基于地震波多尺度吸收属性的页岩气识别方法

徐天吉，曹　伦，程冰洁，闫丽丽，唐建明（1.中国石化a.西南油气分公司勘探开发研究院，b.多波地震技术重点实验室，c.西南油气分公司，成都610041；2.成都理工大学a.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，b.地球科学学院，成都610059；3.成都信息工程学院气象信息与信号处理四川省高校重点实验室，成都610225）



基于地震波多尺度吸收属性的页岩气识别方法

徐天吉1a，1b，曹伦2a，3，程冰洁2a，3，闫丽丽2b，唐建明1b，1c
（1.中国石化a.西南油气分公司勘探开发研究院，b.多波地震技术重点实验室，c.西南油气分公司，成都610041；2.成都理工大学a.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，b.地球科学学院，成都610059；3.成都信息工程学院气象信息与信号处理四川省高校重点实验室，成都610225）

摘要：在对地震信号进行连续小波变换的基础上，采用多尺度吸收属性描述地震波在含气性良好的优质页岩中传播时产生的能量衰减异常现象，建立新的页岩气识别方法，并通过理论分析与模型实验证实了该方法的科学性和有效性。将该方法应用到井研—犍为地区筇竹寺组页岩气识别中，获得了与实钻情况较吻合的应用效果。

关键词：地震波；多尺度吸收属性；页岩气；识别方法

Shale Gas Identification Based on Multi⁃Scale and Absorption Attributes of Seismic Wave

XU Tianji1a,1b, CAO Lun2b,3, CHENG Bingjie2a,3, YAN Lili2b, TANG Jianming1b,1c
(1. Sinopec, a.Research Institute of Exploration and Development, Southwest Oil⁃Gas Field Company,b.Key Laboratory of Multi Components Seismic Technology, c. Southwest Oil⁃Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 610041, China;2.Chengdu University of Technology, a.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, b.College of Earth Science, Chengdu, Sichuan 610059, China; 3.Meteorological Information and Signal Processing Key Laboratory of Sichuan Higher Education

Institutes, Chengdu University of Information Technology, Chengdu, Sichuan 610225, China)

Abstract:On the basis of continuous wavelet transform of seismic signals, this paper describes the energy attenuation abnormal phenome⁃na caused by seismic wave propagation in gaseous high⁃quality shales using multi⁃scale absorption attributes, by which the new shale gas identification approach is presented and verified by theoretical analysis and model experiment in terms of scientificity and effectiveness.The case study of the shale gas identification of Qiongzhusi formation in Jingyan⁃Qianwei area shows that the applied result is closed to the real drilling data.

Keywords:seismic wave; multi⁃scale absorption attribute; shale gas; identification approach

地震波在地下介质中传播会产生能量衰减，其中，岩石骨架引起的能量衰减与岩性和频率相关，而孔隙流体引起的能量衰减仅与频率相关[1]。地震波的这种传播特性被称为地震波的吸收属性，已经被广泛应用于油气勘探开发领域，如岩性判别[2-3]、含油气性识别[4-7]、裂缝预测[8-9]、渗透性预测[10-11]等。笔者于2008年提出了地震波多尺度吸收属性的概念[5]，它是揭示地震波能量衰减的一种新计算方法，主要利用小波函数在时间域和频率域均具有较高分辨率的优势，克服了常规方法提取吸收属性过程中受计算时窗影响的局限，已经在致密砂岩气藏和碳酸盐岩气藏的勘探开发中取得了良好的应用效果[4-6]。

页岩样品的实验测试及分析表明，地震波在页岩中传播时也产生能量衰减，其速度、频率、衰减系数等与页岩的层理、孔隙度、渗透率、应力状态等密切相关[12-15]。地震波在页岩中的衰减机制与砂岩、碳酸盐岩不同，文献［16］认为，页岩的黏弹性是导致地震波衰减的主要原因，而影响页岩黏弹性的因素主要包括岩石矿物成分、孔隙流体、地层温度、地层压力等。可见，页岩气与常规油气藏的地震波吸收属性类似，可以利用地震波的吸收属性描述页岩物性变化及油气充填特征。本文基于地震波的多尺度吸收属性计算方法，以四川盆地井研—犍为地区筇竹寺组页岩地层含气性识别为例，阐述页岩气的地震反射同相轴特征、频变响应及多尺度吸收属性特征，旨在为我国页岩气勘探开发事业提供地球物理方法借鉴。

1　地震波的多尺度吸收属性

地震波频率与地震波传播能量的关系十分密切，然而，目前尚无明确描述地震波频率与能量的解析表达式。2007年，笔者利用小波定义式（（1）式）良好的时间域与频率域局部化特征[17]，对文献［18］提出的振幅公式（（2）式）进行了小波变换。

在地震波的振幅和主频已知的前提下，利用（3）式计算出小波尺度σ和相应的小波变换系数F（Aσ，τ），将F（Aσ，τ），σ和ω0代入（4）式，就能计算出品质因子Q.Q是反映地震波能量衰减程度的参数，Q越大，能量衰减越小；反之，则衰减越大。小波尺度σ与角频率ω0呈反比。因而，利用不同的小波尺度σ就能计算出不同频率下的品质因子Q，获得不同频率下地震波的能量衰减特征。

页岩中总有机碳含量和天然气含量较高时，岩石密度降低，黏弹性增强，地震波的传播速度降低，能量衰减发生异常。据此，将地震波的多尺度吸收属性推广应用到非常规页岩储层的含气性识别中。

如表1所示，①层、②层和⑥层为泥岩，③层、④层和⑤层为页岩，⑦层为孔隙度为4%的含气页岩。正演模拟时，以主频为25 Hz的瑞克子波为震源，利用道间距5 m的观测系统，以采样率1 ms进行采样，由于含气页岩的波阻抗比上覆页岩和下伏页岩的低，地震记录呈现出相对较强的反射同相轴（图1）。在图1粉红色框中，红—黄色为提取的地震波多尺度吸收属性强值异常。该异常区域与地质模型中含气页岩空间位置吻合良好，表明地震波经过含气页岩传播后，产生了强烈的能量吸收衰减，地震波的多尺度吸收属性能够用于页岩含气性识别。

表1　正演地质模型及地层参数

图1　正演地震记录及多尺度吸收属性

2　四川盆地井研—犍为地区筇竹寺组页岩含气性识别

2.1地质概括

四川盆地下寒武统、上奥陶统、下志留统、二叠 系、上三叠统和中—下侏罗统各发育一套主要烃源岩 层系[21-22]。其中，四川盆地南部地区的下寒武统筇竹 寺组为主力烃源岩。桐湾运动造成震旦系灯影组顶 部剥蚀，筇竹寺组底部与灯影组不整合接触，顶部与 沧浪铺组整合接触[23]

井研—犍为地区构造上位于四川盆地川西南低陡带，构造平缓，沉积较稳定，筇竹寺期为川南深水陆棚沉积环境，富有机质页岩（总有机碳含量大于2%）广泛发育，埋深约3 000 m，厚度40～100 m，脆性矿物平均含量大于60%，裂缝和微孔隙发育，平均镜质体反射率3.26%[23]。研究区内JY1井、JS1井等钻井成功获得工业气流，进一步揭示了筇竹寺组优质页岩良好的含气性及广阔的油气勘探开发前景。

2.2页岩地层的地震反射同相轴特征

井研—犍为地区的二维地震资料能够观察到页岩地层的地震响应特性。受围岩与页岩地层的物性、总有机碳含量、含气性、脆性矿物含量等因素的影响，筇竹寺组页岩地层的地震同相轴整体较强、反射波组较稳定，主频约40 Hz，频宽10～75 Hz.自然伽马（图2中绿色曲线）较高的部分，对应着相对较优质的页岩地层（图2中红色线），也对应着较强的地震反射同相轴（图2）。

图2　过JY1井二维地震记录及页岩地层地震响应特征

优质页岩储层受岩石骨架、孔隙度、孔隙流体、有机质成分等多种因素的影响，较非优质页岩的密度更小，纵波速度更慢，纵波阻抗低值异常，为识别筇竹寺组黑色优质页岩和粉砂质页岩提供了依据。与上覆沧浪铺组和下伏灯影组相比，筇竹寺组（图2中粉色框）纵波阻抗整体较低，尤其在优质页岩层段，纵波阻抗低值特征非常明显（图3）。因此，在地震强反射同相轴和纵波阻抗低值叠合区，发育优质页岩的概率更高。

图3　过JY1井地震记录与纵波阻抗叠合剖面

筇竹寺组优质页岩地层具有强瞬时振幅特征（图4a），由于瞬时振幅是地震反射强度的度量，反映地震波能量发生了很大变化，突出了该段页岩地层地震反射同相轴振幅强、与上下围岩波阻抗差异大的特殊响应。同时，具有相对较高的瞬时频率（图4b），说明筇竹寺组页岩地层厚度较大且分布稳定，而且在优质页岩地层，低值、中—高值瞬时频率变化不明显，显示了页岩地层岩性变化不明显、地层结构稳定的特征。

综合地震反射同相轴、纵波阻抗、瞬时振幅、瞬时频率等信息，可以预测研究区筇竹寺组优质页岩地层以厚度较大、连续性较好的黑色富有机质页岩为主，为气藏的最终形成提供了烃源岩和良好的保存条件。

2.3优质页岩储层的地震频变响应

受页岩的有机组分（有机碳、残碳等）和无机组分（泥质、石英、白云石、黄铁矿等）影响，构成页岩的骨架包括无机骨架和有机骨架，孔隙也相应的包括无机孔隙和有机孔隙。地震波在页岩中传播时，影响其频率的不仅包括无机骨架和无机孔隙流体，还包括有机骨架和有机孔隙流体。可见，页岩地层对地震频率的响应具有鲜明的特点。过JY1井地震记录的分频属性显示，30 Hz低频和60 Hz高频剖面中，筇竹寺组页岩地层地震波能量很弱；而在40 Hz和50 Hz的中高频剖面中，筇竹寺组页岩地层地震波能量很强（图5）。由此可见，随着频率的变化，页岩地层中地震波能量也产生变化，此即为页岩地层的地震频变响应，可用于页岩地层的识别。

图4　过JY1井地震记录与瞬时属性叠合剖面

研究区筇竹寺组优质页岩地层地震波能量主要集中在35～55 Hz（图6），该频带可视为研究区优质页岩的敏感频带（图6）。在敏感频带范围内，地震波的低频段能量较弱、较高频段能量强，这就是研究区筇竹寺组优质页岩的频变响应特征。

JY1井沧浪铺组地震波强能量对应了较宽的频带，中心频率约25 Hz；筇竹寺组及下伏灯影组地震波强能量对应的频带相对较窄，筇竹寺组中心频率约40 Hz，灯影组中心频率约35 Hz.在筇竹寺组内，优质页岩地层地震波能量最强，中心频率约45 Hz，频变响应特征更加鲜明（图7）。

2.4基于多尺度吸收属性识别页岩含气性

优质页岩中地震波较强的能量衰减现象可以用多尺度吸收属性进行描述，利用该属性可以反推页岩中总有机碳含量、密度、黏弹性的变化，进而实现页岩地层中含气量的预测。

图8显示地震反射较强的优质页岩层段出现了较强的多尺度吸收属性异常现象。该异常分布范围与图3中纵波阻抗低值范围重叠较多，说明在该异常范围内的页岩密度和地震波传播速度相对较低。可以推测，由于页岩中总有机碳含量较高，在一定的热成熟度和生物化学作用下发生分解、降解、转换等物理化学反应，产生天然气、其它烃类和残碳，页岩中孔隙扩大或增多、孔隙压力和含气总量不断增加，增加了吸附气向游离气转换及运移成藏的概率，也导致了优质页岩地层密度和速度的显著降低、地震反射同相轴的增强。对比图5和图8，前者所示地震频变响应较强的优质页岩地层分布范围与后者所示多尺度吸收属性强异常的分布范围（红色）基本重合，说明该范围内优质页岩含气量可能最高，而其他区域（黄色）则相对较低。

图5　过JY1井地震记录的分频属性

图6　JY1井筇竹寺组优质页岩地层地震频变响应

图7　JY1井筇竹寺组地震频变响应

图8　过JY1井地震记录及多尺度吸收属性叠合剖面

基于井研—犍为地区的地质概况、地震反射特征、优质页岩的地震频变响应和多尺度吸收属性异常现象等信息（图2—图8），能够实现综合分析和实际钻井结果对比验证。研究区内筇竹寺组页岩地层具有较强的地震反射同相轴和较低的纵波阻抗特征，优质页岩储层具有更低的纵波阻抗和更强的地震频变响应，含气性较好的优质页岩储层可以观测到较强的多尺度吸收属性异常现象。这些异常现象分布较广泛，预示了研究区良好的天然气勘探开发前景。这些认识与JY1井的岩性、物性、含气性、天然气产量（约6×104m3/d）等实际钻井情况吻合良好。

3　结论

（1）页岩气属于自生自储的非常规气藏，其骨架矿物组分、孔隙流体等特征决定了地震波在其中的传播速度、能量、频率等属性将产生特殊响应。基于此，结合自然伽马测井、地质等信息，能够有效地识别页岩及优质页岩储层。

（2）地震波在优质页岩中传播时，受页岩基质颗粒的摩擦、孔隙流体对频率的吸收等黏弹性因素影响，将产生强烈的多尺度吸收属性异常现象，为优质页岩的含气性识别提供了依据。

（3）井研—犍为地区筇竹寺组页岩气的识别应用实例表明，页岩地层地震反射同相轴较强、连续性好、波阻抗低，优质页岩地层波阻抗更低、频变响应特征显著，在含气性良好的优质页岩储层中可以观察到强烈的地震多尺度吸收属性异常现象。对比分析研究区内钻井实际情况，证实了利用这种异常现象识别页岩含气性是可行的。

符号注释

A（ω，0）——零时刻地震波的振幅；

A（ω，t）——t时刻地震波的振幅；

c——常数；

FA（σ，τ）——小波变换系数；

Q——品质因子；

t——时间，s；

τ——时间平移参数，s；

σ——小波尺度；

ω0——角频率，rad/s；

ω——角频率，rad/s；

ψσ，τ（t）——小波函数ψ(t)在时间轴上伸缩σ与平移τ后的新函数；

ψ（t）——高静怀等修正后的Morlet子波；

ψ*——ψσ,τ(t)的共轭复数。

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（编辑潘晓慧杨新玲）

作者简介：徐天吉（1975-），男，四川射洪人，高级工程师，地球物理勘探，（Tel）18583378166（E-mail）xu_tianji@126.com.

基金项目：国家自然科学基金（41574099）；国家863项目（2013AA064201）

收稿日期：2015-02-11

修订日期：2015-11-24

文章编号：1001-3873（2016）01-0041-05

DOI：10.7657/XJPG20160108

中图分类号：P631.445.8

文献标识码：A