侯華星, 歐陽永林, 曾慶才, 楊 青, 陳 勝, 朱 莎

( 1. 中國科學(xué)院大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049； 2. 中國科學(xué)院 滲流流體力學(xué)研究所,河北 廊坊 065007； 3. 中國石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院,河北 廊坊 065007； 4. 大慶油田有限責(zé)任公司 第四采油廠，黑龍江 大慶 163511 )

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四川長寧頁巖總有機碳地震定量預(yù)測方法

侯華星1,2, 歐陽永林3, 曾慶才3, 楊 青3, 陳 勝3, 朱 莎4

( 1. 中國科學(xué)院大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049； 2. 中國科學(xué)院 滲流流體力學(xué)研究所,河北 廊坊 065007； 3. 中國石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院,河北 廊坊 065007； 4. 大慶油田有限責(zé)任公司 第四采油廠，黑龍江 大慶 163511 )

頁巖總有機碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)是評價頁巖儲層生烴能力的重要參數(shù)，也是頁巖氣“甜點”預(yù)測的關(guān)鍵要素。以四川盆地長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層為研究對象，提出一種頁巖TOC地震定量預(yù)測方法。首先，通過測井解釋和地震資料處理分析,明確頁巖優(yōu)質(zhì)儲層地震和測井響應(yīng)特征；然后，通過地震巖石物理分析和測井資料分析，確定TOC的敏感參數(shù)為密度，并建立它與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的擬合關(guān)系，得到研究區(qū)TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)驗公式；最后，結(jié)合疊前地震反演技術(shù)獲得的密度體和經(jīng)驗公式，將密度體轉(zhuǎn)化為TOC數(shù)據(jù)體，進(jìn)而定量預(yù)測TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明，利用疊前反演獲得的密度體可進(jìn)行TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)定量預(yù)測，并且預(yù)測的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對誤差小。該技術(shù)在研究區(qū)頁巖氣勘探中有很好的適應(yīng)性。

頁巖氣； 地震預(yù)測； 總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 敏感參數(shù)； 疊前反演； 經(jīng)驗公式； 四川長寧

0 引言

頁巖氣是以吸附態(tài)與游離態(tài)賦存于富有機質(zhì)和納米級孔徑的頁巖地層系統(tǒng)的天然氣[1]，表現(xiàn)為“自生自儲”型低豐度連續(xù)的油氣藏是它與常規(guī)天然氣藏的顯著差別[2-3]。頁巖氣資源豐富、發(fā)展前景廣闊，已在北美地區(qū)取得良好的勘探開發(fā)效益[4]，目前是全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的熱點方向和現(xiàn)實領(lǐng)域[5-8]。

地震技術(shù)作為頁巖氣儲層評價和增產(chǎn)改造的關(guān)鍵技術(shù)，在頁巖氣“甜點”預(yù)測、水平井軌跡導(dǎo)向與調(diào)整、壓裂微地震監(jiān)測中發(fā)揮重要作用[9-10]。其中頁巖氣“甜點”地震預(yù)測的總有機碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，含氣性越好。TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)是評價頁巖儲層生烴能力的重要參數(shù)[11-13]。

Jaiswal P等[14]針對Woodford頁巖“甜點”地震預(yù)測的可行性進(jìn)行分析，認(rèn)為利用地震巖石物理分析及模擬可以建立頁巖儲層關(guān)鍵評價參數(shù)，如孔隙度、礦物含量、流體飽和度與縱、橫波速度、密度之間的關(guān)系，而縱、橫波速度、密度可通過地震疊前反演得到。Altowairqi Y等[15]根據(jù)人造巖樣測量方法，在地層壓力條件下，研究TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含氣量等參數(shù)對地震彈性參數(shù)的影響,隨TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含氣量的增加，縱、橫波速度和密度明顯降低，并建立TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與縱、橫波速度、密度之間的定量關(guān)系。這些研究沒有考慮中國頁巖氣儲層的復(fù)雜性，對某些復(fù)雜地區(qū)并不適用。金吉能等[16]利用地震多屬性反演方法預(yù)測TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，預(yù)測結(jié)果與測井解釋TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為吻合，但該方法多解性較為突出[17-18]。許杰等[19]以四川盆地侏羅系東岳廟段陸相頁巖氣為研究對象，探討頁巖氣TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)測的難點和存在的問題，提出以地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演為核心的地震儲層預(yù)測技術(shù)，但該技術(shù)完全借鑒常規(guī)氣藏儲層預(yù)測方法，未考慮頁巖儲層的特殊性。筆者以四川盆地長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層為研究對象，在明確頁巖儲層響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地震巖石物理和疊前反演相結(jié)合的方法預(yù)測TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，預(yù)測效果較好。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造體系

研究區(qū)地處四川盆地南部，其構(gòu)造位置位于川東南帚狀構(gòu)造發(fā)散末端，川南低陡斷褶帶與婁山斷褶帶交匯處處于多方受力的三角帶，因此發(fā)育多組復(fù)雜組合的背斜構(gòu)造。區(qū)域上，東面受到四川盆地北東向邊界向西南延伸影響，西面受到華鎣山二級斷裂帶演化控制，南面受到婁山褶皺帶演化控制，北面受到川南低陡斷褶帶構(gòu)造演化影響，經(jīng)歷多期構(gòu)造運動而形成現(xiàn)今的構(gòu)造體系[20](見圖1)。

1.2 目的層系

中國南方古生界上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組是目前頁巖氣勘探開發(fā)的重點層系[21]，長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖氣“甜點”段集中在龍馬溪組下部[22-23]。因此，對比劃分龍馬溪組層段，對頁巖氣“甜點”預(yù)測具有重要作用。在選擇對比標(biāo)準(zhǔn)井的基礎(chǔ)上，根據(jù)沉積旋回、巖性組合、電性、古生物、地球化學(xué)特征，對龍馬溪組按照地層級別順序進(jìn)行“段”、“亞段”劃分(見表1)。由表1可以看出，龍一1亞段是研究的重點層段。

2 預(yù)測方法

目前,對TOC的評價除采用實驗方法檢測外，主要以測井資料為主，評價方法[24-29]很多。L?seth H L等[27]在使用巖心及測井?dāng)?shù)據(jù)得到的TOC與地震參數(shù)交會圖上，發(fā)現(xiàn)它們之間呈現(xiàn)一定的相關(guān)關(guān)系，為利用反演技術(shù)計算TOC數(shù)據(jù)體提供依據(jù)。利用測井信息建立TOC與地震參數(shù)之間的關(guān)系，是利用地震資料預(yù)測儲層TOC分布的一個重要途徑[28]。

在明確頁巖儲層響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)用巖石物理和疊前反演相結(jié)合的方法預(yù)測TOC，主要思路[30-32]為：首先，基于測井解釋的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過地震巖石物理分析與TOC相關(guān)的地球物理參數(shù)，尋找TOC敏感參數(shù)并建立它與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的擬合關(guān)系，得到研究區(qū)經(jīng)驗公式；然后，基于三維地震數(shù)據(jù)，通過疊前反演方法求得敏感參數(shù)體；最后，根據(jù)經(jīng)驗公式，將敏感參數(shù)體轉(zhuǎn)化為TOC數(shù)據(jù)體，定量預(yù)測TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的縱、橫向展布。

2.1 頁巖儲層井震響應(yīng)特征

2.1.1 地震

頁巖的精細(xì)標(biāo)定是頁巖層段地震預(yù)測的基礎(chǔ)。根據(jù)頁巖層段的巖性、物性特征，將頁巖地質(zhì)層位準(zhǔn)確地標(biāo)定在地震剖面上。

分析N201區(qū)塊過井地震剖面(見圖2)和疊前角道集資料品質(zhì)(見圖3)，其中圖3(b)中小圖為該測線過385道(N201井)儲層底(紅色線處)振幅隨入射角的變化情況，圖3(c)中小圖為過N201井的儲層底反射系數(shù)隨入射角的變化情況。由圖3可知，地震資料的信噪比較高，疊前道集AVO曲線變化趨勢穩(wěn)定，與N201井上正演道集的AVO規(guī)律更為接近，驗證道集質(zhì)量的可靠性，能夠滿足層位精細(xì)標(biāo)定和反演的需求。由于龍馬溪組為巖性較均一的泥巖、碳質(zhì)頁巖，內(nèi)部缺乏較為明顯的波阻抗界面，而其底部與下伏的臨湘、寶塔組灰?guī)r之間存在明顯的波阻抗界面，因此龍馬溪組整段表現(xiàn)為斷續(xù)、弱振幅反射，底部表現(xiàn)為強振幅、連續(xù)反射。對N201井(見圖2)、N203井龍馬溪組頁巖層段進(jìn)行標(biāo)定，地震響應(yīng)特征為：在地震剖面上，龍馬溪組地層頂部表現(xiàn)為中低頻、中強振幅波峰、連續(xù)反射，底界為低頻、強振幅波峰、連續(xù)反射；龍一1亞段表現(xiàn)為“一谷一峰”的反射特征，頂部為低頻、強振幅波谷、連續(xù)反射，底界為低頻、強振幅波峰、連續(xù)反射。

圖2 N201井龍馬溪組頁巖儲層精細(xì)標(biāo)定Fig.2 Fine calibration of shale reservoirs of well N201 in the Longmaxi formation

圖3 XLine404測線過N201井疊前角道集及AVO特征曲線Fig.3 The pre-stack angle gathers and AVO characteristic curve of well N201 in XLine404

2.1.2 測井

頁巖儲層發(fā)育段與上、下圍巖在測井曲線縱波速度、波阻抗、泊松比、密度、速度比等方面有明顯差異，以N201井為例，優(yōu)質(zhì)儲層(龍一1亞段)表現(xiàn)為明顯的低速、低波阻抗、低泊松比、低速度比特征；此外還具有低密度、高伽馬等特點(見圖4)，具備地震定量預(yù)測的基礎(chǔ)。由圖4可以看出，龍一1亞段TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含氣量較高(黃色)。

2.2 TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)測

2.2.1 TOC敏感參數(shù)

根據(jù)地震巖石物理分析，對研究區(qū)N201井進(jìn)行TOC敏感參數(shù)分析(見圖5)。圖5顯示密度(DEN)、聲波阻抗(AI)、縱波速度(Vp)、橫波速度(Vs)、伽馬(GR)等常規(guī)測井曲線，以及楊氏模量、泊松比等彈性參數(shù)與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交會分析結(jié)果，其中N201井的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)是基于聲波測井資料和電阻率測井資料，根據(jù)ΔlgR方法[24]計算得到的。由圖5可知，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與密度曲線相關(guān)因數(shù)為0.813 1，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即w(TOC)越高，密度越低，與測井響應(yīng)特征一致。這是由于頁巖的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，有機質(zhì)孔隙越發(fā)育，更有利于頁巖氣的吸附和儲集，從而導(dǎo)致密度降低。因此，密度為w(TOC)的敏感參數(shù)，可以用密度進(jìn)行w(TOC)預(yù)測。

2.2.2 疊前密度反演

根據(jù)TOC敏感參數(shù)分析結(jié)果，密度反演是進(jìn)行w(TOC)預(yù)測的基礎(chǔ)。密度預(yù)測既可以通過疊后多屬性分析方法間接獲得，也可以利用疊前反演方法直接獲得[30-32]。使用疊后多屬性分析方法存在多解性，疊前密度反演方法在研究區(qū)具有更高的預(yù)測精度，因此利用疊前射線彈性阻抗反演進(jìn)行密度預(yù)測。

在利用疊前資料進(jìn)行反演計算過程中，常規(guī)的彈性阻抗EI(Elastic impedance)方法存在局限性，不能滿足反演要求，Ma J F等提出射線彈性阻抗REI(Ray-path elastic impedance)的概念[33]。REI是縱波阻抗和縱、橫波速度比的函數(shù)，通過對疊前地震資料進(jìn)行分角度疊加，能夠直接反演得到縱波阻抗、密度和縱、橫波速度比，進(jìn)而求得其他彈性參數(shù)。與EI相比，REI優(yōu)點為[34-35]：一是REI比EI更接近于Zoeppritz方程的近似；二是不需要對入射角進(jìn)行歸一化處理，降低反演結(jié)果的多解性；三是針對縱、橫波速度比，不需要假設(shè)它保持為常數(shù)，可以獲得精確的縱、橫波速度比。因此，利用射線彈性阻抗反演能夠提高疊前反演精度，進(jìn)而提高儲層定量預(yù)測精度。在遠(yuǎn)偏移距處采集的地震資料呈現(xiàn)的拋物線特征越穩(wěn)定，疊前彈性參數(shù)反演也越穩(wěn)定[36]。分析N201區(qū)塊疊前角道集資料，其信噪比較高，角道集的AVO規(guī)律滿足拋物線特征且較穩(wěn)定，更加接近正演道集的AVO規(guī)律，最大入射角為36°，滿足疊前反演的要求，可以獲得比較穩(wěn)定的密度反演結(jié)果(見圖3)。

圖4 N201井測井曲線Fig.4 Well logging curve of well N201

利用射線彈性阻抗反演技術(shù)得到過N201井密度剖面(見圖6)。由圖6可知，測井密度曲線(紅色曲線)與井旁疊前密度反演結(jié)果相比，吻合程度較高。龍馬溪組龍一1亞段密度整體較小，并且在橫向上穩(wěn)定分布，與測井響應(yīng)特征一致，說明反演結(jié)果可靠。

2.2.3w(TOC)定量預(yù)測

基于w(TOC)與密度的交會分析結(jié)果(見圖5)，得到基于密度的w(TOC)經(jīng)驗公式：w(TOC)=-17.095×DEN+46.761，相關(guān)因數(shù)為0.813 1，可以將疊前反演得到的密度體轉(zhuǎn)換成TOC數(shù)據(jù)體。

過N201井w(TOC)反演剖面見圖7，位于底部的龍一1亞段w(TOC)最高(藍(lán)紫色)，最大高于4.00%，與表1中龍一1亞段地層特征和圖3中測井響應(yīng)特征一致。結(jié)合龍馬溪組龍一1亞段w(TOC)平均預(yù)測結(jié)果(見圖8)，研究區(qū)平均w(TOC)高于3.00%，頁巖優(yōu)質(zhì)儲層整體發(fā)育且穩(wěn)定分布，揭示該區(qū)龍一1亞段具有良好的勘探前景，在研究區(qū)中部、南部及西南部w(TOC)最大平均值高于4.00%，為w(TOC)高值區(qū)。

圖5 w(TOC)敏感參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果Fig.5 Statistical analysis of w(TOC) sensitive parameters

圖6 過N201井疊前密度反演剖面Fig.6 The pre-stack inversion profile of density cross the well N201

圖7 過N201井w(TOC)反演剖面Fig.7 TOC inversion profile cross the well N201

圖8 龍馬溪組龍一1亞段平均w(TOC)預(yù)測平面

3 預(yù)測效果

研究區(qū)有N201、N203兩口直井，其余為水平井。在反演過程中,用N201井資料進(jìn)行約束，用N203井和水平井作為檢驗井，不參與反演過程。根據(jù)鉆探情況及測試結(jié)果，從研究區(qū)東北N203井區(qū)到中部N201井區(qū)再到西南部，w(TOC)增大，反演結(jié)果與實際情況吻合。

龍馬溪組龍一1亞段平均w(TOC)預(yù)測平面見圖8.由圖8可知，研究區(qū)預(yù)測的平均w(TOC)高于2.00%，優(yōu)質(zhì)頁巖分布穩(wěn)定。兩口直井中，N201井區(qū)預(yù)測的平均w(TOC)較高，為3.77%；N203井的相對較低，為2.82%。H4、H6、H9、H12平臺水平井w(TOC)為水平井段平均值，H4-4較高，H12-1相對較低。地震定量預(yù)測的頁巖優(yōu)質(zhì)儲層段w(TOC)平均值與測井解釋結(jié)果基本一致，相對誤差小于3.00%，預(yù)測精度較高(見表2)。

表2 研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層段預(yù)測平均w(TOC)與測井解釋結(jié)果

Table 2 Comparison of the averagew(TOC) of high quality reservoir of the study area between seismic prediction and well logging interpretation

井名w(TOC)/%誤差/%測井解釋地震預(yù)測絕對相對N2013.66423.77070.10652.9065N2032.82162.82450.00290.1028H4-44.09484.10270.00790.1929H6-53.75803.78260.02460.6546H9-23.81473.84320.02850.7471H12-13.13043.1005-0.02990.9551

4 結(jié)論

(1)N201區(qū)塊龍馬溪組龍一1亞段在地震上表現(xiàn)為“一谷一峰”的反射特征；測井顯示為低密度、低速度、低泊松比、低速度比、高伽馬等特征，具備w(TOC)地震定量預(yù)測基礎(chǔ)。

(2)密度為w(TOC)的敏感參數(shù)，兩者相關(guān)關(guān)系較高，利用疊前射線彈性阻抗反演技術(shù)可獲得較高精度的密度體，通過建立w(TOC)與密度間的經(jīng)驗關(guān)系，可對w(TOC)進(jìn)行預(yù)測。

(3)預(yù)測的w(TOC)相對誤差小，吻合程度高，表明該方法在四川盆地長寧地區(qū)頁巖氣勘探中有很好的適應(yīng)性。

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2016-06-12；編輯：陸雅玲

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB228000)

侯華星(1989-)，男，碩士研究生，主要從事頁巖氣地震勘探方面的研究。

TE132;P631.8

A

2095-4107(2016)05-0018-10

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.003