页岩的地球物理特征研究

张 键 刘建仪 刘豇瑜 冯 青

（西南石油大学，成都 610500）

页岩的地球物理特征研究

张 键 刘建仪 刘豇瑜 冯 青

（西南石油大学，成都 610500）

页岩的地球物理特征研究表明，页岩的地震特征主要表现在页岩地震响应的复杂性、各向异性和相干性；页岩的地球物理测井响应特点则包括常规的测井响应特征和特殊测井响应特征。页岩的常规测井曲线响应特征表现为高伽马、高声波时差、高电阻、低密度、井径扩大等，而特殊测井响应特点则表现在能够更准确的识别页岩，并能够获得更多的基础数据来计算相关参数。

页岩；地球物理特征；地震；测井

2011年4月，美国能源信息署(EIA)发布了《世界页岩气资源：美国以外14个区域的初步评估》，报告显示全球页岩气技术可采资源量约为187.6×1012m3，中国的技术可采资源量约 36.1×1012m3，居全球之首。

地球物理方法在页岩气资源的勘探开发中起着关键作用，其方法分为地震勘探和地球物理测井。页岩的地球物理响应特征不同于常规的砂岩储层，在地震和测井上有特别的响应特征。准确识别页岩的地球物理特征，并运用这些特征来指导页岩气资源勘探与开发是很重要的研究领域。

1 页岩及页岩气

1.1 页岩及其分类

页岩是页理发育的泥质岩的通称，它是粒度小于0.005mm的黏土矿物和陆源碎屑组成的岩石，是一种常见的沉积岩类。页岩的矿物成分复杂，常见有黏土矿物、陆源碎屑矿物、自生矿物和有机质等。

当页岩含有较多的自生矿物及有机质时，根据自生矿物及有机质等混入物的成分及颜色将页岩分为以下5类：黑色页岩、红色页岩、碳质页岩、钙质页岩和硅质页岩。

1.2 页岩气

页岩气本质上是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，具有饱含气性、隐蔽聚集、多种岩性封闭以及相对短的运移距离，可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在、在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在［1］。国内的页岩气通常指赋存于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等特点的气体［2-3］。

与常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命周期长的特点，这是由于页岩的微隙和裂缝系统让页岩气具有“连续性”分布特征［4］。对页岩气的认识是随着实践经验的积累而变化的，聚集从仅仅局限于泥页岩发展到薄层粉砂岩甚至砂岩和碳酸盐岩。烃源岩的范围也更广泛，包括海相倾油型源岩和有机质含量中等、初始氢指数不高的泥页岩。

1.3 页岩气藏

页岩气藏具有自生自储的特点，它的生气层也是储集层。页岩的储集性能差，但由于页岩有脆性、微裂缝发育，这使得页岩气的开发有工业价值。一般页岩具有低孔低渗特点，有机碳的含量在不同的沉积环境中各不同。例如，四川盆地华蓥山红岩煤矿实测龙马溪组页岩孔隙度平均为4.83%，威远地区筇竹寺组页岩孔隙度平均为3.02%。鄂尔多斯盆地中生界陆相页岩实测孔隙度为0.4%～1.5%，渗透率为（0.012～0.653）×10-3μm2［5］。

2 页岩的地球物理特征

2.1 地震特征

地震勘探在油气勘探工作中非常重要，世界上大部分的油气田都是靠地震勘探找到的。从地震记录中提取信息，拟合成地震图，就可能推断解释地质构造的形态，含油气地层的分布等。

2.1.1 页岩地震特征的复杂性

通过上面介绍的页岩可知，自然界的页岩是非常复杂的岩石，这些复杂性表明在地震勘探中需要考虑复杂化，通常考虑的问题就是现在需要解决的问题。在地震复杂性中存在丰富的直接相关的信息，其中之一就是速度各向异性的特征。页岩本身也是一种各向异性的岩石，地层中的黏土和油母质岩导致垂向和横向的各向同性现象。地震波将快速平行和低速正常的传播到地层。

2.1.2 页岩的各向异性特征

页岩储层有很强的各向异性特征，其各向异性的强度可达30%～40%［6］。页岩的各向异性大部分表现在具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI），导致页岩各向异性特征有很多原因，如沉积环境、烃类成熟度、储层的裂缝和粒度等。各向异性特征必然会引起地震属性参数的变化，不一致的垂向和横向上排列的裂缝也会引起地震速度随激发和接收方位不同而变化。因此应用方位速度分析可以衡量出速度随方位的变化及确定方位速度各向异性属性［6］。

2.1.3 页岩的相干性特征

地震解释在页岩气藏的特征描述中扮演着重要的角色，地震的曲率和相干性特征通常用于裂缝和断层的解释［7］。

地震数据中有很重要的信息，例如叠前叠后的属性。简单的属性如相干性（图1），在德克萨市州的沃斯堡盆地有很突出的表现。更突出的标志，速度各向异性能给一个直接关于干酪根和裂缝影响的度量。相干性特征可用在方位体地震数据的裂缝描述，通过方位体数据提取各个方位的断层裂缝信息产生方位裂缝玫瑰图，可检测裂缝发育程度及方向［8］。

图1 德克萨市州的沃斯堡盆地3D地震图中沿水平方向的相干性

2.2 页岩的测井响应特征

2.2.1 测井的主要目标

地球物理测井作为一种高效的地球物理探测方法，在页岩气的勘探开发中起着重要的作用。由于页岩的矿物组成、岩石物性和渗流特征等与常规的砂岩有很大的差别，因此传统的测井方法对页岩气的勘探开发不一定完全适用。总体来说，页岩气的测井评价目标主要包括［9-11］：（1）识别页岩、矿物成分及脆性矿物含量计算；（2）确定页岩的储集厚度；（3）页岩气储层的游离气、吸附气、含气饱和度及总有机碳（TOC）、热成熟度（Ro）、天然气总量定性或者定量解释；（4）确定储集层物性，包括储集层的孔隙度、渗透率；（5）页岩的岩石力学参数，裂缝发育指标的评价。

2.2.2 测井曲线的响应特征

利用测井曲线形态特征可以直观地识别页岩气储集层，实测中页岩气储集层在测井曲线上有明显的特征响应。识别页岩气的测井方法主要是自然伽马、井径、密度、声波时差、电阻率等，此外还有元素俘获测井（ECS）、高分辨率测井和电阻率成像测井（FMI）。通过测井解释资料可以定量分析储集层的岩性，确定储集层的基本评价参数。

（1）常规测井曲线响应特征

与一般的常规储层相比，页岩的常规测井曲线响应表现有自己的特征。从测井曲线上可以看出，页岩气藏地层的井径一般出现扩井现象；自然伽马值高（图2），尤其是有机质丰富的地方（图3）；声波时差较高，有时会出现周波跳跃现象；电阻率高，地层密度中低值；中子孔隙度出现高值［12-13］。湖海相沉积的页岩测井曲线特征有一定的差异，湖相沉积的页岩声波时差和补偿中子值高于海相，无明显的高伽马值异常。

图2 不同地区的页岩伽马测井曲线对比图

图3 中国四川盆地某页岩井测井曲线图

（2）特殊测井

页岩的特殊测井可选择元素俘获能谱 (ECS)测井、偶极声波测井、成像测井等［15］。

①ECS元素测井：通过ECS测井，可以得到储层元素的含量，从而能够计算出矿物的成分。除此之外，ECS测井还可以提供评价地层各种性质、物性的参数，通过这些参数可以计算黏土矿物含量、识别沉积相等。②偶极声波测井：利用偶记声波提供的纵波时差和横波时差资料，可进行各向异性分析，判断各应力的方向，计算得出水平最大与最小地应力从而求出岩石泊松比、杨氏模量、剪切模量、破裂压力等重要岩石物理参数，进而指导页岩的压裂改造。③成像测井：成像测井包括核磁共振成像测井、光成像测井、阵列感应成像测井、偶极横波成像测井和井下声波电视等，它们都具有分辨率高、井眼覆盖率高和可视性的特点。在识别页岩的裂缝、构造特征等方面作用大，尤其在评价页岩储层裂缝的类型，储层改造上作用显著。图3为四川盆地某页岩的测井曲线，包括特殊的成像测井。

3 结 论

（1）页岩作为一种特殊的沉积岩类，其矿物组成较为复杂。页岩既是生气层又是储集层，会导致储层的地球物理特征与常规砂岩储层不同。

（2）页岩有它特殊的地球物理特征。地震特征主要表现在页岩地震的复杂性、各向异性和相干性，这些特征可以准确的识别页岩的微裂缝；测井响应特点体现在常规的测井响应特征和特殊测井响应特征。页岩的常规测井曲线响应特征表现为高伽马、高声波时差、高电阻、低密度、井径扩大等，特殊测井响应特点则表现在能够更准确的识别页岩，并能够获得更多的基础数据来计算相关参数。

（3）地球物理方法是油气勘探开发不可缺少的技术，尤其是在非常规油气资源上。不同的储层有其特有的地球物理特征，正确运用页岩的地球物理特征将会对以后的页岩气的勘探与开发起到重要的指导作用。

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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

张键(1985-)，男，重庆人，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为油气藏地质及开发。