地球物理技術(shù)在非常規(guī)勘探中的應(yīng)用
——以涪陵頁巖氣田為例

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(中國石化勘探分公司勘探研究院，四川 成都 610041)

1 地質(zhì)背景

涪陵頁巖氣田位于重慶涪陵區(qū)內(nèi)，處于四川盆地內(nèi)川東高陡褶皺帶東部。焦石壩構(gòu)造是該氣田的主體構(gòu)造，為一個川東褶皺內(nèi)受北東向和近南北向兩組斷裂系統(tǒng)控制的菱形斷背斜。該構(gòu)造頂部寬緩，地層傾角較小，斷層不發(fā)育，兩翼傾角大，斷層發(fā)育，綜合表現(xiàn)出似箱狀斷背斜形態(tài)?？傮w而言，焦石壩構(gòu)造形變?nèi)酰哂泻芎玫捻搸r氣構(gòu)造保存條件[1]。

該氣田產(chǎn)氣頁巖層系為晚奧陶系五峰組及早志留系龍馬溪組一段組成的五峰龍馬溪組頁巖。研究表明，該套頁巖形成于發(fā)生在晚奧陶系至早志留系的兩次海侵事件[2]，發(fā)育約300 m厚的富有機質(zhì)，黑色，含筆石，硅質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，是四川盆地及其周邊地區(qū)的海相頁巖主要勘探目標。

五峰龍馬溪組上覆地層為龍馬溪組二段砂巖，下覆為奧陶系見草溝組灰?guī)r。鉆井結(jié)果顯示，五峰龍馬溪組縱向上可分為三段：(1)層段底部富含筆石、碳質(zhì)頁巖；(2)灰黑色粉砂質(zhì)泥巖；(3)灰色泥巖和灰黑色碳質(zhì)頁巖。從地球物理角度來看，該套頁巖層系與其它地層形成明顯對比，具有“高伽馬、低密度、中低阻抗”的特點。五峰龍馬溪組頁巖地震響應(yīng)特征由一個中強波谷和一個強波峰組成。

2 方法介紹

2.1 TOC定量預(yù)測

總有機碳含量(TOC)是評價頁巖生烴能力的一個關(guān)鍵參數(shù)，同時也是頁巖油氣藏評價中的一個重要指標。目前，利用地球物理方法直接和定量預(yù)測TOC的方法大多采用通過地震屬性與TOC建立擬合關(guān)系，從而計算三維TOC數(shù)據(jù)體，實現(xiàn)TOC定量預(yù)測[3]。

本區(qū)內(nèi)，焦頁1井鉆井顯示，五峰龍馬溪組頁巖總有機碳(TOC)含量在0.46%～6.79%之間，平均為2.66%。根據(jù)中國國土資源部頁巖氣資源管理規(guī)定，確定TOC>1%地層為可勘探頁巖。由此，有必要開展五峰龍馬溪組頁巖TOC的預(yù)測，從而明確該套頁巖的勘探前景。

將實驗測得巖心TOC數(shù)據(jù)與多種曲線進行交匯，其中包括常規(guī)測井曲線，如伽馬，密度等和彈性曲線，如泊松比曲線等。交匯結(jié)果顯示密度和TOC之間具有很好的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)因子高達0.88。由此確定密度對TOC最敏感，并得到密度與TOC之間的關(guān)系式(1)。

TOC=-15.49ρ+42.71

(1)

式中：ρ為密度。

基于上述實驗結(jié)果，TOC 定量預(yù)測轉(zhuǎn)而變相為密度預(yù)測。

利用波阻抗反演得出的泥頁巖展布作為空間約束，開展疊前密度反演得到該區(qū)五峰龍馬溪組頁巖密度體。區(qū)內(nèi)實鉆井點密度曲線與預(yù)測結(jié)果相吻合，證明密度反演結(jié)果可靠，為TOC計算提供可信來源。

利用密度和TOC之間建立的關(guān)系式(式1)，得到本區(qū)五峰龍馬溪組頁巖三維TOC數(shù)據(jù)體。結(jié)果顯示，五峰龍馬溪組頁巖(TO3w-Ts1l2)TOC值總體大于2%，說明該套地層總體勘探情況樂觀。同時，預(yù)測結(jié)果顯示五峰龍馬溪組頁巖TOC縱向變化大于橫向變化； TOC值由上向下逐漸增大，且在該套頁巖地層底部達到最高值(粉色)，與實鉆結(jié)果一致。

2.2 脆性指數(shù)技術(shù)

頁巖地層具有低孔、極低滲透率的特點，因而為獲得較高產(chǎn)能，頁巖儲層需經(jīng)過壓裂改造，使其產(chǎn)生能溝通孔隙和釋放頁巖氣的裂縫通道。而壓裂改造的成功與否，與頁巖受壓而破碎能力直接相關(guān)。因此，頁巖氣勘探過程中，很有必要預(yù)測能指示頁巖脆性的脆性指數(shù)(BI)。

目前，計算頁巖脆性指數(shù)的常用方法是利用Rickman公式。該公式是基于北美頁巖統(tǒng)計數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式[4]。利用Rickman公式計算得出的焦石壩五峰龍馬溪組頁巖脆性指數(shù)與巖心測得脆性指數(shù)吻合度較低，相關(guān)系數(shù)只有0.47，說明該公式在本區(qū)應(yīng)用中效果不理想，無法滿足勘探需求。因而，有必要開展新的脆性指數(shù)預(yù)測。

巖石的脆性與巖石力學(xué)屬性相關(guān)。巖石力學(xué)中剪切模量(μ)代表巖石的剛性，而拉梅常數(shù)(λ)則與巖石體積模量相似，代表巖石的不可壓實性。同時，密度(ρ)與影響巖石脆性的孔隙結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)相關(guān)。因此說明，巖石力學(xué)參數(shù)中，除楊氏模量和泊松外，μρ和λρ同樣影響著巖石的脆性。2010年，Goodway等人在其論文中也闡明λρ 和μρ與巖石的力學(xué)脆性相關(guān)[5]。

結(jié)合本區(qū)構(gòu)造特點，將能反應(yīng)剪切力和壓實力的μρ和λρ納入脆性指數(shù)計算公式，從而建立一個新的脆性指數(shù)計算公式(式2)。

BI=11.525×E-64.816×ν-8.609×μρ-0.635×λρ+0.0315

(2)

式中：BI為脆性指數(shù)；E為楊氏模量，單位為10 Gpa；ν為泊松比，無量綱；λ 和 μ分別為拉梅常數(shù)和剪切模量。

結(jié)果顯示，新公式計算得出的五峰龍馬溪組頁巖脆性指數(shù)與巖心X-RD方法測得的脆性指數(shù)較Rickman計算公式得到的脆性指數(shù)吻合度更高，具體表現(xiàn)在曲線的趨勢和局部細節(jié)的吻合程度。新的脆性指數(shù)值與巖心測得脆性指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)高達0.8，證明公式(2)比Rickman公式更適合在本區(qū)中的應(yīng)用。

基于公式(2)開展五峰龍馬溪組脆性指數(shù)預(yù)測。結(jié)果顯示，五峰龍馬溪組內(nèi)部頁巖脆性指數(shù)值從上往下逐漸增強，在底部達到最高值(紫色)，約為60至67%?？拷搸r層段底部的紫色層段十分有利于壓裂改造。

2.3 優(yōu)質(zhì)泥頁巖預(yù)測模板

與常規(guī)勘探不同，頁巖儲層能否獲得高產(chǎn)很大程度上取決于水平側(cè)鉆的實施和儲層的壓裂改造。目前涪陵頁巖氣田區(qū)內(nèi)水平側(cè)鉆井段在1 500 m內(nèi)，而壓裂改造影響范圍在100內(nèi)。因此，要在有限的縱、橫向范圍獲得高產(chǎn)，則要求側(cè)鉆井必須鉆遇目標頁巖層段內(nèi)最優(yōu)質(zhì)的頁巖，即更富有機質(zhì)更脆的優(yōu)質(zhì)泥頁巖“甜點”。因此十分有必要建立快速、有效的優(yōu)質(zhì)泥頁巖預(yù)測模板。

焦頁1井鉆井結(jié)果與前述TOC和脆性指數(shù)預(yù)測都指示本區(qū)五峰龍馬溪組頁巖一亞段頁巖是整套頁巖內(nèi)最優(yōu)質(zhì)頁巖。因此將焦頁1井鉆遇的五峰龍馬溪組一亞段頁巖作為區(qū)內(nèi)五峰龍馬溪組頁巖優(yōu)質(zhì)泥頁巖的原型，而刻畫該層段的參數(shù)作為優(yōu)質(zhì)泥頁巖的基準。

將焦頁1井TOC與脆性指數(shù)進行交匯，五峰龍馬溪組一亞段頁巖在TOC>2%和BI>50%時與其他層段明顯分開。進一步考慮到孔隙是頁巖氣的聚集空間，也是頁巖氣的重要參數(shù)之一，因此，將孔隙度與BI，TOC進行交匯，此時交匯數(shù)據(jù)中，TOC<2%, BI<50%的數(shù)據(jù)已被剔除。結(jié)果表明，五峰龍馬溪組一段在孔隙度為4.1%時與其他層段很好區(qū)分。因此，結(jié)合TOC，脆性指數(shù)和孔隙度三個參數(shù)，建立起快速檢測優(yōu)質(zhì)泥頁巖的模板，即TOC≥2%, BI≥50%, 和 孔隙度≥4.1%。該模板能夠快速、有效地刻畫優(yōu)質(zhì)泥頁巖的空間展布。

3 結(jié)語

(1)在涪陵頁巖氣田內(nèi)，密度與TOC之間存在很好的負相關(guān)關(guān)系，是對TOC最敏感的參數(shù)?；诿芏群蚑OC之間的關(guān)系式，五峰龍馬溪組頁巖TOC的定量預(yù)測通過疊前密度反演得以實現(xiàn)。結(jié)果表明，涪陵頁巖氣田五峰龍馬溪組頁巖勘探目標(TOC>1%)在全區(qū)內(nèi)穩(wěn)定分布，預(yù)測厚度為70～90 m。

(2)結(jié)合本區(qū)地質(zhì)特征，納入影響頁巖脆性的巖石力學(xué)參數(shù)，E, v, λρ和 μρ，從而建立起更適合在本區(qū)應(yīng)用的脆性指數(shù)計算公式。新公式計算的脆性指數(shù)表明五峰龍馬溪組頁巖整體很脆，尤其是靠近頁巖層段底部的頁巖脆性指數(shù)達到了60%～67%，是壓裂改造最有利層段。

(3)將評價頁巖儲層品質(zhì)的TOC，脆性指數(shù)和孔隙度仨參數(shù)相結(jié)合，建立快速、高效的優(yōu)質(zhì)泥頁巖的檢測模板。該模板成功刻畫出區(qū)內(nèi)五峰龍馬溪組頁巖優(yōu)質(zhì)泥頁巖的空間展布，提高了該區(qū)勘探工作效率。同時模板應(yīng)用結(jié)果表明靠近五峰龍馬溪組頁巖底部約30～40 m厚的頁巖層段是區(qū)內(nèi)五峰龍馬溪組頁巖最佳的鉆探目標。