0.   引言

四川盆地东部高陡褶皱带焦石坝地区, 上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组下部页岩属于深水陆棚相沉积, 页岩气“甜点”是主要的勘探开发对象。页岩气“甜点”, 指具有经济开采价值的页岩气富集区，主要包括页岩埋深、厚度、TOC、脆性和裂缝等^[1-3]。针对性的页岩气甜点预测主要是以地震解释、地震属性和地震反演为主导的地球物理方法来进行。笔者重点探讨在层序地层格架控制下的页岩气甜点地震预测方法及其应用效果。

层序地层格架控制下的地震预测技术在焦石坝页岩气田勘探开发中的运用, 探索了页岩气甜点开发的新思路, 较好地满足了焦石坝页岩气的生产需要。

1.   层序地层划分与沉积相特征

根据沉积层序边界特征和沉积旋回的组合关系, 在对地震、钻井、测井、露头及岩心等资料进行综合研究的基础上, 将四川盆地焦石坝地区上古生界上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组下部页岩划分为3个三级层序^[4-5](SQ1、SQ2和SQ3)(图 1)。

图  1  焦页1井五峰组—龙马溪组层序地层及沉积相

Figure  1.  Sequence stratigraphy and sedimentary facies of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in well Jiaoye-1

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SQ1下伏地层上奥陶统涧草沟组为台缘斜坡相的泥质灰岩沉积, 五峰组沉积早期水体开始加深, 沉积了一套深水陆棚相的含炭、硅质页岩, 即富炭高硅泥页岩, 笔石含量极高(属于海侵体系域TST)。至五峰组沉积晚期相对海平面下降, 以至于在五峰组顶部出现了沉积间断面, 这一时期发育的地层为SQ1的高位体系域(HST)。但因五峰组在焦石坝地区残存厚度小, 多在6 m以下, 且在沉积间断期间下伏地层又遭受了部分剥蚀, 因而高位体系域厚度极薄, SQ1中更多的是以海侵体系域为主体发育。

至龙马溪组沉积早期开始, 区域上发育了大规模的海侵, 导致了SQ2海侵体系域(TST)的发育, 为龙马溪组一段下部深水陆棚亚相的灰色—深灰色泥页岩, 即高炭高硅泥页岩；高位体系域(HST)则为龙马溪组一段中部灰色—深灰色的粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩。

层序SQ2与SQ3存在明显的岩性突变, 由粉砂岩变为炭质页岩, 因而将这个岩性界而当作两层序的分界面。SQ3的海侵体系域(TST)为龙马溪组一段上部深水陆棚相的泥页岩段, 偶夹粉砂岩, 之上龙马溪组二段浅水陆棚相的粉砂岩构成了SQ3的高位体系域。

结合钻井气测显示和水平井开发成果(图 1), 主要含气页岩分布在SQ1和SQ2层序的海侵体系域。

2.   地震反射界面的地质意义

根据精细的合成记录标定(图 2)，TO3波标定在层序SQ1五峰组底界面，为五峰组低阻抗页岩与下伏涧草沟组高阻抗灰岩形成的连续强波峰反射；TS1hy波标定在层序SQ2与SQ3之间，为上覆炭质页岩与下伏粉砂岩形成的连续强波峰反射；TS1sand波标定在层序SQ3顶界面，为上覆页岩与下伏浊积砂岩形成的较连续波峰反射；TS1yy波标定在层序SQ2中最大海泛面位置，为上覆粉砂岩与下伏页岩形成的连续波谷反射。

图  2  焦页1井合成地震记录

Figure  2.  The synthetic seismogram of well Jiaoye-1

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从波组的解释和标定综合分析, TO3反射层是一个在全区具有等时地质意义的反射界面, 五峰组(层序SQ1的海侵体系域TST)和龙马溪组下部海相页岩(层序SQ2的海侵体系域TST)为焦石坝地区主要含气目的层系，其顶底界面(TS1yy和TO3)可全区闭合追踪和解释(图 3)。

图  3  焦页1—焦页2井连井地震解释剖面

Figure  3.  Seismic interpretation section of well Jiaoye-1 and well Jiaoye-2

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3.   页岩气甜点地震预测

3.1   地震反射结构分析

通过地震反射结构分析和地震波形分类结果可作为确定各种沉积相及构造分布范围的依据^[6]。

应用神经网络波形分类方法, 根据地震反射特征的地质含义, 将波形进行地震相归类, 在相干、测井相及构造解释对比的基础上, 定性地确定断裂展布范围和稳定沉积页岩发育有利区。

(1) 等厚时窗的选取  根据龙马溪组和五峰组含气页岩标定的位置, 确定地震相波形分析的时窗。TO3波峰反映五峰组页岩底界面的反射, TS1hy波峰反映龙马溪组下部粉砂质页岩顶界面的反射。一方面, 由于构造挤压, 造成TO3波峰和TS1hy波峰的不连续和明显错位现象, 是断层和断裂带的表现。另一方面, 由于粉砂质页岩和下部含气页岩厚度的变化造成波形的改变, 可以通过波形预测稳定沉积的区域。

因此, TO3波峰和TS1hy波峰之间波形的变化反映含气页岩断裂及岩性组合变化的情况。时窗层段选取TO3波峰至TS1hy波峰。

(2) 波形分类数的选取  波形分类数是指在整个目标层段内所遇到的地震道的种类数, 正确的分类数应取决于所研究的目标, 本次选取7种波形数。

(3) 迭代次数的选取  迭代次数是神经网络方法中的一个重要参数, 神经网络大约在10次迭代后就收敛到实际结果的80%, 本次迭代次数为20。

经过上述计算, 划分出7种地震波形(图 4), 第1至第6种波形主要为地震层位TO3与TS1hy为波峰、中部为强波谷的特征, 代表含气页岩与含粉砂质页岩不同厚度的组合。第7种紫色波形为TS1hy对应零相位、TO3为强波峰的特征, 代表裂缝发育带。

图  4  焦石坝工区含气页岩段波形分类(时窗：TS1hy—TO3)

Figure  4.  Waveform classification of gas shale section in the Jiaoshiba area (time window: TS1hy-TO3)

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焦石坝工区页岩目的层段地震波形分类平面图(图 5)显示, 紫色波形刻画的断裂带非常清晰, 红色和黄色波形代表构造主体部位的优质页岩。

图  5  焦石坝工区含气页岩层段地震波形分类图(时窗：TS1hy—TO3)

Figure  5.  Classification diagram of seismic waveforms of gas-bearing strata in the Jiaoshiba area (time window: TS1hy-TO3)

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3.2   有机碳含量(TOC)预测

页岩气的富集需要丰富的烃源物质基础, 总有机质含量(TOC)是国内外普遍采用的有机碳丰度指标。由于有机碳的吸附特征, 其含量直接控制着页岩的吸附气含量, 页岩中有机物含量越高, 吸附气和游离气含量越高, 其页岩气开发潜力越大。要获得有工业价值的页岩气, 有机碳的平均含量应达到一定门限值^{[1, 5]}。

在岩石物理分析和测井参数评价中, 发现焦石坝地区页岩地层的密度参数与TOC具有很好的相关性。其中, 当TOC＞1%时, 密度值＜ 2.68 g/cm³, TOC值与密度呈负相关关系, 相关系数达到了0.88(图5)。研究认为, 高TOC的泥页岩有机质孔隙相对发育, 更有利于页岩气的吸附和储集, 从而导致密度降低。因此, 可以通过TOC与密度之间的相关性来实现TOC的预测^[7-9]。

通过对该区多井岩心测试与测井资料综合分析, 建立了焦石坝地区含气页岩TOC与密度之间的数学关系式：

TOC＝-16.305ρ+44.803

式中:TOC为有机碳含量；

ρ为岩性密度。

本次密度的地震预测, 优选了基于波形特征驱动的高分辨率随机模拟反演方法^[5], 得到密度数据体, 根据TOC与密度之间的数学关系式(图 6), 即可计算出TOC数据体, 从TOC反演结果和测井数据对比, 吻合程度高, TOC>3%页岩主要分布TS1yy和TO3地震层位之间(即SQ1和SQ2层序的海侵体系域)(图 7)。

图  6  焦页1井与焦页4井实测TOC与密度交汇图

Figure  6.  The intersection diagram of measured TOC vs density in well Jiaoye-1 and well Jiaoye-4

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图  7  焦页1井-焦页3井地震反演TOC剖面

Figure  7.  Inversion seismic profile of TOC from well Jiaoye-1 to well Jiaoye-3

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3.3   裂缝预测

天然裂缝是影响页岩气产能的重要因素。在大多数情况下，裂缝发育不仅可以为页岩气的游离富集提供储集和渗透空间，而且有助于吸附气的解吸，并成为页岩气运移、开采的通道，体现了裂缝发育对页岩气开采的优势。但是，裂缝的发育可能对已经趋于稳定的页岩气藏产生破坏作用，如果裂缝与大型断裂连通则不利于页岩气的保存，同时地层水也会通过裂缝进入页岩储层，产生水淹^[1]。因此，对泥页岩中断层和裂缝(尤其是微裂缝)预测和认识是非常重要的。

地震裂缝预测技术主要包括叠后地震几何属性、纵波方位各向异性检测和多分量转换波裂缝检测^[10-11]。

笔者在相干分析的基础上, 采用AFE(Automatic Fault Extraction)即断层自动提取技术, AFE技术可以在三维地震不连续数据体(如分频相干体)上自动提取断层线, 从而得到断层和裂缝面。AFE处理后的数据体与原始的相干体相比, 断层和裂缝的成像更加清楚^[7]。

图 8是该工区叠后振幅数据在目的层段的AFE相干切片平面, 焦页9-3HF井位于断层和断裂发育区, 试气井口压力低、初期产量低、产水量大，表明断层、裂缝发育对保存条件具有重要的影响。结合工程压裂参数，井位部署中应远离断层发育区，以减少断层及裂缝对水平井压裂的影响。

图  8  Hz的AFE沿层切片(时窗：TO3-4 ms, 图中暖色代表断裂发育区)

Figure  8.  AFE slice of 50 Hz along layers (time window: TO3-4 ms, warm colors indicate fault zones)

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3.4   脆性预测

页岩的脆性对工程压裂裂缝的发育模式有非常重要的影响, 页岩的脆性越高, 越容易产生裂缝。决定页岩脆性的是其力学性质, 通常用杨氏模量和泊松比作为评价页岩脆性的标准。杨氏模量和泊松比是岩石在外界应力作用下的反映, 杨氏模量的大小标志了材料的刚性, 杨氏模量越大, 岩石越不容易发生形变。泊松比的大小标志了材料的横向变形系数, 泊松比越大, 说明岩石在压力作用下越容易膨胀。不同的杨氏模量和泊松比的组合表示岩石具有不同的脆性, 杨氏模量越大, 泊松比越低, 页岩的脆性越高^[1]。

笔者构建了反映页岩地层脆性的脆性弹性阻抗BEI, 推导出脆性弹性阻抗与杨氏模量E、泊松比σ和密度ρ的方程^[12-13]。在叠前道集数据基础上, 由3个角度脆性弹性阻抗数据体, 通过叠前地震反演可以得到杨氏模量E、泊松比σ和密度，利用杨氏模量E除以所泊松比σ，得到页岩地层脆性指数，从而评价页岩地层的脆性^[14-16]。

推导的BEI方程如下：

式中：BEI代表脆性弹性阻抗；

E、σ、ρ、θ分别为杨氏模量、泊松比、密度和纵波入射角；

θ₁、θ₂、θ₃ 分别为3个不同的纵波入射角。

图 9是利用上述脆性弹性阻抗反演方法预测的焦石坝工区页岩脆性指数, 脆性页岩主要分布在目的层段下部, 脆性指数>50%的页岩主要分布TS1yy和TO3地震层位之间，实际压裂效果验证了预测的准确性。

图  9  焦页4井页岩脆性预测剖面

Figure  9.  The prediction profile of shale brittleness in well Jiaoye-4

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4.   结论及认识

(1) 应用层序地层学理论，建立了页岩目的层三级层序地层格架，认清了深水陆棚页岩沉积相的展布规律。沉积相决定了地层的岩石类型和岩石组合，也决定了页岩气甜点的发育和分布，沉积相是进行页岩气甜点预测和描述的重要基础和依据，五峰组及龙马溪组富炭高硅和高炭高硅泥页岩主要分布在三级层序的海侵体系域。

(2) 通过地震反射结构分析和地震波形分类结果可作为确定各种沉积相及构造分布范围的依据，定性地确定断裂展布范围和优质页岩发育有利区。

(3) 焦石坝地区页岩地层的密度参数与TOC具有很好的相关性，利用基于波形特征驱动的高分辨率随机模拟反演方法, 可准确预测页岩密度，从而预测TOC的空间展布。

(4) 天然裂缝是影响页岩气产能的重要因素，大的断层和裂缝发育带不利于页岩气的保存。利用AFE断层自动追踪技术，能较好地预测断层和裂缝的分布范围。

(5) 不同的杨氏模量和泊松比的组合表示岩石具有不同的脆性，杨氏模量越大，泊松比越低，页岩的脆性越高。利用脆性弹性阻抗反演方法预测的页岩脆性指数，能有效地预测脆性页岩分布。