各向异性表征技术在页岩气储层探测中的应用

陈 勇

(中国石油化工股份有限公司 石油物探技术研究院，江苏 南京 211103)

各向异性表征技术也称“非均质性”表征技术，其是描述物体整体或部分物理、化学等特征随着方向不同表现出的差异特征，是在不同方向检测同一个物体的性能数据不同。各向异性表征技术目前已趋近成熟，已被广泛应用在地质勘探、油气开采过程中[1]。因此，研究各向异性表征技术在页岩气储层探测中使用效果尤为必要。目前有些相关学者也对此展开研究，如成联正等[2]从页岩复电阻率的各向异性角度出发，研究页岩气储层参数并分析页岩气储层分布区域，但该方法在应用过程中需使用大型电气设备，受油气勘探区域条件限制，该方法实际应用性不强。孙英峰等[3]则从煤炭勘探角度出发，研究煤层孔隙结构的非均质特征和各向异性，依据煤层孔隙结构的非均质特征和各向异性结果获取煤炭分布范围。但该方法仅适用于煤炭探测，具有局限性。孙金声等[4]以典型案例阐述了储层保护技术对及时发现、准确评价和高效开发致密/页岩油气资源的重要作用，构建储层多尺度损害评价方法，并说明储层保护—漏失控制—增渗改造一体化技术是致密/页岩油气储层保护的重要发展方向。张逸群等[5]分析微注入压降测试方法，在快速评价页岩气储层原理的基础上，采用微注入压降测试方法对涪陵页岩气田6口页岩气井储层进行了评价，获得了原始地层压力和储层有效渗透率。

面对上述情况，本文从各向异性表征技术在页岩气储层探测中的应用角度出发，通过区域页岩各向异性介质弹性波方程，获得页岩气储层的各向异性系数，依据该系数探测页岩气储层位置，通过各向异性页岩物理模型获取页岩气储层的横纵波速度，依据该数值分析页岩气储层分布详情，进行页岩气储层探测，以期提升页岩气储层勘探技术水平。

1 页岩气储层探测方法

1.1 研究区概况

以某省西部为实验对象，该区域位于盆地北部外缘，主体构造为侏罗山式隔档式褶皱，其页岩气储层为志留系下统龙马溪组页岩。该页岩发育层状层里，其中黄铁矿成条带状分布。该区域单砂层较薄，且单砂层横向跨度较大，受隔档式褶皱影响，该区域页岩断层复杂，小断层发育良好，上述各向异性为该区域的气储层探测增加了难度。针对该区域特殊页岩分布特征结合其各向异性，分别从页岩气储层弹性波、横波速度和页岩裂缝预测角度，研究了页岩气储层探测方法。

1.2 页岩气储层各向异性弹性波表征分析

以多波波场正演模拟方式推导各向异性介质弹性波方程，并利用该方程计算页岩气储层的各向异性系数，同时对页岩气储层各向异性弹性参数进行弱化处理后，可获得P波与SV波的竖直向上的速度。其中，P波为地震压力波，SV波为P波的折射波。

AVO(Amplitude Versus Offset)技术根据页岩振幅受其偏移距离变化特质计算页岩弹性参数、页岩岩性与孔隙填充物特征。利用上述计算结果可探测页岩气储层位置。AVO技术依据P波和SV波的反射系数与入射角之间的关系[6-8]，构建散射矩阵形式的Zoeppritz方程。Zoeppritz方程通过界面二侧介质P波、SV波、密度和入射角等描述页岩气储层反射波和透射波之间的振幅关联性。页岩气储层弹性波界面散射如图1所示。

图1 页岩气储层弹性波界面散射示意Fig.1 Schematic diagram of elastic wave interfacescattering in shale gas reservoir

由图1可知，当P波入射到不同页岩气储层介质时，会在2种介质交汇处形成反射波和透射波。其中，反射波和入射波均会形成各向异性的横波和纵波[9-10]，且横波、纵波与竖直向上方向均会形成透射角和反射角。当P波以某个角度入射到页岩气储层介质时，通过Zoeppritz方程可计算其反射波、透射波的横波和纵波之间的能量分配数值。同时使用地质勘测手段获得页岩气储层的弹性参数即可计算出P波透射波和入射波纵波和横波的反射系数和透射系数。然后依据地震波反射与透射原理以及页岩不同岩性参数，使用AVO技术即可得到页岩气储层详细描述。

1.3 页岩气储层横波速度计算

从页岩的各向异性横波速度角度描述其气储层，首先建立各向异性页岩物理模型，其步骤为：以有机成分干酪根和非有机成分黏性矿物质依据比例混合后得到干岩石，依据其参数建立各向异性骨架模型。利用各向异性骨架模型输出页岩等效弹性张量和孔隙度之间关系[11-13]以及流体饱和度和孔隙纵横比之间的关系。然后按照干岩石等效弹性张量极端流体饱和和页岩等效弹性张量后，建立各向异性岩石物理模型，利用该模型计算页岩气储层的横波速度，以分析页岩内气储层位置等相关信息。

经过上述过程构建完各向异性岩石物理模型后，按照页岩各向异性介质横波速度、纵波速度和页岩的刚度系数之间的相关性[14-15]，以速度形式描述页岩流体饱和的等效弹性张量后，依据页岩纵波和横波速度反向计算页岩等效孔隙纵横比。将页岩等效孔隙纵横比代入到页岩等效刚度计算公式内便可得到页岩横波、纵波的速度。根据页岩的横波、纵波速度分析页岩气储层分布详情。

1.4 基于方位各向异性的页岩裂缝预测方法

常规的页岩气储层均位于距地面距离较深的潜山中，其受上方地层压力和断层断裂结构影响，页岩的气储层高角度定向分布的裂缝发育较好[16-17]。页岩的高角度定向分布裂缝具备水平对称的横向各向同性介质，利用HTI(Horizontal Transverse Isotropy)介质呈现各向同性介质中分布的具备平行特征的垂直裂缝，如图2所示。其中，HIT介质以平行的各向同性排列的竖直向上的裂缝描述地震波在页岩介质内转播变化特征，通过描述观测方向与相位角之间的变化，分析页岩内气储层裂缝位置，进而获得页岩气储层区域。

图2 HTI描述页岩垂直裂缝示意Fig.2 Schematic diagram of vertical fracture of shale described by HTI

页岩在弱各向异性基础上，利用HTI描述页岩垂直裂缝时可利用介质纵波反射系数的近似值表达页岩纵波反射系数和观测夹角的关系。以振幅椭圆方式描述反射振幅与其观测夹角之间的变换关系，振幅椭圆长轴所指示的方向即为页岩裂缝的走向[18-19]。当振幅椭圆形状越扁，表示此时页岩的方位各向异性特征越明显[20]，裂缝发育越好。依据实际页岩地质数据，以≥3个的方位角地震源信息即可反推出裂缝的方位和密度。根据上述思想，应用各向异性表征技术对页岩裂缝预测的技术流程如图3所示。

图3 各向异性表征技术在页岩裂缝预测过程中的流程Fig.3 Process of directional anisotropy characterization technology in shale fracture prediction

各向异性表征技术应用在页岩裂缝预测过程中时，首先通过构建裂缝岩石的物理模型，利用该模型进行正演模拟，依据该结果做叠前地震方位角分析。对叠前地震方位角进行处理并确定分方位角策略后，提取页岩各个方位角对其进行偏移叠加处理，得到新叠前方位角叠加数据体。对新叠前方位角叠加数据体进行预测和分析后，通过定量方式获得裂缝发育方向和密度。由此可推断出页岩内气储层位置和气储含量大致信息。

2 实验分析

以上述研究区为实验对象，应用本文方法对该研究区的页岩气储层展开探测，以验证各向异性表征技术在探测过程中的应用。页岩介质参数见表1。

表1 页岩介质参数Tab.1 Shale medium parameters

依据上述页岩介质参数对页岩纵波进行正演模拟，得到等效页岩纵横比为0.01情况下裂纹密度不同时的刚度张量参数。设置页岩裂纹密度为0.15和0.35，分析在该裂纹密度参数情况下，页岩气储层裂缝水平面速度分量分布情况和饱含水裂缝水平面速度分量分布情况，结果如图4和图5所示。

图4 不同裂纹密度参数情况下页岩气储层裂缝水平面速度分量分布情况Fig.4 Distribution of horizontal velocity component of fracture in shale gas reservoir under different crack density parameters

图5 不同裂纹密度参数情况下饱含水裂缝水平面速度分量分布情况Fig.5 Distribution of horizontal velocity component of water saturated crack under different crack density parameters

分析图4可知，页岩气储层裂纹密度较小时，其气储层裂缝水平面速度分量较轻微，其横纵波各向异性不明显。随着页岩裂纹密度增加，页岩气储层的裂缝水平面速度分量呈现椭圆形状，椭圆中部位置出现交叉横纵波，且交叉横纵波波纹较为明显。此时说明裂纹密度增加，页岩气储层内的裂缝随着其法向方向形状逐渐变平，说明页岩气储层的纵波速度各向异性逐渐显著，该页岩气储层的含气量较多。

分析图5可知，页岩的饱含水裂缝的横纵波呈现正规的圆形，虽然随着裂纹密度增加页岩饱含水裂缝的水平面速度分量分布较为明显，圆形中部区域出现横波情况，说明页岩的饱含水裂缝在裂纹密度较大时的各向异性较为明显，但同与图4不同裂纹密度参数情况下页岩气储层裂缝水平面速度分量分布情况相比，饱含水裂缝的水平面速度分量分布不够明显，说明页岩饱含水层的气储层气含量较少。

从不同方位角的角度下分析地震波旅行时的波形，结果如图6所示。分析图6可知，当地震波方位角度为0时，地震波波动随着入射角的增加其振幅呈现降低趋势，但不同方位角下的振幅差异不大。依据图6结果，对不同方位角下的P波形进行反演得到不同地震波振幅与其入射角之间的关系，结果如图7所示。

图6 不同方位角时地震波波形Fig.6 Seismic wave waveform at different azimuth angles

图7 不同方位角P波振幅与其入射角关系Fig.7 Relationship between different azimuth angles seismic wave amplitudes and their incident angles

分析图7可知，P波的振幅数值随着其入射角的增加而降低且降低幅度较大，说明该区域页岩气储层介质的各向异性表征明显。各个曲线中，最快到达最低振幅的曲线即为极性反转曲线，说明当P波的入射角数值超过75°后，地震波振幅出现极性反转情况。此时说明P波受页岩气储层介质阻挡，该气储层区域含气量极其微小。

3 结论

本文利用各向异性表征技术，分别从地震波旅行、振幅、页岩饱含水裂缝和页岩气储层裂缝角度分析了其在页岩气储层探测中的应用。页岩气储层裂缝的水平面速度分量分布和页岩饱含水裂缝水平面速度分量分布情况得出各向异性的页岩气储层含量信息；不同方位角下的地震波可反映页岩介质对地震波的阻挡作用，当地震波振幅出现极性反转情况时，气储层区域含气量较小。