涪陵页岩气田焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段页岩气储层地球物理特征分析

王明飞,陈 超,屈大鹏,缪志伟,肖继林,高红贤

(中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

涪陵页岩气田焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段页岩气储层地球物理特征分析

王明飞,陈 超,屈大鹏,缪志伟,肖继林,高红贤

(中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

开展了四川盆地东南部焦石坝区块奥陶系五峰组—志留系龙马溪组一段页岩气储层地球物理特征的系统性分析研究。测井资料统计分析表明,五峰组—龙马溪组一段页岩气储层具有“高自然伽马,高铀,相对高声波时差,相对高电阻率;低密度,相对低中子,低无铀伽马”的“四高三低”测井响应特征。通过井资料精细标定和地震正演模拟分析,明确了页岩气储层顶界面呈连续波谷,底界面呈连续波峰,储层内部呈中强-弱波峰的地震反射特征;波峰强弱与页岩气储层厚度及物性有关,当页岩气储层中优质页岩段(总有机碳(TOC)含量大于2%)发育时,储层底界和储层内部波峰能量变强,之间夹强波谷特征,波谷越宽,优质页岩发育厚度越大。经地震相分析，总结出表征五峰组—龙马溪组一段页岩气储层的两类地震相,其中I类地震相是物性相对较好、发育厚度较稳定的页岩气储层的地震响应,占研究区面积的63%,为最有利的页岩气勘探区。

焦石坝区块;页岩气储层;五峰组—龙马溪组;测井响应特征;地震响应特征

页岩气属于非常规天然气,主要以吸附和游离状态赋存于具有生烃能力的泥岩、页岩等地层中,具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集和低孔、低渗等特点[1-2]。随着水平井技术、压裂技术等工程技术的进步,美国“页岩气革命”取得成功,让油气勘探工作者将目光聚焦到这类非常规储层,带动了世界油气勘探在页岩气领域的发展[3]。随着对海相页岩气地质理论认识的深入,中国石油化工股份有限公司勘探分公司优选四川盆地奥陶系五峰组—志留系龙马溪组为有利勘探目标,通过勘探实践总结提炼出南方海相页岩气的“二元富集”规律[4],在页岩气工程工艺技术的有力支撑下,发现了涪陵千亿方整装页岩气田，实现了页岩气勘探的重大突破。

目前,页岩气勘探的地质研究主要集中在页岩气资源分布现状、勘探潜力、页岩气储层特征、富集类型及资源特点等方面[5-9]。国内针对页岩气储层的地球物理研究方面,李曙光等[10]开展了页岩气储集层的地球物理特征及识别方法研究,研究内容侧重于理论描述和方法探讨,未见实例佐证;李志荣等[11]总结了四川盆地南部的页岩气地震勘探工作,简要介绍了页岩气发育的地质特征、测井特征和地球物理响应特征,侧重论述了针对页岩气储层的地震资料采集与处理进展;张键等[12]研究认为页岩储层地震响应特征具有复杂性、各向异性和相干性,并详细分析了页岩储层的测井响应特征。此外，许多学者还开展了针对页岩气储层预测的地球物理方法技术应用研究,如利用叠前、叠后地震资料开展页岩储层厚度预测、TOC含量预测、脆性预测、横波速度预测等[13-17]。而美国在页岩气勘探实践中,对页岩储层的地球物理描述亦主要集中在利用叠前、叠后地震资料进行页岩气储层压力分析、甜点预测等方面[18-19]。

本文以四川盆地涪陵焦石坝区块页岩气勘探为例,通过对焦石坝区块奥陶系五峰组—志留系龙马溪组一段页岩气储层进行测井响应特征和地震响应特征的研究,系统分析和总结了研究区页岩气储层地球物理特征,以期对页岩气勘探开发提供经验认识。

1 区域地质概况

四川盆地位于扬子板块西北部,经历了多期和多个方向的深断裂活动,是一个多旋回菱形构造-沉积叠合盆地。涪陵焦石坝区块位于四川盆地川东隔档式褶皱带内,处于石柱复向斜、方斗山复背斜和万县复向斜等多个构造单元的结合部,整体位于四川盆地东部边界断裂——齐岳山断裂以西[20]。地质综合研究结果表明[21-22],焦石坝区块奥陶系五峰组—志留系龙马溪组一段地层沉积早期,整体处于深水陆棚相沉积环境,沉积环境相对稳定,发育五峰组—龙马溪组一段一亚段优质页岩气储层(TOC>2%)(图1),岩性以灰黑色含碳质放射虫笔石页岩为主,局部夹黄铁矿薄层、条带或条纹,具有高TOC含量特征;沉积晚期,沉积环境发生变化,整体处于浅水陆棚沉积环境,发育龙马溪组一段二亚段、三亚段地层,岩性以灰黑色含笔石碳质页岩、黑灰色含碳含粉砂泥页岩为主,少量层段为黑灰色含碳含粉砂泥页岩与深灰色含笔石含碳粉砂质泥岩，呈条纹状频繁韵律互层,其间夹黄铁矿薄层、条带或条纹。

图1 焦石坝区块JY1井五峰组—龙马溪组地层综合柱状图

勘探实践结果表明,焦石坝区块深水陆棚优质页岩的发育以及良好的保存条件是五峰组—龙马溪组一段页岩气藏的富集高产的主控因素,其中富有机质页岩的发育提供了关键的物质基础。因此,针对五峰组—龙马溪组一段页岩气储层,以储层的测井响应特征、地震响应特征及地震相特征分析为主要内容,开展页岩气储层地球物理特征的系统性分析研究具有明确的实际意义。

2 测井响应特征

焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段页岩气储层具有有机质含量较高、脆性矿物含量高、基质孔隙发育程度较高等特征,以焦石坝区块JY1井为例,页岩气储层段在自然伽马测井、电阻率测井、三孔隙度(声波、中子、岩性密度)测井等测井曲线上具有明显的响应特征(图2)。总体上,页岩气储层段具有“高自然伽马,高铀,相对高声波时差,相对高电阻率;低密度,相对低中子,低无铀伽马”的“四高三低”的测井响应特征,尤其是在五峰组—龙马溪组一段一亚段优质页岩气储层段,“四高三低”的特征更加明显。

图2 JY1井综合测井曲线(1in=2.54cm,1ft=0.3048m)

3 地震响应特征

3.1 储层顶、底界面地震响应特征

测井信息统计分析表明,页岩气储层段在岩性、物性上与围岩存在差异,表现出与围岩不同的地球物理特征。通过对单井页岩气储层段进行精细标定,确定储层顶、底界面的地震反射特征,对开展区域页岩气储层等时地层格架建立,以及在等时地层格架内开展页岩气储层地震相研究具有重要作用。

以JY1井五峰组—龙马溪组一段页岩气储层精细标定为例(图3),单井统计分析结果表明(表1),页岩气储层段平均密度、平均速度和平均波阻抗均较低,储层上覆地层为龙马溪组二段砂岩、粉砂岩,与储层相比,具有较高平均波阻抗,形成负波阻抗差,在井旁地震道上,页岩气储层顶界(TS1l2)呈中低频、中强振幅、较连续波谷反射特征;储层下伏奥陶系涧草沟组灰岩,与储层相比,具有较高平均波阻抗,形成正波阻抗差,在井旁地震道上,页岩气储层底界面(TO3w)呈中低频、强振幅、连续波峰反射特征;储层内部由于龙马溪组一段二亚段页岩中粉砂质含量较高,形成中强-弱波峰反射特征。

连井地震剖面标定结果表明,页岩气储层段顶、底界面反射特征清晰,连续性好,分布稳定,在区域上易对比追踪(图4)。

3.2 储层地震响应特征

由工区勘探井揭示的地层厚度、速度、密度、TOC等统计分析结果(表2)可知,龙马溪组一段页岩气储层3个亚段中,五峰组—龙马溪组一段一亚段储层品质最好,龙马溪组一段二亚段和三亚段次之。龙马溪组一段一亚段具有沉积厚度稳定(平均厚约40m),低密度,相对低速,高TOC含量特征(平均TOC含量达3.53%);龙马溪组一段二亚段以粉砂质页岩为主,速度、密度相对较高,TOC含量较低,厚度为13～25m;龙马溪组一段三亚段以灰黑色含笔石碳质页岩为主,厚度为27～34m。

五峰组—龙马溪组一段页岩气储层内部不同亚段厚度、物性的差异,导致储层具有不同类型的地震响应特征。综合页岩气储层的地质特征和焦石坝三维地震资料上的实际波组特征,以焦石坝区块统计的平均速度及平均密度为基础,设计不同地震正演模型,对储层地震响应特征进行详细研究。

3.2.1 厚度变化的影响

在地震勘探中,λ/8被认为是纵向分辨率的基本极限值[23],焦石坝区块地震资料主频为30Hz,可计算得到五峰组—龙马溪组一段地层极限分辨率为16m。勘探井统计资料表明,页岩气储层各亚段厚度大部分大于16m。因此,在假设地层物性不变的条件下,正演模拟可以较好地反映储层厚度变化时的地震响应特征。

图3 JY1井页岩气储层精细标定结果

表1 JY1井页岩气储层段与围岩波阻抗统计

井段平均速度/(m·s-1)平均密度/(g·cm-3)平均波阻抗/(g·cm-3·m·s-1)平均波阻抗差/(g·cm-3·m·s-1)龙马溪组二段48282．6112600五峰组—龙马溪组一段40312．5810400奥陶系涧草沟组58302．7115800-22005400

图4 JY1井-JY4井连井地震剖面

表2 焦石坝区块五峰组—龙马溪组地层参数统计结果

地层JY1井JY2井JY3井JY4井组段亚段厚度/m平均速度/(m·s-1)平均密度/(g·cm-3)平均TOC含量，%龙马溪组二一三二一五峰组涧草沟组34．042．550．050．027．034．034．031．525．022．024．513．033．036．036．532．54．56．07．07．048882．65438832．6361．5242052．6421．6540002．5593．5358782．743

将统计得到的平均速度及密度参数(表2)用于正演模拟。首先,考虑焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段一亚段优质泥页岩厚度分布稳定,在地震正演分析中,设计其厚度为40m,分别进行龙马溪组一段二亚段、三亚段厚度由25m减薄至0的地震正演分析(图5a,图5b);其次,考虑龙马溪组一段二亚段、三亚段沉积厚度稳定为25m,进行五峰组—龙马溪组一段一亚段优质泥页岩厚度由零逐渐增大的正演模拟分析(图5c)。地震正演模拟结果表明,当五峰组—龙马溪组一段页岩气储层厚度减薄时,可导致储层内部波峰由强变弱到消失的响应特征,当五峰组—龙马溪组一段一亚段优质页岩储层厚度逐渐增大时,储层内部波峰反射强度增加,页岩气储层底界(TO3w)之上的波谷逐渐变宽。

3.2.2 物性变化的影响

在页岩气储层厚度变化正演分析的基础上,研究了页岩气储层物性变化时的地震响应特征。在正演分析中,假设五峰组—龙马溪组一段一亚段优质页岩气储层厚度为40m且物性稳定不变,分析二亚段及三亚段厚度稳定为25m,而物性变化时引起的储层地震响应特征变化。

研究五峰组—龙马溪组一段三亚段物性变化对储层地震响应特征变化的影响,设定三亚段页岩的地层速度和密度横向上向一亚段优质页岩气储层段的速度和密度渐变(图6a)。正演模拟结果显示,储层内部波峰能量由弱变强,表明波峰能量强弱与三亚段页岩段物性变化有关,三亚段页岩物性变好时波峰略有增强;但是,与储层厚度变化的地震响应特征模型相比,龙马溪组一段一亚段优质页岩气层的强波谷响应特征不变。

研究五峰组—龙马溪组一段二亚段物性变化对储层地震响应特征变化的影响,设定二亚段粉砂质页岩初始速度、密度值分别为4205m/s和2.642g/cm3,随着其物性横向上变好,速度、密度值与一亚段相当时(图6b),储层内部波峰反射减弱至消失,但是,龙马溪组一段一亚段优质页岩气层中强波谷反射特征依然稳定连续分布。

图5 五峰组—龙马溪组一段页岩气储层厚度变化正演模型与模拟结果

图6 五峰组—龙马溪组一段页岩气储层物性变化正演模型与模拟结果

综上正演分析结果,五峰组—龙马溪组一段页岩气储层总体表现为两中强波谷夹一中强-弱波峰的地震反射特征,储层厚度和物性的变化都会引起储层内部地震响应特征的变化,但是,五峰组—龙马溪组一段一亚段优质页岩气储层的地震响应特征的变化不大,表现为五峰组底界(TO3w)强波峰上部连续中强波谷的特征,波谷越宽,优质页岩发育厚度越大。

3.3 地震相特征

在页岩气储层地震响应特征研究的基础上,基于页岩气储层在实际三维地震资料上的反射特征,运用人工神经网络技术和聚类的分级、分类统计技术,实现地震道多属性数据体在等时地层格架约束下的地震相分析。地震相分析结果表明,焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段页岩气储层地震相主要分为两类(图7)：I类地震相表现为中低频、两波谷夹中强波峰(底部波谷宽,上部波谷较窄),整体呈中强振幅,连续性较好的反射特征,储层地震响应特征研究表明,该类地震相是物性相对较好、发育厚度较稳定的页岩气储层的地震反射特征,主要分布于研究区中东部,面积较大,占研究区63%,为有利的页岩气勘探区;II类地震相表现为中低频、两波谷夹弱波峰或单强波谷(波峰消失)的反射特征,是页岩气储层厚度和物性发生变化时引起的地震反射,主要分布于研究区西部及北部局部区域,面积占研究区37%,为较有利的页岩气勘探区。

沉积相变化是引起地震相变化的主要原因。地质研究成果表明[21-22],焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段下部地层沉积时期,整体处于深水陆棚相沉积环境,页岩成藏的地质条件优越,优质页岩气储层发育且稳定分布;后期由于龙马溪组一段上部沉积环境发生变化,处于浅水陆棚沉积环境,沉积环境相对不稳定,引起上部页岩气储层发育厚度和物性变化,导致了五峰组—龙马溪组一段页岩气储层地震响应特征和地震相发生变化。受区域沉积相变化控制,综合储层地震响应特征及地震相分析,表明焦石坝区块页岩气储层垂向上辨识度高,横向上具有大面积连片分布的特点,展现出研究区页岩气储层优越的时空展布特征和勘探潜力。

图7 五峰组—龙马溪组一段地震相综合分析结果

4 结论与认识

1) 焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段页岩气储层具有“高自然伽马,高铀,相对高声波时差,相对高电阻率;低密度,相对低中子,低无铀伽马”的“四高三低”测井响应特征;

2) 焦石坝区块五峰组—龙马溪组页岩气储层顶界面(TS1l2)呈中低频、中强振幅、较连续波谷反射特征,底界面(TO3w)呈中低频、强振幅、连续波峰反射特征;

3) 焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段页岩气储层总体表现为两波谷夹一波峰反射特征,当页岩气储层稳定分布时,储层内部表现为中强波峰反射,中强波峰与储层底界(TO3w)之间表现为连续中强波谷的地震反射特征,波谷越宽,优质页岩发育厚度越大;

4) 焦石坝区块五峰组—龙马溪组一段可识别出两类表征页岩气储层的地震相,其中I类地震相是物性相对较好、发育厚度较稳定的页岩气储层反射地震相,分布占全区面积的63%,为最有利的页岩气勘探区。沉积相的变化是引起储层地震相变化的主要原因,综合地质、测井、储层地震响应特征及地震相分析,表明研究区页岩气储层垂向上辨识度较高,横向上具有大面积连片分布的特点。

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(编辑：顾石庆)

The geophysical characteristics of shale gas reservoir from Wufeng member to Longmaxi member in Jiaoshiba block of Fulin shale gasfield

Wang Mingfei,Chen Chao,Qu Dapeng,Miao Zhiwei,Xiao Jilin,Gao Hongxian

(SinopecExplorationCompany,Chengdu610041,China)

The geophysical characteristics of shale gas reservoir was systematically analyzed and summarized for Ordovician Wufeng member to Silurian Longmaxi member in Jiaoshiba block,southeast of Sichuan basin.Firstly,from the statistics of logging curves,the logging response characteristics was determined.Secondly,through fine calibration from well data and geophysical forward simulation,the top interface responses of shale gas reservoir showed as the continuous wave trough and the bottom interface responses showed as the continuous wave peak.The seismic responses from the internal reservoir showed as the medium,strong-hard peaks.The strength of peaks was associated with the formation thickness and physical properties of shale gas reservoir.If the quality shale section(TOC>2%)developed in the reservoir,the strength of wave peaks from the bottom interface and internal reservoir will become strong as well as sandwiching a strong wave trough.The wider the wave trough is,the thicker the quality shale is.At last,two types of seismic facies for the shale gas reservoir of Wufeng member-Longmaxi member were summarized.The seismic facies Type I was seismic response from the shale gas reservoir with the relatively better physical properties and stable formation thickness,taking up 63% of target area,as the most favorable shale gas exploration area.

Jiaoshiba block,shale gas reservoir,Wufeng member-Longmaxi member,logging response characteristics,seismic response characteristics

2014-11-12;改回日期：2015-02-13。

王明飞(1986—),男,硕士,工程师,现主要从事非常规油气地球物理方面的研究工作。

P631

A

1000-1441(2015)05-0613-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.014