地球物理技术在页岩气勘探开发中的应用

2013-08-15高琼瑶张明升周新锋

地下水 2013年5期

关键词：测井反演页岩

高琼瑶，张明升，周新锋

(1.西北大学地质学系，陕西西安 710069;2.陕西省地矿总公司综合勘察分公司，陕西渭南 714000)

地球物理技术在页岩气勘探开发中的应用

高琼瑶1，张明升1，周新锋2

(1.西北大学地质学系，陕西西安 710069;2.陕西省地矿总公司综合勘察分公司，陕西渭南 714000)

我国页岩气资源潜力巨大，勘探开发一旦突破并形成产能，必将缓解中国油气资源紧张的压力。地球物理技术是进行油气勘探开发的有效技术，页岩气作为非常规油气资源，其富集并不形成类似于常规油气的圈闭，属于“自生自储”型低丰度连续性油气藏。在勘探开发过程中，有着不同的评价标准、工作流程和技术流程。通过分析测井技术在页岩气储层参数评价、裂缝识别及地震技术在页岩含气性检测、裂缝预测方面的应用，指出形成适合我国地质特点的页岩气勘探开发地球物理技术是解决页岩气评价关键地质要素的有效手段。

页岩气;勘探开发;测井评价技术;地震技术;地震预测及监测技术

2020年我国天然气供需差距预计在80×108m3以上，页岩气作为一种清洁能源，具有开采寿命长的优点，一旦突破形成产能，必将对缓解中国油气资源紧张的压力产生重大深远的影响。页岩气作为非常规油气资源，其富集不形成类似于常规油气的圈闭，存在局部富集的差异，没有明显的边界，属于“自生自储”型的低丰度连续性油气藏，在勘探开发过程中，有着不同的评价标准、工作和技术流程。因此，需要结合页岩气勘探开发的实际情况，认真审视常规油气勘探开发中发挥巨大作用的地球物理技术的定位，分析地球物理技术在页岩气勘探开发中的作用［1－4］。

1 地球物理技术在页岩气勘探开发中的应用

结合美国页岩气勘探开发的成功经验，蒋裕强(2010)等提出了评价页岩气的8大关键地质要素:包括有机质丰度、成熟度，岩样埋深、厚度，含气性、力学性质、物性、矿物成分。这8大地质要素基本涵盖了页岩气从资源评价、储层识别到储层改造、有效开发所涉及到的关键技术。本文作者认为地球物理技术是解决页岩气评价关键地质要素的有效手段［5］。

在勘探阶段，针对页岩气资源评价和核心区选择，需要落实页岩气藏的富集规律。页岩气藏的特征、形成机理与常规气藏迥然不同，控制页岩气藏富集程度的关键要素主要包括页岩厚度、有机质含量和页岩储层空间(孔隙、裂缝)［4，6］。页岩层在区域内的空间分布状况是保证有充足的储渗空间和有机质的重要条件，而地球物理技术是探测页岩气空间分布的最有效、最准确的预测方法。除了通过岩心实验分析有机质丰度、成熟度及物性等参数外，测井评价更是重要的手段。地震技术在测井的基础上进行区域预测，可为资源评价和页岩气开发核心区的优选奠定基础。

在开发阶段，应用地球物理技术对储层物性，特别是裂缝等各向异性特征进行精细刻画，为储层改造提供帮助。应用地震技术可以准确描述页岩的矿物组成、脆性以及力学性质和天然裂缝的分布等关键地质因素。例如通过监测和记录微地震事件，实时提供压裂过程中产生的裂缝位置、方位、大小以及复杂程度，评价增产方案的有效性，并优化页岩气藏多级改造方案［4］。

2 页岩气测井评价

我国目前急需对页岩气储层参数评价技术，特别是裂缝识别及定量评价技术进行攻关，建立页岩气测井识别和评价标准，并在生产中推广应用;关于页岩气储层含气性参数评价技术除了要攻关研究形成生产力，还需针对页岩气储层含气的复杂性建立一些新的含气性识别和评价技术，以满足勘探开发的需要。此外，要超前研究井震综合预测评价技术［7－8］。

2.1 含气页岩储层的测井识别

页岩气与常规气一样，是不导电介质，具有密度值很小、含氢指数低、传播速度慢等物理特性。与普通页岩相比，页岩气中有机质含量、放射性元素铀含量比较高，干酪根密度较低，通常介于0.95～1.05 g/cm3之间。含气页岩测井响应为“四高两低”特征，即高伽马、高电阻率、高声波时差、高中子孔隙度，低密度、低光电效应。

2.2 总有机碳(TOC)含量、热成熟度(Ro)指标

干酪根的形成多是在一个放射性元素铀含量比较高的还原环境，因此自然伽马曲线出现高值。利用自然伽马测井，通过ECS测井测得自然伽马能谱分析钾、铀、钍主要元素的丰度，定量确定总有机碳的含量;中子—密度法可以指示镜质体反射率(Ro)。

2.3 页岩裂缝参数评价

微电阻率扫描成像测井和核磁共振测井对天然缝、诱导缝以及断层等都有着良好的分辨能力。压裂后裂缝识别评价可采用井温测井、同位素测井或交叉偶极横波测井来识别评价裂缝高度和长度。

2.4 页岩储集层物性参数评价

页岩气储层物性参数主要有孔隙度、渗透率、含油饱和度等。补偿声波和长源距声波、补偿中子、体积密度是评价孔隙度的有效手段，并可根据QFM模型由ECS测得的元素含量，换算有关骨架参数的方法(Michael，2002)来计算含气页岩的孔隙度;目前通常用自然电位、自然伽马能谱、微电极、CMR核磁共振测井等来评价页岩储层渗透率;而含气饱和度则是利用双侧向、感应测井、CMR核磁共振测井等来估算。另外还可根据等温吸附曲线和测井得到地层温度、压力计算地层的吸附气含量，在精确得到黏土矿物含量及其类型和地层孔隙度的基础上，计算游离气饱和度。

2.5 页岩岩矿组成测定

ECS元素俘获能谱测井是一种很好的方法，其ECS探头应用中子感生的俘获自然伽马能谱测定矿物硅、钙、硫等的含量，可以获得准确的地层成分评价结果，包括黏土、石英、长石和云母等［9］。

2.6 页岩岩石力学参数计算

根据声波扫描测井、中子密度、成像测井来综合计算岩石弹性参数(泊松比、杨氏模量)，确定地层应力和最大主应力方位。

2.7 发展水平井随钻测井系统(MWD)

随钻测井可在水平井整个井筒长度范围内进行自然伽马、电阻率、成像测井和井筒地层倾角分析，能够实时监控关键钻井参数、进行控制和定位，将井数据和地震数据进行对比，避开已知有井漏问题和断层的区域。及时提供构、地层、力学特性等信息，将天然裂缝和钻井诱发裂缝进行比较，用于优化完井作业、帮助作业者确定射孔和气井增产的最佳目标［7］。

3 页岩含气性检测

页岩储层的含气量决定页岩气开发是否具有商业价值，含气性检测直接决定页岩气的勘探开发部署。利用地震技术对页岩储层进行含气性检测，目前可以尝试使用叠后波阻抗反演、叠前AVO反演、叠前弹性阻抗反演和频谱分解技术。

3.1 叠后波阻抗反演

叠后反演的基础是褶积模型，通过压缩子波的反褶积处理，将地震数据转换为近似的反射系数序列，然后再由反射系数序列得到波阻抗剖面。随着页岩层含气量的增大，储层体积密度和层速度降低，从而导致波阻抗值减小。在页岩层地质模型约束下拾取页岩层波阻抗数据可以反映储层的含气性，因此叠后波阻抗反演是预测储层含气性的有效手段。

3.2 叠前AVO反演

对于页岩气富集的储层，可导致储层体积密度减小、弹性波速度降低，同时对弹性模量、泊松比等含气性检测参数具有明显的影响，AVO叠前反演依据岩石物理学理论和振幅随偏移距变化理论最终导出泊松比、拉梅常数、体积模量、切变模量和杨氏模量等弹性参数，反映地下介质的岩性和孔隙流体性质，可对页岩气储层的含气性做出预测。

3.3 叠前弹性阻抗反演

叠前弹性阻抗反演是弹性阻抗函数对声波阻抗概念的推广，它是入射角的函数。声波阻抗是弹性阻抗入射角为0°时的特例，它不仅具有叠后波阻抗反演的优点，而且还弥补了叠前AVO反演技术稳定性和分辨率较低的不足，同时弹性阻抗较波阻抗包含更多的岩性和物性信息，增强了反演技术预测和描述页岩气储层的能力。

3.4 频谱分解技术

频谱分解技术的主要依据是含油气储层的高频吸收特性，即当地震波经过含油气储层时，其高频成分能量衰减较地震波通过不含油气储层时严重，在频谱分解技术与常规AVO反演技术基础上，综合两种方法各自的优势，产生了分频AVO技术与频变AVO技术。

4 页岩裂缝预测

在页岩气勘探开发中，天然裂缝起到了至关重要的作用。裂缝可增加页岩气储集空间，改善页岩极低的基质渗透率，有助于页岩层中游离态天然气体积的增加和吸附态天然气的解析;裂缝也是力学上的薄弱环节，增加了页岩气储层压裂处理的有效性。

4.1 曲率、相干、方差等多属性裂缝检测技术

曲率是反映某一曲线、曲面弯曲程度的参数。曲面的构造主曲率越大，就越弯曲，就越容易产生裂缝，因此构造主曲率在一定程度上反映了裂缝的分布;地震相干体与方差体技术是研究三维数据体中相邻地震道地震信号之间相似性和不连续性特征的解释技术，该技术充分利用三维数据体信息，突出那些不相干或不连续的地震数据，所以对以上方法的综合分析研究，可预测含气页岩裂缝密度、方位、强度及地层最大水平主应力方向等。

4.2 各向异性检测技术

LeonThomsen(1986)等人通过研究认为，所有沉积地层在地震波尺度上都表现为弱各向异性。这种弱各向异性与地层的骨架颗粒的定向排列和颗粒间的裂隙发育程度有关，裂隙越发育，所表现出来的各向异性越强。

可利用叠前地震道数据，通过方位角速度分析技术检测页岩气储集层裂缝发育方向与密度;地震反射振幅随方位角的变化可预测裂隙分布特征，方位AVO技术在不同的方位角范围内对地震资料进行AVO分析，再根据不同方位角范围内所得的AVO属性值的变化规律计算出地层的裂隙发育程度。

4.3 转换横波分裂技术

转换横波在裂缝介质中依其入射方位与裂隙走向的相对关系发生不同的分裂情况，分裂快慢波的强弱和时差与裂缝的强度密切相关。因此，利用多波多分量地震勘探分裂快慢横波，采用相对时差梯度法等可研究页岩气储集层裂缝方向及其发育程度［13－17］。

5 页岩气井中地震技术

井中地震技术是在地面地震技术基础上向“高分辨率、高信噪比、高保真”发展的一种地球物理手段，在油气勘探开发中，可将钻井、测井和地震技术很好的结合起来，为联系钻测井资料和地面地震资料对储层进行综合解释。

5.1 微地震监测技术

微地震监测是一种用于油气田开发的新地震方法，该方法优于利用测井方法监测压裂裂缝效果，在压裂施工中布置或布设井下地震检波器或地面常规地震检波器，监测地下岩石破裂所产生的微地震事件，记录由岩石剪切造成的微地震或声波传播情况。通过处理微地震数据确定压裂效果，实时提供压裂施工过程中所产生的裂缝位置、方位、大小及复杂程度，优化页岩气藏多级改造的方案［18］。

5.2 其他井中地震技术

由 Zero － Off set VSP、Offset VSP、Walkaway VSP、Walkaround VSP逐步发展到3D VSP技术，都是较为成熟的井中地震技术。其中，3D VSP技术和微地震采集配套施工配合监测储层改造人工裂缝发育分布状况是国外石油大公司的通常做法。3D VSP、P－P和P－S成像用于陆上构造解释，可大大改善纵、横向分辨率和断裂系统分辨率。此外，四维地震可用于检测在生产过程中随着温度压力变化页岩气的变化情况，以助页岩气开发优化开采。井驱动地震数据处理是一种提高地震数据处理水平和质量的手段，也是发展趋势。