玛湖凹陷风城组页岩油地质工程甜点地震预测方法及应用

2022-11-21于江龙陈刚吴俊军李维杨森唐廷明

新疆石油地质 2022年6期

于江龙，陈刚，吴俊军，李维，杨森，唐廷明

（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）

近年来，随着非常规油气勘探的不断深入，页岩油已成为非常规油气勘探的重点领域。目前，准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩油勘探已获得进展，玛湖凹陷下二叠统风城组页岩油正成为准噶尔盆地陆相页岩油勘探新的潜力领域[1]。玛湖凹陷风南7 井、风南14 井、玛页1 井等井均在风城组获得工业油流，展现了准噶尔盆地下二叠统风城组陆相页岩油丰富的资源潜力。

甜点预测对页岩油勘探开发至关重要，所谓甜点，即在致密储集层背景下，经压裂改造后能够获得较高工业产能的优质储集层发育区[2]。近年来，页岩油甜点的主控地质因素研究得到越来越多的关注。在主控因素分析基础上，页岩油甜点的评价与优选成为生产中需要解决的关键问题。页岩油甜点的评价与优选主要采用地质评价、地震预测和地震地质一体化。页岩油甜点的地质评价主要以地质资料为依据，从烃源岩品质、储集层品质、脆性指数等方面开展评价工作，如利用烃源岩特征、岩性、物性、含油性、电性、脆性和地应力各向异性进行页岩油甜点评价的七性评价方法，是目前中国页岩油评价的主要方法[3]；页岩油甜点的地震预测主要依据地震信息，通过地震岩石物理分析优选出地震弹性参数，再运用地震弹性参数反演，获得页岩油甜点分布的预测结果[4]；地震地质一体化的页岩油甜点评价方法以地震信息为依据，以地质信息为约束条件，建立页岩油甜点评价与优选标准[5]。

针对玛湖凹陷风城组甜点预测，前人已做过很多工作，如对风城组页岩油发育的主控因素进行分析总结，认为风城组发育优质烃源岩，其岩性、物性及裂缝发育程度共同决定了页岩油甜点分布，联合地震多属性、波阻抗反演、随机模拟反演等技术预测了风三段优势甜点发育区[6]；利用OVT 域偏移数据进行风三段白云质岩储集层预测，认为甜点主要发育于储集层厚度大、脆性强及高压的叠合区域，运用不同方位角叠前偏移数据预测白云质岩储集层厚度及脆性，利用有效应力与纵横波速度关系预测异常压力区[7]；针对玛湖凹陷风二段地震振幅较弱且连续性差导致甜点预测异常的现象，采用基于属性建模的地震正反演联合方法，证实了存在2 个甜点，并利用分频均方根振幅属性预测了甜点的发育范围[8]。前人倾向于地质甜点预测，对工程甜点预测还需进一步探索。

针对准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩油储集层，首先明确了储集层地质甜点与工程甜点的特征，总结了甜点发育的主控因素，优选岩性、脆性指数及水平主应力差作为地质工程甜点预测的主控因素，利用叠前同时反演技术，结合岩相概率分析、Rickman 脆性指数法及组合弹簧模型，建立了一套以叠前同时反演为基础的地质工程甜点预测流程，预测了玛湖凹陷风三段底部地质工程甜点有利区。

1 区域地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，面积近5 000 km2，东南侧分布有英西凸起、夏盐凸起和达巴松凸起，西南接中拐凸起，西侧为克百断裂带，北部为乌夏断裂带（图1）。研究区位于玛湖凹陷北部，东南邻近玛湖凹陷沉积中心，处于乌夏断裂带与玛湖凹陷斜坡区，目的层下二叠统风城组埋深为4 000～8 000 m。发育一套沉积于碱湖环境，以半封闭深湖—半深湖沉积为主，受机械、化学、火山等沉积作用的混积岩，岩石类型复杂多样，总沉积厚度为800～1 800 m。风城组是准噶尔盆地玛湖凹陷的主力烃源岩层，自下而上划分为风一段、风二段和风三段，烃源岩全层段发育，风一段、风三段发育粉砂岩类和白云质岩类甜点，风二段发育白云质岩类甜点[9]，风一段局部发育火山岩。

图1 研究区构造位置Fig.1.Structural location of the study area

2 甜点特征

玛湖凹陷风城组储集层岩性复杂，白云质岩、碎屑岩、火山岩等多种岩石类型共存，主要为陆相碎屑岩、爆发相火山岩和湖盆内化学沉积碳酸盐岩的细粒混积岩。风城组沉积中心在研究区西部，为深湖—半深湖相沉积环境，水体安静，碳酸盐岩类较发育，是非常规页岩储集层的集中发育区。研究区东部为扇三角洲沉积，是常规碎屑岩储集层的集中发育区。由于裂隙式火山喷发，风城组底部局部发育爆发相火山岩。通过岩心观察、岩石薄片鉴定等方法，将研究区风城组储集层岩性划分为火山岩、砂砾岩、白云质粉砂岩、白云质细粉砂岩和泥岩。

风城组储集层致密，孔隙度为0.10%～13.60%，平均为4.61%；渗透率为0.010～13.800 mD，平均为0.134 mD，为典型的页岩油储集层特征，页岩油的开发很大程度上依赖于大规模的压裂改造[10]。岩石脆性是页岩油储集层压裂改造需要考虑的重要岩石力学参数之一，脆性越好，形成的裂缝越复杂，从而能更有效地改造储集层[11-12]。水平主应力差是影响压裂裂缝形态的重要因素，水平主应力差越小，压裂后越易形成网状裂缝，有利于水平井压裂改造[13]。

综合以上分析，页岩油储集层物性普遍较差，白云质粉砂岩含油性最好，普遍以油浸和油斑为主，因此，白云质粉砂岩的分布范围，可认为是地质甜点的分布范围。在确定地质甜点分布范围的基础上，为有效改造储集层，需进行脆性指数和水平主应力差的预测，优选脆性指数高且水平主应力差小的区域，也就是工程甜点的范围。对研究区页岩油储集层地质工程甜点进行预测，以玛页1 井为例，目的层位于风三段底部，深度为4 593—4 617 m，厚度为24 m，在地震剖面上位于强波谷的下半部分与波峰的上半部分，强波谷同相轴横向分布稳定，连续性好，可识别且可连续追踪。

3 甜点预测方法

3.1 叠前同时反演技术

叠前同时反演是将叠前共反射点道集按照远、中、近偏移距进行部分叠加，通过求解Zoeppritz 方程的近似公式，得到纵波速度、横波速度、波阻抗等参数，间接得到杨氏模量、泊松比等参数[14]。为了避免叠前反演中密度不准确的问题，分别基于Zoeppritz方程的Aki-Richards近似式及Fatti近似式作2次叠前同时反演，Aki-Richards近似式：

3.2 地质甜点预测方法

3.2.1 岩相对比分析

测井数据频率可达几万赫兹，测井解释岩相分辨率高，地震数据的频率（10～80 Hz）限制了地震预测岩相的尺度。地震预测岩相是测井解释岩相的综合反映，在一定深度范围内若某种测井解释岩相累计厚度最大或出现概率最高，地震预测岩相则表现为该岩相（图2）。研究区玛页1 井在4 593～4 617 m，测井解释岩相包含白云质粉砂岩、白云质细粉砂岩和砂砾岩，其中，白云质细粉砂岩累计厚度最大，地震预测岩相表现为白云质细粉砂岩。

图2 研究区测井解释岩相与地震预测岩相对比Fig.2.Lithofacies derived from logging interpretation and seismic prediction in the study area

3.2.2 岩石物理分析

通过钻井资料岩石物理分析，对比纵横波速度比、泊松比、杨氏模量、体积模量和纵波阻抗对玛湖凹陷风城组岩性的识别效果，其中，纵横波速度比与纵波阻抗（图3a）和泊松比与纵波阻抗（图3b）交会图对岩性的识别效果较好，杨氏模量与纵波阻抗（图3c）和体积模量与纵波阻抗（图3d）交会图对岩性的识别效果略差，考虑到由纵横波速度比得到泊松比误差的累加与运算量的增加，优选纵横波速度比和纵波阻抗作为识别岩性的敏感参数。因此，可以通过纵波阻抗与纵横波速度比交会识别风城组优势岩性白云质粉砂岩，这也体现了叠前同时反演在研究区风城组页岩油储集层岩性识别中的适用性。

图3 研究区岩性识别交会图Fig.3.Cross-plots of lithology identification in the study area

3.2.3 岩相概率分析

岩相概率分析技术是基于叠前同时反演获得的多个弹性参数体，在钻井资料的基础上，利用概率密度函数结合弹性参数反演结果，采用贝叶斯判定公式实现从弹性参数体转化为含地质信息的概率数据体，是将反演的弹性参数转化为地质结果的主要手段之一。针对玛湖凹陷风城组页岩油储集层，考虑岩石物理分析结果，优选纵波阻抗和纵横波速度比作为岩相概率分析的弹性参数体。利用测井解释岩相确定各个岩相先验概率分布（图4a），通过调整概率密度函数（图4b），使不同岩相得到区分，白云质粉砂岩与白云质细粉砂岩在交会图中部分重叠，调整岩性概率分析范围，使白云质粉砂岩与白云质细粉砂岩得到区分。白云质粉砂岩纵波阻抗为14 000～16 000 g/cm3·m/s 的概率较高，平均纵波阻抗为14 940 g/cm3·m/s，标准差为317；白云质细粉砂岩纵波阻抗为13 000～15 000 g/cm3·m/s的概率较高，平均纵波阻抗为13 930 g/cm3·m/s，标准差为246（图4c）。白云质粉砂岩纵横波速度比为1.60～1.80的概率较高，平均为1.70，标准差为0.038；白云质细粉砂岩纵横波速度比为1.65～1.84 的概率较高，平均为1.75，标准差为0.036（图4d）。因此，两者虽然存在部分重叠，但主体部分可以识别，满足岩相预测的要求。概率密度函数调整后，结合弹性参数反演结果，采用贝叶斯判定公式，对研究区风城组岩相进行定性解释，刻画平面优势岩相分布范围，实现地质甜点的地震预测。

图4 研究区岩相概率分布Fig.4.Lithofacies probability distribution in the study area

3.3 工程甜点预测方法

3.3.1 各向异性分析

陆相页岩油储集层由于沉积环境等因素的影响，其纵向上岩性变化相对频繁，表现出明显的各向异性。受频率范围影响，地震数据对页岩油储集层各向异性的反映受到限制，从正交偶极声波测井斯通利波数据中分别提取水平方向与垂直方向的纵波速度和横波速度，并将其滤波至80 Hz，使其与地震数据频率接近，水平方向与垂直方向的纵波速度基本重合，横波速度也基本重合（图5），因此，在地震数据频率范围内页岩油储集层的各向异性很弱，可以近似看作弹性各向同性介质。

图5 研究区纵横波速度各向异性分析Fig.5.Analysis on anisotropy of P-and S-wave velocities in the study area

3.3.2 脆性指数预测

页岩储集层与常规碎屑岩储集层相比，具有低孔低渗特征，覆压基质渗透率不大于0.1 mD，单井一般无自然产能或自然产能低于工业油流下限[15]，最有效的增产方法是通过人工压裂造缝来沟通天然裂缝和基质孔隙。岩石脆性是储集层改造需要考虑的重要岩石力学参数之一，反映岩石在一定条件下形成裂缝的能力，脆性越强，形成的裂缝越复杂[16]，从而有效改善页岩油储集层低渗情况，获得较高的单井产量。材料断裂或破坏前表现出极少或没有塑性形变的特征为脆性[17]。

脆性指数的预测主要有3 种方法[18-20]：①利用页岩中脆性矿物含量评价页岩脆性的方法，应用石英含量脆性指数公式求得页岩的脆性指数；②采用岩石力学实验方法，通过应力—应变曲线直接评价岩石脆性程度，如三轴应力实验；③利用地球物理及测井方法求取杨氏模量、泊松比等弹性力学参数，进而通过Rickman 脆性指数公式求得页岩的脆性指数。比较这3 种方法，岩石力学实验费用昂贵且实验周期长，所得结果不连续，在实际应用中有较大局限；脆性矿物含量评价页岩脆性方法简单易操作，但由于页岩矿物的多样性，导致用矿物含量来评价页岩脆性精度低。杨氏模量、泊松比等弹性力学参数更能反映岩石的脆性，利用地震与测井方法可快速预测研究区，尤其是井间的脆性变化情况。针对玛湖凹陷风城组页岩油储集层，基于叠前同时反演得到的纵横波速度比、纵波阻抗等数据体，利用岩石物理关系运算得到杨氏模量、泊松比等弹性参数体，再运用Rickman脆性指数公式计算研究区风城组脆性指数体，从而实现研究区脆性指数的地震预测。

Rickman脆性指数公式：

3.3.3 水平主应力差预测

前人提出了有物理基础的确定最小主应力的方法，该方法与泊松比有关[21]，并假设在沉积中，只考虑上覆压力的影响，地层只在垂向上产生应变，水平方向应变为0；有学者对该方法作了改进，假设地下岩层的地应力主要为上覆压力和水平方向构造应力，且水平方向构造应力与上覆压力呈正比，考虑了构造应力的影响，但没有考虑岩性对地应力的影响，适用于构造平缓区域[22-26]；对于构造运动比较剧烈的区域，水平主应力很大部分来源于地质构造运动产生的构造应力，不同性质的地层由于其抵抗外力的变形特点不同，因而其承受的构造应力也不相同，根据组合弹簧的构造运动模型推导的分层地应力计算模型，即组合弹簧模型[27]：

由于玛湖凹陷风城组经历多期强烈构造运动，选择组合弹簧模型作为地应力预测方法。上覆压力是由上覆岩层重量导致的应力，分析玛北地区多口井的密度和纵波阻抗发现，两者相关性好，由全层系纵波阻抗反演体可转换得到密度体，密度积分获得上覆压力；孔隙压力由Eaton 公式获得[28]。静态泊松比和静态杨氏模量由三轴应力实验获得的线性拟合公式，通过叠前同时反演得到的动态泊松比和动态杨氏模量转换得到，其中，静态杨氏模量与动态杨氏模量具有显著的线性关系（图6a），静态泊松比与动态泊松比的相关性略差（图6b）。利用声发射Kaiser 效应实验测得的水平主应力计算得到研究区风城组在最小水平主应力和最大水平主应力方向上的应变系数分别为0.584 81和0.825 34。

图6 研究区动静态弹性参数转换关系Fig.6.Relationships between dynamic and static elastic parameters in the study area

利用组合弹簧模型预测风城组储集层最大水平主应力、最小水平主应力及水平主应力差，与脆性指数结合，实现研究区工程甜点的地震预测。根据以上分析结果，建立了玛湖凹陷风城组页岩油储集层地质工程甜点预测流程（图7）。

图7 研究区地质工程甜点预测流程Fig.7.Process of predicting geological and engineering sweet spots in the study area

4 应用效果分析

4.1 地质甜点预测

研究区风三段底部白云质粉砂岩分布范围较广，主要位于西部（图8a），从西向东，岩性整体由白云质粉砂岩过渡为白云质细粉砂岩、砂砾岩，碳酸盐岩含量逐渐减少，陆源碎屑含量逐渐增多。沉积环境控制着碳酸盐岩的发育规模，风城组沉积中心位于研究区西部，沉积时水体较深且安静，早期火山喷发释放的大量Mg2+富集，为白云石化提供了良好的环境，因此，研究区西部细粒白云质岩类发育，东部逐渐远离风城组沉积中心，水体变浅，沉积环境从深湖相过渡到扇三角洲相，陆源碎屑供给增多，白云质岩类含量减少，以碎屑岩沉积为主，岩性预测结果与地质认识相吻合。A井处地震预测岩相与过A井岩相概率分析预测剖面吻合较好（图8b），证实了岩相概率分析预测岩相的准确性。研究区西部白云质粉砂岩连片发育，为地质甜点有利区，面积共135.5 km2。

图8 研究区风三段底部岩相预测结果Fig.8.Prediction of lithofacies at the bottom of Feng 3 member in the study area

4.2 工程甜点预测

研究区西部风三段底部整体脆性指数较高，大于0.60（图9a），且高脆性指数范围与白云质岩类发育范围对应性好，白云质含量的增加有助于提高页岩油储集层的脆性。将白云质粉砂岩发育范围叠加在脆性指数预测平面分布图上，区域①脆性最好，脆性指数为0.75～0.90；区域②脆性较好，脆性指数为0.70～0.80；区域③脆性相对略差，脆性指数为0.60～0.75。将A 井预测脆性指数与由岩石三轴抗压测试获得的脆性指数对比（图9b），两者一致性好，证实了脆性指数预测的准确性。

图9 研究区风三段底部脆性指数预测结果Fig.9.Prediction of brittleness index at the bottom of Feng 3 member in the study area

根据上述地应力预测方法，首先利用密度积分得到上覆压力，利用Eaton公式计算孔隙压力，基于叠前同时反演间接得到静态杨氏模量、静态泊松比等弹性参数体，在此基础上，由（4）式和（5）式计算得到最小水平主应力、最大水平主应力及水平主应力差。最小水平主应力和最大水平主应力纵向上与深度有一定的相关性，深度越深，最小水平主应力和最大水平主应力越大（图10），横向上水平主应力与地层构造形态也存在一定的相关性。A 井处水平主应力为测井计算并经过Kaiser 实验实测值校正后的结果，与最小水平主应力和最大水平主应力预测剖面吻合性好，证实了最小水平主应力和最大水平主应力预测的准确性。

图10 研究区风城组地应力预测剖面（剖面位置见图8a）Fig.10.Profile of predicted in-situ stress for the Fengcheng formation in the study area(profile location is shown in Fig.8a)

研究区风三段底部最小水平主应力分布呈台阶状（图11a），第一台阶位于构造高部位，深度为4 100～4 900 m，最小水平主应力相对较小，小于90.0 MPa；第二台阶深度为5 100～6 000 m，最小水平主应力中等，为95.0～115.0 MPa；第三台阶为构造低部位，深度为6 900～8 100 m，最小水平主应力相对较大，大于120.0 MPa，最小水平主应力的分布符合研究区风三段底部的构造趋势，最大水平主应力分布与最小水平主应力相似。目前，研究区内钻遇风城组的井大部分部署在第一台阶，深度偏小，最小水平主应力相对较小。研究区风三段底部整体水平主应力差较小，为5.5～10.5 MPa，研究区西部水平主应力差相对偏高，东部水平主应力差相对偏低，水平主应力差的分布与构造形态关系不明显，将白云质粉砂岩发育范围叠加在水平主应力差预测平面图上，区域①和区域②水平主应力差相对偏大，为8.0～10.0 MPa；区域③水平主应力差相对较小，为7.0～9.0 MPa（图11b）。

图11 研究区风三段底部地应力预测立体图Fig.11.3D view of predicted in-situ stress at the bottom of Feng 3 member in the study area

在地质工程甜点预测的基础上，在A 井西北方向风三段底部部署了水平井B 井，水平段长1 000 m，已完成压裂，压裂段共28 级，用液量为30 119 m3，加砂量为1 464 m3，共排液5 466 m3，返排率为18.1%，试油最高日产油108.00 m3。统计每级压裂段的地面瞬时停泵压力，与水平井轨迹处预测最小水平主应力对比（图12），两者变化趋势相似，相差约45.0 MPa。工程上最小水平主应力上限等效于地面瞬时停泵压力与液柱压力之和，水平井风三段底部平均深度为4 555 m，此时液柱压力约为46.0 MPa，与两者差值吻合，进一步验证了地应力预测的准确性。

图12 研究区水平井B井风三段底部最小水平主应力与瞬时停泵压力对比Fig.12.Comparison of the minimum horizontal principal stress and the instantaneous pump-off pressure at the bottom of Feng 3 member in horizontal well B in the study area

研究区C井在风三段压裂，用液强度为26.18 m3/m，加砂强度为2.14 m3/m，试油获日产油2.03 m3；D 井在风三段压裂，用液强度为48.70 m3/m，加砂强度为2.95 m3/m，试油获日产油16.93 m3。D 井位于白云质粉砂岩发育区，含油性好，C 井位于白云质细粉砂岩发育区，含油性略差；D 井脆性指数为0.80，高于C 井脆性指数0.65；D井水平主应力差为9.5 MPa，大于C井水平主应力差8.5 MPa。结合岩性、脆性指数及水平主应力差预测结果，区域①白云质粉砂岩发育，脆性最好，水平主应力差相对偏大；区域②白云质粉砂岩发育，脆性中等，水平主应力差相对偏大；区域③白云质粉砂岩发育，脆性略差，水平主应力差相对偏小。

5 结论

（1）建立了一套以叠前同时反演为基础的地质工程甜点预测流程，并预测了玛湖凹陷风三段底部地质工程甜点有利区。

（2）岩相概率分析的岩相预测结果与地质认识及测井岩相解释结果吻合，实现了玛湖凹陷风城组岩相定性预测，刻画了优势岩性白云质粉砂岩的分布范围，预测了地质甜点有利区，为利用叠前地震数据进行岩相预测提供了支撑。

（3）Rickman 脆性指数法可基于叠前同时反演快速预测研究区脆性指数，预测结果与岩石三轴抗压测试结果吻合，从而刻画了脆性发育区，为预测工程甜点有利区提供支持。组合弹簧模型地应力预测方法可实现地震频率范围内的各向同性介质地应力预测，预测结果与Kaiser 实验实测值吻合，其与脆性指数结合，在地质甜点发育区优选工程甜点分布范围，优选储集层压裂改造有利区，为页岩油勘探开发部署提供指导。

（4）随着钻探井位的不断增加，将微地震等技术应用于监测压裂效果，下一步将细化研究脆性、地应力等对储集层压裂改造的影响，深化地质工程甜点的认识，更好地支撑页岩油勘探开发。

符号注释

BI——脆性指数，无量纲；

E——动态杨氏模量，GPa；

Emax——最大动态杨氏模量，GPa；

Emin——最小动态杨氏模量，GPa；

Es——静态杨氏模量，GPa；

Ip——纵波阻抗，g/cm3·m/s；

Is——横波阻抗，g/cm3·m/s；

pp——孔隙压力，MPa；

pv——上覆压力，MPa；

RppA(θ)——Aki-Richards 近似式推导的纵波反射系数，无量纲；