雙相介質(zhì)理論檢測頁巖裂縫及其油氣

李煜偉, 呂宗剛, 彭海潤, 王 琳, 李 軍

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國石油西南油氣田公司 蜀南氣礦，四川 瀘州 642450)

雙相介質(zhì)理論檢測頁巖裂縫及其油氣

李煜偉1, 呂宗剛2, 彭海潤2, 王 琳2, 李 軍2

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國石油西南油氣田公司 蜀南氣礦，四川 瀘州 642450)

嘗試用雙相介質(zhì)BISQ理論，在疊后地震數(shù)據(jù)上計(jì)算以頻率為自變量的瞬時頻散譜和瞬時吸收譜，用瞬時譜的頻散和衰減信息檢測頁巖裂縫及油氣。用迭代優(yōu)化方法設(shè)計(jì)頻寬為2 Hz的25個分頻算子，用分頻算子對地震數(shù)據(jù)分頻，用復(fù)數(shù)道分析技術(shù)對所有分頻道進(jìn)行“三瞬”計(jì)算，集合成瞬時振幅譜、瞬時頻率譜、瞬時相位譜，用這3個瞬時譜計(jì)算瞬時頻散譜和瞬時吸收譜。計(jì)算結(jié)果表明：在瞬時吸收譜的低頻段可見到強(qiáng)吸收被弱吸收封閉的異常特征，在瞬時頻散譜上伴有頻散突變異常特征，兩種異常共同構(gòu)成檢測頁巖裂縫及油氣的標(biāo)志。用瞬時頻散譜和瞬時吸收譜的衰減和頻散的異常特征對8口已知井頁巖儲層的檢測結(jié)果與鉆井吻合?；陔p相介質(zhì)BISQ理論的瞬時頻散譜和瞬時吸收譜可預(yù)測油氣分布范圍，提供鉆探目標(biāo)。

頁巖裂縫;雙相介質(zhì);瞬時頻散譜;瞬時吸收譜;頻率;油氣預(yù)測

影響頁巖氣分布并決定其是否具有工業(yè)勘探開發(fā)價值的重要因素有：泥頁巖厚度與體積、有機(jī)質(zhì)類型與豐度、熱歷史與有機(jī)質(zhì)成熟度、孔隙度與滲透率、斷裂與裂縫以及構(gòu)造運(yùn)動與現(xiàn)今埋藏深度等[1]。

裂縫在頁巖氣藏中的作用表現(xiàn)在：(1)有利于后期對頁巖層的改造工作；(2)如果裂縫規(guī)模過大，特別是穿層斷層發(fā)育時，可能導(dǎo)致頁巖氣藏中的游離氣和吸附氣逸散而減少；(3)裂縫是油氣運(yùn)移和儲集的主要空間[2]。裂縫性油氣藏在油氣生產(chǎn)中占有非常重要的地位。

裂縫性油氣藏由于孔隙度低、非均質(zhì)性強(qiáng)且裂縫分布復(fù)雜，使得裂縫預(yù)測成為公認(rèn)的難題。國內(nèi)外對這一難題進(jìn)行了深入研究，在20世紀(jì)70年代，國外有裂隙性油氣藏的勘探方法研究專著發(fā)表。20世紀(jì)90年代，地震三維三分量、地震三維多方位等資料的利用取得一些效果。近幾年來，由單相各向異性研究轉(zhuǎn)到了雙相各向異性的研究，雙相各向異性更符合客觀實(shí)際。而中國裂隙性油氣藏的研究主要是在20世紀(jì)80年代以來才有所進(jìn)展，對以上領(lǐng)域研究差距也逐漸縮小[2]。

因波場差異小造成頁巖裂縫識別困難，需要用敏感參數(shù)。速度頻散和吸收衰減是雙相介質(zhì)BISQ理論的核心信息，也是識別頁巖裂縫及油氣的敏感信息。用敏感的核心信息可望檢測到波場特征差異小的頁巖裂縫及油氣。因此，有必要開發(fā)基于雙相介質(zhì)理論檢測頁巖裂縫及油氣的新方法。

1 理論依據(jù)

地震波在每一類型的介質(zhì)中傳播都有其獨(dú)特的規(guī)律。雙相介質(zhì)BISQ理論指出流體的存在和運(yùn)動是彈性波速度頻散和吸收衰減的主要原因，頻散和衰減揭示流體的存在和運(yùn)動[3]，流體的存在和運(yùn)動寓含裂縫的存在。受地震分辨率限制無法檢測到頁巖納米級儲集空間的游離態(tài)和吸附態(tài)頁巖氣，但可檢測含油氣的頁巖裂縫。雙相介質(zhì)BISQ理論是檢測頁巖裂縫及油氣的理論依據(jù)。

1.1 雙相介質(zhì)BISQ理論

固體和流體組成的雙相介質(zhì)能更全面地揭示地震波的衰減機(jī)制。Dvorikn和Nur于1993年建立了流體沿縱向上的Biot流動和沿橫向上的噴射流動引起的頻散和衰減參數(shù)與彈性參數(shù)、儲層參數(shù)、流體參數(shù)和頻率參數(shù)為函數(shù)的BISQ理論[3]：

(1)

式中：VP為速度頻散;αd為吸收衰減; J0為零階貝塞爾函數(shù); J1為一階貝塞爾函數(shù);ρs為固體密度;φ為孔隙度;ρf為流體密度;η為流體黏滯度;k為滲透率;S為飽和度;M為干噪骨架的單軸應(yīng)變模量;Fsq為固-流耦合系統(tǒng)的綜合壓縮性;α為有效應(yīng)力孔隙彈性系數(shù);R為特征噴射流動長度;F為固-流耦合系統(tǒng)的壓縮性;K為干噪骨架體積模量;ω為圓頻率[3,4]。

(1)式表明：速度頻散和吸收衰減與彈性參數(shù)、儲層參數(shù)、流體參數(shù)和頻率參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，以參數(shù)形式表述其內(nèi)涵。然而，方程參數(shù)太多，又以不可測量者居多，目前無法實(shí)現(xiàn)用地震資料在反演中以參數(shù)形式進(jìn)行描述和應(yīng)用。根據(jù)用頻率作自變量表示信號為頻譜的定義，可以用地震偏移數(shù)據(jù)計(jì)算出以頻率為自變量的速度頻散譜和吸收衰減譜，以譜的形式表述其內(nèi)涵?？紤]到地震信號是時變信號和開時窗計(jì)算引起的平均效應(yīng)，把速度頻散譜和吸收衰減譜定義在地震道的采樣點(diǎn)上，而具有瞬時性。以瞬時速度頻散譜和瞬時吸收衰減譜的形式表述其內(nèi)涵。瞬時頻散譜和瞬時吸收譜上的頻散和衰減信息揭示流體的存在和運(yùn)動，流體的存在和運(yùn)動寓含裂縫的存在。

瞬時頻散譜和瞬時吸收譜的計(jì)算，首先用小波多分辨分析導(dǎo)出的帶通濾波把地震信號分解成具有瞬時特征的單分量信號，用Hilbert變換計(jì)算單分量信號的瞬時振幅、瞬時頻率和瞬時相位。用“三瞬”計(jì)算瞬時頻散譜和瞬時吸收譜。

1.2 小波多分辨分析

小波多分辨分析可導(dǎo)出帶通濾波概念。小波多分辨分析用時間-尺度聯(lián)合函數(shù)用“變焦距”的方法分析時變信號。地震道f(t)定義在信號空間v：f(t)∈v，尺度函數(shù)φ(t)對f(t)進(jìn)行分解[5]

(2)

信號空間被分解為鑲嵌空間〔Vi,(i=1,2,…)〕。a空間Vi+1包含在它的前一級a空間之中t

V0?V1?……Vi?Vi+1…

(3)

地震道在鑲嵌空間中被分解后，在Vi的部分fi(t)比在Vi+1中的fi+1(t)含有更多的信息Δfi+1

Δfi+1(t)=fi(t)-fi+1(t)=f(t)Δφi+1(t)

(4)

(2)式中φ(a-jt)相當(dāng)于低通濾波，(4)式中Δφi+1相當(dāng)于帶通濾波。小波多分辨分析導(dǎo)出的帶通濾波把地震信號分解成單分量信號而具有瞬時特征，是計(jì)算瞬時頻散譜和瞬時吸收譜的基礎(chǔ)。

2 瞬時頻散譜和瞬時吸收譜計(jì)算

地震道的有效頻帶為50 Hz，設(shè)計(jì)25個分頻帶通濾波器，其頻帶寬度為2 Hz。用李慶忠院士的迭代優(yōu)化方法[6]計(jì)算25個帶通濾波算子就可把一個地震道分成25個分頻道，合成后仍為50 Hz，分頻道近似為單分量信號具有瞬時特征。用復(fù)數(shù)道分析技術(shù)的Hilbert變換對25個分頻道分別進(jìn)行瞬時振幅、瞬時頻率、瞬時相位計(jì)算。用瞬時振幅作因變量，瞬時頻率作自變量用點(diǎn)斜式可計(jì)算出瞬時吸收α；當(dāng)速度是頻率的函數(shù)v(f)與相位函數(shù)θ的關(guān)系是[4]：v(f)=ω(f)/θ(f)，用瞬時相位譜作因變量，瞬時頻率作自變量可計(jì)算瞬時頻散。瞬時道集可合成頻帶寬度為50 Hz，頻率采樣率為2 Hz的5個瞬時譜：瞬時振幅譜A(f)，瞬時頻率譜ω(f)，瞬時相位譜θ(f)，瞬時吸收譜((f)，瞬時頻散譜v(f)。計(jì)算公式如下

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：x(t)、y(t)分別為解析信號的實(shí)部、虛部；“′”表示求導(dǎo)運(yùn)算；i為分辨道序號[4, 6]。

瞬時頻散譜和瞬時吸收譜的分辨率高，信噪比高，精度高。地震道的有效頻帶為50 Hz，瞬時譜頻帶寬度也為50 Hz，保真度高。瞬時頻散譜和瞬時吸收譜整個計(jì)算過程屬于數(shù)值計(jì)算，有解存在且穩(wěn)定，是適定的。突出特點(diǎn)是：2個譜定義在地震道的釆樣點(diǎn)上，具有瞬時特征，信息量大，多解性小。

流體的存在和運(yùn)動寓意著裂縫的存在，因此，用瞬時頻散譜和瞬時吸收譜的頻散和衰減信息可預(yù)測頁巖裂縫及油氣。

3 瞬時頻散譜和瞬時吸收譜檢測頁巖裂縫及油氣

瞬時頻散譜和瞬時吸收譜的吸收和頻散信息的解釋是本方法的靈魂。頻散和衰減受頻率影響很大；相速度(速度頻散)急劇變化帶，與滲透率相關(guān)，衰減峰值的位置依賴于滲透率的大?。涣黧w黏滯系數(shù)增大，衰減峰值向低頻移動；衰減具有各向異性，衰減和滲透率各向異性密切相關(guān)，P波的最強(qiáng)衰減發(fā)生在最大滲透率方向[2]。地層存在流體，在地層壓力下不逃逸，則封閉。因此，在瞬時吸收譜的低頻段(<30 Hz)強(qiáng)吸收封閉，并且低頻段伴有頻散強(qiáng)異?；蝾l散弱異常，為解釋裂縫及油氣模式。

3.1 用已知井建立預(yù)測裂縫及油氣模式

對川中、川西南、川南3個地區(qū)的7個構(gòu)造和1個區(qū)塊，5個層段(須四、須二、嘉四1-嘉三、嘉二1-嘉一、陽新統(tǒng))。其中氣井15口，氣水同產(chǎn)井2口，水井4口，干井13口，氣枯竭井2口[4]，共36口已知井的常規(guī)儲層進(jìn)行檢驗(yàn)分析，得出瞬時吸收譜的低頻段強(qiáng)吸收封閉模式適用于不同的構(gòu)造和儲層，是固定異常模式。低頻段頻散強(qiáng)異常(頻散弱異常)模式適用于一個地區(qū)的同一儲層。對吸收和頻散2種異常共同擁有的CDP范圍作裂縫及油氣解釋。

對鉆遇頁巖非常規(guī)儲層裂縫的8口已知井進(jìn)行檢驗(yàn)分析，低頻段強(qiáng)吸收封閉模式適用于不同的構(gòu)造和儲層，是固定異常模式。川西南威遠(yuǎn)構(gòu)造寒武系筇竹寺組頁巖和川南地區(qū)3個局部構(gòu)造上的志留系龍馬溪組黑色頁巖的檢測，都表現(xiàn)為低頻段強(qiáng)吸收封閉模式。但速度頻散異常有差異，川西南威遠(yuǎn)構(gòu)造筇竹寺組頁巖為低頻段頻散強(qiáng)異常模式；川南地區(qū)龍馬溪組黑色頁巖為低頻段頻散弱異常模式。這種差異可能與所處的構(gòu)造部位、巖性、巖相、地層組合等因素有關(guān)。不同地區(qū)和不同的儲層，其速度有差異，速度頻散也有差異，這種多解性，屬于正常的地質(zhì)響應(yīng)。根據(jù)鉆井的有關(guān)信息，這種多解性是可排除的。

地震不能分辨頁巖非常規(guī)儲層納米級儲集空間的流體，可以分辨裂縫及油氣。因此，低頻段強(qiáng)吸收封閉和低頻段頻散強(qiáng)異常(頻散弱異常)模式構(gòu)成頁巖裂縫及油氣預(yù)測模式。對吸收和頻散2種異常共同擁有的CDP范圍作裂縫及油氣解釋。

吸收封閉：瞬時吸收譜上低頻段(<30 Hz)弱吸收封閉強(qiáng)吸收。封閉與被封閉的吸收差值，稱為封閉強(qiáng)度；封閉縱向“厚度”稱為封閉頻寬。吸收和頻散2種異常共同擁有的CDP個數(shù)稱為封閉范圍。頻散異常：瞬時頻散譜上相同頻段橫向上強(qiáng)弱的變化。圖1-圖8彩色圖由上而下分別為沿目的層的層位線在1/3周期范圍內(nèi)處理的瞬時吸收譜和瞬時頻散譜，縱坐標(biāo)是頻率坐標(biāo)分別為0～50 Hz，橫坐標(biāo)為CDP序號，彩色色標(biāo)表示頻散和衰減相對大小的百分?jǐn)?shù)，用黑色點(diǎn)線標(biāo)出異常，黑色直線為分析瞬時頻散譜異常的參考線。

3.2 川西南威遠(yuǎn)構(gòu)造檢測頁巖裂縫及油氣

川西南威遠(yuǎn)構(gòu)造上的W76、W112、W3井鉆遇筇竹寺組頁巖見到井涌、氣浸，W201井在筇竹寺組頁巖日產(chǎn)氣1.08×104m3，表明4口井鉆遇頁巖裂縫。低頻段強(qiáng)吸收封閉是固定裂縫模式，是由低頻段頻散強(qiáng)異常伴隨它。按照模式對2種異常共同擁有的CDP范圍作裂縫解釋與鉆井吻合。頻散強(qiáng)異常模式在這個地區(qū)的筇竹寺組頁巖是穩(wěn)定的(圖1-圖4，表1)。

首先按照裂縫解釋模式作裂縫解釋，然后作油氣及其產(chǎn)能解釋。相速度(速度頻散)急劇變化帶，與滲透率相關(guān)；衰減峰值的位置依賴于滲透率的大小；流體黏滯系數(shù)增大，衰減峰值向低頻移動[3]。由油礦地質(zhì)理論可知，滲透率反映儲層巖石的滲流能力，與儲層產(chǎn)能直接相關(guān)[7]。表1中的封閉強(qiáng)度、封閉頻寬越大，向低頻移動量越大，則產(chǎn)量越大，對威遠(yuǎn)構(gòu)造的頁巖裂縫及油氣檢測獲得令人滿意的效果。

圖1 W201井裂縫及油氣檢測

圖2 W76井裂縫及油氣檢測

圖3 W112井裂縫及油氣檢測

圖4 W3井裂縫及油氣檢測

圖5 Y63井裂縫及油氣檢測

圖6 L32井裂縫及油氣檢測

圖7 Y深2井裂縫及油氣檢測

圖8 P1井裂縫及油氣檢測

表1 威遠(yuǎn)構(gòu)造鉆井情況與吸收特征

3.3 川南地區(qū)檢測頁巖裂縫

川南地區(qū)鉆遇龍馬溪組黑色頁巖層段時，普遍見氣測異常、井涌、氣浸和井噴。其中Y63井下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖段，酸化后獲日產(chǎn)氣3 500 m3；L32井龍馬溪組黑色碳質(zhì)頁巖段日產(chǎn)氣1 948 m3；Y深2井井涌、氣浸；P1井在龍馬溪組為氣測異常。按照低頻段強(qiáng)吸收封閉和頻散弱異常模式作裂縫解釋與鉆井吻合。頻散弱異常模式在川南地區(qū)的3個局部構(gòu)造上對龍馬溪組頁巖的應(yīng)用是穩(wěn)定的，說眀檢測方法是穩(wěn)定的。表2中的封閉強(qiáng)度、封閉頻寬越大，向低頻移動量越大，產(chǎn)量越大，也與鉆井吻合。對于P1井(圖8)，距離區(qū)域性大斷層很近，大斷層斷開陽頂，可能使頁巖中的游離氣和吸附氣逃逸而剩余較少，因此吸收不封閉，無異常存在，與鉆井吻合。對川南地區(qū)的頁巖裂縫及油氣檢測獲得令人滿意的效果(圖5～圖8，表2)。

4 瞬時頻散譜和瞬時吸收譜潛在能力討論

瞬時頻散譜和瞬時吸收譜的吸收衰減和速度頻散揭示流體的存在和運(yùn)動，影響流體流動的因素主要有流動方向、流體黏度、裂縫連通性等。這些流動因素又影響吸收衰減和速度頻散的變化，具體表現(xiàn)在：裂縫滲透率與流動方向有關(guān)，滲透率取決于流體流動方向，在不同方向上，具有不同的滲透率值。吸收衰減和滲透率各向異性密切相關(guān)，P波的最強(qiáng)衰減發(fā)生在最大滲透率方向，吸收衰減峰值的位置依賴于滲透率的大小。速度頻散急劇變化帶，與滲透率相關(guān)[3,7]。石油、天然氣、地層水的黏度差別很大，大部分原油的黏度都高于5 mPa·s，水在20℃時的黏度為1.005×10-3mPa·s，天然氣的黏度在20℃時為12×10-3mPa·s。流體黏度差異影響流動能力，表現(xiàn)在流體黏滯系數(shù)增大，衰減峰值向低頻移動[3,7]；裂縫具有孔滲性，裂縫的孔隙度與裂縫的密度成正比。裂縫的連通性對滲透率的主導(dǎo)控制作用很強(qiáng)，如果裂縫的孔隙度很小，裂縫連通性好則滲透率很高。若基巖孔隙度比裂縫的孔隙度大，當(dāng)連通性相對較差，基巖滲透率較低。通常裂縫滲透率很高，基巖滲透率相對較低[3,7]。流體的流動方向、流體黏度、裂縫連通性影響流體流動，流體流動又影響吸收衰減和速度頻散的變化，因此，瞬時頻散譜和瞬時吸收譜吸收衰減和速度頻散的變化作為檢測裂縫及油氣的依據(jù)。

由油礦地質(zhì)學(xué)可知：在一定壓差下，巖石允許流體通過的能力稱之為滲透性，孔喉大小的宏觀表現(xiàn)為滲透率，滲透率反映儲層巖石的滲流能力，與儲層產(chǎn)能直接相關(guān)[7]。在檢測到裂縫的基礎(chǔ)上，用封閉強(qiáng)吸收的封閉強(qiáng)度、封閉頻寬，低頻方向移動的頻率量，可進(jìn)一步作油氣產(chǎn)能的解釋。

a.有產(chǎn)能的W201、Y63、L32井封閉強(qiáng)度大、封閉頻寬大，向低頻移動量越大，產(chǎn)量大。

b.無產(chǎn)能的W76、W112、W3、Y深2井封閉強(qiáng)度小、封閉頻寬小。

表2 川南地區(qū)鉆井情況與吸收特征

c.用三維地震資料圈出油氣分布范圍為油藏描述提供參考信息。

依靠水平井多級壓裂、微地震等技術(shù)“人造滲透率”增大儲集體中油氣流動能力，才能產(chǎn)出具經(jīng)濟(jì)價值的天然氣。雙相介質(zhì)理論研究成果指出，最強(qiáng)吸收衰減發(fā)生在最大滲透率方向[3]，瞬時吸收譜和瞬時頻散譜預(yù)測最大滲透率方向有潛在的積極意義。

5 結(jié) 論

雙相介質(zhì)BISQ波動方程參數(shù)太多，又以不可測量者居多，目前無法實(shí)現(xiàn)其地震反演的應(yīng)用。用地震數(shù)據(jù)計(jì)算的瞬時吸收譜和瞬時頻散譜實(shí)現(xiàn)了雙相介質(zhì)BISQ理論在檢測頁巖裂縫及油氣中的應(yīng)用，獲得了令人滿意的效果。

a.瞬時吸收譜和瞬時頻散譜信息量擴(kuò)大了25倍。信息類型多，信息量大，多解性小，獲得地質(zhì)信息更客觀。

b.瞬時吸收譜和瞬時頻散譜可建立裂縫預(yù)測模式，檢測裂縫密度相對小、宏觀規(guī)模小的頁巖裂縫及其油氣，也可檢測常規(guī)儲層裂縫及油氣。

c.吸收封閉強(qiáng)度、封閉頻寬信息有預(yù)測油氣及其產(chǎn)能的潛在能力。在應(yīng)用中既單一，又直接，異常特征突出，異常邊界清晰，效果明顯。

感謝我的導(dǎo)師劉樹根教授，感謝李智武、孫瑋副教授與李硯、岳宏高級工程師，他們對作者的指導(dǎo)和幫助及對本文提出寶貴的修改意見。

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Detectionofshalefracturesandoil/gasbybiphasicmediumtheory

LI Yu-wei1, LYU Zong-gang2, PENG Hai-run2, WANG Lin2, LI Jun2

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.SouthSichuanGasField,PetroChinaSouthwestOil-GasFieldCompany,Luzhou642450,China

Using the biphasic medium BISQ theory, this paper tries to calculate the instantaneous frequency dispersion spectrum and the absorption spectrum taking frequency as the independent variable based on the post-stacked seismic data and to detect the shale fractures and the oil and gas via spectrum frequency dispersion and attenuation information on the instantaneous spectrum. By using the iterative optimization method, 25 frequency division operators (whose bandwidth is 2 Hz) are designed, the frequency division is done to the seismic record using the frequency division operators, and tri-instant processing is conducted for all frequency division traces using the complex trace analytic method, which are then combined into instantaneous amplitude spectrum, instantaneous frequency spectrum and instantaneous phase spectrum. Then, calculation is done with these three instantaneous spectra to get the instantaneous spectral dispersion and absorption spectra. The calculation result has the following indications. First of all, in the low frequency of the transient absorption spectra, abnormal characteristics can be seen when the strong absorption is sealed by the weak absorption. Second, the instantaneous frequency dispersion spectrum is associated with the dispersion mutation. The above two anomalies jointly become the key signs in terms of detecting the shale fractures and the oil and gas. The test result of the shale reservoirs of 8 known wells by using the dispersion and attenuation anomalies of the instantaneous frequency dispersion spectrum and the absorption spectrum accords with the exploratory drilling result. So the instantaneous frequency dispersion spectrum and the absorption spectrum based on the biphasic medium BISQ theory can predict gas and oil distribution and locate drilling targets.

shale fracture; biphasic medium; instantaneous frequency dispersion spectrum; instantaneous frequency absorption spectrum; frequency; petroleum prediction

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.06.04

1671-9727(2013)06-0648-10

P631.4; TE132

A

2013-06-03

李煜偉(1981-),男,碩士研究生,研究方向:石油地質(zhì)學(xué), E-mail:95554409@qq.com。