涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層地球物理特征分析

王明飛,陳 超,屈大鵬,繆志偉,肖繼林,高紅賢

(中國石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層地球物理特征分析

王明飛,陳 超,屈大鵬,繆志偉,肖繼林,高紅賢

(中國石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

開展了四川盆地東南部焦石壩區(qū)塊奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組一段頁巖氣儲層地球物理特征的系統(tǒng)性分析研究。測井資料統(tǒng)計分析表明,五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層具有“高自然伽馬,高鈾,相對高聲波時差,相對高電阻率;低密度,相對低中子,低無鈾伽馬”的“四高三低”測井響應(yīng)特征。通過井資料精細(xì)標(biāo)定和地震正演模擬分析,明確了頁巖氣儲層頂界面呈連續(xù)波谷,底界面呈連續(xù)波峰,儲層內(nèi)部呈中強-弱波峰的地震反射特征;波峰強弱與頁巖氣儲層厚度及物性有關(guān),當(dāng)頁巖氣儲層中優(yōu)質(zhì)頁巖段(總有機碳(TOC)含量大于2%)發(fā)育時,儲層底界和儲層內(nèi)部波峰能量變強,之間夾強波谷特征,波谷越寬,優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育厚度越大。經(jīng)地震相分析，總結(jié)出表征五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層的兩類地震相,其中I類地震相是物性相對較好、發(fā)育厚度較穩(wěn)定的頁巖氣儲層的地震響應(yīng),占研究區(qū)面積的63%,為最有利的頁巖氣勘探區(qū)。

焦石壩區(qū)塊;頁巖氣儲層;五峰組—龍馬溪組;測井響應(yīng)特征;地震響應(yīng)特征

頁巖氣屬于非常規(guī)天然氣,主要以吸附和游離狀態(tài)賦存于具有生烴能力的泥巖、頁巖等地層中,具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集和低孔、低滲等特點[1-2]。隨著水平井技術(shù)、壓裂技術(shù)等工程技術(shù)的進步,美國“頁巖氣革命”取得成功,讓油氣勘探工作者將目光聚焦到這類非常規(guī)儲層,帶動了世界油氣勘探在頁巖氣領(lǐng)域的發(fā)展[3]。隨著對海相頁巖氣地質(zhì)理論認(rèn)識的深入,中國石油化工股份有限公司勘探分公司優(yōu)選四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組為有利勘探目標(biāo),通過勘探實踐總結(jié)提煉出南方海相頁巖氣的“二元富集”規(guī)律[4],在頁巖氣工程工藝技術(shù)的有力支撐下,發(fā)現(xiàn)了涪陵千億方整裝頁巖氣田，實現(xiàn)了頁巖氣勘探的重大突破。

目前,頁巖氣勘探的地質(zhì)研究主要集中在頁巖氣資源分布現(xiàn)狀、勘探潛力、頁巖氣儲層特征、富集類型及資源特點等方面[5-9]。國內(nèi)針對頁巖氣儲層的地球物理研究方面,李曙光等[10]開展了頁巖氣儲集層的地球物理特征及識別方法研究,研究內(nèi)容側(cè)重于理論描述和方法探討,未見實例佐證;李志榮等[11]總結(jié)了四川盆地南部的頁巖氣地震勘探工作,簡要介紹了頁巖氣發(fā)育的地質(zhì)特征、測井特征和地球物理響應(yīng)特征,側(cè)重論述了針對頁巖氣儲層的地震資料采集與處理進展;張鍵等[12]研究認(rèn)為頁巖儲層地震響應(yīng)特征具有復(fù)雜性、各向異性和相干性,并詳細(xì)分析了頁巖儲層的測井響應(yīng)特征。此外，許多學(xué)者還開展了針對頁巖氣儲層預(yù)測的地球物理方法技術(shù)應(yīng)用研究,如利用疊前、疊后地震資料開展頁巖儲層厚度預(yù)測、TOC含量預(yù)測、脆性預(yù)測、橫波速度預(yù)測等[13-17]。而美國在頁巖氣勘探實踐中,對頁巖儲層的地球物理描述亦主要集中在利用疊前、疊后地震資料進行頁巖氣儲層壓力分析、甜點預(yù)測等方面[18-19]。

本文以四川盆地涪陵焦石壩區(qū)塊頁巖氣勘探為例,通過對焦石壩區(qū)塊奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組一段頁巖氣儲層進行測井響應(yīng)特征和地震響應(yīng)特征的研究,系統(tǒng)分析和總結(jié)了研究區(qū)頁巖氣儲層地球物理特征,以期對頁巖氣勘探開發(fā)提供經(jīng)驗認(rèn)識。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地位于揚子板塊西北部,經(jīng)歷了多期和多個方向的深斷裂活動,是一個多旋回菱形構(gòu)造-沉積疊合盆地。涪陵焦石壩區(qū)塊位于四川盆地川東隔檔式褶皺帶內(nèi),處于石柱復(fù)向斜、方斗山復(fù)背斜和萬縣復(fù)向斜等多個構(gòu)造單元的結(jié)合部,整體位于四川盆地東部邊界斷裂——齊岳山斷裂以西[20]。地質(zhì)綜合研究結(jié)果表明[21-22],焦石壩區(qū)塊奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組一段地層沉積早期,整體處于深水陸棚相沉積環(huán)境,沉積環(huán)境相對穩(wěn)定,發(fā)育五峰組—龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層(TOC>2%)(圖1),巖性以灰黑色含碳質(zhì)放射蟲筆石頁巖為主,局部夾黃鐵礦薄層、條帶或條紋,具有高TOC含量特征;沉積晚期,沉積環(huán)境發(fā)生變化,整體處于淺水陸棚沉積環(huán)境,發(fā)育龍馬溪組一段二亞段、三亞段地層,巖性以灰黑色含筆石碳質(zhì)頁巖、黑灰色含碳含粉砂泥頁巖為主,少量層段為黑灰色含碳含粉砂泥頁巖與深灰色含筆石含碳粉砂質(zhì)泥巖，呈條紋狀頻繁韻律互層,其間夾黃鐵礦薄層、條帶或條紋。

圖1 焦石壩區(qū)塊JY1井五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

勘探實踐結(jié)果表明,焦石壩區(qū)塊深水陸棚優(yōu)質(zhì)頁巖的發(fā)育以及良好的保存條件是五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣藏的富集高產(chǎn)的主控因素,其中富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育提供了關(guān)鍵的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此,針對五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層,以儲層的測井響應(yīng)特征、地震響應(yīng)特征及地震相特征分析為主要內(nèi)容,開展頁巖氣儲層地球物理特征的系統(tǒng)性分析研究具有明確的實際意義。

2 測井響應(yīng)特征

焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層具有有機質(zhì)含量較高、脆性礦物含量高、基質(zhì)孔隙發(fā)育程度較高等特征,以焦石壩區(qū)塊JY1井為例,頁巖氣儲層段在自然伽馬測井、電阻率測井、三孔隙度(聲波、中子、巖性密度)測井等測井曲線上具有明顯的響應(yīng)特征(圖2)?？傮w上,頁巖氣儲層段具有“高自然伽馬,高鈾,相對高聲波時差,相對高電阻率;低密度,相對低中子,低無鈾伽馬”的“四高三低”的測井響應(yīng)特征,尤其是在五峰組—龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層段,“四高三低”的特征更加明顯。

圖2 JY1井綜合測井曲線(1in=2.54cm,1ft=0.3048m)

3 地震響應(yīng)特征

3.1 儲層頂、底界面地震響應(yīng)特征

測井信息統(tǒng)計分析表明,頁巖氣儲層段在巖性、物性上與圍巖存在差異,表現(xiàn)出與圍巖不同的地球物理特征。通過對單井頁巖氣儲層段進行精細(xì)標(biāo)定,確定儲層頂、底界面的地震反射特征,對開展區(qū)域頁巖氣儲層等時地層格架建立,以及在等時地層格架內(nèi)開展頁巖氣儲層地震相研究具有重要作用。

以JY1井五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層精細(xì)標(biāo)定為例(圖3),單井統(tǒng)計分析結(jié)果表明(表1),頁巖氣儲層段平均密度、平均速度和平均波阻抗均較低,儲層上覆地層為龍馬溪組二段砂巖、粉砂巖,與儲層相比,具有較高平均波阻抗,形成負(fù)波阻抗差,在井旁地震道上,頁巖氣儲層頂界(TS1l2)呈中低頻、中強振幅、較連續(xù)波谷反射特征;儲層下伏奧陶系澗草溝組灰?guī)r,與儲層相比,具有較高平均波阻抗,形成正波阻抗差,在井旁地震道上,頁巖氣儲層底界面(TO3w)呈中低頻、強振幅、連續(xù)波峰反射特征;儲層內(nèi)部由于龍馬溪組一段二亞段頁巖中粉砂質(zhì)含量較高,形成中強-弱波峰反射特征。

連井地震剖面標(biāo)定結(jié)果表明,頁巖氣儲層段頂、底界面反射特征清晰,連續(xù)性好,分布穩(wěn)定,在區(qū)域上易對比追蹤(圖4)。

3.2 儲層地震響應(yīng)特征

由工區(qū)勘探井揭示的地層厚度、速度、密度、TOC等統(tǒng)計分析結(jié)果(表2)可知,龍馬溪組一段頁巖氣儲層3個亞段中,五峰組—龍馬溪組一段一亞段儲層品質(zhì)最好,龍馬溪組一段二亞段和三亞段次之。龍馬溪組一段一亞段具有沉積厚度穩(wěn)定(平均厚約40m),低密度,相對低速,高TOC含量特征(平均TOC含量達3.53%);龍馬溪組一段二亞段以粉砂質(zhì)頁巖為主,速度、密度相對較高,TOC含量較低,厚度為13～25m;龍馬溪組一段三亞段以灰黑色含筆石碳質(zhì)頁巖為主,厚度為27～34m。

五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層內(nèi)部不同亞段厚度、物性的差異,導(dǎo)致儲層具有不同類型的地震響應(yīng)特征。綜合頁巖氣儲層的地質(zhì)特征和焦石壩三維地震資料上的實際波組特征,以焦石壩區(qū)塊統(tǒng)計的平均速度及平均密度為基礎(chǔ),設(shè)計不同地震正演模型,對儲層地震響應(yīng)特征進行詳細(xì)研究。

3.2.1 厚度變化的影響

在地震勘探中,λ/8被認(rèn)為是縱向分辨率的基本極限值[23],焦石壩區(qū)塊地震資料主頻為30Hz,可計算得到五峰組—龍馬溪組一段地層極限分辨率為16m。勘探井統(tǒng)計資料表明,頁巖氣儲層各亞段厚度大部分大于16m。因此,在假設(shè)地層物性不變的條件下,正演模擬可以較好地反映儲層厚度變化時的地震響應(yīng)特征。

圖3 JY1井頁巖氣儲層精細(xì)標(biāo)定結(jié)果

表1 JY1井頁巖氣儲層段與圍巖波阻抗統(tǒng)計

井段平均速度/(m·s-1)平均密度/(g·cm-3)平均波阻抗/(g·cm-3·m·s-1)平均波阻抗差/(g·cm-3·m·s-1)龍馬溪組二段48282．6112600五峰組—龍馬溪組一段40312．5810400奧陶系澗草溝組58302．7115800-22005400

圖4 JY1井-JY4井連井地震剖面

表2 焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組地層參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

地層JY1井JY2井JY3井JY4井組段亞段厚度/m平均速度/(m·s-1)平均密度/(g·cm-3)平均TOC含量，%龍馬溪組二一三二一五峰組澗草溝組34．042．550．050．027．034．034．031．525．022．024．513．033．036．036．532．54．56．07．07．048882．65438832．6361．5242052．6421．6540002．5593．5358782．743

將統(tǒng)計得到的平均速度及密度參數(shù)(表2)用于正演模擬。首先,考慮焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度分布穩(wěn)定,在地震正演分析中,設(shè)計其厚度為40m,分別進行龍馬溪組一段二亞段、三亞段厚度由25m減薄至0的地震正演分析(圖5a,圖5b);其次,考慮龍馬溪組一段二亞段、三亞段沉積厚度穩(wěn)定為25m,進行五峰組—龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度由零逐漸增大的正演模擬分析(圖5c)。地震正演模擬結(jié)果表明,當(dāng)五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層厚度減薄時,可導(dǎo)致儲層內(nèi)部波峰由強變?nèi)醯较У捻憫?yīng)特征,當(dāng)五峰組—龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖儲層厚度逐漸增大時,儲層內(nèi)部波峰反射強度增加,頁巖氣儲層底界(TO3w)之上的波谷逐漸變寬。

3.2.2 物性變化的影響

在頁巖氣儲層厚度變化正演分析的基礎(chǔ)上,研究了頁巖氣儲層物性變化時的地震響應(yīng)特征。在正演分析中,假設(shè)五峰組—龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層厚度為40m且物性穩(wěn)定不變,分析二亞段及三亞段厚度穩(wěn)定為25m,而物性變化時引起的儲層地震響應(yīng)特征變化。

研究五峰組—龍馬溪組一段三亞段物性變化對儲層地震響應(yīng)特征變化的影響,設(shè)定三亞段頁巖的地層速度和密度橫向上向一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層段的速度和密度漸變(圖6a)。正演模擬結(jié)果顯示,儲層內(nèi)部波峰能量由弱變強,表明波峰能量強弱與三亞段頁巖段物性變化有關(guān),三亞段頁巖物性變好時波峰略有增強;但是,與儲層厚度變化的地震響應(yīng)特征模型相比,龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖氣層的強波谷響應(yīng)特征不變。

研究五峰組—龍馬溪組一段二亞段物性變化對儲層地震響應(yīng)特征變化的影響,設(shè)定二亞段粉砂質(zhì)頁巖初始速度、密度值分別為4205m/s和2.642g/cm3,隨著其物性橫向上變好,速度、密度值與一亞段相當(dāng)時(圖6b),儲層內(nèi)部波峰反射減弱至消失,但是,龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖氣層中強波谷反射特征依然穩(wěn)定連續(xù)分布。

圖5 五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層厚度變化正演模型與模擬結(jié)果

圖6 五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層物性變化正演模型與模擬結(jié)果

綜上正演分析結(jié)果,五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層總體表現(xiàn)為兩中強波谷夾一中強-弱波峰的地震反射特征,儲層厚度和物性的變化都會引起儲層內(nèi)部地震響應(yīng)特征的變化,但是,五峰組—龍馬溪組一段一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的地震響應(yīng)特征的變化不大,表現(xiàn)為五峰組底界(TO3w)強波峰上部連續(xù)中強波谷的特征,波谷越寬,優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育厚度越大。

3.3 地震相特征

在頁巖氣儲層地震響應(yīng)特征研究的基礎(chǔ)上,基于頁巖氣儲層在實際三維地震資料上的反射特征,運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和聚類的分級、分類統(tǒng)計技術(shù),實現(xiàn)地震道多屬性數(shù)據(jù)體在等時地層格架約束下的地震相分析。地震相分析結(jié)果表明,焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層地震相主要分為兩類(圖7)：I類地震相表現(xiàn)為中低頻、兩波谷夾中強波峰(底部波谷寬,上部波谷較窄),整體呈中強振幅,連續(xù)性較好的反射特征,儲層地震響應(yīng)特征研究表明,該類地震相是物性相對較好、發(fā)育厚度較穩(wěn)定的頁巖氣儲層的地震反射特征,主要分布于研究區(qū)中東部,面積較大,占研究區(qū)63%,為有利的頁巖氣勘探區(qū);II類地震相表現(xiàn)為中低頻、兩波谷夾弱波峰或單強波谷(波峰消失)的反射特征,是頁巖氣儲層厚度和物性發(fā)生變化時引起的地震反射,主要分布于研究區(qū)西部及北部局部區(qū)域,面積占研究區(qū)37%,為較有利的頁巖氣勘探區(qū)。

沉積相變化是引起地震相變化的主要原因。地質(zhì)研究成果表明[21-22],焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段下部地層沉積時期,整體處于深水陸棚相沉積環(huán)境,頁巖成藏的地質(zhì)條件優(yōu)越,優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層發(fā)育且穩(wěn)定分布;后期由于龍馬溪組一段上部沉積環(huán)境發(fā)生變化,處于淺水陸棚沉積環(huán)境,沉積環(huán)境相對不穩(wěn)定,引起上部頁巖氣儲層發(fā)育厚度和物性變化,導(dǎo)致了五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層地震響應(yīng)特征和地震相發(fā)生變化。受區(qū)域沉積相變化控制,綜合儲層地震響應(yīng)特征及地震相分析,表明焦石壩區(qū)塊頁巖氣儲層垂向上辨識度高,橫向上具有大面積連片分布的特點,展現(xiàn)出研究區(qū)頁巖氣儲層優(yōu)越的時空展布特征和勘探潛力。

圖7 五峰組—龍馬溪組一段地震相綜合分析結(jié)果

4 結(jié)論與認(rèn)識

1) 焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層具有“高自然伽馬,高鈾,相對高聲波時差,相對高電阻率;低密度,相對低中子,低無鈾伽馬”的“四高三低”測井響應(yīng)特征;

2) 焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層頂界面(TS1l2)呈中低頻、中強振幅、較連續(xù)波谷反射特征,底界面(TO3w)呈中低頻、強振幅、連續(xù)波峰反射特征;

3) 焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層總體表現(xiàn)為兩波谷夾一波峰反射特征,當(dāng)頁巖氣儲層穩(wěn)定分布時,儲層內(nèi)部表現(xiàn)為中強波峰反射,中強波峰與儲層底界(TO3w)之間表現(xiàn)為連續(xù)中強波谷的地震反射特征,波谷越寬,優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育厚度越大;

4) 焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段可識別出兩類表征頁巖氣儲層的地震相,其中I類地震相是物性相對較好、發(fā)育厚度較穩(wěn)定的頁巖氣儲層反射地震相,分布占全區(qū)面積的63%,為最有利的頁巖氣勘探區(qū)。沉積相的變化是引起儲層地震相變化的主要原因,綜合地質(zhì)、測井、儲層地震響應(yīng)特征及地震相分析,表明研究區(qū)頁巖氣儲層垂向上辨識度較高,橫向上具有大面積連片分布的特點。

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(編輯：顧石慶)

The geophysical characteristics of shale gas reservoir from Wufeng member to Longmaxi member in Jiaoshiba block of Fulin shale gasfield

Wang Mingfei,Chen Chao,Qu Dapeng,Miao Zhiwei,Xiao Jilin,Gao Hongxian

(SinopecExplorationCompany,Chengdu610041,China)

The geophysical characteristics of shale gas reservoir was systematically analyzed and summarized for Ordovician Wufeng member to Silurian Longmaxi member in Jiaoshiba block,southeast of Sichuan basin.Firstly,from the statistics of logging curves,the logging response characteristics was determined.Secondly,through fine calibration from well data and geophysical forward simulation,the top interface responses of shale gas reservoir showed as the continuous wave trough and the bottom interface responses showed as the continuous wave peak.The seismic responses from the internal reservoir showed as the medium,strong-hard peaks.The strength of peaks was associated with the formation thickness and physical properties of shale gas reservoir.If the quality shale section(TOC>2%)developed in the reservoir,the strength of wave peaks from the bottom interface and internal reservoir will become strong as well as sandwiching a strong wave trough.The wider the wave trough is,the thicker the quality shale is.At last,two types of seismic facies for the shale gas reservoir of Wufeng member-Longmaxi member were summarized.The seismic facies Type I was seismic response from the shale gas reservoir with the relatively better physical properties and stable formation thickness,taking up 63% of target area,as the most favorable shale gas exploration area.

Jiaoshiba block,shale gas reservoir,Wufeng member-Longmaxi member,logging response characteristics,seismic response characteristics

2014-11-12;改回日期：2015-02-13。

王明飛(1986—),男,碩士,工程師,現(xiàn)主要從事非常規(guī)油氣地球物理方面的研究工作。

P631

A

1000-1441(2015)05-0613-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.014