地震属性与地质力学联合的裂缝建模技术及裂缝有效性分析——以四川盆地涪陵地区侏罗系页岩为例

doi:10.11720/wtyht.2025.0051

地震属性与地质力学联合的裂缝建模技术及裂缝有效性分析——以四川盆地涪陵地区侏罗系页岩为例

周江辉^,¹, 刘晓晶¹, 熊晨皓¹, 胡鑫¹, 吴益名²

1.中国石油化工股份有限公司勘探分公司, 四川成都 610041

2.中国石化西南石油局采气二厂, 四川阆中 637400

Seismic attribute-geomechanics integrated fracture modeling technology and fracture effectiveness analysis: A case study of the Jurassic shales in the Fuling area, Sichuan Basin

ZHOU Jiang-Hui^,¹, LIU Xiao-Jing¹, XIONG Chen-Hao¹, HU Xin¹, WU Yi-Ming²

1. Exploration Company, SINOPEC, Chengdu 610041, China

2. No. 2 Gas Production Plant, Southwest Petroleum Bureau, SINOPEC, Langzhong 637400, China

第一作者: 周江辉(1998-),男,硕士,工程师,主要从事页岩油气地震资料解释与储层预测工作。Email:zhoujh.ktnf@sinopec.com

收稿日期: 2025-03-6 修回日期: 2025-07-30

基金资助:

国家科技重大专项“侏罗系致密油-页岩油富集规律及增储区带评选”(2025ZD1400405)
中国石化股份公司“四川盆地及周缘资源评价”(P23221)

Received: 2025-03-6 Revised: 2025-07-30

摘要

断裂分布影响页岩气水平井的轨迹设计和压裂人工裂缝的改造效果。断层和节理是断裂的两种类型,通过地震属性实现断层建模,利用地质力学构造恢复和摩尔库伦理论实现节理缝预测;离散网格裂缝(DFN)在建模时融合断层建模和节理缝建模结果,实现天然构造裂缝的空间刻画。将该方法应用到四川盆地涪陵地区侏罗系陆相页岩勘探中,裂缝模型与成像测井解释结果一致,明确了裂缝发育区和裂缝空间的展布规律;通过典型井裂缝建模与压裂效果对比进行压裂改造有效性评价,提出拉张性质的垂直或斜交井轨迹方向的裂缝更有易于压裂改造。此项成果对勘探阶段预测裂缝发育区和指导水平井轨迹设计有积极意义,能为下一步勘探部署提供指导。

关键词： 断裂建模; 地震属性; 页岩储层; DFN裂缝建模

Abstract

The distribution of fractures influences the trajectory design of shale gas horizontal wells and the stimulation effectiveness of hydraulic fractures. Faults and joints serve as two types of fractures. Accordingly, this study proposed the seismic attribute-geomechanics integrated fracture modeling technology. Specifically, fault modeling is conducted using seismic attributes, and joint prediction is performed using geomechanical structural restoration and Mohr-Coulomb theory. The obtained results of faults and joints are then integrated into the discrete fracture network (DFN) modeling for spatial characterization of natural tectonic fractures. The proposed technology was applied to the exploration of Jurassic lacustrine shales in the Fuling area within the Sichuan Basin. Its fracture modeling results were consistent with the imaging log interpretation results, confirming the development zones and spatial distribution patterns of fractures. Moreover, the stimulation effectiveness of fracturing was evaluated by comparing the fracture modeling results of typical wells with the actual fracturing performance. The evaluation results indicate that tensile fractures that are vertical or oblique to well trajectories are favorable for fracturing. Overall, the results of this study hold positive implications for predicting fracture development zones and guiding horizontal well trajectory design in the exploration stage, serving as a reference for subsequent exploration deployment.

Keywords： fracture modeling; seismic attribute; Mohr-Coulomb failure criterion; discrete fracture network (DFN) modeling

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本文引用格式

周江辉, 刘晓晶, 熊晨皓, 胡鑫, 吴益名. 地震属性与地质力学联合的裂缝建模技术及裂缝有效性分析——以四川盆地涪陵地区侏罗系页岩为例[J]. 物探与化探, 2025, 49(6): 1271-1280 doi:10.11720/wtyht.2025.0051

ZHOU Jiang-Hui, LIU Xiao-Jing, XIONG Chen-Hao, HU Xin, WU Yi-Ming. Seismic attribute-geomechanics integrated fracture modeling technology and fracture effectiveness analysis: A case study of the Jurassic shales in the Fuling area, Sichuan Basin[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(6): 1271-1280 doi:10.11720/wtyht.2025.0051

0 引言

全球油气产量的一半以上来自裂缝性油气藏^[1],裂缝在碳酸盐岩^[2-3]和砂岩^[4-5]储层中起着重要作用,但在页岩储层中,裂缝并非主要因素,而是通过增加储集空间、改善渗流通道以及促进压裂^[6]等方式发挥积极作用。2024年,中石化在四川盆地涪陵地区的兴页9井和綦江地区的丁页11井分别试获高产油气,取得陆相页岩油和盆缘常压页岩气的重大突破,这两口井的导眼井成像测井显示目的层裂缝发育,且压裂监测表明与天然裂缝密切相关。然而,对裂缝如何影响压裂效果、如何描述井周裂缝的空间分布以及如何评价裂缝的有效性等问题仍需深入研究。

断裂是断层和裂缝的统称。目前,断层的预测和空间描述主要依赖于地震资料和地震属性^[7-8],而常规裂缝建模则主要基于地震属性进行空间断裂预测和小尺度裂缝的随机模拟,未能充分考虑地层受力变形和岩石力学性质对裂缝生成的影响。地质力学裂缝建模主要描述地层因受力形变产生的裂缝^[9-10],对应力释放后的断层却考虑不足。为了解决这些问题,本文结合断层建模与节理缝建模,提出了地震属性与地质力学联合的离散网格裂缝建模方法。该方法不仅保留了地震属性断层预测的合理性,还考虑了岩石力学参数,从岩石受力和剪切破坏的角度对微裂缝进行建模,避免了小尺度随机裂缝模拟的不确定性,较好地展现了构造和岩性对裂缝发育的影响。建模结果与实际成像测井具有较好的一致性,对勘探阶段预测裂缝发育区、优选水平井轨迹以及压裂施工设计具有重要指导意义。

1 　地震属性与地质力学联合的“断层+节理缝”建模技术方法

1.1 地震属性断层建模技术

地震属性断层预测方法多种多样,主要是利用地震资料的波形差异或方位各向异性来检测断裂、溶洞及储层非均质性特征^[2-5,11-12],分辨率较高,但预测精度受地震资料品质和属性计算方法的限制。在叠后属性裂缝预测中,常用的方法包括相干^[13]、曲率^[14]、蚂蚁体^[15]和断层似然体^[16]等,其中断层似然体属性的预测能力较强。断层似然体属性不仅考虑了波形相似度,还通过不同断层倾角和方位角的扫描步骤,细化算法以识别小尺度断层。

本次研究建立了多种断距的断层模型(图1),并通过模型地震正演和属性分析验证了不同方法的识别能力。正演目的层页岩速度为4 000 m/s,正演子波频率为50 Hz。结果表明:常用的地震属性对断层分辨能力较好,在无噪声的情况下能分辨断距为λ/10(λ为波长)及以上的断层,其中断层似然体属性分辨率最高,能分辨断距为λ/12及以上的断层。然而,当断层较小时(如断距为λ/20),各种地震属性几乎难以分辨。因此,在裂缝建模过程中,可以利用构造解释及断层似然体属性建立断距为λ/12及以上的断层模型。

图1

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图1 不同断距不同褶皱程度的模型及正演结果属性分析

Fig.1 Forward modeling results with different fault displacements and folding degrees

1.2 地质力学裂缝建模技术

地层中的岩石裂缝是岩石应变的结果^[10]。根据库仑强度理论,岩石的最大承受的抗剪强度可以表示为

(1)${\sigma }_{r}=C+{\sigma }_{n}·tan\varphi$

式中:σ_n和σ_r分别为剪切面上的正应力与剪应力;C为粘聚力;ϕ代表摩擦角。任意剪切面上的法向应力σ_n_,_p和剪应力σ_τ_,_p可以通过应力莫尔圆方程得出。判断空间某一网格点是否发生剪切破坏,可以通过将该点的莫尔应力圆与抗剪强度线绘制在同一坐标系中进行比较^[17](图2),当应力莫尔圆与抗剪强度线相离,该点未发生剪切破坏;当两者相切,该点处于极限平衡状态;当两者相割,该点已发生剪切破坏并形成节理缝。对于同一地层和岩性的岩石,由于矿物组分和构造的差异,这些参数并非固定值^[18],而是一个范围。通过给定某一网格单元中这些参数的范围,可以计算岩石发生剪切破裂的概率。

图2

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图2 岩石破裂可能性预测原理

Fig.2 Principle diagram for predicting the possibility of rock fracture

通过岩石力学实验可以得到杨氏模量E、泊松比ν和摩擦角ϕ的大小和范围,再根据内摩擦角和内聚力即可确定库伦强度破坏线的范围。那么,还需要解决的就是应力莫尔圆范围的问题。应力张量由应变张量计算得出,应变张量通过构造恢复获得,利用地质时间域(UVT)坐标转换技术(图3)实现笛卡尔坐标系到地质时间域的转换,达到构造恢复的目的。

图3

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图3 UVT坐标转换原理示意(根据文献[8]修改)

Fig.3 Principle diagram of UVT coordinate conversion (modifird according to reference [8])

在构造恢复过程中,膨胀度D_i评价了网格单元从沉积初始空间到现今状态变形总和,定义为

(2)D_i=(V-V₀)/V₀;

式中:V和V₀分别代表现今网格单元的体积与沉积时该网格单元的体积。负的膨胀度表明构造主要经历挤压导致网格单元体积减小,正的膨胀度则表明网格单元主要经历拉张。通过构造恢复得到主应变方向和应变特征值(即应变张量)后,依据广义胡克定律,可以从应变张量得到应力张量,进而通过岩石破裂理论(图2)判断裂缝概率。在离散网格裂缝建模过程中,将裂缝概率体定义为裂缝密度,即可进行地质力学裂缝建模。

对图1的模型沿垂直方向延伸后得到一个三维理论模型,该模型的地层褶皱变形程度从左到右不断增强。利用该模型开展地质力学裂缝建模正演分析(图4)。图4为理论正演模型的膨胀度属性,红色部分主要经历拉张变形,蓝色部分主要经历挤压变形;图4b为理论模型的地质力学裂缝建模正演结果,展示了褶皱变形逐渐增强、裂缝逐渐发育的规律;图4c展示了理论模型受构造变形后的裂缝分布。

图4

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图4 不同褶皱程度的模型地质力学建模正演结果

Fig.4 Forward model with different degrees of folding and geomechanical fracture modeling result

地质力学裂缝建模能很好地描述从沉积初始状态到现今构造过程中地层因褶皱变形而产生的裂缝分布形态。这类裂缝断距很小,通常不会导致地层错断,与节理缝的定义一致,可分为拉张性质的张节理和挤压性质导致岩石剪切破坏的剪节理(图4b)。值得注意的是,地质力学裂缝建模的裂缝分布具有一定随机性,受构造解释方案与精度、岩石力学性质、建模网格精度等多种因素的影响。

1.3 地震属性与地质力学联合裂缝建模与裂缝有效性分析思路

地质力学裂缝建模描述了从沉积初始状态到变形后褶皱区的裂缝分布,这与地震的断裂属性描述的断裂有明显区别。地质力学裂缝建模结果描述的裂缝地层没有明显的地层错断变形,往往断距较小,通常也称之为节理缝,值得指出的是,这类节理裂缝中的张节理可能对压裂过程起积极作用。叠后地震属性描述的断裂存在地层的错断,往往断距达到λ/12及以上才能识别。以上两类裂缝均是地层受力变形的结果,对钻井和压裂均会造成影响,将这两类裂缝用DFN离散裂缝网格技术进行融合表征,以求描述整个空间的裂缝特征。图5为前文所述理论模型通过地震属性与地质力学联合裂缝建模的结果,建模结果既体现了由于地层错断变形的断层,又体现了地层因褶皱变形产生的节理缝。

图5

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图5 理论模型的裂缝建模结果

Fig.5 Fracture modeling result of the the oretical model

将地震属性与地质力学联合的裂缝建模技术应用到四川盆地涪陵地区侏罗系陆相页岩,建立了具有断层和节理缝的裂缝模型,结合后验水平井压裂测试数据,分析天然裂缝对压裂的影响,联合的裂缝建模技术与分析思路如图6。

图6

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图6 联合裂缝建模与分析思路

Fig.6 Analysis approach of fracture based on seismic attributes and geomechanics fracture modeling

2 应用效果及裂缝有效性分析

2.1 自流井组东岳庙段与凉高山组页岩裂缝发育差异

川东涪陵地区凉高山组与自流井组东岳庙段均为侏罗系,各发育一套湖相页岩,其构造背景和构造运动基本一致,构造运动都经历了燕山运动与喜马拉雅运动,两者地层构造变形基本一致,从地震属性看,两者裂缝发育基本一致(图7)。地震似然体属性解释认为,东岳庙段页岩裂缝与凉高山二段页岩裂缝基本一致,而从成像测井解释结果看(图7b),凉高山组裂缝明显比东岳庙段更发育,且多口实钻井成像测井均有这种规律;所以地震属性与实际钻井结果是矛盾的。地震属性主要检测大尺度和小尺度断层,对成像测井级别的微尺度裂缝表征能力弱^[8,19-20],裂缝预测需要考虑构造、应力应变及岩性变化,以提高预测精度。

图7

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图7 凉高山组与东岳庙段地震属性与成像测井图像

Fig.7 Seismic attributes and imaging logging maps of Lianggaoshan Formation and Dongyue Temple section

现有的地震裂缝预测技术对岩石的力学性质几乎没有考虑。通过取心和岩石力学实验发现,凉高山组二段比东岳庙段具有更高含量的硅质矿物(图8),脆性指数高,在相同构造运动下凉高山组更易产生裂缝。矿物成份的差异往往导致岩石力学性质的差异,凉高山组与东岳庙段内摩擦角ϕ相当、东岳庙段粘聚力C更高(图8b),东岳庙段杨氏模量E和泊松比ν比凉高山组更低(图8c);因此,在受同等正应力σ_n的情况下,东岳庙段抗剪强度σ_τ更高,抗剪强度线更偏上,而在相同应变量情况下计算得到的凉高山组应力莫尔圆更大(图8d),即通过图8d判断,在相同应变张量下,凉高山组页岩更易发生剪切破裂形成裂缝。所以,可以从地质力学的角度,结合岩石破裂理论预测裂缝概率分布。从地质力学裂缝建模的结果来看,凉高山组的裂缝概率更高(图8e),裂缝更发育,而东岳庙段裂缝概率相对更低(图8f),这与实际成像测井结果(图7b)是相符的。

图8

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图8 凉高山组与东岳庙段地质力学裂缝预测

Fig.8 Geomechanical fractures in the Lianggaoshan Formation and Dongyue Temple section

2.2 涪陵地区侏罗系凉高山组裂缝分布规律

分析涪陵地区构造与重点井成像测井结果并对比裂缝建模结果,发现裂缝在不同构造部位的发育情况存在明显差异。川东弧形高陡构造带涪陵地区的复向斜构造主要受两期构造作用的影响:晚燕山期NW向江南雪峰山推覆作用和晚燕山—早喜马拉雅期NE向大巴山推覆作用,主要发育NE—SW和NW—SE走向的两类断裂。重点井成像测井结果显示,拔山寺南向斜比拔山寺北向斜裂缝发育,向斜翼部比向斜核部更发育。裂缝建模结果(图9)表明,裂缝模型不仅体现了NE—SW走向的裂缝,还体现了NW—SE走向的裂缝,且拔山寺南向斜比北向斜裂缝更发育、向斜翼部比核部裂缝更发育;这些裂缝发育规律都与重点探井的裂缝解释结果一致(图9b)。

图9

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图9 涪陵地区凉高山组裂缝建模结果与部分井FMI成像测井对比

Fig.9 Comparison between fracture modeling results of Lianggaoshan Formation in Fuxing Region and FMI imaging logging of typical wells

涪陵地区裂缝建模实钻井符合率达93%。其中,位于南向斜南部的xy6井预测凉高山组NE—SW向裂缝较发育,而实际成像测井解释裂缝呈近SN向,与预测结果不符,可能是由于在建模过程中苟家场背斜与大池干背斜建模不全、构造模型边界考虑不足导致。

2.3 天然裂缝对水平井压裂储层改造的影响

天然裂缝对于压裂有重要积极作用,但天然裂缝有效性以及对压裂的影响机制并不明确。微地震监测技术是评估水平井储层压裂改造体积和评价压裂效果的主要手段^[21]。在对典型井成像测井分析的基础上,通过对单井的井周裂缝建模结果分析,结合微地震事件解释结果,探讨了几口典型页岩水平井天然裂缝对压裂储层改造的特征。

2.3.1 天然裂缝发育,微地震事件多及振幅能量强,压裂效果较好

当天然裂缝发育时,压裂过程中微地震事件数量多,强振幅能量事件多。ty1井井周裂缝发育(图10),以其中的ty1-5HF井为例,在施工参数相当的情况下,裂缝发育段微地震事件多。其第32压裂段处裂缝发育区的微地震事件多达427个,且强振幅能量事件较多,该段压裂改造裂缝长宽高分别为234 m、113 m、33 m;而第3压裂段处在微裂缝不发育区,只有11个微地震事件点,该段压裂改造裂缝长宽高分别为147 m、32 m、23 m。第3段明显压裂改造体积低于第32段。

图10

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图10 典型井裂缝建模与微地震对比

Fig.10 Typical well fracture modeling and microseismic comparison diagram

当天然裂缝不发育时,微地震事件数量少、能量弱,微地震强能量事件少,微地震事件在空间中均匀且呈矩形分布,离井筒远端微地震事件数量少。xy3LHF井井周裂缝不发育(图10b),在该井压裂过程中,共监测到微地震事件887个,其中压裂过程中微地震事件820个,停泵后事件数67个,平均每段微地震事件只有37个。而在ty1-5HF井压裂过程中,共监测到微地震事件4 005个,停泵后事件数129个,平均每段115个微地震事件。xy3LHF井微地震事件数量明显少于ty1-5HF井。

图11直观展示了天然裂缝发育段的微地震事件数量明显比天然裂缝不发育段的裂缝数量更多。

图11

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图11 压裂段与微地震事件数量柱状图

Fig.11 Bar chart of stages and microseismic events

2.3.2 压裂沟通断层,微地震事件会集中在断裂区,储层改造效果受断裂控制

在压裂过程中,井周如果存在断层,压裂可能会沟通断层,井周裂缝发育情况影响是否沟通断层,断层性质及含流体情况也会影响压裂改造效果。以dy11井与qys1井为例。

dy11井筒东侧存在一条近乎平行于井轨迹的断层(图12),且东侧垂直于井轨迹和斜交井轨迹方向的节理缝发育,节理缝与断层相连,在压裂过程中存在压裂改造不均衡的问题。微地震事件点主要分布在井筒东侧,压裂过程中共监测到微地震事件7 872个,其中有6 931个分布在井轨迹东侧,且强振幅事件数量多集中在东侧裂缝和断层区域,说明压裂沟通了右侧的断层,获日产气20.43万m³。

图12

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图12 压裂沟通断层型典型页岩气水平井裂缝建模与微地震叠合图

Fig.12 Typical horizontal shale gas well fracture modeling and microseismic superposition diagram of fracturing communication fault type

qys1井前8段西侧垂直和斜交井轨迹方向的节理缝发育且与西侧近平行于井轨迹方向的断裂带相接(图12b)。在压裂过程中,该井前8段微地震事件及强振幅事件主要集中在西侧,且西侧微地震偏离井轨迹较远,有可能沟通了西侧大断裂,所以导致该井出现返液量大、压力下降慢、产气量不稳定等特点。用8 mm油嘴放喷,日产液600~800 m³,日产液波动幅度3~10 m³;井口压力下降慢,日下降0.2~0.4 MPa;产气量不稳定且整体产气量小。

有学者指出断层的存在也有可能导致压裂效果不好,储层改造不充分^[22]。通过dy11井与qys1井实钻井的压裂情况对比,表明断层的存在确实会导致断层处微地震事件集中,压裂改造不均匀。但沟通断层后断层内含流体性质会直接影响压裂改造效果,在后续井位部署与论证研究中应加强对断层性质及含流体情况的研究。

2.4 拉张性质的垂直或斜交井轨迹方向的裂缝为易于改造的“有效裂缝”

有研究指出,不同走向的裂缝分别对压裂起到促进、阻挡和转向的作用^[23]。在对典型井FMI成像测井解释结果分析的基础上,通过对多口井井周裂缝建模与微地震事件解释结果对比分析,认为垂直和斜交井筒方向的裂缝为易于改造的“有效裂缝”,相比于平行井轨迹的裂缝,垂直井筒方向的裂缝对压裂更有利。从井周断裂发育的裂缝建模结果(图12)可以看出:dy11井东侧主要为垂直井轨迹方向的裂缝,qys1井前8段西侧存在垂直井轨迹方向的裂缝,这类裂缝对沟通断层起到了重要作用。

如果井周断层不发育,只有节理缝对压裂造成影响,也存在垂直或斜交井轨迹方向的裂缝更易于改造的规律。图13显示xy8井井筒两侧垂直和平行井轨迹方向的裂缝都发育,其中垂直井轨迹方向的裂缝微地震事件更多,该井产量较低,日产油10.40 m³/d、气0.176 9万m³/d。xy9井网状缝发育(图13b),以垂直和斜交井轨迹方向的裂缝为主,产量高,日产油108.15 m³/d、气1.58万m³/d。分析认为:xy8井主要处于挤压环境,而xy9井处于拉张环境(图13c);挤压背景下,压裂液更容易注入到垂直井轨迹方向的裂缝中,压裂时微地震事件偏向垂直井轨迹方向的裂缝,拉张背景下,压裂改造每段更均匀,储层改造效果更好。

图13

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图13 井周无断层典型井裂缝建模与微地震叠合结果

Fig.13 Typical well fracture modeling and microseismic superposition diagram without faults around the well

3 结论

1)阐述了地质力学与地震属性两种方法裂缝识别的差异,形成了基于地震属性与地质力学联合的裂缝建模技术,裂缝建模预测结果与涪陵地区实钻井符合率达93%。

2)天然裂缝对水平井压裂储层改造有积极影响,裂缝发育区微地震事件数量多、能量强;压裂沟通断层,储层改造效果受断裂控制;提出拉张性质的垂直或斜交井轨迹方向的裂缝为易于改造的“有效裂缝”。

致谢

感谢Aspen软件公司提供的软件支持。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

关宝文, 郭建明, 杨燕, 等.

油气储层裂缝预测方法及发展趋势

[J]. 特种油气藏, 2014, 21(1):12-17,151.