四川盆地元坝地区大安寨段页岩气“甜点”地震预测

彭嫦姿 彭 俊 陈燕辉 张汉荣

1.中国石化勘探南方分公司 2.长江大学地球环境与水资源学院 3.中国石油川庆钻探工程公司地球物理勘探公司

近年来，北美页岩气的成功主要是定向水平井的钻井技术和分段压裂技术的进步，同时，建立了页岩气的地质评价标准，主要包括页岩储层的埋深、厚度、有机碳的含量（TOC）、脆性矿物的含量（可压性）等指标［1－3］，在页岩油气的勘探开发中，水平钻井和压裂施工费用较高，基于页岩气的地质特征及水平钻井和压裂施工工程难度大等特点，页岩气储层的地震预测思路与常规油气藏相比发生了重大的转变，即跳出常规油气勘探“找圈闭”的定式思维，本着“地震地质服务于工程”的全新理念，积极寻找以“生烃能力强、岩石可破裂性高、裂缝发育、地应力非均质性弱”为要义的非常规油气“甜点”区［4］，为钻井和压裂等提供依据。

四川盆地元坝地区下侏罗统大安寨段二亚段富有机质泥页岩，分布范围广泛且稳定，厚度较大（30～50 m），且TOC较高，平均值为1.06%，该段油气显示活跃，钻井证实YB101、YB102、YB11、YB5、YB21井等5口井在大安寨段二亚段获中高产工业气流。因此，通过页岩气“甜点”地震预测技术的研究，有效地识别出大安寨段二亚段的有利沉积相带和页岩气勘探有利区［2］，为优化页岩气定向水平钻井和储层压裂改造的部署提供技术支撑。

1 页岩气“甜点”地震预测

1.1 大安寨段沉积相特征

大安寨段时期周缘山系活动处于一个平静期，大型河流不发育，进入湖盆的陆源碎屑较少，水体较清澈，加上温暖的气候条件，双壳、腹足类等生物大量繁衍，从而在浅湖相带广泛发育介壳滩，形成了侏罗系特别的一种沉积。大安寨段经历了一个完整的湖进—湖退过程，大安寨段早期（大三时期）开始湖侵，这次湖侵是早侏罗世最大的一次湖侵；到大安寨段中期（大二时期），湖水范围达到最广，元坝地区主要发育浅湖—半深湖沉积；此后开始湖退，到大安寨段晚期（大一时期），元坝地区演化为滨湖—浅湖沉积。因此大安寨段二亚段（大二时期）的浅湖—半深湖相是暗色泥页岩发育的有利相带。

1.2 优质泥页岩厚度地震预测技术

1.2.1 泥页岩的精细标定及地震响应特征分析

泥页岩的精细标定是泥页岩层段地震预测的基础。根据泥页岩层段的岩性、物性特征，将泥页岩地质层位准确地标定在地震剖面上。通过对YB101、YB102、YB21等井大安寨段二亚段泥页岩层段进行标定，表明大安寨段二亚段泥页岩的地震响应特征为：顶部表现为波谷反射、底部为中强振幅波峰反射、中低频、较连续的反射特征，同时优质泥页岩表现为有机质含量高、自然伽马数值点高、低波阻抗的特征［5］。

1.2.2 地震相分析技术

地震相分析采用了Stratimagic地震相分析软件。该软件系统运用人工神经网络分析技术、统计聚类的分级分类技术、主组分分析（PCA）技术，对地震属性及所反映的地质特征进行分析解释，实现地震道、多属性数据体以及变时窗／深度和等时窗／深度的层段内的地震相自动划分，预测有利的沉积相带。

图1为大安寨段二亚段地震相分析图，从图中可以看出，大安寨段二亚段的地震相全区基本分为3大类：①从南至北依次为第Ⅰ类蓝色为主（图中白色虚线以南区域）。强振幅、低频、较连续平行地震相，主要分布在研究区的南部YB16、YB9井区，北部边界呈不规则状，对应半深湖相带，暗色泥页岩发育。②第Ⅱ类红—黄色夹淡绿色（图中黄色虚线与白色虚线所夹区域）。低频、中强振幅较连续平行地震相，分布在研究区的中部YB21、YB102井及以东区域，总体呈近东西方向展布，对应浅湖相带，发育介屑灰岩和暗色泥页岩互层。③第Ⅲ类淡蓝色—蓝色—绿色（图中黄色虚线以北区域）。中高频、中弱振幅较连续、平行反射地震相，分布在研究区的北部YB6井区，总体呈近东西方向展布，对应滨浅湖相相带，主要沉积物为砂泥岩。分析认为Ⅰ、Ⅱ类地震相分布区为暗色泥页岩发育的有利沉积相区。

图1 元坝地区大安寨段二亚段地震相平面图

1.2.3 泥页岩层段多参数地震反演

1）泥页岩层段高分辨率波阻抗反演

图2 过YB6－YB9井波阻抗反演剖面图

井约束波阻抗反演是利用叠后地震资料进行反演的一种技术，根据反演方法的试验及反演效果，选择Jason反演软件的稀疏脉冲反演模块开展高分辨率波阻抗反演［6］。从波阻抗反演剖面图（图2）可以看出：波阻抗反演剖面不仅提高了分辨率，而且反映的地质现象更加丰富，与实钻情况基本一致；大安寨段二亚段滨湖相为砂泥岩互层沉积，波阻抗表现为中高阻抗（浅蓝—绿—红色）；浅湖相为介屑灰岩与暗色泥页岩互层沉积，石灰岩表现为高波阻抗（红黄色），泥岩表现为低波阻抗（蓝色）；半深湖相大多为泥页岩沉积，表现为低波阻抗特征（蓝色）。

2）泥页岩层段自然伽马反演

大安寨段二亚段主要发育介屑灰岩、砂岩和泥岩，寻找富含有机质暗色泥页岩的展布是本次研究的重要目的，波阻抗统计直方图上泥岩和其他岩性（主要是砂岩和石灰岩）的波阻抗有重叠，单纯的应用波阻抗特征不能很好地区分出泥岩和其他岩性，从目的层段所有井的自然伽马与波阻抗的统计分析图可以看出（图3－a）：自然伽马能够较好地区分出泥岩和其他岩性，分析认为GR＝66API可以作为剔除石灰岩和砂岩的界限。基本思路：将波阻抗数据体作为软约束开展伽马随机反演，根据井统计结果设置伽马门槛值，对波阻抗数据体进行滤波，去除低伽马灰岩和砂岩，得到反映纯泥页岩的波阻抗数据体。

图3 大安寨段二亚段特征参数统计与连井自然伽马反演剖面图

自然伽马反演是采用Jason软件的StatMod模块实现的，StatMod随机反演提供了基于由StatMod Modeling得出地质统计信息的三维油藏模型（如岩性模拟体、伽马反演数据体）。这些模型除满足地震、地质和测井数据外，还满足地质统计变量的空间分布规律，反演数据体的分辨率得到有效提高（图3－b）。同时从图3－b中可以看出自然伽马反演的结果与井吻合较好。通过伽马反演，剔除反演波阻抗数据体中石灰岩和砂岩的影响，泥页岩储层的地震预测更为精细。

图4 大安寨段二亚段TOC与铀交会图和连井铀曲线反演剖面图

3）泥页岩层段铀曲线反演

从井的统计分析发现，泥页岩TOC与铀具有很好的正相关（图4－a），因此利用TOC与铀的正相关关系，首先开展铀曲线反演，再用铀反演结果和TOC的正相关关系及井的对比分析，预测TOC高值区。

铀曲线反演是在波阻抗反演的基础上通过E－merge多属性反演得到，Emerge实际上是寻找地震多属性与目标曲线的关系（内部属性和外部属性），其中波阻抗作为外部属性输入，同时可以计算复合地震道的一系列内部地震属性，通过步聪递归法确定最佳的属性组合，使用相关度最大的属性预测和估算目标曲线的属性特征，达到预测曲线数据体的目的。图4－b为JL5－YB6－YB21－YB102井的连井铀反演剖面。从图4－b中可以看出U反演的结果与井吻合较好。

4）泥页岩层段TOC和优质泥页岩厚度预测

利用TOC与铀的正相关关系，将铀曲线数据体转换成TOC数据体，开展TOC的预测。图5－a为大安寨段二亚段TOC预测平面图，从图中可以看出，暗色泥页岩TOC由西北向东南，东北向西南逐渐增大，浅湖相—半深湖相TOC大于1%。

根据TOC测井解释成果认为：TOC＞1%的暗色泥页岩为有效泥页岩即优质泥页岩。根据TOC反演结果，以小于11 600 ［（m／s）·（g／cm3）］作为大安寨段二亚段泥页岩的波阻抗门槛值，以TOC＞1.0为优质泥页岩下限，应用去掉石灰岩及砂岩影响的纯泥页岩波阻抗体，在大安寨段二亚段顶底界时窗内提取满足TOC＞1.0 和波阻抗小于11 600［（m／s）·（g／cm3）］的“相对低波阻抗”异常的样点值，得到优质泥页岩的时间厚度网格数据，再与速度网格相乘求得大安寨段二亚段优质泥页岩厚度（图5－b）。通过对比，预测结果与井吻合程度较高。从图5－b可以看出，大安寨段二亚段含气泥页岩厚度分布受沉积相带控制，泥页岩厚度从北往南，随滨湖到浅湖到半深湖，整体上逐渐增厚。元坝地区南部 YB11－YB10－YB4－YL17井一线以南泥页岩厚度较大，一般在30～50m之间；元坝地区西部 YB27－YB204－YB205－YB271井井区泥页岩厚度较薄，厚度一般小于30m。

1.3 泥页岩裂缝预测

1.3.1 应力场数值模拟技术

裂缝对页岩气的成藏具有非常重要的意义［7－8］。针对背斜等张裂缝的地层构造，从构造力学出发，利用地层的几何信息（构造面）、岩性信息（速度、密度）、岩石物理信息（泊松比、拉梅常数、剪切模量）等建立地质模型、力学模型和数学模型，运用三维有限差分数值模拟方法对地层的应力场进行模拟，研究构造、断层、地层岩性厚度、区域应力场等地质因素与构造裂缝分布的关系，计算地层面的曲率张量，变形张量和应力场张量，从而得到主曲率、主应变和主应力、主应力方向等参数来预测与构造有关的裂缝分布及发育程度。大安寨段二亚段应力分析显示了构造最终形成时期，主应力方向主要是北东向和北西向，张裂缝也主要发育在这两个方向上，而且靠近断层越近，裂缝越发育，结合区域构造分析，北西向的主应力，是由早期的燕山期运动所致，而北东向应力，则为后期的喜山运动所致。

1.3.2 曲率分析技术

构造作用是裂缝形成的关键因素。目前利用三维地震层位和三维地震数据计算出来的曲率属性，在预测小尺度的断层和裂缝中发挥了重要的作用。如果地层因受力变形越严重，其破裂程度可能越大，曲率值也应越高。由于曲率属性的检测尺度较小，对地层褶皱的敏感度比较高，可能受到噪音的影响，因此运用曲率体属性进行计算前，需要做滤波去噪等预处理工作，其成像效果更好，对断层以及微断裂的刻画更加清晰。图6为根据上述理论和方法提取的大安寨段二亚段曲率分析平面图，从图中可以看出，元坝地区自流井组大安寨段二亚段微裂缝较发育，钻井证实，YB21－YB101井区（白色虚线区）微裂缝发育，经测试YB21、YB101、YB102、YB11井获中高产工业气流。

图6 大安寨段二亚段曲率分析平面图

1.4 泥页岩有利压裂品质区预测

1.4.1 岩石物理敏感参数统计

从取心井YL4井大安寨段二亚段脆性矿物含量（石英含量）与弹性参数杨氏模量、泊松比交会分析认为杨氏模量与脆性矿物含量呈正相关，泊松比与脆性矿物含量呈负相关。因此通过叠前纵横波阻抗同时反演得到杨氏模量和泊松比数据体，进而计算出脆性指数，来预测有利压裂品质区［9－11］。

1.4.2 叠前纵、横波阻抗联合反演预测脆性指数

叠前纵横波阻抗联合反演是一种从部分角道集叠加数据体中同步反演出纵、横波阻抗和密度数据体的技术，利用该技术可以计算出杨氏模量、泊松比等弹性参数数据体，然后利用Rickman于2008年提出的基于弹性参数的脆性指数（Brittleness Index，简称BI）计算公式，根据元坝地区泥页岩实测岩石力学数据对Rickman提出的BI公式进行优化，利用杨氏模量和泊松比反演数据体计算得到的脆性指数反演数据体，能很好地预测元坝地区泥页岩的有利压裂区［12］。通常认为脆性指数大于30%时页岩脆性较好，图7为大安寨段二亚段脆性指数预测平面图，从图中可以看出，脆性指数在研究区的北部和中部为高值，均大于30%（绿色—黄红色区），为有利压裂品质区，便于后期压裂改造的实施；在南部脆性指数为低值（紫红色区），据元坝地区大安寨段沉积相特征，由北往南为滨湖到浅湖到半深湖相沉积，脆性矿物含量在滨湖到浅湖相区相对较高，而在南部的半深湖相相对较低，预测结果与实际情况吻合。

图7 脆性指数预测平面图

2 有利区带评价

评价思路和原则：针对元坝地区大安寨段湖相泥页岩具有时代新、脆性矿物含量较低以及非均质性强等特点，选择相应的评价参数，包括沉积相带、泥页岩埋藏深度、富有机质泥页岩厚度、有机碳含量、裂缝发育程度、可压裂品质等参数，同时参考国内外页岩气勘探开发目标优选的评价标准，并考虑到元坝地区大安寨段湖相页岩气的实际情况，建立了一套页岩气选区评价标准（表1），从而能够准确地优选出研究区有利勘探区带，落实页岩气的勘探“甜点”区域，为优化页岩气定向水平钻井和储层压裂改造的部署提供依据。

根据以上评价标准，综合沉积相、泥页岩分布、有机质丰度、物性特征、裂缝发育程度、岩性组合以及大安寨段油气显示和勘探成果，推定YB区块中部浅湖相与南部半深湖是大安寨页岩气勘探的有利相带，其岩性组合特征更有利于裂缝发育，其中富有机质泥页岩厚度大于30m、埋深小于4 200m的区域为大安寨段页岩气勘探有利地区，面积为1 719km2。

表1 元坝地区页岩气有利区优选评价标准表

3 结论

1）在沉积相和泥页岩地震响应特征研究的基础上，利用地震相分析技术，有效地识别出了大安寨段二亚段的有利沉积相带为中部浅湖相和南部半深湖相带，目前已有YB101、YB102、YB11、YB5、YB21井等5口井在大安寨段二亚段页岩层段中部浅湖相带获得中高产工业天然气流，南部半深湖—深湖相的YB9井获低产天然气流。

2）通过页岩气“甜点”地震预测技术的研究和元坝地区页岩气选区评价标准，预测出元坝地区大安寨段中部浅湖相区以及南部半深湖相区富有机质泥页岩厚度大于30m、埋深小于4 200m的区域为页岩气勘探有利区，面积为1 719km2，为优化页岩气定向水平钻井和储层压裂改造的部署提供依据，同时建立了一套页岩气“甜点”地震预测的方法技术。

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