渝东南复杂构造区常压页岩气地球物理勘探实践及攻关方向

图1 渝东南地区构造区划与地层柱状图

Fig.1 Tectonic division and stratigraphic column of southeastern Chongqing

1.2 地震勘探面临的主要难点

渝东南地区为典型的“地表、地下双复杂”区,地球物理勘探主要面临以下难点:①高大山地复杂地表,导致地震采集炮检点的布设难度大,产生大量的地表散射和次生干扰,使地震波传播路径受限,带来严重静校正问题,造成野外施工异常困难,采集成本高。②浅表层结构复杂。地表以灰岩出露为主(58%~92%),出露地层岩性复杂多变,溶洞、裂隙、地下暗河、松散碎石堆积区广泛分布,导致地震激发接收效果差,采集记录能量弱、频带窄、一致性差、信噪比低。③盆缘过渡带大型逆掩断裂发育、地层高陡(30°~70°),致使地震反射波场复杂、获取困难,高精度速度建模与成像处理难度较大。④受多期次、多方向、多方式构造改造和应力影响,气藏地层压力系数、含气量、古今地应力场、天然裂缝等关键参数预测难度大。

2 常压页岩气区地球物理勘探技术进展

从地震资料采集、处理、解释3方面进行了全方位探索,形成了实用的独具特色的变密度三维地震勘探技术,有效支撑了常压页岩气勘探开发。

2.1 变密度三维地震采集技术

针对不同地下构造条件、出露地层岩性,开展了地震反射波场特征、采集激发接收效果分析与观测系统退化处理研究,建立了变密度三维观测系统设计技术,优选了激发接收参数,形成复杂山地炮点优化设计技术并开展了节点仪无缆接收采集实践,解决了复杂地下构造反射波场充分采样、复杂地表采集资料品质以及高大山地施工效率3大核心问题。

2.1.1 变密度三维地震观测系统设计技术

渝东南常压页岩气区地震采集观测系统设计,既要充分考虑不同地表条件对地震采集资料品质的影响,又要满足地下复杂构造的反射波场充分采样。按照“统一排列片接收、分区变密度炮点激发”的理念,形成针对不同地震地质条件的变密度三维观测系统设计技术(表1)。

表1 常压页岩气区不同分区地震地质条件与地震采集观测系统参数对比

Table 1 Comparison of seismic geological condition and acquisition observation system parameters in different regions of normal-pressure shale gas area

构造位置		盆缘过渡带			盆外褶皱区
地震地质条件分区		砂岩地表向斜构造	灰岩地表斜坡构造	灰岩地表高陡构造	灰岩地表
地震地质条件分区		砂岩地表向斜构造	灰岩地表斜坡构造	灰岩地表高陡构造	向斜构造
主要出露地层岩性		侏罗系及上三叠统砂岩	中下三叠统及二叠系灰岩	中下三叠统及二叠系灰岩	中下三叠统及二叠系灰岩
地下构造	页岩埋深	4 000~6 000 m	1 000~4 000 m	2 000~4 000 m	1 000~4 000 m
	地层倾角	10°~20°	20°~40°	30°~60°	10°~30°
	构造宽度	>10 km	4.2~9.1 km	1.5~4.5 km	>15 km
	断裂密度	< 0.01条/km²	0.10条/km²	0.15条/km²	< 0.01条/km²
	断裂断距	<100 m	50~200 m	50~1 900 m	50~1 500 m
	断裂长度	1~8 km	0.5~12 km	1~30 km	1~26 km
地震反射波场		简单	较简单	复杂	简单
地震激发接收效果	单炮主频	28~35 Hz	23~38 Hz	20~36 Hz	23~38 Hz
	单炮有效频宽(-24 dB)	50~60 Hz	40~48 Hz	38~45 Hz	40~48 Hz
	单炮信噪比	1.3~1.7	0.7~0.9	0.6~0.8	0.7~0.9
	评价	好	差	差	差
观测系统参数	接收排列片	28线216道	28线216道	28线216道	20线216道
	道距	40 m	40 m	40 m	40 m
	线距	280 m	280 m	280 m	240~280 m
	排列长度	4 300 m	4 300 m	4 300 m	4 300~4 480 m
	最大偏移距	5 805 m	5 805 m	5 805 m	4 914~5 186 m
	最大非纵距	3 900 m	3 900 m	3 900 m	2 380~2 900 m
	横纵比	0.91	0.91	0.91	0.53~0.67
	炮点距	80 m	40 m	40 m	80 m
	炮线距	360 m	360 m	240 m	240~360 m
	炮点密度	34.72炮/km²	69.44炮/km²	104.17炮/km²	34.72~52.08炮/km²
	面元	20 m×20 m	20 m×20 m	20 m×20 m	20 m×20 m
	叠加次数	84	168	252	60~90
	炮道密度	21万道/km²	42万道/km²	63万道/km²	15~22.5万道/km²
	炮道密度	平均40.3万道/km²			平均20万道/km²

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1)盆缘过渡带全方位、较高覆盖次数的高精度三维地震采集。盆缘过渡带三维地震观测系统退化处理研究表明:①随偏移距、最大非纵距与横纵比增大,可以明显改善高陡构造地震成像效果,因此应有足够偏移距(≥5 000 m)、较高的观测方位(横纵比≥0.7),以满足复杂构造的波场充分采样;②出露地层岩性是采集单炮品质的主要影响因素,砂岩出露区地震信噪比高,覆盖次数由200次降低至100次,剖面品质下降不明显,可满足地震解释需求;灰岩地表、高陡构造区与灰岩地表、斜坡构造区地震信噪比低,覆盖次数≤100次时,叠前深度偏移剖面页岩反射波组信噪比低,不能满足勘探开发需求。因此,盆缘过渡带页岩气高精度三维地震采集观测系统的设计应具备尽可能宽的观测方位、大排列长度、较高覆盖次数的特点^[16]。2019年阳春沟三维采用了“全方位、大偏移距”统一排列片接收+分区变炮点密度设计的观测系统方案,观测系统最大非纵距3 900 m、最大偏移距5 805 m、横纵比0.91,实现全方位观测^[17];在“灰岩地表、高陡构造区”采用小炮点距、小炮线距的高密度炮点设计,可以增加反射波场采样密度和覆盖次数,提高资料信噪比;在“砂岩地表、向斜构造区”,采用大炮点距、大炮线距,地震成像效果良好,同时降低了炮点密度,实现地质任务与经济成本的平衡(表1)^[18]。

2)盆外褶皱带宽方位、低炮点密度的三维地震采集。盆外褶皱带三维地震观测系统退化处理研究表明:①中近偏移距(≤3 km)排列接收、平行构造走向方向采集的信息对向斜构造成像更有利;②覆盖次数达到90次时,灰岩地表、向斜构造区叠前深度偏移剖面页岩反射波组信噪比较高,可满足地震解释需求,覆盖次数增加超过90次后,剖面页岩反射波组信噪比趋于稳定、增长缓慢。武隆向斜、道真向斜三维地震采集,采用了小炮线距、大炮点距、宽方位、适中排列长度、纵横向覆盖均匀的观测系统设计,见表1。

2.1.2 灰岩地表复杂山地地震激发接收技术

1)地震激发接收参数优选。基于追求页岩层地震反射最大信噪比的原则^[19],系统开展了激发药量、激发方式、激发井深、炸药药型等井炮激发试验以及检波器类型、干扰波调查、组合方式等接收试验;明确了5 800 m/s爆速的高密度硝铵炸药、单深井激发与模拟检波器圆形面积组合接收模式,针对不同出露地层岩性,分别匹配优选了最佳激发井深、药量与模拟检波器接收串数(表2),改善激发接收效果,单炮平均能量提高到0.26,较前期提高117.7%,平均信噪比提高到0.9,较前期提高28.6%(图2)。

表2 激发接收参数优化前后对比

Table 2 Comparison before and after optimization of excitation and reception parameters

		前期激发接收参数	优化后激发接收参数
激发因素	侏罗系砂岩	井深16 m、药量10 kg	井深21 m、药量14 kg
	三叠系灰岩	井深16 m、药量12 kg	井深23 m、药量16 kg
	二叠系灰岩	井深18 m、药量10 kg	井深25 m、药量18 kg
	志留系砂岩	井深16 m、药量10 kg	井深21 m、药量14 kg
接收因素	DUS1单点数字检波器	20DX-10 Hz模拟检波器	砂岩区1串/灰岩区 2串圆形埋置

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图2

图2 激发接收参数优化前后地震采集单炮及频谱对比

a—激发接收参数优化前采集单炮;b—激发接收参数优化后采集单炮;c—参数优化前后采集单炮频谱对比

Fig.2 Comparison of single gun record and spectrum of seismic acquisition before and after optimization of excitation and reception parameters

a—single gun record of seismic acquisition before optimization of excitation and reception parameters;b—single gun record of seismic acquisition after optimization of excitation and reception parameters;c—single gun record spectrum comparison before and after parameter optimization

2)复杂山地炮点优化设计技术。首先,实施高清航测影像,准确识别各种障碍物及不利激发区域,同时获取高精度地形数据;其次,优先选择沟底、缓坡带等区域布设炮点,提高低部位炮点占比;第三,开展基于“双复杂”模型的正演分析,利用波场照明和CRP有效覆盖谱进行优化设计,消除照明阴影区;第四,采用“全局寻优”设计思路,统筹设计,减少间距较小炮点,避免炮点间距过大,确保炮点布设均匀,提高叠前偏移成像精度。通过该技术的实施,三维地震沟底加缓坡炮点占比达85%,单炮一级品率80%~84%(前期70%~73%)。

3)节点仪接收与炮点坐标源驱动放炮技术。开展了I-nodal节点仪无缆接收和428XL数字地震仪+常规有缆采集站接收在山地的对比试验,两者均采用20DX-10 Hz模拟检波器,对比表明两套设备在采集单炮的有效反射信息能量、频率、信噪比等方面基本一致,时差小于1个采样间隔(1 ms)。2022年道真三维得益于节点仪不受线缆限制、可实现全时间与全空间采集的优势,在常规设计的束状观测系统基础上转向地毯式观测,即采用当日采集所有在线节点仪全部接收,增加纵向接收道数与横向接收线数,观测系统属性大幅度强化,实现真正意义上全方位采集,覆盖次数较理论设计提高1.5倍以上。节点设备重量轻、携带方便,不需要进行导通查线,在高山区可以大幅降低用工人数和施工风险,提高作业效率。同时,采用炮点坐标源驱动放炮技术,通过炮点定位坐标驱动抓取放炮表炮点桩号,自动建立放炮等待队列进行采集,确保采集桩号的炮检点关系准确,进一步提高采集效率。道真三维平均仪器日效达1 062炮(前期三维平均日效163~379炮),最高日效达1 931炮,施工效率得到极大提高。

2.2 地震资料处理技术

形成以联合静校正、提高信噪比处理、五维数据规则化为主的精细叠前预处理技术体系,针对盆外褶皱带向斜构造形成了构造约束网格层析速度建模+叠前深度偏移的地震成像处理技术,针对盆缘过渡带复杂构造区形成了各向异性速度建模+TTI-RTM逆时偏移的地震成像处理技术,实现了高精度地震成像。

2.2.1 叠前预处理

1)层析静校正与剩余静校正联合处理技术。首先,针对复杂山地地震采集资料的近偏移距信息不足、炮检距属性不均匀等问题,在初至波层析反演中,加入微测井、地质露头等表层结构调查资料的约束,提高探区中、长波长静校正精度。然后,进行“速度调整—地表一致性剩余静校正—地震叠加”多轮交互处理,求得可靠的剩余高频静校正量,提高叠加剖面质量。最后,针对常压页岩气区表层速度剧烈变化、信噪比低等地震资料特点,采用蒙特卡洛模拟退火全局寻优剩余静校正方法,进一步解决短波长静校正难题。

2)弱信号补偿处理技术。溶洞、煤矿采空区、垮塌堆积区采集单炮噪声干扰重,有效信息主频低、能量弱、信噪比十分低。形成一种保护低频思路的低信噪比弱信号补偿处理技术:①采用小波分解方法,对低信噪比单炮记录进行数据频带分解;②分析不同频带内干扰波的相关属性,提取去噪参数;③在噪声所占据的频带通道上模拟噪声,通过减法运算,在该频带通道上减去模拟的噪声,实现高保真度去噪处理;④开展小波信号重构,从而突出弱有效反射信息,并对弱信号同相轴进行适当插值平滑补偿处理。弱信号补偿处理后,有效信号信噪比得到提高,单炮频谱整体拓宽。

3)五维数据规则化处理技术。针对盆缘过渡带变密度三维地震资料,叠前五维规则化处理主要目的是将不规则的数据映射到规则位置,提高三维地震面元属性均匀性和一致性,降低偏移成像产生假频信息和噪声;考虑到盆缘过渡带构造复杂的特点,采用小插值窗口,避免插值噪声,确保高陡构造、断裂发育区准确成像。针对盆外褶皱带残留向斜三维地震空间采样稀疏(覆盖次数低、炮道密度低)、资料信噪比低的特点,五维规则化处理主要目的有两方面,一是进行空白偏移距、方位角信息的插值,使三维地震数据具有完整的方位角、偏移距信息,以满足精细叠前偏移成像与叠前反演的需求;二是对炮检点进行合理加密,将覆盖次数增加1~2倍,提高地震信噪比(图3);针对盆外褶皱带宽缓向斜构造的特点,采用大插值窗口。

图3

图3 五维叠前数据规则化处理前后剖面对比

a—五维叠前数据规则化处理前剖面;b—五维叠前数据规则化处理后剖面

Fig.3 Profile comparison of before and after regularization of five-dimensional pre-stack data

a—profile before regularization of five-dimensional pre-stack data;b—profile after regularization of five-dimensional pre-stack data

2.2.2 盆缘过渡带复杂构造地震成像技术

盆缘过渡带地下构造复杂,断层发育、地层陡倾、速度场纵横向都存在剧烈的变化,同时存在严重的各向异性问题^[20-21]。在构造约束网格层析反演速度建模基础上,进一步开展倾斜对称轴的各向异性(TTI)介质速度建模,在各向异性参数δ(描述地震成像深度与实际地层深度的误差)的求取过程中,采用井约束旅行时恒定层析成像技术,只利用速度模型及井信息,无地震数据驱动,采用小更新量、多次迭代计算方式,保障了参数求取的准确度。相比较于垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质叠前深度偏移剖面,TTI介质叠前深度偏移剖面波组信噪比高且连续性好。各向同性叠前深度偏移剖面页岩反射波组成像深度、波组产状与实钻误差较大(深度误差率大于2.5%);采用井约束旅行时恒定层析成像各向异性速度建模技术获得的三维地震成果剖面,目的层反射波组成像深度误差小于2%,波组产状与水平井实际钻探结果吻合度高。

针对盆缘过渡带目的层埋深大、地层倾角陡及断裂发育的特点,开展了逆时偏移成像处理。逆时偏移方法完全遵循全波动方程,具有相位准确、适应速度纵横向剧烈变化、成像精度高等特点。相比较于常规Kirchhoff叠前深度偏移,各向异性逆时偏移剖面波组的连续性、信噪比大幅提升,构造归位更加准确、陡倾角构造成像改善明显。

2.2.3 盆外褶皱带地震成像技术

盆外褶皱带构造改造作用更强,背斜区五峰—龙马溪组目的层已剥蚀殆尽,向斜区构造宽缓、目的层连续分布。盆外褶皱带采集三维地震资料具有单炮记录信噪比低、观测系统覆盖次数低的特点,导致反射波剩余曲率拾取困难,常规的反射波网格层析无法获取准确的速度模型。结合层位层析和网格层析两种技术的优势,形成了构造约束网格层析速度建模技术,即将下三叠统飞仙关组底面、上二叠统龙潭组底面、下二叠统梁山组底面、中志留统韩家店组底面及上奥陶统五峰组底面等上下地层间速度差异大的界面作为标志层,在上述界面的地震解释层位约束下,逐层进行网格层析速度反演,结合目标线偏移质控与速度分析进行多次迭代,由浅至深逐步提高整体速度模型的精度。

常压页岩气区纵向不同地层速度差异大且存在明显的速度倒转,受地层倾斜影响横向速度同样变化较快。Kirchhoff叠前深度偏移具有大倾角成像、无频散的成像优势,能够适应起伏山地地表和地震波速度纵横向剧烈变化,且计算效率较高。采用叠前深度偏移技术实现地震反射波场的准确空间归位,使构造准确成像,经实钻验证成像深度误差小于1%。

2.3 甜点关键参数地震预测技术

在反映物质基础的静态评价参数方面,形成基于岩石物理特征研究和基于统计岩石物理的地震预测技术;利用有限元应力场模拟技术,揭示古应力场演化,实现多期构造改造叠加作用形成裂缝的定量预测;采用基于薄板理论与组合弹簧模式的应力场预测技术,明确今地应力场变化规律,指导水平井方位设计及压裂方案优化。

2.3.1 页岩储层甜点参数定量预测技术

开展页岩各向异性岩石物理建模研究,明确了常压页岩气地球物理响应特征,建立了优质页岩储层地震识别、压力系数及脆性指数定量预测方法;基于岩心刻度测井的甜点参数敏感地震属性分析,结合神经网络、多属性回归分析等统计岩石物理方法,建立了TOC、孔隙度、含气量与相关敏感属性间的数学计算模型。用实测压力数据为约束求取了速度校正系数,消除岩性、埋深、物性等其他诸多因素对速度的影响,改进Fillippone法^[22-23],提高了预测精度;开展常压页岩气储层脆性矿物含量、裂缝密度、有机碳含量对杨氏模量、泊松比的影响分析,构建脆性指数 $B_{I}$ ,与矿物脆性指数相关性好,优于Rickman脆性指数,实现页岩脆性定量表征;TOC与密度属性具有很好的相关性,呈负相关关系,由两者的拟合关系得到基于密度的TOC计算模型;密度、纵波阻抗、 $λ ρ$ 和泊松比等弹性参数与含气量具有较好负相关性且对含气量变化比较敏感,基于上述4个弹性参数,建立了页岩含气量预测多元回归模型;应用概率神经网络技术确定叠后地震属性瞬时相位、瞬时频率、叠前地震AVO属性截距、梯度以及弹性参数纵波阻抗、杨氏模量、密度、泊松比8种属性组合与孔隙度之间的定量映射关系;甜点参数预测与实测的吻合率达到90%及以上(表3)。

表3 常压页岩气储层甜点参数定量预测方法统计

Table 3 Quantitative prediction methods for reservoir dessert parameters of normal-pressure shale gas

序号	甜点参数	计算方法	工作原理	预测吻合率
1	优质页岩厚度	①叠前反演求取纵横波速度比 ②求取纵横波速度比≤1.65的地层厚度	优质页岩气层纵横波速度比(1.58~1.65)低于普通泥页岩(1.65~1.75)	≥95%
2	压力系数	$P_{p} = A \times e^{B \times V_{i}} \times P_{o} \frac{V_{m a x} - V_{i}}{V_{m a x} - V_{m i n}}$ , 式中 $P_{p}$ 为地层压力,MPa; $P_{o}$ 为上覆岩层压力,MPa; $A$ 、 $B$ 为校正系数,针对渝东南常压页岩气储层,通过实际钻孔测试资料拟合求得A为0.068、B为6.64×10^-4; $V_{m a x}$ 为孔隙接近于零时地层速度,近似基质速度,m/s; $V_{m i n}$ 为刚性接近于零时速度,近似孔隙流体速度,m/s; $V_{i}$ 为预测层段的层速度,m/s	①钻探表明随页岩地层压力系数增大,地层速度降低 ②在Fillippone法基础上引入校正系数 $A$ 、 $B$ ,消除岩性、埋深、物性等其他诸多因素对速度影响	≥90%
3	脆性指数	$B_{I} = c \times E / (1 - v^{2})$ , 式中 $B_{I}$ 为构建的脆性指数; $E$ 、 $v$ 分别为杨氏模量、泊松比,由叠前反演求取;c为常数,针对渝东南常压页岩气储层,实际数据拟合求得c为1.70	构建脆性指数 $B_{I}$ ,与实际矿物脆性指数相关性高	≥90%
4	有机碳含量	$T O C = 41.21 - 14.94 ρ$ , 式中 $T O C$ 为有机碳含量; $ρ$ 为密度值,由叠前反演求取	密度值与TOC负相关性良好,相关系数达0.86,由两者的拟合关系得到基于密度的有机碳含量计算模型	≥92%
5	含气量	$\begin{array}{l} C_{z} = 50.65 - 18.55 ρ - 6.08 v - 0.02 λ ρ + \\ 0.00025 I_{p} \end{array}$ , 式中 $C_{z}$ 为含气量; $λ$ 、 $I_{p}$ 分别为拉梅常数值、纵波阻抗值,由叠前反演求取	密度、纵波阻抗、 $λ ρ$ 和泊松比等弹性参数与含气量具有较好负相关性,建立页岩含气量预测多元回归模型	≥91%
6	孔隙度	①优选出叠后地震属性瞬时相位、瞬时频率,叠前AVO属性截距、梯度,以及弹性参数纵波阻抗、杨氏模量、密度、泊松比等共8种属性 ②采用概率神经网络技术,建立上述8种属性与孔隙度间的映射关系,求取孔隙度	对叠后、叠前地震等属性以及叠前反演求取的弹性参数代入概率神经网络进行训练学习,利用实验分析、测井资料设定训练数据集、验证数据集,优选敏感属性并建立与孔隙度间的概率神经网络映射关系	≥90%

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2.3.2 地应力场预测

开展了古应力场与今应力场预测研究。古应力场的形成机制和作用方式,控制了天然裂缝的发育及分布特征,若保存条件较好,天然裂缝发育区是游离气运移和聚集的有利区。开展古应力场研究为常压页岩气地质甜点评价提供了一种新的思路和方法,也为地震资料属性分析预测地质甜点提供了佐证。现今地应力场是决定页岩体积压裂改造效果的关键因素,应力场研究可为工程甜点的评价与压裂设计提供重要依据。因此,开展古、今应力场预测, 对地质与工程双甜点评价、水平井地质工程一体化设计具有重要意义。

1)古应力场预测。利用有限元应力场模拟技术,揭示古应力场演化和天然缝形成机制,实现多期构造改造叠加作用形成裂缝的定量预测^[24-25]。首先,利用三维地震构造解释结果,结合平衡剖面技术,恢复燕山中期和燕山晚期的断裂分布,并建立不同构造时期地质模型。其次,针对叠前地震反演获得的页岩杨氏模量和泊松比,利用NY1、SY1等导眼井岩心三轴应力试验资料进行校正,建立力学模型;断裂带区域泊松比较正常地层区域高0.02~0.1、杨氏模量低30%~50%。第三,建立边界条件:通过野外6条剖面200余个实测点的共轭节理产状进行地层复平,给出古应力的倾伏向和倾伏角;为分析不同构造变形期的古应力大小,开展了13个野外采集样品的岩石声波发射实验,盆缘过渡带南川—阳春沟地区燕山中期最大主应力方向SE65°,大小在138.7 ~168.66 MPa之间,燕山晚期最大主应力方向NEE80°,大小在97.71~153.81 MPa之间。最后,利用有限元方法进行主要构造变形期——燕山中期、燕山晚期的应力场正演模拟。预测结果显示,盆缘过渡带南川地区燕山中期最大主应力方向约NW153°(图4a),大小135~166 MPa(图4b),最小主应力方向约为NE55°~NE65°,大小84.75~143.54 MPa;燕山晚期最大主应力方向约NEE85°,大小116~147 MPa,最小主应力方向约为NNW355°,大小75.57~112.4 MPa。

图4

图4 南川地区古应力场预测与裂缝系数预测

a—燕山中期最大主应力方向分布;b—燕山中期最大主应力大小分布;c—燕山中期页岩破裂系数分布;d—页岩综合预测裂缝系数分布

Fig.4 Prediction of ancient stress field and HFI in Nanchuan area

a—maximum principal stress direction in middle Yanshanian; b—maximum principal stress in middle Yanshanian; c—S₁ in middle Yanshanian; d—HFI in middle Yanshanian

大量的岩心裂缝观察结果表明五峰—龙马溪组页岩中以构造成因的剪性裂缝为主。选取适用于剪性裂缝产生的Mohr-Coulomb准则,引入剪破裂系数S:

(1)

S = τ_{n} / τ

式中: $τ_{n}$ 为地层剪切应力, $τ$ 为岩石的抗剪强度,可以由构造应力场数值模拟得到。当 $S \geq$ 1时,岩石发生剪切破裂; $S$ <1时,岩石不发生破裂。结合燕山中期、燕山晚期两期裂缝预测结果和岩心观测裂缝密度统计,引入综合预测裂缝系数 $H F I$ :

(2)

H F I = a \times S_{1} + b \times S_{2}

式中: $H F I$ 为综合预测裂缝系数,无量纲; $a$ 和 $b$ 分别为燕山中期和燕山晚期形成裂缝比例,无量纲; $S_{1}$ 为燕山中期剪破裂系数,无量纲; $S_{2}$ 为燕山晚期剪破裂系数,无量纲。如图4所示,预测南川地区总体裂缝发育程度中等,断裂带附近裂缝发育程度相对较高,统计6口井研究区目的层段成像测井的高阻缝、高导缝的识别结果与综合破裂系数具有高度的相关性,相关程度达到80%以上;页岩气保存条件好、预测裂缝系数较高区域的单井测试日产气量较高。

2)今应力场预测。今构造应力场影响压裂改造缝网形成。综合考虑地层弹性力学性质、埋深、构造形态、构造压力及构造残余应力等多种因素对地应力的影响,采用组合弹簧模型,通过构造应变和地层弹性力学参数的双重约束,提高了强烈构造变形区的今地应力预测效果^[26⇓-28]。组合弹簧模型是基于各向同性介质理论,假定全部地层在两个水平方向上的应变都是常数,并且地层之间没有相对的位移,可表示为:

(3)

σ_{h} - α p_{p} = \frac{υ}{1 - υ} (σ_{v} - α p_{p}) + \frac{E}{1 - υ^{2}} ε_{h} + \frac{υ E}{1 - υ^{2}} ε_{H}

(4)

σ_{H} - α p_{p} = \frac{υ}{1 - υ} (σ_{v} - α p_{p}) + \frac{E}{1 - υ^{2}} ε_{H} + \frac{υ E}{1 - υ^{2}} ε_{h}

式中: $σ_{H}$ 为水平最大主应力,MPa; $σ_{h}$ 为水平最小主应力,MPa; $α$ 为Boit系数; $p_{p}$ 为地层孔隙压力, MPa; $σ_{v}$ 为上覆地层压力,MPa ; $ε_{H}$ 为水平最大主应变, $ε_{h}$ 为水平最小主应变,在同一断块内 $ε_{h} 、 ε_{H}$ 为常数。在利用地震叠前反演获得相关弹性参数、利用改进Fillippone法获得研究区地层压力的基础上,通过三维解释成果,求取趋势面函数及断层边界约束,进而求取构造曲率;根据薄板理论,求取主应变强度和应变张量,进而将获得的各数据体分别代入组合弹簧模型中计算,预测今地应力变化规律。

图5全方位展示了盆缘过渡带南川地区五峰—龙马溪组页岩地层地应力场地震预测结果。与实测数据对比,预测最大主应力、最小主应力、水平应力差异系数、最大主应力方向的误差率分别为6%、9%、11%、22%。

图5

图5 南川地区五峰组—龙马溪组页岩地层地应力场预测

a—水平最大主应力方向;b—水平最大主应力;c—水平最小主应力;d—水平应力差异系数

Fig.5 Stress field prediction maps of Wufeng-Longmaxi Formation shale reservoir in Nanchuan area

a—direction of horizontal maximum principal stress;b—horizontal maximum principal stress;c—horizontal minimum principal stress;d—horizontal stress difference coefficient

2.3.3 应用效果

甜点地震预测技术实现了页岩储层物性、保存条件、体积改造条件的定量评价,依据地震资料预测的优质页岩厚度、页岩孔隙度、TOC含量、含气量、地层压力系数、脆性指数,结合古应力预测的裂缝发育情况和现今应力展布规律,综合评价优选出盆缘过渡带平桥、东胜、阳春沟3个千亿方增储区带和盆外褶皱带武隆、道真等甜点区,有利面积1 315 km²,资源量1.6×10¹²m³,有效指导了常压页岩气勘探开发。根据综合评价研究结果,在盆缘过渡带南川地区部署实施15口探评井,地层压力系数1.1~1.3,测试日产气(13.5~34.3)×10⁴m³,发现了南川常压页岩气田,新增探明储量近2 000×10⁸m³;累建产能25×10⁸m³,建成国内首个常压页岩气示范区。在盆外褶皱带武隆、道真、桑柘坪地区部署实施9口探评井,地层压力系数介于0.9~1.1,试获日产气(3.5~9.2)×10⁴m³,实现盆外常压页岩气勘探的多点突破,有利区资源量达1×10¹²m³,见图6。

图6

图6 渝东南复杂构造区常压页岩气勘探形势

Fig.6 The exploration situation map of normal-pressure shale gas in complex structural area of southeastern Chongqing

3 面临的挑战与攻关方向

3.1 面临的挑战

通过近年攻关,常压页岩气地球物理勘探技术研究取得了积极进展,有效指导了勘探开发,但面对地表、地下“双复杂”的地质条件,在地震采集、成像处理和甜点预测3方面依然面临艰巨挑战。

①地震采集资料品质依然偏低。常压页岩气普遍位于灰岩山地地表、复杂构造区,原始单炮记录信号弱、有效频带窄、信噪比低、资料一致性差;规则采集施工无法完成,地震波场照明强度不均匀。②亟需进一步提升地震成像精度与效率。断裂发育、高陡构造区准确速度建模与成像难度大,低井控程度区构造成像深度误差大(>2.5%),小微断层与微幅构造成像精度低,导致构造落实程度低,影响了甜点目标区评价、井位部署、水平井设计,导致水平井的靶窗钻遇率降低;地震分辨率低,纵向细分小层厚度薄,难以支撑常压页岩气纵向多层立体勘探开发。③常压页岩气地质—工程“双甜点”预测精度有待进一步提高。常压页岩气富集规律复杂,储层非均质性强,不同构造单元页岩可钻性、可压性差异大,同平台井组测试产量差异大,水平井产量与地球物理参数间关系尚不十分明确;现有微裂缝、页岩层理缝、古今应力场定量预测精度有待进一步提升,亟需深化常压页岩气富集高产主控因素研究,强化技术攻关,进一步完善甜点地震综合评价技术。

3.2 攻关方向

需持续开展常压页岩气地球物理技术攻关,发展高品质、高效率、智能化的地震采集技术,提高原始记录品质与复杂构造反射波场采集的健全性;优化高精度、高分辨率成像处理技术和各向异性处理方法,提高构造成像精度和储层预测精度,精细刻画甜点,保障靶窗钻遇率,提高勘探成功率;完善面向常压页岩气藏的勘探开发一体化解决方案,支撑单井提产、钻井提速提效、储层改造提质,支撑效益开发^{[29⇓⇓⇓⇓-34]}。具体包括以下几方面。

3.2.1 科学合理的地震采集技术

常压页岩气地震采集技术发展的方向应以提升资料品质为目标,经济适用为原则,突出高效率、低成本、高精度。攻关方向包括3个方面:①以地质露头调查、高清航测影像、高密度电法、微测井、小层析、三分量共振成像等多方法联合开展复杂山地的精细近地表结构调查,建立准确的近地表岩性与速度模型,一方面指导激发因素设计,提高单炮记录品质;另一方面用于后续静校正与成像处理。②以更有利于地下构造精确成像、提高采集效率为目标,利用节点仪接收不受线缆限制、可实现空间不规则随机采集的优势,开展起伏地表、复杂构造三维正演模拟与波场传播规律研究,探索基于压缩感知的经济实用型观测系统设计,由束状规则观测转向随机采集,实现对“双复杂”探区地震反射波场的更加充分采样。③加快小型化、稳定可靠的5G无线节点装备的研发与推广应用,建立复杂山地无线节点地震采集技术体系,减少人力物力时间投入,降本增效。

3.2.2 高精度自动化成像处理技术

常压页岩气地震处理技术发展的方向应以提高地震成像精度、缩短资料处理周期为原则,突出高分辨率、高保真、高精度、自动化。攻关方向包括4个方面:①持续完善复杂山地、高陡构造精细成像技术,重点开展提高信噪比、提高分辨率、提高成像精度等方面的深化研究,攻关多信息融合复杂近地表速度建模、初至波全波形反演,开展处理解释一体化全层系深度域速度建模研究,联合应用高斯束层析建模技术,以期实现浅中深层反演、各向异性建模及小尺度特殊异常体的精细刻画;探索基于照明补偿的逆时偏移成像、散射波成像、角度域成像和最小二乘偏移等成像技术在常压页岩气“双复杂区”的应用,实现高陡结构、复杂断面的可靠成像,提高低序级断裂、微幅褶皱构造的成像精度;开展井控高分辨率处理,探索全深度Q值调查、深度域Q建模和Q偏移等技术,构建山地地表、复杂构造区地震宽频、高分辨率处理流程。②发展随钻地震成像技术,页岩气水平井水平段钻进过程中,利用实时钻井轨迹开展井控速度模型优化与快速偏移成像,动态更新地震影像,及时指导下步钻探。③推进深度学习、机器学习、AI技术在常压页岩气地震资料处理中的应用,特别是在初至拾取、全局寻优剩余静校正计算、自动化速度建模等方面,利用人工智能技术,提高数据分析的准确性,提升处理效率,实现地震处理的自动化。

3.2.3 “地质—工程—经济”一体化甜点地震预测技术

常压页岩气地震预测技术的发展方向应以提高预测可靠性、面向勘探开发一体化解决方案支撑效益开发为原则,突出智能化、定量化、多维度、地质工程一体化。攻关方向包括3个方面:①持续攻关微小尺度裂缝预测方法。开展五维地震精细解释,攻关各向异性宽方位、全方位地震解释技术,实现微裂缝定量预测;开展岩石物理实验、成像测井及元素扫描测井,实现页岩层中黏土定向排列VTI各向异性特征与低角度缝及页理缝VTI各向异性的解耦,结合VTI介质各向异性参数反演,实现低角度缝、页理缝的定量描述;充分利用岩心及FMI成像测井等资料,开展地质参数与裂缝相关性研究,建立相关模型,精细刻画天然裂缝连通性。②进一步提高应力场预测精度,开展地应力方位各向异性地球物理响应特征研究,开展基于OA介质理论的地应力预测;充分考虑构造应力、孔隙压力等参数的影响,攻关基于地质力学的三维构造恢复及应力场分析技术。③完善常压页岩气勘探开发一体化地球物理解决方案,加强页岩气水平井压裂微地震监测及压裂施工综合响应分析,开展地应力场与体积改造关系研究;有机融合岩石力学参数、储层物性参数、裂缝、地应力等多参数,建立地层破裂压力、坍塌压力的定量预测与考虑裂缝传播的可压性评价方法,形成压裂前施工参数预测与压裂后效果综合评估技术;加强单井产量综合影响因素研究,形成“地质—工程—经济”一体化常压页岩气甜点地震综合评价体系。

4 结论

1)经过十余年攻关与实践,常压页岩气地球物理勘探技术取得了重要进展:①形成变密度三维地震采集技术,提高复杂地下构造反射波场采样充分性、复杂地表采集资料品质以及高大山地施工效率。②建立复杂山地地震叠前预处理、盆缘过渡带复杂构造成像、盆外褶皱带向斜构造成像等处理技术体系,成果剖面信噪比高、有效频带宽,井震深度吻合率高。③实现优质页岩厚度、地层压力系数、脆性、TOC、含气量、孔隙度等静态评价指标定量预测,建立古、今地应力场预测技术。

2)常压页岩气地球物理勘探依然面临着地震采集、成像处理和甜点预测3方面的艰巨挑战。下步应重点攻关以5G无线节点接收、多方法联合精细近地表结构调查、基于压缩感知的经济实用型观测系统设计等为核心的高效率、低成本、高精度地震采集技术,以复杂山地高陡构造精细成像、随钻地震成像、人工智能为核心的高精度、自动化处理技术,以提高复杂裂缝系统、地应力场、含气性预测精度为核心的“地质—工程—经济”一体化的甜点地震综合评价方法。

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中国页岩气资源丰富，开发前景广阔，但中国页岩气资源的品质与美国不同，必须发展自己的开发技术。为此，中国石油天然气集团有限公司立足自主创新，围绕四川盆地南部地区龙马溪组页岩气的地质和工程特点，开展了系统的理论研究和技术攻关。通过揭示“沉积-成岩作用控储、保存条件控藏、Ⅰ类储层连续厚度控产”的“三因素控制”海相页岩气富集高产理论，创建了适合中国南方多期构造演化海相页岩气勘探开发的6大关键技术——综合地质评价技术、开发优化技术、水平井优快钻井技术、水平井体积压裂技术、工厂化作业技术和高效清洁开采技术，实现了页岩气工业化大规模开采。截至2019年底，中国石油天然气集团有限公司在川南地区累积提交页岩气探明地质储量1.06×1012m3，已建成100×108m3的产能，累积产气量为200×108m3，建设成效显著，积累了宝贵的经验。这对大力发展页岩气产业、降低对外依存度、保障国家能源安全、实现“生态优先、绿色发展”战略具有重大意义。

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The Wufeng and Longmaxi Formations in the southeast part and the marginal transition zone of the Sichuan Basin are rich in shale gas resources at normal pressure, but face geological difficulties such as poor shale quality, low formation pressure coefficients, and large differences between maximum and the minimum horizontal principal stress. In order to achieve high and stable production, and efficient development, exploration has been carried out on normal pressure shale gas in the Nanchuan- Wulong area. Basic geological research methods, low-cost engineering technology and production management, etc. have been applied, with the result that understanding and practice based on ‘five optimizations’ has been established. The five optimizations are: optimized well locations; optimized trajectory in targets; optimized fractures; optimized cost control, and optimized well management. This program has proved that research on preservation conditions, sedimentary microfacies and tectonic stress is the essential base for selecting and optimizing sweet spot intervals and improving fracturing design, as well as developing innovative low-cost, fast, drilling and completion techniques. Effective fracturing engineering technology is also important for efficient development, and innovative ‘2+3’ management and operation is the guarantee for improving production quality and efficiency.

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DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2019.06.011 [本文引用: 1]

[20]

杨勤勇, 郭恺, 李博,

等.

TTI各向异性地震成像技术及其在页岩气勘探中的应用

[J]. 石油物探, 2019, 58(6):882-889,897.

我国南方页岩气地层厚度小于地震波长,陡倾角地层发育,具有较强的TTI各向异性特征,利用各向同性方法处理地震资料的结果信噪比和分辨率较低,且存在严重的井震深度误差。同时,TTI建模方法技术尚不成熟,成像方法实用化程度不高。针对上述问题,从准确的各向异性程函方程出发,推导了非双曲时距曲线方程,结合局部层析方法,充分利用测井数据,建立空间分布合理、数值较为准确的各向异性参数初始模型,采用加入综合正则化的等效参数联合层析反演方法进一步提高参数模型的精度,增加模型的中高波数信息。采用梯度法各向异性波场外推求解算法和双平台异构并行策略,实现CPU/GPU混合的TTI逆时偏移成像(TTI-RTM),有效降低了TTI-RTM成像处理的数据存储量和运算量,提高了TTI-RTM成像结果的有效性和实用性。将该方法应用于南方某页岩气探区实际地震资料处理,建立了符合地质规律、细节丰富的精细TTI各向异性参数模型,改善了TTI-RTM成像剖面的质量和精度,降低了井震深度误差,为后续储层精细描述和水平井开发提供了可靠的成果数据。

Yang

Q Y

, Guo

, Li

et al.

Application of TTI anisotropic seismic imaging in shale gas exploration

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2019, 58(6):882-889,897.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2019.06.011 [本文引用: 1]

In the shale gas exploration area in south China,the stratum thickness is lower than the seismic wavelength,steep dip formations are present,and reservoirs exhibit strong TTI characteristics.Isotropic processing was inaccurate,producing low signal-to-noise ratio,poor resolution,and large depth errors compared to well data.TTI parameter modeling methods are not well developed,and TTI anisotropic imaging methods are not practical enough.To address these issues,we derived a non-hyperbolic time-distance curve equation based on the accurate anisotropic Eikonal equation.An initial anisotropic-parameter model with reasonable spatial distribution and accuracy was established by combining the local tomography method and well data.The accuracy of the parametric model was improved with equivalent parameter joint tomography inversion based on comprehensive regularization.The medium and high wavenumber model data was also improved.Using a gradient anisotropic wave field extrapolation algorithm and dual platform heterogeneous integration,we accomplished CPU/GPU hybrid TTI reverse time migration(TTI-RTM) imaging,effectively reducing storage and improving computing efficiency.Field data from a shale gas exploration area in south China was used to establish a fine TTI anisotropic parameter model based on the relevant geology.Then TTI-RTM improved the quality and accuracy of the imaging profile.Well-seismic depth error was eliminated,allowing reliable results to be obtained for subsequent reservoir description and horizontal well exploration and development.

[21]

杨帆, 蓝加达, 孟庆利,

等.

井约束旅行时恒定层析成像技术在南川地区的应用

[J]. 油气藏评价与开发, 2021, 11(4):514-520.

Yang

, Lan

J D

, Meng

Q L

et al.

Application of well-constrained travel time preserving tomography technology in Nanchuan area

[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2021, 11(4):514-520.

[22]

李彦婧, 张勇, 潘兰,

等.

基于叠前同时反演的地层压力预测及应用

[J]. 科学技术与工程, 2019, 19(20):70-76.

Y J

, Zhang

, Pan

et al.

Application of formation pressure prediction based on pre-stack simultaneous inversion

[J]. Science Technology and Engineering, 2019, 19(20):70-76.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2018.03.005 [本文引用: 1]

[23]

胡华锋, 胡起, 林正良.

页岩气储层地层压力预测方法及其在四川盆地的应用

[J]. 石油物探, 2018, 57(3):362-368.

在构造稳定区,页岩气储层超压的成因以生烃增压为主,常规基于欠压实成因的地层压力预测方法并不适合直接应用于页岩气储层的地层压力预测。为此,以Clay-Plus-Silt(CPS)模型为基础,考虑干酪根生烃的影响,基于岩石物理建模的思路,提出了一种新的正常压实速度趋势线构建方法,并结合Eaton方程形成新的页岩气储层地层压力预测模型。该模型能够更好地反映岩性变化对正常压实速度的影响,并且对实测压力数据的要求更低。基于该模型正演得到的正常压实速度,结合高精度叠后波阻抗反演,建立了页岩气储层地震地层压力预测技术流程。四川盆地某页岩气区块实际应用表明,该方法能有效提高页岩气储层钻前地层压力的预测精度。

H F

, Hu

, Lin

Z L

Pore pressure prediction for shale gas reservoirs and its application in the Sichuan Basin,China

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2018, 57(3):362-368.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2018.03.005 [本文引用: 1]

Overpressure in tectonically stable regions of shale gas reservoirs is primarily caused by hydrocarbon generation.Conventional undercompaction-based methods are not applicable in these regions.Based on the Clay-Plus-Silt (CPS) model,along with the hydrocarbon effect,a normal compaction trend (NCT) was constructed using the rock physics modeling approach.The NCT was further combined with Eaton's equation to form a new pressure prediction model for shale reservoirs.This model can better reflect the influence of lithological change on normal compaction velocity with fewer measured pressure data.Combining the normal compaction velocity obtained by forward modeling,using the proposed model,with high-precision poststack impedance inversion,a seismic overpressure prediction workflow for shale gas reservoirs was constructed.Application results of this model from the Sichuan basin of China indicate its superiority in predicting predrill pore pressure.

[24]

张斗中, 汤济广, 蔡俊.

渝东南川地区龙马溪组地应力场特征

[J]. 油气藏评价与开发, 2021, 11(2):190-196.

Zhang

D Z

, Tang

J G

, Cai

Characteristics of geostress field of Longmaxi Formation in Nanchuan area,Eastern Chongqing

[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2021, 11(2):190-196.

[25]

任启强, 金强, 冯振东,

等.

和田河气田奥陶系碳酸盐岩储层关键期构造裂缝预测

[J]. 中国石油大学学报:自然科学版, 2020, 44(6):1-13.

Ren

Q Q

, Jin

, Feng

Z D

et al.

Prediction of key period fractures of Ordovician carbonate reservoir in Hetianhe gas field

[J]. Journal of China University of Petroleum:Edition of Natural Science, 2020, 44(6):1-13.

[26]

潘兰, 刘昊娟, 张勇,

等.

地应力地震预测方法在南川区块的应用

[J]. 中国科技论文, 2021, 16(1):38-43.

Pan

, Liu

H J

, Zhang

et al.

Application of in situ stress prediction technology based on seimic method in Nanchuan district

[J]. China Sciencepaper, 2021, 16(1):38-43.

[27]

刘昊娟.

地应力地震预测及其在南川页岩气开发中的应用

[J]. 物探与化探, 2021, 45(3):560-568.

Liu

H J

The application of in situ stress prediction based on seismic data to shale gas development:A case study of Nanchuan(south Sichuan)area

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2021, 45(3):560-568.

[28]

张广智, 陈娇娇, 陈怀震,

等.

基于页岩岩石物理等效模型的地应力预测方法研究

[J]. 地球物理学报, 2015, 58(6):2112-2122.

DOI:10.6038/cjg20150625 [本文引用: 1]

地应力的精确预测是对页岩地层进行水平井钻井轨迹设计和压裂的基础.本文在分析页岩构造特征的基础上, 提出了适用于页岩地层的岩石物理等效模型的建立流程, 并以此为基础实现了最小水平地应力的有效预测.首先, 通过分析页岩地层的矿物、孔隙、流体及各向异性特征, 将其等效为具有垂直对称轴的横向各向同性介质, 进行了页岩岩石物理等效模型的构建;然后建立了页岩地层纵横波速度经验公式, 并将该经验公式与岩石物理等效模型均应用于实际页岩工区的横波速度预测中, 二者对比表明, 本文中建立的页岩气岩石物理等效模型具有更高的横波预测精度, 验证了该模型的适用性;最后, 利用该模型计算各弹性刚度张量, 进而实现了页岩地层最小水平地应力的预测, 与各向同性模型估测结果对比表明, 该模型预测的最小水平地应力与地层瞬间闭合压力一致性更高, 且储层位置更为明显, 具有较高的实用性.

Zhang

G Z

, Chen

J J

, Chen

H Z

et al.

Prediction for in situ formation stress of shale based on rock physics equivalent model

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2015, 58(6):2112-2122.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2022.04.001 [本文引用: 1]

[29]

王延光, 尚新民, 芮拥军.

单点高密度地震技术进展、实践与展望

[J]. 石油物探, 2022, 61(4):571-590.

随着油气勘探开发的深入,以胜利油田为代表的东部老区普遍进入到复杂隐蔽油气藏勘探阶段,勘探对象日趋复杂,表现为“薄、小、碎、散、深、隐”的特点,传统的地震技术已不能满足日益复杂的地质目标的识别与描述需求。为了破解东部老区勘探开发难题,“十五”以来,胜利油田先后在垦71、罗家、义东等区块开展了高密度地震技术探索,在大量攻关实践的基础上,提出了“单点激发、单点接收,具有小面元、宽频带、宽方位、高炮道密度特征,以方位各向异性理论为基础,采用宽频全方位处理、五维数据解释”的新一代高密度地震技术,研发了适用的独具特色的单点高密度地震采集技术、宽频全方位处理技术和五维数据解释理论与方法,找到了一条适用于东部老区油气勘探开发的高密度地震技术路线,形成了可复制的单点高密度地震技术。自2015年以来,胜利油田东部老区实施了16块单点高密度三维地震,满次面积3699km2。近3年新发现圈闭625个,三级储量2.21×108t,部署井位279口,桩海斜25、丰深斜11等井获得高产,探井成功率由44.6%提高到62.5%。支撑新建产能42.1×104t。单点高密度地震技术成为复杂隐蔽油气藏勘探的核心技术,大量的实践表明该技术是解决成熟探区高效勘探、效益开发的利器,取得了显著的经济和社会效益,其推广应用前景广阔,下一步通过开展全节点高密度地震、压缩感知、“人工智能+地震”的相关研究,相信单点高密度地震技术将在新老探区勘探开发中发挥更大的技术支撑作用。

Wang

Y G

, Shan

X M

, Rui

Y J

Progress, practice,and prospect of single-sensor high-density seismic technology

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2022, 61(4):571-590.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2022.03.001 [本文引用: 1]

[30]

印兴耀, 马正乾, 宗兆云,

等.

地震岩石物理驱动的裂缝预测技术研究现状与进展(Ⅱ) ——五维地震裂缝预测技术

[J]. 石油物探, 2022, 61(3):373-391.

裂缝密度、发育方位和充填物类型等裂缝参数的预测在很多工程领域起到非常重要的作用。在油气勘探方面,裂缝参数预测方法众多,其中基于纵波属性随入射角和方位角变化(五维地震)的裂缝预测技术具有预测范围广、分辨率高等优势,近年来受到越来越多的关注。在第一部分(Ⅰ)综述了裂缝储层等效各向异性岩石物理理论研究现状与进展的基础上,第二部分(Ⅱ)从椭圆拟合分析和基于等效各向异性岩石物理理论的裂缝参数预测两个方面,综述了具有不同复杂程度的裂缝储层五维地震预测方法研究现状。第一个方面概要介绍了AVO梯度椭圆拟合和杨氏模量椭圆拟合两种方法,AVO梯度椭圆拟合较杨氏模量椭圆拟合操作更简单,但杨氏模量椭圆拟合较AVO梯度椭圆拟合预测结果更稳定。第二个方面根据采用的岩石物理理论差异,从三个角度分别总结了当前国内外裂缝密度、裂缝方位和流体分布的五维地震预测技术研究现状。在此基础上,给出西南某页岩气工区裂缝参数预测实例。随着勘探目标预测难度的不断增大,未来应关注更稳定的模型参数化、正演算子和反演算法构建方法及复杂地层中模型参数的解耦策略研究,以提高裂缝参数预测精度,同时强各向异性介质反演理论也是未来的探索方向。

Yin

X Y

, Ma

Z Q

, Zong

Z Y

et al.

Review of fracture prediction driven by the seismic rock physics theory (Ⅱ):Fracture prediction from five-dimensional seismic data

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2022, 61(3):373-391.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2022.01.001 [本文引用: 1]

[31]

郭旭升, 刘金连, 杨江峰,

等.

中国石化地球物理勘探实践与展望

[J]. 石油物探, 2022, 61(1):1-14.

中国石化资源禀赋相对较差,围绕东部老区小规模隐蔽圈闭精细描述难、西部深层超深层碳酸盐岩孔缝洞储层成像刻画精度低、非常规领域一体化程度不高等重点领域的油气勘探开发难题,形成了单点高密度地震采集、以叠前逆时偏移成像(RTM)为核心的高精度成像、地震多属性分析以及叠前叠后储层反演等技术系列,有效提高了地震资料品质,助力稳油增气降本。东部老区主要目的层沙三段优势频带扩宽了20Hz以上,有效提高了隐蔽圈闭识别精度;四川盆地超深层生物礁储层预测结果与实钻吻合率达到93%;塔里木盆地顺北超深层断控储集体实现了量化描述,有效支撑了SHB4X、SHB8X等日产千吨井的部署;初步形成非常规领域地质物探工程一体化技术,中国石化率先探明了国内首个千亿方常压页岩气田。在取得勘探新成果的同时,中国石化地球物理勘探当前还面临着物探技术对勘探领域拓展和勘探部署支撑的力度不够;物探精度尚不能满足复杂地质目标识别的要求;装备软件“卡脖子”问题依然存在;技术集成和攻关合力不够等4个方面的挑战。展望未来,针对中国石化东部断陷盆地、深层超深层海相碳酸盐岩、中西部致密碎屑岩、山前带、非常规、海域、火成岩七大重点领域的油气勘探开发难题及物探技术需求,需要提升完善6项核心技术,支撑当前勘探开发;攻关研究5项关键技术,突破技术发展瓶颈;探索储备2项前沿技术,引领未来技术发展。

Guo

X S

, Liu

J L

, Yang

J F

et al.

Geophysical exploration practices and perspectives at Sinopec

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2022, 61(1):1-14.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2022.01.001 [本文引用: 1]

Sinopec's resource endowment is relatively poor.Various technologies have recently been proposed to improve the quality of seismic data,thereby addressing oil and gas exploration and exploitation issues in key fields,such as the challenging fine description of small-scale subtle traps in the eastern old oilfields,low imaging accuracy of deep and ultra-deep carbonate porous-fractured and cavernous reservoirs in the western oilfields,and low degree of integration in unconventional fields.These technologies include the single-sensor-based high-density seismic acquisition,high-precision imaging of prestack reverse time migration imaging,multi-attribute analysis,and prestack and poststack reservoir inversion.The dominant frequency band of the third member of the Shahejie Formation,that is,the main target layer in the old exploration area of the eastern oilfields,could be widened by more than 20Hz,leading to a significant improvement in the identification accuracy of subtle traps.Thus,the coincidence rate between predictions and drilling results for ultra-deep reef reservoirs in the Sichuan Basin reached 93%.The ultra-deep fault-controlled reservoirs in the Shunbei Tarim Basin were quantitatively analyzed,supporting the deployment of 1000 ton/day wells such as SHB4X and SHB8X.A technology integrating geological,geophysical,and engineering exploration methods for unconventional fields was established at Sinopec.Thus,Sinopec took the lead in exploring the first 1011 m3 of normal-pressure shale gas fields in China.Despite the exploration achievements,geophysical exploration activities at Sinopec are still facing four challenges:Ⅰ) technical support for expanding the exploration areas and subsequent well deployment are insufficient;Ⅱ) accuracy of current technologies is insufficient for identifying complex geological targets;Ⅲ) equipments and softwares are strangling the development;Ⅳ) integration among technologies is insufficient.Considering the aforementioned issues that condition the activities in seven key areas (namely the eastern rift basin,deep-ultra deep marine carbonate rock formations,dense clastic rock formations in central and western China,the piedmont belt,unconventional resources,the maritime space,and igneous rock formations),six core technologies should be improved in the future to support the exploration and exploitation;five key technologies should be studied to overcome the bottleneck in technological development;and two cutting-edge technologies should be developed to lead the future technological development.

[32]

曲寿利.

面向深层复杂地质体油气勘探的地震一体化技术

[J]. 石油物探, 2021, 60(6):879-892.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2021.06.002 [本文引用: 1]

中国深层油气资源潜力巨大,是未来油气勘探开发的现实领域。塔里木、四川和鄂尔多斯等盆地的海相深层碳酸盐岩是最重要的油气突破领域。以岩溶缝洞型、礁滩孔隙型、白云岩孔隙型和裂缝型为典型的4类特殊储层,具有构造圈闭复杂、储层多样、地表复杂、地下埋藏深、温压高、构造复杂和勘探目标尺度小、非均质性等特点,这导致了地震波场复杂、地震信号弱、信噪比低、分辨率低及地震各向异性强等诸多地球物理难题,极大地增加了此类油气藏勘探高精度地震成像与储层预测的难度。常规物探技术,即单一的采集或处理解释技术,即便是先进的技术但由于缺乏系统的配套措施,也难以有效解决问题。因此,面对此类深层复杂构造地质体的勘探,必须采用地震采集、处理、解释一体化的思路系统性地开展综合研究,从复杂地表、复杂地质条件下的高质量地震采集入手,采用以深度域RTM成像为核心的地震成像处理,综合利用叠前、叠后地震属性开展沉积相带、储层与流体预测研究,精细刻画多尺度储集体,才能有效解决复杂地质体描述与目标落实问题。为此重点介绍面向深层复杂地质体,以叠前RTM深度成像和叠前反演为核心的地震一体化新技术,主要包括“小宽高”高密度地震采集技术,“小平滑面”速度建模与叠前深度成像技术以及“五维数据”叠前方位各向异性裂缝检测、叠前反演等关键技术;展示了一些成功的应用案例,验证了地震一体化技术的有效性。在实际应用中,围绕地震一体化技术开展工作,必须根据地质模型进行正演模拟和岩石物理分析,通过模型试验、野外现场试验科学优选适合的方法和参数,以达到方法技术应用效果和效益的平衡。

S L

An integrated seismic technology for oil and gas exploration in a deep complex geological body

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2021, 60(6):879-892.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2021.06.002 [本文引用: 1]

<div style="line-height: 150%"> China's deep oil and gas resources have high potential and will be the target of oil and gas exploration and development in the future.Among them,the marine deep carbonate rocks in the Tarim,Sichuan,and Ordos basins are the most important oil and gas exploration targets.The four types of special reservoirs,namely karst fracture-caves,reef-bank pores,dolomite pores,and fractures,generally exhibit the following characteristics:complex structural traps,reservoir diversity,complex surfaces,large burial depths,high temperature and pressure,complex structures,small scale,and heterogeneous exploration targets.Consequently,during seismic exploration,complex seismic wavefields are obtained,with weak seismic signals and low signal-to-noise ratio and resolution.This makes high-precision seismic imaging and reservoir prediction difficult.Conventional geophysical exploration techniques,that rely on a single acquisition or processing interpretation technique,can hardly be carried out effectively.Therefore,seismic acquisition,processing,and interpretation need to be integrated.After high-quality seismic acquisition under complex surface and geological conditions,seismic imaging processing based on depth-domain RTM imaging was performed,and prestack and poststack seismic attributes were jointly utilized to research the sedimentary facies zones,perform reservoir and fluid prediction,and carry out a fine delineation of multi-scale reservoirs.This way,the description of complex geologic bodies and detection of targets could be achieved.In this study,we focused on an integrated seismic technology relying on prestack RTM imaging in the depth domain and seismic prestack inversion as the core,including seismic acquisition with “small trace distance,small bin,wide azimuth,wide band,high coverage,high shot and trace density”,velocity modeling and prestack depth imaging with a “small smooth surface”,and prestack azimuthal anisotropy fracture detection using five-dimensional data and pre-stack inversion.Results of an application using real data confirmed the effectiveness of the proposed technology.A forward simulation and a rock physical analysis were implemented based on a geological model,and suitable methods and parameters were optimized through model and field tests to achieve a balance between the application and production benefits.</div>

[33]

赵邦六, 董世泰, 曾忠,

等.

中国石油 “十三五” 物探技术进展及 “十四五” 发展方向思考

[J]. 中国石油勘探, 2021, 26(1):108-120.

DOI:10.3969/j.issn.1672-7703.2021.01.009 [本文引用: 1]

“十三五”期间，中国石油天然气股份有限公司（简称中国石油）根据日益复杂的油气勘探开发对象，分盆地、分领域制定物探技术政策，强化地震采集源头设计，严格过程管控，确保部署成效；开展老资料精细处理解释，挖掘资料潜力，瞄准生产瓶颈难题，强化科研攻关，提高解疑能力；强化分盆地、分领域技术研讨交流，加强物探地质复合型人才培养，提升人才素质和技术应用水平；强化基础工作，实施精益管理，促进有序稳健发展；发展完善了 6 类物探技术系列，形成19 项关键技术，有力支撑了中国石油原油产量稳中有升、天然气业务快速发展。“十四五” 油气勘探开发重心不断向深层—超深层、页岩油气，以及强复杂地表更复杂领域转移，提高难动用储量开发成效、提高老油气田采收率也面临技术挑战。为了满足新形势下油气勘探开发需求，针对八大重点领域，中国石油将按照集成推广、科研攻关、试验探索3 个层次，发展高效、低成本、高精度物探技术，重点发展智能物探、深层地球物理勘探、油藏地球物理、井中地震等全新一代物探技术。

Zhao

B L

, Dong

S T

, Zeng

et al.

Geophysical prospecting technology progress of PetroChina in the 13^rd Five-Year Plan period and development direction consideration in the 14^th Five-Year Plan period

[J]. China Petroleum Exploration, 2021, 26(1):108-120.

[34]

曲寿利.

物探新技术是降低油气勘探开发成本的重要利器

[J]. 石油物探, 2019, 58(6):783-790.

S L

New geophysical exploration technology:An important tool to reduce the cost of oil and gas exploration and development

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2019, 58(6):783-790.