海相页岩含气量地震定量预测方法研究——以川南长宁地区为例

马 波 黄天俊 邹定永 吕 龑 何昌龙

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2.页岩气评价与开采四川重点实验室

页岩含气量是页岩气的富集体现，也是评价页岩气储层最重要的参数之一。页岩气主要由吸附气和游离气组成，其大小影响因素较多，包括孔隙、裂缝、含气饱和度、地层压力、地层温度、总有机碳含量等[1-3]。页岩含气量的地震定量预测方法较多，如通过叠前密度反演预测总有机碳，再通过总有机碳实现页岩含气量的定量预测[4]；或者通过叠前密度反演预测总有机碳，再利用速度反演来预测地层压力系数，最后建立总有机碳、地层压力系数与含气量的关系来预测页岩气储层的含气量[5]。这些技术均先预测总有机碳再预测含气量，预测精度有限。笔者提出了通过岩石物理实验及敏感参数分析技术寻找与含气量敏感的岩石物理参数来直接进行页岩气储层含气量的定量预测，一定程度上提高了含气量地震定量预测精度。

1 基本地质特征

长宁地区奥陶系上统五峰组—志留系下统龙马溪组一段页岩气层主要为外陆棚和内陆棚沉积，外陆棚是优质页岩气储层主要发育区。该区页岩气层总厚度介于70～90 m，测井解释的总有机碳含量介于1.90%～ 7.13%，平均为2.50%；脆性矿物介于53.2%～ 62.3%，平均为57.5%；孔隙度分布在4.1%～7.9%之间，平均4.9%；总含气量介于1.0～6.2 m3/t，平均达到了3.1 m3/t。纵向上优质的Ⅰ类页岩气层主要发育在五峰组—龙一1亚段，其总有机碳含量平均为3.4%，脆性矿物含量平均为59.7%，含气量平均为6.2 m3/t；横向上连续、稳定。因此，五峰组—龙一1亚段页岩气层总体解释为良好页岩气层。详见表1。

表1 长宁地区五峰组—龙马溪组页岩气储层评价结果

2 岩石物理敏感参数分析

2.1 岩石物理实验

利用地球物理方法对含气量进行预测，必须找到含气量与地震参数之间的联系，使地震信息转化为地质关键参数。需要从岩石样品分析上探索含气量地震预测的可能性。

针对志留系龙马溪组页岩气层的岩样开展了系列的岩石物理实验。选取X1井、X3井五峰组—龙一段的8块岩样，在常温、模拟地层围压、纵、横波测试频率为250 kHz的条件下，进行岩样密度测试、岩样纵、横波速度测试及静态泊松比等方面的实验。

实验结果表明，地层围压下页岩试样的密度分布介于2.38～ 2.57 g/cm3；纵波速度分布范围为3 669～ 4 454 m/s，横波波速分布范围为2 190～2 762 m/s；静态泊松比分布范围为0.19～0.25。实验室测定岩心总含气量分布介于0.28～3.83 m3/t。详见表2。

将测得的岩石物理数据在深度上进行归位，与岩心总含气量进行交会分析。结果表明，页岩气层总含气量与纵波速度、横波速度相关性较差，而与泊松比相关性较好，呈一定的负相关关系（图1）。因此，利用上述关系可以指导页岩气层总含气量的预测，进而也证实了含气量地震定量预测的可能性。

2.2 敏感参数分析

利用工区内经岩石物理实验成果标定的多口测井资料进行页岩气总含气量岩石物理参数交汇分析。在相近的总含气量情况下纵波阻抗的范围变化较大，如总含气量介于7～8 m3/t时，纵波阻抗在8 300～11 100 （g/cm3）·（m/s）变化，其相关关系不明显，与岩石物理实验的结果一致。分析原因，主要是页岩气层总含气量是由吸附气和游离气组成，吸附气主要受总有机碳、有机质成熟度、地层压力、地层温度的影响[6]；而游离气与有效孔隙度和含气饱和度有关[7-9]。通常纵波阻抗对孔隙度和含气饱和度较为敏感，长宁地区低孔页岩气气层的纵波阻抗与游离气量有一定的关系，但对总含气量不敏感。同样横波阻抗也对总含气量不敏感。分析认为总含气量与泊松比的相关性明显优于其与纵波阻抗和横波阻抗的相关性（图2），总体上，随着泊松比的减小，总含气量具明显增大的趋势，当泊松比介于0.22～0.34时，随着泊松比的减小总含气量增长缓慢；当泊松比小于0.22时，随着泊松比的减小总含气量增长较快，具明显的非线性关系。运用非线性回归得到最优总含气量计算模型，相关系数达到0.83，其模型计算公式如下：

式中Tgas为总含气量m3/t，σ为泊松比，无量纲。

表2 长宁地区龙一段—五峰组岩石物理参数测试统计表

图1 X1井、X2井实验纵波速度、横波速度、泊松比与岩心总含气量交会图

图2 纵波阻抗、横波阻抗、泊松比与总含气量分析图

2.3 敏感参数的地球物理反演

岩石物理分析证明可以利用地震弹性参数预测含气量。而地震弹性参数的获得，常通过地震反演来实现[10]。

纵波速度（或纵波阻抗）和横波速度（或横波阻抗）是获得泊松比的重要参数，通常采用精度较高的地震叠前同时反演技术来实现。叠前同时反演能够同时反演得到纵、横波速度、密度参数，由此可以计算出泊松比、杨氏模量等岩石弹性参数。叠前同时反演不仅获得了反射界面的信息，还获得了反映层间岩石内部的信息。

叠前同时反演采用Zoeppritz方程（公式2），该方程明确了不同介质中地震纵波速度、横波速度、密度、入射角度与反射界面各种转换波反射系数之间的关系，理论上利用该方程可得到各介质的弹性参数精确解。但由于该方程过于复杂，并且实际地震资料的采集、处理方式不能达到理想假设，因此通常可以使用该方程的近似方程来求解弹性参数[11-12]。

式中θ1表示纵波（P波）入射角，θ2表示横波（SV波）反射角，φ1表示P波透射角，φ2表示SV波透射角；vP1、vS1、ρ1分别表示介质1的P波速度、SV波速度、密度；vP2、vS2、ρ2分别表示介质2的P波速度、SV波速度和密度；RPP、RPS、TPP、TPS分别表示P波入射时的P波反射系数、SV波反射系数、P波透射系数、SV波透射系数。

对该区三维叠前CRP道集数据（图3）进行分析研究发现，奥陶系五峰组底界有效入射角在40°左右；入射角小于5°时，干扰波严重，信噪比较低，因而最终确定三维区道集部分叠加入射角范围为5°～ 40°。选取了 5°～ 12°、10°～ 17°、15°～22°、20°～27°、25°～32°的部分角道集叠加来开展叠前同时反演。分别在5个角度叠加数据体中提取子波进行合成地震记录制作，制作的合成地震记录部分叠加数据体与全叠加数据体的标定匹配程度较好，目标位置波形相关系数高。而提取的5个子波的振幅谱、频率谱、相位谱均很稳定，在地震资料有效频带5～55 Hz范围内相位趋于零相位，叠前AVO反演的结果可更加稳定收敛。

在可靠的井震标定、稳定的子波基础上采用叠前同时反演获得了纵、横波阻抗数据体。在纵波阻抗剖面上志留系龙马溪组表现上部龙二段纵波阻抗明显要高于龙一段，而代表最优质页岩储层的低纵波阻抗主要发育在龙一1亚段（图4）；同样反演的横波阻抗剖面表现特征与纵波阻抗剖面相同（图5）。总体上反演结果与测井资料吻合程度较好，反演精度较高。

利用纵横波速度计算泊松比可由公式3表示：

图3 角度域CRP道集图

式中σ表示泊松比，无量纲；vp表示纵波速度，m/s；vs表示横波速度，m/s。在高精度叠前同时反演基础上，可得到泊松比反演结果（图6）。

3 含气量预测及效果分析

利用公式1进行泊松比反演，可计算得出目的层总含气量。由总含气量反演剖面（图7）可知，长宁地区龙马溪组—五峰组总含气量预测成果与测井解释含气量对应较好，总含气量总体较高；底部的龙一1亚段—五峰组总含气量较高，普遍在3 m3/t以上，横向表现较为稳定，在X1井区含气量最大。因此，龙一段—五峰组为勘探开发有利层段，同时在剖面上高含气量的分布是水平井井轨迹设计的重要依据之一。

图4 长宁地区三维地震过井线纵波阻抗反演剖面图

图5 长宁地区三维地震过井线横波阻抗反演剖面图

图6 长宁地区三维地震过井线泊松比反演剖面图

图7 长宁地区三维地震过井线总含气量反演剖面图

图8 长宁地区三维地震预测五峰组—龙一段平均总含气量分布图

表3 长宁地区三维地震预测总含气量与测井解释总含气量对比表

对有利层段五峰组—龙一1亚段进行统计分析，得到长宁地区五峰组—龙一1亚段平均总含气量分布图（图8）。长宁三维区内五峰组—龙一1亚段总含气量平均值普遍在4 m3/t以上，含气性好；而含气量5 m3/t及以上主要分布在工区中部X1井区。工区西部边缘及东南部存在总含气量在3 m3/t以下的呈条带状的相对低值分布区，在其周边均存在较大断裂，这些断裂对页岩气层的保存条件有一定的影响，使该区域的总含气量降低。与测井解释成果进行对比（表3），直井测井解释与预测的绝对误差介于－0.1～0.2 m3/t，相对误差≤5.1%，地震预测精度较高。将后期完钻的3个平台6口水平井水平段的平均含气量与地震预测成果进行对比验证，发现水平井均部署在预测高含气量区（X1井区），其平均含气量大于5 m3/t。在X1井区的H1-1、H1-2以及X1井区西的H2-1、H2-2水平井，其测井解释的含气量在3.9～5.6 m3/t，与预测的绝对误差介于－0.2～0.4 m3/t，相对误差≤6.0%，与直井的测试结果相当。

4 结论

1）页岩岩石物理实验表明泊松比是页岩含气量敏感岩石物理参数，为页岩含气量的预测提供了依据。

2）通过经岩心刻度后的测井资料建立了含气量预测计算模型，利用叠前同时反演技术预测页岩含气量具有较高精度。

3）长宁地区三维地震区内五峰组—龙一1亚段总含气量平均值普遍在4 m3/t以上，含气性好；而含气量5 m3/t及以上主要分布在工区中部，后经水平井验证，其地震预测的页岩气含气量精度较高。可利用此结果指导对开发核心建产区及水平井的优选部署。

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