頁巖氣儲(chǔ)層特征及地球物理預(yù)測(cè)技術(shù)

向 葵，胡文寶，嚴(yán)良俊，唐新功，謝興兵

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100；3.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

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頁巖氣儲(chǔ)層特征及地球物理預(yù)測(cè)技術(shù)

向 葵1，2，3，胡文寶1，2，3，嚴(yán)良俊1，2，3，唐新功1，2，3，謝興兵1，2，3

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100；3.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

為掌握富有機(jī)質(zhì)頁巖的地球物理響應(yīng)特征，進(jìn)而為頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)，對(duì)南方海相頁巖及其圍巖的復(fù)電阻率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果認(rèn)為：頁巖具有不同強(qiáng)度的激發(fā)極化效應(yīng)且極化率參數(shù)值高于圍巖地層；其電性響應(yīng)特征與頁巖的總有機(jī)碳含量、礦物成分、熱成熟度等有關(guān)。雖然反演的電阻率值比較單一，在油氣勘探中既有低阻也有高阻特征，但極化率參數(shù)可以為頁巖氣的評(píng)價(jià)提供可靠信息，其綜合時(shí)間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)，可直接進(jìn)行頁巖氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。該研究為應(yīng)用復(fù)電阻率法進(jìn)行頁巖氣勘探提供了物性基礎(chǔ)，發(fā)掘了電性敏感參數(shù)，為利用地球物理技術(shù)對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)提供了新思路。

頁巖氣；地球物理技術(shù)；地質(zhì)特征；復(fù)電阻率；儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

0 引 言

Curtis對(duì)美國(guó)5套商業(yè)性頁巖氣層的甲烷吸附氣含量、總有機(jī)碳含量(TOC)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析研究，認(rèn)為含氣量與TOC含量密切相關(guān)[1]。頁巖氣形成條件、成藏機(jī)理和富集規(guī)律的研究受到了國(guó)內(nèi)外廣泛重視，并取得了一定的地質(zhì)認(rèn)識(shí)及勘探成果[2-4]。李新景等結(jié)合中國(guó)的頁巖氣資源進(jìn)行分析，認(rèn)為中國(guó)四川盆地發(fā)育的多套海相烴源巖是未來頁巖氣資源的勘探方向[5]。姜福杰等針對(duì)國(guó)外的頁巖氣研究概況和中國(guó)的頁巖氣資源潛力進(jìn)行研究，指出頁巖TOC含量越高越有利于泥頁巖油氣富集[6]。TOC含量是頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，也是物性分析和地球物理勘探的重要技術(shù)指標(biāo)。

1 中國(guó)頁巖氣的地質(zhì)條件與特征

1.1 中國(guó)頁巖氣藏地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)背景，中國(guó)的頁巖氣發(fā)育區(qū)可劃分為中東部地區(qū)(華北、東北)、南方地區(qū)、西北地區(qū)以及青藏地區(qū)4大區(qū)塊(圖1)[8]。中國(guó)海相頁巖分布范圍非常廣泛，而且有機(jī)質(zhì)含量高，主要集中在華北地區(qū)、南方地區(qū)和塔里木盆地；陸相頁巖同樣分布廣泛，主要集中在新疆準(zhǔn)噶爾盆地和吐哈盆地、華北地區(qū)、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和松遼盆地，這些地區(qū)不僅具備頁巖氣成藏條件，而且資源儲(chǔ)量豐富，潛力巨大。

圖1 中國(guó)潛在的頁巖氣發(fā)育區(qū)分布示意圖

據(jù)美國(guó)能源信息署(EIA)發(fā)布的頁巖氣報(bào)告，中國(guó)具有豐富的頁巖氣和頁巖油潛力，主要分布于以下7個(gè)遠(yuǎn)景區(qū)盆地：四川、塔里木、準(zhǔn)噶爾、松遼、揚(yáng)子地臺(tái)、江漢和蘇北盆地，其中，南方四川盆地、揚(yáng)子地臺(tái)區(qū)和準(zhǔn)噶爾盆地頁巖氣資源及其地質(zhì)特征見表1[7]。

表1 中國(guó)部分地區(qū)頁巖氣資源和地質(zhì)特征(改自EIA，2013)

研究表明，四川盆地、鄂爾多斯盆地、中下?lián)P子地區(qū)、華北盆地的頁巖氣成藏條件最好，準(zhǔn)噶爾盆地、松遼盆地和吐哈盆地較好，柴達(dá)木盆地和遼河盆地地質(zhì)條件較差?，F(xiàn)階段，中國(guó)的頁巖氣勘探和開采工作主要集中在四川盆地及周邊地區(qū)，還包括西北地區(qū)、鄂爾多斯等主要盆地。中國(guó)南方從震旦系到三疊系，海相地層發(fā)育，烴源巖層系以多套黑色頁巖為主，該區(qū)域主力烴源巖為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組。四川盆地的頁巖氣地質(zhì)條件和構(gòu)造演化特點(diǎn)與美國(guó)典型盆地相似，均屬于古生界的海相沉積盆地，具有優(yōu)良的勘探前景。

1.2 頁巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)及特征

目前，中國(guó)南方古生界頁巖的特點(diǎn)與美國(guó)北部頁巖最接近，代表性的特點(diǎn)包括厚度、高含碳量和富含石英。四川盆地4個(gè)主要的富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖的目標(biāo)為下寒武統(tǒng)筇竹寺組、下志留統(tǒng)龍馬溪組、下二疊統(tǒng)棲霞組和上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，其中，最重要的是下志留統(tǒng)龍馬溪組地層，頁巖有機(jī)質(zhì)豐富，含筆石，且為硅質(zhì)頁巖。川、渝、滇、黔、湘、鄂等所屬區(qū)域?yàn)樯蠐P(yáng)子區(qū)，發(fā)育了6套海相頁巖，有機(jī)質(zhì)豐富，分別為二疊系龍?zhí)督M、泥盆系羅富組、志留系龍馬溪組、奧陶系五峰組、寒武系筇竹寺組和震旦系陡山沱組。在6套地層中，筇竹寺組和龍馬溪組頁巖層的TOC較高，厚度大，分布廣，而且脆性礦物豐富，節(jié)理和裂縫發(fā)育。

與中國(guó)南方頁巖發(fā)育區(qū)相比，準(zhǔn)噶爾盆地雖然不是中國(guó)最大的頁巖氣烴源巖區(qū)，但其地質(zhì)構(gòu)造條件相對(duì)簡(jiǎn)單，頁巖層和有機(jī)質(zhì)富集層均有足夠的厚度，平地泉組有機(jī)質(zhì)富集凈厚度達(dá)到125 m，TOC平均值為5%，其熱成熟度處在生油窗口，約為0.85%。

2 頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法

頁巖儲(chǔ)層含氣量主要與TOC含量、有機(jī)質(zhì)類型及演化程度有關(guān)，因此，目前主要依據(jù)頁巖儲(chǔ)層厚度、埋深、TOC含量和熱演化程度來優(yōu)選頁巖氣勘探的有利區(qū)域。常規(guī)油氣勘探中以尋找構(gòu)造為主的地震勘探可以準(zhǔn)確地對(duì)頁巖儲(chǔ)層的空間分布進(jìn)行成像，并可為鉆探和儲(chǔ)層改造提供參數(shù)，劉振武等提出了頁巖氣地球物理技術(shù)的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向[9]。

袁書坤等以美國(guó)Marcellus頁巖區(qū)的多波地震資料，應(yīng)用縱波—轉(zhuǎn)換橫波(PP-PSV)聯(lián)合反演方法進(jìn)行頁巖氣儲(chǔ)層天然微裂縫識(shí)別和含氣性檢測(cè)，并取得很好的應(yīng)用效果[10]。陳祖慶研究了四川盆地焦石壩地區(qū)海相頁巖地層的巖石物理參數(shù)，通過對(duì)伽馬、密度和電阻率等測(cè)井結(jié)果以及泊松比、楊氏模量等彈性參數(shù)的分析，研究各參數(shù)與TOC的關(guān)系，并結(jié)合三維地震資料進(jìn)行疊前地震反演，求出TOC的三維分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定量預(yù)測(cè)(圖2)[11]。

圖2 焦石壩地區(qū)龍馬溪組—五峰組平均

Lewis等利用常規(guī)的自然伽馬測(cè)井、電阻率測(cè)井、密度測(cè)井等組合方法進(jìn)行含氣頁巖的識(shí)別與評(píng)價(jià)[12]。常規(guī)測(cè)井和ECS測(cè)井方法結(jié)合評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)或泥質(zhì)含量，微電阻率成像測(cè)井和聲波掃描測(cè)井結(jié)合分析地應(yīng)力、識(shí)別泥頁巖裂縫，聲波掃描測(cè)井分析地層的機(jī)械特性，核磁共振測(cè)井評(píng)價(jià)孔隙度等。Pemper等認(rèn)為這些技術(shù)已經(jīng)成為頁巖氣測(cè)井的關(guān)鍵技術(shù)，并成功地應(yīng)用于北美頁巖氣田的評(píng)價(jià)、勘探和開發(fā)。

在以上測(cè)井資料的應(yīng)用過程中，電阻率是一個(gè)重要參數(shù)，資料顯示有機(jī)質(zhì)對(duì)電阻率的影響隨成熟度變化而變化。但在評(píng)價(jià)過程中，電性參數(shù)比較單一，僅僅依靠電阻率一個(gè)參數(shù)很難對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層的TOC做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

3 頁巖氣儲(chǔ)層復(fù)電阻率法預(yù)測(cè)技術(shù)

3.1 復(fù)電阻率法及其應(yīng)用

復(fù)電阻率法(CR)也稱頻譜激發(fā)極化法(SIP)，國(guó)內(nèi)外研究者在此基礎(chǔ)上完成了大量的物性和理論研究工作。

應(yīng)用復(fù)電阻率法在準(zhǔn)格爾盆地某油田進(jìn)行油氣預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)區(qū)油氣田及其上方存在明顯的極化異常，為井位設(shè)計(jì)提供了地球物理依據(jù)，而且預(yù)測(cè)的極化異常被隨后的鉆探結(jié)果所證實(shí)。前人為探查安徽沙溪斑巖型銅礦區(qū)深部礦體及隱伏礦體，同時(shí)為了試驗(yàn)頻譜激電法在此類礦產(chǎn)探測(cè)中的應(yīng)用效果，在安徽沙溪斑巖銅礦區(qū)進(jìn)行了SIP試驗(yàn)。結(jié)果表明，頻譜激電法在斑巖銅礦探測(cè)中可以取得較好的效果，該方法在高電阻率、高極化率的金屬礦的探測(cè)中同樣可以發(fā)揮重要的作用。應(yīng)用復(fù)電阻率法在安徽某銅鉬礦區(qū)進(jìn)行勘探，反演的IP參數(shù)反映出了地下異常地質(zhì)體的導(dǎo)電性和電極化性質(zhì)，并可以準(zhǔn)確判斷異常的屬性和空間形態(tài)。

3.2 頁巖標(biāo)本的復(fù)電阻率響應(yīng)

以南方海相筇竹寺組和龍馬溪組2套產(chǎn)氣主力為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行復(fù)電阻率實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)頻率范圍為0.1～10.0 kHz，獲取頁巖的復(fù)電阻率幅值和相位信息，B01、B02和B03為露頭頁巖，W01、W02和W03為頁巖氣井巖心。結(jié)果表明，電阻率的幅值隨頻率的增大而減小，低頻段變化相對(duì)較快，高頻趨緩，相位幅值隨頻率的升高先增后減或單調(diào)遞減，沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律，頁巖存在不同強(qiáng)弱的激電效應(yīng)，其中B01和B02變化最為明顯，激發(fā)極化效應(yīng)更強(qiáng)(圖3)。

圖3 頁巖露頭和井心標(biāo)本復(fù)電阻率幅值和相位曲線

表2為中國(guó)南方海相頁巖發(fā)育區(qū)不同層位露頭標(biāo)本的極化率參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，目的層為筇竹寺組、龍馬溪組和五峰組頁巖，圍巖包含滄浪鋪組砂巖、燈影組白云巖和玄武巖。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在頁巖地層中，筇竹寺組層為高極化層，龍馬溪組為中高極化層，五峰組為中高極化層，靈犀橋組為低極化層，砂巖和白云巖為低極化層，該特征有利于應(yīng)用極化率參數(shù)進(jìn)行頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。

表2 頁巖及圍巖標(biāo)本極化率參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 頁巖復(fù)電阻率參數(shù)的勘探意義

中國(guó)頁巖氣成藏條件和儲(chǔ)層特征有別于美國(guó)，而且國(guó)外先進(jìn)的方法和技術(shù)難以全面解決中國(guó)的頁巖氣勘探開發(fā)問題。因此，研究者需要根據(jù)國(guó)內(nèi)的頁巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征，探討其成藏規(guī)律，尋求有效地的地球物理評(píng)價(jià)技術(shù)。目前地震勘探和電法勘探是頁巖氣勘探的主要手段，但在現(xiàn)階段技術(shù)不成熟、勘探認(rèn)識(shí)程度較低的情況下，亟需發(fā)展地球物理技術(shù)，掌握富有機(jī)質(zhì)頁巖的地球物理響應(yīng)特征，有效地定位總有機(jī)碳含量的空間分布，為含氣性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)用于指導(dǎo)頁巖氣“甜點(diǎn)”區(qū)預(yù)測(cè)、勘探開發(fā)、鉆完井、儲(chǔ)層改造、壓裂。

通過在頁巖發(fā)育地區(qū)采集不同地層的頁巖標(biāo)本(包括井心)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，完成巖心物性參數(shù)測(cè)量，重點(diǎn)從頁巖的復(fù)電阻率特性著手，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)不同地區(qū)和不同地層的頁巖樣品進(jìn)行復(fù)電阻率測(cè)量，反演提取了頁巖的零頻電阻率、極化率、時(shí)間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)4個(gè)復(fù)電阻率參數(shù)。研究結(jié)果表明，筇竹寺組、龍馬溪組和五峰組3個(gè)產(chǎn)氣主力地層較圍巖具有更強(qiáng)的激發(fā)極化效應(yīng)，極化率值最敏感，均較大，該響應(yīng)特征為圈定頁巖氣產(chǎn)氣層位提供了物性基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，可結(jié)合頁巖氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)，進(jìn)一步分析研究復(fù)電阻率參數(shù)，尤其是電阻率、極化率參數(shù)與頁巖礦物組分和TOC的內(nèi)在聯(lián)系，為研究頁巖氣儲(chǔ)層的電性響應(yīng)特征和機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

研究成果為應(yīng)用復(fù)電阻率法進(jìn)行頁巖氣勘探提供了物性基礎(chǔ)和電性敏感參數(shù)，為利用地球物理技術(shù)對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)提供了新思路。

4 結(jié) 論

(1) 頁巖氣儲(chǔ)層的含氣量跟總有機(jī)質(zhì)含碳量、有機(jī)質(zhì)類型等多種地質(zhì)要素有關(guān)，中國(guó)頁巖氣潛力巨大但地質(zhì)條件比較復(fù)雜，在現(xiàn)階段技術(shù)不成熟、勘探認(rèn)識(shí)程度較低的情況下，亟需發(fā)展地球物理技術(shù)，掌握富有機(jī)質(zhì)頁巖的地球物理響應(yīng)特征，有效地定位TOC的空間分布，為含氣性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

(2) 頁巖作為烴源巖和儲(chǔ)集層所特有的成藏特征，決定了勘探和開采過程中的評(píng)價(jià)方法有別于常規(guī)儲(chǔ)層，頁巖標(biāo)本電性實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了的頁巖的復(fù)電阻率特性，為頁巖氣地球物理勘探和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)開拓了新的研究方向。

(3) 復(fù)電阻率頻譜參數(shù)可從不同的角度去評(píng)價(jià)頁巖氣的激電異常，雖然反演的電阻率值比較單一，在油氣中既有低阻也有高阻特征，但極化率參數(shù)可以為頁巖氣的評(píng)價(jià)提供可靠信息，再綜合時(shí)間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)，可直接進(jìn)行頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。

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編輯 林樹龍

20151023；改回日期：20160105

國(guó)家“973”項(xiàng)目“深部油氣儲(chǔ)層綜合地球物理探測(cè)和評(píng)價(jià)方法”(2013CB228605)；國(guó)家青年基金項(xiàng)目“中上揚(yáng)子區(qū)頁巖總有機(jī)碳含量與復(fù)電阻率的關(guān)系模型實(shí)驗(yàn)研究”(41404087)；國(guó)家自然科學(xué)基金“移動(dòng)雙極電偶源瞬變電磁成像方法與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(41274082)、“基于GPU的可控源電磁三維各向異性儲(chǔ)層參數(shù)反演”(41274115)和“非均勻地中低頻電磁輻射源探測(cè)與反演定位”(41574064)

向葵(1980-)，男，講師，2004年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，2015年畢業(yè)于該校地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事電磁勘探和巖石物理方面的教學(xué)和研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.002

TE122.2

A

1006-6535(2016)02-0005-04