裂缝型页岩储层DHSR预测方法研究

吴　昊,杨少春,宋　爽

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580)



裂缝型页岩储层DHSR预测方法研究

吴昊,杨少春,宋爽

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580)

摘要水平应力差异比是页岩储层地应力评价的重要参数,可从应力角度有效判断出压裂有利区,在页岩储层“甜点”预测中发挥着至关重要的作用。页岩储层裂缝较为发育,因此可将裂缝型页岩储层等效为具有水平对称轴的横向各项同性介质。在此基础上,根据方位叠前反演理论,结合等效各向异性介质方位反射特征,发展了一种基于方位地震数据的页岩储层水平应力差异比预测方法。模型试算结果表明,该方法具有较好的稳定性和精度,可较为准确地预测页岩储层水平应力差异比,为页岩储层有利压裂区及“甜点”区的寻找提供依据。

关键词水平应力差异比;地应力;“甜点”预测;方位叠前反演

随着常规油气资源的日渐紧缺,勘探开发难度逐渐加大,加之北美页岩气勘探开发获得的成功掀起了国内“非常规”的研究热潮,如同非常规油气理论存在于传统的石油地质理论之外,非常规储层也突破了传统常规储层的范畴。非常规储层主要包括致密砂岩储层和页岩储层,均以低孔隙度、低(特低)渗透率为重要特点,不受圈闭控制,往往源储共生、大面积连续分布和局部富集,对其进行勘探的过程需注重“甜点”区的识别[1-3]。周德华等[4]提出了页岩气“甜点”的评价体系、关键步骤及核心参数评价法和标准,并以四川盆地建南地区侏罗系为例,研究了页岩气储层“甜点”基本地质特征,预测了“甜点”分布规律。

在对非常规储层设计压裂改造时,需考虑在设计水平井方向时保证水平井的方向垂直于最大水平主应力,易于实现缝网沟通,保证其稳产。目前国内外常用的地应力测试方法包括:钻孔水压致裂地应力测试[5-11]、解除法地应力测试(空芯包体解除法和压磁应力解除法)、利用钻孔岩芯或测井资料的间接测试方法[12,13]及近年来快速发展起来的一种基于岩芯的非(滞,粘)弹性应变恢复(ASR,anelastic strain recovery)法的三维地应力测量方法[4-18]。然而,有关地应力在储层中的分布状况的研究还鲜有报道,裂缝型页岩储层地应力及其相关参数的预测方法还有待进一步研究。

研究结合裂缝型页岩储层的岩石物理特性,从裂缝型储层反射特征方程出发,构建了针对裂缝型页岩储层地应力敏感参数的方位各向异性弹性阻抗方程。然后根据叠前方位弹性阻抗反演方法,进行储层地应力敏感参数提取。最后根据地应力敏感参数与水平应力差异比(DHSR,differential horizontal stress ratio)的关系,进行裂缝型页岩储层DHSR预测。为页岩储层“甜点”区域的预测、储层压裂改造等提供有效依据。

1方法原理

DHSR表示储层水平方向上最大主应力与最小主应力的相对差异,这种差异越小,在压裂改造时越有利于压裂裂缝形成网状结构,提高储层连通性和开采效率。叠前反演是储层地震参数预测的一种有效手段,而方位弹性阻抗反演是针对非常规储层叠前反演最为有效的方法之一。发现了一种针对页岩储层DHSR预测的方位弹性阻抗反演方法,为页岩储层有利压裂区块选取提供了可靠的依据。

1.1一种新的各向异性反射系数方程

根据对实际页岩储层野外露头和取芯采样标本的观察可发现,页岩储层中多发于近垂直的裂缝群,因而该介质可近似等效为具有水平对称轴的各向同性(HTI,horizontal transverse isotropy)介质。Ruger[19]基于Thomsen弱各向异性理论推导了HTI介质方位反射系数近似公式:

(1)

Bakulin等[20]结合Thomsen弱各向异性理论和Schoenberg提出的线形滑动理论,研究了各向异性参数与裂缝弱度之间的关系,并给出裂缝弱度与各向异性参数之间的表达式,即

(2)

其中:ΔN为法向弱度;ΔT为切向弱度。

将式(2)带入式(1),在小入射角近似(即当入射角θ<30°时,sin2θtan2θ≈0)条件下,方位各向异性反射系数近似公式可以改写为

(gcos2φsin2θ)δΔT。

(3)

根据地震波传播动力学信息,可以建立杨氏模量、泊松比与纵、横波速度之间的直接关系式,即

(4)

进一步结合宗兆云等[21]推导的各向同性介质中基于杨氏模量和泊松比表示的反射系数近似公式,构建了基于杨氏模量、泊松比、密度以及法向弱度和切向弱度的反射系数近似方程:

[g(1-2g)cos2φsin2θ]δΔN+

(gcos2φsin2θ)δΔT,

(5)

1.2各向异性弹性阻抗方程推导

Connolly[22]提出了弹性阻抗的概念,并给出了从反射系数到弹性阻抗的详细推导过程。Whitcombe[23]发展了标准化的弹性阻抗方程,解决了不同角度弹性阻抗之间量纲相差较大的问题。研究根据Connolly弹性阻抗方程的推导思路,推导了一种针对页岩储层地应力敏感参数的方位弹性阻抗方程,借鉴Whitcombe弹性阻抗方程归一化的思想,对方位弹性阻抗方程进行标准化,得到了标准化后的方位弹性阻抗方程。

根据Connolly弹性阻抗方程的推导过程可进一步得到方位反射系数与方位弹性阻抗方程存在如下关系:

(6)

将式(6)所示的方位反射系数方程带入式(5)可得

(7)

(8)

对式(8)等号左右两边同时积分,忽略掉积分常数项可得

(9)

式(9)等号两边同时取指数,并对方位弹性阻抗方程进行标准化处理,便可得到标准化后的方位各向异性弹性阻抗方程:

(10)

1.3裂缝型页岩储层岩石物理参数反演

裂缝型页岩储层的地震预测方法主要是根据叠前方位反演得到的储层岩石物理参数来指示有效储层。研究所采用的方法分为两步:第一步,根据叠前方位反演方法,得到储层不同方位不同角度的弹性阻抗数据体;第二步,根据方位弹性阻抗数据体与非常规储层弹性参数之间的关系,进一步得到储层岩石物理参数。具体反演流程如图1所示。

与常规的叠前反演相比较,该方法主要存在如下改进:首先,该方法是针对裂缝近垂直发育的裂缝型储层,因此其数据基础是方位地震数据,在地震数据预处理时,此方法在提取部分角度叠加数据之前还需要对叠前数据进行方位角的划分,然后针对各个方位的地震数据转换部分角度叠加道集;其次,在生成方位弹性阻抗伪测井曲线时,该方法需计算各方位、各入射角的方位弹性阻抗伪测井曲线,而不再是各向同性介质同三个角度的弹性阻抗伪测井曲线;最后,反演得到的数据体是对应地震数据各方位、各入射角的方位弹性阻抗数据体,相比各向同性叠前地震反演而言,该方法得到的数据体更为丰富,不仅体现了储层弹性参数信息,还利用了裂缝引起的地震数据方位信息,为裂缝储层地应力等的预测提供了可靠保障。

对标准化的方位弹性阻抗方程(10)两边取对数,便可得到线性化的方位弹性阻抗表达式,带入不同方位、不同入射角的弹性阻抗数据体便可得到式(11)所示的方程组:

(11)

由于方程(11)的系数可以根据入射角、方位角以及有关储层的先验信息计算得到,因此,结合弹性阻抗反演得到的储层弹性阻抗数据体,求解方程(11)便可进行裂缝型页岩储层的地应力敏感参数(E、ν、ΔN、ΔT)的定量评价,为储层DHSR预测提供理论依据。

1.4储层地应力预测

DHSR是储层地应力的一种重要指示因子,它决定着储层压裂改造的效果。当DHSR较小时,在储层压裂过程中,应力释放比较均匀,往往更容易形成网状的裂缝群;在DHSR较大时,在对储层进行压裂改造时,应力往往沿一个方向释放,导致储层裂缝发育较为单一,对储层渗透率等的提高效果不明显。因此,页岩储层DHSR越小的区域,即对应储层有利压裂区域。Gray等[24]推导了基于杨氏模量、泊松比和法向柔度的DHSR表达式:

(12)

其中:KN为法向柔度。

Hsu等[25]得出了裂缝储层法向弱度ΔN与裂缝储层法向柔度KN之间的关系:

(13)

根据拉梅参数与杨氏模量、泊松比之间的转换关系,结合式(13)便可得到基于杨氏模量、泊松比和法相弱度表示的DHSR表达式:

(14)

式(14)构建了DHSR与杨氏模量、泊松比和法相弱度之间的定量关系,根据方位弹性阻抗反演得到杨氏模量、泊松比和法相弱度,结合式(14)便可得到储层DHSR,进而进行储层应力预测,辅助寻找有利压裂区域。

2模型测试

选取某页岩储层A井进行模型测试,A井已经测得的测井曲线有纵波速度、横波速度、密度和裂缝密度曲线。根据线性滑动理论可以由裂缝密度等计算出井所在位置的法向弱度和切向弱度曲线,同时可根据杨氏模量、泊松比和纵、横波速度之间的转换关系计算井所在位置的杨氏模量和泊松比曲线。因此,根据研究推导的方位反射系数方程,可计算得到井所在位置处方位角分别为0和90°,入射角分别为7°、14°、21°的方位反射系数曲线,利用40 Hz的雷克子波与各反射系数曲线褶积,便可得到两个方位、三个入射角的方位角度域合成地震数据。

利用方位弹性阻抗叠前地震反演方法便可得到井所在位置的方位弹性阻抗。根据方位弹性阻抗与储层岩石物理参数之间的转换关系,利用最小二乘法便可得到反演的杨氏模量、泊松比、密度、法向弱度和切向弱度。在无噪声情况下,各参数的反演结果如图2所示,其中虚线为模型真实值,实线为反演结果。从图2中可以看出,杨氏模量、法向弱度、切向弱度在无噪声的情况下与模型真实值基本吻合,反演的泊松比和密度与模型真实值趋势一致,反演结果在误差允许范围之内,证明了该反演方法的可行性。进一步,根据反演得到的各岩石物理参数计算了井所在位置的DHSR,如图3所示,其中虚线为根据测井已知参数计算得到的该处的DHSR曲线,实线为根据反演得到的各向异性岩石物理参数计算得到的DHSR。从图3中可以看出预测的井所在位置的DHSR与真实值趋势一致、误差较小,基本满足实际生产需要。

为继续验证该方法的可靠性和稳定性,进一步测试了当合成地震记录信噪比为5∶1和信噪比为2∶1时的反演结果(如图4、图5所示)。在信噪比为5∶1时,杨氏模量反演结果仍能较好的反映模型真实值,其他各参数反演结果与真实值存在一定偏差,但总的来说还能反映出模型的大致变化情况。当信噪比为2∶1时,杨氏模量反演结果依然较为稳定,但其他各参数反演结果已与真实值相差较大。说明该方法适用于信噪比较好的数据,当信噪比较低时,很难得到反映实际地层的反演结果,储层DHSR预测具有一定的风险。

通过模型测试表明,研究中提出的方法对于裂缝型页岩储层DHSR的预测具有一定的效果,在资料信噪比较高的情况下,该方法能较好地指示储层DHSR分布情况,但当资料信噪比较低时,方法的稳定性以及结果的可靠性还有待进一步提升。

3结论

研究提出了一种针对页岩储层的DHSR预测方法,为页岩储层有利压裂区域的选取提供了可靠的依据。首先,针对页岩储层裂缝发育较为普遍的现象,将裂缝型页岩储层等效为HTI介质;然后,根据HTI介质反射特征,及其引起的叠前地震数据方位特征,利用叠前方位反演的理论,构建了基于叠前方位弹性阻抗反演的页岩储层地应力敏感参数预测方法;最后通过地应力敏感参数与DHSR之间的关系,进行储层DHSR预测。该方法在页岩储层DHSR预测精度方面,通过反演的地应力敏感参数直接求取储层DHSR,减少了储层DHSR估算的累计误差,提高了储层预测的精度,此外,采用的叠前方位弹性阻抗反演兼具叠前AVAz信息与叠后反演抗噪性的优势,提高了反演的可靠性。通过模型试算表明,该方法能较好地反映裂缝型页岩储层地应力敏感参数,DHSR预测结果与模型较为吻合,验证了方法的可靠性与有效性。

值得注意的是,此方法适用于裂缝近垂直发育定向排列的页岩储层,对于薄互层与裂缝交替发育的储层,该方法具有一定的借鉴性,但结果的可靠性需要仔细辨别。此外,通过模型试算不难发现,该方法对地震数据的信噪比要求较高,在实际资料应用中,应在保证叠前地震数据保幅性的同时尽量提高地震数据信噪比。

参考文献:

[1]贾承造,郑民,张永峰.中国非常规油气资源与勘探开发前景[J].石油勘探与开发,2012,39(2):129-136.

[2]王拓,朱如凯,白斌,等.非常规油气勘探、评价和开发新方法[J].岩性油气藏,2013,25(6):35-39.

[3]陈国辉,卢双舫,田善思,等.RBF神经网络法在泥页岩有机非均质性测井评价中的应用[J].甘肃科学学报,2014,26(1):104-108.

[4]周德华,焦方正.页岩气“甜点”评价与预测——以四川盆地建南地区侏罗系为例[J].石油实验地质,2012,34(2):109-114.

[5]Haimson B,Fairhurst C.Hydraulic Fracturing and Its Potential for Determining in Situ Stresses at Great Depths[J].Trans.Am.Geophys.Union;(United States),1968,49:1(1):302.[6]李方全,翟青山,毕尚煦,等.水压致裂法原地应力测量及初步结果[J].地震学报,1986,8(4):431-438.

[7]陈群策,安美建,李方全.水压致裂法三维地应力测量的理论探讨[J].地质力学学报,1998,4(1):37-44.

[8]李根生,黄中伟,牛继磊,等.地应力及射孔参数对水力压裂影响的研究进展[J].石油大学学报:自然科学版,2005,29(4):136-142.

[9]文治东,胡伟光,范春华,等.SL地区大安寨段页岩气储层预测浅论[J].物探化探计算技术,2013,35(6):704-710.

[10]马晓彬,周文,钱春华.模糊数学和灰色关联相结合的水力压裂选井选层评判方法研究[J].物探化探计算技术,2013,35(3):369-372.

[11]郭启良,丁立丰.岩体力学参数的原地综合测试技术与应用研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(23):3 928-3 931.

[12]王连捷,潘立宙.地应力测量及其在工程中的应用[M].北京:地质出版社,1991.

[13]蔡美峰.地应力测量原理和技术[M].北京:科学出版社,2000.

[14]Matsuki K.Anelastic Strain Recovery Compliance of Rocks and Its Application to in Situ Stress Measurement[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008,45(6):952-965.

[15]Matsuki K,Takeuchi K.Three-dimensional in Situ Stress Determination by Anelastic Strain Recovery of a Rock Core[C]//International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts.Pergamon,1993,30(7):1 019-1 022.

[16]Matsuki K.Three-dimensional In-situ Stress Measurement with Anelastic Strain Recovery of a Rock Core[J].Proc.7th Int.Congr.Rock Mech.,Aachen,1991,1:557-560.

[17]王连捷,孙东生,林为人,等.地应力测量的非弹性应变恢复法及应用实例[J].地球物理学报,2012,55(5):1 674-1 681.

[18]孙东生,丰成君,许洪斌,等.大台沟矿区深孔水压致裂原地应力测量及应用[J].中南大学学报:自然科学版,2015,46(4):1 384-1 392.

[19]Ruger A.Reflection Coefficients and Azimuthal AVO Analysis in Anisotropic Media[D].Colorado:Colorado School of Mines,Doctoral Thesis,1996.

[20]Bakulin A,Grechka V,Tsvankin I.Estimation of Fracture Parameters from Reflection Seismic Data-Part I:HTI Model Due to a Single Fracture Set[J].Geophysics,2000,65(6):1 788-1 802.

[21]宗兆云,印兴耀,张峰,等.杨氏模量和泊松比反射系数近似方程及叠前地震反演[J].地球物理学报,2012,55(11):3 786-3 794.[22]Connolly P.Elastic Impedance[J].The Leading Edge,1999,18(4):438-452.

[23]Whitcombe D N.Elastic Impedance Normalization[J].Geophysics,2002,67(1):60-62.

[24]Gray D,Anderson P,Logel J,et al.Estimation of Stress and Geomechanical Properties Using 3D Seismic Data[J].First Break,2012,30(3):59-68.

[25]Hsu C J,Schoenberg M.Elastic Waves Through a Simulated Fractured Medium[J].Geophysics,1993,58(7):964-977.

DHSR Forecasting Methods Research on Fractured Shale Reservoir

Wu Hao,Yang Shaochun,Song Shuang

(School of Geosciences,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Key wordsHorizontal stress diversity ratio;Ground stress;"Deserts" forecast;Azimuth pre-stack inversion

AbstractHorizontal stress diversity ratio,which is a key parameter in ground stress evaluation of shale reservoir,plays an important role in the forecasting "deserts" of shale reservoir by effectively estimating favorable fracture zone from the point of view of stress.A forecasting method of horizontal stress difference ratio in shale reservoir based on using azimuth seismic data is developed by the azimuth pre-stack inversion theory and integrating equivalent azimuth reflection character of anisotropic medium on the basis of regarding fractured shale reservoir as transversely isotropic medium with horizontal symmetry axis because it is more developed.Trial calculation of model indicates that this method has better stability and precision,and comparatively perfect forecast on the horizontal stress diversity ratio of shale reservoir,which provides evidence for the searching of favorable fracture zones and "deserts" zones in shale reservoir.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.002.

收稿日期:2015-09-02;修回日期:2015-10-19.

基金项目:国家“十二五”油气重大专项课题“复杂油气藏精细表征及剩余油分布预测”(2011ZX05009-003).

作者简介:吴昊(1991-)，男，山东东营人，硕士研究生，研究方向为油气勘探地质及地球物理.E-mail:15589825839@163.com.

中图分类号:P618.13

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)03-0006-08

引用格式:Wu Hao,Yang Shaochun,Song Shuang.DHSR Forecasting Methods Research on Fractured Shale Reservoir[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):6-12,15.[吴昊,杨少春,宋爽.裂缝型页岩储层DHSR预测方法研究[J].甘肃科学学报,2016,28(3):6-12,15.]