天然气地球科学 >

2024 , Vol. 35 >Issue 11: 2040 - 2052

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.015

天然气勘探

四川盆地泸州北区五峰组—龙马溪组深层页岩气储层地应力地震预测技术

  • 石学文 , 1 ,
  • 王畅 1 ,
  • 张洞君 1 ,
  • 杜炳毅 , 2 ,
  • 高建虎 2 ,
  • 董雪华 2 ,
  • 吴涛 1 ,
  • 张建新 2
展开
  • 1. 中国石油西南油气田分公司页岩气研究院，四川 成都 610056
  • 2. 中国石油勘探开发研究院西北分院，甘肃 兰州 730020
杜炳毅（1985-），男，甘肃会宁人，博士，高级工程师，主要从事地震资料解释方法与非常规储层预测研究. E-mail：.

石学文（1982-），男，重庆人，硕士，高级工程师，主要从事页岩气勘探开发研究与管理工作.E-mail：.

收稿日期: 2023-12-25

  修回日期: 2024-04-15

  网络出版日期: 2024-09-13

收起

Stress seismic prediction technology of deep shale gas reservoir of Wufeng-Longmaxi formations in North Luzhou District， Sichuan Basin

  • Xuewen SHI , 1 ,
  • Chang WANG 1 ,
  • Dongjun ZHANG 1 ,
  • Bingyi DU , 2 ,
  • Jianhu GAO 2 ,
  • Xuehua DONG 2 ,
  • Tao WU 1 ,
  • Jianxin ZHANG 2
Expand
  • 1. Southwest Oil & Gasfield Company Shale Gas Institute，PetroChina，Chengdu 610056，China
  • 2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development Northwest，PetroChina，Lanzhou 730020，China

Received date: 2023-12-25

  Revised date: 2024-04-15

  Online published: 2024-09-13

Supported by

The Prospective and Elementary Project of PetroChina(2024DJ87)

the Science and Technology Project of PetroChina(KT2021-11-01)

Fold

摘要

四川盆地泸州北区深层页岩储层受多期构造运动的影响，构造条件复杂、地应力变化快的特征，导致其预测难度大。鉴于此，针对性地提出了一种基于叠前各向异性反演的地应力地震预测技术，在贝叶斯理论框架下，利用各向异性AVA（Amplitude Versus Angle，振幅随入射角变化）方程构建叠前AVAZ（Amplitude Versus Azimuth，振幅随方位角变化）反演方法，从叠前偏移距矢量片（Offset Vector Tile， OVT）道集出发，反演获得页岩储层的弹性参数与各向异性参数；同时，推导了基于裂缝密度和泊松比表示的水平应力差异比（Differential Horizontal Stress Ratio， DHSR）计算公式，用于估算储层的DHSR。利用该方法对四川盆地泸州北区五峰组—龙一1亚段深层页岩气开展DHSR预测，并划定了页岩气勘探开发的有利区，为研究区的评价部署、井轨迹设计及储层改造等提供可靠的地球物理依据。

关键词： 四川盆地; 泸州北区; 页岩储层; 各向异性; 叠前反演; 地应力

本文引用格式

石学文 , 王畅 , 张洞君 , 杜炳毅 , 高建虎 , 董雪华 , 吴涛 , 张建新 . 四川盆地泸州北区五峰组—龙马溪组深层页岩气储层地应力地震预测技术[J]. 天然气地球科学, 2024 , 35(11) : 2040 -2052 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.015

Abstract

The deep shale gas reservoirs in the north Luzhou District of the Sichuan Basin are affected by multiple phases of tectonic movements， and are characterized by complex tectonic conditions， rapid changes in in-situ stress， which leading to the difficulties of in-situ stress prediction. A specific in-situ stress seismic approach based on pre-stack azimuthal anisotropic inversion is proposed. Pre-stack AVAZ inversion approach applied azimuthal anisotropy AVA equation under Bayes theory framework. The elastic and anisotropic parameters of the shale gas reservoir are inverted from pre-stack Offset Vector Tile （OVT） gather. Meanwhile， a formula Differential Horizontal Stress Ratio （DHSR） based on the fracture density and Poisson's ratio representation is derived， which is utilized to estimate the DHSR of shale gas reservoir. Wufeng Formation-Long 1 submember and favorable areas for shale gas exploration and development were delineated. This provides reliable geophysical evidence for reserve evaluation， well trajectory design， and reservoir stimulation in the study area. Using this method， deep shale gas in the Wufeng Formation–Long11 subsection of the northern Luzhou area in the Sichuan Basin was predicted by DHSR， and favorable areas for shale gas exploration and development were delineated. This provides a reliable geophysical basis for the reservoir evaluation， well trajectories designment， and reservoir modification.

Key words： Sichuan Basin; North Luzhou District; Shale gas reservoir; Anisotropy; Pre-stack inversion; In-situ stress

0 引言

地应力是油气勘探开发领域中重要的评价参数，对储气库断层封闭性研究、井漏风险评估、套管损失的预测具有重要的指导意义［1］。林海宇等［2］对比了黄氏（或组合弹簧）地应力计算模型与横向各向同性地应力计算模型的精度，认为横向各向同性模型具有更高的精度，使用该模型计算了新疆MH凹陷F组陆相页岩油储层的地应力测井剖面，为压裂层段优选及安全钻井提供了重要依据。邹贤军等［3］综合运用测井、岩心及压裂施工等数据建立页岩储层横向各向同性测井预测模型，运用回归拟合的方法求取页岩储层的刚度系数，计算储层的杨氏模量及泊松比，评价涪陵地区龙马溪组页岩的地质力学特征。刘畅等［4］利用有限元模拟方法对沁水盆地南部地区的致密砂岩进行古构造应力场模拟，恢复了挤压应力环境下的古应力场，利用应力场模拟结果构建综合破裂率，进而评价裂缝的发育程度，实现复杂致密气储层的裂缝甜点预测。徐珂等［5］认为现今地应力对塔里木盆地库车凹陷的储层品质具有重要的影响，综合运用岩心测试数据和测井资料，建立了最大水平主应力、地层孔隙压力和单轴抗压强度表示的应力集中参数，进而评价储层的品质。
同时，地应力研究是页岩气规模效益开发中最重要的研究内容，对页岩气井位部署、水平井轨迹设计、压裂参数优化均能提供可靠的参数依据。齐晴［6］利用薄板理论计算页岩储层的应力参数，并通过区域应力分析压裂中诱导缝的发育情况和产量的特征，应力的方向和差异系数在水平井的设计中发挥了重要的作用。赵爽等［7］集合构造应力场和裂缝发育特征，运用物质点法的地应力差计算方法模拟丁山地区龙马溪组地应力差的分布情况，认为平行断裂走向且远离断裂的地方有利于储层的压裂改造。李林等［8］在各向异性理论的指导下，将扩展弹性阻抗扩展到横向各向同性（HTI）介质中，构建扩展方位弹性阻抗方程，运用正则化约束的贝叶斯方法实现裂缝参数及DHSR预测。赵小龙等［9］建立了VTI介质的裂缝弱度与杨氏模量、泊松比及水平主应力等岩石力学参数的表达关系，利用页岩实验数据进行数值模拟，认为水平应力值随着裂缝弱度的增加而减低。利用叠前地震反演获得的弹性参数，如λ、μ、ρ（λ、μ为拉梅系数，ρ为密度）、垂向和横向泊松比等可以很好地预测地应力相关的参数，如最大水平主应力、闭合应力梯度［10］。GRAY等［11］运用基于宽方位地震数据反演与岩石力学特征密切相关的杨氏模量和泊松比等参数，并求取最大水平主应力、最小水平主应力及水平应力差异比等地应力参数，定量判断储层的地应力特征。张广智等［12］分析了页岩储层的矿物、孔隙、流体及各向异性特征，建立了可靠的岩石物理模型，并开展横波速度预测，通过弹性刚度张量预测页岩储层的最小水平主应力。马妮等［13］提出了基于方位地震数据的地应力反演方法，推导了页岩正交各向异性的DHSR计算公式，利用反演的弹性参数和各向异性参数估计储层的正交各向异性水平应力差。DU等［14-15］推导了基于裂缝密度及泊松比表示水平应力差异比来评价储层的地应力特征，为有效反演裂缝密度和泊松比等参数，构建了由上述参数表示的纵波方位各向异性反射系数近似方程，有效评价了非均质储层的地应力特征，与研究区的产气量匹配程度较高。
四川盆地南部地区是国内目前最大的海相页岩气生产基地，具有丰富的页岩气资源，开发潜力巨大，截至2022年底，已经在奥陶系五峰组—志留系龙马溪组中深层（2 000~3 500 m）页岩气和深层（3 500~4 500 m）页岩气取得重要的勘探开发进展，中国石油在川南地区累计产气达到581×108 m3，是中国油气主要的上产领域［16-17］。泸州北部地区页岩气产能建设经工作于2020年启动，优选一期建产区面积为165 km2，五峰组—龙一1亚段I+II类储层地质储量为1 567.5×108 m3，已经完成产量测试水平井9口，单井平均测试产量为35.95×108 m3。虽然泸州北部深层页岩气储层勘探开发潜力巨大，但同时也面临着构造复杂、储层非均质性强、地球物理响应特征不明显等问题，现有地应力预测技术缺乏井间数据约束，在地应力变化较快的区域岩心实验数据及测井数据难以真实反映地应力场平面展布特征。笔者考虑地震资料横向分辨率优势，联合多学科方法研究，在叠前方位道集的基础上，运用基于叠前各向异性理论的地应力预测方法开展泸州北区深层页岩储层地应力地震预测，提高深层页岩储层地应力预测精度。

1 研究区地质概况

四川盆地南部地区（以下简称“川南地区”）五峰组—龙马溪组深水陆棚相广泛发育，富含有机质页岩厚度大、分布稳定。渝西区块南部—泸州区块位于川南沉积中心，地层埋深大，埋深3 500 m以浅的面积为1.7×104 km2，估算页岩气资源量为9.3×1012 m3；埋深为4 000~4 500 m的页岩气开发有利区面积为9 835 km2，资源量为5.4×1012 m3，占川南地区页岩气总量的近60%，资源潜力巨大。泸州北区位于川南地区的隆昌市、泸县境内（图1），隶属于川南低陡构造带与川西南低褶构造带交界处。
图1 川南地区五峰组底界埋深及研究区位置示意

Fig.1 The depth of the bottom boundary of Wufeng Formation and the location diagram of the research area in southern Sichuan

泸州北区构造总体北高南低，东西分带，由东至西存在多个洼—隆构造，隆起构造相对窄陡，为系列断背斜，负向构造为相对宽缓的向斜（图2）。地应力控制了构造变形和压裂中天然裂缝的产生情况，表1中可以看到最大水平主应力的平均大小为102.61 MPa，垂直主应力的平均大小为96.81 MPa，最小水平主应力的平均大小为87.17 MPa。最大水平主应力、最小水平主应力与垂直主应力之间的大小关系为：最大水平主应力>垂直主应力>最小水平主应力，当垂直主应力居中时，压裂产生的人工缝沿着垂直主应力的方向伸展，表明产生裂缝及裂缝扩展的程度比较低，水平应力差的分布范围在10~17 MPa之间，其平均值为13.73 MPa，水平应力差异比的分布范围为0.12~0.20。
图2 泸州北区垂直构造剖面(a)及五峰组底界构造图(b)

Fig.2 Vertical structural profile (a) and structural map (b) of the bottom boundary of Wufeng Formation in North Luzhou region表1 泸州北区五峰组—龙一1亚段实验室测量的地应力参数统计结果

Table 1 Statistical results of in-situ stress parameters measured by laboratory in Wufeng Formation-Long 11 submember,North Luzhou region
井号 垂向主应力/MPa 最大水平主应力/MPa 最小水平主应力/MPa 水平应力差/MPa 水平应力差异比
L03 101.30 109.60 93.60 16.00 0.15
L05 101.12 103.58 90.65 12.93 0.12
L07 89.80 94.50 83.60 10.90 0.12
L08 97.96 104.82 92.21 12.71 0.20
L09 93.86 100.53 84.40 16.13 0.16

2 泸州北区地应力地震预测方法

地应力的地震预测结果能够很好评价储层的地应力横向展布特征，本文以各向异性理论为基础，充分利用叠前矢量片（Offset Vector Tile，OVT）道集资料的方位角和入射角信息，开展基于贝叶斯理论的叠前地震弹性参数和各向异性参数反演，利用反演的弹性参数和各向异性参数预测估算研究区的地应力。地应力叠前地震预测技术包含3个方面的内容，即：叠前道集优化处理、基于方位各向异性的叠前AVAZ直接反演及DHSR定量估算。

2.1　叠前道集优化处理

道集优化之前，需要将偏移距道集转换为角度道集，常用的转换方式主要是直射线法。假设下行波和上行波的传播路径都是直线，入射角与炮检距的关系式可表示为：
s i n 2 θ = X 2 X 2 + ( V a v T 0 ) 2
式中： θ为入射角，º； V a v为平均速度，m/s； T 0为双程旅行时，ms；X偏移距，m。
叠前道集资料的品质对叠前地震反演的结果具有重要的影响，为了有效提高叠前地震反演的精度，需要开展叠前道集资料的优化处理。经过叠前时间偏移处理的叠前道集通常含有一定程度的随机噪音、存在一定的多次波干扰、资料分辨率较低、近远道的能量不匹配等问题。
为了获得更好的反演结果，需要对处理后的OVT道集开展优化处理，图3是泸州北区L07井的井旁原始叠前OVT道集，图中可以看到原始道集中还存在一定的随机噪音（图中蓝色箭头所示），对反演结果会有一定的影响；同时，原始道集存在近远道能量差异（图中红色箭头所示），其是由不同偏移距同相轴的时差差异造成的。
图3 泸州北区L07井井旁原始OVT道集

Fig.3 The original OVT track collection near Well L07， North Luzhou region

2.1.1　AVO剔除拟合能量补偿

AVO拟合振幅补偿方法，以弹性波动力学理论为基础，以保持叠前振幅随炮检距变化的关系为目标，通过Shuey近似方程对地震数据进行剔除拟合，获得较精确的真振幅有效信号，保持了叠前数据振幅随炮检距变化的关系，为叠前地震反演提供了数据基础。
AVO是一项利用振幅随炮检距变化特征分析和识别岩性及油气藏的地震勘探技术，为了进一步反映不同弹性参数与反射系数之间的内在关系，前人从不同的角度对Zoeppritz方程进行了详细的讨论和简化，提出了不同假设条件下的纵、横波反射振幅的近似表达式。各种近似方程具有统一性，即振幅随偏移距变化特征具有抛物线特征，如式（2）所示，
R ≈ a x 2 + b x + c
式中： y = R ( θ ) c o s 2 θ， x = s i n 2 θ，
a = 4 v s 2 v p 2 Δ v s v s + 2 v s 2 v p 2 Δ ρ ρ，
b = - 1 2 Δ ρ ρ + 4 v s 2 v p 2 Δ v s v s + 2 v s 2 v p 2 Δ ρ ρ,
c = 1 2 Δ v p v p + Δ ρ ρ
式中：R为反射系数，无量纲； θ为入射角，º； v p、 v s分别为纵波、横波速度，m/s； ρ为密度，kg/m3； Δ v p v p、 Δ v s v s和 Δ ρ ρ分别为纵波、横波变化率和密度变化率，无量纲。
根据振幅随偏移距变化满足抛物线的规律，用最小二乘逐点进行AVO抛物线拟合，同时加入剔除拟合方法，求得a、b、c值以及x值代入式（2）求得新的反射系数y，并根据用户需求将近道、远端能量弱的道进行补偿。

2.1.2　SVD方法去除随机噪音

利用地震数据存在较好的相关性的特点，将地震数据经奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）后，按能量的大小分为若干个本征值，地震的总能量可以用它的奇异值平方和表示，认为大奇异值代表信号，小奇异值代表噪声。对从大到小排列的奇异值，选前k个奇异值重构，其他的小奇异值就认为是噪声，通过SVD分解可以得到分频SVD压噪后的最终记录。
图4是泸州北区过L07井的叠前OVT道集优化处理结果，图4（a）是原始OVT道集数据，图4（b）是经过近远道振幅补偿后的道集，图4（c）是去除随机噪音后的叠前道集。从图中可以看到，运用AVO剔除拟合匹配近远道能量、SVD预测方法去除随机噪音的道集质量品质得到了明显的提升，为叠前各向异性提供资料基础。
图4 泸州北区L07井旁处的叠前道集优化结果

（a）原始OVT道集数据；（b）经过近远道振幅补偿后的道集；（c）去除随机噪音的道集

Fig.4 Optimization results of pre-stack gather near Well L07 in North Luzhou region

2.2　叠前各向异性反演理论

各向异性理论是裂缝叠前地震反演的理论基础，裂缝可以等效为具有横向对称轴的各向同性介质（Horizontal Transverse Isotropy， HTI），利用叠前各向异性介质理论可以更好地描述储层裂缝的发育特征。THOMSEN［18］提出了弱各向异性介质理论，利用Thomsen参数 ε V 、 δ V 和 γ描述储层的各向异性特征。叠前方位各向异性反演充分利用OVT道集的方位角和入射角信息预测储层的非均质性和流体特征，裂缝作为页岩储层的有效储集空间，对地震波的传播具有重要的影响作用，通常将含有裂缝的泥页岩等效为HTI介质。
弱各向异性参数与刚度张量 c 11、 c 13、 c 33、 c 44、 c 55、 c 66之间的关系如下：
ε V = c 11 - c 33 2 c 33， γ = c 66 - c 44 2 c 44，
δ V = c 13 + c 55 2 - c 33 - c 55 2 2 c 33 c 33 - c 55
RUGER［19］在弱各向异性介质理论的基础上研究了纵波在HTI介质中的地震波传播特征，建立了纵波的方位各向异性反射系数方程，表示如下：
           R p p θ , ϕ = 1 2 Δ Z Z ¯ + 1 2 Δ Z Z ¯ - 2 v s 0 2 v p 0 2 Δ G G ¯ + Δ δ V + 2 v s 0 2 v p 0 2 Δ γ c o s 2 ϕ s i n 2 θ + 1 2 Δ v p v ¯ p + Δ ε V c o s 4 ϕ + Δ δ V s i n 2 ϕ c o s 2 ϕ s i n 2 θ c o s 2 θ
式中： ϕ为方位角，º； Z = v p ρ为纵波阻抗，（m/s）·（kg/cm3）； G = v s 2 ρ横波模量，GPa； ε V 、 δ V 、 γ分别为Thomsen参数，无量纲； v p 0 为平均纵波速度，m/s； v s 0 为平均横波速度，m/s； v ¯ p、 Z ¯和 G ¯分别为界面上下纵波速度、纵波阻抗和横波模量的平均值，m/s，GPa，（m/s）·（kg/cm3）； Δ v p、 Δ Z和 Δ G分别为界面上下纵波速度、纵波阻抗和横波模量差， Δ δ V、 Δ ε V和 Δ γ 分别为界面上下Thomsen参数 ε V 、 δ V 、 γ差。
利用杨氏模量、泊松比与纵、横波速度及密度间的定量关系，并引入Gardner公式，杜炳毅等［20］推导了基于杨氏模量、泊松比和各向异性梯度的纵波方位各向异性AVA近似方程。由于裂缝密度能够直接反映裂缝的发育程度，为了直接预测裂缝密度，杜炳毅等［20］建立了纵波反射振幅与杨氏模量、泊松比、裂缝密度、方位角和入射角的定量关系，表示如下：
R p p n e w θ , ϕ = 1 2 a + 2 s e c 2 θ + a 2 a + 2 - 2 g s i n 2 θ Δ E E ¯ + 4 3 c o s 2 ϕ s i n 2 θ 8 g 2 - 4 g - 3 2 g 2 - 5 g + 3 Δ e + 2 g s i n 2 θ 1 - 2 g 3 - 4 g + 1 2 a + 2 s e c 2 θ + a 2 a + 2 2 g - 3 2 g - 1 2 g 4 g - 3 Δ υ υ ¯
式中： a为密度关于纵波速度的幂指数； g为横纵波速度比的平方，上述2个参数均为常量； E为杨氏模量，GPa； υ为泊松比，无量纲； e为裂缝密度，无量纲； E ¯和 υ ¯分别为界面上下杨氏模量和泊松比的平均值； Δ E、 Δ υ和 Δ e分别为界面上下杨氏模量、泊松比和裂缝密度的差。
在不同方位角和入射角时，可将公式（5）写成矩阵的表达形式：
R p p n e w θ 1 , ϕ 1 R p p n e w θ 2 , ϕ 1 ⋮ R p p n e w θ N , ϕ M = C 1 θ 1 C 2 θ 1 C 3 θ 1 , ϕ 1 C 1 v 2 C 2 θ 2 C 3 θ 2 , ϕ 1 ⋮ ⋮ ⋮ C 1 θ N C 2 θ N C 3 θ N , ϕ M R E R υ R e
其中：
C 1 θ = d i a g C 1 θ 1 , ⋯ , C 1 θ K,
C 1 θ = 1 2 a + 2 s e c 2 θ + a 2 a + 2 - 2 g s i n 2 θ
C 2 θ i = d i a g C 2 θ 1 , ⋯ , C 2 θ K,
C 2 θ = 1 2 a + 2 s e c 2 θ +
a 2 a + 2 2 g - 3 2 g - 1 2 g 4 g - 3 + 2 g s i n 2 θ 1 - 2 g 3 - 4 g
C 3 θ , ϕ = d i a g C 3 θ , ϕ 1 , ⋯ , C 3 θ , ϕ K, C 3 θ , ϕ = 4 3 s i n 2 θ c o s 2 ϕ 8 g 2 - 4 g - 3 2 g 2 - 5 g + 3
R E = R E 1 ⋯ R E K T， R E i = Δ E i E ¯ i， i = 1 , ⋯ , K；
R υ = R υ 1 ⋯ R υ K T， R υ i = Δ υ i υ ¯ i， i = 1 , ⋯ , K；
R e = R e 1 ⋯ R e K T， R e i = Δ e i， i = 1 , ⋯ , K；
式中： R E i、 R υ i分别为杨氏模量和泊松比反射率，无量纲； R e为裂缝密度差；M为入射角个数；N为方位角个数；K为采样点个数。
不同方位角和入射角的地震反射振幅是子波矩阵与反射系数矩阵的乘积，式（6）可以表示成如下形式：
d = G m
d = R θ 1 , ϕ 1 ⋮ R θ N , ϕ 1 R θ 1 , ϕ 2 ⋮ R θ N , ϕ M , m = R E R υ R e ,
G = C 1 θ 1 C 2 θ 1 C 3 θ 1 , ϕ 1 C 1 θ 2 C 2 θ 2 C 3 θ 2 , ϕ 1 ⋮ ⋮ ⋮ C 1 θ N C 2 θ N C 3 θ N , ϕ M ,
假定实际地震数据和井旁道合成地震数据之间的残差服从高斯分布，且先验的弹性参数也服从高斯分布，运用贝叶斯理论开展叠前各向异性反演，给定叠前OVT道集数据d和先验地质信息I，反演中使得不同方位的叠前角道集误差达到最小，最终弹性参数 m 的最优估算结果：
m = G T G + σ n 2 Q - 1 G T d
式中： Q为协方差矩阵，表示如下， σ n 是随机噪音方差。
Q i i = 1 / σ 1 2 , 0 < i ≤ N 1 / σ 2 2 , N < i ≤ 2 N 1 / σ 3 2 , 2 N < i ≤ 3 N
式中： σ 1为杨氏模量反射率，无量纲； σ 2为泊松比反射率，无量纲； σ 3为裂缝密度差，无量纲。
图5是泸州北区过L07井五峰组—龙一1亚段叠前各向异性反演剖面，图5（a）为五峰组—龙一1亚段的裂缝密度反演剖面，图5（b）为五峰组—龙一1亚段的泊松比反演剖面，反演剖面与测井曲线具有较好的一致性，说明了反演方法的可靠性。图6是泸州北区五峰组—龙一1亚段叠前各向异性反演平面图，图6（a）为五峰组—龙一1亚段泊松比的反演平面图，反演结果表明L07井的西北部和L09的南部区域泊松比呈现低值特征，研究区的东北部、西北部和中部泊松比较高，图6（b）为五峰组—龙一1亚段裂缝密度的反演平面图，平面显示研究区西北部和东南部裂缝密度相对较高，中部裂缝密度相对较低。
图5 泸州北区过L07井五峰组—龙一1亚段叠前各向异性反演剖面

(a) 过L07井五峰组—龙一1亚段泊松比反演剖面；(b) 过L07井五峰组—龙一1亚段裂缝密度反演剖面

Fig.5 Inversion profile of prestack anisotropy of Wufeng Formation-Long11 submember in Well L07,North Luzhou region

图6 泸州北区五峰组—龙一1亚段叠前各向异性反演平面图

(a) 五峰组—龙一1亚段泊松比反演平面图[黑色线为图5（a）的剖面位置]； (b) 五峰组—龙一1亚段裂缝密度反演平面图[黑色线为图5（b）的剖面位置]

Fig.6 Inversion plane of prestack anisotropy of Wufeng Formation-Long11 submember in North Luzhou region

D H S R = σ H - σ h σ H = E Z N 1 + E Z N - υ 2 (9)

2.3　水平应力差异比估算

GRAY等[13]提出利用宽方位大角度的地震数据通过AVAZ反演得到的杨氏模量、泊松比估算结果可以有效地评判地应力特征。地应力包括最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力。通过水平主应力计算的DHSR是描述储层页岩气储层的岩性和发育特征的重要参数，依据线性滑动理论和胡克定律提出了水平应力差异比计算公式。杨氏模量和泊松比反映了岩石的力学特性，表明了从宽方位角和大入射角地震数据估计的储层地质力学特征，同时，最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力与杨氏模量和泊松比密切相关[13]。结合胡克定律，假设最大和最小水平应变等于零，可以得到最大和最小水平应力的方程式，进而可以得到水平应力差比的计算公式：
式中： σ h和 σ H分别为最小和最大水平主应力，MPa； Z N为裂缝柔度，无量纲。
利用裂缝密度与裂缝柔度之间的关系，建立基于泊松比和裂缝密度表示的DHSR地应力预测新公式［17］：
D H S R P F = 4 e 1 - 2 υ 3 g 1 - g - 4 e 1 - υ + 4 e 1 - 2 υ
图7是泸州北区过井的DHSR反演剖面，图7（a）—图7（c）分别为过L03井、过L05井和过L07井的DHSR预测剖面，图中红色部分为优质页岩储层分布段。
图7 泸州北区过井的五峰组—龙一1亚段DHSR预测剖面

(a) 过L03井五峰组—龙一1亚段DHSR预测剖面；(b) 过L05井五峰组—龙一1亚段DHSR预测剖面；(c) 过L07井五峰组—龙一1亚段DHSR预测剖面

Fig.7 DHSR prediction section of Wufeng Formation-Long11 submember in North Luzhou region

3 预测效果分析

3.1　叠前资料优化处理效果分析

图8是泸州北区内L08井处理中不同优化处理阶段的道集及AVA曲线，曲线中散点为道集中目的层的归一化振幅，曲线为散点的拟合曲线，其中红色曲线为原始道集的AVA曲线，蓝色曲线为近远道补偿后的AVA曲线，绿色曲线为随机噪音去除后的AVA曲线。从图8（a）—图8（c）可以看出，近远道补偿后和去除噪音以后道集的近远道的时差得到了有效的消除，并且同相轴更加平整，道集的品质得到了提升，图8（d）所示的优化前后的残差可以看出道集残差为随机噪音，不含有效信号，图8（e）所示的AVA曲线反映了不同阶段的AVA类型保持得比较好，说明了道集优化的可靠性。
图8 L08井不同优化处理阶段的道集及AVA曲线

（a）原始道集；（b）经过近远道振幅补偿的道集；（c）经过随机噪音去除的道集；（d）道集优化前后的残差；（e）不同阶段的AVA曲线特征

Fig.8 Track collection and AVA curves of Well L08 in different optimization treatment stages

3.2　叠前各向异性反演效果分析

从图6（b）的裂缝密度反演结果来看，对于井点来说，L03井、L05井和L07井的裂缝密度较高，L08井和L09井的裂缝密度较低，上述特征与已知的地质认识较为吻合。图9是L07井经各向异性岩石物理分析得到各向异性参数的预测结果及储层段（3 433~3 442 m和3 458~3 467 m）的成像测井曲线，图中的橘色阴影部分为测井解释的裂缝储层发育段，各向异性参数反演结果显示为局部异常，成像测井也表明了储层裂缝较为发育，各向异性参数及成像测井资料说明叠前各向异性反演结果的有效性。
图9 L07井经岩石物理建模得到各向异性参数曲线及目的层段的成像测井结果

Fig.9 The anisotropy parameter curve and the imaging logging results of the target interval were obtained by petrophysical modeling in Well L07

3.3　地应力预测效果分析

图10是泸州北区基于叠前各向异性直接反演的五峰组—龙一1亚段DHSR预测等值线分布图，地应力预测平面图表示在研究区中部（L03井、L07井、L08井和L09井所在的区带）DHSR相对较低，为有利的压裂区带。
图10 泸州北区五峰组—龙一1亚段DHSR预测等值线分布 （黑色线为图7的剖面位置）

Fig.10 DHSR prediction result of Wufeng Formation-Long11 submember in North Luzhou region （black lines are the section position of Fig.7 ）

对地应力的预测结果进行精度分析，表2是泸州北区五峰组—龙一1亚段DHSR误差统计表，L08井的DHSR预测误差最大，绝对误差为0.009 5，相对误差为8.48%；L05井的DHSR预测误差最小，绝对误差为0.002 7，相对误差为2.30%；研究区内各个井的平均绝对误差为0.005 7，平均相对误差为4.60%。总体来看，地应力的预测精度为91.52%，预测结果与已知的测井解释结果具有较好的吻合度，说明了方法的可靠性。
表2 泸州北区五峰组—龙一1亚段DHSR误差统计

Table 2 DHSR prediction result of the Wufeng Formation-Long11 submember in North Luzhou region

井号 L03 L05 L07 L08 L09
室内测量 0.146 5 0.118 5 0.115 3 0.112 1 0.133 3
地震预测 0.155 0 0.121 2 0.111 1 0.121 7 0.129 7
绝对误差 0.008 5 0.002 7 0.004 2 0.009 5 0.003 7
相对误差/% 5.79 2.30 3.67 8.48 2.75
依据地应力预测结果划分了研究区内的有利工程分布区范围，图11是泸州北区五峰组—龙一1亚段有利区划分结果，橙色部分为核心开发区，黄色部分为次核心开发区，优选核心开发区面积为332 km2，次核心开发区面积为392 km2。从表3可以发现L05、L07、L08井的测试产量大于20×104 m3/d，EUR大于1.0×108 m3，为相对高产，上述井均位于有利区内，进一步验证了有利区划分的可靠性。
图11 泸州北区五峰组—龙一1亚段有利区划分结果

Fig.11 Favored zone results of Wufeng formation-Long11 submember in North Luzhou region

表3 泸州北区部分井水平段长、测试产量、首年平均日产及EUR统计

Table 3 Horizontal section length, test production, first year average daily production and EUR of some wells in north Luzhou region

井号 水平段长/m

测试产量

/（104 m3/d）

首年平均日产

/（104 m3/d）

EUR

/（108 m3）
L05 1 825 20 5.48 1.00
L07 1 500 31 10.99 1.25
L08 1 532 27 13.35 1.16

4 结论

从泸州北部区的基本地质特征出发，运用叠前道集资料，以地质、测井、岩心等资料为约束，通过叠前弹性参数和各向异性参数直接反演开展研究区的地应力预测，形成以下2点认识：
（1）分析原始叠前OVT道集特征，利用AVO剔除拟合方法开展近远道道集的能量补偿处理，运用奇异值分解方法开展随机噪音的压制处理，得到了较好的叠前资料，道集残差分析和AVA曲线特征分析表明，在振幅补偿和随机噪音去除后的AVA特征保持较好，说明道集优化处理的合理性。
（2）综合运用地震、地质、测井和岩心等资料，通过基于叠前各向异性反演的DHSR预测方法实现泸州北区深层页岩气储层地应力的有效预测，DHSR预测结果与已知测井解释结果具有较好的吻合度，预测吻合率高于90%，说明了方法的可靠性。同时，很好地刻画了地应力的平面展布特征，并依据此方法优选核心有利开发区面积为332 km2，为钻井和压裂设计提供了参考依据。

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