尋找甜點(diǎn)：有機(jī)頁巖中的儲層質(zhì)量和完井特性

1、尋找甜點(diǎn)：有機(jī)頁巖中的儲層質(zhì)量和完井特性Karen Sullivan Glaser等在頁巖儲層中布置水平井是一種成本高昂且風(fēng)險(xiǎn)很大的商業(yè)活動。為了最小化風(fēng)險(xiǎn)，在決定鉆井位置之前，經(jīng)營者們需要獲得并分析地表地震資料。在20世紀(jì)晚期，勘探與生產(chǎn)部門的地學(xué)家開始用新眼光審視頁巖。雖然從19世紀(jì)初就有了來自頁巖的產(chǎn)量，但是經(jīng)營者一直認(rèn)為頁巖地層主要是源巖，或充當(dāng)常規(guī)儲層的低滲透率蓋層。然而，在上世紀(jì)80年代和90年代之間，經(jīng)營者們認(rèn)識到，適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用水平鉆井加多級水力壓裂可以讓有機(jī)頁巖多產(chǎn)，從而激勵(lì)了頁巖作為自生自儲儲層的開發(fā)。在美國Barnett和Haynesville頁巖的成功開發(fā)之后，行業(yè)很快意識

2、到，不是所有的頁巖都可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)的開發(fā)，因此，經(jīng)營者們開始尋求識別適合開發(fā)目標(biāo)的技術(shù)。擁有最佳潛力的頁巖地層要求儲層和地質(zhì)力學(xué)巖石特性的一種獨(dú)特組合；這樣的地層是相對稀缺的。有機(jī)頁巖有極小的孔隙尺寸和極低的基質(zhì)滲透率，這使得這些非常規(guī)資源區(qū)帶與絕大多數(shù)常規(guī)儲層有了根本性的區(qū)別。此外，由于油氣運(yùn)移路徑較短，頁巖儲層的多產(chǎn)區(qū)一般限于一個(gè)盆地內(nèi)的某一區(qū)域或一個(gè)地層層段內(nèi)。圖1 最佳12個(gè)月產(chǎn)量結(jié)果。美國得克薩斯州Tarrant縣西北部Barnett頁巖區(qū)帶的這片50平方英里（130平方公里）的區(qū)域，顯示了超過650口水平井第一年的天然氣產(chǎn)量。黑點(diǎn)代表井場的地表位置，井場可以服務(wù)多口井。暖色區(qū)域（標(biāo)尺

3、頂部）是甜點(diǎn)區(qū)，冷色區(qū)域（標(biāo)尺底部）不是。（引自Baihly等人，參考文獻(xiàn)5）決定一個(gè)頁巖區(qū)帶經(jīng)濟(jì)可行性的兩個(gè)要素是儲層質(zhì)量和完井特性。好的儲層質(zhì)量（RQ），對于有機(jī)頁巖儲層來說，即為水力壓裂后儲層能經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)油氣。儲層質(zhì)量是預(yù)測特性的集合，主要由礦物學(xué)特性、孔隙度、油氣飽和度、地層體積、有機(jī)質(zhì)含量和熱成熟度控制。完井特性（CQ），另一個(gè)預(yù)測屬性集合，有助于預(yù)測成功的水力壓裂。與RQ類似，CQ很大程度上取決于礦物學(xué)特性，但也受彈性特性影響，比如楊氏模量、泊松比、體積模量和巖石硬度。CQ還包括別的要素，比如天然裂縫密度和方向、固有的和斷裂的物質(zhì)各向異性，以及原位地應(yīng)力的普遍強(qiáng)度、方向和各向異性。

4、為了在當(dāng)今的頁巖區(qū)帶取得成功，經(jīng)營者在擁有出眾RQ 和CQ的儲層進(jìn)行水平鉆井。壓裂處理在這種情況下最有效：當(dāng)誘導(dǎo)裂縫在支撐劑作用下保持開啟時(shí)，連通了儲層和大片裂縫表面區(qū)域，流體就從儲層流向井眼，從而有效地提高了儲層系統(tǒng)滲透率。經(jīng)營者基于工作后資料評估來判定完井設(shè)計(jì)的質(zhì)量以確定儲層壓裂的效果與效率，資料來源若干，比如水力壓裂的微地震監(jiān)測、返排測試和初始產(chǎn)量。理想情況是，經(jīng)營者把水平井布置在擁有良好的地質(zhì)特性、高RQ 和CQ、且沒有地質(zhì)災(zāi)害的頁巖層段內(nèi)。可追溯的研究已經(jīng)證明，該戰(zhàn)略會帶來差不多十倍的產(chǎn)量增長（圖1）。那么確定哪里有最佳的RQ 和CQ就是一項(xiàng)勘探工作，而在鉆初始井之前加強(qiáng)勘探工作的最

5、佳方法便是解釋地表地震資料。最近的研究已經(jīng)表明，地震解釋是尋找有機(jī)頁巖區(qū)帶內(nèi)甜點(diǎn)的有力工具。本文中，我們描述了一種系統(tǒng)化的戰(zhàn)略性方法，它使用地表地震資料來識別頁巖資源區(qū)帶中的甜點(diǎn)，始于盆地規(guī)模和區(qū)域規(guī)模RQ，然后向局部RQ 和CQ挺進(jìn)。來自美國Arkoma、Delaware和Williston盆地的實(shí)例研究證明了反射地震資料是如何在確定資源區(qū)帶和最高RQ 和CQ所在位置過程中起到關(guān)鍵性作用的。1 泥巖特性地質(zhì)學(xué)家將頁巖定義為具有易裂性的泥巖能容易地裂開，像一副紙牌，裂成一片片的薄片。油氣工業(yè)一般認(rèn)為頁巖資源區(qū)帶是產(chǎn)氣或油的“頁巖”。但是，更準(zhǔn)確的叫法是泥巖，這是由于這些“頁巖”經(jīng)常不具有易裂性

6、。泥巖主導(dǎo)了沉積記錄，占據(jù)了地球上沉積巖總量的大概60%到70%。它們是細(xì)粒沉積巖，由粘土級和粉砂級顆粒構(gòu)成，顆粒直徑小于或等于62.5微米（0.00246英寸）。這些小顆粒導(dǎo)致低滲透率；較差的分選多種顆粒大小的混合可進(jìn)一步降低滲透率和孔隙度。泥巖組成很復(fù)雜，包括有機(jī)質(zhì)和粘土礦物伊利石、蒙脫石、高嶺石和綠泥石還有石英、方解石、白云石、長石、磷灰石和黃鐵礦。斯倫貝謝公司的地質(zhì)學(xué)家最近引入了sCore三角圖泥巖分類方案，它以巖心與測井之間關(guān)系為基礎(chǔ)，使用粘土、QFM（石英、長石和云母）和碳酸鹽巖作為拐點(diǎn)。該圖表定義了16種泥巖，能將一個(gè)樣本分類為粘土類（富含粘土）、硅土類或碳酸鹽巖類泥巖。該分類方

7、案允許地質(zhì)學(xué)家和工程師能通過疊加點(diǎn)（包括指示RQ、CQ或二者的點(diǎn)）來檢驗(yàn)礦物學(xué)特性和影響泥巖的RQ和CQ的因素之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（圖2）。石油公司尋找頻率最高的多產(chǎn)泥巖一般主要由非粘土礦物組成，主要是硅酸鹽和碳酸鹽巖，因此位于該圖表的下部，離開了粘土點(diǎn)；較高的RQ與CQ巖石在三角形邊緣附近。數(shù)個(gè)因素控制了泥巖的物理特性：顆粒的礦物學(xué)特性和比例、原始沉積的泥和沉積后作用比如再懸浮作用、再沉積作用、成巖作用、生物擾動作用和壓實(shí)作用它們將泥轉(zhuǎn)化為巖石。泥巖一般是高度非均質(zhì)的，該性質(zhì)會垂直地和水平地變化，這與沉積環(huán)境的層序和不同地質(zhì)時(shí)期泥巖地層堆疊方式有關(guān)。圖2 sCore分類工具。在順時(shí)針方向，sCor

8、e三角圖的拐點(diǎn)（頂部左側(cè)）是粘土、碳酸鹽巖和石英加長石加云母（QFM）。該圖表基于礦物學(xué)，定義了16種泥巖。石油公司尋求的泥巖（頂部右側(cè)）一般粘土含量少于50%。在Wolfcamp頁巖（中圖）中，含硅泥巖展現(xiàn)出高RQ和CQ。在Eagle Ford頁巖（底圖）中，碳酸鹽巖泥巖也具有高RQ和CQ。在這些范例中，RQ與有效孔隙度成正比，CQ與最小原位主壓應(yīng)力的應(yīng)力梯度成反比。單個(gè)的泥巖層叫做紋層，通常大約1毫米厚。紋層堆疊形成紋層組，叫做層。層循序堆疊成層組，再形成組，最后成為地層。每一個(gè)地層的礦物學(xué)特性和有機(jī)組成取決于層序和該地區(qū)各地質(zhì)時(shí)期的地質(zhì)條件。地質(zhì)學(xué)家使用地層學(xué)原理來解釋地質(zhì)歷史。分層對于

9、一些巖石特性有特殊的影響：它是導(dǎo)致各向異性的一個(gè)構(gòu)造。如果巖石特性在不同方向上不同，那么它就是各向異性的。分層的一個(gè)后果是地層中顆粒的組成、大小、形狀、方向、堆積和分選在垂直地層方向變化得更快，而不是平行于地層方向。結(jié)果，巖石特性隨方向變化。如果要測量地層的話，水平方向和垂直方向的巖石各向異性變化幅度是不同的。能導(dǎo)致巖石各向異性的另一個(gè)方面是大致平行的張開裂縫網(wǎng)的存在，它能控制儲層壓裂的效率。由于各向異性可以在地震資料中觀察到，那么地球物理學(xué)家就能描述它，供地質(zhì)學(xué)家和工程師們在預(yù)測儲層的多種地質(zhì)、地質(zhì)力學(xué)和流體流動模型中使用（圖3）。圖3 多種比例尺下的泥巖分層?？梢栽诼额^、巖心和薄層段的照片

10、上觀察到分層。Eagle Ford頁巖露頭（左）位于得克薩斯Terrell縣Lozier Canyon。巖心（清晰的和紫外線光，中圖）和薄層段（原始的和特寫鏡頭，右圖）的圖像是下Eagle Ford頁巖，來自BP-斯倫貝謝Lozier Canyon 1號井。2英尺（0.6米）巖心采于地下226到228英尺（68.9到69.5米）深處。該薄層段由含化石的硅質(zhì)-石灰質(zhì)泥巖組成，在它的右側(cè)有一個(gè)礦化裂縫，它已經(jīng)用鐵氰化鉀和茜素紅S染料進(jìn)行了染色，用來辨別碳酸鹽巖礦物。在該薄層段的特寫鏡頭中，有證據(jù)證明裂縫沿一個(gè)不同的路徑延伸、停止和再延伸。泥巖在含油氣系統(tǒng)中扮演了一個(gè)重要的角色。它們的顆粒尺寸小，以

11、及分選特性共同導(dǎo)致了低滲透性，具有低到超低滲透率和高流體驅(qū)替壓力。結(jié)果，當(dāng)泥巖處于正確的地層和構(gòu)造位置和正確的構(gòu)型時(shí)，它們就能形成覆蓋和界定常規(guī)油氣儲層幾何范圍的蓋層。一些泥巖被描述為富含有機(jī)質(zhì)，傳統(tǒng)上將它們視為源巖，即通過二次運(yùn)移，源巖把油氣供到鄰近的和較遠(yuǎn)的常規(guī)和非常規(guī)連續(xù)儲層。這些同樣的富含有機(jī)質(zhì)的泥巖也證明是自生自儲儲層，產(chǎn)生的油氣是已經(jīng)驅(qū)逐出來并經(jīng)歷了初次運(yùn)移，存儲在源巖本身中的。舉例來說，美國得克薩斯州南部Eagle Ford頁巖是泥巖，供給了多產(chǎn)的Austin Chalk裂縫性油藏，該儲層已經(jīng)得到勘探，并生產(chǎn)了超過80年。現(xiàn)在，經(jīng)營者意識到Eagle Ford頁巖能產(chǎn)出石油、凝析

12、油氣、濕氣和干氣，而干氣之前從未離開過源巖。圖4 有機(jī)物。薄層段（左），其左側(cè)已經(jīng)用鐵氰化鉀和茜素紅S染料進(jìn)行了染色，由石灰質(zhì)球粒狀泥巖組成。在特寫鏡頭中（右），地層由浮游有孔蟲（白色和粉紅色）、扁平糞粒（略帶紅色的褐色）和有機(jī)物（黑色）組成。泥巖必須含有足夠多的油氣才能稱為潛在儲層巖。如果泥巖的總有機(jī)碳含量高于2%（重量），那么就可以定義為富含有機(jī)質(zhì)泥巖。有機(jī)物的保存和豐富程度取決于它的產(chǎn)生、稀釋和破壞的相對速度（圖4）。與有機(jī)物同時(shí)期沉積的無機(jī)物會稀釋有機(jī)物含量。有機(jī)物的破壞有以下幾種情況：細(xì)菌破壞、淺層氧化反應(yīng)和較深層的熱活化能反應(yīng)，熱反應(yīng)能在有機(jī)物最終變成石墨或衰碳之前將部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化

13、為油氣。源巖中有機(jī)物的主要部分是干酪根，它不溶于普通有機(jī)溶劑；另一個(gè)部分是瀝青，它是可溶的。干酪根與頁巖中礦物成分的巖石物理特性有著顯著的不同，這些特性影響著儲層巖石的整體體積特性。舉例來說，干酪根的類型和成熟度不同，其密度變化范圍在1.1-1.4克/立方厘米，比它的頁巖主巖的體積密度要小得多。結(jié)果，富含有機(jī)物頁巖的體積密度比起含有較低含量干酪根的頁巖來說，數(shù)值較低，就仿佛它有更高的孔隙度一樣。干酪根的分布情況各異，從泥巖基質(zhì)中散布的孤立顆粒，到與泥巖紋層一致的晶體和薄層。調(diào)查者發(fā)現(xiàn)，干酪根顆粒含有次生孔隙，可能形成于熱熟化階段。該有機(jī)孔隙即納米孔，其直徑小于1微米。干酪根結(jié)構(gòu)影響著富含有機(jī)質(zhì)

14、泥巖的物理特性。當(dāng)有機(jī)物含量較高，且干酪根形成了泥巖內(nèi)互相連通的平行于地層之網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有機(jī)物孔隙度就足以應(yīng)付油氣儲存，也能提供足夠大的滲透率，容納來自其它極低滲透率基質(zhì)的油氣。此外，干酪根結(jié)構(gòu)影響著儲層巖石的彈性和力學(xué)特性。一般地，含有互相連通干酪根的泥巖與基質(zhì)中散布孤立干酪根顆粒的泥巖比較起來，前者擁有較低的彈性模量和較高的延展性。與紋層平行分布的干酪根能深深地影響泥巖的各向異性彈性和力學(xué)特性。如果富含干酪根紋層的油氣生成和充注除了在干酪根內(nèi)部產(chǎn)生次生孔隙以外還導(dǎo)致了超壓，這些影響就會得到增強(qiáng)。超壓對于造出平行于地層的微裂縫是一個(gè)有利條件，微裂縫沿平行于地層方向延伸，在垂直于地層方向張開。由于

15、頁巖儲層中的基質(zhì)滲透率異常低，范圍在10到10毫達(dá)西，因此天然裂縫在儲層完井和油氣生產(chǎn)中扮演了一個(gè)重要角色。天然裂縫提供了弱面和流體流動渠道，有助于增強(qiáng)水力壓裂的效果。作為弱面，天然裂縫可決定誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)的延伸和發(fā)展，尤其是在原位應(yīng)力各向異性較低的情況下。作為流體流動渠道，這些裂縫可以擴(kuò)大井眼連通的有效儲層體積的范圍，它們也允許高壓流體流動，這可導(dǎo)致沿裂縫面的永久性剪切破壞并增加裂縫開度和導(dǎo)流能力。遠(yuǎn)景帶泥巖儲層中的局部RQ甜點(diǎn)經(jīng)常含有天然裂縫，它提供了與基質(zhì)孔隙連通的流體通道，并儲存到水力裂縫和井中。天然裂縫也可以通過水力壓裂誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾何形狀來影響CQ，當(dāng)先前存在的天然裂縫網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)今主

16、水平應(yīng)力成一定角度時(shí)，人工裂縫就傾向于變得范圍更大，也更復(fù)雜。當(dāng)泥巖儲層缺乏天然裂縫時(shí)，經(jīng)營公司就必須依靠水力壓裂來造出誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)，來連通儲層基質(zhì)和井眼。因此，天然裂縫可以增加RQ和CQ，它是在頁巖儲層里尋找甜點(diǎn)過程中的一個(gè)地震勘探目標(biāo)。通過分析地震屬性，地球物理學(xué)家檢測并描述裂縫網(wǎng)絡(luò)。該過程利用了包含張開天然裂縫系統(tǒng)的整個(gè)儲層層段的均一體積響應(yīng)。許多裂縫探測方法都使用地震屬性。當(dāng)天然裂縫以一致的走向排列時(shí)，它們導(dǎo)致彈性特性和地震屬性隨方位角變化而變化，包括速度和反射振幅。地球物理學(xué)家依據(jù)對三維地表地震調(diào)查的分析來觀察這些變化，而分析是沿多方位角獲得的。剪切波（S波）的方位角分析已經(jīng)證明是一

17、個(gè)好的裂縫探測方法。地震波形散射分析，通過分析頻率，也可揭示關(guān)于裂縫方向和間隔的信息，而在過去，散射均作為噪聲處理。此外，屬性之間的聯(lián)合，比如反射強(qiáng)度和地震方差地震樣本之間的變化可以混合或重疊，來顯示微妙的構(gòu)造特征，這些特征對應(yīng)某些裂縫系統(tǒng)。2 區(qū)域規(guī)?；蚺璧匾?guī)模甜點(diǎn)在頁巖區(qū)帶勘探開發(fā)活動早期，在鉆探盆地內(nèi)的常規(guī)儲層時(shí)，一些經(jīng)營者能基于鉆探遇到的頁巖的泥漿測井油氣顯示來開發(fā)頁巖區(qū)帶。這些盆地內(nèi)的區(qū)域中，有機(jī)頁巖是熱成熟的，這一點(diǎn)已為行業(yè)內(nèi)所熟知；因此，對于北美的許多頁巖區(qū)帶來說，經(jīng)營者都不必調(diào)查該區(qū)帶的熱成熟度。由于得克薩斯中北部Fort Worth盆地的Barnett頁巖的成功開發(fā)，經(jīng)營者們

18、把尋找頁巖氣的范圍擴(kuò)大到北美以外勘探程度較低的盆地。在世界上的某些盆地，所鉆井很少，經(jīng)營者缺乏對地層和構(gòu)造框架的理解，從而不能預(yù)期哪里存在潛在的頁巖資源區(qū)帶。在這些盆地中，潛在頁巖儲層的初期勘探只能依靠評估先前存在的二維地震調(diào)查、來自遙感分析的額外構(gòu)造數(shù)據(jù)以及地表地質(zhì)學(xué)方面的露頭研究。地學(xué)科學(xué)家評價(jià)這些資料來建立主要盆地地層單元的構(gòu)造框架，包括主斷層區(qū)域和其它構(gòu)造特征。他們完成分析后，盆地分析師便能輸入該構(gòu)造框架到含油氣系統(tǒng)模擬中，來確定有機(jī)頁巖地層是否為熱成熟，且如果是的話，熱成熟區(qū)域在盆地的哪里。當(dāng)該信息與可獲得的TOC資料的區(qū)域作圖結(jié)合時(shí)，就能識別區(qū)域級或盆地級的甜點(diǎn)，幫助經(jīng)營者在下一階

19、段勘探工作中選擇鉆探初始垂直先導(dǎo)井的最佳位置。3 局部或作業(yè)區(qū)域甜點(diǎn)含油氣系統(tǒng)模擬預(yù)測了盆地級甜點(diǎn)的位置和特征，包括干酪根的分布，它的熱成熟度，以及預(yù)測層段的孔隙壓力。但是，只有通過鉆探一口先導(dǎo)井，才能證實(shí)這些預(yù)測。來自垂直先導(dǎo)井的巖心和測井測量提供了資料，來更新模型并確定該先導(dǎo)井是否貫穿了一個(gè)甜點(diǎn)區(qū)域。工程師們可以使用新獲得的巖心和測井?dāng)?shù)據(jù)分析RQ和CQ，進(jìn)而對局部甜點(diǎn)進(jìn)行分類。高RQ的局部甜點(diǎn)可以有一個(gè)到三個(gè)特性。局部甜點(diǎn)可以具有高基質(zhì)孔隙度，含有大量游離氣，在初期生產(chǎn)階段就可以高速產(chǎn)出，可應(yīng)付一口水平評價(jià)井的快速支出。此外，甜點(diǎn)可以擁有高含量的干酪根。富含干酪根的甜點(diǎn)也含有大量吸附氣，它

20、們主要吸附在干酪根表面。在游離氣采完后很長一段時(shí)間內(nèi)，儲層衰竭，壓力降低，而吸附氣為穩(wěn)產(chǎn)作出了貢獻(xiàn)。局部RQ甜點(diǎn)也可擁有張開微裂縫的密集網(wǎng)絡(luò)。類似于高孔隙度甜點(diǎn)，密集裂縫甜點(diǎn)也含有游離氣，在井的生產(chǎn)初期采出。此外，微裂縫也增加了頁巖儲層的系統(tǒng)滲透率。最佳RQ甜點(diǎn)具有所有三個(gè)特性增加的孔隙度、干酪根和微斷裂這些特性通過影響巖石特性進(jìn)而影響地震資料的多種屬性。增加的孔隙度和裂縫的存在一般會導(dǎo)致地震速度的減少和高頻率衰減的增加。干酪根含量也能降低彈性模量和泥巖密度，但程度較低。與這些巖石特性相關(guān)的某些地震屬性的變化也可用來識別RQ甜點(diǎn)。4 頻率異常與開采動態(tài)的關(guān)系在美國俄克拉荷馬州東南部的Arkom

21、a盆地，Woodford頁巖已在產(chǎn)氣，它是一個(gè)泥盆紀(jì)晚期-密西西比紀(jì)早期的富含有機(jī)質(zhì)泥巖。它的礦物學(xué)組成主要是石英和伊利石，還有少量的黃鐵礦和白云石?？紫抖确秶?%到9%，TOC范圍是1%到14%（重量）（0.01到0.14千克/千克）。Woodford頁巖區(qū)帶的一個(gè)經(jīng)營者已經(jīng)在一個(gè)4平方英里（10平方公里）的區(qū)域內(nèi)鉆了6口垂直井。井生產(chǎn)速率變化幅度很大。在一個(gè)2.5年時(shí)間段內(nèi)，單井累積氣產(chǎn)量范圍是18到372百萬立方英尺（0.51到10.5百萬立方米），5口最低產(chǎn)量井的平均累積產(chǎn)量是40百萬立方英尺（100萬立方米）。經(jīng)營者已經(jīng)在該區(qū)域的進(jìn)行了三維地震采集，并請求斯倫貝謝公司分析師解釋資料

22、以確定產(chǎn)量多變的原因，并定位潛在較高產(chǎn)量區(qū)域。圖5 頁巖儲層內(nèi)的儲層質(zhì)量甜點(diǎn)。俄克拉荷馬州東南Arkoma盆地的Woodford頁巖區(qū)內(nèi)，共鉆了6口垂直井（紅點(diǎn)）。大約2.5年之后，到2009年6月，它們的累計(jì)天然氣產(chǎn)量變化幅度很大。對一個(gè)三維地震數(shù)據(jù)集的解釋揭示了斷層作用（黑）。但是，該井靠近斷層，這常與斷層破壞區(qū)的裂縫密度相關(guān)，這點(diǎn)并不能解釋產(chǎn)量變化。數(shù)據(jù)集中地震頻率的分析揭示了一個(gè)頻率屬性，當(dāng)該屬性很強(qiáng)時(shí)，解釋者就認(rèn)為該頻率屬性與RQ甜點(diǎn)（虛紅色輪廓線）有關(guān)。天然氣產(chǎn)量與以地震方式識別出的甜點(diǎn)的規(guī)模和豐度相關(guān)。三維地震資料能提供比垂直井或水平井資料大得多的儲層層段覆蓋。三維地震資料的解釋

23、最初用來定位區(qū)域內(nèi)斷層和任何其它地質(zhì)災(zāi)害，但是觀察到的與斷層破壞區(qū)相關(guān)的斷層作用和破裂作用不能解釋生產(chǎn)歷史和井間變化。地球物理學(xué)者分析資料，試圖獲得能揭示RQ甜點(diǎn)的地震屬性。他們識別了一個(gè)地震頻率屬性，它在某些頻率下，對應(yīng)較高產(chǎn)量區(qū)域。這些地震甜點(diǎn)異常區(qū)域中，主導(dǎo)性的地震頻率相對較低，明顯是由來自天然裂縫或微裂縫網(wǎng)絡(luò)的波的散射造成的。異常區(qū)域表現(xiàn)為孤立的小塊，團(tuán)隊(duì)解釋為，它們代表頁巖儲層內(nèi)增加的孔隙度和微斷裂作用區(qū)域。多產(chǎn)井位于這些異常區(qū)域內(nèi)，而表現(xiàn)不佳的井在區(qū)域外。最高產(chǎn)量井位于一個(gè)大異常區(qū)域內(nèi)（圖5）。在進(jìn)行該研究時(shí)，該井產(chǎn)量已經(jīng)9倍于其它5口井的平均產(chǎn)量了。該觀察結(jié)果與Barnett頁巖

24、甜點(diǎn)區(qū)域井的10倍產(chǎn)量增長一致。在另一個(gè)頁巖區(qū)帶，經(jīng)營者正在開發(fā)美國橫跨新墨西哥州南部和得克薩斯州西部Delaware盆地的一個(gè)復(fù)合裂縫碳酸鹽巖和天然氣頁巖非常規(guī)儲層。該公司已經(jīng)在碳酸鹽巖和下伏頁巖界面上鉆探了若干水平井眼。這些井的產(chǎn)量變化幅度很大。斯倫貝謝公司的地球物理學(xué)家分析了一個(gè)三維地震體來幫助確定潛在RQ甜點(diǎn)的位置和范圍并定義它們的地質(zhì)學(xué)性質(zhì)。地球物理學(xué)家進(jìn)行了疊前方位角反演和數(shù)個(gè)頻率相關(guān)的研究。這些調(diào)查的結(jié)果都指向頁巖儲層內(nèi)的同一位置，即潛在RQ甜點(diǎn)。這些甜點(diǎn)通過特殊的頻率相關(guān)地震屬性異常證明了它們自己，那些異常也與S波各向異性區(qū)域一致。團(tuán)隊(duì)將這些區(qū)域解釋為是天然氣頁巖上部微斷裂增強(qiáng)

25、的體積（圖6）。經(jīng)營者沿碳酸鹽巖/頁巖接觸面鉆了三口水平井，希望遇到碳酸鹽巖地層的裂縫和頁巖中的高天然氣含量區(qū)。這些井的生產(chǎn)速率表現(xiàn)出與頻率異常的梯度和大小以及S波各向異性直接相關(guān)。井A鉆過一個(gè)平緩背斜特征的頂部，在那里，高地震方差表明，沿褶皺隆起存在斷層作用。在該研究進(jìn)行時(shí)，井A是最佳生產(chǎn)井，平均生產(chǎn)速率是64百萬立方英尺（180萬立方米）天然氣/月。井B在一個(gè)較小的地震頻率異常圖6 使用地震頻率屬性進(jìn)行裂縫探測。由地震橫剖面和層位切片組成的地震柵狀圖顯示了一個(gè)頻率相關(guān)地震屬性。層位切片也與地震方差屬性（灰色范圍）結(jié)合；只顯示了高方差值。柵狀圖（插圖）來自沿井A,B,C（藍(lán)黑）軌跡的地震剖面

26、。層位切片，沿頁巖儲層下面地層的頂部采集，受一個(gè)背斜翼部的影響發(fā)生彎曲。沿著背斜核部，地震方差和頻率屬性都很高。每個(gè)水平井眼上面顯示的平均月天然氣生產(chǎn)速率說明了每口井的生產(chǎn)速率是如何對應(yīng)于它與強(qiáng)頻率異常的接近程度的。附近，它的月生產(chǎn)速率是28百萬立方英尺（79萬立方米），比井A的一半還少。井C沒有鉆到有頻率異常區(qū)域，它的月生產(chǎn)速率只有7百萬立方英尺（20萬立方米）。團(tuán)隊(duì)相信，頻率異常突出了頁巖內(nèi)含有更多微裂縫的位置。背斜核部的微裂縫集中程度與在背斜形成過程中地層經(jīng)歷的構(gòu)造擴(kuò)展一致。其它證據(jù)表明，該斷裂作用沒有擴(kuò)大到整個(gè)頁巖厚度。頁巖內(nèi)微斷裂增強(qiáng)區(qū)與井A相遇，也與井B相遇，但程度較小，并導(dǎo)致二井

27、高于井C的產(chǎn)量。圖7 井A鉆探過程中遇到的天然氣顯示（黑線）。一個(gè)地震剖面（背景）以一個(gè)透視圖的視角，揭示了地下的情況。該剖面平行于井A的軌跡，穿過了頻率屬性的三維體。頻率屬性的高值（紅和粉紅）用出自該剖面的云團(tuán)表示。泥漿測井得到的天然氣色譜法分析讀數(shù)（藍(lán)曲線），沿井A的水平部分顯示。射孔簇位置（藍(lán)綠色菱形）與泥漿測井深度點(diǎn)（測井曲線下的小紅色三角形）一致。當(dāng)井靠近地震方式導(dǎo)出的頻率屬性的高值區(qū)域時(shí)，來自泥漿測井的天然氣顯示就會很強(qiáng)。在井A的鉆井過程中遇到的天然氣顯示的檢查結(jié)果也支持了該解釋（圖7）。最強(qiáng)的天然氣顯示與強(qiáng)地震頻率異常一致。在頻率異常較弱的地方，天然氣顯示也較弱。在相同的Dela

28、ware盆地研究區(qū)域的另一個(gè)位置，經(jīng)營者從一口垂直先導(dǎo)井鉆了兩個(gè)水平井。鉆井方向是從東到西，輔以多級水力壓裂，并監(jiān)測誘導(dǎo)微震活動性。團(tuán)隊(duì)能將微地震同相軸位置與地震頻率異常最強(qiáng)區(qū)域（圖8）聯(lián)系起來。很明顯，高水平的頻率異常對應(yīng)RQ甜點(diǎn)，或者更明確地，對應(yīng)高孔隙度和增加的微裂縫密度區(qū)域。此外，這些區(qū)域擁有良好的CQ。圖8 微地震強(qiáng)度和指示好CQ區(qū)域的頻率屬性異常之間的比較。該透視圖是一個(gè)西到東地震剖面。該地震剖面是完全不透明的，顯示了所有頻率屬性值。從東側(cè)的垂直先導(dǎo)井開始鉆兩口水平井（黑曲線）。三維地震體內(nèi)的地震頻率屬性的強(qiáng)值和頁巖儲層的上部顯示為云團(tuán)（棕褐到紅）。微地震同相軸（點(diǎn)），由壓裂階段進(jìn)

29、行了彩色編碼，會在頻率異常值高的地方出現(xiàn)（白橢圓）。這個(gè)關(guān)系說明，頻率屬性的強(qiáng)值也可以指示好CQ區(qū)域。5 各向異性與生產(chǎn)模式的關(guān)系Bakken地層是一個(gè)產(chǎn)油含油氣系統(tǒng)。它的地層代表了一個(gè)受限制的淺水環(huán)境，該環(huán)境存在于絕大部分Williston盆地，該盆地覆蓋了加拿大的阿爾伯塔、薩斯喀徹溫,曼尼托巴省各一部分，美國的蒙大拿、北達(dá)科他、南達(dá)科他州的各一部分。Bakken地層是泥盆紀(jì)晚期-密西西比紀(jì)早期地層，不整合地上覆在泥盆紀(jì)晚期Three Forks組上，整合下伏在密西西比紀(jì)早期的Lodgepole石灰?guī)r地層之下。Bakken地層已經(jīng)細(xì)分為下、中、上三部分。中部是儲層，是一個(gè)混合的碎屑巖-碳酸鹽

30、巖層段，包括含白云石的砂巖、白云巖和石灰?guī)r。上部和下部是富含有機(jī)質(zhì)頁巖，它作為蓋層和源巖。Bakken地層模型是連續(xù)含油氣系統(tǒng)模型。富含有機(jī)質(zhì)的上下Bakken頁巖地層含有8%-10%（重量）（0.08到0.1千克/千克）TOC，是生油源巖，油是局部運(yùn)移到儲層的，該儲層以鄰近的中Bakken和下伏的Pronghorn地層為主，Pronghorn包括Three Forks組的Sanish砂巖地層。由于該含油氣系統(tǒng)的相對封閉性，在盆地的較深處發(fā)生了超壓，在那里絕大多數(shù)油氣生成發(fā)生了。上下Bakken頁巖地層中的孔隙空間和裂縫也提供了儲層儲存空間。圖9 應(yīng)力條件下的巖石。主體基質(zhì)（棕褐色）內(nèi)任意方向

31、的軟質(zhì)（有延展性的且易彎曲的）組構(gòu)（頂部左側(cè)，藍(lán)）可以在各向同性應(yīng)力場中沿任何方向開放；軟組構(gòu)可包括孔隙、干酪根顆粒和微裂縫。在一個(gè)各向異性應(yīng)力場條件下（頂部右側(cè)），這樣的組構(gòu)將會優(yōu)先在最大壓應(yīng)力方向（橙色箭頭）受到擠壓，其它主應(yīng)力方向上形變程度較小。北-南方向最大壓應(yīng)力（，底部左側(cè)）導(dǎo)致入射的南西-北東偏振S波（灰色箭頭）分成北-南偏振快S波（褐色箭頭）和西-東偏振慢S波（金色箭頭）。此外，入射的P波（綠色箭頭）分解為平行于北-南最大壓應(yīng)力的最快P波和垂直于它的最慢P波（藍(lán)色箭頭）；該正弦曲線（底部右側(cè)）顯示了全方位角P波速度變化。Bakken地層中局部存在天然裂縫，在裂縫強(qiáng)度足夠高的地方，

32、比如沿北達(dá)科他州Antelope背斜，它們就能影響產(chǎn)量。通常，裂縫是垂直到近垂直，受地層約束，由石英、方解石、在極少情況下是黃鐵礦膠結(jié)物部分到全部充填。一些垂直微裂縫表現(xiàn)為驅(qū)逐流體或釋放流體的裂縫，當(dāng)流體壓力超過優(yōu)勢最小主壓應(yīng)力時(shí)，裂縫形成，這時(shí)油可以從源巖運(yùn)移到鄰近的儲層中。中部地層RQ（孔隙度和滲透率），連同超壓的程度，在決定Bakken地層產(chǎn)能方圖10 方位角各向異性。地球物理人員將地震資料抽成炮檢距矢量瓦（OVTs），然后通過常規(guī)偏移（頂部左側(cè)）、各向異性疊前深度偏移（PSDM）和層析成像（頂部右側(cè)），將地震資料轉(zhuǎn)換為深度。后一個(gè)過程減少了可歸因于上覆地層影響的地震同相軸起伏程度，并產(chǎn)

33、生了適用于方位角各向異性分析的數(shù)據(jù)集。在兩張圖中，黃色鋸齒狀線給出了OVT中的方位角分布，炮檢距從左到右增加。PSDM OVT數(shù)據(jù)（藍(lán)綠色）從深度轉(zhuǎn)換為時(shí)間（底部左側(cè)），并選擇了一個(gè)反射層（紅色）進(jìn)行擬合旅行時(shí)橢圓分析即FEATT（底部右側(cè)）。在該范例中，地震處理人員選擇最少三個(gè)點(diǎn)（紅色）來擬合一個(gè)橢圓；在實(shí)踐中，處理人員使用的點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)超三個(gè)。處理人員將每一個(gè)方位角的剩余時(shí)差轉(zhuǎn)換為P波速度（放射狀圖的半徑），并用輸入點(diǎn)擬合出一個(gè)FEATT橢圓（藍(lán)點(diǎn)，黑點(diǎn)和半徑）。該橢圓產(chǎn)生了一個(gè)快P波速度方位角，為114.24度，慢-快P波速度比為0.974，或者說P波速度各向異性為2.6%。（改編自Johns

34、on和Miller，參考文獻(xiàn)41。）面扮演了重要角色。預(yù)測更好儲層質(zhì)量的位置的能力極大地增加了在該區(qū)帶取得成功的概率。由于該原因，一家Williston盆地中的勘探生產(chǎn)公司與斯倫貝謝公司簽約，后者的地球物理人員對北達(dá)科他州Bakken區(qū)帶內(nèi)一區(qū)域的專利三維多方位角地震調(diào)查進(jìn)行再處理。目標(biāo)儲層層位在中Bakken。該公司意圖基于初期產(chǎn)量模式和地震屬性來定井位，而這二者都受儲層地質(zhì)情況影響。該公司希望不再基于幾何地域來定井位租區(qū)邊界或公共土地調(diào)查系統(tǒng)這忽略了地質(zhì)非均質(zhì)性，而采取一種經(jīng)過深思熟慮的方法來定井位，鉆定向加密水平井，直達(dá)多產(chǎn)的儲層位置。地球科學(xué)家建立了一個(gè)經(jīng)過校正的地質(zhì)學(xué)模型，它受所有可

35、獲得數(shù)據(jù)約束，包括錄井、井眼成像測井和巖心樣本。地球物理學(xué)者處理三維地震資料來解釋儲層上方地層中地震速度的水平可變性和各向異圖11 產(chǎn)量甜點(diǎn)。通過中Bakken段的一個(gè)地震反射層顯示了AVOAZ反演導(dǎo)出的慢-快S波速度比。黑箭頭代表估計(jì)S波各向異性的相對強(qiáng)度；該箭頭方向提供了來自反演的快S波矢量方位角。有色圓表示長水平井的一般位置，并顯示了作圖區(qū)域內(nèi)最初90天石油產(chǎn)量。向西，產(chǎn)量由低到中等，S波速度各向異性較弱（藍(lán)到紫色）；快S波方向?yàn)楸蔽?南東。東側(cè)，產(chǎn)量較高，各向異性較強(qiáng)（黃到紅色），且快S波方向?yàn)槟衔?北東，這與當(dāng)今的區(qū)域最大原位主壓應(yīng)力方向一致。在各向異性較強(qiáng)的地方，初始產(chǎn)量也更高。分

36、析師認(rèn)為，各向異性與潛在鉆探目標(biāo)的甜點(diǎn)有關(guān)。（改編自Johnson和Miller，參考文獻(xiàn)4）圖12 高各向異性體。該圖是向北方向看的，反映的是中Bakken段內(nèi)S波速度各向異性。橙色和紅色云團(tuán)為慢-快S波速度低比率體，等價(jià)于高各向異性，是從上下Bakken段之間的三維地震資料中提取的。在東、南側(cè)，各向異性較強(qiáng)，在西北方向較弱。云團(tuán)下的藍(lán)表面來自下Bakken段，并顯示了螞蟻?zhàn)粉櫟卣饘傩裕ê诘桨祝?，這突出了斷層和裂縫的地震道。（改編自Johnson和Miller，參考文獻(xiàn)41。）性。地震處理人員將地震資料抽成炮檢距矢量瓦（OVT）道集，在其中地震道分享類似的震源到接收器炮檢距和方位角。使用高分

37、辨率、多方位角OVT層析成像技術(shù)，處理人員對地震速度和各向異性進(jìn)行建模，并使用它們對OVT道集進(jìn)行疊前深度偏移（PSDM）。如果PSDM導(dǎo)出的地層頂部深度的地震拾取與井資料導(dǎo)出的不一致，那么就再調(diào)整速度和各向異性模型參數(shù)，重復(fù)進(jìn)行層析成像和PSDM，直到地質(zhì)模型和PSDM圖象達(dá)到可接受一致性程度為止。一旦地質(zhì)模型和PSDM圖象匹配，后續(xù)的處理就能集中在中Bakken儲層深度的地震各向異性效應(yīng)上了，該效應(yīng)源于一定方向的地質(zhì)組構(gòu)或應(yīng)力各向異性（圖9）。地球物理人員使用擬合得到的旅行時(shí)橢圓（FEATT）來找到儲層處的快慢P波速度和方向。FEATT工作流首先將PSDM OVT道集從深度轉(zhuǎn)換為雙程旅行時(shí)。然后分析員或自動化程序拾取通過共炮檢距-方位角時(shí)間反射層的剩余旅行時(shí)將旅行時(shí)間轉(zhuǎn)換為層速度并擬合出一個(gè)速度橢圓。該橢圓的長短軸及其方向給出了對快慢P波速度和方向的估計(jì)（圖10）。圖13 中Bakken段界面附近的慢-快S波速度比?；谝粚ο嘟坏卣鹌拭娴腁VOAZ反演結(jié)果，計(jì)算出了該S波速度比。紅色矩形（頂部）顯示了主圖中的中Bakken儲層層段（底部左側(cè)）。垂直黑虛線標(biāo)示了主