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【论文】商晓飞等:基于裂缝相表征的页岩气藏天然裂缝新模型—以涪陵页岩气田焦石坝区块为例

时间:2023-07-09 来源: 浏览:

【论文】商晓飞等:基于裂缝相表征的页岩气藏天然裂缝新模型—以涪陵页岩气田焦石坝区块为例

原创 商晓飞 天然气工业
天然气工业

tianranqigongye

创刊于1981年,是由中国石油西南油气田公司、川庆钻探工程有限公司联合主办的学术期刊。关注地质勘探、开发工程、钻井工程、集输加工、安全环保、经济管理等多个领域。Ei检索、CSCD核心、中文核心、中国科技核心、入选中国科技期刊卓越行动计划。

收录于合集 #四川盆地页岩气勘探专题 4个

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本文引用著录格式:

商晓飞, 段太忠, 包汉勇, 等. 基于裂缝相表征的页岩气藏天然裂缝新模型——以涪陵页岩气田焦石坝区块为例[J]. 天然气工业,2023, 43(6): 44-56.

SHANG Xiaofei, DUAN Taizhong, BAO Hanyong, et al. A new model of natural fractures in shale gas reservoirs based on fracture facies characterization: A case study from the Jiaoshiba Block of the Fuling Shale Gas Field[J]. Natural Gas Industry, 2023, 43(6): 44-56.

作者简介 商晓飞,1986 年生,副研究员,博士;主要从事储层沉积学、油气藏开发地质研究工作。地址:(102206)北京市昌平 区百沙路197 号。ORCID: 0000-0003-2401-4370。

E-mail :

商晓飞 1  段太忠 1  包汉勇 2

龙胜祥 1  李东晖 1

1. 中国石化石油勘探开发研究院

2. 中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院

摘要: 页岩储层天然裂缝的定量表征与地质建模是页岩气藏勘探开发的关键技术之一,但由于中国页岩气产区构造复杂,现有裂缝建模技术不能准确表征天然裂缝,特别是裂缝空间分布的合理性和准确度受到严重影响。为此,以四川盆地涪陵页岩气田焦石坝区块为例,利用三维地震资料结合曲率等地震属性,研究了上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩地层的构造变形特征,通过构造应力解析划分了裂缝相,基于分区相控精细表征了裂缝特征参数,构建了裂缝模型,并与传统的裂缝建模进行了对比评价,并讨论了不同裂缝相的裂缝特征与页岩含气性、产能的关系。研究结果表明:①区内存在挤压、拉张和剪切3 种应力作用,不同构造区域的主要应力作用存在差异,可刻画出6 条挤压和平移断层;②区内可划分出挤压性高强度裂缝相、拉张性中强度裂缝相、挤压性低强度裂缝相、挤压性—剪切性中—高强度裂缝相、挤压性中强度裂缝相等5 个裂缝相;③通过裂缝相对裂缝密度和产状参数的约束和控制,采取“相控建模”的思路,建立了能刻画不同构造应力背景下的天然裂缝差异模型。结论认为,不同裂缝相区域的页岩含气性和产能存在差异,基于储层裂缝相表征建立的裂缝新模型,预测结果与已钻井信息吻合较好,该模型对提高裂缝建模精准度并高效开发页岩气资源具有重要意义。

关键词: 页岩气;构造应力;裂缝模型;裂缝相;焦石坝;涪陵页岩气田

0 引言

页岩气藏的品质和产气量高低与天然裂缝的发育程度密切相关,特别是在规模化压裂开发中,天然裂缝作用巨大 [1-5] 。因此,对页岩气藏天然裂缝的定量表征与地质建模技术发展的需求愈发强烈。现有技术对页岩气藏天然裂缝建模基本采用一般裂缝性储层的建模思路 [6] 。传统的页岩气裂缝建模方法总体可分为两大类:①等效连续性裂缝建模方法,即采用地震属性分析等手段进行裂缝探测和确定性建模 [7-8] ;②离散性网络裂缝建模方法,通过示性点等模拟方法随机模拟裂缝展布 [9-12] 。中国主要页岩气产区的构造背景十分复杂,天然裂缝是构造应力作用的直接结果。当页岩气储层受复杂构造应力作用发育多组裂缝时,传统的离散网络模型存在以下不足:①裂缝非均质性仅能在裂缝密度上体现,裂缝产状的空间差异仍不能准确表征;②统一的模拟参数会导致局部地区的裂缝方位、延伸、规模与实际的构造应力背景不匹配,部分模拟结果与实际差异大;③模拟过程未考虑裂缝性质的差异,裂缝属性建模参数的选取缺少地质认识和资料的支撑,最终影响了对裂缝属性空间分布认识的合理性和准确度。

为此,笔者以涪陵页岩气田焦石坝区块为例,基于构造变形特征和构造应力解析,提出并划分了多个裂缝相。“裂缝相”在国内多指测井或地震对地层裂缝的响应特征,如裂缝测井相或裂缝地震相 [13-14] ;国外学者更多在露头研究时使用,其代表裂缝的地质特征 [15] ,如同沉积相对沉积物特征的定义 [16] ,裂缝相代表了裂缝的性质、方向和规模等特征的综合。笔者所述的“裂缝相”指页岩等裂缝性储层内部的裂缝系统的组合,由裂缝产状、密度、延伸性、切穿性等要素叠加描述。裂缝相具有地质“相”的概念,反映裂缝产生的构造应力应变环境及其对裂缝的控制作用,在空间上具有一定的预测意义。通过对裂缝相分析,基于分区相控,实现并细化不同构造单元的裂缝特征参数并构建裂缝模型,并综合利用钻井、地震、应力信息对裂缝进行标定,以期裂缝模型更加符合实际。

1 地质概况

涪陵页岩气田位于四川盆地东南部,是中国第一个商业开发的页岩气田。涪陵气田经历了多期构造运动的叠加改造 [17] ,现今构造以发育褶皱和逆冲断层为主 [18] ,表现为受北东向和近南北向两组断层控制的箱状背斜,即顶部(主体区)宽缓、地层倾角小、断层不发育,两翼(东区、西区)陡倾、断层发育(图 1-a )。在涪陵页岩气田产区,含气性在平面分布上主要受深大断裂的控制,主体区比东、西区高,但在每一个区域内部,差异并不大 [19-20] 。相比之下,页岩气井产能在各区域(尤其是主体区)内部的不同部位,差异非常明显,这主要与构造埋深、压裂效果以及气井在优质页岩段的穿行长度、比例等因素有关。构造变形强度会影响涪陵页岩气井的产能和储层压力 [21] ,但不同规模、方向和模式的断裂与裂缝对页岩气井产能影响的研究较少。不同构造区的压裂效果表明 [22] ,构造平缓区和斜坡区的页岩天然裂缝发育程度不同,累计产气量具有较大差异。因此,需要对天然裂缝的空间分布进行详细刻画,以进一步评价压裂效果及开发产能预测。

图1 涪陵页岩气田焦石坝区块龙一段顶界构造
和五峰组 —龙马溪组地质柱状图

笔者建模的研究区位于涪陵页岩气田焦石坝区块,包含构造平缓区和断裂发育区(图 1-b ),这两个区的页岩气含气量和产能差异很大。研究区页岩气产自上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组富有机质页岩,埋深介于 2 240 4 200 m (主体区埋深小于 3 000 m ,向南埋深逐渐增大)。根据岩性组合、碳质含量、硅质矿物含量 3 个关键标志,将页岩层划分为 9 个岩相层段,命名为①—⑨号小层 [23] 。五峰组主要为硅质页岩夹碳质页岩,厚度一般介于 5 7 m ;龙马溪组三分性特征明显:下部龙一段平均厚度为 89 m ,岩性主要为暗色碳质页岩、硅质页岩和粉砂质页岩;中部龙二段为砂岩段;上部龙三段为含粉砂质泥岩段。五峰组和龙一段为深水陆棚沉积,具有富碳、高硅、高含气量特征 [24-25] ,是涪陵页岩气田的主要产层(图 1-c )。

2 构造应力特征

2.1 构造变形特征

通过精细地震解释,提取页岩顶面构造图,研究区页岩现今构造总体呈现箱状背斜,长轴为北东—南西向,并由北东向南西倾伏。垂直于背斜轴的地震数据体截面显示,不同部位的滑脱褶皱和断层对研究区产生了不同的构造变形特征(图 2 )。

图 2 焦石坝区块地层构造变形特征地震解释剖面图

最大曲率属性分析结果表明,焦石坝区块主要变形位于背斜顶部,最可能发育由地层向上弯曲引起的张性破裂。高挠曲率主要位于研究区东西两侧的边缘处,与背斜陡翼处的逆冲断裂有关,在五峰组—龙马溪组页岩地层的顶底都可见到。其中,东侧构造与石门断裂带有关,构造变形轮廓的规模较大,走向约为 40 °,西侧构造变形与吊水岩断裂带有关,规模中等,走向约为 40 °(图 3 )。

  图3 焦石坝区块构造形变特征响应地震属性

图注:a ~ d 为最大曲率属性的地层切片,e ~ h 为地震结构属性的时间切片。

地层地震属性可对低频地震数据进行处理,有助于增强地震反射信号的可见性和分辨率,更精准地描述地层的褶皱和断裂构造 [26] 。地层结构和曲率数据表明,焦石坝区块内部页岩在箱状背斜基础上,形成了局部次一级构造,将构造平缓的主体区分为西北部构造低区(次向斜)和东南部构造高区(次背斜),并在研究区东南翼可见一些小尺度变形挠曲,其走向垂直于构造等值线。另外,在研究区北部,曲率属性显示近垂直于箱状背斜构造走向可见 1 条挠曲较强的构造变形条带,其走向大约呈 300 °方向(图 3-b ),纵向剖面显示,该变形从震旦系到志留系曲率强度增大,呈高角度且具有花状结构(图 2 )。

2.2 构造应力解析与断裂展布刻画

页岩层面在东南、西北两翼弯曲且地层倾角逐渐增大,表明研究区东南、西北两翼存在大规模和(或)中等规模的逆断层,页岩地层总体受挤压应力,最大主应力方向为北西—南东向。在箱形背斜内部,次一级的背斜(正向)与向斜(负向)构造之间指示一个较为清晰的北东走向的应力集中区,易产生破裂形成断层。由此认为,研究区有 3 条较大尺度北东向断层,分别为东南部与石门断裂带有关的断层( F1 )、西北部与吊水岩断裂带有关的断层( F2 )和中间分隔次级向斜和背斜构造的隐含断层( F3 )(图 3-f )。

研究区西北翼与箱形背斜走向近乎垂直的构造应变枢纽将原本连续的龙马溪组页岩地层进行了分隔。通过不同时期地层曲率的变化分析,结合纵向上的花状构造特点(图 2 ),这些形变可能是在燕山晚期—喜马拉雅早期为适应沿 NE 轴线方向上的褶皱几何形状变化和缩短挤压强度而发育的平移断层( F4 )(图 3-f )。在走滑与挤压 2 组断裂带的交汇区域因应力集中而导致变形强烈以及裂缝发育。例如,在 W2 井附近,该区域受北东向挤压性断层( F1 )和近东西向走滑断层( F4 )的影响,裂缝比较发育,性质和产状变化复杂。

为了进一步考虑构造形变与沉积的关系,笔者采用地层结构地震反演( Texture Model Regression ,简称 TMR )属性 [27] ,从平面和三维空间上分析地层沉积充填特征。在龙马溪组页岩层内, TMR 沿层切片显示研究区西南翼有明显的呈北东走向的条带状异常相,在剖面上清晰显示河道下切现象(图 4-a )。井震对比发现,研究区页岩层表面并非平坦,存在被后期的龙马溪组水道侵蚀的迹象,甚至可切至页岩⑥—⑨小层,水道整体从东部高构造区向西部低构造区流动(图 4-b c )。在研究区中部和西南部,可见页岩上部的水道存在错动现象,认为存在 2 个后期形成的平移断层( F5 F6 )横切页岩和上覆水道,这种平移断层的产生与 F4 断层机理相同,都是燕山晚期—喜马拉雅早期所产生的北西西走向的剪性断层(图 5-a )。

图4 焦石坝区块龙马溪组页岩地层上覆水道下切特征图

图5 焦石坝区块断层展布地震属性刻画图

笔者在研究区刻画了 6 条大尺度断层(图 5-b ),分别是早期构造形成的北东走向的挤压性断层( F1 F2 F3 ),以及后期构造形成的近北西西、北西走向的平移断层( F4 F5 F6 )。通过对断裂的刻画,进一步明确了研究区断层和裂缝的发育情况、产状和性质。通过构造形变和应力解析,研究区页岩地层受多期次应力作用的影响,发育因挤压、拉张和走滑产生的裂缝,不同性质的裂缝发育部位和规模不同,控制页岩气的聚集。

3 基于构造变形特征的裂缝相表征

涪陵页岩气田天然裂缝多为构造成因,裂缝的发育程度受岩相、地层厚度和应力环境的控制 [28-31] 。通过构造应力解析的研究,结合裂缝成因地质力学理论,明确了 5 个裂缝性质、产状、规模相不同的构造应力单元。结合 6 条大尺度断层展布,以构造变形明显分异的构造单元界线(如次级背斜和次级向斜转换位置)或大尺度断层为边界,划分相应的 5 个裂缝相,精细表征各个裂缝相的裂缝发育特征(图 6 )。

图6 焦石坝区块裂缝相划分图

3.1 裂缝相A

挤压性高强度裂缝相。该裂缝相主要在研究区东南部陡翼,受石门断裂带影响,天然裂缝以挤压性裂缝为主,多表现为穿层剪切裂缝,产状与 F1 断层平行,为北东向展布。该区域构造变形强,裂缝发育强度大。例如,靠近 F1 断层的 S4 井目的层裂缝密度为 0.93 /m ,走向与 F1 断层一致,裂缝延伸长度主要介于 60 1 000 mm

3.2 裂缝相B

拉张性中强度裂缝相。该裂缝相主要在研究区西南部次背斜,受东西向构造挤压变形强烈,背斜顶部弯曲部位发育北东走向的张性节理,表现为高脆性页岩段的层内张开缝,裂缝产状多为北东向展布。该相带内裂缝延伸长度较大,连续性较好,裂缝发育强度虽不及裂缝相 A ,但也较发育。如 W3 井测井解释的高角度缝主要发育于五峰组和龙一段下部(①—③小层)硅质页岩段,主体裂缝走向呈 30 °~ 60 °。

3.3 裂缝相C

挤压性低强度裂缝相。该裂缝相发育在研究区西北部 F2 F3 断层之间,整体处于主体区次一级向斜部位(次向斜)。该区为低缓幅度的向斜,挤压变形不明显,发育近东西和北北西走向 2 个簇系的共轭裂缝,裂缝整体发育强度低。例如,位于该相区的 W1 井裂缝发育密度仅为 0.16 /m ,裂缝主要有 2 组走向,主裂缝方向为 280 °,次裂缝方向约 0 °。

3.4 裂缝相D

挤压性—剪切性中—高强度裂缝相。该裂缝相在研究区东部的 F1 F4 断层交汇地区,受多期构造叠加而应力变形强。该区域裂缝受北西—南东向挤压性和北西西向剪切性应力双重控制,整体产状比较复杂,早期挤压性裂缝受控石门断裂主要呈北东走向,同时还发育北西和北西西 2 组走向的共轭剪切裂缝,以及后期与大耳山断裂伴生的近南北走向挤压性裂缝,裂缝整体发育强度中等。位于该相区的 W2 井裂缝较发育但规模较小,延伸长度主要介于 20 150 mm ,多组走向的裂缝均有发育,裂缝分布较为复杂。

3.5 裂缝相E

挤压性中强度裂缝相。该裂缝相发育在研究区西北部,受吊水岩断裂带影响,以挤压性裂缝为主,表现为穿层剪切裂缝,产状与 F2 断层平行,为北东走向展布,裂缝发育强度较大。

不同裂缝相裂缝的分布模式、几何产状和发育密度不同,通过对各裂缝相的典型井岩心或成像测井裂缝的发育特征对比,发现裂缝分布与应力分析得出的产状相一致。因此,对研究区页岩地层裂缝相的表征,能更好地认识不同构造应力下裂缝 发育参数的差异分布,为离散裂缝网络(DFN)和裂缝属性建模提供约束和参数控制。

4 基于裂缝相表征的天然裂缝新模型

4.1 裂缝相约束裂缝密度

在裂缝模拟之前需要先对裂缝发育强度或密度的空间分布有定量的认识 [32] ,建立裂缝发育强度分布或密度体模型。通过蚂蚁体属性提取,发现裂缝在构造东南翼(裂缝相 A 区)最为发育,属性值高;裂缝相 B 区的 H 井区裂缝也非常发育,且裂缝沿北东方向密集分布,指示裂缝产状以北东走向为主;裂缝相 C 区属性值大部分较低,仅有局部少许区域稍高;裂缝相 D W2 井附近属性值高,显示该区裂缝较发育。从属性图来看,该区裂缝比较杂乱,应该有多组裂缝(图 7-a )。

图7 焦石坝区块裂缝分布图

结合各裂缝相区成像测井揭示的裂缝发育强度,设置可代表裂缝相的裂缝强度因子(数值介于 0 1 ,数值越大代表该裂缝相区内的裂缝发育密度越大)。如裂缝相 A 区的裂缝发育密度大,统计单井的平均裂缝强度为 0.8 ,强度因子为 0.8 ;裂缝相 C 区的裂缝发育密度小,统计单井平均裂缝强度为 0.3 ,强度因子为 0.3 。将蚂蚁体属性获取的裂缝发育概率按裂缝相所在的构造分区,再分别乘以相应的强度因子,经过裂缝相对裂缝强度的调试,构建出基于构造应力解析与地球物理预测的综合裂缝发育概率模型(图 7-b )。该模型反映了裂缝相对裂缝发育强度的约束,作为裂缝密度体模型参与后续的裂缝模拟。

4.2 裂缝相控制裂缝产状

前已述及,不同构造应变区域天然裂缝的簇系、性质和方向不同。基于对研究区裂缝相的表征,可进一步确定裂缝的形态和属性参数(表 1 )。

表1 焦石坝区块裂缝相裂缝特征参数表

裂缝相 A 受挤压应力作用强烈,发育区内的裂缝多数为受逆冲挤压形成,裂缝产状整体与石门断裂带的展布一致。裂缝走向主要介于 40 °~ 50 °,倾向与最大主应力方向一致,指向焦石坝箱状背斜主体区,为 310 °,裂缝以高角度为主,倾角介于 70 °~ 90 °,裂缝延伸长度较大。

裂缝相 B 发育区内的裂缝为发育在焦石坝主体区次背斜顶部的节理。该相区内的裂缝走向主要平行于背斜枢纽线,即北东走向为主,介于 30 °~ 60 °。背斜轴迹的倾向为北西方向,裂缝倾向为 315 °,裂缝倾角也受轴迹影响,总体为中—高角度缝,但集散度较大,介于 70 °~ 90 °。该区裂缝为拉张性质,延伸长度较大,但规模比裂缝相 A 区的偏小。

裂缝相 C 位于次级向斜区内,发育的裂缝多为共轭裂缝,裂缝走向与最大主应力方向相交,两组破裂面近锐角等分线与最大主应力方向一致,当页岩塑性较大时,其夹角可能会变大至钝角。因此,该区裂缝走向为 2 组,分别为 0 °和 280 °, 2 组裂缝倾向相反,前一组裂缝倾向为 270 °,后者为 10 °。裂缝多为中等角度的斜交缝,倾角介于 50 °~ 70 °。该区为受挤压的负向构造,裂缝整体发育程度弱,延伸长度较小。

裂缝相 D 所在的区域受 2 种应力作用,裂缝既有受挤压变形产生,也有平移断层派生的节理。通过 F5 F6 断层的走向判断,在走滑方向上共轭裂缝夹角为锐角。因此,该相区模拟 3 组裂缝,走向分别为 40 °~ 50 °、 290 °和 340 °。第一组裂缝产状参数可与裂缝相 A 一致,后 2 组裂缝因受平移断层的剪切作用,多为高角度缝,裂缝倾角介于 80 °~ 90 °。该区应力复杂,每组裂缝的走向和倾向的集散度可适当放大。

裂缝相 E 发育于焦石坝西部,该区裂缝产状整体与吊水岩断裂展布一致,走向大致与 F2 断层平行,介于 40 °~ 50 °,裂缝倾向平行最大主应力方向,指向焦石坝主体区,为 135 °,裂缝呈高角度,倾角介于 70 °~ 80 °。该区地层的应变程度相比焦石坝东部偏弱,裂缝的延展性和面积等参数整体比裂缝相 A 偏小。

4.3 天然裂缝地质模型构建

4.3.1  天然裂缝 DFN 模型

基于已获取的各裂缝相区的裂缝产状和密度参数,根据相应裂缝相的裂缝发育规律和产状,给予不同的参数输入,建立裂缝 DFN 模型。每个裂缝相均采用示性点方法随机模拟生成离散裂缝片,裂缝片的产状受不同裂缝相的输入参数控制,裂缝片的多少和分布统一受裂缝密度模型控制。将 5 个裂缝相模拟出的离散裂缝片模型融合,构建研究区完整的 DFN 模型(图 8 )。利用成像测井解释的裂缝参数检验并调整参数,直至最终的 DFN 模型符合解释的裂缝分布状态。统计模型中每口井钻遇的裂缝片数量,其中单井最多钻遇了 42 条裂缝,最少钻遇了 2 条裂缝,试验区平均单井钻遇裂缝 8 条,裂缝模型较好地反映了裂缝发育的非均质性。

图8 焦石坝区块离散裂缝网络模型图
4.3.2  天然裂缝属性模型

基于各裂缝相的表征,可为不同构造区的裂缝开度等属性参数的估计提供指导。结合成像测井计算的裂缝开度和所有水平井段的钻井液漏失量,基于不同裂缝相区的裂缝性质,赋予不同的开度参数。如以发育挤压性剪切裂缝为主的裂缝相 A 区和 E 区的裂缝,其裂缝开度输入值偏小,介于 0.5 1.0 mm ;在负向挤压向斜的裂缝相 C 区,漏失带水平井段钻井液漏失量小(单井累计漏失量平均不足 100 m 3 ),裂缝欠发育,开度更小,介于 0.1 0.5 mm ;以发育张开裂缝为主的裂缝相 B 区的裂缝,高导缝发育且可能连通,漏失带水平井段钻井液漏失量大(单井累计漏失量可达 400 m 3 ),裂缝开度需要赋予更大的值,介于 1.0 2.0 mm 。裂缝相 D 区的裂缝,结合 W2 井统计裂缝开度介于 0.5 1.0 mm ,考虑该区裂缝性质复杂,裂缝开度给予更高变异系数值。裂缝开度参数是影响裂缝模型不确定性的重要因素,笔者通过裂缝相表征尽可能对裂缝开度的选值达到相对合理,体现出连通系数(影响裂缝渗透率属性)因裂缝性质而有所差别。

DFN 模型以裂缝片为构成要素,裂缝走向、长宽比等参数来源于地质分析,结合裂缝开度数据,模拟生成裂缝开度分布场,计算裂缝孔隙度三维分布模型。裂缝渗透率与裂缝开度、裂缝孔隙度有关,采用 Oda 计算公式 [33] ,计算出裂缝渗透率( i j k 3 个方向)和 Sigma 系数(反映连通程度)模型,形成完整的页岩气藏天然裂缝模型(图 9-a )。

图9 焦石坝区块裂缝纵向渗透率三维模型图

5 讨论

5.1 模型应用效果评价及意义

为了进一步对本次模型效果和质量进行评价,参考油气藏三维地质模型定量评价体系和方法 [34] ,通过地质认识、资料验证(包括资料应用程度和模型吻合程度)和过程检查(包括裂缝密度模型、 DFN 模型和裂缝属性模型) 3 个方面对上述 2 类传统建模方法和笔者建模方法的效果进行评价(表 2 )。

表2 焦石坝区块离散裂缝网络建模与传统建模方法的
模型效果评价对比表

综合评价指标,笔者基于裂缝相表征的页岩气藏天然裂缝建模方法相比于传统方法有更好的评价结果。该方法充分考虑不同构造单元天然裂缝的形成机制、簇系产状和发育程度的差异,充分应用了钻井、地震和生产资料,达到多源数据的有效整合。在建模过程中,裂缝密度模型、裂缝 DFN 模型和裂缝属性模型均体现了裂缝相控的特点。例如,在资料验证方面,将建立的裂缝模型与已有钻井(非成像井)信息进行标定,利用常规测井曲线进行裂缝模型的对比和校正。从 H1 井对比显示来看,井深 3 800 m 3 900 m 4 500 m 声波时差明显降低,这与模拟出的裂缝在该井钻遇情况吻合较好(图 9-b c )。

5.2 对页岩气勘探开发的启示

根据研究区钻井所揭示的页岩埋藏深度和储层参数,地层压力系数和孔隙度数据的变化表现出与断裂展布和裂缝相具有显著的相关关系(图 10 )。在裂缝相 B C 为主的区域,地层压力系数和孔隙度较高,尤其在次级向斜的负向构造区域(裂缝相 C ),天然裂缝发育程度弱,地层压力系数普遍呈高值,对页岩气的聚集保存起到积极作用。在裂缝相 B 区,因更多发育张性裂缝导致页岩储层的孔隙度更高,在增大储集能力的同时也使得页岩气的渗流能力得到有效改善。在裂缝相 D 区,同时受到挤压和剪切应力影响,裂缝产状复杂,该区地层孔隙压力和孔隙度显著下降。在大型的断层 F1 F2 附近(裂缝相 A E ),都是天然裂缝非常发育的区域,地层压力系数明显较低,页岩气散失风险加大。

图10 焦石坝区块页岩气层地层压力系数与孔隙度分布图
(资料来源:据本文参考文献[21],有修改)

根据地层压力系数和孔隙度分布,断裂展布和裂缝相对单井天然气无阻流量和产能有相似的影响。产气量最高的井大部分在裂缝相 B 区和 C 区,距离大型断层 F1 F2 较远;产气量较低的井多位于裂缝相 A 区和 D 区,且越靠近东缘断层的位置,单井产气量越低。进一步统计发现,在研究区的生产井中,按照累产气量排序,前 50% 的井划为高产井,其余 50% 为低产井。高产井中有 95% 的井位于远离大型断层的主体区,特别是裂缝相 B C 所在的区域,单井天然气平均累计产量分别为超过 10 000 × 10 4 m 3 6 000 × 10 4 m 3 左右;低产井有 85% 的井是靠近大型断层,特别是靠近大型断层的裂缝相 A 区,单井天然气平均累计产量为 1 500 × 10 4 m 3 左右。统计结果表明,不同的裂缝相所表现出的页岩气含气性和单井产能存在差异,裂缝欠发育的裂缝相 C 区,页岩气含气性最好;裂缝中等发育的裂缝相 B 区和 D 区,张性裂缝使得页岩气井具有更好的产能;裂缝非常发育的裂缝相 A 区和 E 区,页岩气的勘探开发潜力较低。这进一步说明,页岩气藏中,负向构造区裂缝发育程度低,且以挤压剪切缝为主,有利于页岩气保存但产能受到限制;正向构造区一定规模的张性裂缝不仅有助于页岩气聚集而且有利于提升压裂开发效果;当大尺度构造变形强烈而产生断裂和大规模裂缝时,裂缝发育强度对页岩气聚集及产能的负面影响更大。

6 结论

1 )涪陵页岩气田焦石坝区块呈现出北东走向的箱状背斜构造,东西边缘的挤压变形明显。背斜内部具有次一级正负向构造,其中次级背斜顶端发育走向与枢纽平行的张性裂缝。不同区域的挤压应力存在差异,研究区北部和中部发育尺度较大的剪切性平移断层。

2 )研究区可划分为 5 个裂缝相,即挤压性高强度裂缝相、拉张性中强度裂缝相、挤压性低强度裂缝相、挤压性—剪切性中—高强度裂缝相、挤压性中强度裂缝相。

3 )在蚂蚁体裂缝探测属性基础上通过裂缝相对裂缝密度的约束,构建出基于构造应力解析与地球物理预测的综合裂缝发育概率模型。基于已获取的各裂缝相的裂缝产状数据,采取“相控建模”的思路,建立裂缝 DFN 和属性模型。裂缝模型相比于传统建模方法具有更好的评价结果。

4 )不同区域页岩气含气性与单井产能的差异与其裂缝相特征有关。研究区负向构造有利于页岩气保存,一定规模的裂缝有利于提升压裂开发效果,大尺度断层和大规模裂缝对页岩气聚集的负面影响较大。

5 )裂缝方向、性质和规模揭示不同裂缝相页岩气井产能的差异。钻井资料(成像和岩心)所揭示的裂缝信息有限,根据地质规律的解析在后续的研究中,可根据更多的裂缝观测资料,建立一个更加定量和严格的裂缝相分类方案。

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编 辑   陈古明

论文原载于《天然气工业》2023年第6期

基金项目 中国石化勘探生产科研项目“复杂构造区地质建模与开发可行性研究”(编号:G5800-22-ZS-HX064)、中国石化基础前 瞻性研究项目“基于应力场数值模拟与智能优化的裂缝建模方法”(编号:P22208-2)。

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编辑:张  敏

审核:王良锦  黄  东

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