縱波-轉(zhuǎn)換橫波聯(lián)合反演技術(shù)在頁巖氣藏勘探中的應(yīng)用

袁書坤，陳開遠(yuǎn)，Bob A Hardage，馮志強(qiáng)，魏水建

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石化 國際石油勘探開發(fā)公司，北京 100083；3.美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校 經(jīng)濟(jì)地質(zhì)局，德克薩斯奧斯汀 78758；4.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

縱波-轉(zhuǎn)換橫波聯(lián)合反演技術(shù)在頁巖氣藏勘探中的應(yīng)用

袁書坤1,2，陳開遠(yuǎn)1，Bob A Hardage3，馮志強(qiáng)2，魏水建4

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石化 國際石油勘探開發(fā)公司，北京 100083；3.美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校 經(jīng)濟(jì)地質(zhì)局，德克薩斯奧斯汀 78758；4.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

近幾年的頁巖油氣開發(fā)實(shí)踐表明，頁巖非均質(zhì)性及水平井段的方位對頁巖氣單井產(chǎn)量、采收率及頁巖氣開采的經(jīng)濟(jì)性影響較大，而頁巖非均質(zhì)性主要受到天然微裂縫的影響。因此，開展頁巖內(nèi)天然微裂縫研究，尋找頁巖儲層“甜點(diǎn)”等是成功部署高產(chǎn)氣井、提高頁巖氣開采經(jīng)濟(jì)效益的必然選擇?；诿绹屠鮼喤璧豈arcellus頁巖區(qū)的3C/3D高分辨率地震資料，利用快/慢速轉(zhuǎn)換橫波(PSV-1/PSV-2)反射時間厚度差法，對Marcellus地層的天然微裂縫發(fā)育帶進(jìn)行了探測。應(yīng)用縱-轉(zhuǎn)換橫波(PP-PS)聯(lián)合反演技術(shù)，結(jié)合聯(lián)合反演密度、縱橫波速度比(vP/vS)等組合屬性參數(shù)，對天然微裂縫的開閉性及張性天然微裂縫孔隙空間的含氣性分別進(jìn)行了識別和檢測，并利用實(shí)鉆井資料對地球物理方法預(yù)測的頁巖儲層“甜點(diǎn)”(含氣張性微裂縫)進(jìn)行驗(yàn)證，取得較好效果。實(shí)際應(yīng)用表明，縱-橫波聯(lián)合反演技術(shù)對于張性天然微裂縫的識別及含氣性檢測具有突出優(yōu)勢，能有效降低鉆探風(fēng)險。

轉(zhuǎn)換橫波；聯(lián)合反演；微裂縫探測；含氣性檢測；Marcellus頁巖

21世紀(jì)以來，隨著水平鉆井、水力分段壓裂和微地震壓裂監(jiān)測等技術(shù)的快速發(fā)展及天然氣價格逐漸回升，非常規(guī)致密砂巖、頁巖油氣藏的開采逐漸變得具有經(jīng)濟(jì)、可行性。北美Marcellus頁巖氣藏是頁巖開發(fā)最為成功的案例之一。

頁巖儲層一般具有厚度薄、波阻抗低、天然裂縫帶較發(fā)育和非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，天然裂縫發(fā)育與否對頁巖油氣藏的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要，尤其體現(xiàn)在單井初始產(chǎn)量上[1]。近年來，轉(zhuǎn)換橫波(PS)地震資料在天然微裂縫探測方面的優(yōu)勢日益受到業(yè)內(nèi)關(guān)注。

縱波(PP)是地層骨架、孔隙、孔隙流體及壓力等特征的綜合反映，而橫波則主要與地層骨架、孔隙度、壓力有關(guān)，但與孔隙流體性質(zhì)和飽和度相關(guān)性不大。因此，綜合利用縱波和橫波信息對天然微裂縫較發(fā)育的頁巖、致密砂巖等非常規(guī)油氣層進(jìn)行研究比單純利用縱波會更加科學(xué)、有效[2]。美國德州大學(xué)經(jīng)濟(jì)地質(zhì)局的EGL實(shí)驗(yàn)室、加拿大卡爾加里大學(xué)等在多波地震勘探技術(shù)的理論研究、實(shí)際應(yīng)用方面積累不少成功經(jīng)驗(yàn)，極大推進(jìn)了該技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程[3]。因此，我們基于美國Marcellus頁巖的三維三分量(3C/3D)地震資料(炸藥震源，單點(diǎn)三分量檢波系統(tǒng)采集)，應(yīng)用PSV-1/PSV-2方法實(shí)現(xiàn)了天然微裂縫探測，結(jié)合PP/PS聯(lián)合反演密度、縱橫波速度比(vP/vS)等組合屬性分別對微裂縫性質(zhì)及張性微裂縫的含氣性進(jìn)行識別和檢測，并在鉆、測井資料上得到了較好驗(yàn)證。

1 Marcellus頁巖概況

Marcellus頁巖地層位于北美阿勒格尼高原，埋深為610～2 600 m，厚度在15～90 m(自西南向北東方向逐漸變厚，圖1)，分布面積約24.6×104km2，主要分布在俄亥俄、西弗吉尼亞、賓夕法尼亞及紐約南部。Marcellus黑色頁巖形成于3.65億年前比較重大的有機(jī)物沉積事件，以石英、粘土礦物或泥等細(xì)粒沉積為主，總有機(jī)碳含量(TOC)達(dá)3%～10%，最高可達(dá)20%[4]。在長期的擠壓應(yīng)力作用下，受壓縮而形成，壓縮層理結(jié)構(gòu)較發(fā)育，故孔(Φ)、滲(K)性差(Φ<8%，K<0.001×10-3μm2)，釋放油氣的速率極慢，有機(jī)質(zhì)含量豐富、脆性好，且?guī)r層剛性強(qiáng)。隨著溫度、壓力的增加，頁巖內(nèi)部的有機(jī)物質(zhì)成熟度逐漸成熟，進(jìn)而生成大量天然氣，頁巖中現(xiàn)存的天然氣主要保存在天然微裂縫和孔隙中[5]。大約3億年前，有機(jī)質(zhì)成熟大量排烴從而形成天然氣超壓導(dǎo)致頁巖形成了現(xiàn)今近ENE-WSW展布的J1裂縫帶[6]；2.8億年前，在地層超壓和SE-NW向構(gòu)造擠壓應(yīng)力的共同作用下形成NW-SE向展布的J2裂縫帶，J2與J1近似垂直相交[7]。

Marcellus地層位于中泥盆統(tǒng)Hamilton群底部，巖性具三分性特征，包括區(qū)域穩(wěn)定分布的上、下段富有機(jī)質(zhì)頁巖及中段薄層Cherry石灰?guī)r(圖1)。其中，Marcellus下段頁巖位于三級層序界面/海進(jìn)面(SB/TSE)之上，測井曲線上可見下部伽馬值向上增加的海侵體系域(TST1)和上部伽馬值向上遞減海退體系域(RST1)，最高伽馬測值處，即為最大洪泛面(MFS)；Marcellus上段頁巖是另一個三級沉積層序，包括底部海退面(RSE)、以石灰?guī)r為主體的相對較薄的海侵體系域(TST2)和較厚的海退體系域(RST2)[8-9]。

圖1 阿巴拉契亞盆地Marcellus頁巖段典型電測特征及層序劃分方案Fig.1 Typical Logging properties and sequeuce division scheme in Marcellus shale in the Appalachian BasinTST.海進(jìn)體系域；RST.海退體系域；MRS.最大海退面；MFS.最大海泛面

1839年，地質(zhì)家已在紐約馬塞勒斯鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)頁巖露頭[10-11]，但只到近幾年，隨著地質(zhì)認(rèn)識程度的不斷加深、水平井鉆完井技術(shù)的不斷進(jìn)步及地震勘探新方法的不斷引入，Marcellus頁巖才被認(rèn)為是北美地區(qū)最大的頁巖氣藏。

2 多波地震技術(shù)天然微裂縫探測

2.1 PP及PS波標(biāo)定及匹配

利用縱波(PP)及轉(zhuǎn)換模波(PS)進(jìn)行聯(lián)合解釋、反演時，須首先進(jìn)行時間域的統(tǒng)一校正，通常是把PS波匹配到PP波的時間域?，F(xiàn)行方法多用PP與PS波的波形相似性，經(jīng)掃描得到速度比，從而實(shí)現(xiàn)PS波向PP波時間域的匹配[12]。此外，視情況還需進(jìn)行波形、能量等信息匹配[13-15]。如圖2所示，時間域統(tǒng)一后，Marcellus頁巖基底之上的PS比PP波縱向分辨率要高很多(PP波主頻約25Hz，PS波主頻約40Hz)。因此，PP-PS聯(lián)合反演方法應(yīng)能有效提高反演的精度和準(zhǔn)確性。

2.2 斷層及裂縫簡析

Marcellus頁巖區(qū)內(nèi)的主斷層具有很好的縱向繼承性，多數(shù)均貫穿了Marcellus頁巖及下伏的Onondaga灰?guī)r?，F(xiàn)今水平最大構(gòu)造主應(yīng)力方向?yàn)镋NE-WSW，主要斷層走向?yàn)镋NE-WSW和EW方向(圖3a)，主要斷層類型為逆斷層和逆沖斷層等。

圖3 Marcellus地層天然微裂縫帶分布Fig.3 Distribution map of natural micro-fractures in the Marcellus Formationa.Marcellus下段頁巖；b.Marcellus上段頁巖

圖2 Marcellus頁巖及以上層段合成記錄標(biāo)定及頻譜分析結(jié)果Fig.2 Seismic synthetic record calibration and amplitude spectrum analysis of Marcellus shale and its overlying layersa.測井曲線；b.合成記錄；c.PP波頻譜分析；d.PSV-1波頻譜分析

生產(chǎn)實(shí)踐證明，Marcellus頁巖的天然微裂縫對采出大規(guī)模的天然氣至關(guān)重要，合理的水平井段方位對單井產(chǎn)能和產(chǎn)量影響巨大[16-17]。傳統(tǒng)的裂縫探測方法包括AVA和VVA等。然而，因單純應(yīng)用了PP波資料，這些方法都存在較大不確定性[18]。鑒于此，本文采用快(PSV-1)慢(PSV-2)轉(zhuǎn)換橫波時間厚度差法進(jìn)行裂縫非均質(zhì)性橫向預(yù)測?；诙鄠€樣點(diǎn)，通過分析PP反射時間及能量隨方位角的變化關(guān)系，得出研究區(qū)內(nèi)的PSV-1方位整體為N60E[19-20]，據(jù)此可從3C/3D體處理得到PSV-1及PSV-2數(shù)據(jù)體。因受裂縫帶的影響，Marcellus頁巖在PSV-1和PSV-2的反射時間厚度上會存在差異，通常認(rèn)為時間厚度差負(fù)異常(低值)為裂縫的主要發(fā)育帶[21]。根據(jù)負(fù)值或低值區(qū)(暖色)可識別出兩套主要的天然裂縫帶：其中，J1天然微裂縫帶呈近ENE-WSW走向，J2天然微裂縫帶呈NW-SE向展布(圖3)。然而，因局部應(yīng)力環(huán)境或裂縫密集帶(J)方位改變從而影響了PSV-1方位，天然微裂縫發(fā)育帶并非總顯示為負(fù)時差異常。此外，J1展布方向與NE-SW斷層走向存在相關(guān)性，但多被SE-NW逆沖的主斷層切割(圖3a)。因此，可以推斷J1裂縫帶形成時間較早，且裂縫成因主要為地層超壓，而與后期的SE-NW向的逆沖構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系不大。

3 PP-PS聯(lián)合反演

3.1 聯(lián)合反演可行性

傳統(tǒng)PP波地震反演在油氣勘探中曾發(fā)揮重大作用，但不能直接引入S波信息，故無法提供關(guān)鍵參數(shù)用于解決天然微裂縫、致密砂巖氣藏等的勘探難題[22-23]。理論上，PP和PS波在巖石內(nèi)的傳播速度存在良好的線性相關(guān)[24]，PP波速度和地層密度也有著非常密切的關(guān)系[25]。Marcellus地層上、下段頁巖均為富含有機(jī)質(zhì)的泥巖，但下段頁巖的有機(jī)質(zhì)類型更好、有機(jī)質(zhì)含量更豐富(TOC>10%)，成熟度更高(Ro>3%)[26]，且這種巖性特征幾乎穩(wěn)定分布于整個阿巴拉契亞盆地。因此，合理引入PS波信息，利用PP和PS波的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行PP-PS聯(lián)合反演應(yīng)可以提高地震反演的精度和可靠性，在本研究區(qū)具有可行性。

3.2 聯(lián)合反演及頁巖氣儲層“甜點(diǎn)”識別

基于可行性分析、PP-PS信息匹配、PSV-1/PSV-2天然微裂縫探測，再利用PP-PS波速度、密度模型等資料，我們獲得了較理想的PP-PS聯(lián)合反演結(jié)果。如圖4所示，因受分辨率限制，傳統(tǒng)的PP波反演雖然可以區(qū)分Marcellus地層的三分性，但細(xì)節(jié)過于粗糙，反演精度無法滿足生產(chǎn)需求。然而，在PP-PS聯(lián)合反演剖面上，不但能識別出Marcellus上、下段頁巖及中間的Cherry石灰?guī)r，而且可以刻畫出Cherry灰?guī)r薄互層的展布，巖性旋回等特征。此外，PP-PS聯(lián)合反演波阻抗剖面上可明顯看到Marcellus下段頁巖的阻抗值低于上段頁巖，這與上、下段頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度特征完全吻合。反演效果差異大，可能有3個原因:①PP-PS聯(lián)合反演可以直接、同時引入P波和S波信息；②PS波蘊(yùn)含更為豐富的巖性、微構(gòu)造等信息；③如圖2，在Marcellus基底之上，PS(40Hz)比PP(25Hz)波地震資料具有更高的縱向分辨率。

圖4 傳統(tǒng)縱波反演與PP-PS聯(lián)合反演對比剖面Fig.4 Correlation profiles of conventional PP inversion and PP-PS joint inversiona.常規(guī)PP波反演；b.PP-PS波聯(lián)合反演

除波阻抗屬性外，PP-PS聯(lián)合反演還能提供縱橫波速度比(vP/vS)、密度等組合屬性[27]。生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)研究表明[28-32]：①巖層的vP/vS屬性對地層巖性、儲集空間內(nèi)流體性質(zhì)、流體飽和度等特征反應(yīng)很敏感；②地震縱橫波速度都隨密度減小而降低，但橫波降低幅度更大；③地震橫波主要沿巖石骨架傳播，與孔隙流體性質(zhì)及變化關(guān)系不大；④縱波速度在遇到油氣層時會顯著減小，尤其在氣層中；⑤高孔隙流體壓力及裂縫發(fā)育帶，尤其是后者，易引發(fā)高vP/vS比值。因而，我們可以得出以下推論：在天然微裂縫欠發(fā)育的頁巖地層內(nèi)(體積密度較均勻)，地震橫波速度(vS)幾乎不會有變化，而縱波速度(vP)可能因?yàn)轫搸r粒間孔隙的含氣性而顯著降低，從而可用vP/vS比值有效識別頁巖氣儲層“甜點(diǎn)”。相反，在天然微裂縫發(fā)育的頁巖層中，vS會明顯降低(在某一特定裂縫帶內(nèi)，因破碎程度相似，可假定vS較低但相對穩(wěn)定)，而vP則主要取決于裂縫的填充及結(jié)晶程度、裂縫孔隙中的流體性質(zhì)及飽和度等。因此，在特定的天然微裂縫帶分布區(qū)內(nèi)，vP/vS比值也能很好的指示頁巖氣儲層“甜點(diǎn)”。

地層密度本質(zhì)上反應(yīng)的是地層的電子密度，而電子密度相當(dāng)于地層體積密度。隨著有機(jī)質(zhì)和烴類氣體含量的增加將會使地層密度值變低；此外，天然張性微裂縫的發(fā)育，也會使地層密度測井值降低[33]。在巖性相對穩(wěn)定分布的頁巖范圍內(nèi)，地層密度能很好的反應(yīng)粒(晶)間孔隙、張裂縫等的發(fā)育程度。因此，基于PP-PS聯(lián)合反演密度屬性，可以有效識區(qū)分PSV-1/PSV-2法所探測的天然微裂縫性質(zhì)，即張裂縫(與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力一致，結(jié)晶度較低)、閉合裂縫(充填、膠結(jié)程度較高或擠壓縫合)[34]。

以Marcellus地層下段頁巖為例，如圖5a所示：PP-PS聯(lián)合反演密度屬性特征(測井上穩(wěn)定頁巖段密度為2.513 g/cm3)與PSV-1/PSV-2時間厚度差法預(yù)測的裂縫分布結(jié)果高度吻合性，尤其表現(xiàn)在裂縫預(yù)測的主體部位(圖3a)；PSV-1/PSV-2方法預(yù)測的天然微裂縫分布帶(暖色)在PP-PS聯(lián)合反演密度屬性圖上表現(xiàn)為低值區(qū)(暖色)。兩者局部差異可能與裂縫的充填、膠結(jié)程度、裂縫內(nèi)的流體性質(zhì)及飽和度、巖性純度、應(yīng)力環(huán)境、壓實(shí)及地層壓力等有關(guān)。因此，考慮到裂縫膠結(jié)的不完全性，基于PSV-1/PSV-2方法的微裂縫分布探測成果，結(jié)合PP-PS聯(lián)合反演密度屬性的平面特征，可以有效識別張性天然微裂縫帶的分布范圍(PSV-1/PSV-2時間厚度差、地層密度均為低值)。

基于張性天然微裂縫分布預(yù)測，結(jié)合PP-PS聯(lián)合反演vP/vS組合屬性特征(圖5b，vP/vS低值區(qū)為可能的頁巖氣富集帶)，可對張裂縫內(nèi)的流體性質(zhì)及豐度進(jìn)行有效檢測，進(jìn)而可預(yù)測研究區(qū)內(nèi)最有利的頁巖氣藏儲層“甜點(diǎn)”(圖5c)。在張性微裂縫帶之外的高密度、低vP/vS區(qū)，可能是孔、滲性相對較差的致密孔隙(晶間、粒間)性頁巖氣儲層。

3.3 預(yù)測效果分析

Calibration-1是3C/3D研究區(qū)內(nèi)唯一的領(lǐng)眼井，其測井特征如下：①M(fèi)arcellus下段頁巖較上段具有相對高伽馬、低密度的測井響應(yīng)特征；②深、淺側(cè)向電阻率曲線均有明顯齒化特征，可能有裂縫發(fā)育的跡象；③深淺側(cè)向電阻率值近乎相同，表明Marcellus的下段頁巖具有超低孔低滲特征，穩(wěn)定頁巖段不易受到泥漿浸入影響；④地層電阻率最高僅為40 Ω·m(圖1)，未見含氣顯示[35]；⑤裂縫欠發(fā)育頁巖段的vP/vS均值約為1.56。因此，Calibration-1井應(yīng)位于張裂縫分布范圍內(nèi)，但在頁巖氣富集區(qū)之外，故測井上有裂縫發(fā)育跡象但無明顯氣測顯示。此外，據(jù)贊助方反饋，Calibration-1井北西方向水平井段(Cal-1st)的含氣顯示及氣產(chǎn)量明顯好于SE方向的水平井段(Cal-2st)?？傊?，Calibration-1的巖、電性特征與地球物理方法預(yù)測的結(jié)果高度吻合，這很好地驗(yàn)證了PSV-1/PSV-2方法裂縫探測結(jié)果及應(yīng)用PP-PS聯(lián)合反演方法進(jìn)行天然微裂縫性頁巖氣儲層“甜點(diǎn)”[36]預(yù)測的正確、可行性。

4 結(jié)束語

基于3C/3D地震資料，本文應(yīng)用PSV-1/PSV-2時間厚度差法對Marcellus頁巖的天然微裂縫分布進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合PP-PS聯(lián)合反演屬性對裂縫性質(zhì)、張裂縫含氣性分別進(jìn)行識別和檢測，較好的展示了PP-PS聯(lián)合反演技術(shù)的優(yōu)越性，主要有以下認(rèn)識：

1) PP-PS聯(lián)合反演可直接、充分引入橫波的巖性、微構(gòu)造等信息，比傳統(tǒng)的PP地震反演具有更高的縱、橫向分辨率，有利于巖性識別和頁巖氣儲層“甜點(diǎn)”的精細(xì)刻畫。

2) 在巖性分布相對穩(wěn)定的地區(qū)，PP-PS聯(lián)合反演的密度、vP/vS等組合屬性對天然微裂縫的開閉性識別、含氣性檢測等具較大優(yōu)勢。但是，該方法對地震解釋及PP和PS信息匹配精度要求較高。

3) 裂縫性頁巖儲層的影響因素眾多，聯(lián)合反演分析應(yīng)綜合考慮多種地質(zhì)、地物及地化參數(shù)(如應(yīng)力環(huán)境、膠結(jié)程度、地震反射差異、流體性質(zhì)及飽和度等)。

致謝:感謝Michael，Joseph和Dallas在訪學(xué)工作中給予的幫助，感謝公司和部門領(lǐng)導(dǎo)對我赴美訪學(xué)的支持，感謝審稿專家及編輯老師們的熱心指導(dǎo)。

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(編輯 張亞雄)

Application of joint PP and PS inversion to the exploration of shale-gas reservoirs

Yuan Shukun1,2，Chen Kaiyuan1，Bob A Hardage3，F(xiàn)eng Zhiqiang2，Wei Shuijian4

(1.SchoolofEnergyResource,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.InternationalPetroleumExplorationandProductionCorporation,SINOPEC,Beijing100083,China;3.BureauofEconomicGeology,UniversityofTexas,Austin,TX78758,USA；4.PetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China)

In recent years,the development of shale oil and gas shows that shale heterogeneity and lateral orientation have relatively great impacts on single well shale gas production,recovery factor and the economy of shale gas exploitation,and natural micro-fracture is the main factor resulting in shale heterogeneity.Accordingly,to carry out research on the natural micro-fractures and prediction of sweet spots within shale has become an inevitable choice for successful emplacement of high-yielding wells and improving economic benefits of shale gas exploitation.Based on the high resolution 3C/3D seismic data in Marcellus shale play within Appalachian Basin,North America,natural micro-fracture zone of Marcellus shale was predicted by means of fast and slow converted shear wave(PSV-1/PSV-2)integrated interpretation,then the open/closed fractures and gas-bearing property of extensional micro-fractures were separately identified and detected by utilizing combined attribute parameters like joint inversion density,velocity ratio of compressional and converted wave(vP/vS)extracted from joint inversion of compressional wave and converted shear wave(PP-PS).In addition,drilling data were used to verify the sweet spots predicted by geophysical method in Marcellus shale.Joint inversion technique(PP-PS) has outstanding advantages in natural extensional micro-fractures identification and gas-bearing detection，which can effectively reduce the drilling risk.

converted shear wave，joint inversion，micro-fracture detection，gas-bearing detection,Marcellus shale

2014-01-22;

2014-10-20。

袁書坤(1982—)，男，博士研究生、工程師，海外油氣勘探地質(zhì)管理、非常規(guī)油氣、含油氣盆地分析及層序地層學(xué)。E-mail：skyuan.sipc@sinopec.com。

美國能源安全合作研究組織項(xiàng)目(RPSEA-08122)。

0253-9985(2015)01-0168-07

10.11743/ogg20150122

P631.4

A