利用地震品质因子Q比例的分布特征预测南川页岩气藏保存条件

唐建信

(中国石化 华东油气分公司,江苏 南京 210019)

品质因子Q是最重要的地震属性参数,有关品质因子Q的研究早在50年前就被广泛地应用于校正地震波衰减、时移与畸变、提高地震资料的质量[1-4],以及常规油气领域的地层岩性、孔隙流体和压力预测[2-6],甚至用于研究地壳深部结构[5-6]。多数学者认为地震波衰减的主要原因是微裂缝与岩石颗粒表面上的摩擦、液体流动、黏性张弛以及扩散[1,7]。品质因子Q值的实验测量和地理物理估算等方法虽然有多种,但是任何一种方法仅适用于一定的地质条件[4,8-9]。

品质因子Q用于常规油气微裂缝与应力场描述是近10年来的重要进展[2],尹志恒等利用地震物理模拟方法开展了常规油气储层的品质因子Q值各向异性研究,并主张Q最大值方向平行于裂缝方向而Q最小值垂直裂缝层[10]；这为在非常规领域页岩油气勘探开发提供了一个有益的借鉴。

从地质角度看,四川盆地及周缘地区页岩储层中的不同尺度裂缝对含气量与页岩气产能是否有利存在两类主流观点：一类观点认为裂缝不利于页岩气保存与富集,郭旭升等认为焦石坝五峰组-龙马溪组下部页岩的开启性岩心尺度高角度缝易于形成页岩气逸散通道,并造成页岩气藏丰度降低[11]；类似地,孙健等提出涪陵页岩气田的高的构造变形强度造成平面上含气性变差[12]；邻区武隆向斜在生烃高峰之后由于构造大规模抬升导致部分烃类散失和地层压力降低至常压[13]。另一类观点主张裂缝有利于页岩气保存与富集,佘晓宇等认为焦石坝在燕山期经历了基底叠瓦冲断-盖层滑脱-左行压扭3个变形幕,所形成的构造缝是涪陵大型页岩气田的重要因素[14]；同样地,徐政语等提出昭通地区罗场向斜页岩变形相对较弱、微裂缝欠发育的Ⅰ3与Ⅰ4小层有利于高产的类似观点[15]；更值得一提的是,根据泥页岩脆-延转化带新方法,袁玉松等认为页岩气高产稳产探井多位于在脆-延转化带内,不仅页岩气保存较好,而且泥页岩又具有较好的可压性[16]。除了地质研究之外,采用品质因子Q方法识别页岩气储层中的微裂缝与断裂破碎带的文献报道极其罕见,引用这一方法有助于解决两类主流观点的分歧。

南川地区五峰组-龙马溪组下部页岩的断裂破碎带较为发育,对单井页岩气产能与开发井部署具有重要的影响；如何快速识别这些断裂破碎带与微裂缝发育区是一个亟待解决的难题。本文旨在通过南川地区地震品质因子Q平面上分布研究,识别出断裂破碎带与微裂缝发育区,评价页岩气保存条件,为页岩气开发提供依据。

1 构造地质特征

南川研究区北邻焦石坝,南接丁山,其构造处于四川盆地川东高陡弧形褶皱带二级构造单元的东部,呈北东走向,是四川盆地五峰组-龙马溪组重要页岩气产气区[17-19](图1)。在燕山期,川东高陡褶皱带受太平洋板块向北西的强烈挤压,形成一系列高陡背斜以及宽缓的向斜；喜马拉雅期,印度板块向欧亚板块俯冲,构造应力主要为西北向的挤压应力,形成了目前以正向构造为主的构造格局。该地区的焦页197-4HF井压裂试气产量超过20×104m3/d,显示出南川地区页岩气藏具有很好的开发前景[20-21]。

南川地区五峰组-龙马溪组下段页岩的发育特征与焦石坝、丁山地区十分相似,纵向上分为3个三级层序,自下而上分别为SQ1，SQ2和SQ3[22-24]。其中,五峰组SQ1与龙马溪组下部SQ2的TST为优质页岩段(有机碳含量TOC≥2%)。在南川地区,该优质页岩段的厚度约为30.0～35.3 m,分布稳定,是该地区页岩气藏开发最重要的层位。对比南川以及周边地区的钻井、测井资料发现该地区五峰-龙马溪组的优质页岩段的实测TOC最高可达7.06%,均值为3.71%；含气量与TOC之间具有很好的线性相关关系； 实测含气量均在3.0 m3/t以上。总体上看,该区优质页岩段的厚度、TOC及含气量的变化均不大[17,25-26],但是,构造与保存条件差异较大,影响了页岩气井产能,对页岩气藏开发选区比较重要。

图1 四川盆地构造背景与南川地区位置Fig.1 Tectonic setting of Sichuan Basin and the location of Nanchuan area

虽然南川紧邻焦石坝与丁山地区,但在构造形态与页岩气保存条件上,南川地区与焦石坝和丁山地区差异非常大[27-28]。在焦石坝地区,焦页1井与焦页2井所在的构造为一个宽缓的正向构造单元,整个构造呈箱状且保存完好,没有被断裂切割。丁山则为一鼻状断背斜,构造简单,其中断裂系统不发育,断层延伸范围与断距均较小。南川地区则不同,该地区被多条北东走向的断裂系统形成的断裂破碎带所控制,将南川地区分割成多个北西方向呈阶梯状深埋的断块(图2)。

南川地区断裂破碎带普遍发育,在地震剖面上,断裂破碎带呈北东走向,倾角较大甚至局部区域接近直立；然而,目前的构造解释难以详细刻画出断裂破碎带的内幕特征与分布边界。为此,需要采用一种地震品质因子Q的新方法,以快速、直观评价页岩气藏,并确定断裂破碎带的分布[29]。

地震品质因子Q是衡量地震波衰减的重要参数,是对岩石非完全弹性特征的表征,非完全弹性特征是岩石内部的本质特征。品质因子Q与岩石的结构相关,其定义如下：

(1)

式中：Q为品质因子,无量纲；E为能量,J；ΔE为能量损失,J。

根据公式(1),品质因子Q的物理意义是当地震波传播一个波长后,原来的能量与在此过程中所消耗的能量的比值的2π倍。

2 地震品质因子Q值分析

2.1 地震品质因子Q值计算方法

地震品质因子Q值的计算方法有多种,不同的地质条件,应采用针对性的具体方法。

在南川地区,与上覆和下伏地层相比,该区五峰组-龙马溪组页岩在地震剖面上表现为强震幅特征。针对这些地质条件和地震响应,可基于时域振幅衰减法所估算的品质因子Q值来刻画页岩地层的内部变化特征[10,30-31]。根据两个不同时间位置的振幅的比来求取品质因子Q值：

(2)

式中：Q为品质因子,无量纲；ω为主频,Hz；Δx为介质的旅程,ms；c为速度,m/ms；a(ct1)为时间t1处振幅,m；a(ct2)为时间t2处振幅,m。

2.2 地震品质因子Q值特征

2.2.1 地震品质因子Q值分布

计算表明,南川地区五峰组-龙马溪组页岩品质因子Q值分布在区间(-10 984.5,26 962.2)值域范围,但是,品质因子Q值集中分布在(-2,+2)的区间内(图3)；其他的品质因子Q值零散地分布在区间(-2,+2)之外,其中,小于-2的Q值占总数的0.65%,大于+2的Q值占总数的1.38%。

图2 过南川地区的SE向地震剖面Fig.2 The SE-trending seismic profile across Nanchuan area

图3 南川地区页岩地震品质因子Q值分布直方图Fig.3 The histogram of seismic quality factor Q values for the shale rocks in Nanchuan area

品质因子的稳定性是地震波传播能量损失变化的体现,品质因子Q值变化越大说明地层越不稳定,借此可以分析页岩层是否位于断裂破碎带内[32]。断裂破碎带内的页岩保存条件差,其中的页岩气藏或者已经被破坏且页岩气散失；或者由于岩石内部较为破碎并被地层水充填而使后续的工程压裂无法达到预期效果,两者均导致单井产能降低。如果页岩层位于断裂破碎带内则可能导致页岩气难以有效开发,品质因子Q值变化有助于确定这类断裂破碎带。

2.2.2 基于地震品质因子Q分布识别断裂破碎带

1) 直接使用地震品质因子Q值

如果将页岩品质因子Q在(-2,+2)值域范围的均值直接用来分析该区的断裂破碎带,可以发现其Q均值在平面上的分布比较杂乱且边界不清(图4),难以达到有效识别破碎带的要求。从图4可以看出,Q均值仅微弱地呈现出北东向分布条带,代表了不稳定变化,反映了断裂破碎带的特征。尽管可以观察到北东走向的断裂破碎带的分布趋势,但是,图4中所展示的该断裂破碎带的边界十分模糊,这种识别精度对页岩气藏评价是不够的。

图4 南川地区页岩层地震品质因子Q均值分布(局部)Fig.4 Distribution of mean value of seismic quality factor Q for the shale layers in Nanchuan area(local)

2) 间接使用地震品质因子Q值

在南川地区,稳定的、没有被断裂破碎带波及的区域,其品质因子Q值均集中位于0值附近,说明品质因子Q值越离散(不稳定)则地层被破坏得越严重。基于这一特征,将页岩层的品质因子Q值稳定部分的比例提取出来,作为一个代表页岩层稳定性的参数来研究[33-34],并引入“品质因子Q比例”这一术语。这样,一是可以更清楚地分辨出断裂破碎带；二是稳定的品质因子Q比例是一个连续的反映地层属性的量,与Q值或Q均值不同,它的值域范围位于(0,+1)区间内,不存在负数,对于定量化识别断裂破碎带及评价页岩气藏更有效。

针对南川地区页岩气的实际情况,本文提出了一种新的工作流程与相应的迭代算法来获取稳定的品质因子Q比例及其界限,具体步骤与方法如下。

① 首先选择(-2,+2)作为初始值域范围,并记该范围的稳定半径为R,此时R=2。

② 将值域范围缩小一半,即取(-R/2,+R/2)范围内的Q值作为稳定值,此时稳定半径R1=R/2,记半径增量为S=R-R1,将原来的R的值替换为R1的值,然后计算稳定品质因子Q比例：

(3)

式中：P为稳定品质因子Q比例,小数；Count(Q(-R,+R))为值域分布为(-R,+R)的品质因子Q值的总数,个；Count(Qtotal)为所有的品质因子Q值的总数,个。

③ 将计算结果与地震剖面进行比对,如果非稳定品质因子Q比例的分布区超过了在地震剖面上明确的断裂破碎带分布,那么说明稳定品质因子Q比例的分布范围选取过小；将稳定半径R加上半径增量的一半即S/2,作为新的稳定半径；将S减少到原来的一半即S=S/2,重复第②步；直到非稳定区域的品质因子Q比例的分布区与地震剖面上明确的断裂破碎带分布相一致。如果非稳定区域的品质因子Q比例的分布区小于地震剖面上明确的断裂破碎带分布,那么说明稳定品质因子Q比例的分布范围选取过大；将稳定半径R减去半径增量的一半即S/2,作为新的稳定半径；将S减少到原来的一半即S=S/2,重复第②步；直到非稳定区域的品质因子Q比例的分布区与地震剖面上明确的断裂破碎带分布相一致。

④ 输出结果。经过迭代计算后,最终的计算结果见图5,从此图可以看出,品质因子Q比例的分布显示出边界清晰的条带或斑块状,能简单、直观识别出断裂破碎带。图6为稳定品质因子Q比例的分布,其中,图6b的地震剖面位置位于图6a中的黑线；图6a中所显示出的断裂破碎带与图6b地震剖面上的断裂破碎带可一一对应,但边界更清晰可靠、内幕细节更丰富,断裂破碎带内又反映出更次一级的破碎带；可以发现,地震剖面上的每一条断裂破碎带在品质因子Q属性或品质因子Q比例的分布上均明确地体现出来了。这对于开发井部署是至关重要的,因为开发井优先要避开低序次断层或断裂破碎带。

3 页岩气藏评价

根据品质因子Q比例的分布识别出南川地区五峰-龙马溪组页岩的3类区：断裂破碎带页岩区、稳定分布的页岩区和内部微裂隙发育的稳定页岩区。其中,断裂破碎带页岩区属于不利的页岩气开发前景区,其他两种类型页岩区为有利的页岩气开发前景区；尤其是,内部微裂隙发育的稳定页岩区为最佳的页岩气开发前景区。

3.1 断裂破碎带页岩区

如图7所示,使用品质因子Q比例的分布可容易地识别断裂破碎带。断裂破碎带内部,品质因子Q比例总体上是偏小的,其页岩地层表现出强烈的不稳定性；总体上看,该页岩区的品质因子Q比例小于0.2,局部超过0.5,分布杂乱。页岩呈北东向展布的条带,被断裂所撕裂、破碎,保存条件较差。

图5 南川地区页岩地震品质因子Q比例的分布Fig.5 Distribution of seismic quality factor Q for shales in Nanchuan area

图6 南川地区页岩地震品质因子Q比例的分布(a)与地震剖面的断裂破碎带(b)Fig.6 Correlation of distribution of seismic quality factor Q with faulted fracture zones on the seismic profile for shales in Nanchuan area

图7 南川地区断裂破碎带页岩地震品质因子Q比例的分布Fig.7 Distribution of seismic quality factor Q for shales within the faulted fracture zones in Nanchuan area

3.2 稳定分布的页岩区

在断裂破碎带以外,页岩的品质因子Q比例是较高的,并表现出稳定的分布状态(图8)。稳定分布的页岩品质因子Q比例超过0.7,变化稳定,没有突变现象。说明页岩在这样的区域具有分布稳定,保存条件好的特点。

3.3 内部微裂隙发育的稳定页岩区

岩石内部或岩心尺度的裂缝以及裂缝中的流体对品质因子具有较大的影响。在页岩中微裂缝发育的区域,品质因子Q比例的分布具有相应的反映,具有明显的趋势性与规律性,不存在突变的情形。图9为研究区内保存条件相对较好、内部微裂隙发育的页岩区。沿该页岩区方向,品质因子Q比例的分布从该页岩区的边部0.7向中部有规律地减小至0.1,这与图7中的断裂破碎带页岩区的突变式品质因子Q比例的变化特征具有显著的差异。在图9中,该页岩区中部的微裂缝最为发育的带与正向构造的高部位相一致,其品质因子Q比例也是相对较低的0.1,这与地层曲率较大且微裂缝较发育是相吻合的。

总之,结合保存条件、单井试气结果看,断裂破碎带页岩区具有较差的保存条件,降低了单井页岩气产能；稳定分布的页岩区具有较好的保存条件；内部微裂隙发育的稳定页岩区不仅保存条件较好,而且微裂隙发育有利于页岩气连通和渗流,提高了单井页岩气产能。南川地区页岩气开发证明,各高产气井均位于稳定分布的页岩区或内部微裂隙发育的稳定页岩区。

4 分析与讨论

品质因子Q值与地震波衰减直接相关,它反映了岩石的非弹性、非均匀性、裂隙与流体、岩石速度各向异性的重要指标[10,30]。必须根据研究区实际地质条件选择合适的品质因子Q计算方法。

在有效应力较低的情况下,品质因子Q值可以很好地描述岩石的微裂隙[10],这是本文使用该属性识别微裂隙较发育的页岩的原因。虽然页岩经受住构造应力的作用而没有破碎,但在地层变形(正向或负向)后,其内部会发育小规模的裂隙(一般在正向构造的顶部或负向构造的底部,岩石曲率最大,也最易于形成裂隙),这些微裂隙对页岩气藏开发具有重要意义。

在迭代计算时,何时结束迭代是个不易确定的参数。笔者选择交互式方法来人为干预完成迭代,也可以通过计算断裂破碎带与稳定分布的页岩区的品质因子Q的方差来决定何时停止迭代。在方差异常大时,可以认为此时地层具有断裂破碎带的特征。但这种做法仍然需要输入一个门限值来限定断裂破碎带与稳定分布的页岩区的方差差异,另外该方法会产生计算方差的额外计算量与时间。

图8 南川地区稳定分布的页岩地震品质因子Q比例的分布Fig.8 Distribution of seismic quality factor Q values of the stably-distributed shales in Nanchuan area

图9 南川地区内部微裂缝发育的稳定页岩地震品质因子Q比例的分布Fig.9 Distribution of seismic quality factor Q for the micro-fracture stable shales in Nanchuan area

需要注意的是,根据实际地质条件的不同,品质因子Q具有不同的应用条件和适用性。在南川地区,使用品质因子属性是在对比多种地震属性(诸如振幅均方根等)的基础上优选出来的参数。笔者提取的品质因子Q值是沿层提取的均值,地震解释精度会影响品质因子Q值的提取,在进行地质分析时,需要考虑由于解释精度对计算结果造成的影响。

5 结论

1) 五峰组-龙马溪组页岩划分为3类区：断裂破碎带页岩区的品质因子Q比例总体上偏小,表现出强烈的不稳定性；稳定分布的页岩区的品质因子Q比例是较高的,表现出稳定的分布状态；微裂缝发育的页岩区的品质因子Q值具有渐变的趋势性,不存在突变的情形。

2) 地震品质因子Q可评价南川页岩气藏的保存条件,并证明该方法是合理的。研究表明,断裂破碎带与保存条件是南川地区页岩气藏富集高产的重要影响因素之一。