地球物理技術(shù)在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

高瓊瑤，張明升，周新鋒

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069;2.陜西省地礦總公司綜合勘察分公司，陜西渭南 714000)

地球物理技術(shù)在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

高瓊瑤1，張明升1，周新鋒2

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069;2.陜西省地礦總公司綜合勘察分公司，陜西渭南 714000)

我國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力巨大，勘探開(kāi)發(fā)一旦突破并形成產(chǎn)能，必將緩解中國(guó)油氣資源緊張的壓力。地球物理技術(shù)是進(jìn)行油氣勘探開(kāi)發(fā)的有效技術(shù)，頁(yè)巖氣作為非常規(guī)油氣資源，其富集并不形成類(lèi)似于常規(guī)油氣的圈閉，屬于“自生自?xún)?chǔ)”型低豐度連續(xù)性油氣藏。在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有著不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、工作流程和技術(shù)流程。通過(guò)分析測(cè)井技術(shù)在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)、裂縫識(shí)別及地震技術(shù)在頁(yè)巖含氣性檢測(cè)、裂縫預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用，指出形成適合我國(guó)地質(zhì)特點(diǎn)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)地球物理技術(shù)是解決頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)關(guān)鍵地質(zhì)要素的有效手段。

頁(yè)巖氣;勘探開(kāi)發(fā);測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù);地震技術(shù);地震預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù)

2020年我國(guó)天然氣供需差距預(yù)計(jì)在80×108m3以上，頁(yè)巖氣作為一種清潔能源，具有開(kāi)采壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，一旦突破形成產(chǎn)能，必將對(duì)緩解中國(guó)油氣資源緊張的壓力產(chǎn)生重大深遠(yuǎn)的影響。頁(yè)巖氣作為非常規(guī)油氣資源，其富集不形成類(lèi)似于常規(guī)油氣的圈閉，存在局部富集的差異，沒(méi)有明顯的邊界，屬于“自生自?xún)?chǔ)”型的低豐度連續(xù)性油氣藏，在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有著不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、工作和技術(shù)流程。因此，需要結(jié)合頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)際情況，認(rèn)真審視常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮巨大作用的地球物理技術(shù)的定位，分析地球物理技術(shù)在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中的作用［1－4］。

1 地球物理技術(shù)在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

結(jié)合美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，蔣裕強(qiáng)(2010)等提出了評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣的8大關(guān)鍵地質(zhì)要素:包括有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度，巖樣埋深、厚度，含氣性、力學(xué)性質(zhì)、物性、礦物成分。這8大地質(zhì)要素基本涵蓋了頁(yè)巖氣從資源評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層識(shí)別到儲(chǔ)層改造、有效開(kāi)發(fā)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)。本文作者認(rèn)為地球物理技術(shù)是解決頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)關(guān)鍵地質(zhì)要素的有效手段［5］。

在勘探階段，針對(duì)頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)和核心區(qū)選擇，需要落實(shí)頁(yè)巖氣藏的富集規(guī)律。頁(yè)巖氣藏的特征、形成機(jī)理與常規(guī)氣藏迥然不同，控制頁(yè)巖氣藏富集程度的關(guān)鍵要素主要包括頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)含量和頁(yè)巖儲(chǔ)層空間(孔隙、裂縫)［4，6］。頁(yè)巖層在區(qū)域內(nèi)的空間分布狀況是保證有充足的儲(chǔ)滲空間和有機(jī)質(zhì)的重要條件，而地球物理技術(shù)是探測(cè)頁(yè)巖氣空間分布的最有效、最準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法。除了通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)分析有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度及物性等參數(shù)外，測(cè)井評(píng)價(jià)更是重要的手段。地震技術(shù)在測(cè)井的基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)，可為資源評(píng)價(jià)和頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)核心區(qū)的優(yōu)選奠定基礎(chǔ)。

在開(kāi)發(fā)階段，應(yīng)用地球物理技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層物性，特別是裂縫等各向異性特征進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，為儲(chǔ)層改造提供幫助。應(yīng)用地震技術(shù)可以準(zhǔn)確描述頁(yè)巖的礦物組成、脆性以及力學(xué)性質(zhì)和天然裂縫的分布等關(guān)鍵地質(zhì)因素。例如通過(guò)監(jiān)測(cè)和記錄微地震事件，實(shí)時(shí)提供壓裂過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫位置、方位、大小以及復(fù)雜程度，評(píng)價(jià)增產(chǎn)方案的有效性，并優(yōu)化頁(yè)巖氣藏多級(jí)改造方案［4］。

2 頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)

我國(guó)目前急需對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)，特別是裂縫識(shí)別及定量評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，建立頁(yè)巖氣測(cè)井識(shí)別和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用;關(guān)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣性參數(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)除了要攻關(guān)研究形成生產(chǎn)力，還需針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣的復(fù)雜性建立一些新的含氣性識(shí)別和評(píng)價(jià)技術(shù)，以滿(mǎn)足勘探開(kāi)發(fā)的需要。此外，要超前研究井震綜合預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)［7－8］。

2.1 含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層的測(cè)井識(shí)別

頁(yè)巖氣與常規(guī)氣一樣，是不導(dǎo)電介質(zhì)，具有密度值很小、含氫指數(shù)低、傳播速度慢等物理特性。與普通頁(yè)巖相比，頁(yè)巖氣中有機(jī)質(zhì)含量、放射性元素鈾含量比較高，干酪根密度較低，通常介于0.95～1.05 g/cm3之間。含氣頁(yè)巖測(cè)井響應(yīng)為“四高兩低”特征，即高伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差、高中子孔隙度，低密度、低光電效應(yīng)。

2.2 總有機(jī)碳(TOC)含量、熱成熟度(Ro)指標(biāo)

干酪根的形成多是在一個(gè)放射性元素鈾含量比較高的還原環(huán)境，因此自然伽馬曲線出現(xiàn)高值。利用自然伽馬測(cè)井，通過(guò)ECS測(cè)井測(cè)得自然伽馬能譜分析鉀、鈾、釷主要元素的豐度，定量確定總有機(jī)碳的含量;中子—密度法可以指示鏡質(zhì)體反射率(Ro)。

2.3 頁(yè)巖裂縫參數(shù)評(píng)價(jià)

微電阻率掃描成像測(cè)井和核磁共振測(cè)井對(duì)天然縫、誘導(dǎo)縫以及斷層等都有著良好的分辨能力。壓裂后裂縫識(shí)別評(píng)價(jià)可采用井溫測(cè)井、同位素測(cè)井或交叉偶極橫波測(cè)井來(lái)識(shí)別評(píng)價(jià)裂縫高度和長(zhǎng)度。

2.4 頁(yè)巖儲(chǔ)集層物性參數(shù)評(píng)價(jià)

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性參數(shù)主要有孔隙度、滲透率、含油飽和度等。補(bǔ)償聲波和長(zhǎng)源距聲波、補(bǔ)償中子、體積密度是評(píng)價(jià)孔隙度的有效手段，并可根據(jù)QFM模型由ECS測(cè)得的元素含量，換算有關(guān)骨架參數(shù)的方法(Michael，2002)來(lái)計(jì)算含氣頁(yè)巖的孔隙度;目前通常用自然電位、自然伽馬能譜、微電極、CMR核磁共振測(cè)井等來(lái)評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率;而含氣飽和度則是利用雙側(cè)向、感應(yīng)測(cè)井、CMR核磁共振測(cè)井等來(lái)估算。另外還可根據(jù)等溫吸附曲線和測(cè)井得到地層溫度、壓力計(jì)算地層的吸附氣含量，在精確得到黏土礦物含量及其類(lèi)型和地層孔隙度的基礎(chǔ)上，計(jì)算游離氣飽和度。

2.5 頁(yè)巖巖礦組成測(cè)定

ECS元素俘獲能譜測(cè)井是一種很好的方法，其ECS探頭應(yīng)用中子感生的俘獲自然伽馬能譜測(cè)定礦物硅、鈣、硫等的含量，可以獲得準(zhǔn)確的地層成分評(píng)價(jià)結(jié)果，包括黏土、石英、長(zhǎng)石和云母等［9］。

2.6 頁(yè)巖巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)聲波掃描測(cè)井、中子密度、成像測(cè)井來(lái)綜合計(jì)算巖石彈性參數(shù)(泊松比、楊氏模量)，確定地層應(yīng)力和最大主應(yīng)力方位。

2.7 發(fā)展水平井隨鉆測(cè)井系統(tǒng)(MWD)

隨鉆測(cè)井可在水平井整個(gè)井筒長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行自然伽馬、電阻率、成像測(cè)井和井筒地層傾角分析，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控關(guān)鍵鉆井參數(shù)、進(jìn)行控制和定位，將井?dāng)?shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，避開(kāi)已知有井漏問(wèn)題和斷層的區(qū)域。及時(shí)提供構(gòu)、地層、力學(xué)特性等信息，將天然裂縫和鉆井誘發(fā)裂縫進(jìn)行比較，用于優(yōu)化完井作業(yè)、幫助作業(yè)者確定射孔和氣井增產(chǎn)的最佳目標(biāo)［7］。

3 頁(yè)巖含氣性檢測(cè)

頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣量決定頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)是否具有商業(yè)價(jià)值，含氣性檢測(cè)直接決定頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)部署。利用地震技術(shù)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行含氣性檢測(cè)，目前可以嘗試使用疊后波阻抗反演、疊前AVO反演、疊前彈性阻抗反演和頻譜分解技術(shù)。

3.1 疊后波阻抗反演

疊后反演的基礎(chǔ)是褶積模型，通過(guò)壓縮子波的反褶積處理，將地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為近似的反射系數(shù)序列，然后再由反射系數(shù)序列得到波阻抗剖面。隨著頁(yè)巖層含氣量的增大，儲(chǔ)層體積密度和層速度降低，從而導(dǎo)致波阻抗值減小。在頁(yè)巖層地質(zhì)模型約束下拾取頁(yè)巖層波阻抗數(shù)據(jù)可以反映儲(chǔ)層的含氣性，因此疊后波阻抗反演是預(yù)測(cè)儲(chǔ)層含氣性的有效手段。

3.2 疊前AVO反演

對(duì)于頁(yè)巖氣富集的儲(chǔ)層，可導(dǎo)致儲(chǔ)層體積密度減小、彈性波速度降低，同時(shí)對(duì)彈性模量、泊松比等含氣性檢測(cè)參數(shù)具有明顯的影響，AVO疊前反演依據(jù)巖石物理學(xué)理論和振幅隨偏移距變化理論最終導(dǎo)出泊松比、拉梅常數(shù)、體積模量、切變模量和楊氏模量等彈性參數(shù)，反映地下介質(zhì)的巖性和孔隙流體性質(zhì)，可對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的含氣性做出預(yù)測(cè)。

3.3 疊前彈性阻抗反演

疊前彈性阻抗反演是彈性阻抗函數(shù)對(duì)聲波阻抗概念的推廣，它是入射角的函數(shù)。聲波阻抗是彈性阻抗入射角為0°時(shí)的特例，它不僅具有疊后波阻抗反演的優(yōu)點(diǎn)，而且還彌補(bǔ)了疊前AVO反演技術(shù)穩(wěn)定性和分辨率較低的不足，同時(shí)彈性阻抗較波阻抗包含更多的巖性和物性信息，增強(qiáng)了反演技術(shù)預(yù)測(cè)和描述頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的能力。

3.4 頻譜分解技術(shù)

頻譜分解技術(shù)的主要依據(jù)是含油氣儲(chǔ)層的高頻吸收特性，即當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)過(guò)含油氣儲(chǔ)層時(shí)，其高頻成分能量衰減較地震波通過(guò)不含油氣儲(chǔ)層時(shí)嚴(yán)重，在頻譜分解技術(shù)與常規(guī)AVO反演技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生了分頻AVO技術(shù)與頻變AVO技術(shù)。

4 頁(yè)巖裂縫預(yù)測(cè)

在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中，天然裂縫起到了至關(guān)重要的作用。裂縫可增加頁(yè)巖氣儲(chǔ)集空間，改善頁(yè)巖極低的基質(zhì)滲透率，有助于頁(yè)巖層中游離態(tài)天然氣體積的增加和吸附態(tài)天然氣的解析;裂縫也是力學(xué)上的薄弱環(huán)節(jié)，增加了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂處理的有效性。

4.1 曲率、相干、方差等多屬性裂縫檢測(cè)技術(shù)

曲率是反映某一曲線、曲面彎曲程度的參數(shù)。曲面的構(gòu)造主曲率越大，就越彎曲，就越容易產(chǎn)生裂縫，因此構(gòu)造主曲率在一定程度上反映了裂縫的分布;地震相干體與方差體技術(shù)是研究三維數(shù)據(jù)體中相鄰地震道地震信號(hào)之間相似性和不連續(xù)性特征的解釋技術(shù)，該技術(shù)充分利用三維數(shù)據(jù)體信息，突出那些不相干或不連續(xù)的地震數(shù)據(jù)，所以對(duì)以上方法的綜合分析研究，可預(yù)測(cè)含氣頁(yè)巖裂縫密度、方位、強(qiáng)度及地層最大水平主應(yīng)力方向等。

4.2 各向異性檢測(cè)技術(shù)

LeonThomsen(1986)等人通過(guò)研究認(rèn)為，所有沉積地層在地震波尺度上都表現(xiàn)為弱各向異性。這種弱各向異性與地層的骨架顆粒的定向排列和顆粒間的裂隙發(fā)育程度有關(guān)，裂隙越發(fā)育，所表現(xiàn)出來(lái)的各向異性越強(qiáng)。

可利用疊前地震道數(shù)據(jù)，通過(guò)方位角速度分析技術(shù)檢測(cè)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層裂縫發(fā)育方向與密度;地震反射振幅隨方位角的變化可預(yù)測(cè)裂隙分布特征，方位AVO技術(shù)在不同的方位角范圍內(nèi)對(duì)地震資料進(jìn)行AVO分析，再根據(jù)不同方位角范圍內(nèi)所得的AVO屬性值的變化規(guī)律計(jì)算出地層的裂隙發(fā)育程度。

4.3 轉(zhuǎn)換橫波分裂技術(shù)

轉(zhuǎn)換橫波在裂縫介質(zhì)中依其入射方位與裂隙走向的相對(duì)關(guān)系發(fā)生不同的分裂情況，分裂快慢波的強(qiáng)弱和時(shí)差與裂縫的強(qiáng)度密切相關(guān)。因此，利用多波多分量地震勘探分裂快慢橫波，采用相對(duì)時(shí)差梯度法等可研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層裂縫方向及其發(fā)育程度［13－17］。

5 頁(yè)巖氣井中地震技術(shù)

井中地震技術(shù)是在地面地震技術(shù)基礎(chǔ)上向“高分辨率、高信噪比、高保真”發(fā)展的一種地球物理手段，在油氣勘探開(kāi)發(fā)中，可將鉆井、測(cè)井和地震技術(shù)很好的結(jié)合起來(lái)，為聯(lián)系鉆測(cè)井資料和地面地震資料對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行綜合解釋。

5.1 微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)

微地震監(jiān)測(cè)是一種用于油氣田開(kāi)發(fā)的新地震方法，該方法優(yōu)于利用測(cè)井方法監(jiān)測(cè)壓裂裂縫效果，在壓裂施工中布置或布設(shè)井下地震檢波器或地面常規(guī)地震檢波器，監(jiān)測(cè)地下巖石破裂所產(chǎn)生的微地震事件，記錄由巖石剪切造成的微地震或聲波傳播情況。通過(guò)處理微地震數(shù)據(jù)確定壓裂效果，實(shí)時(shí)提供壓裂施工過(guò)程中所產(chǎn)生的裂縫位置、方位、大小及復(fù)雜程度，優(yōu)化頁(yè)巖氣藏多級(jí)改造的方案［18］。

5.2 其他井中地震技術(shù)

由 Zero － Off set VSP、Offset VSP、Walkaway VSP、Walkaround VSP逐步發(fā)展到3D VSP技術(shù)，都是較為成熟的井中地震技術(shù)。其中，3D VSP技術(shù)和微地震采集配套施工配合監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層改造人工裂縫發(fā)育分布狀況是國(guó)外石油大公司的通常做法。3D VSP、P－P和P－S成像用于陸上構(gòu)造解釋?zhuān)纱蟠蟾纳瓶v、橫向分辨率和斷裂系統(tǒng)分辨率。此外，四維地震可用于檢測(cè)在生產(chǎn)過(guò)程中隨著溫度壓力變化頁(yè)巖氣的變化情況，以助頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)優(yōu)化開(kāi)采。井驅(qū)動(dòng)地震數(shù)據(jù)處理是一種提高地震數(shù)據(jù)處理水平和質(zhì)量的手段，也是發(fā)展趨勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)起步，技術(shù)創(chuàng)新是頁(yè)巖氣發(fā)展的關(guān)鍵?？赏ㄟ^(guò)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的建設(shè)，形成適合我國(guó)地質(zhì)特點(diǎn)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)地球物理技術(shù)。

(1)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井識(shí)別評(píng)價(jià)技術(shù)是優(yōu)化頁(yè)巖氣鉆井及儲(chǔ)層壓裂改造部署的必要技術(shù)支撐。

(2)開(kāi)展頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地震識(shí)別與綜合預(yù)測(cè)技術(shù)的研究，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多參數(shù)預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地震屬性分析技術(shù)、地震資料各向異性處理和多波反演技術(shù);

(3)3D VSP技術(shù)聯(lián)合微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是壓裂裂縫監(jiān)測(cè)的有效手段，井中地震與地面地震的聯(lián)合是提高頁(yè)巖氣綜合勘探能力一種必然發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前急需加強(qiáng)井中地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)創(chuàng)新，其數(shù)據(jù)處理和資料解釋技術(shù)亟待研發(fā)。

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TE19

B

1004－1184(2013)05－0089－03

2013-06-03

高瓊瑤(1988-)，女，山東青島人，在讀碩士研究生，主攻方向:油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)。