基于地震波多尺度吸收屬性的頁(yè)巖氣識(shí)別方法

徐天吉，曹　倫，程冰潔，閆麗麗，唐建明（1.中國(guó)石化a.西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，b.多波地震技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，c.西南油氣分公司，成都610041；2.成都理工大學(xué)a.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.地球科學(xué)學(xué)院，成都610059；3.成都信息工程學(xué)院氣象信息與信號(hào)處理四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610225）

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基于地震波多尺度吸收屬性的頁(yè)巖氣識(shí)別方法

徐天吉1a，1b，曹倫2a，3，程冰潔2a，3，閆麗麗2b，唐建明1b，1c
（1.中國(guó)石化a.西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，b.多波地震技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，c.西南油氣分公司，成都610041；2.成都理工大學(xué)a.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.地球科學(xué)學(xué)院，成都610059；3.成都信息工程學(xué)院氣象信息與信號(hào)處理四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610225）

摘要：在對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換的基礎(chǔ)上，采用多尺度吸收屬性描述地震波在含氣性良好的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖中傳播時(shí)產(chǎn)生的能量衰減異常現(xiàn)象，建立新的頁(yè)巖氣識(shí)別方法，并通過理論分析與模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方法的科學(xué)性和有效性。將該方法應(yīng)用到井研—犍為地區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖氣識(shí)別中，獲得了與實(shí)鉆情況較吻合的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：地震波；多尺度吸收屬性；頁(yè)巖氣；識(shí)別方法

Shale Gas Identification Based on Multi?Scale and Absorption Attributes of Seismic Wave

XU Tianji1a,1b, CAO Lun2b,3, CHENG Bingjie2a,3, YAN Lili2b, TANG Jianming1b,1c
(1. Sinopec, a.Research Institute of Exploration and Development, Southwest Oil?Gas Field Company,b.Key Laboratory of Multi Components Seismic Technology, c. Southwest Oil?Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 610041, China;2.Chengdu University of Technology, a.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, b.College of Earth Science, Chengdu, Sichuan 610059, China; 3.Meteorological Information and Signal Processing Key Laboratory of Sichuan Higher Education

Institutes, Chengdu University of Information Technology, Chengdu, Sichuan 610225, China)

Abstract:On the basis of continuous wavelet transform of seismic signals, this paper describes the energy attenuation abnormal phenome?na caused by seismic wave propagation in gaseous high?quality shales using multi?scale absorption attributes, by which the new shale gas identification approach is presented and verified by theoretical analysis and model experiment in terms of scientificity and effectiveness.The case study of the shale gas identification of Qiongzhusi formation in Jingyan?Qianwei area shows that the applied result is closed to the real drilling data.

Keywords:seismic wave; multi?scale absorption attribute; shale gas; identification approach

地震波在地下介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生能量衰減，其中，巖石骨架引起的能量衰減與巖性和頻率相關(guān)，而孔隙流體引起的能量衰減僅與頻率相關(guān)[1]。地震波的這種傳播特性被稱為地震波的吸收屬性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，如巖性判別[2-3]、含油氣性識(shí)別[4-7]、裂縫預(yù)測(cè)[8-9]、滲透性預(yù)測(cè)[10-11]等。筆者于2008年提出了地震波多尺度吸收屬性的概念[5]，它是揭示地震波能量衰減的一種新計(jì)算方法，主要利用小波函數(shù)在時(shí)間域和頻率域均具有較高分辨率的優(yōu)勢(shì)，克服了常規(guī)方法提取吸收屬性過程中受計(jì)算時(shí)窗影響的局限，已經(jīng)在致密砂巖氣藏和碳酸鹽巖氣藏的勘探開發(fā)中取得了良好的應(yīng)用效果[4-6]。

頁(yè)巖樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析表明，地震波在頁(yè)巖中傳播時(shí)也產(chǎn)生能量衰減，其速度、頻率、衰減系數(shù)等與頁(yè)巖的層理、孔隙度、滲透率、應(yīng)力狀態(tài)等密切相關(guān)[12-15]。地震波在頁(yè)巖中的衰減機(jī)制與砂巖、碳酸鹽巖不同，文獻(xiàn)［16］認(rèn)為，頁(yè)巖的黏彈性是導(dǎo)致地震波衰減的主要原因，而影響頁(yè)巖黏彈性的因素主要包括巖石礦物成分、孔隙流體、地層溫度、地層壓力等。可見，頁(yè)巖氣與常規(guī)油氣藏的地震波吸收屬性類似，可以利用地震波的吸收屬性描述頁(yè)巖物性變化及油氣充填特征。本文基于地震波的多尺度吸收屬性計(jì)算方法，以四川盆地井研—犍為地區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖地層含氣性識(shí)別為例，闡述頁(yè)巖氣的地震反射同相軸特征、頻變響應(yīng)及多尺度吸收屬性特征，旨在為我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)事業(yè)提供地球物理方法借鑒。

1　地震波的多尺度吸收屬性

地震波頻率與地震波傳播能量的關(guān)系十分密切，然而，目前尚無明確描述地震波頻率與能量的解析表達(dá)式。2007年，筆者利用小波定義式（（1）式）良好的時(shí)間域與頻率域局部化特征[17]，對(duì)文獻(xiàn)［18］提出的振幅公式（（2）式）進(jìn)行了小波變換。

在地震波的振幅和主頻已知的前提下，利用（3）式計(jì)算出小波尺度σ和相應(yīng)的小波變換系數(shù)F（Aσ，τ），將F（Aσ，τ），σ和ω0代入（4）式，就能計(jì)算出品質(zhì)因子Q.Q是反映地震波能量衰減程度的參數(shù)，Q越大，能量衰減越?。环粗?，則衰減越大。小波尺度σ與角頻率ω0呈反比。因而，利用不同的小波尺度σ就能計(jì)算出不同頻率下的品質(zhì)因子Q，獲得不同頻率下地震波的能量衰減特征。

頁(yè)巖中總有機(jī)碳含量和天然氣含量較高時(shí)，巖石密度降低，黏彈性增強(qiáng)，地震波的傳播速度降低，能量衰減發(fā)生異常。據(jù)此，將地震波的多尺度吸收屬性推廣應(yīng)用到非常規(guī)頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣性識(shí)別中。

如表1所示，①層、②層和⑥層為泥巖，③層、④層和⑤層為頁(yè)巖，⑦層為孔隙度為4%的含氣頁(yè)巖。正演模擬時(shí)，以主頻為25 Hz的瑞克子波為震源，利用道間距5 m的觀測(cè)系統(tǒng)，以采樣率1 ms進(jìn)行采樣，由于含氣頁(yè)巖的波阻抗比上覆頁(yè)巖和下伏頁(yè)巖的低，地震記錄呈現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的反射同相軸（圖1）。在圖1粉紅色框中，紅—黃色為提取的地震波多尺度吸收屬性強(qiáng)值異常。該異常區(qū)域與地質(zhì)模型中含氣頁(yè)巖空間位置吻合良好，表明地震波經(jīng)過含氣頁(yè)巖傳播后，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的能量吸收衰減，地震波的多尺度吸收屬性能夠用于頁(yè)巖含氣性識(shí)別。

表1　正演地質(zhì)模型及地層參數(shù)

圖1　正演地震記錄及多尺度吸收屬性

2　四川盆地井研—犍為地區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖含氣性識(shí)別

2.1地質(zhì)概括

四川盆地下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)、下志留統(tǒng)、二疊 系、上三疊統(tǒng)和中—下侏羅統(tǒng)各發(fā)育一套主要烴源巖 層系[21-22]。其中，四川盆地南部地區(qū)的下寒武統(tǒng)筇竹 寺組為主力烴源巖。桐灣運(yùn)動(dòng)造成震旦系燈影組頂 部剝蝕，筇竹寺組底部與燈影組不整合接觸，頂部與 滄浪鋪組整合接觸[23]

井研—犍為地區(qū)構(gòu)造上位于四川盆地川西南低陡帶，構(gòu)造平緩，沉積較穩(wěn)定，筇竹寺期為川南深水陸棚沉積環(huán)境，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖（總有機(jī)碳含量大于2%）廣泛發(fā)育，埋深約3 000 m，厚度40～100 m，脆性礦物平均含量大于60%，裂縫和微孔隙發(fā)育，平均鏡質(zhì)體反射率3.26%[23]。研究區(qū)內(nèi)JY1井、JS1井等鉆井成功獲得工業(yè)氣流，進(jìn)一步揭示了筇竹寺組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖良好的含氣性及廣闊的油氣勘探開發(fā)前景。

2.2頁(yè)巖地層的地震反射同相軸特征

井研—犍為地區(qū)的二維地震資料能夠觀察到頁(yè)巖地層的地震響應(yīng)特性。受圍巖與頁(yè)巖地層的物性、總有機(jī)碳含量、含氣性、脆性礦物含量等因素的影響，筇竹寺組頁(yè)巖地層的地震同相軸整體較強(qiáng)、反射波組較穩(wěn)定，主頻約40 Hz，頻寬10～75 Hz.自然伽馬（圖2中綠色曲線）較高的部分，對(duì)應(yīng)著相對(duì)較優(yōu)質(zhì)的頁(yè)巖地層（圖2中紅色線），也對(duì)應(yīng)著較強(qiáng)的地震反射同相軸（圖2）。

圖2　過JY1井二維地震記錄及頁(yè)巖地層地震響應(yīng)特征

優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層受巖石骨架、孔隙度、孔隙流體、有機(jī)質(zhì)成分等多種因素的影響，較非優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的密度更小，縱波速度更慢，縱波阻抗低值異常，為識(shí)別筇竹寺組黑色優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖和粉砂質(zhì)頁(yè)巖提供了依據(jù)。與上覆滄浪鋪組和下伏燈影組相比，筇竹寺組（圖2中粉色框）縱波阻抗整體較低，尤其在優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段，縱波阻抗低值特征非常明顯（圖3）。因此，在地震強(qiáng)反射同相軸和縱波阻抗低值疊合區(qū)，發(fā)育優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的概率更高。

圖3　過JY1井地震記錄與縱波阻抗疊合剖面

筇竹寺組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層具有強(qiáng)瞬時(shí)振幅特征（圖4a），由于瞬時(shí)振幅是地震反射強(qiáng)度的度量，反映地震波能量發(fā)生了很大變化，突出了該段頁(yè)巖地層地震反射同相軸振幅強(qiáng)、與上下圍巖波阻抗差異大的特殊響應(yīng)。同時(shí)，具有相對(duì)較高的瞬時(shí)頻率（圖4b），說明筇竹寺組頁(yè)巖地層厚度較大且分布穩(wěn)定，而且在優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層，低值、中—高值瞬時(shí)頻率變化不明顯，顯示了頁(yè)巖地層巖性變化不明顯、地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特征。

綜合地震反射同相軸、縱波阻抗、瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率等信息，可以預(yù)測(cè)研究區(qū)筇竹寺組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層以厚度較大、連續(xù)性較好的黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為主，為氣藏的最終形成提供了烴源巖和良好的保存條件。

2.3優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的地震頻變響應(yīng)

受頁(yè)巖的有機(jī)組分（有機(jī)碳、殘?zhí)嫉龋┖蜔o機(jī)組分（泥質(zhì)、石英、白云石、黃鐵礦等）影響，構(gòu)成頁(yè)巖的骨架包括無機(jī)骨架和有機(jī)骨架，孔隙也相應(yīng)的包括無機(jī)孔隙和有機(jī)孔隙。地震波在頁(yè)巖中傳播時(shí)，影響其頻率的不僅包括無機(jī)骨架和無機(jī)孔隙流體，還包括有機(jī)骨架和有機(jī)孔隙流體?？梢?，頁(yè)巖地層對(duì)地震頻率的響應(yīng)具有鮮明的特點(diǎn)。過JY1井地震記錄的分頻屬性顯示，30 Hz低頻和60 Hz高頻剖面中，筇竹寺組頁(yè)巖地層地震波能量很弱；而在40 Hz和50 Hz的中高頻剖面中，筇竹寺組頁(yè)巖地層地震波能量很強(qiáng)（圖5）。由此可見，隨著頻率的變化，頁(yè)巖地層中地震波能量也產(chǎn)生變化，此即為頁(yè)巖地層的地震頻變響應(yīng)，可用于頁(yè)巖地層的識(shí)別。

圖4　過JY1井地震記錄與瞬時(shí)屬性疊合剖面

研究區(qū)筇竹寺組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層地震波能量主要集中在35～55 Hz（圖6），該頻帶可視為研究區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的敏感頻帶（圖6）。在敏感頻帶范圍內(nèi)，地震波的低頻段能量較弱、較高頻段能量強(qiáng)，這就是研究區(qū)筇竹寺組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的頻變響應(yīng)特征。

JY1井滄浪鋪組地震波強(qiáng)能量對(duì)應(yīng)了較寬的頻帶，中心頻率約25 Hz；筇竹寺組及下伏燈影組地震波強(qiáng)能量對(duì)應(yīng)的頻帶相對(duì)較窄，筇竹寺組中心頻率約40 Hz，燈影組中心頻率約35 Hz.在筇竹寺組內(nèi)，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層地震波能量最強(qiáng)，中心頻率約45 Hz，頻變響應(yīng)特征更加鮮明（圖7）。

2.4基于多尺度吸收屬性識(shí)別頁(yè)巖含氣性

優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖中地震波較強(qiáng)的能量衰減現(xiàn)象可以用多尺度吸收屬性進(jìn)行描述，利用該屬性可以反推頁(yè)巖中總有機(jī)碳含量、密度、黏彈性的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖地層中含氣量的預(yù)測(cè)。

圖8顯示地震反射較強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段出現(xiàn)了較強(qiáng)的多尺度吸收屬性異常現(xiàn)象。該異常分布范圍與圖3中縱波阻抗低值范圍重疊較多，說明在該異常范圍內(nèi)的頁(yè)巖密度和地震波傳播速度相對(duì)較低?？梢酝茰y(cè)，由于頁(yè)巖中總有機(jī)碳含量較高，在一定的熱成熟度和生物化學(xué)作用下發(fā)生分解、降解、轉(zhuǎn)換等物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生天然氣、其它烴類和殘?zhí)迹?yè)巖中孔隙擴(kuò)大或增多、孔隙壓力和含氣總量不斷增加，增加了吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)換及運(yùn)移成藏的概率，也導(dǎo)致了優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層密度和速度的顯著降低、地震反射同相軸的增強(qiáng)。對(duì)比圖5和圖8，前者所示地震頻變響應(yīng)較強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層分布范圍與后者所示多尺度吸收屬性強(qiáng)異常的分布范圍（紅色）基本重合，說明該范圍內(nèi)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖含氣量可能最高，而其他區(qū)域（黃色）則相對(duì)較低。

圖5　過JY1井地震記錄的分頻屬性

圖6　JY1井筇竹寺組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層地震頻變響應(yīng)

圖7　JY1井筇竹寺組地震頻變響應(yīng)

圖8　過JY1井地震記錄及多尺度吸收屬性疊合剖面

基于井研—犍為地區(qū)的地質(zhì)概況、地震反射特征、優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的地震頻變響應(yīng)和多尺度吸收屬性異?，F(xiàn)象等信息（圖2—圖8），能夠?qū)崿F(xiàn)綜合分析和實(shí)際鉆井結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。研究區(qū)內(nèi)筇竹寺組頁(yè)巖地層具有較強(qiáng)的地震反射同相軸和較低的縱波阻抗特征，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層具有更低的縱波阻抗和更強(qiáng)的地震頻變響應(yīng)，含氣性較好的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層可以觀測(cè)到較強(qiáng)的多尺度吸收屬性異?，F(xiàn)象。這些異?，F(xiàn)象分布較廣泛，預(yù)示了研究區(qū)良好的天然氣勘探開發(fā)前景。這些認(rèn)識(shí)與JY1井的巖性、物性、含氣性、天然氣產(chǎn)量（約6×104m3/d）等實(shí)際鉆井情況吻合良好。

3　結(jié)論

（1）頁(yè)巖氣屬于自生自儲(chǔ)的非常規(guī)氣藏，其骨架礦物組分、孔隙流體等特征決定了地震波在其中的傳播速度、能量、頻率等屬性將產(chǎn)生特殊響應(yīng)?；诖耍Y(jié)合自然伽馬測(cè)井、地質(zhì)等信息，能夠有效地識(shí)別頁(yè)巖及優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層。

（2）地震波在優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖中傳播時(shí)，受頁(yè)巖基質(zhì)顆粒的摩擦、孔隙流體對(duì)頻率的吸收等黏彈性因素影響，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的多尺度吸收屬性異?，F(xiàn)象，為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的含氣性識(shí)別提供了依據(jù)。

（3）井研—犍為地區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖氣的識(shí)別應(yīng)用實(shí)例表明，頁(yè)巖地層地震反射同相軸較強(qiáng)、連續(xù)性好、波阻抗低，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層波阻抗更低、頻變響應(yīng)特征顯著，在含氣性良好的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層中可以觀察到強(qiáng)烈的地震多尺度吸收屬性異?，F(xiàn)象。對(duì)比分析研究區(qū)內(nèi)鉆井實(shí)際情況，證實(shí)了利用這種異?，F(xiàn)象識(shí)別頁(yè)巖含氣性是可行的。

符號(hào)注釋

A（ω，0）——零時(shí)刻地震波的振幅；

A（ω，t）——t時(shí)刻地震波的振幅；

c——常數(shù)；

FA（σ，τ）——小波變換系數(shù)；

Q——品質(zhì)因子；

t——時(shí)間，s；

τ——時(shí)間平移參數(shù)，s；

σ——小波尺度；

ω0——角頻率，rad/s；

ω——角頻率，rad/s；

ψσ，τ（t）——小波函數(shù)ψ(t)在時(shí)間軸上伸縮σ與平移τ后的新函數(shù)；

ψ（t）——高靜懷等修正后的Morlet子波；

ψ*——ψσ,τ(t)的共軛復(fù)數(shù)。

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（編輯潘曉慧楊新玲）

作者簡(jiǎn)介：徐天吉（1975-），男，四川射洪人，高級(jí)工程師，地球物理勘探，（Tel）18583378166（E-mail）xu_tianji@126.com.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41574099）；國(guó)家863項(xiàng)目（2013AA064201）

收稿日期：2015-02-11

修訂日期：2015-11-24

文章編號(hào)：1001-3873（2016）01-0041-05

DOI：10.7657/XJPG20160108

中圖分類號(hào)：P631.445.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A