页岩气裂缝精细预测技术研究及应用——以长宁国家级页岩气示范区为例

何 嘉 陈小强 韩 翀 赵 磊 杨 孛 聂 舟

（1. 中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院，四川 成都 610051；2. 四川长宁天然气开发有限责任公司， 四川 成都 610051）

0 引言

中国页岩气勘探开发近年来快速发展，而页岩气的裂缝预测是关键。天然裂缝的发育程度不仅影响着页岩气藏的开采效益，而且决定着页岩气藏的品质和产量。裂缝发育有助于页岩层中游离态天然气含量的增加和吸附态天然气的解吸与总含气量的增加。国外已经投入开发的地区往往天然裂缝系统比较发育，例如，Michigan盆地北部Antrim组页岩生产带主要发育北西向和北东向两组近垂直的天然裂缝；Fort Worth 盆地Newark East 气田Barnett 组页岩气产量高低与岩石内部微裂缝发育程度有关。国内川南海相页岩气即五峰—龙马溪组页岩气高产也与裂缝发育紧密相关。实践证明，裂缝既是储集空间也是渗流通道，是页岩气从基质孔隙流入井底的必经通道。在孔隙度小于5%的低孔、渗透率小于0.05 mD低渗的富有机质泥页岩中，当其发育有足够的天然裂缝或岩石内的微裂缝和纳米级孔隙及裂缝经压裂改造后能产生大量裂缝系统时，泥页岩完全可以成为有效的油气储集层或储集体。

1 页岩气裂缝精细预测技术

页岩气裂缝精细预测技术主要流程是，首先通过构造导向滤波使目标层位的构造更加清晰；然后再应用多种叠后裂缝预测方法及裂缝标定对断层和断裂系统进行准确解释，最后建立起精细的平台速度场，将时间域转化为深度域的数据体，并建立蚂蚁体地质模型，通过地质模型对裂缝进行精细预测。其中，蚂蚁体的解释以及高精度深度域地质模型的建立是其中的关键技术（图1）。

1.1 构造导向滤波技术

图1 页岩气裂缝精细预测技术流程图

该技术是笔者引入的针对地震几何属性研究和微断裂发育区带预测的一项新技术。由于很多地震几何属性在数学上表示为二阶导数，易受噪音影响，所以对地震数据体的目的层段进行空间滤波是求取地震几何属性之前的必要步骤。通过压制任意分析点的频段来消除噪音是传统的滤波方法，这种方法在增强地震资料信噪比的同时通常也使反映的有效信息有所削弱。而构造导向滤波的原理是首先计算地震反射界面的倾角和方位角，进而对反射轴进行定向，将有效信号和噪音区分开来，其中噪音不但包括随机噪音，还包括与反射轴交叉的其他方向的相干噪音，从而避免了对断层、裂缝或其他有意义构造的平滑，在提高横向分辨率的同时保证了其地震道之间的不连续性。构造导向滤波后的地震剖面同相轴的断开较之滤波前整体更加清晰，垂向断层更加明显（图2）。通过构造导向滤波，原始地震剖面中的随机噪声得到了很好的压制。滤波后的地震数据中，在噪声得到压制，同相轴连续性增强的同时，断层边界也受到滤波器作用变得平滑（图2）。而各向异性扩散滤波的结果不仅有效压制了噪声、增强了同相轴的一致连续性，而且很好地保持了断层的边界信息，断面更加清晰，这对于解释人员来说，断层和层位的解释变得更加容易。

图2 构造导向滤波前后地震剖面对比图

1.2 叠后裂缝预测方法选取及裂缝标定

综合应用多种方法提取的上奥陶统底界断裂预测属性图，包含相干属性图、相似性属性图、曲率属性图、Likelihood 属性图（图3）。从整体上来看，几种方法对规模较大、连续性较强的主断裂的预测规律比较一致，主断裂方向主要呈北西向、北东向及北东东向分布，但细节有所差异，相似体属性与相干属性在主断裂刻画上基本一致，黑色均表示地震几何属性突变区域即断裂发育区域（图3A、图3B），而曲率和likelihood 属性能体现更多次级断裂的细节展布（图3C、图3D），尤其是由likelihood属性衍生的faulttracking 属性图，其次级断裂展布刻画更为清晰，红绿蓝色表征一级断裂，黑色表征次级断裂（图4）。

图3 上奥陶统底界断裂预测属性图

图4 上奥陶统底界fault-tracking属性图

实钻资料表明，CNH5-1井在钻井过程中钻遇小断裂，在3 525～3 550 m、3 602～3 620 m 附近成像测井响应表明有明显的裂缝发育。通过井震标定，在过井叠前时间偏移剖面中将断裂投影在相应的位置，可以看出，成像测井显示在钻遇小断裂位置地层附近，地震同相轴向上倾斜，出现微幅扰曲，振幅能量出现变化。将上述预测方法在上奥陶统底界的断裂预测结果在CNH5-1井轨迹位置局部放大，可以看到沿CNH5-1 井轨迹，最大正曲率和likelihood属性有明显异常，而likelihood 属性在抗噪能力和横向分辨率上较最大正曲率更好，相似性有微弱异常，蚂蚁追踪结果显示的细节最多。在相应的likelihood 属性剖面上，在断裂位置出现明显的对称性异常，与断裂位置吻合很好（图5A）。在相应的蚂蚁追踪过井剖面上（图5B），在同相轴扭动位置并未出现蚂蚁追踪异常，但在邻近位置出现了蚂蚁追踪异常。结合前期钻探经验和前人研究成果表明，蚂蚁追踪异常与钻井显示有较好的对应关系，指示的往往是同相轴无明显扭动的次一级微断裂。因此，为了更精细地预测裂缝，本次选取likelihood 属性对小断裂进行预测，运用蚂蚁追踪对次一级更小级别的断裂进行预测。

蚂蚁追踪是通过地震数据来预测裂缝发育状态和应力分布的一种很好的技术。通过该技术可以获得一个低噪音、具有清晰断裂痕迹的三维数据体。蚂蚁体的优势在于其对地震数据比较敏感，地震数据上振幅或是频率的变化在蚂蚁体上都有所体现。基于该数据体可以追踪断层，甚至是裂缝发育带。在此基础上可以预测局部应力方向及天然裂缝闭合状态，获得储层非均质性信息及地质力学性质。利用蚂蚁体预测储层裂缝网络以及利用曲率和蚂蚁体的结合预测潜在影响水力裂缝延伸的压裂屏障。利用三维地震获得上述信息进行裂缝建模指导压裂方案设计以及施工参数调整，并且对明确页岩气水力延伸及天然裂缝开启闭合控制因素有很好的指导作用。为了寻找最适合研究区的蚂蚁追踪技术进行了大量的流程测试和参数试验，最终确定应用likelihood 属性进行蚂蚁追踪，优化参数设置为初始蚂蚁分布边界10、蚂蚁追踪背离1、蚂蚁搜索步长3、非法步长2、合法步长3、终止标准1。

图5 CNH5-1井过井剖面属性图

1.3 精细速度场建立

页岩气开发主要是通过储层的整体体积压裂改造来获得高产，而如何精确控制井周围空间位置发育的裂缝形态首先是要解决精细速度场的建立。通过已钻井的测井资料对构造进行精细校正，采用的技术流程为：收集资料→选取地层小层作为校正地层基面→数据处理→建立相关性→计算求取距基面的真厚度→异常值处理→得出构造基面值。方法步骤如下：

1）收集页岩气水平井测井资料、井轨迹资料（斜深、垂深、方位、井斜）。

2）选取某一地层分层界面作为校正构造基面。

3）建立选取井深x m 处的测井参数校正构造基面真厚度H，其相关性公式为：

式中，A、B、C、…、a 为常数，X、Y、Z、…为选取的测井参数。

4）根据求出的H，删除其中的异常数值，最终得到沿井轨迹向下投影的构造基面数值F：

式中，TVD为对应井深x m的垂深数值。

在研究区，通过本方法对压裂前CNH9平台井的构造进行了精细校正，得出五峰组顶精细校正构造面，然后根据校正后的构造面进行速度场反演，得到精细平台速度场（图6）。

图6 平台井精细速度场分布图

1.4 蚂蚁体空间刻画

三维空间刻画蚂蚁体需要突出蚂蚁体并去掉非蚂蚁体解释部分。对于蚂蚁体部分，需要对其范围和大小进行进一步的刻画，对蚂蚁体裂缝采取数字化处理。将三维蚂蚁体导入模型后把三维地震数据转化为地质模型网格数据，详细刻画裂缝的规模和大小。根据勘探实践认为，压裂作业蚂蚁体模型裂缝纵向的影响尺度为上下50 m，在提取的蚂蚁体数据体中，保留井轨迹上下50 m的蚂蚁体，然后刻画蚂蚁体空间，突出蚂蚁体储层空间展布情况、蚂蚁体占有效储层的体积比等。通过建立精细的平台速度场，将时间域转化为深度域的数据体，建立蚂蚁体地质模型。

2 验证及应用情况

页岩气裂缝精细预测技术在页岩气井的压裂施工作业中具有重要的影响。断层和裂缝系统的预测可以对在钻井过程中可能发生的异常情况进行预警，对钻后压裂设计和施工参数的选择以及压裂施工对邻井的影响等作业提供可靠的基础数据支撑。

2.1 裂缝预测与近井筒井漏情况验证

本次主要通过该技术应用的41 口井作为样本进行验证，如钻井过程的井漏响应，见表1。从表1 可以看出，4次井漏井段分别在蚂蚁体预测井段有强响应，符合率100%。

表1 井漏统计表

2.2 裂缝预测与近井筒小断层情况验证

CNH13-6井钻至3 960 m穿越一小断层，巷道钻遇小层由龙一11小层穿至龙一13小层，该井蚂蚁体裂缝预测剖面见图7，从图7 可以看出，对应小断层的井段，蚂蚁体裂缝预测有明显的强响应特征，符合率100%。

图7 CNH13-6井蚂蚁体裂缝预测剖面图

2.3 裂缝预测与远井端压裂情况验证

压裂井与生产井发生连通1例，对应井段预测裂缝中有大规模裂缝发育，符合率100%。CNH10-3井在压裂过程中，当压裂到裂缝预测段11 段时对邻井CNH10-2 的排采造成影响，出现明显的压力下降、瞬时产气量下降和产水量上升，证明预测裂缝在压裂过程中导致两井连通。通过蚂蚁体裂缝预测平面图可以看出（图8），对应的井段位置在CNH10平台中两口井CNH10-2 和CNH10-3 有明显的裂缝网格连通，如图8红色圆圈所示。

图8 CNH10平台水平段蚂蚁体裂缝预测图

2.4 裂缝预测与微地震响应情况验证

通过裂缝精细预测技术在长宁国家级页岩气示范区的应用，分别对比了三家不同微地震监测机构的数据，预测天然裂缝发育段与微地震监测数据吻合，其中，与中国石油川庆钻探工程有限公司微地震监测（CNH2、CNH3 平台）符合率达70%，与四川圣诺油气工程技术服务有限公司微地震监测（CNH4、CNH6、CNH12）符合率达80%，与北京创世博鸿科技发展有限公司微地震监测（CNH9）符合率达30%。

综上所述，通过计算裂缝与井漏、小断层符合率和压裂连通井现象、微地震监测符合率，裂缝精细预测平均符合率为80%。

2.5 裂缝精细预测应用

通过大量的勘探实践发现，水力压裂改造在天然裂缝发育段容易造成液体滤失从而发生砂堵现象。CNH10-3 井压裂10 段和11 段时发生了明显与CNH10-2 井的连通，既导致CNH10-2 井气量降低，又因为天然裂缝的沟通发生砂堵，导致本井加砂压裂规模下降。通过裂缝精细预测技术可以有针对性地在压裂之前对天然裂缝发育段进行优化分段分簇，为压裂改造规模、工序、工艺提供参考依据，实现最优压裂改造从而最终提高单井产能。在CNH13平台进行了裂缝精细预测，其中对应CNH13-5 井16、19 段压裂段天然裂缝预测发育，如图9 红色圆圈所示。在16段和19段加砂压裂时均发生砂堵现象，通过16 段压裂验证了裂缝精细预测发育天然裂缝之后，19 段压裂调整了压裂参数，从而实现了增加加砂规模，砂量由81.7 t提高到100.32 t。

图9 CNH13平台水平段蚂蚁体裂缝预测图

3 结论

1）将原始地震数据进行构造导向滤波处理可以提高信噪比和构造解释精度。

2）应用likelihood属性进行蚂蚁体追踪可以优化裂缝检测精度，获得更小级别的裂缝响应，裂缝优化参数设置为初始蚂蚁分布边界10、蚂蚁追踪背离1、蚂蚁搜索步长3、非法步长2、合法步长3、终止标准1。

3）通过勘探实践表明，裂缝精细预测平均符合率为80%。

4）天然裂缝精细预测可以有效地指导压裂改造的规模、工序、工艺、压裂参数的设置，从而有效地提升改造效果和单井产能。