图3 相干体属性与三维体最大正振幅曲率属性剖面对比

图4 相干体属性与三维体最大正振幅曲率属性切片对比

由图3（图中黑色箭头指示断裂处的异常现象，下同）可知：相干体属性剖面上，目的层断裂处地震反射波异常（简称异常，下同）明显，非断裂处正常，目的层以外的其他层段异常连片分布（即分层现象明显）；三维体最大正振幅曲率剖面上，目的层断裂处异常明显，其他位置也检测出异常，且纵向分布清晰，说明该属性可降低相干体属性中的分层现象。

由图4可知：三维体最大正振幅曲率沿层切片与相干体切片在断裂处相似，但在裂缝细节上，三维体最大正振幅曲率属性显示更丰富。

1.4 蚂蚁体追踪

蚂蚁体追踪算法是基于种群启发式的仿生进化算法，通过在地震数据体中撒播大量“蚂蚁”，在地震属性体中发现满足预设断裂-裂缝条件的痕迹的“蚂蚁”释放某种信号，召集其他的“蚂蚁”集中在该处对其进行追踪，直至完成追踪与识别，获得微断裂及裂缝发育条带的空间分布。

1.5 基于三维体最大正振幅曲率属性的蚂蚁体追踪

针对长宁地区页岩气的地质特点，在对该区构造导向滤波、三维体最大正振幅曲率属性提取等基础上，采用基于三维体最大正振幅曲率属性的蚂蚁体追踪技术进行叠后裂缝预测，以提高该区裂缝预测精度。

相比常规蚂蚁体算法，该方法在裂缝宽度及倾向的刻画方面更精细。由图4、图5可知：研究区断层、裂缝发育程度高，大断裂主要发育在北西部，断层走向以北东—南西向为主，延伸距离长；向斜区发育大量微裂缝，以网状缝为主，裂缝倾角较大，呈近直立状。

图5 2种蚂蚁体算法结果对比

2 裂缝预测结果验证

2.1 微地震事件验证

微地震检测时常能见到丰富的微地震事件，其中部分微地震事件与断裂、裂缝有关，如高震级、远离井筒分布、带状分布等显示。

由图6可知：1）N1井靶点B附近微地震事件震级强，延伸距离远，与裂缝预测结果——北西向裂缝发育较吻合；靶点A附近微地震事件表现为沿井筒附近分布，且西侧分布较集中，与裂缝预测结果——北西向裂缝发育较吻合，东侧发育与井轨迹呈小角度夹角的裂缝，对微地震事件起屏障作用。2）N2井水平段轨迹中段北西向裂缝发育，微地震事件表现为震级较强；靶点A，B附近预测裂缝不发育，微地震事件表现为延伸距离短、震级较弱。利用46口井微地震事件验证裂缝预测结果，裂缝预测符合率达82.6%。

图6 微地震检测与裂缝预测结果对比

2.2 成像测井资料验证

利用6口成像测井资料，结合成像测井高阻缝（裂缝）的走向与相邻断裂、裂缝走向的一致性，对裂缝预测结果进行了验证。如图7中W2，W4井成像测井解释裂缝走向主要为东西向和北东—南西向，与裂缝预测结果一致。6口井裂缝预测符合率为83.0%。

图7 W2，W4井裂缝预测结果

2.3 钻井液漏失事件验证

在页岩气井钻井过程中，井漏事件常与断裂、天然裂缝有关，龙马溪组页岩裂缝的活化是引起钻井过程中钻井液漏失的主要原因。本次利用15口井20个井漏段作为样本，对裂缝预测结果进行了验证，裂缝预测符合率为80.0%。由图8可以看出：在W2井的井漏段A点附近（井深3299.0～3299.8m，钻井液漏失量3.6m3，钻井液密度 1.97 g/cm3）、B点附近（井深 4 278.0～4 281.2 m，钻井液漏失量10.6 m3，钻井液密度1.96 g/cm3）和 W4井的 C 点附近（井深 3 520.0～3 523.0 m，钻井液漏失量54.5 m3，钻井液密度2.00～2.04 g/cm3），井漏事件在裂缝预测剖面上均有响应。

图8 W7，W8井裂缝预测结果

2.4 套变事件验证

页岩气井钻井过程中的套变事件常与断裂、裂缝有关，套变事件段在裂缝预测剖面上均有响应（见图9）。如W9，W10井钻遇中等规模裂缝，W9井套变段a段（井深 3 788～3 839 m）、b 段（井深 2 994～3 041 m）及W10井套变段c段（井深3 270～3 371m）在裂缝预测剖面上均有响应。利用19口井32个套变段作为样本，对裂缝预测结果进行验证，裂缝预测符合率为84.6%。

图9 套变事件与裂缝预测结果对比

综上所述，利用多种信息验证，对比104个样本点，裂缝预测符合率达80.6%，说明本研究裂缝预测结果可靠。

3 裂缝预测结果应用

本研究将裂缝预测结果应用到研究区28口井钻前风险预警、15口井压裂方案优化设计、37口井压裂后效果评估中，为裂缝建模提供了三维空间裂缝数据，提取了212口井裂缝强度数据，对页岩气井产量主控因素分析及页岩气勘探开发起到较好指导作用[18-19]。

例如，W11-1井水平段钻探前，根据裂缝预测结果，对该井进行了风险预警。W11-1井钻探中，分别在井深 3 547.57，3 568.32，3 580.00，3 677.00，3 987.71，4 216.00 m附近发生井漏事件。其中，前5个与裂缝预测结果较吻合，裂缝与井轨迹呈小角度（15°左右）相交。该井原设计井深为5 600.00 m，在钻到4 413.00 m断裂位置附近时，又发生卡钻、井漏情况。之后，考虑钻遇小角度微裂缝，易造成异常事故，提出了该井提前完钻建议。与W11-1井同平台的3口井钻探前，在水平段预测裂缝发育段7个，为此降低了钻井液密度，钻井液密度最大值为1.82 g/cm3（小于W11-1井的1.86 g/cm3），确保了该井未发生井漏等复杂事故而顺利完钻。

4 结论

1）与常规蚂蚁体追踪识别裂缝方法比较，基于三维体最大正振幅曲率属性的蚂蚁体追踪结果横向分辨率高，纵向上降低分层性，裂缝预测精度高，能同时识别不同级别的断裂、裂缝。通过实钻井数据、成像测井、微地震检测等资料验证，裂缝预测符合率为80.6%。

2）裂缝综合预测结果可以指导钻井轨迹设计及优化、钻井液参数设计及优化、钻中轨迹优化、压裂分段分簇方案设计及优化、压裂改造规模及工艺参数设计、压裂效果分析、页岩气产量主控因素分析等研究工作，从而有效提升页岩气井压裂改造效果和产能。