基于Fault Likelihood属性分区标定的裂缝预测与三维地质建模——以川西坳陷新场气田须二段气藏为例

商晓飞,王鸣川,李 蒙

(中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院,北京 102206)

0 引言

四川盆地蕴含丰富的天然气资源,含气层位多,既有海相碳酸盐岩气藏,也有陆相致密砂岩气藏[1-4]。新场气田属于川西地区大型气田,在须家河组探明天然气储量千亿方。新场地区储层具有低孔隙、低渗透、低单井日产量的特点,气藏开发技术难度较大。郭旭升等认为新场地区须家河组二段(须二段)天然裂缝发育,增加气藏储集空间,改善气藏渗流特征,裂缝发育程度和分布直接影响气藏的产能[5]。因此,准确预测裂缝分布,精确刻画裂缝的空间展布,进行定量化裂缝三维地质建模研究,对新场气田开发生产优化具有实际意义。

岩心裂缝观察与测井裂缝解释可以提供钻井的裂缝信息,由于裂缝分布具有非均质性,测井资料无法预测井间裂缝分布规律[6-8]。利用三维地震资料进行裂缝预测,能在三维空间定量计算裂缝发育密度和方位,一定程度上可以识别和预测储层裂缝分布规律[9-10]。传统相关属性在反映大型断裂分布时具有连续性好、边界清晰、分布规律与构造走向一致等优点,但难以反映大型断裂之间的小尺度裂缝[11-12]。Fault Likelihood(FL)属性[13-14]可以反映大尺度断裂(横向延伸长度几公里或数十公里)及小尺度裂缝带(横向延伸长度小于100 m)。在地震资料采集、处理及解释过程中受一些因素(地质、方法等)影响,裂缝属性反映存在一些假象。笔者采用一套基于FL属性分区调整方法,根据测井裂缝解释和地质认识,优化和处理裂缝探测属性体,提高裂缝预测准确度,为裂缝三维地质模型建立和开发方案部署提供更准确的数据基础。

1 区域地质概况

川西坳陷位于扬子地块西北缘,西邻龙门山冲断带,向外过渡到松潘—甘孜褶皱带,北东与昆仑—秦岭构造带相接,呈北东向延伸,面积超过5×104km2,是一个典型的中新生代盆地[15-16]。新场地区位于川西坳陷中段、孝泉—丰谷北东东向隆起带西段,为孝泉—新场复式背斜局部圈闭。新场构造带是晚三叠世以来形成的大型隆起带,经历多期构造运动叠加,现今构造整体表现为近东西向的长垣背斜,南翼陡,北翼缓(见图1)。新场构造带内部的次级构造及断层与龙门山构造带的活动密切相关[17-21]。新场气田的储量探明区主要分布于新场地区(包含部分孝泉和合兴场区域)。目前,在新场探区须家河组致密砂岩气藏实施勘探评价井百余口,获得工业气井近50口,预示良好的勘探潜力。

新场地区主要发育NS、WE和NE向断裂,为逆断层,断距较小,断层倾角较大,集中分布于新场地区中部,断层活动从深至浅逐步减弱。裂缝主要表现近NS和近WE向簇系。断裂分级分期评价表明主断裂(F1—F5)不仅控制天然气运移和输导,还控制裂缝发育,微断裂决定裂缝带发育。气水总产量高及产水量占比大的井多分布于距离主断裂较近、裂缝密度较高的区域,气水总产量低及产水量占比小的井多位于裂缝密度较低的区域[22-23],说明裂缝控产效果较为显著。

2 裂缝发育特征

分析新场地区12口井、304 m须二段岩心裂缝发育情况,研究区发育5种裂缝类型,即平缝(倾角小于10°)、低角度缝(倾角为10°～30°)、斜缝(倾角为30°～60°)、高角度缝(倾角为60°～80°)与立缝(倾角大于80°),其中,平缝与低角度缝基本沿层理发育,成因与沉积相关,多被泥质充填；斜缝、高角度缝及立缝与层理斜交或垂直,是典型的构造成因缝。低角度缝和斜缝可见泥质充填,高角度缝与立缝未见充填(见图2)。研究区Tx22砂组裂缝类型较多,以平缝、低角度缝和斜缝为主,其次为高角度缝和立缝；Tx24和Tx25砂组以平缝和低角度缝为主,斜缝、高角度缝和立缝相对不发育；Tx26和Tx27砂组以平缝、低角度缝和斜缝为主,高角度缝和立缝基本不发育(见图3)。对比重点储层(Tx22和Tx24砂组)的不同类型裂缝走向、不同砂组高角度缝分布、不同类型裂缝发育程度等参数,研究区高角度缝以近WE向为主,当角度变低时,裂缝的走向分布分散不明显。

根据研究区15口成像测井裂缝解释结果,识别约1 300条裂缝,裂缝以中低角度为主(731条),同时发育高角度缝及少量的立缝(173条)。新场地区须二段同一砂组不同钻井的裂缝发育程度不同,Tx22和Tx24砂组为主要产气层,裂缝相对发育,裂缝发育总厚度分别为204.9、170.0 m,裂缝条数分别为401和369条。统计研究区须家河组的平均裂缝密度,裂缝分布具有较强的非均质性(见表1),在Tx22砂组中,X601井裂缝最为发育,平均裂缝密度大于2.00条/m,X201、X5井裂缝相对不发育；在Tx24砂组中,X202井裂缝最为发育,平均裂缝密度为0.83条/m,X501、X201井的平均裂缝密度分别为0.66、0.48条/m,X3、X203井裂缝相对不发育。同一口钻井不同砂组裂缝发育程度不同,如XC8井,Tx22砂组平均裂缝密度为0.46条/m,Tx24砂组的为0.23条/m。不同砂组中不同类型裂缝密度也具有较大差异,总体上高角度缝的发育密度小于低角度缝的。通过气井无阻流量、日产量、累积产量等产能数据与裂缝密度、裂缝倾角交会表明,斜缝、高角度缝和立缝组成的构造缝越发育,初期产气能力越好,即无阻流量与裂缝密度呈正相关关系,随裂缝倾角增大,无阻流量快速增大[22,24]。这是因为高角度缝更能沟通气层,从而提高储层渗流能力,向试采段供气能力越强。因此,倾角大于30°的裂缝(有效裂缝)是新场地区须二段气藏控藏控产的主要因素。

表1 研究区测井计算裂缝发育参数Table1 Fracture development parameters by logging calculation in the study area

3 FL属性原理与提取

Fault Likelihood(FL)属性反映断裂存在的可能性,其计算基于以断裂识别为导向的相似性属性Semblance(S属性)[25]。对地震数据体进行构造导向平滑,以及沿断裂走向、倾向进行滤波,计算S属性(S为0～1),增强S属性计算的稳定性。地层的横向强连续性将导致S属性在大多数空间位置接近1,在预测小尺度的、没有明显断距的断裂或裂缝时,难以区分断裂、裂缝存在的可能性。

为预测更小尺度的裂缝,对S属性进行指数运算,得到FL属性。FL属性提高不同样点间的对比度,提升传统相似性属性的检测能力,对较大的断裂有响应,能刻画小尺度的裂缝。当断裂发育时,地震反射连续性降低,S属性急剧减小,FL属性显著增强；反之,FL属性减弱。实际应用表明,S的幂指数为8时,FL属性效果较理想,其表达空间某一位置相对其他位置发育断裂、裂缝的可能性。

对研究区进行FL属性提取,可以较好反映断裂发育趋势。在剖面不同尺度的断裂和裂缝表现信号异常,其中主断裂表现为强异常,数值反映不同尺度的断裂和裂缝发育概率,从而反映断裂、裂缝发育程度的空间变化趋势(见图4)。

计算FL属性时,关键参数是计算步长的选取。根据测井岩性解释,单砂体厚度不超过50 m,即地震信号传输的双程旅行时约为25 ms(砂岩平均速度约为4 000 m/s)。为避免将沉积相边缘错误解释为断裂,将计算时间步长设置大于25 ms。基于研究区偏移处理的叠后三维地震数据体计算FL属性,数值越大代表断层存在的可能性越高(见图4)。

4 FL属性分区标定

根据裂缝发育程度,将研究区须家河组地层划分为裂缝发育区、裂缝较发育区和裂缝欠发育区。FL属性可以较好地刻画断裂系统,为划分不同裂缝区域的空间分布提供可能。随地震裂缝预测研究的深入,一方面沉积作用、构造作用等因素引起岩性、地层厚度、地层产状的空间非均质性,使地震信号的不连续性出现变化[26-27]；另一方面含气性的差异、大断裂的影响加剧地震反射噪声的波动,对裂缝属性结果造成较大干扰[28-30]。初步提取研究区目标层FL属性,不同构造区域的裂缝属性对裂缝的响应程度有差异。Tx22砂组不同构造区域FL属性对裂缝的响应程度不同,若统一阈值分析,则弱响应区域的裂缝未显示,强响应区域的裂缝过度显示(见图5)。地震裂缝探测属性通常对具有一定倾角的裂缝(斜缝、高角度缝和立缝)响应程度较好,为更准确地统计和标定FL属性与测井裂缝解释结果,需要明确FL属性与倾角大于多少的裂缝相关关系最好,提出一套分区FL属性裂缝预测技术(见图6),提升裂缝预测准确性,进行三维裂缝地质建模。

4.1 FL属性预处理

裂缝成像测井多用于解释砂岩裂缝,因此,需要考虑去除砂岩和泥岩裂缝发育情况对FL属性的影响。自然伽马反演在一定程度上反映砂泥岩变化,FL属性交会反映裂缝多发育于砂岩段(见图7)。为与钻井资料更好地对比,提高地震属性预测精度,对FL属性进行预处理。结合自然伽马反演结果,利用砂泥岩的空间分布范围,剔除泥岩段裂缝属性,保留砂岩层FL属性值。

4.2 FL属性分区标定

研究区须二段气藏气水总产量较高的井多集中于近东西向的中央背斜高构造部位,南、北两个斜坡带的气井含水率通常较高,前期的阻抗反演表明含气性好的砂体多分布于构造高部位[22,31]。另外,储量动用程度最高的F1主断裂周围钻井揭示裂缝发育,产水量普遍较高,井区水淹程度高。根据新场地区沉积砂体分布和构造形态特征[32],结合钻井资料实际产能,考虑含气性、岩性变化与断裂展布情况,划分5个构造单元,分别为北区斜坡、南区斜坡、中央背斜西区、中央背斜中区和中央背斜东区(见图8)。

根据钻井资料解释的裂缝发育程度(发育、较发育和欠发育),标定并调整每个区域内部FL属性,定量每个区域FL属性对裂缝的响应区间(裂缝发育FL属性下限值)。对比钻井裂缝发育情况,研究区Tx22和Tx24砂组5个构造单元的FL属性下限值北区斜坡分别为0.055和0.090,南区斜坡分别为0.060和0.100,中央背斜西区分别为0.025和0.060,中央背斜中区分别为0.020和0.030,中央背斜东区分别为0.030和0.040。

4.3 FL属性整合

不同构造单元FL属性对裂缝探测的阈值有差异。为进行三维地质建模和数值模拟研究,需要整合各构造单元调整的FL属性。将各构造单元阈值进行归一化,整合调整后FL属性对裂缝的响应,即不同构造单元的FL属性阈值不同,归一化区间也不同

采用线性等比例归一化方法,确定各构造单元的归一化区间。以Tx22砂组为例,FL属性对裂缝响应阈值最大的①构造单元(FL属性阈值为0.020～0.300),作为最大归一化区间,可设置为0～1,其他构造单元根据裂缝响应阈值通过等比计算,确定②～⑤构造单元归一化区间分别为0.02～1.00、0.04～1.00、0.12～1.00、0.14～1.00(见图9(a))。将各个构造单元FL属性整合,得到完整的FL属性平面分布(见图9(b))。

4.4 效果检验

各构造单元调整后的FL属性与钻井裂缝情况有更好的对应关系(见图10),统计Tx22和Tx24砂组的井震吻合率分别为85.2%和88.9%,提高FL属性对裂缝探测的准确性(见图11(a-b))。

通过成像测井计算得到裂缝发育、裂缝较发育、裂缝欠发育井,以及FL属性调整前后分布结果,裂缝发育井的FL属性阈值明显提升(见图7、图11(c-d)),裂缝欠发育井的FL属性阈值明显下降,地震属性区间能较好地反映不同裂缝发育程度钻井的分布。统计测井裂缝解释倾角大于30°(有效裂缝)的裂缝密度和调整后的FL属性交会,Tx22和Tx24砂组的相关因数分别为0.78和0.86,说明调整后FL属性能预测裂缝的空间分布(见图11(e-f))。

5 三维地质建模

5.1 裂缝密度模型

根据不同砂组的FL属性分区标定处理技术,调整研究区每个砂组FL属性,代表砂组裂缝的空间分布情况。

基于成像测井解释裂缝参数的常规测井裂缝识别和评价,获取裂缝综合指示曲线。结合井点裂缝解释和评价统计数据,分析裂缝参数和裂缝发育特征,明确在纵向上的主要裂缝发育段,计算并获取倾角大于30°的裂缝发育密度曲线。以井点裂缝密度为条件数据,各个砂组利用调整后的FL属性作为裂缝分布约束,采用序贯高斯模拟方法,建立裂缝密度模型,作为基于地球物理预测的裂缝发育概率体(见图12)。

5.2 裂缝DFN模型

利用Petrel软件,在裂缝密度模型约束下,根据裂缝发育规律和产状,输入不同的参数,采用随机模拟方法,分砂组对近WE向(裂缝最发育)和近NS向簇系的小尺度裂缝分别建立裂缝DFN模型(见图13)。该模型是随机模拟产生裂缝片,裂缝片的多少和分布受裂缝密度模型的控制。裂缝片的产状受井点裂缝统计参数的控制,如利用裂缝玫瑰花图确定裂缝走向和倾角。

5.3 裂缝属性模型

裂缝属性模型反映裂缝孔隙度、渗透率的三维分布,属于连续变量模型。建模方法主要有两种:第一种采用储层参数建模方法进行建模[33]。在裂缝密度模型约束下,通过单井裂缝物性参数,运用地质统计学方法进行插值或随机模拟,得到裂缝属性参数的三维分布模型。第二种以裂缝离散网络模型为基础,通过裂缝开度等参数计算裂缝物性(见图3、表1)。在裂缝离散网络模型中,裂缝以面元形式分布,单个地层网格中裂缝的条数、方向、长度、面积为已知参数,裂缝开度由井眼统计数据得到[34]。新场地区致密气藏单井裂缝解释难以有效准确评价裂缝渗透率,对裂缝属性模拟采用第二种方法计算裂缝贡献的储层物性参数,从而建立裂缝属性模型。

裂缝孔隙度需要利用裂缝开度进行计算,裂缝孔隙度与裂缝平均开度具有较好的相关关系,确定裂缝开度信息,根据裂缝开度计算裂缝孔隙度。岩心观察的裂缝开度分布范围广(在0.01～10.00 mm之间),多数分布在0.10～2.00 mm之间；成像测井解释的裂缝开度相比岩心和露头计算结果普遍小1～2个数量级[24]。统计研究区成像测井解释裂缝开度,各砂组平缝和低角度缝的开度总体较大,立缝、高角度缝、斜缝的开度相对较小。筛选地球物理计算能够响应的倾角大于30°的裂缝开度数据,获取每个砂组裂缝开度的平均值和变异因数,Tx22、Tx24砂组裂缝开度平均分别为0.057、0.053,变异因数分别为0.043 6、0.041 8。

在裂缝DFN模型基础上模拟生成裂缝开度分布场,计算裂缝孔隙度三维分布模型(见图14(a))。裂缝渗透率与裂缝开度、裂缝孔隙度有关,采用Oda计算公式[35]计算裂缝渗透率(见图14(b))。

在致密砂岩气藏中,基质储层为天然气提供储集空间,裂缝对天然气渗流起决定性作用,通常采用双重介质模型(基质储层模型和裂缝模型)评价天然气储量和产能预测[22,36]。基于基质储层模型和裂缝模型,分析气藏参数空间分布,分析数值模拟后的饱和度、含气丰度等参数变化情况。分析主力产气层的模型参数分布,研究区X851井区在须二段基质孔隙度平均约为5.67%,基质渗透率平均约为3.14×10-3μm2,物性高值区位于X301井附近,主要产气井X851、X2井附近物性参数相对较低,Tx22、Tx24砂组裂缝渗透率高,与井区裂缝发育、产气主要来自裂缝沟通甜点的认识一致。

在FL属性的基础上,对于致密气藏裂缝预测特点与需求,建立一套基于FL属性分区标定的裂缝预测技术,通过构造单元分区、裂缝井震标定、属性阈值调整、归一化整合等,有效提升FL属性对裂缝的预测准确性。利用该技术获取新的属性数据体,用于预测断裂空间分布并约束裂缝密度模型的建立,建立的天然裂缝三维地质模型能更好地刻画储层的裂缝空间分布,保证裂缝发育程度与测井裂缝解释结果相匹配,同时还能更准确反映井间的裂缝孔隙度、渗透率等属性参数的分布。天然裂缝模型能够保证天然裂缝参数的空间分布,评价研究区致密砂岩气藏甜点质量及分布,为后续优化井位、压裂评价和压裂缝网模型建立提供数据基础。

6 结论

(1)川西坳陷新场地区须二段天然裂缝发育,以平缝、低角度缝和斜缝为主,高角度缝和立缝发育较少,以近WE向为主。裂缝在纵向和平面分布上具有较强的非均质性,Tx22和Tx24主力产气砂组的裂缝相对更发育,高角度缝的发育密度小于低角度缝的。

(2)Fault Likelihood(FL)属性表征断裂存在的可能性,能够更好反映裂缝的分布,受沉积、构造、含气性等地质因素的影响,不同构造区域FL属性对裂缝的响应程度和不同裂缝发育带的阈值范围有差异。

(3)提出一套基于FL属性分区标定的裂缝预测技术,分不同构造单元进行井震对比并调整FL属性对不同裂缝发育带的响应阈值,整合的FL属性与钻井揭示的裂缝发育情况对比吻合率超过85%,有效提升裂缝预测准确度。

(4)基于不同砂组调整的FL属性,约束构建新场地区须二段气藏裂缝密度模型,形成基于地球物理预测的裂缝概率体,控制裂缝DFN模型构建,更好地刻画裂缝空间分布。