焦石壩頁(yè)巖有機(jī)碳含量地球物理預(yù)測(cè)

韓 冰，孫偉超

河北地質(zhì)大學(xué) 勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050031

一、引言

隨著頁(yè)巖氣理論研究及相關(guān)勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的逐步成熟，頁(yè)巖氣作為一種資源大、周期長(zhǎng)、產(chǎn)量穩(wěn)定的非常規(guī)清潔能源受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。頁(yè)巖氣按其賦存方式主要分為吸附氣和游離氣，是天然氣在泥頁(yè)巖層系中就近聚集的結(jié)果，具有典型的自生自儲(chǔ)、原地成藏的特點(diǎn)[1]，頁(yè)巖的極低孔、低滲的特點(diǎn)使得頁(yè)巖油氣的開(kāi)采難度提高，通常將頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量、含氣量等作為影響頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的參數(shù)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁(yè)巖氣的研究日益增多，劉雙蓮等[2]指出頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。劉承民[3]通過(guò)分析并總結(jié)頁(yè)巖氣測(cè)井響應(yīng)特征，指出頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量、測(cè)井曲線的異常敏感響應(yīng)及其物性特征差異三者之間均呈正相關(guān)的關(guān)系；此外，Passey等[4]指出頁(yè)巖礦物成分變化會(huì)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的地球物理響應(yīng)產(chǎn)生較大影響。Martinez等[5]認(rèn)為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中縱橫波速度、密度、及波阻抗值較低均與有機(jī)質(zhì)的存在密切相關(guān)?；谇叭搜芯?，通過(guò)分析頁(yè)巖氣地震響應(yīng)特征，并結(jié)合模型正演與阻抗反演有效的預(yù)測(cè)了該區(qū)頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量，為后期的勘探與開(kāi)發(fā)提供了可靠依據(jù)。

重慶涪陵焦石壩區(qū)塊屬于川東褶皺帶，主體位于萬(wàn)縣復(fù)向斜的南部。該區(qū)塊構(gòu)造為整體平緩但兩側(cè)被較多斷層所夾持的斷背斜構(gòu)造。焦石壩斷背斜總體為北東走向，構(gòu)造高點(diǎn)位于靠近大耳山西斷層的三維區(qū)東北部。從平行構(gòu)造走向的連井剖面看焦石壩斷背斜主體寬緩，奧陶系、志留系及上覆地層產(chǎn)狀一致，向西南、東北方向傾覆，背斜形態(tài)清楚，地層平緩；從垂直構(gòu)造走向的剖面清楚地反映出焦石壩斷背斜的西北部地層較陡、東南部被斷層復(fù)雜化的背斜形態(tài)；區(qū)內(nèi)整體表現(xiàn)出斷層不發(fā)育特點(diǎn)，該構(gòu)造背景為頁(yè)巖氣的成藏及富集提供重要支撐。研究區(qū)內(nèi)頁(yè)巖氣藏的有利聚集區(qū)位于奧陶系五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組下部層位，在橫向上巖性（泥頁(yè)巖）、厚度分布具有一致性；在縱向上由測(cè)井資料顯示有機(jī)碳含量、含氣量等參數(shù)表現(xiàn)出不同趨勢(shì)。研究工區(qū)面積約347平方千米，工區(qū)中分布3口重點(diǎn)探井：分別為JY1井、JY2井、JY3井，此外三口探井均分布在構(gòu)造區(qū)塊的主體平緩地帶。

二、頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)物特征

頁(yè)巖氣的源巖多為暗色泥頁(yè)巖或富含有機(jī)質(zhì)的高碳泥頁(yè)巖，而氣源成因主要由于熱成熟作用或生物作用，故烴源巖中豐富的有機(jī)質(zhì)為頁(yè)巖氣儲(chǔ)集提供了重要的物質(zhì)前提，為確保充足的有機(jī)質(zhì)含量，通常國(guó)內(nèi)外采用有機(jī)碳豐度指標(biāo)——總有機(jī)碳含量（TOC）作為評(píng)價(jià)的重要參數(shù)[6]。TOC值能直接影響頁(yè)巖氣的富集程度，并從一定程度上直接反映頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣量大小及生烴強(qiáng)度。在同一條件下，含氣頁(yè)巖生烴強(qiáng)度、頁(yè)巖氣富集程度與有機(jī)碳含量之間基本呈擬線性關(guān)系，即有機(jī)碳含量越高頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣量就越大[7]。與常規(guī)油氣藏相似，只有當(dāng)頁(yè)巖氣含量達(dá)到一定高度才有可能成為頁(yè)巖氣工業(yè)生產(chǎn)的聚集區(qū)，即只有當(dāng)有機(jī)碳含量達(dá)到一定門檻值，頁(yè)巖氣藏才能滿足大規(guī)模開(kāi)發(fā)的工業(yè)價(jià)值。根據(jù)頁(yè)巖氣資源／儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定，對(duì)于含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)碳含量下限標(biāo)準(zhǔn)為CTOC≥1%。通過(guò)對(duì)焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣井巖心采樣分析，有利烴源巖區(qū)龍馬溪組層段具有較高的總有機(jī)碳含量，其值主要為0.46%～6.79%，平均含量為2.66%，總體具有較高的工業(yè)開(kāi)采價(jià)值。

三、有機(jī)碳含量計(jì)算

目前有機(jī)碳含量的計(jì)算方法較多，除實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法外，主要應(yīng)用測(cè)井預(yù)測(cè)法。其中測(cè)井曲線對(duì)有機(jī)碳含量的敏感響應(yīng)是識(shí)別和評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣的關(guān)鍵。通常將電阻率和孔隙度等測(cè)井曲線交匯重疊來(lái)計(jì)算總有機(jī)碳含量，也叫ΔlgR方法。該方法的基本原理是：將需要交匯重疊的孔隙度曲線（聲波測(cè)井、補(bǔ)償中子、密度）與電阻率曲線疊合，對(duì)于有機(jī)質(zhì)貧瘠層段，兩條曲線趨勢(shì)基本一致；而在有機(jī)質(zhì)含量較高的層段中兩者差異較大，易于分離，這是低速（高聲波時(shí)差）、低密的干酪根響應(yīng)和地層流體在電阻率曲線上表現(xiàn)的敏感響應(yīng)[8-11]。本文基于聲波時(shí)差—電阻率重疊法是按一定刻度關(guān)系的聲波時(shí)差曲線與電阻率曲線交匯重疊，根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量較高層段的分離程度確定有機(jī)碳含量。Passey[4]等指出不同成熟度條件下有機(jī)碳含量的測(cè)井預(yù)測(cè)方法。Sondergeld[9]等指出有機(jī)碳含量與ΔlgR呈線性相關(guān)，且為成熟度RO的函數(shù)[10]：

TOC=ΔlgR×102.207-0.1688R0×C

式中：R為計(jì)算點(diǎn)的電阻率（單位為Ω·m）；RO為鏡質(zhì)體反射率（單位為%）；C表示一個(gè)大于1的乘法算子，用于校正TOC值。

結(jié)果表明，通過(guò)測(cè)井評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)法計(jì)算出龍馬溪組層段的有機(jī)碳含量與巖心采樣實(shí)測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（如表1），兩者有機(jī)碳含量值差距較小，吻合程度較高，絕對(duì)誤差小于2%。

表1 TOC含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)對(duì)比

四、地震波場(chǎng)模擬

有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏的重要參數(shù)之一。因此本文采用地震波場(chǎng)模擬對(duì)頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量變化進(jìn)行模型正演，對(duì)后期疊后阻抗反演預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征參數(shù)提供重要作用。

在詳細(xì)分析地震數(shù)值模擬的基本原理和方法技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合地質(zhì)特征、測(cè)井資料與巖石物理分析結(jié)果，建立不同的有機(jī)碳含量模型（圖1），參數(shù)如表2所示。然后采用交錯(cuò)網(wǎng)格差分模擬算法進(jìn)行地震波波動(dòng)方程正演并分析其地震波長(zhǎng)響應(yīng)特征，地震正演記錄如圖2所示。通過(guò)交匯分析，有機(jī)碳含量（圖2d）與正演成果剖面的泥頁(yè)巖頂部地震振幅值成正比。也就是說(shuō)正演成果剖面的地震振幅與泥頁(yè)巖的有機(jī)碳含量相關(guān)性最好，基本為正相關(guān)關(guān)系，地震振幅值越強(qiáng)，有機(jī)碳的含量就越高。

圖1 有機(jī)碳含量模型

圖2 不同有機(jī)碳含量模型正演記錄(a～c)和振幅值相關(guān)性(d)

表2 有機(jī)碳含量模型參數(shù)

五、有機(jī)碳含量預(yù)測(cè)

（一）有機(jī)碳含量與波阻抗的相關(guān)性

地層中頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量不同則其相應(yīng)層段的測(cè)井曲線響應(yīng)特征不同。首先綜合地質(zhì)與測(cè)井資料分析，確定含氣層，并采用隨機(jī)模擬手段對(duì)未知點(diǎn)賦值，進(jìn)而得到TOC數(shù)據(jù)體。其次通過(guò)精細(xì)構(gòu)造解釋及標(biāo)定建立實(shí)際地質(zhì)模型，并結(jié)合地震數(shù)據(jù)進(jìn)行疊后阻抗反演。最后將有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)體與縱波阻抗進(jìn)行交匯，并根據(jù)其相關(guān)性進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)：

式中：Za為縱波阻抗。其中交匯結(jié)果如圖3所示，由圖可知有機(jī)碳含量與波阻抗基本呈擬線性關(guān)系，且相關(guān)性高達(dá)79.1%，從整體趨勢(shì)可以明顯看出，有機(jī)碳含量隨波阻抗的增大而減小，此外從顏色可以看出，有機(jī)碳含量與自然伽馬之間呈正相關(guān)。

圖3 頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量與縱波阻抗交匯圖

（二）疊后阻抗反演與效果分析

1. 子波提取與層位標(biāo)定

綜合運(yùn)用測(cè)井、地震、及地質(zhì)三方面信息建立的層位標(biāo)定是聯(lián)系地震數(shù)據(jù)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的橋梁，在地震反演中占有重要地位。首先在目的層段提取實(shí)際子波，利用該子波制作的合成記錄對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)作進(jìn)一步調(diào)整并提取子波。如此反復(fù)直到求出一個(gè)滿意的子波。從合成地震記錄制作（如圖4）來(lái)看，合成記錄與井旁地震的匹配較為一致，波組和相位具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，合成記錄的速度能夠準(zhǔn)確的反映井口地區(qū)的地下速度。從該區(qū)兩井時(shí)深對(duì)擬合曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，所有井的時(shí)深對(duì)曲線均呈平行關(guān)系，這也充分證明各井合成記錄標(biāo)定準(zhǔn)確。

圖4 JY1井、JY2井、JY3井合成地震記錄綜合標(biāo)定

2. 建立地質(zhì)模型

在井震標(biāo)定的基礎(chǔ)上，綜合測(cè)井曲線與精細(xì)構(gòu)造解釋結(jié)果，建立正確反映該區(qū)地質(zhì)沉積環(huán)境和構(gòu)造特征的初始地質(zhì)模型。首先根據(jù)地質(zhì)沉積規(guī)律，在構(gòu)造解釋的大層之間進(jìn)行三角內(nèi)插得到小層，從而建立包含小層頂?shù)捉缑嬖趦?nèi)的地層框架模型；然后在該框架模型的約束和地震資料橫向變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，利用快速克里金差值算法在小層內(nèi)對(duì)井阻抗曲線進(jìn)行內(nèi)插外推，并通過(guò)小層的厚度變化情況對(duì)波阻抗曲線進(jìn)行適當(dāng)修改，最后得到一個(gè)可靠的地質(zhì)模型（圖5）。

圖5 JY1-JY2-JY3井連井線二維地質(zhì)模型剖面

3. 阻抗反演

在反演過(guò)程中合成記錄與原始地震道存在的殘差以及反射系數(shù)的稀疏程度是控制反演結(jié)果好壞的兩個(gè)重要參數(shù)。其中合成記錄與原始地震道的相關(guān)程度取決于地震殘差的大小，而在低頻背景下波阻抗的變化通過(guò)反射系數(shù)的稀疏程度反映，這兩者又是相互矛盾的。實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)從而找到反演參數(shù)的最佳組合，本次工作中λ=35時(shí)，反演效果達(dá)到最佳，反演剖面如圖6所示。從剖面上可以看出波阻抗剖面與地震剖面的相似性很高，因此反演結(jié)果的可信度較高。從反演剖面和井的儲(chǔ)層特征對(duì)比結(jié)果可以看出，反演過(guò)程中質(zhì)控較好，反演的波阻抗數(shù)據(jù)已基本能夠反映底層的特征變化，任意選擇一條連井線，可以看出反演剖面分辨率較高，且反演結(jié)果與測(cè)井曲線吻合程度高達(dá)90%以上。此外，在研究區(qū)基于疊后阻抗反演預(yù)測(cè)出有機(jī)碳含量的平均分布情況（圖7），通過(guò)對(duì)研究區(qū)三口實(shí)測(cè)井進(jìn)行檢驗(yàn)，TOC含量較高，因此頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量地球物理預(yù)測(cè)為后期頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)及井位部署提供可靠依據(jù)。

圖6 JY1-JY2-JY3井連井線反演剖面

圖7 焦石壩區(qū)平均有機(jī)碳含量預(yù)測(cè)圖

六、結(jié)論

基于測(cè)井預(yù)測(cè)法及巖石物理分析，并通過(guò)地震波場(chǎng)模擬對(duì)頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量變化進(jìn)行模型正演并交匯分析，結(jié)果顯示有機(jī)碳含量與含氣量成正比，與地震反射振幅值、有效孔隙度及波阻抗均成反比。

疊后阻抗反演較好的預(yù)測(cè)了平均有機(jī)碳含量分布范圍，并通過(guò)研究區(qū)三口實(shí)測(cè)井進(jìn)行檢驗(yàn)，準(zhǔn)確度高達(dá)90%以上，因此頁(yè)巖氣有機(jī)碳含量地球物理預(yù)測(cè)為后期頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)及井位部署提供可靠依據(jù)。

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