東濮凹陷泥頁巖脆性指示因子地震預(yù)測

李寧，郝加良，秦廣勝，鄧明霞，晉達(dá)

（1.中國石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，吉林 長春 130000；2.中國石化中原油田分公司物探研究院，河南 濮陽 457001）

東濮凹陷泥頁巖脆性指示因子地震預(yù)測

李寧1，2，郝加良2，秦廣勝2，鄧明霞2，晉達(dá)2

（1.中國石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，吉林 長春 130000；2.中國石化中原油田分公司物探研究院，河南 濮陽 457001）

脆性指示因子是評(píng)價(jià)泥頁巖儲(chǔ)層的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。在勘探階段，高脆性泥頁巖發(fā)育區(qū)常發(fā)育裂縫，易形成產(chǎn)能，有助于開發(fā)區(qū)域優(yōu)選；在開發(fā)階段，脆性指示因子有效預(yù)測能為水平井部署、井身設(shè)計(jì)以及壓裂改造提供重要的依據(jù)。目前國內(nèi)利用地震方法預(yù)測脆性指示因子空間展布的研究并不廣泛。文中利用地震疊前反演得到彈性模量與泊松比2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測脆性指示因子。預(yù)測結(jié)果與已知井的情況符合較好。

泥頁巖儲(chǔ)層；脆性指示因子；彈性模量；泊松比；東濮凹陷

0　引言

隨著頁巖氣研究的逐步推進(jìn)，中國頁巖氣在勘探開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)取得了不菲的成績，重慶涪陵等地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大型的頁巖氣田。東濮凹陷在勘探歷程上也早有發(fā)現(xiàn)鹽間泥頁巖裂縫油氣顯示，鉆井取心及EMI成像測井均證實(shí)確實(shí)具有鹽間高壓泥巖裂縫油氣藏，但由于該類油藏的隱蔽性和復(fù)雜性，勘探開發(fā)難度都較大，如何利用地震資料對(duì)其進(jìn)行有效識(shí)別和預(yù)測，是鹽間泥巖裂縫油氣藏成功勘探的技術(shù)關(guān)鍵。

泥頁巖本身具有低孔、低滲的特征［1］，需經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得商業(yè)產(chǎn)量，而泥頁巖的脆性對(duì)壓裂有非常重要的影響，因此研究泥頁巖的脆性，是評(píng)價(jià)泥頁巖儲(chǔ)層的關(guān)鍵指標(biāo)之一。脆性越高，越傾向于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，泥頁巖產(chǎn)能也越高；脆性越差，泥頁巖的塑性特征越明顯，破壞時(shí)吸收的能量越多，越易形成簡單形態(tài)的裂縫，在一定程度上降低了壓裂改造的效果［2］。

工程上通常使用彈性模量和泊松比作為評(píng)價(jià)頁巖脆性的標(biāo)準(zhǔn)［3］。彈性模量越大，說明巖石越不容易發(fā)生形變。泊松比的大小標(biāo)志著材料的橫向變形系數(shù)，泊松比越大，說明巖石在壓力作用下越容易膨脹。不同的彈性模量和泊松比的組合能反映巖石不同的脆性，彈性模量越大，泊松比越低，巖石的脆性越高。因此，通過地震疊前反演得到反映脆性的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——彈性模量與泊松比，進(jìn)而預(yù)測脆性指示因子，這是目前國內(nèi)利用地震方法預(yù)測脆性指示因子的主要方法。

1　脆性指示因子計(jì)算方法

1.1脆性指示因子計(jì)算

泥頁巖礦物組成非常復(fù)雜，主要分為石英類、碳酸鹽巖類和黏土類3種，石英體積分?jǐn)?shù)高的區(qū)域標(biāo)志為有利的頁巖氣開發(fā)區(qū)。Jarvie［4］在北美Barnett頁巖脆性指示因子研究中主要考慮了石英的作用。

通過對(duì)東濮凹陷沙三上亞段和沙三中亞段泥頁巖樣品的X衍射全巖物相分析，將泥頁巖的礦物組成歸為3類，即碎屑礦物（石英、長石、黃鐵礦、硫酸鹽）、黏土和碳酸鹽（方解石、白云石、鐵白云石、菱鐵礦）。泥頁巖全巖礦物組成中，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)17.0%～52.1%，平均27.6%，不到源巖總礦物組成的1/3。黏土礦物中，伊利石占絕對(duì)優(yōu)勢，為黏土體積分?jǐn)?shù)的 88.0%～100.0%，平均97.8%；硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)為2.0%～26.0%，平均為17.3%；碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)除少量薄層灰?guī)r外，為6.1%～46.0%，平均33.4%。在碳酸鹽礦物中，以方解石體積分?jǐn)?shù)為主，白云石次之。泥頁巖全巖礦物具有黏土礦物體積分?jǐn)?shù)低，普遍含有相對(duì)較高體積分?jǐn)?shù)的脆性組分（硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物之和平均為50.7%）。

圖1　彈性模量與泊松比交會(huì)圖

北美已發(fā)現(xiàn)頁巖氣藏地區(qū)氣源巖全巖礦物組成一般以低黏土、高硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)為特征，黏土礦物一般低于40%，硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)在35%～75%。與北美地區(qū)頁巖油氣源巖相比，東濮凹陷泥頁巖黏土礦物體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)，硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)略低，但碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)較高，增加了脆性，有利于裂縫的形成及后期壓裂改造。因此，東濮凹陷的脆性指示因子考慮了碳酸鹽巖的作用。

用北美和東濮凹陷2種計(jì)算方法對(duì)文古4井的脆性指示因子進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析。在彈性模量與泊松比的交會(huì)圖中可以看出（見圖1），利用石英和碳酸鹽巖計(jì)算的脆性指示因子，更能在彈性參數(shù)的變化上得到反映，即高脆性表現(xiàn)為高彈性模量和低泊松比。找到適合東濮凹陷的脆性指示因子的計(jì)算方法，可為脆性指示因子的地震預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。

1.2彈性參數(shù)脆性指示因子計(jì)算

地球物理技術(shù)是指導(dǎo)泥頁巖油氣鉆井部署和儲(chǔ)層改造優(yōu)化方面必要的手段，服務(wù)和指導(dǎo)勘探開發(fā)的整個(gè)過程。利用地球物理方法預(yù)測脆性指示因子，需要建立彈性參數(shù)與脆性指示因子之間的關(guān)系。這就需要用到巖石力學(xué)的方法，即利用彈性模量和泊松比綜合計(jì)算，定義為彈性參數(shù)脆性因子。

由于泊松比和彈性模量的單位不同，為了評(píng)價(jià)每個(gè)參數(shù)對(duì)巖石脆性的影響，應(yīng)該分別進(jìn)行均一化處理，然后平均，產(chǎn)生脆性指示因子。Rickman［5］認(rèn)為泥頁巖的彈性模量分布在1～8 GPa，泊松比分布在0.15～0.40。通過計(jì)算，歸一化彈性模量和泊松比的平均值來得到脆性指示因子的計(jì)算式為

式中：BI為脆性指示因子；Emax，Emin分別為最大、最小彈性模量，GPa；νmax，νmin分別為最大、最小泊松比。

利用這種方法計(jì)算文古4井的彈性參數(shù)脆性指示因子，結(jié)果見圖2。將其結(jié)果與礦物脆性指示因子對(duì)比可知，脆性指示因子（第3列藍(lán)色曲線）與巖心實(shí)測（第3列紅色散點(diǎn)）的脆性指示因子基本相同，而彈性參數(shù)脆性指示因子（第4列橙色曲線）與礦物脆性指示因子曲線（第4列藍(lán)色曲線）趨勢相同，說明通過彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換能夠得到較為可靠的脆性指示因子分布。

利用巖石礦物學(xué)計(jì)算的礦物脆性指示因子與巖石力學(xué)計(jì)算的彈性參數(shù)脆性指示因子進(jìn)行比較，這2種算法在彈性模量與泊松比的交會(huì)圖上對(duì)應(yīng)的區(qū)域基本一致，均為脆性組分對(duì)應(yīng)高彈性模量和低泊松比，柔性組分對(duì)應(yīng)低彈性模量和高泊松比。低泊松比、高彈性模量脆性泥頁巖層段是尋找高產(chǎn)油氣井的主要目的層。

圖2　文古4井脆性指示因子計(jì)算方法比較

2　脆性指示因子地震定量預(yù)測

2.1理論基礎(chǔ)

地震疊前反演能夠從疊前地震資料中獲得地震波縱橫波速度、彈性模量、泊松比等儲(chǔ)層預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于巖性識(shí)別和油氣檢測都起著至關(guān)重要的作用［6-10］。脆性指示因子也可以通過反演出的泊松比和彈性模量轉(zhuǎn)換得到。

在實(shí)際的地震勘探中，地震射線是以非零角度入射到巖層分界面上，反射系數(shù)不僅與縱波速度和密度有關(guān)，而且還與橫波速度有關(guān)。因此，要準(zhǔn)確地研究反射系數(shù)的特征，必須從波動(dòng)理論出發(fā)，導(dǎo)出反射系數(shù)的精確公式。通常利用Zoeppritz方程及其各種近似式來計(jì)算反射系數(shù)。宗兆云等［6］提出了一種通過Aki和Richards近似方程演化后的YPD近似方程，建立了縱波反射系數(shù)與彈性模量反射系數(shù)、泊松比反射系數(shù)及密度反射系數(shù)的線性關(guān)系，可以通過疊前反演直接得到彈性模量和泊松比的方法，該方法適用地層為水平層狀介質(zhì)。

Fatti等［7］的似方程能夠更穩(wěn)定地反演得到所需的彈性參數(shù)，因此，東濮凹陷，采用了此種方法。將Aki-Richard近似公式重新整理為

式中：S（θ）為地震信號(hào)；W（θ）為入射角為θ時(shí)的子波；Zp，Zs分別為縱、橫波波阻抗，kg·m-3·m·s-1；ρ為密度，kg/m3；D為微分算子；vs，vp分別為橫、縱波速，m/s；k，m為含水背景趨勢的斜率，通過分析井上的含水背景趨勢，可以縱波阻抗與橫波阻抗和密度之間存在關(guān)系中得到。

式中：kc，mc為截距；ΔLs，ΔLD為異常段到背景趨勢線的差，通常為烴類的響應(yīng)。

利用共軛梯度法求解式（2），最終得到縱波速度、橫波速度和密度數(shù)據(jù)體。將疊前反演結(jié)果轉(zhuǎn)換為彈性模量和泊松比，結(jié)合式（1），最終能夠?qū)崿F(xiàn)利用地震方法對(duì)脆性指示因子的空間預(yù)測。

2.2實(shí)際應(yīng)用

東濮凹陷柳屯洼陷及周邊地區(qū)共有74口井在鹽間泥巖見到不同級(jí)別油氣顯示，其中文古2、文300、文403、新文401、文201等井顯示良好。泥頁巖最富集的沉積微相類型為深湖—半深湖相和前三角洲泥，紋層狀灰質(zhì)頁巖相、紋層狀云質(zhì)泥巖相有機(jī)質(zhì)富集。紋層狀灰質(zhì)泥巖相聲波時(shí)差低，電阻率高［8］，表明其儲(chǔ)集空間發(fā)育程度和油氣富集程度均高；脆性指示因子高，容易壓裂，表明紋層狀灰質(zhì)泥巖相和紋層狀泥巖相為甜點(diǎn)相。為了認(rèn)識(shí)脆性指示因子的空間分布，為含油氣泥頁巖的開發(fā)及壓裂提供依據(jù)，對(duì)柳屯洼陷文古4井區(qū)進(jìn)行了脆性指示因子預(yù)測。

圖3展示的是過文古4井主測線的脆性指示因子。井的位置投放的是文古4井從井上計(jì)算的脆性指示因子，預(yù)測剖面與井上計(jì)算結(jié)果吻合較好，文古4沙三中3泥巖段處于高脆性組分發(fā)育段。

圖3　過文古4井的脆性指示因子分布

從脆性指示因子數(shù)據(jù)體上提取文古4塊沙三中3含油層平面分布，利用已知幾口井的驗(yàn)證脆性指示因子的預(yù)測結(jié)果得出，文古4、水平井濮衛(wèi)383-FP2井在沙三中3層段脆性指示因子高，在80%～90%，文古2及文300井在沙三中3層段是含油層，處于高脆性組分發(fā)育帶，文408與文301井在次層段為干層，處于低脆性指示因子分布區(qū)，符合情況較好。

3　結(jié)束語

脆性指示因子是泥頁巖油氣藏勘探開發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)之一，利用地球物理手段進(jìn)行定量的脆性指示因子預(yù)測能為泥頁巖油氣藏的勘探開發(fā)提供有利的技術(shù)支撐。本文對(duì)東濮凹陷的脆性指示因子進(jìn)行了分析，找到了適合東濮凹陷的脆性指示因子計(jì)算方法。通過疊前同時(shí)反演及參數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到了脆性指示因子的定量分布，并且與區(qū)塊實(shí)鉆情況符合較好，為整個(gè)東濮凹陷泥頁巖儲(chǔ)層識(shí)別與評(píng)價(jià)做了良好的鋪墊。此方法也適宜推廣到東濮凹陷其他區(qū)域泥頁巖儲(chǔ)層，與應(yīng)力預(yù)測結(jié)合，還能有效地預(yù)測裂縫展布。

［1］蔣裕強(qiáng)，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評(píng)價(jià)［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：7-12.

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（編輯楊會(huì)朋）

Prediction of shale brittleness using seismic technology in Dongpu Sag

Li Ning1，2，Hao Jialiang2，Qin Guangsheng2，Deng Mingxia2，Jin Da2
（1.Research Institute of Exploration and Development，Northeast Oil and Gas Company，SINOPEC，Changchun 130000，China；2.Geophysical Research Institute，Zhongyuan Oilfield Company，SINOPEC，Puyang 457001，China）

Brittleness is one of the important parameters to evaluate shale reservoir.At the stage of exploration，the zone of high brittleness shale often contains fractures，production capacity can be easily reached，which contributes to resources evaluation and development area optimization；at the development stage，predicting brittleness effectively can provide an important basis for horizontal well deployment，borehole design and fracturing transformation.Seismic has not been widely applied to predict the distribution of brittleness.By using pre-stack seismic data，we invert to get Young′s modulus and Poisson′s ratio，and finally forecast brittleness.The results are in accord with the known wells.

shale reservoir；brittleness；Young′s modulus；Poisson′s ratio；Dongpu Sag

TE122.2+22

A

10.6056/dkyqt201503015

2014-12-11；改回日期：2015-03-22。

李寧，女，1985年生，工程師，碩士，現(xiàn)從事地震地質(zhì)綜合解釋工作。E-mail：Donna_ning@sina.com。

引用格式：李寧，郝加良，秦廣勝，等.東濮凹陷泥頁巖脆性指示因子地震預(yù)測［J］.斷塊油氣田，2015，22（3）：338-341. Li Ning，Hao Jialiang，Qin Guangsheng，et al.Prediction of shale brittleness using seismic technology in Dongpu Sag［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（3）：338-341.