川南深层五峰—龙马溪组页岩工程“甜点”地震预测技术

赵 爽，李曙光，林正良

(1.中国石化西南油气分公司 勘探开发研究院，四川 成都 610095;2.中国石化 石油物探技术研究院，江苏 南京 211103)

1 引 言

目前，国内页岩气的勘探开发规模越来越大[1]，国内首个商业开发的大型页岩气田——中石化涪陵页岩气田，已于2020年5月份累产突破300×108m3。页岩气作为一种非常规气藏，必须经过水力压裂人工改造才能获得商业产能。而压裂人工改造的效果，除了与压裂改造的规模及强度相关外，与页岩储层自身的工程属性，即工程“甜点”参数的情况也直接相关。目前用来评价页岩储层的工程“甜点”参数，主要包括页岩储层的脆性、地层压力及地应力等参数。页岩的脆性是页岩的岩石属性，表明页岩在外力作用下发生破裂的难易程度；页岩的地层压力表明了页岩储层孔隙的内生压力，反映了页岩储层的内在能量，在一定程度上影响水力压裂时的难度；页岩储层的地应力方向及最大最小应力差，对页岩压裂改造成缝的缝网复杂性有较大的影响，是当前页岩气水平井轨迹设计及压裂施工重点考虑的参数。

通过地球物理预测可以实现这些参数的求取。地球物理在页岩气勘探开发中的作用不可替代，通过地震资料解释及反演，确定页岩储层的平面分布、优质页岩品质及埋深，是进行页岩气评价选区、井位部署的基础[2]。对反映优质页岩品质的页岩厚度、有机质含量、孔隙度等参数，可以通过地震反演，结合阻抗或密度等参数与相关参数的交会关系进行求取，方法已较为成熟[3]；但是对于反映页岩储层工程“甜点”的脆性、地层压力与地应力等参数，依靠常规的地震反演无法获取，其方法技术较为复杂。本文对这些工程“甜点”参数的地球物理预测方法进行论述和实践，以川南WY地区为例，基于压裂改造是否易于压开、压开是否易于成复杂网状缝，针对页岩储层脆性、地层压力、地应力等工程“甜点”参数开展地球物理预测，形成相应的技术系列，为深层页岩气水平井的部署论证及压裂设计提供依据。

2 页岩储层特征

川南深层五峰—龙马溪组页岩气资源丰富，针对3 500 m以深五峰—龙马溪组页岩气，中石化、中石油均开展了深入的研究[4]。川南深层奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩，岩性主要为浅灰色、灰绿色、灰黑色页岩，其中龙马溪组分为3段，自下而上为龙一段、龙二段和龙三段，而龙一段为主要页岩储层段。内部细分分为9个小层，①号小层对应五峰组，②～⑨小层对应龙一段，以①～④小层最为优质。

研究认为，川南深层WY地区五峰—龙马溪组以陆棚相沉积为主。①～④号小层为深水陆棚相，具有富碳高硅特征，笔石极发育，TOC(Total Organic Carton,TOC)含量大于2 %，有机质成熟度大于2.0 %，储层物性和含气性明显优于上部地层；矿物组分包括黏土、石英、方解石、白云石、黄铁矿和斜长石，主要成分为黏土、石英、方解石和白云石，体积分数之和可占总矿物的80 %～98 %，表现为富硅质页岩。

图1 WY地区某井五峰-龙马溪组页岩储层特征

3 工程“甜点”参数预测方法

3.1 脆性系数

当岩石受力发生较小的塑性变形后，外力达到某个极限值时突破破裂，破裂时以弹性能量的形式释放能量，这种性质称为岩石脆性，一般采用脆性系数进行岩石脆性强弱的描述[5]。岩石的脆性矿物成分可以表达岩石脆性系数，地球物理一般利用岩石弹性参数进行脆性系数的计算。Rickman等利用杨氏模量和泊松比，通过归一化分别计算杨氏模量脆性和泊松比脆性[6-8]，然后综合考虑两者计算平均值进行脆性系数的表达，即：

(1)

其中，EBI为杨氏模量脆性，E、EMIN和EMAX分别为杨氏模量及其最小值和最大值；μBI为泊松比脆性，μ、μMIN和μMAX分别为泊松比及其最小值和最大值；BI表示岩石脆性系数。具体计算过程中，EMIN、EMAX和μMIN、μMAX根据不同地区的实测及计算数据统计得到。脆性系数BI越大，则岩石在受力时越容易发生破裂。相对高脆性的页岩储层，在进行压裂改造时相对容易破裂,从而在页岩内形成裂缝。

实际工作发现，高脆性的页岩并不一定为最优质的页岩储层。比如，在页岩石英含量一定的情况下，页岩的有机质含量增加，页岩的杨氏模量会降低，脆性则下降；孔隙度φ增加也会导致页岩脆性下降，见图2(a)和图2(b)。因此希望能有一种脆性表达，可以将高孔隙、高有机质的页岩含气富集性与页岩易压裂性统一。E/λ作为一种新的脆性系数表达方式，可以达到上述目标，其表达式为：

(4)

由图2可见，随着石英含量的增加，E/λ增加，孔隙度也增加。另外，随着有机质含量的增加，E/λ也增加。因此，E/λ脆性系数避免了页岩孔隙度、有机质含量、含流体情况等对页岩弹性参数的影响，综合指示了页岩储层的含气性及易压性，是一个地质工程双“甜点”参数。通过地震反演弹性参数[9]，利用反演结果计算E/λ脆性，即可进行三维脆性“甜点”的评价。

图2 石英、有机质含量及孔隙度变化与脆性关系

3.2 地层压力

传统的Eaton方程法和等效深度法作为异常压力预测的经典方法，在使用前必须确定沉积物正常压实时其地球物理参数随埋藏深度的变化关系，即正常压实趋势线[10]。而根据实测压力数据点来拟合压实趋势线的传统方法具有较强的主观性和随意性，对于缺少实际压力资料的地区难以适用。近年来业内提出一种名为CPS(Clay Plus Silt)的泥页岩岩石物理模型，基于该模型得到的压实趋势线进行压力预测具有更高的精度[11-13]。但是，该模型仍没有考虑页岩中有机质的影响。

对模型进行改进，依然假设黏土与孔隙流体构成湿黏土混合物，而石英、长石、方解石、黄铁矿等硬性矿物组成砂质混合物。不同的是，模型的构成组分由原来的湿黏土—砂质混合物两相变为湿黏土-砂质混合物-有机质三相。相比原模型中采用微分等效介质理论(DEM模型,Differential Equivalent Medium Model)来求取两相混合物的等效弹性张量，改进模型中选用Backus平均公式来求取湿黏土-砂质混合物-有机质三相所构成的等效介质。而Backus平均公式，由于其具有的显式表达形式，较需要迭代求解的DEM模型具有更高的计算效率，已被不同学者用在富含有机质页岩的岩石物理建模流程中[14]。图3显示了基于改进的CPS模型的页岩气单井地层压力预测流程图。

采用基于改进CPS模型的单井地层压力预测流程对目标工区进行压力预测，降低对实测压力数据的依赖，同时保证压力预测的精度。基于单井地层压力预测，确定工区地层压力预测模型及相关系数：

P=POV-(POV-PHY)(V/Vnct)n

(5)

可以看出，地震地层压力预测的关键是要获得准确的上覆地层压力POV，静水压力PHY和常压趋势下的背景速度场Vnct，然后根据地震反演获取的速度场，利用单井压力预测时构建的压力预测模型进行地层压力预测。

3.3 地应力

3.3.1 最大水平主应力方向

地层最大主应力方向是指导压裂工程设计的重要的参数之一，对水力压裂改造效果的影响较大，国内外大量学者在页岩气勘探开发中将主应力方向作为应力场研究的重点[15-21]。在主应力较为明显的情况下，最大主应力方向与裂缝发育方位基本一致，因此，求取裂缝发育方位即可得知最大主应力方向[22-25]。AVAZ(Amplitue Versus Azmuith, AVAZ)特征分析是获得裂缝主方位即裂缝对称轴方位角的重要途径，考虑裂缝对称轴影响的HTI(Horizontal Transverse Isotropy,HTI)介质反射系数近似公式如下所示：

(6)

式中，φsym为裂缝对称轴的方位角。

假设，目前已有三个方位φ1、φ2和φ3的叠前角度道集，对三个方位的叠前道集分别进行AVO(Amplitude Variations Offset,AVO)特征分析，提取出的截距和梯度属性为：P1、G1，P2、G2及P3、G3。理论上，不同方位的AVO截距属性应该相等，即：P1=P2=P3，同时各向同性梯度项Giso也应相同。据此，裂缝方位对称轴φsym的计算公式可表示为：

(7)

其中，D为G3-G1和G2-G1结果相除，即

(8)

3.3.2 最大最小水平主应力差(DHSR)

研究表明，最大与最小水平应力变化差与最大水平应力的比值(DHSR，Differential Horizontal Stress Ratio)是评价页岩储层是否能够压裂改造形成复杂缝网的参数。DHSR的计算如公式(20)所示：

(9)

其中，E为杨式模量;μ为泊松比;σH为水平最大应力;σh为水平最小应力;ZN为裂缝法向柔度。

从式(9)可以看出，DHSR与垂直方向的应力σv并不相关，因此在DHSR计算过程中无需已知上覆地层压力的大小。通常情况下，如果DHSR数值较小，表明该页岩储层比较适于压裂开发，易于形成复杂裂缝网。

已知Schoenberg线性滑动模型中裂缝法向柔度ZN和切向柔度ZT与裂缝法向参数ΔN和切向参数ΔT之间的关系式：

(10)

(11)

从公式(10)和公式(11)中可以看出，ZN单独与ΔN相关，ZT单独与ΔT相关，因此通过地震反演预测得到裂缝参数ΔN和ΔT之后，可以求解裂缝柔度ZN和ZT，进而获得页岩储层的DHSR参数。

4 工程“甜点”参数地震预测

4.1 脆性地震预测

针对孔隙度较高的页岩含气区应用E/λ脆性进行脆性表征。通过反演得到杨氏模量、泊松比的基础上进行E/λ计算，从图4可以看出脆性预测结果稳定性高，龙一段的优质页岩层刻画清晰。

图4 五峰—龙马溪组脆性地震预测剖面

单井计算结果可见④号小层为一个明显的脆性变化界面，其中⑤～⑥号小层脆性相对较小，⑥号小层往上脆性逐渐减小，钻井揭示与地震预测的结果一致(图5)。

图5 WY地区五峰-龙马溪组过井脆性预测剖面

纵向上龙马溪组下部①～④号小层脆性指数较高，这同页岩储层本身硅质含量较高密切相关，脆性最高是底部①～②号小层段页岩，硅质含量分别为66.09 %、62.44 %，往上⑤⑥号小层硅质含量逐渐降低为45 %左右，脆性参数剖面很好地指示了脆性矿物含量的相对高低。五峰组—龙一段下部沉积期，随着古水深逐渐变浅，硅质含量减少，进而导致储层的脆性也降低。龙一段顶部、龙二段及龙三段沉积期，随着水体进一步变浅，地层中黏土矿物含量增加，从而导致地层脆性减弱。这与该区的区域沉积演化认识是吻合的。在测井解释上,该地区龙马溪组页岩储层的脆性矿物含量(硅质)也从下往上逐渐降低。

4.2 地层压力地震预测

在获得静水压力、上覆地层压力、常压背景速度场的情况下，基于叠前反演获得的速度场，利用单井压力预测时构建的压力预测模型进行地层压力预测，将地层压力预测结果与静水压力进行比值计算,得到地层压力系数，其结果如图6所示。可以看出，①～④优质页岩储层地层压力系数介于1.2～2.2之间，⑤～⑨页岩储层压力系数介于1.2～2.0之间。深凹区压力系数大，保存条件比隆起区好。龙马溪组底部地层压力明显偏高，属于超压页岩气藏。

图6 五峰—龙马溪组地层压力系数地震预测剖面

4.3 地应力地震预测

在叠前分方位偏移处理的基础上，利用叠前道集进行地应力预测，结果表明WY地区最大水平主应力方向为北东东向—近东西向(图7)。在断层两侧局部应力方向有小范围变化，最大水平主应力方向为近东西方向，主体区介于70°～89°之间，地应力方向受断裂及构造影响大。根据工区内电成像测井和偶极声波测井资料分析，在龙马溪组储层段的诱导缝欠发育，井眼崩落不明显，各向异性微弱，且方位不稳定，但总体反映出地应力方向为北东东—东西向，与区域应力场基本吻合。

图7 WY地区龙一段DHSR与地应力方向预测结果

水平应力变化率(DHSR)的预测结果显示，①～④小层DHSR介于0.12～0.15之间(图8)。受研究区构造形态以及断裂的影响，隆起区应力释放作用，DHSR相对于深凹区较小。在地层隆起区由于应力释放，DHSR相对减小；而工区内深凹陷区，应力相对集中以及地层埋深的加大，DHSR相对较大。

图8 WY地区五峰—龙马溪组DHSR预测剖面

5 结 论

1)页岩储层的厚度、有机质含量、孔隙度、含气量等参数，反映页岩的地质“甜点”，是页岩气勘探阶段选区、选层的重要标准，在页岩气有利区、有利小层基本落实的情况下，页岩的地质“甜点”参数相对稳定，一定范围内一般变化不大，此时页岩储层的工程"甜点"就是影响页岩储层压裂改造效果的关键地质因素。

2)页岩脆性、地层压力及地应力三个参数，反映出页岩储层在水力压裂下岩石发生破裂的难易程度、地层内在压力对抗压裂的强度以及压裂成缝网的复杂程度。以高质量的地震反演为基础，通过E/λ预测页岩脆性系数，利用改进的CPS模型预测地层压力，基于线性滑动理论预测地应力，实现页岩储层的脆性、地层压力、地应力三个关键参数的地震预测，完成三维空间的页岩工程“甜点”评价，有效指导页岩气水平井的论证部署、测试选层、压裂设计。

3)通过川南深层五峰—龙马溪组页岩储层工程“甜点”地震预测，建立了页岩气工程“甜点”预测技术系列，为页岩气的地质—工程一体化研究提供了关键参数，是实现页岩气高质量勘探和高效开发的重要支撑，为国内深层页岩气藏的研究提供了经验。