頁巖氣地球物理勘探技術發(fā)展現狀

袁桂琴，孫 躍，高衛(wèi)東，石旭東，王英秀

(中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北廊坊 065000)

0 前言

進入20世紀，成功進行大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的非常規(guī)能源包括:煤層氣、油頁巖、油砂、頁巖氣、海洋天然氣水合物等。在頁巖氣方面，美國首先突破了頁巖氣開采關鍵技術，已進行大規(guī)模商業(yè)開發(fā)，帶動了世界頁巖氣的勘探與開發(fā)(Scott L，et al.，2005;張所續(xù)，2013)。我國作為世界第二大油氣消費國，開發(fā)非常規(guī)能源，尤其是頁巖氣資源，對我國經濟發(fā)展和改善能源結構具有重要的現實意義。

用于頁巖氣勘探的方法有地質、地球物理、地球化學、鉆井等，且呈現出以地球物理手段為主的多種綜合方法應用的特點。從尋找頁巖氣開發(fā)核心區(qū)到鉆完井設計，從測井識別頁巖氣層，到隨鉆測井，再到壓裂裂縫監(jiān)測，地球物理技術已經融入了頁巖氣勘探開發(fā)的各個階段，成為頁巖氣勘探開發(fā)不可或缺的基本技術。

1 國內外頁巖氣地球物理勘探技術發(fā)展現狀

20世紀70年代，美國頁巖氣研究重點集中在兩個方面:一是頁巖層的定性和定量描述、地質－地球化學理論研究及資源潛力評價;二是加強開發(fā)工程技術攻關，如新型鉆井、完井、壓裂技術和增產工藝的研發(fā)，使頁巖氣資源正式成為新的天然氣資源勘探開發(fā)目標，推動了美國頁巖氣廣泛商業(yè)性開采。20世紀90年代，美國逐步構建了以巖心實驗為基礎、以測井定量解釋為手段，以地震預報為方向、以儲集層改造為重點和以經濟評價為主導的勘探開發(fā)體系(Amie M Lucier，et al.，2011)。美國非常規(guī)油氣公司在注重頁巖氣開發(fā)技術創(chuàng)新的同時，逐步開始關注頁巖氣藏的地質特征與區(qū)域地質背景的研究，以期增加高產井的數量(周小琳，2012)。2009～2011年，CGGVeritas公司分別在 Haynesville地區(qū)和Marcellus地區(qū)完成4700km2和8500km2的三維地震勘探工作，結合鉆井成果獲得了很好的成效，充分顯示出地球物理技術已經成為頁巖氣勘探開發(fā)中必不可少的手段(劉振武等，2011)。

加拿大是第二個開展頁巖氣勘探開發(fā)的國家，頁巖氣生產也有數十年的歷史。2007年加拿大第一個商業(yè)性頁巖氣藏投入開發(fā)，2008年在加拿大北部偏遠地區(qū)發(fā)現了頁巖氣藏，有望成為北美洲最大的儲氣盆地。同時，國際化的商業(yè)合作活動相繼展開。

頁巖氣勘探開發(fā)雖然在全球特別是北美地區(qū)取得重大進展，但勘探開發(fā)中的地球物理技術研究與應用卻相對滯后。美國深入研究了頁巖氣的地質成藏理論，并針對頁巖氣儲層的特點開發(fā)了儲層評價技術，這些理論與技術是近幾年剛剛興起的前沿技術，系統理論方法和實用技術還在逐漸形成中，尚未見到系統的、配套完善的頁巖氣預測和評價地球物理方法。

國外頁巖氣勘探主要采用地震技術，以存在于裂縫發(fā)育帶中的頁巖氣藏為主要目標。常用的裂縫發(fā)育帶及含氣性地震預測方法有:基于地震構造解釋和沉積分析的裂縫預測、疊后地震屬性裂縫預測、疊前地震屬性裂縫預測、方位地震P波屬性裂縫預測、多波多分量地震屬性裂縫預測、地震與測井綜合裂縫預測和裂縫綜合預測等。高分辨率三維地震技術有助于準確認識復雜構造、儲層非均質性和裂縫發(fā)育帶，主要是通過相干分析技術、地震屬性分析、層間切片等預測頁巖的空間展布和相對高有機碳、高孔滲及微裂縫發(fā)育的層段和地區(qū)，提高探井(或開發(fā)井)成功率。微地震裂縫技術可用于預測裂縫生成方向，以及優(yōu)化水力壓裂設計和裂縫走向，改善水平井水力壓裂評估。

與北美相比，中國頁巖氣勘探起步較晚，而與全球其他地區(qū)相比，中國頁巖氣勘探處于領先地位，為北美以外地區(qū)率先實現頁巖氣突破和工業(yè)化先導試驗的國家(鄒才能等，2011)。我國于20世紀90年代向頁巖氣開發(fā)領域進軍，但由于受地質條件以及開發(fā)技術的限制，一直沒有形成規(guī)?；_發(fā)(李武廣等，2011)。探索研究主要集中在頁巖氣資源評價理論與方法、成藏特征和成藏機理等方面，以調查富有機質頁巖的基本特征為目標，主要手段為地質淺井和地表地質調查(李玉喜等，2011)。2011年，我國陸相頁巖氣勘探取得重大突破，中國第一口陸相頁巖氣出氣井點火成功。隨著頁巖氣勘探開發(fā)的全面展開，與頁巖氣相關的配套地球物理關鍵技術的研究迫在眉睫。

針對頁巖氣勘探開發(fā)所需的地球物理技術，“川西頁巖氣地球物理預測與評價技術研究”項目通過立項論證，以頁巖氣的巖石物理特征、地震響應特征和測井響應特征為基礎，開展頁巖氣資源評價、儲層識別、儲層改造、有效開發(fā)各環(huán)節(jié)中的地球物理技術研究;通過建立頁巖氣測井及地震預測、評價方法，推進和完善頁巖氣產層評價、產層預測及工程參數預測方法系列，對提高當前國內頁巖氣勘探開發(fā)成功率及經濟效益具有重要價值。李志榮(2011)等通過四川盆地南部頁巖氣的勘探實踐，對頁巖氣地球物理勘探技術進行探索和研究，提出了適合于中國地質特征的頁巖氣地球物理勘探評價方法與技術思路。

地球物理測井是識別、評價頁巖氣儲層，并為后期完井提供指導參數的重要手段。主要涉及自然伽馬測井、井徑測井、聲波時差測井、中子密度測井、電阻率測井、巖性密度測井、地層密度測井等(Hill D G，et al.，2004)。國外含氣頁巖的測井解釋評價日趨完善，各測井服務公司都已經有了成形的軟件系統，貝克休斯公司發(fā)展了一套專門應用于頁巖氣評價的軟件—頁巖氣專家系統;斯倫貝謝也研發(fā)出了應用于解釋評價的頁巖氣模塊。近幾年，國外在頁巖氣測井評價方面的工作主要體現在對ECS測井(Elemental Capture Spectroscopy)和高分辨率成像測井的應用。另外有研究表明，感應測井與巖石介電常數有關的X分量負異常與干酪根的存在及其類型之間有一定的相關性(莫修文，2011)。

我國頁巖氣地球物理測井研究工作總體處于起步狀態(tài)，頁巖氣藏巖石物理基礎研究和實驗分析技術尚屬空白，測井解釋方法和軟件缺乏，頁巖氣地球物理測井工作以跟蹤國外發(fā)展動態(tài)為主。2010年2月由斯倫貝謝公司(Schlumber)對中國第一口頁巖氣井進行測井作業(yè)，國內測井服務公司和研究機構參與進行了測井解釋評價(郝建飛等，2012)。

齊寶權等(2011)經過對四川盆地南部Wx井頁巖氣儲層部分物性參數的初步處理，有針對性地選取測井項目，探討了頁巖氣的測井解釋模式，對今后頁巖氣儲層測井解釋評價工作具有參考意義。頁巖氣儲層與常規(guī)氣儲層的差異很大，其滲透率極低的特點決定了開發(fā)必需采用適當的增產技術如儲層評價技術，才能實現商業(yè)開發(fā)(趙群等，2008)。測井和取心是頁巖氣儲層評價的兩種主要手段。Schlumber公司應用測井數據，包括ECS來識別儲層特征(賈飛雄，2013)。成像測井可以識別出裂縫和斷層，并能對頁巖進行分層。聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應力方向，進而為氣井增產提供數據。巖心分析主要是用來確定孔隙度、儲層滲透率、泥巖的組分、流體及儲層的敏感性，并分析測試TOC和吸附等溫曲線。

頁巖儲集層的含氣性及產氣能力與裂縫的發(fā)育情況關系密切，對頁巖裂縫進行檢測，可為頁巖氣儲集層的含氣性檢測提供最直接的依據(曲壽得，2003;陳佳梁等，2004)。李曙光等(2011)利用因巖性各向異性而產生的地震波的各向異性、快慢橫波分裂、曲率相干屬性、頻變AVO等幾種裂縫檢測識別頁巖氣儲集層的方法，為頁巖氣的地球物理勘探提供了技術思路。蔣裕強等(2010)借鑒美國頁巖氣勘探成功經驗，綜合利用四川盆地最新的淺井鉆探和野外露頭取樣資料，篩選出有機質豐度、熱成熟度、含氣性等八大關鍵地質因素，進而提出了一套較為適用的儲層評價標準。

北美裂隙性頁巖氣勘探開發(fā)經驗證明，有機質豐度高的細粒碎屑巖往往伴隨放射性元素含量增加、巖石密度降低、聲波速度降低、電阻率增大、以及氫和碳含量增加的一般規(guī)律，因此利用常規(guī)測井組合的響應特征，可以系統測量成熟泥頁巖參數(李新景，2007)。

了解頁巖氣儲層巖石地球物理特征對于弄清控制巖石物理特性的各因素之間的相互作用很重要。頁巖油氣儲層參數的定量評價比較困難，國內還處于研究起步階段。國外開展相關研究較早，建立了各自的評價方法和流程，開發(fā)了相關的測井解釋軟件。評價方法各不相同，對于頁巖油氣儲層定量評價目前沒有統一的工業(yè)標準流程，概況起來有兩大類:一類是基于巖心數據建立巖電統計模型;另一類是豐富常規(guī)測井信息求解巖石物理體積模型。

頁巖礦物成分和儲層結構評價、頁巖儲層標準的建立、裂縫類型識別與巖石力學參數評價等方面的研究，是頁巖氣測井技術評價的重點。研究表明，深層頁巖氣測井評價技術是中國與國外的最大差距，也是中國頁巖氣測井評價技術的核心問題(劉雙蓮等，2011)。

根據國外頁巖氣勘探開發(fā)經驗，水平井鉆井和儲層改造是頁巖氣勘探開發(fā)提高產量的關鍵技術，而地球物理方法則是優(yōu)化頁巖氣鉆井及儲層壓裂改造部署的必要技術支撐，能始終貫穿服務和指導勘探開發(fā)工程。2010年首次分別在四川盆地南部完鉆了頁巖氣井Wx井和Nx井，繼而又開始了水平分支井的實施，標志著我國頁巖氣勘探開發(fā)邁出了成功的一步，特別是在頁巖氣地質選區(qū)、鉆完井技術、儲層改造技術等方面有了初步的認識，同時對利用測井和地震勘探等方法進行頁巖氣高產富集區(qū)識別預測和評價，以及為鉆井軌跡設計和儲層改造目標提供技術支撐方面提出了迫切要求(齊寶權等，2011)。

2009年川渝鄂開展了蜀南、富順－永川、長寧、昭通等4個區(qū)塊頁巖氣二維地震及威遠、長寧2個頁巖氣三維地震項目，從數據采集到資料處理解釋進行系統全面的技術攻關。2013年保靖區(qū)塊頁巖氣二維地震勘探項目，部署二維地震測線12條，重點針對區(qū)內構造特征、頁巖層發(fā)育情況。這些項目的啟動，標志著我國頁巖氣勘探開發(fā)將進入一個全新的時期。

2 頁巖氣地球物理勘探技術發(fā)展重點

由于頁巖氣儲集層具有高自然伽馬、低速度、高含氫量、低密度、高電阻率等地球物理特性，與常規(guī)油氣勘探類似，地球物理測井和地震等技術是當前用于頁巖氣勘探最主要的地球物理方法(張鍵等，2012)。根據國內外有關頁巖氣地球物理技術發(fā)展狀況，頁巖氣地球物理技術大致包括頁巖氣儲層巖石物理技術、頁巖氣測井評價技術、頁巖氣地震資料采集及特殊處理技術、頁巖氣地震識別與綜合預測技術、頁巖氣非地震技術、微地震壓裂監(jiān)測等技術系列(劉振武等，2011)，其發(fā)展重點如下。

頁巖氣儲層巖石物理技術:圍繞頁巖運動學和力學性質實驗室測試技術進行攻關，形成配套技術;儲備頁巖氣儲層電學及聲學特征實驗技術與實驗手段，研究頁巖氣儲層的地球物理響應特征;超前研究頁巖氣儲層地震各向異性巖石物理建模技術。

頁巖氣測井評價技術:建立適合我國頁巖氣勘探的測井技術系列。隨鉆測井在水平井鉆井中起著不可替代的地質導向作用，而且隨鉆測井資料不受泥漿侵入的影響，資料真實可靠并且更加經濟。測井新技術(如核磁共振測井、微電阻率成像測井、元素俘獲能譜測井等)在頁巖氣定量解釋評價方面應該有著更為廣闊的前景(劉雙蓮等，2011)。對裂縫識別及定量評價技術進行攻關，形成成熟、配套的頁巖氣儲層物性參數測井處理和評價工作流程，建立頁巖氣測井識別和評價標準。

頁巖氣地震資料采集及特殊處理技術:攻克高信噪比地震資料采集技術，提高地震資料品質;地震資料處理和反演過程中考慮地震各向異性的影響是一個熱點問題，也是進一步提高地震資料品質的關鍵(Sondergeld et al.，2011;孫龍德，2013)。Paradigm公司的EarthStudy 360°全方位角度域成像、解釋、可視化和描述系統，在利用地球物理手段研究頁巖氣儲層各向異性特征方面作了有益的嘗試(Zvi Koren et al.，2009)。

頁巖氣儲層地震識別與綜合預測技術:頁巖層厚度與埋深預測技術已經成熟，需進一步提高預測精度;研究頁巖氣地震響應，并形成配套的、可用于工業(yè)化生產的識別和預測技術(羅蓉等，2011)。當前急需加強井中地震數據采集技術研究，其數據處理和資料解釋技術亟待研發(fā)。國外已經開始進行四維VSP的生產試驗，研究儲層各向異性特征的變化，不斷提高裂縫檢測的精度。在傳統的疊后和疊前地震屬性分析的基礎上，加強寬方位三維地震P波勘探及方位地震屬性、多波多分量二維和三維地震勘探及多分量地震屬性、地震與測井裂縫綜合預測應用研究。

微地震壓裂監(jiān)測技術:微地震技術在國外發(fā)展很快，已形成了從數據采集到分析、解釋以及油藏監(jiān)測的配套技術系列。國內目前還沒有一套完整的微地震監(jiān)測技術方案及采集設計、處理解釋配套軟件?；谌S地震解釋的水平井軌跡設計技術和微地震監(jiān)測技術對提高頁巖氣井產能和采收率至關重要。3DVSP技術聯合微地震監(jiān)測技術是壓裂裂縫監(jiān)測的有效手段，裂縫預測是頁巖氣勘探開發(fā)中的一項關鍵技術(林建東，2012)，井中地震與地面地震的聯合是提高頁巖氣綜合勘探能力的一種必然發(fā)展趨勢。

頁巖氣非地震技術:除地震、測井之外其他的地球物理方法，發(fā)展如電磁法、磁法等非地震技術，開展頁巖氣多方法綜合預測和評價，多學科綜合研究必然會使預測結果更趨合理。

3 頁巖氣地球物理勘探技術發(fā)展保障條件

頁巖氣勘探面臨的關鍵技術問題是核心區(qū)選區(qū)及儲層識別與評價，在頁巖氣儲層評價中，需建立頁巖氣儲層測井評價方法和標準;對地震技術而言，主要用于頁巖儲層分布、厚度以及頁巖儲層物性、含氣性等方面的研究。從我國頁巖氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略角度考慮，地球物理勘探技術的發(fā)展，除合理部署安排關鍵技術攻關外，還應重點關注以下幾方面。

3.1 加強頁巖氣基礎研究

一系列地質問題認識不足構成了制約中國頁巖氣發(fā)展的瓶頸，尤其是在中國頁巖氣勘探快速起步的今天，基礎研究工作的系統開展對頁巖氣工業(yè)的發(fā)展具有重要意義(張金川，2011)。中國頁巖氣研究只是近幾年的事，而美國頁巖氣研究至少30多年，有的甚至說是上百年，規(guī)模開發(fā)近10年。中國許多基礎研究，包括機理研究、參數測定等，由于設施的落后，很難達到精細準確。為此，加強頁巖氣基礎研究迫在眉睫。

3.2 國際合作與自主創(chuàng)新相結合

勘探開發(fā)頁巖氣的尖端技術大多掌握在國際大油氣公司手中，先進的鉆探技術已使美國的頁巖氣大規(guī)模開發(fā)具有經濟價值。我國地質條件復雜，特別是陸相頁巖熱演化程度較低，分布非均質性較強，有效開發(fā)需要有針對性的技術。遵循國際合作與自主創(chuàng)新相結合的原則，在借鑒先進技術的基礎上，構建具有中國特色的頁巖氣勘探開發(fā)模式。

3.3 企業(yè)應作為關鍵技術研發(fā)主體

頁巖氣對保障國家能源安全、降低能源對外依存度具有重大戰(zhàn)略意義。在規(guī)劃部署、資金安排、項目設置方面，政府要給予政策的支持，企業(yè)應作為關鍵技術研發(fā)的主體。在國家科技重大專項計劃中增加頁巖氣研究的比重，從國家層面部署設立頁巖氣關鍵技術攻關課題，集合國內外優(yōu)勢技術資源，構建我國頁巖氣勘探技術研發(fā)體系，建立合理的頁巖氣地球物理勘探技術流程，突破一批適用于勘探生產實踐的關鍵技術。

3.4 加快部署基礎性調查工作

目前我國尚未對全國頁巖氣資源進行系統勘查與評價，頁巖氣資源評價、儲量計算和產能預測的方法需要探索，頁巖氣資源量、儲量和產能尚不清楚，家底不明不利于頁巖氣資源勘探開發(fā)和國家的合理規(guī)劃部署。

3.5 面向生態(tài)文明建設的頁巖氣勘探開發(fā)

頁巖氣是一種清潔能源，但其勘探生產過程卻存在比常規(guī)油氣生產還要大的環(huán)境風險。頁巖氣的勘探開發(fā)需要水壓致裂，水壓致裂在多個層面存在危害性(王中華，2013)。在生態(tài)環(huán)境備受關注的今天，壓裂過程中消耗大量的水資源、壓裂液對地下水造成的污染等問題要引起重視(岳婷等，2013)。頁巖氣井的反流水中的烴類、重金屬、微生物和鹽類，對水處理提出了挑戰(zhàn)，它代表著最難以處理的工業(yè)廢水。

4 結語

地球物理技術是頁巖氣勘探中重要的手段，其關鍵技術的研究突破將會對頁巖氣規(guī)模化勘探開發(fā)意義重大。要加強頁巖氣儲層巖石物理性質基礎性研究，以及頁巖氣測井評價、頁巖氣地震識別與綜合預測、頁巖氣非地震等關鍵技術研究;同時，合理規(guī)劃部署與多方聯動攻關，基礎性研究與實用技術研發(fā)相結合，借鑒國外成熟技術與自主創(chuàng)新相結合，逐步建立具有我國地質特點的頁巖氣地球物理勘探技術體系。

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