袁書坤,陳開遠,Hardage Bob A,羅 宏,張生根,魏水建

(1.中國地質(zhì)大學(北京)能源學院，北京100083；2.中國石油化工集團國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100029；3.美國德克薩斯大學奧斯汀分校經(jīng)濟地質(zhì)局，美國奧斯汀78758；4.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京100083)

21世紀以來，隨著水平鉆井、水力分段壓裂、微地震壓裂監(jiān)測等技術(shù)的快速發(fā)展及天然氣價格逐漸回暖，開發(fā)非常規(guī)的致密砂巖、頁巖油氣藏逐漸具有了經(jīng)濟性和可行性。北美Marcellus頁巖氣開發(fā)就是最成功的案例之一。

頁巖油氣儲層具有厚度薄、波阻抗低、次生節(jié)理與天然裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性強、油氣單井產(chǎn)量及產(chǎn)能差異大等特點。天然裂縫發(fā)育程度和現(xiàn)今水平最大主應力方位對頁巖氣藏的經(jīng)濟開發(fā)至關(guān)重要，尤其是對單井初始產(chǎn)量有著決定性的影響[1]。針對裂縫非均質(zhì)性預測，前人基于縱波(PP)勘探技術(shù)開展了大量探索研究，但結(jié)果仍存在較大不確定性。近年來，3C-3D,9C-3D等多分量地震勘探技術(shù)在裂縫探測方面的優(yōu)勢日益受到業(yè)內(nèi)關(guān)注[2-3]。美國德州大學經(jīng)濟地質(zhì)局EGL實驗室、科羅拉多礦業(yè)學院等在多分量地震勘探技術(shù)的理論研究、實際應用方面積累了不少成功經(jīng)驗，推動了該技術(shù)的工業(yè)化進程[4-5]。

縱波是地下地層骨架、孔隙、孔隙流體及壓力等特征的綜合反映，而轉(zhuǎn)換橫波(PSV)則含有更為豐富的巖性、微構(gòu)造等信息。因此，綜合利用縱波和轉(zhuǎn)換橫波信息分析微裂縫發(fā)育的頁巖、致密砂巖等非常規(guī)油氣儲層比單純利用縱波信息會更加科學、有效[6]。我們基于Marcellus頁巖3C-3D縱波-轉(zhuǎn)換橫波勘探地震資料，在利用快/慢轉(zhuǎn)換橫波(PSV-1/PSV-2)法進行天然微裂縫預測的基礎上，著重探討縱波-轉(zhuǎn)換橫波(PP-PSV)聯(lián)合反演方法在頁巖氣藏天然張性微裂縫識別及含氣性檢測中的應用效果。

1 Marcellus頁巖概況及勘探進展

Marcellus頁巖位于北美阿勒格尼高原，埋深在610～2590m，厚度為15～110m，面積約24.6×104km2，主要分布在俄亥俄州、賓夕法尼亞州等地[7-8]。Marcellus頁巖形成于365Ma前的重大有機物沉積期，總有機碳(TOC)重量百分比濃度w一般為3%～10%，最高可達20%以上，以石英、粘土礦物或泥等細粒沉積為主，層理結(jié)構(gòu)發(fā)育，具典型超低孔、低滲特征(Φ<8%，K<1000×10-3μm2)，釋放油氣速率極慢[9]。大約在300Ma前，頁巖內(nèi)富含的有機質(zhì)進入大規(guī)模生、排烴期，導致天然氣超壓形成了ENE—WSW向展布的J1裂縫帶(圖1)[10]。280Ma前，頁巖區(qū)東部受SE—NW向構(gòu)造擠壓，形成現(xiàn)今山脊、山谷相連的褶皺區(qū)，在超壓和構(gòu)造應力的共同作用下形成近NW—SE向展布的J2裂縫帶(圖1)[11]。Marcellus地層位于Hamilton群底部，具三分性(指區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定分布的上、下段富有機質(zhì)頁巖和中間的Cherry石灰?guī)r薄互層)特征。Marcellus頁巖下段位于三級層序界面/海進面之上，測井特征為自然伽馬測井值向上增加的海侵體系域過渡為向上遞減的海退體系域；Marcellus頁巖上段是另一個三級沉積層序，包括底部的海退面、以石灰?guī)r為主體的相對較薄的海侵體系域和上部較厚的海退體系域[12-13]。

Marcellus頁巖發(fā)現(xiàn)于1839年，但直到近幾年才被認為是美國最大的頁巖氣藏。因頁巖氣開發(fā)的非常規(guī)性，Marcellus頁巖區(qū)鉆井資料豐富，而地震資料及相關(guān)研究相對缺乏。據(jù)美國能源信息署(EIA)2013年發(fā)布數(shù)據(jù)，在2007年底時全區(qū)Marcellus頁巖僅有頁巖氣井112口；但此后鉆井速度猛增，截止2012年底Marcellus頁巖區(qū)累計已鉆頁巖氣井6112口，產(chǎn)量達到630×108m3。但統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析表明，自2012年以來Marcellus頁巖區(qū)的鉆井節(jié)奏已明顯變緩，其主要原因有二：一是受所謂“頁巖氣革命”的影響，北美天然氣價格已顯著下跌(2012年4月的氣價已低于2008年6月巔峰氣價的1/7)，開發(fā)頁巖氣的經(jīng)濟性再次受到質(zhì)疑；二是頁巖氣儲層非均質(zhì)性強，在同一地質(zhì)核心產(chǎn)區(qū)，采用相同的鉆、完井工藝，單井產(chǎn)量差異極大(最大相差30倍)。因此，依靠單一的頁巖地質(zhì)評價技術(shù)進行頁巖油氣探井的部署顯得舉步維艱。

鑒于此，Marcellus頁巖區(qū)的作業(yè)者公司開始轉(zhuǎn)變思路，解讀老地震資料、開展新地震資料采集，其主要目的就是探測頁巖儲層的非均質(zhì)性(側(cè)重于裂縫檢測)。Chesapeake公司是Marcellus頁巖區(qū)的最大作業(yè)者公司，與其它作業(yè)者一樣，其早期的頁巖氣開發(fā)也主要依靠綜合地質(zhì)評價、水平鉆井及水力壓裂技術(shù)，很少涉及物探方面的深入研究。針對氣價下跌、頁巖氣單井產(chǎn)量差異大等問題，為提高頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟性，Chesapeake公司先后在Marcellus頁巖東北核心區(qū)(賓夕法尼亞州的Bradford縣附近)采集了近777km2的縱波三維地震資料，并利用時間切片、相干及曲率分析等方法在斷層識別、裂縫預測方面取得了一些研究成果。然而，基于縱波地震資料分析所部署的頁巖氣探井仍未達到預期效果，主要原因可能是頁巖氣保存條件要求較高，天然裂縫過度發(fā)育未必有利。2011年，Chesapeake公司在上述三維工區(qū)內(nèi)的裂縫欠發(fā)育區(qū)(實驗區(qū))再次部署采集了對天然微裂縫更為敏感的3C-3D多波多分量地震資料(采用炸藥震源激發(fā)，單點三分量檢波器接收；滿覆蓋面積約36km2，采樣率1ms，記錄長度4s，主頻約為40Hz)，其主要目的是對頁巖儲層中的張性天然微裂縫進行探測。

圖1 Marcellus地層內(nèi)天然裂縫發(fā)育概況(改自Smith等[11]，2010)a 野外露頭; b J1,J2裂縫帶平面展布

2 天然微裂縫多波分析技術(shù)應用

2.1 縱波-轉(zhuǎn)換橫波匹配

利用PP波與PSV波進行聯(lián)合解釋、反演時，須進行時間域匹配(PSV波匹配到PP波時間域)?，F(xiàn)行的方法是利用PP與PSV的波形相似性得到速度比，進而在時間域匹配PP波和PSV波[14]。因PP-PSV聯(lián)合反演是根據(jù)反射同相軸逐個樣點進行，故在實現(xiàn)縱波-轉(zhuǎn)換橫波地震資料的人工井-震合成記錄標定后，還需匹配波形、能量等信息[15-16]。圖2為Marcellus頁巖及以上層段合成記錄標定及頻譜分析圖。頻譜分析結(jié)果表明：Marcellus頁巖基底之上，PSV波縱向分辨率比PP波高很多(PP波主頻約25Hz，PSV波主頻約40Hz)。因此，PP-PSV聯(lián)合反演具較大的信息優(yōu)勢。

2.2 快/慢轉(zhuǎn)換橫波天然微裂縫分析

Marcellus頁巖內(nèi)的主斷層具有很好的縱向繼承性，多數(shù)貫穿Marcellus頁巖及下伏的Onondaga灰?guī)r地層。主要斷層走向為ENE—WSW和EW方向。主要斷層類型為SE—NW向逆斷層、逆沖斷層等。Marcellus頁巖的天然微裂縫發(fā)育對于氣藏的經(jīng)濟開采至關(guān)重要，合理的井位和水平井段方位對單井產(chǎn)能和產(chǎn)量影響巨大。然而，傳統(tǒng)的AVA，VVA等微裂縫探測方法單純利用縱波資料，往往存在較大不確定性[17]。

圖2 Marcellus頁巖及以上層段合成記錄標定及頻譜分析結(jié)果a 測井資料; b 合成記錄; c PP波頻譜; d PSV-1波頻譜

鑒于此，我們利用快/慢轉(zhuǎn)換橫波(PSV-1/PSV-2)反射時間厚度差值法進行天然微裂縫發(fā)育帶預測。經(jīng)縱波反射時間及能量隨方位角的變化關(guān)系分析可知，研究區(qū)內(nèi)的PSV-1波方位約為NE60°[18]，進而可從3C-3D數(shù)據(jù)體得到PSV-1波及PSV-2波數(shù)據(jù)體。因天然微裂縫發(fā)育的影響，Marcellus頁巖層在PSV-1波和PSV-2波時間厚度上會存在差異，通常認為時間厚度差負異常(低值區(qū))為裂縫的主要發(fā)育帶[5]。圖3為由此預測出的Marcellus地層天然微裂縫發(fā)育區(qū)帶分布圖，根據(jù)PSV-1/PSV-2時間厚度差的負值(低值區(qū))可識別出J1和J2兩套主要裂縫帶：J1呈近ENE—WSW走向，J2呈NW—SE向展布。當然，天然裂縫帶并未總顯示為負的時差異常，這可能是由于局部應力環(huán)境或裂縫密集帶方位改變影響了局部的PSV-1波方位所致[2]。

2.3 縱波-轉(zhuǎn)換橫波聯(lián)合反演

傳統(tǒng)的縱波反演在油氣勘探中雖然發(fā)揮了重要作用，但因沒有橫波信息，故不能解決天然微裂縫、致密砂巖氣藏的勘探難題。理論上，PP波和PSV波在巖石內(nèi)的傳播速度存在良好的線性關(guān)系[19]，vP和地層密度也有著非常密切的關(guān)系[20]；同時，由于橫波傳播媒介的單一性，故PSV波含有豐富的微裂縫、巖性等地質(zhì)和構(gòu)造信息[2]。Marcellus地層的上、下段頁巖主要發(fā)育富含有機質(zhì)的泥巖，下段頁巖的有機質(zhì)類型更好，有機質(zhì)更豐富，成熟度更高[21]，且這種巖性特征幾乎穩(wěn)定分布在整個阿巴拉契亞盆地。因此，在忽略巖性非均質(zhì)性的基礎上，利用PP波和PSV波的內(nèi)在聯(lián)系進行縱波-轉(zhuǎn)換橫波聯(lián)合反演可以有效提高反演的精度和可靠性，進而實現(xiàn)對裂縫探測和開閉性識別的目的。

通過以上可行性分析，在縱-橫波信息匹配及PSV-1/PSV-2裂縫初步探測的基礎上，利用PP/PSV波速度、密度測井等資料，獲得了較理想的PP-PSV聯(lián)合反演結(jié)果(圖4)。由圖4可見，因受子波頻率等因素影響，傳統(tǒng)的PP波阻抗反演剖面(圖4a)上雖然可以識別Marcellus地層的三分性，但細節(jié)過于粗糙，不能很好地刻畫巖性橫向變化；而在PP-PSV聯(lián)合反演波阻抗剖面(圖4b)上，不僅能識別出Marcellus地層上、下段頁巖及中間的Cherry石灰?guī)r夾層，而且能刻畫出Cherry薄層灰?guī)r層的橫向展布和縱向互層等特征。此外，在PP-PSV聯(lián)合反演波阻抗剖面上，Marcellus下段頁巖的波阻抗值低于上段頁巖，這與Marcellus地層上、下段頁巖的有機質(zhì)豐度差異特征完全吻合。分析認為，PP-PSV聯(lián)合反演能夠取得較為理想的效果，地層密度實際上反映的是地層的電子密度，而電子密度相當于體積密度。有機質(zhì)和烴類氣體含量增加會使地層密度值降低；存在天然張裂縫，也會使地層密度測井值降低[28]。在巖性相對穩(wěn)定分布的頁巖地層范圍內(nèi)，地層密度能有效反映粒(晶)間孔、張裂縫等的發(fā)育程度。因此，基于PP-PSV聯(lián)合反演的密度屬性參數(shù)，也可識別區(qū)分PSV-1/PSV-2法預測的裂縫性質(zhì)，即張裂縫(與現(xiàn)今水平最大主應力一致，結(jié)晶程度低)及閉合裂縫(充填、膠結(jié)程度較高或擠壓縫合面)[29]。

圖3 PSV1/PSV2反射時間厚度差值法預測出的Marcellus地層天然微裂縫發(fā)育區(qū)帶分布a Marcellus下段頁巖; b Marcellus上段頁巖

圖4 常規(guī)縱波反演(a)與PP-PSV聯(lián)合反演(b)波阻抗剖面對比

主要在于研究工區(qū)Marcellus地層基底之上PSV波資料比PP波資料具有更高的縱向分辨率，且PSV反射波含有更為豐富的巖性、微構(gòu)造等信息。

除地震波阻抗屬性外，PP-PSV波聯(lián)合反演還能提供縱橫波速度比(vP/vS)、密度等參數(shù)。前人研究表明[22-27]：①vP/vS屬性對地層巖性、儲集空間內(nèi)流體性質(zhì)、飽和度等特征反映很敏感。②地震縱、橫波速度均隨密度減小而降低，且橫波降低幅度更大。③橫波主要沿巖石骨架傳播，與孔隙流體性質(zhì)及含量變化關(guān)系不大。④縱波速度遇到油氣層時會顯著減小，遇氣層減小會更加明顯。⑤高孔隙流體壓力及高裂縫密度地層(尤其是后者)易引發(fā)高vP/vS比值。因此，我們可以得出如下推論：在微裂縫欠發(fā)育區(qū)，橫波速度變化小，而縱波速度會因為頁巖孔隙含油氣性而顯著降低；相反，在裂縫發(fā)育的頁巖中，地震橫波速度會明顯降低(可假定某一低值)，而縱波速度變化主要取決于裂縫填充及結(jié)晶程度、裂縫孔隙中的流體性質(zhì)及飽和度等。因此，在某特定的裂縫帶分布區(qū)內(nèi)，vP/vS比值能很好地指示頁巖儲層中有利含油氣的張性天然裂縫分布區(qū)帶。

3 張性微裂縫預測及含氣性檢測

如上所述，快/慢轉(zhuǎn)換橫波反射時間厚度差值法的天然微裂縫預測結(jié)果可能同時包含張性裂縫、閉合裂縫以及巖性縫合面等信息，而縱波-轉(zhuǎn)換橫波聯(lián)合反演的密度、縱橫波速度比(vP/vS)等則是可望在上述基礎上進一步識別裂縫開閉性及預測微裂縫內(nèi)流體性質(zhì)的有效屬性參數(shù)。

3.1 張性微裂縫及其有利分布區(qū)帶預測

以Marcellus地層下段頁巖為例，如圖5a所示，PP-PSV聯(lián)合反演密度平面分布特征(穩(wěn)定頁巖密度為2.52g/cm3)與圖3a所預測的裂縫分布結(jié)果(負值區(qū))具有較高吻合度，尤其在裂縫預測的主體部位，圖3a所預測的裂縫在PP-PSV聯(lián)合反演密度圖上表現(xiàn)為低值(ρ<2.52g/cm3)。因此，考慮到裂縫膠結(jié)的不完全性，結(jié)合PSV-1/PSV-2時間厚度差值和PP-PSV聯(lián)合反演密度屬性，較好地識別出了天然張性微裂縫帶的分布范圍(即PSV-1/PSV-2時間厚度差為負值；密度為低值)，見圖5b所示。

在天然張性微裂縫識別的基礎上，利用PP-PSV聯(lián)合反演的vP/vS屬性(如圖6a，vP/vS低值區(qū)為可能的頁巖氣富集帶)可對張性微裂縫內(nèi)的流體性質(zhì)及豐度進行定性預測，進而可優(yōu)選出最有利含頁巖氣的天然張性微裂縫分布區(qū)帶(圖6b)。而在張裂縫帶之外的反演密度高值、vP/vS低值區(qū)，可能是孔、滲性相對較差的孔隙(晶間、粒間)性頁巖氣儲層，由圖6a可見其也具有NE—SW向展布特征。

圖5 Marcellus地層下段頁巖PP-PSV聯(lián)合反演密度屬性切片(a)及天然張性微裂縫分布區(qū)帶預測結(jié)果(b)

圖6 Marcellus地層下段頁巖PP-PSV聯(lián)合反演vP/vS屬性切片(a)及有利含氣張性微裂縫分布區(qū)帶預測結(jié)果(b)

3.2 預測效果分析

Calibration-1井是3C-3D工區(qū)內(nèi)唯一的領眼井，對其測井資料分析可知：①Marcellus下段頁巖較上段具相對高伽馬、低密度特征；②深、淺側(cè)向電阻率曲線具齒化特征，為裂縫發(fā)育跡象；③深、淺側(cè)向電阻率值相近，未見含油氣顯示[30]；④裂縫欠發(fā)育頁巖段vP/vS均值約為1.56。分析認為Calibration-1井因位于張性天然微裂縫分布范圍內(nèi)，但在富含頁巖氣區(qū)之外，故綜合測井曲線有裂縫發(fā)育特征但無明顯氣測顯示。此外，據(jù)項目贊助方Chesapeake公司反饋：Calibration-1井在NW方位水平分支井段的氣測顯示及頁巖氣產(chǎn)量明顯好于SE方位水平分支井段?？傊?，Calibration-1井的巖性、電性特征與多波地震方法預測的結(jié)果高度吻合，較好地驗證了PSV-1/PSV-2微裂縫探測結(jié)果，同時也證明應用PP-PSV聯(lián)合反演方法進行天然張性微裂縫發(fā)育區(qū)帶預測及含氣性檢測的正確性和可行性。

4 結(jié)束語

基于Marcellus頁巖區(qū)的3C-3D多波地震資料，應用PSV1/PSV2反射時間厚度差值法和PP-PSV聯(lián)合反演方法實現(xiàn)了頁巖氣儲層天然微裂縫探測及含氣性檢測，獲得以下認識：

1) 由于研究工區(qū)Marcellus地層基底之上PSV波資料比PP波資料具有更高的縱向分辨率，且PSV反射波含有更為豐富的巖性、微構(gòu)造等信息，PP-PSV聯(lián)合反演能夠獲得比傳統(tǒng)的PP波反演結(jié)果更高的縱、橫向分辨率，有利于非常規(guī)頁巖氣儲層的巖性精細識別和天然微裂縫發(fā)育區(qū)帶預測。

2) 在地層巖性分布相對穩(wěn)定的地區(qū)，在PSV-1/PSV-2反射時間厚度差值法微裂縫預測的基礎上，PP-PSV聯(lián)合反演的密度、vP/vS等組合屬性對頁巖氣儲層天然微裂縫的開閉性識別及含氣性檢測具有較大優(yōu)勢和實用性。但是，該方法對前期的地震構(gòu)造解釋及PP波、PSV波信息匹配精度要求較高。

3) 影響裂縫性頁巖非均質(zhì)性的因素眾多，在多波地震資料聯(lián)合解釋和反演分析時應綜合考慮多種地質(zhì)、地物及地化參數(shù)(如應力環(huán)境、膠結(jié)程度、地震反射差異、流體性質(zhì)及飽和度等)。

參 考 文 獻

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