頁(yè)巖的地球物理特征研究

張 鍵 劉建儀 劉豇瑜 馮 青

（西南石油大學(xué)，成都 610500）

頁(yè)巖的地球物理特征研究

張 鍵 劉建儀 劉豇瑜 馮 青

（西南石油大學(xué)，成都 610500）

頁(yè)巖的地球物理特征研究表明，頁(yè)巖的地震特征主要表現(xiàn)在頁(yè)巖地震響應(yīng)的復(fù)雜性、各向異性和相干性；頁(yè)巖的地球物理測(cè)井響應(yīng)特點(diǎn)則包括常規(guī)的測(cè)井響應(yīng)特征和特殊測(cè)井響應(yīng)特征。頁(yè)巖的常規(guī)測(cè)井曲線響應(yīng)特征表現(xiàn)為高伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻、低密度、井徑擴(kuò)大等，而特殊測(cè)井響應(yīng)特點(diǎn)則表現(xiàn)在能夠更準(zhǔn)確的識(shí)別頁(yè)巖，并能夠獲得更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

頁(yè)巖；地球物理特征；地震；測(cè)井

2011年4月，美國(guó)能源信息署(EIA)發(fā)布了《世界頁(yè)巖氣資源：美國(guó)以外14個(gè)區(qū)域的初步評(píng)估》，報(bào)告顯示全球頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量約為187.6×1012m3，中國(guó)的技術(shù)可采資源量約 36.1×1012m3，居全球之首。

地球物理方法在頁(yè)巖氣資源的勘探開發(fā)中起著關(guān)鍵作用，其方法分為地震勘探和地球物理測(cè)井。頁(yè)巖的地球物理響應(yīng)特征不同于常規(guī)的砂巖儲(chǔ)層，在地震和測(cè)井上有特別的響應(yīng)特征。準(zhǔn)確識(shí)別頁(yè)巖的地球物理特征，并運(yùn)用這些特征來指導(dǎo)頁(yè)巖氣資源勘探與開發(fā)是很重要的研究領(lǐng)域。

1 頁(yè)巖及頁(yè)巖氣

1.1 頁(yè)巖及其分類

頁(yè)巖是頁(yè)理發(fā)育的泥質(zhì)巖的通稱，它是粒度小于0.005mm的黏土礦物和陸源碎屑組成的巖石，是一種常見的沉積巖類。頁(yè)巖的礦物成分復(fù)雜，常見有黏土礦物、陸源碎屑礦物、自生礦物和有機(jī)質(zhì)等。

當(dāng)頁(yè)巖含有較多的自生礦物及有機(jī)質(zhì)時(shí)，根據(jù)自生礦物及有機(jī)質(zhì)等混入物的成分及顏色將頁(yè)巖分為以下5類：黑色頁(yè)巖、紅色頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖。

1.2 頁(yè)巖氣

頁(yè)巖氣本質(zhì)上是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合，具有飽含氣性、隱蔽聚集、多種巖性封閉以及相對(duì)短的運(yùn)移距離，可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和黏土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在，甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在［1］。國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣通常指賦存于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，有自生自儲(chǔ)、吸附成藏、隱蔽聚集等特點(diǎn)的氣體［2-3］。

與常規(guī)天然氣相比，頁(yè)巖氣開發(fā)具有開采壽命周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，這是由于頁(yè)巖的微隙和裂縫系統(tǒng)讓頁(yè)巖氣具有“連續(xù)性”分布特征［4］。對(duì)頁(yè)巖氣的認(rèn)識(shí)是隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累而變化的，聚集從僅僅局限于泥頁(yè)巖發(fā)展到薄層粉砂巖甚至砂巖和碳酸鹽巖。烴源巖的范圍也更廣泛，包括海相傾油型源巖和有機(jī)質(zhì)含量中等、初始?xì)渲笖?shù)不高的泥頁(yè)巖。

1.3 頁(yè)巖氣藏

頁(yè)巖氣藏具有自生自儲(chǔ)的特點(diǎn)，它的生氣層也是儲(chǔ)集層。頁(yè)巖的儲(chǔ)集性能差，但由于頁(yè)巖有脆性、微裂縫發(fā)育，這使得頁(yè)巖氣的開發(fā)有工業(yè)價(jià)值。一般頁(yè)巖具有低孔低滲特點(diǎn)，有機(jī)碳的含量在不同的沉積環(huán)境中各不同。例如，四川盆地華鎣山紅巖煤礦實(shí)測(cè)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度平均為4.83%，威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖孔隙度平均為3.02%。鄂爾多斯盆地中生界陸相頁(yè)巖實(shí)測(cè)孔隙度為0.4%～1.5%，滲透率為（0.012～0.653）×10-3μm2［5］。

2 頁(yè)巖的地球物理特征

2.1 地震特征

地震勘探在油氣勘探工作中非常重要，世界上大部分的油氣田都是靠地震勘探找到的。從地震記錄中提取信息，擬合成地震圖，就可能推斷解釋地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)，含油氣地層的分布等。

2.1.1 頁(yè)巖地震特征的復(fù)雜性

通過上面介紹的頁(yè)巖可知，自然界的頁(yè)巖是非常復(fù)雜的巖石，這些復(fù)雜性表明在地震勘探中需要考慮復(fù)雜化，通?？紤]的問題就是現(xiàn)在需要解決的問題。在地震復(fù)雜性中存在豐富的直接相關(guān)的信息，其中之一就是速度各向異性的特征。頁(yè)巖本身也是一種各向異性的巖石，地層中的黏土和油母質(zhì)巖導(dǎo)致垂向和橫向的各向同性現(xiàn)象。地震波將快速平行和低速正常的傳播到地層。

2.1.2 頁(yè)巖的各向異性特征

頁(yè)巖儲(chǔ)層有很強(qiáng)的各向異性特征，其各向異性的強(qiáng)度可達(dá)30%～40%［6］。頁(yè)巖的各向異性大部分表現(xiàn)在具有垂直對(duì)稱軸的橫向各向同性（VTI），導(dǎo)致頁(yè)巖各向異性特征有很多原因，如沉積環(huán)境、烴類成熟度、儲(chǔ)層的裂縫和粒度等。各向異性特征必然會(huì)引起地震屬性參數(shù)的變化，不一致的垂向和橫向上排列的裂縫也會(huì)引起地震速度隨激發(fā)和接收方位不同而變化。因此應(yīng)用方位速度分析可以衡量出速度隨方位的變化及確定方位速度各向異性屬性［6］。

2.1.3 頁(yè)巖的相干性特征

地震解釋在頁(yè)巖氣藏的特征描述中扮演著重要的角色，地震的曲率和相干性特征通常用于裂縫和斷層的解釋［7］。

地震數(shù)據(jù)中有很重要的信息，例如疊前疊后的屬性。簡(jiǎn)單的屬性如相干性（圖1），在德克薩市州的沃斯堡盆地有很突出的表現(xiàn)。更突出的標(biāo)志，速度各向異性能給一個(gè)直接關(guān)于干酪根和裂縫影響的度量。相干性特征可用在方位體地震數(shù)據(jù)的裂縫描述，通過方位體數(shù)據(jù)提取各個(gè)方位的斷層裂縫信息產(chǎn)生方位裂縫玫瑰圖，可檢測(cè)裂縫發(fā)育程度及方向［8］。

圖1 德克薩市州的沃斯堡盆地3D地震圖中沿水平方向的相干性

2.2 頁(yè)巖的測(cè)井響應(yīng)特征

2.2.1 測(cè)井的主要目標(biāo)

地球物理測(cè)井作為一種高效的地球物理探測(cè)方法，在頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)中起著重要的作用。由于頁(yè)巖的礦物組成、巖石物性和滲流特征等與常規(guī)的砂巖有很大的差別，因此傳統(tǒng)的測(cè)井方法對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)不一定完全適用?？傮w來說，頁(yè)巖氣的測(cè)井評(píng)價(jià)目標(biāo)主要包括［9-11］：（1）識(shí)別頁(yè)巖、礦物成分及脆性礦物含量計(jì)算；（2）確定頁(yè)巖的儲(chǔ)集厚度；（3）頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的游離氣、吸附氣、含氣飽和度及總有機(jī)碳（TOC）、熱成熟度（Ro）、天然氣總量定性或者定量解釋；（4）確定儲(chǔ)集層物性，包括儲(chǔ)集層的孔隙度、滲透率；（5）頁(yè)巖的巖石力學(xué)參數(shù)，裂縫發(fā)育指標(biāo)的評(píng)價(jià)。

2.2.2 測(cè)井曲線的響應(yīng)特征

利用測(cè)井曲線形態(tài)特征可以直觀地識(shí)別頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層，實(shí)測(cè)中頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層在測(cè)井曲線上有明顯的特征響應(yīng)。識(shí)別頁(yè)巖氣的測(cè)井方法主要是自然伽馬、井徑、密度、聲波時(shí)差、電阻率等，此外還有元素俘獲測(cè)井（ECS）、高分辨率測(cè)井和電阻率成像測(cè)井（FMI）。通過測(cè)井解釋資料可以定量分析儲(chǔ)集層的巖性，確定儲(chǔ)集層的基本評(píng)價(jià)參數(shù)。

（1）常規(guī)測(cè)井曲線響應(yīng)特征

與一般的常規(guī)儲(chǔ)層相比，頁(yè)巖的常規(guī)測(cè)井曲線響應(yīng)表現(xiàn)有自己的特征。從測(cè)井曲線上可以看出，頁(yè)巖氣藏地層的井徑一般出現(xiàn)擴(kuò)井現(xiàn)象；自然伽馬值高（圖2），尤其是有機(jī)質(zhì)豐富的地方（圖3）；聲波時(shí)差較高，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)周波跳躍現(xiàn)象；電阻率高，地層密度中低值；中子孔隙度出現(xiàn)高值［12-13］。湖海相沉積的頁(yè)巖測(cè)井曲線特征有一定的差異，湖相沉積的頁(yè)巖聲波時(shí)差和補(bǔ)償中子值高于海相，無明顯的高伽馬值異常。

圖2 不同地區(qū)的頁(yè)巖伽馬測(cè)井曲線對(duì)比圖

圖3 中國(guó)四川盆地某頁(yè)巖井測(cè)井曲線圖

（2）特殊測(cè)井

頁(yè)巖的特殊測(cè)井可選擇元素俘獲能譜 (ECS)測(cè)井、偶極聲波測(cè)井、成像測(cè)井等［15］。

①ECS元素測(cè)井：通過ECS測(cè)井，可以得到儲(chǔ)層元素的含量，從而能夠計(jì)算出礦物的成分。除此之外，ECS測(cè)井還可以提供評(píng)價(jià)地層各種性質(zhì)、物性的參數(shù)，通過這些參數(shù)可以計(jì)算黏土礦物含量、識(shí)別沉積相等。②偶極聲波測(cè)井：利用偶記聲波提供的縱波時(shí)差和橫波時(shí)差資料，可進(jìn)行各向異性分析，判斷各應(yīng)力的方向，計(jì)算得出水平最大與最小地應(yīng)力從而求出巖石泊松比、楊氏模量、剪切模量、破裂壓力等重要巖石物理參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)頁(yè)巖的壓裂改造。③成像測(cè)井：成像測(cè)井包括核磁共振成像測(cè)井、光成像測(cè)井、陣列感應(yīng)成像測(cè)井、偶極橫波成像測(cè)井和井下聲波電視等，它們都具有分辨率高、井眼覆蓋率高和可視性的特點(diǎn)。在識(shí)別頁(yè)巖的裂縫、構(gòu)造特征等方面作用大，尤其在評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫的類型，儲(chǔ)層改造上作用顯著。圖3為四川盆地某頁(yè)巖的測(cè)井曲線，包括特殊的成像測(cè)井。

3 結(jié) 論

（1）頁(yè)巖作為一種特殊的沉積巖類，其礦物組成較為復(fù)雜。頁(yè)巖既是生氣層又是儲(chǔ)集層，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層的地球物理特征與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層不同。

（2）頁(yè)巖有它特殊的地球物理特征。地震特征主要表現(xiàn)在頁(yè)巖地震的復(fù)雜性、各向異性和相干性，這些特征可以準(zhǔn)確的識(shí)別頁(yè)巖的微裂縫；測(cè)井響應(yīng)特點(diǎn)體現(xiàn)在常規(guī)的測(cè)井響應(yīng)特征和特殊測(cè)井響應(yīng)特征。頁(yè)巖的常規(guī)測(cè)井曲線響應(yīng)特征表現(xiàn)為高伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻、低密度、井徑擴(kuò)大等，特殊測(cè)井響應(yīng)特點(diǎn)則表現(xiàn)在能夠更準(zhǔn)確的識(shí)別頁(yè)巖，并能夠獲得更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

（3）地球物理方法是油氣勘探開發(fā)不可缺少的技術(shù)，尤其是在非常規(guī)油氣資源上。不同的儲(chǔ)層有其特有的地球物理特征，正確運(yùn)用頁(yè)巖的地球物理特征將會(huì)對(duì)以后的頁(yè)巖氣的勘探與開發(fā)起到重要的指導(dǎo)作用。

[1]Curtis J B.Fractured Shale-gas Systems[J].AAPG Bulletion,2002,86(11):1921-1938.

[2]張金川，金之鈞，袁明生.頁(yè)巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè)，2004，24(7):15-18.

[3]張金川，薛會(huì)，張德明，等.頁(yè)巖氣及其成藏機(jī)理[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2003，17(4)：466.

[4]鄒才能，陶士振，袁選俊，等.“連續(xù)型”油氣藏及其在全球的重要性：成藏、分布與評(píng)價(jià)[J].石油勘探與開發(fā)，2009，36（6）：699-682.

[5]鄒才能，董大忠，王社教，等.中國(guó)頁(yè)巖氣形成機(jī)理、地質(zhì)特征及資源潛力[J].石油學(xué)報(bào)，2010，37（6）：641-653.

[6]劉振武，撒利明，楊曉，等.頁(yè)巖氣勘探開發(fā)對(duì)地球物理技術(shù)的需求[J].石油地球物理勘探，2011,46（5）：810-818.

[7]Nabanita Gupta,Supratik Sarkar,Kurt J.Marfurt,Seismic Characterization of the Woodford Shale in the Anadarko Basin[G].SEG San Antonio 2011 Annual Meeting,1083-1087.

[8]李曙光，程冰潔，徐天吉.頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層的地球物理特征及識(shí)別方法[J].新疆石油地質(zhì)，2011,32（4）：351-352.

[9]莫修文，李舟波，潘保芝.頁(yè)巖氣測(cè)井地層評(píng)價(jià)的方法與進(jìn)展[J].地質(zhì)通報(bào)，2011,30（2）：400-405.

[10]羅蓉，李青.頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)及地震預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)探討[J].天然氣工業(yè)，2011，31（4）：34-39.

[11]Amie M Lucier,Ronny Hofmann L.Taras Bryndzia,Evaluation of Variable Gas Saturation on Acoustic Log Data from the Haynesville Shale Gas Play,NW Louisiana,USA[J].The Leading Edge,2011(3):300-311.

[12]潘仁芳，伍媛，宋爭(zhēng).頁(yè)巖氣勘探的地球化學(xué)指標(biāo)及測(cè)井分析方法初探[J].中國(guó)石油勘探，2009（3）：6-9.

[13]齊寶權(quán)，楊小兵，張樹東，等.應(yīng)用測(cè)井資料評(píng)價(jià)四川盆地南部頁(yè)巖氣儲(chǔ)層[J].天然氣工業(yè)，2011，31(4)：44-47.

[14]Hank Zhao,Natalie B,Givens,et al.Thermal Maturity of the Barnett Shale Determined from Well-Log Analysis[J].AAPG Bulletin,2007,91(4):535-549.

[15]劉雙蓮，陸黃生.頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)特點(diǎn)及評(píng)價(jià)方法探討[J].測(cè)井技術(shù)，2011，35（2）：112-116.

[16]吳慶紅，李曉波，劉洪林，等.頁(yè)巖氣測(cè)井解釋和巖心測(cè)試技術(shù)——以四川盆地頁(yè)巖氣勘探開發(fā)為例[J].石油學(xué)報(bào)，2011，32（3）：484-488.

The Geophysical Characteristics of Shale and Its Significance

ZHANG Jian LIU JianyiLIU Jiangyu FENG Qing

(Southwest Petroleum University,Chengdu 610500)

Based on the previous researches,this paper summers up the geophysical characteristics of shale,which include common response of geophysical logging.The study indicates that the main features of the seismic of shale are complex,anisotropy and coherent.The characteristics of geophysical logging responses include conventional response and special logging response.The features of conventional logging response show high gamma,high acoustic time,low density and hole enlargement.The characteristics of response of special logging reflect in identifying the shale reservoir is more accurate,and obtaining more basic data to calculate the relevant parameters.The applying of the geophysical characteristics of shale correctly can play an important guiding role in shale exploration and exploitation.

shale；geophysical characteristic；earthquake；logging

TE122

A

1673-1980(2012)05-0096-04

2012-04-17

張鍵(1985-)，男，重慶人，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌獠氐刭|(zhì)及開發(fā)。