陳 勇

(中國石油化工股份有限公司 石油物探技術研究院，江蘇 南京 211103)

各向異性表征技術也稱“非均質性”表征技術，其是描述物體整體或部分物理、化學等特征隨著方向不同表現(xiàn)出的差異特征，是在不同方向檢測同一個物體的性能數(shù)據(jù)不同。各向異性表征技術目前已趨近成熟，已被廣泛應用在地質勘探、油氣開采過程中[1]。因此，研究各向異性表征技術在頁巖氣儲層探測中使用效果尤為必要。目前有些相關學者也對此展開研究，如成聯(lián)正等[2]從頁巖復電阻率的各向異性角度出發(fā)，研究頁巖氣儲層參數(shù)并分析頁巖氣儲層分布區(qū)域，但該方法在應用過程中需使用大型電氣設備，受油氣勘探區(qū)域條件限制，該方法實際應用性不強。孫英峰等[3]則從煤炭勘探角度出發(fā)，研究煤層孔隙結構的非均質特征和各向異性，依據(jù)煤層孔隙結構的非均質特征和各向異性結果獲取煤炭分布范圍。但該方法僅適用于煤炭探測，具有局限性。孫金聲等[4]以典型案例闡述了儲層保護技術對及時發(fā)現(xiàn)、準確評價和高效開發(fā)致密/頁巖油氣資源的重要作用，構建儲層多尺度損害評價方法，并說明儲層保護—漏失控制—增滲改造一體化技術是致密/頁巖油氣儲層保護的重要發(fā)展方向。張逸群等[5]分析微注入壓降測試方法，在快速評價頁巖氣儲層原理的基礎上，采用微注入壓降測試方法對涪陵頁巖氣田6口頁巖氣井儲層進行了評價，獲得了原始地層壓力和儲層有效滲透率。

面對上述情況，本文從各向異性表征技術在頁巖氣儲層探測中的應用角度出發(fā)，通過區(qū)域頁巖各向異性介質彈性波方程，獲得頁巖氣儲層的各向異性系數(shù)，依據(jù)該系數(shù)探測頁巖氣儲層位置，通過各向異性頁巖物理模型獲取頁巖氣儲層的橫縱波速度，依據(jù)該數(shù)值分析頁巖氣儲層分布詳情，進行頁巖氣儲層探測，以期提升頁巖氣儲層勘探技術水平。

1 頁巖氣儲層探測方法

1.1 研究區(qū)概況

以某省西部為實驗對象，該區(qū)域位于盆地北部外緣，主體構造為侏羅山式隔檔式褶皺，其頁巖氣儲層為志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁巖。該頁巖發(fā)育層狀層里，其中黃鐵礦成條帶狀分布。該區(qū)域單砂層較薄，且單砂層橫向跨度較大，受隔檔式褶皺影響，該區(qū)域頁巖斷層復雜，小斷層發(fā)育良好，上述各向異性為該區(qū)域的氣儲層探測增加了難度。針對該區(qū)域特殊頁巖分布特征結合其各向異性，分別從頁巖氣儲層彈性波、橫波速度和頁巖裂縫預測角度，研究了頁巖氣儲層探測方法。

1.2 頁巖氣儲層各向異性彈性波表征分析

以多波波場正演模擬方式推導各向異性介質彈性波方程，并利用該方程計算頁巖氣儲層的各向異性系數(shù)，同時對頁巖氣儲層各向異性彈性參數(shù)進行弱化處理后，可獲得P波與SV波的豎直向上的速度。其中，P波為地震壓力波，SV波為P波的折射波。

AVO(Amplitude Versus Offset)技術根據(jù)頁巖振幅受其偏移距離變化特質計算頁巖彈性參數(shù)、頁巖巖性與孔隙填充物特征。利用上述計算結果可探測頁巖氣儲層位置。AVO技術依據(jù)P波和SV波的反射系數(shù)與入射角之間的關系[6-8]，構建散射矩陣形式的Zoeppritz方程。Zoeppritz方程通過界面二側介質P波、SV波、密度和入射角等描述頁巖氣儲層反射波和透射波之間的振幅關聯(lián)性。頁巖氣儲層彈性波界面散射如圖1所示。

圖1 頁巖氣儲層彈性波界面散射示意Fig.1 Schematic diagram of elastic wave interfacescattering in shale gas reservoir

由圖1可知，當P波入射到不同頁巖氣儲層介質時，會在2種介質交匯處形成反射波和透射波。其中，反射波和入射波均會形成各向異性的橫波和縱波[9-10]，且橫波、縱波與豎直向上方向均會形成透射角和反射角。當P波以某個角度入射到頁巖氣儲層介質時，通過Zoeppritz方程可計算其反射波、透射波的橫波和縱波之間的能量分配數(shù)值。同時使用地質勘測手段獲得頁巖氣儲層的彈性參數(shù)即可計算出P波透射波和入射波縱波和橫波的反射系數(shù)和透射系數(shù)。然后依據(jù)地震波反射與透射原理以及頁巖不同巖性參數(shù)，使用AVO技術即可得到頁巖氣儲層詳細描述。

1.3 頁巖氣儲層橫波速度計算

從頁巖的各向異性橫波速度角度描述其氣儲層，首先建立各向異性頁巖物理模型，其步驟為：以有機成分干酪根和非有機成分黏性礦物質依據(jù)比例混合后得到干巖石，依據(jù)其參數(shù)建立各向異性骨架模型。利用各向異性骨架模型輸出頁巖等效彈性張量和孔隙度之間關系[11-13]以及流體飽和度和孔隙縱橫比之間的關系。然后按照干巖石等效彈性張量極端流體飽和和頁巖等效彈性張量后，建立各向異性巖石物理模型，利用該模型計算頁巖氣儲層的橫波速度，以分析頁巖內(nèi)氣儲層位置等相關信息。

經(jīng)過上述過程構建完各向異性巖石物理模型后，按照頁巖各向異性介質橫波速度、縱波速度和頁巖的剛度系數(shù)之間的相關性[14-15]，以速度形式描述頁巖流體飽和的等效彈性張量后，依據(jù)頁巖縱波和橫波速度反向計算頁巖等效孔隙縱橫比。將頁巖等效孔隙縱橫比代入到頁巖等效剛度計算公式內(nèi)便可得到頁巖橫波、縱波的速度。根據(jù)頁巖的橫波、縱波速度分析頁巖氣儲層分布詳情。

1.4 基于方位各向異性的頁巖裂縫預測方法

常規(guī)的頁巖氣儲層均位于距地面距離較深的潛山中，其受上方地層壓力和斷層斷裂結構影響，頁巖的氣儲層高角度定向分布的裂縫發(fā)育較好[16-17]。頁巖的高角度定向分布裂縫具備水平對稱的橫向各向同性介質，利用HTI(Horizontal Transverse Isotropy)介質呈現(xiàn)各向同性介質中分布的具備平行特征的垂直裂縫，如圖2所示。其中，HIT介質以平行的各向同性排列的豎直向上的裂縫描述地震波在頁巖介質內(nèi)轉播變化特征，通過描述觀測方向與相位角之間的變化，分析頁巖內(nèi)氣儲層裂縫位置，進而獲得頁巖氣儲層區(qū)域。

圖2 HTI描述頁巖垂直裂縫示意Fig.2 Schematic diagram of vertical fracture of shale described by HTI

頁巖在弱各向異性基礎上，利用HTI描述頁巖垂直裂縫時可利用介質縱波反射系數(shù)的近似值表達頁巖縱波反射系數(shù)和觀測夾角的關系。以振幅橢圓方式描述反射振幅與其觀測夾角之間的變換關系，振幅橢圓長軸所指示的方向即為頁巖裂縫的走向[18-19]。當振幅橢圓形狀越扁，表示此時頁巖的方位各向異性特征越明顯[20]，裂縫發(fā)育越好。依據(jù)實際頁巖地質數(shù)據(jù)，以≥3個的方位角地震源信息即可反推出裂縫的方位和密度。根據(jù)上述思想，應用各向異性表征技術對頁巖裂縫預測的技術流程如圖3所示。

圖3 各向異性表征技術在頁巖裂縫預測過程中的流程Fig.3 Process of directional anisotropy characterization technology in shale fracture prediction

各向異性表征技術應用在頁巖裂縫預測過程中時，首先通過構建裂縫巖石的物理模型，利用該模型進行正演模擬，依據(jù)該結果做疊前地震方位角分析。對疊前地震方位角進行處理并確定分方位角策略后，提取頁巖各個方位角對其進行偏移疊加處理，得到新疊前方位角疊加數(shù)據(jù)體。對新疊前方位角疊加數(shù)據(jù)體進行預測和分析后，通過定量方式獲得裂縫發(fā)育方向和密度。由此可推斷出頁巖內(nèi)氣儲層位置和氣儲含量大致信息。

2 實驗分析

以上述研究區(qū)為實驗對象，應用本文方法對該研究區(qū)的頁巖氣儲層展開探測，以驗證各向異性表征技術在探測過程中的應用。頁巖介質參數(shù)見表1。

表1 頁巖介質參數(shù)Tab.1 Shale medium parameters

依據(jù)上述頁巖介質參數(shù)對頁巖縱波進行正演模擬，得到等效頁巖縱橫比為0.01情況下裂紋密度不同時的剛度張量參數(shù)。設置頁巖裂紋密度為0.15和0.35，分析在該裂紋密度參數(shù)情況下，頁巖氣儲層裂縫水平面速度分量分布情況和飽含水裂縫水平面速度分量分布情況，結果如圖4和圖5所示。

圖4 不同裂紋密度參數(shù)情況下頁巖氣儲層裂縫水平面速度分量分布情況Fig.4 Distribution of horizontal velocity component of fracture in shale gas reservoir under different crack density parameters

圖5 不同裂紋密度參數(shù)情況下飽含水裂縫水平面速度分量分布情況Fig.5 Distribution of horizontal velocity component of water saturated crack under different crack density parameters

分析圖4可知，頁巖氣儲層裂紋密度較小時，其氣儲層裂縫水平面速度分量較輕微，其橫縱波各向異性不明顯。隨著頁巖裂紋密度增加，頁巖氣儲層的裂縫水平面速度分量呈現(xiàn)橢圓形狀，橢圓中部位置出現(xiàn)交叉橫縱波，且交叉橫縱波波紋較為明顯。此時說明裂紋密度增加，頁巖氣儲層內(nèi)的裂縫隨著其法向方向形狀逐漸變平，說明頁巖氣儲層的縱波速度各向異性逐漸顯著，該頁巖氣儲層的含氣量較多。

分析圖5可知，頁巖的飽含水裂縫的橫縱波呈現(xiàn)正規(guī)的圓形，雖然隨著裂紋密度增加頁巖飽含水裂縫的水平面速度分量分布較為明顯，圓形中部區(qū)域出現(xiàn)橫波情況，說明頁巖的飽含水裂縫在裂紋密度較大時的各向異性較為明顯，但同與圖4不同裂紋密度參數(shù)情況下頁巖氣儲層裂縫水平面速度分量分布情況相比，飽含水裂縫的水平面速度分量分布不夠明顯，說明頁巖飽含水層的氣儲層氣含量較少。

從不同方位角的角度下分析地震波旅行時的波形，結果如圖6所示。分析圖6可知，當?shù)卣鸩ǚ轿唤嵌葹?時，地震波波動隨著入射角的增加其振幅呈現(xiàn)降低趨勢，但不同方位角下的振幅差異不大。依據(jù)圖6結果，對不同方位角下的P波形進行反演得到不同地震波振幅與其入射角之間的關系，結果如圖7所示。

圖6 不同方位角時地震波波形Fig.6 Seismic wave waveform at different azimuth angles

圖7 不同方位角P波振幅與其入射角關系Fig.7 Relationship between different azimuth angles seismic wave amplitudes and their incident angles

分析圖7可知，P波的振幅數(shù)值隨著其入射角的增加而降低且降低幅度較大，說明該區(qū)域頁巖氣儲層介質的各向異性表征明顯。各個曲線中，最快到達最低振幅的曲線即為極性反轉曲線，說明當P波的入射角數(shù)值超過75°后，地震波振幅出現(xiàn)極性反轉情況。此時說明P波受頁巖氣儲層介質阻擋，該氣儲層區(qū)域含氣量極其微小。

3 結論

本文利用各向異性表征技術，分別從地震波旅行、振幅、頁巖飽含水裂縫和頁巖氣儲層裂縫角度分析了其在頁巖氣儲層探測中的應用。頁巖氣儲層裂縫的水平面速度分量分布和頁巖飽含水裂縫水平面速度分量分布情況得出各向異性的頁巖氣儲層含量信息；不同方位角下的地震波可反映頁巖介質對地震波的阻擋作用，當?shù)卣鸩ㄕ穹霈F(xiàn)極性反轉情況時，氣儲層區(qū)域含氣量較小。