馬 波 黃天俊 鄒定永 呂 龑 何昌龍

1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開(kāi)采四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

頁(yè)巖含氣量是頁(yè)巖氣的富集體現(xiàn)，也是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最重要的參數(shù)之一。頁(yè)巖氣主要由吸附氣和游離氣組成，其大小影響因素較多，包括孔隙、裂縫、含氣飽和度、地層壓力、地層溫度、總有機(jī)碳含量等[1-3]。頁(yè)巖含氣量的地震定量預(yù)測(cè)方法較多，如通過(guò)疊前密度反演預(yù)測(cè)總有機(jī)碳，再通過(guò)總有機(jī)碳實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖含氣量的定量預(yù)測(cè)[4]；或者通過(guò)疊前密度反演預(yù)測(cè)總有機(jī)碳，再利用速度反演來(lái)預(yù)測(cè)地層壓力系數(shù)，最后建立總有機(jī)碳、地層壓力系數(shù)與含氣量的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的含氣量[5]。這些技術(shù)均先預(yù)測(cè)總有機(jī)碳再預(yù)測(cè)含氣量，預(yù)測(cè)精度有限。筆者提出了通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)及敏感參數(shù)分析技術(shù)尋找與含氣量敏感的巖石物理參數(shù)來(lái)直接進(jìn)行頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣量的定量預(yù)測(cè)，一定程度上提高了含氣量地震定量預(yù)測(cè)精度。

1 基本地質(zhì)特征

長(zhǎng)寧地區(qū)奧陶系上統(tǒng)五峰組—志留系下統(tǒng)龍馬溪組一段頁(yè)巖氣層主要為外陸棚和內(nèi)陸棚沉積，外陸棚是優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要發(fā)育區(qū)。該區(qū)頁(yè)巖氣層總厚度介于70～90 m，測(cè)井解釋的總有機(jī)碳含量介于1.90%～ 7.13%，平均為2.50%；脆性礦物介于53.2%～ 62.3%，平均為57.5%；孔隙度分布在4.1%～7.9%之間，平均4.9%；總含氣量介于1.0～6.2 m3/t，平均達(dá)到了3.1 m3/t。縱向上優(yōu)質(zhì)的Ⅰ類頁(yè)巖氣層主要發(fā)育在五峰組—龍一1亞段，其總有機(jī)碳含量平均為3.4%，脆性礦物含量平均為59.7%，含氣量平均為6.2 m3/t；橫向上連續(xù)、穩(wěn)定。因此，五峰組—龍一1亞段頁(yè)巖氣層總體解釋為良好頁(yè)巖氣層。詳見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果

2 巖石物理敏感參數(shù)分析

2.1 巖石物理實(shí)驗(yàn)

利用地球物理方法對(duì)含氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)，必須找到含氣量與地震參數(shù)之間的聯(lián)系，使地震信息轉(zhuǎn)化為地質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)。需要從巖石樣品分析上探索含氣量地震預(yù)測(cè)的可能性。

針對(duì)志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣層的巖樣開(kāi)展了系列的巖石物理實(shí)驗(yàn)。選取X1井、X3井五峰組—龍一段的8塊巖樣，在常溫、模擬地層圍壓、縱、橫波測(cè)試頻率為250 kHz的條件下，進(jìn)行巖樣密度測(cè)試、巖樣縱、橫波速度測(cè)試及靜態(tài)泊松比等方面的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地層圍壓下頁(yè)巖試樣的密度分布介于2.38～ 2.57 g/cm3；縱波速度分布范圍為3 669～ 4 454 m/s，橫波波速分布范圍為2 190～2 762 m/s；靜態(tài)泊松比分布范圍為0.19～0.25。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖心總含氣量分布介于0.28～3.83 m3/t。詳見(jiàn)表2。

將測(cè)得的巖石物理數(shù)據(jù)在深度上進(jìn)行歸位，與巖心總含氣量進(jìn)行交會(huì)分析。結(jié)果表明，頁(yè)巖氣層總含氣量與縱波速度、橫波速度相關(guān)性較差，而與泊松比相關(guān)性較好，呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖1）。因此，利用上述關(guān)系可以指導(dǎo)頁(yè)巖氣層總含氣量的預(yù)測(cè)，進(jìn)而也證實(shí)了含氣量地震定量預(yù)測(cè)的可能性。

2.2 敏感參數(shù)分析

利用工區(qū)內(nèi)經(jīng)巖石物理實(shí)驗(yàn)成果標(biāo)定的多口測(cè)井資料進(jìn)行頁(yè)巖氣總含氣量巖石物理參數(shù)交匯分析。在相近的總含氣量情況下縱波阻抗的范圍變化較大，如總含氣量介于7～8 m3/t時(shí)，縱波阻抗在8 300～11 100 （g/cm3）·（m/s）變化，其相關(guān)關(guān)系不明顯，與巖石物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。分析原因，主要是頁(yè)巖氣層總含氣量是由吸附氣和游離氣組成，吸附氣主要受總有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)成熟度、地層壓力、地層溫度的影響[6]；而游離氣與有效孔隙度和含氣飽和度有關(guān)[7-9]。通?？v波阻抗對(duì)孔隙度和含氣飽和度較為敏感，長(zhǎng)寧地區(qū)低孔頁(yè)巖氣氣層的縱波阻抗與游離氣量有一定的關(guān)系，但對(duì)總含氣量不敏感。同樣橫波阻抗也對(duì)總含氣量不敏感。分析認(rèn)為總含氣量與泊松比的相關(guān)性明顯優(yōu)于其與縱波阻抗和橫波阻抗的相關(guān)性（圖2），總體上，隨著泊松比的減小，總含氣量具明顯增大的趨勢(shì)，當(dāng)泊松比介于0.22～0.34時(shí)，隨著泊松比的減小總含氣量增長(zhǎng)緩慢；當(dāng)泊松比小于0.22時(shí)，隨著泊松比的減小總含氣量增長(zhǎng)較快，具明顯的非線性關(guān)系。運(yùn)用非線性回歸得到最優(yōu)總含氣量計(jì)算模型，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83，其模型計(jì)算公式如下：

式中Tgas為總含氣量m3/t，σ為泊松比，無(wú)量綱。

表2 長(zhǎng)寧地區(qū)龍一段—五峰組巖石物理參數(shù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

圖1 X1井、X2井實(shí)驗(yàn)縱波速度、橫波速度、泊松比與巖心總含氣量交會(huì)圖

圖2 縱波阻抗、橫波阻抗、泊松比與總含氣量分析圖

2.3 敏感參數(shù)的地球物理反演

巖石物理分析證明可以利用地震彈性參數(shù)預(yù)測(cè)含氣量。而地震彈性參數(shù)的獲得，常通過(guò)地震反演來(lái)實(shí)現(xiàn)[10]。

縱波速度（或縱波阻抗）和橫波速度（或橫波阻抗）是獲得泊松比的重要參數(shù)，通常采用精度較高的地震疊前同時(shí)反演技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。疊前同時(shí)反演能夠同時(shí)反演得到縱、橫波速度、密度參數(shù)，由此可以計(jì)算出泊松比、楊氏模量等巖石彈性參數(shù)。疊前同時(shí)反演不僅獲得了反射界面的信息，還獲得了反映層間巖石內(nèi)部的信息。

疊前同時(shí)反演采用Zoeppritz方程（公式2），該方程明確了不同介質(zhì)中地震縱波速度、橫波速度、密度、入射角度與反射界面各種轉(zhuǎn)換波反射系數(shù)之間的關(guān)系，理論上利用該方程可得到各介質(zhì)的彈性參數(shù)精確解。但由于該方程過(guò)于復(fù)雜，并且實(shí)際地震資料的采集、處理方式不能達(dá)到理想假設(shè)，因此通常可以使用該方程的近似方程來(lái)求解彈性參數(shù)[11-12]。

式中θ1表示縱波（P波）入射角，θ2表示橫波（SV波）反射角，φ1表示P波透射角，φ2表示SV波透射角；vP1、vS1、ρ1分別表示介質(zhì)1的P波速度、SV波速度、密度；vP2、vS2、ρ2分別表示介質(zhì)2的P波速度、SV波速度和密度；RPP、RPS、TPP、TPS分別表示P波入射時(shí)的P波反射系數(shù)、SV波反射系數(shù)、P波透射系數(shù)、SV波透射系數(shù)。

對(duì)該區(qū)三維疊前CRP道集數(shù)據(jù)（圖3）進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，奧陶系五峰組底界有效入射角在40°左右；入射角小于5°時(shí)，干擾波嚴(yán)重，信噪比較低，因而最終確定三維區(qū)道集部分疊加入射角范圍為5°～ 40°。選取了 5°～ 12°、10°～ 17°、15°～22°、20°～27°、25°～32°的部分角道集疊加來(lái)開(kāi)展疊前同時(shí)反演。分別在5個(gè)角度疊加數(shù)據(jù)體中提取子波進(jìn)行合成地震記錄制作，制作的合成地震記錄部分疊加數(shù)據(jù)體與全疊加數(shù)據(jù)體的標(biāo)定匹配程度較好，目標(biāo)位置波形相關(guān)系數(shù)高。而提取的5個(gè)子波的振幅譜、頻率譜、相位譜均很穩(wěn)定，在地震資料有效頻帶5～55 Hz范圍內(nèi)相位趨于零相位，疊前AVO反演的結(jié)果可更加穩(wěn)定收斂。

在可靠的井震標(biāo)定、穩(wěn)定的子波基礎(chǔ)上采用疊前同時(shí)反演獲得了縱、橫波阻抗數(shù)據(jù)體。在縱波阻抗剖面上志留系龍馬溪組表現(xiàn)上部龍二段縱波阻抗明顯要高于龍一段，而代表最優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的低縱波阻抗主要發(fā)育在龍一1亞段（圖4）；同樣反演的橫波阻抗剖面表現(xiàn)特征與縱波阻抗剖面相同（圖5）?？傮w上反演結(jié)果與測(cè)井資料吻合程度較好，反演精度較高。

利用縱橫波速度計(jì)算泊松比可由公式3表示：

圖3 角度域CRP道集圖

式中σ表示泊松比，無(wú)量綱；vp表示縱波速度，m/s；vs表示橫波速度，m/s。在高精度疊前同時(shí)反演基礎(chǔ)上，可得到泊松比反演結(jié)果（圖6）。

3 含氣量預(yù)測(cè)及效果分析

利用公式1進(jìn)行泊松比反演，可計(jì)算得出目的層總含氣量。由總含氣量反演剖面（圖7）可知，長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組—五峰組總含氣量預(yù)測(cè)成果與測(cè)井解釋含氣量對(duì)應(yīng)較好，總含氣量總體較高；底部的龍一1亞段—五峰組總含氣量較高，普遍在3 m3/t以上，橫向表現(xiàn)較為穩(wěn)定，在X1井區(qū)含氣量最大。因此，龍一段—五峰組為勘探開(kāi)發(fā)有利層段，同時(shí)在剖面上高含氣量的分布是水平井井軌跡設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。

圖4 長(zhǎng)寧地區(qū)三維地震過(guò)井線縱波阻抗反演剖面圖

圖5 長(zhǎng)寧地區(qū)三維地震過(guò)井線橫波阻抗反演剖面圖

圖6 長(zhǎng)寧地區(qū)三維地震過(guò)井線泊松比反演剖面圖

圖7 長(zhǎng)寧地區(qū)三維地震過(guò)井線總含氣量反演剖面圖

圖8 長(zhǎng)寧地區(qū)三維地震預(yù)測(cè)五峰組—龍一段平均總含氣量分布圖

表3 長(zhǎng)寧地區(qū)三維地震預(yù)測(cè)總含氣量與測(cè)井解釋總含氣量對(duì)比表

對(duì)有利層段五峰組—龍一1亞段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍一1亞段平均總含氣量分布圖（圖8）。長(zhǎng)寧三維區(qū)內(nèi)五峰組—龍一1亞段總含氣量平均值普遍在4 m3/t以上，含氣性好；而含氣量5 m3/t及以上主要分布在工區(qū)中部X1井區(qū)。工區(qū)西部邊緣及東南部存在總含氣量在3 m3/t以下的呈條帶狀的相對(duì)低值分布區(qū)，在其周邊均存在較大斷裂，這些斷裂對(duì)頁(yè)巖氣層的保存條件有一定的影響，使該區(qū)域的總含氣量降低。與測(cè)井解釋成果進(jìn)行對(duì)比（表3），直井測(cè)井解釋與預(yù)測(cè)的絕對(duì)誤差介于－0.1～0.2 m3/t，相對(duì)誤差≤5.1%，地震預(yù)測(cè)精度較高。將后期完鉆的3個(gè)平臺(tái)6口水平井水平段的平均含氣量與地震預(yù)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)水平井均部署在預(yù)測(cè)高含氣量區(qū)（X1井區(qū)），其平均含氣量大于5 m3/t。在X1井區(qū)的H1-1、H1-2以及X1井區(qū)西的H2-1、H2-2水平井，其測(cè)井解釋的含氣量在3.9～5.6 m3/t，與預(yù)測(cè)的絕對(duì)誤差介于－0.2～0.4 m3/t，相對(duì)誤差≤6.0%，與直井的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。

4 結(jié)論

1）頁(yè)巖巖石物理實(shí)驗(yàn)表明泊松比是頁(yè)巖含氣量敏感巖石物理參數(shù)，為頁(yè)巖含氣量的預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

2）通過(guò)經(jīng)巖心刻度后的測(cè)井資料建立了含氣量預(yù)測(cè)計(jì)算模型，利用疊前同時(shí)反演技術(shù)預(yù)測(cè)頁(yè)巖含氣量具有較高精度。

3）長(zhǎng)寧地區(qū)三維地震區(qū)內(nèi)五峰組—龍一1亞段總含氣量平均值普遍在4 m3/t以上，含氣性好；而含氣量5 m3/t及以上主要分布在工區(qū)中部，后經(jīng)水平井驗(yàn)證，其地震預(yù)測(cè)的頁(yè)巖氣含氣量精度較高?？衫么私Y(jié)果指導(dǎo)對(duì)開(kāi)發(fā)核心建產(chǎn)區(qū)及水平井的優(yōu)選部署。

[ 1 ]鄒才能, 陶士振, 侯連華. 非常規(guī)油氣地質(zhì)[M]. 北京： 地質(zhì)出版社, 2011.Zou Caineng, Tao Shizhen, Hou Lianhua. Unconventional oil and gas geology[M]. Beijing： Geology Press, 2011.

[ 2 ] 王社教, 王蘭生, 黃金亮, 李新景, 李登華. 上揚(yáng)子區(qū)志留系頁(yè)巖氣成藏條件[J]. 天然氣工業(yè), 2009, 29(5)： 45-50.Wang Shejiao, Wang Lansheng, Huang Jinliang, Li Xinjing &Li Denghua. Accumulation conditions of shale gas reservoirs in Silurian of the Upper Yangtze region[J]. Natural Gas Industry,2009, 29(5)： 45-50.

[ 3 ] 蒲泊伶, 蔣有錄, 王毅, 包書景, 劉鑫金. 四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣成藏條件及有利地區(qū)分析[J]. 石油學(xué)報(bào),2010, 31(2)： 225-230.Pu Boling, Jiang Youlu, Wang Yi, Bao Shujing & Liu Xinjin.Reservoir-forming conditions and favorable exploration zones of shale gas in Lower Silurian Longmaxi Formation of Sichuan Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2010, 31(2)： 225-230.

[ 4 ] 郭旭升, 尹正武, 李金磊. 海相頁(yè)巖含氣量地震定量預(yù)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用——以四川盆地焦石壩地區(qū)為例[J]. 石油地球物理勘探 , 2015, 50(1)： 144-149.Guo Xusheng, Yin Zhengwu & Li Jinlei. Quantitative seismic prediction of marine shale gas content： A case study in Jiaoshiha area, Sichuan basin[J]. Oi1 Geophysical Prospecting, 2015,50(1)： 144-149.

[ 5 ] 陳超, 屈大鵬, 王明飛, 蘇建龍. 川東南焦石壩地區(qū)海相泥頁(yè)巖含氣量預(yù)測(cè)方法探討[J]. 石油物探, 2016, 55(4)： 597-605.Chen Chao, Qu Dapeng, Wang Mingfei & Su Jianlong. Prediction method of gas content in marine mud shale at JSB area in southeast Sichuan Basin[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2016, 55(4)： 597-605.

[ 6 ] 蔣裕強(qiáng), 董大忠, 漆麟, 沈妍斐, 蔣蟬, 何溥為. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評(píng)價(jià)[J]. 天然氣工業(yè), 2010, 30(10)： 7-12.Jiang Yuqiang, Dong Dazhong, Qi Lin, Shen Yanfei, Jiang Chan& He Puwei. Basic features and evaluation of shale gas reservoirs[J]. Natural Gas Industry, 2010, 30(10)： 7-12.

[ 7 ] 鐘光海, 謝冰, 周肖, 彭驍, 田沖. 四川盆地頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣量的測(cè)井評(píng)價(jià)方法[J]. 天然氣工業(yè), 2016, 36(8)： 43-51.Zhong Guanghai, Xie Bing, Zhou Xiao, Peng Xiao & Tian Chong. A logging evaluation method for gas content of shale gas reservoirs in the Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry,2016, 36(8)： 43-51.

[ 8 ] 董謙, 劉小平, 李武廣, 董清源. 關(guān)于頁(yè)巖含氣量確定方法的探討[J]. 石油與天然氣, 2012, 30(2-3)： 34-37.Dong Qian, Liu Xiaoping, Li Wuguang & Dong Qingyuan.Determination of gas content in shale[J]. Natural Gas and Oil,2012, 30(2-3)： 34-37.

[ 9 ] 李玉喜, 喬德武, 姜文利, 張春賀. 頁(yè)巖氣含氣量和頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)綜述[J]. 地質(zhì)通報(bào), 2011, 30(2-3)： 308-317.Li Yuxi, Qiao Dewu, Jiang Wenli & Zhang Chunhe. Gas content of gas-bearing shale and its geological evaluation summary[J].Geological Bulletin of China, 2011, 30(2-3)： 308-317.

[10] 姚姚. 地球物理反演基本理論與應(yīng)用方法[M]. 武漢： 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社, 2002.Yao Yao. Geophysics inversion of the basic theory and method application[M]. Wuhan： China University of Geophysics Press,2002.

[11] Huang Handong, Wang Yanchao, Guo Fei, Zhang Sheng, Ji Yongzhen & Liu Chenghan. Zoeppritz equation-based prestack inversion and its application in fluid identification[J]. Applied Geophysics, 2015, 12(2)： 199-211. DOI： http：//dx.doi.org/10.1007/s11770-015-0483-3.

[12] 宗兆云, 印興耀, 張峰, 吳國(guó)忱. 楊氏模量和泊松比反射系數(shù)近似方程及疊前地震反演[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2012,55(11)： 3786-3794.Zong Zhaoyun, Yin Xingyao, Zhang Feng & Wu Guochen.Ref l ection coeff i cient equation and pre-stack seismic inversion with Young's modulus and Poisson ratio[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(11)： 3786-3794.