海相頁巖含氣量地震定量預(yù)測方法研究
——以川南長寧地區(qū)為例

馬 波 黃天俊 鄒定永 呂 龑 何昌龍

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2.頁巖氣評價與開采四川重點實驗室

頁巖含氣量是頁巖氣的富集體現(xiàn)，也是評價頁巖氣儲層最重要的參數(shù)之一。頁巖氣主要由吸附氣和游離氣組成，其大小影響因素較多，包括孔隙、裂縫、含氣飽和度、地層壓力、地層溫度、總有機(jī)碳含量等[1-3]。頁巖含氣量的地震定量預(yù)測方法較多，如通過疊前密度反演預(yù)測總有機(jī)碳，再通過總有機(jī)碳實現(xiàn)頁巖含氣量的定量預(yù)測[4]；或者通過疊前密度反演預(yù)測總有機(jī)碳，再利用速度反演來預(yù)測地層壓力系數(shù)，最后建立總有機(jī)碳、地層壓力系數(shù)與含氣量的關(guān)系來預(yù)測頁巖氣儲層的含氣量[5]。這些技術(shù)均先預(yù)測總有機(jī)碳再預(yù)測含氣量，預(yù)測精度有限。筆者提出了通過巖石物理實驗及敏感參數(shù)分析技術(shù)尋找與含氣量敏感的巖石物理參數(shù)來直接進(jìn)行頁巖氣儲層含氣量的定量預(yù)測，一定程度上提高了含氣量地震定量預(yù)測精度。

1 基本地質(zhì)特征

長寧地區(qū)奧陶系上統(tǒng)五峰組—志留系下統(tǒng)龍馬溪組一段頁巖氣層主要為外陸棚和內(nèi)陸棚沉積，外陸棚是優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層主要發(fā)育區(qū)。該區(qū)頁巖氣層總厚度介于70～90 m，測井解釋的總有機(jī)碳含量介于1.90%～ 7.13%，平均為2.50%；脆性礦物介于53.2%～ 62.3%，平均為57.5%；孔隙度分布在4.1%～7.9%之間，平均4.9%；總含氣量介于1.0～6.2 m3/t，平均達(dá)到了3.1 m3/t?？v向上優(yōu)質(zhì)的Ⅰ類頁巖氣層主要發(fā)育在五峰組—龍一1亞段，其總有機(jī)碳含量平均為3.4%，脆性礦物含量平均為59.7%，含氣量平均為6.2 m3/t；橫向上連續(xù)、穩(wěn)定。因此，五峰組—龍一1亞段頁巖氣層總體解釋為良好頁巖氣層。詳見表1。

表1 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層評價結(jié)果

2 巖石物理敏感參數(shù)分析

2.1 巖石物理實驗

利用地球物理方法對含氣量進(jìn)行預(yù)測，必須找到含氣量與地震參數(shù)之間的聯(lián)系，使地震信息轉(zhuǎn)化為地質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)。需要從巖石樣品分析上探索含氣量地震預(yù)測的可能性。

針對志留系龍馬溪組頁巖氣層的巖樣開展了系列的巖石物理實驗。選取X1井、X3井五峰組—龍一段的8塊巖樣，在常溫、模擬地層圍壓、縱、橫波測試頻率為250 kHz的條件下，進(jìn)行巖樣密度測試、巖樣縱、橫波速度測試及靜態(tài)泊松比等方面的實驗。

實驗結(jié)果表明，地層圍壓下頁巖試樣的密度分布介于2.38～ 2.57 g/cm3；縱波速度分布范圍為3 669～ 4 454 m/s，橫波波速分布范圍為2 190～2 762 m/s；靜態(tài)泊松比分布范圍為0.19～0.25。實驗室測定巖心總含氣量分布介于0.28～3.83 m3/t。詳見表2。

將測得的巖石物理數(shù)據(jù)在深度上進(jìn)行歸位，與巖心總含氣量進(jìn)行交會分析。結(jié)果表明，頁巖氣層總含氣量與縱波速度、橫波速度相關(guān)性較差，而與泊松比相關(guān)性較好，呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖1）。因此，利用上述關(guān)系可以指導(dǎo)頁巖氣層總含氣量的預(yù)測，進(jìn)而也證實了含氣量地震定量預(yù)測的可能性。

2.2 敏感參數(shù)分析

利用工區(qū)內(nèi)經(jīng)巖石物理實驗成果標(biāo)定的多口測井資料進(jìn)行頁巖氣總含氣量巖石物理參數(shù)交匯分析。在相近的總含氣量情況下縱波阻抗的范圍變化較大，如總含氣量介于7～8 m3/t時，縱波阻抗在8 300～11 100 （g/cm3）·（m/s）變化，其相關(guān)關(guān)系不明顯，與巖石物理實驗的結(jié)果一致。分析原因，主要是頁巖氣層總含氣量是由吸附氣和游離氣組成，吸附氣主要受總有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)成熟度、地層壓力、地層溫度的影響[6]；而游離氣與有效孔隙度和含氣飽和度有關(guān)[7-9]。通?？v波阻抗對孔隙度和含氣飽和度較為敏感，長寧地區(qū)低孔頁巖氣氣層的縱波阻抗與游離氣量有一定的關(guān)系，但對總含氣量不敏感。同樣橫波阻抗也對總含氣量不敏感。分析認(rèn)為總含氣量與泊松比的相關(guān)性明顯優(yōu)于其與縱波阻抗和橫波阻抗的相關(guān)性（圖2），總體上，隨著泊松比的減小，總含氣量具明顯增大的趨勢，當(dāng)泊松比介于0.22～0.34時，隨著泊松比的減小總含氣量增長緩慢；當(dāng)泊松比小于0.22時，隨著泊松比的減小總含氣量增長較快，具明顯的非線性關(guān)系。運用非線性回歸得到最優(yōu)總含氣量計算模型，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83，其模型計算公式如下：

式中Tgas為總含氣量m3/t，σ為泊松比，無量綱。

表2 長寧地區(qū)龍一段—五峰組巖石物理參數(shù)測試統(tǒng)計表

圖1 X1井、X2井實驗縱波速度、橫波速度、泊松比與巖心總含氣量交會圖

圖2 縱波阻抗、橫波阻抗、泊松比與總含氣量分析圖

2.3 敏感參數(shù)的地球物理反演

巖石物理分析證明可以利用地震彈性參數(shù)預(yù)測含氣量。而地震彈性參數(shù)的獲得，常通過地震反演來實現(xiàn)[10]。

縱波速度（或縱波阻抗）和橫波速度（或橫波阻抗）是獲得泊松比的重要參數(shù)，通常采用精度較高的地震疊前同時反演技術(shù)來實現(xiàn)。疊前同時反演能夠同時反演得到縱、橫波速度、密度參數(shù)，由此可以計算出泊松比、楊氏模量等巖石彈性參數(shù)。疊前同時反演不僅獲得了反射界面的信息，還獲得了反映層間巖石內(nèi)部的信息。

疊前同時反演采用Zoeppritz方程（公式2），該方程明確了不同介質(zhì)中地震縱波速度、橫波速度、密度、入射角度與反射界面各種轉(zhuǎn)換波反射系數(shù)之間的關(guān)系，理論上利用該方程可得到各介質(zhì)的彈性參數(shù)精確解。但由于該方程過于復(fù)雜，并且實際地震資料的采集、處理方式不能達(dá)到理想假設(shè)，因此通常可以使用該方程的近似方程來求解彈性參數(shù)[11-12]。

式中θ1表示縱波（P波）入射角，θ2表示橫波（SV波）反射角，φ1表示P波透射角，φ2表示SV波透射角；vP1、vS1、ρ1分別表示介質(zhì)1的P波速度、SV波速度、密度；vP2、vS2、ρ2分別表示介質(zhì)2的P波速度、SV波速度和密度；RPP、RPS、TPP、TPS分別表示P波入射時的P波反射系數(shù)、SV波反射系數(shù)、P波透射系數(shù)、SV波透射系數(shù)。

對該區(qū)三維疊前CRP道集數(shù)據(jù)（圖3）進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，奧陶系五峰組底界有效入射角在40°左右；入射角小于5°時，干擾波嚴(yán)重，信噪比較低，因而最終確定三維區(qū)道集部分疊加入射角范圍為5°～ 40°。選取了 5°～ 12°、10°～ 17°、15°～22°、20°～27°、25°～32°的部分角道集疊加來開展疊前同時反演。分別在5個角度疊加數(shù)據(jù)體中提取子波進(jìn)行合成地震記錄制作，制作的合成地震記錄部分疊加數(shù)據(jù)體與全疊加數(shù)據(jù)體的標(biāo)定匹配程度較好，目標(biāo)位置波形相關(guān)系數(shù)高。而提取的5個子波的振幅譜、頻率譜、相位譜均很穩(wěn)定，在地震資料有效頻帶5～55 Hz范圍內(nèi)相位趨于零相位，疊前AVO反演的結(jié)果可更加穩(wěn)定收斂。

在可靠的井震標(biāo)定、穩(wěn)定的子波基礎(chǔ)上采用疊前同時反演獲得了縱、橫波阻抗數(shù)據(jù)體。在縱波阻抗剖面上志留系龍馬溪組表現(xiàn)上部龍二段縱波阻抗明顯要高于龍一段，而代表最優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的低縱波阻抗主要發(fā)育在龍一1亞段（圖4）；同樣反演的橫波阻抗剖面表現(xiàn)特征與縱波阻抗剖面相同（圖5）。總體上反演結(jié)果與測井資料吻合程度較好，反演精度較高。

利用縱橫波速度計算泊松比可由公式3表示：

圖3 角度域CRP道集圖

式中σ表示泊松比，無量綱；vp表示縱波速度，m/s；vs表示橫波速度，m/s。在高精度疊前同時反演基礎(chǔ)上，可得到泊松比反演結(jié)果（圖6）。

3 含氣量預(yù)測及效果分析

利用公式1進(jìn)行泊松比反演，可計算得出目的層總含氣量。由總含氣量反演剖面（圖7）可知，長寧地區(qū)龍馬溪組—五峰組總含氣量預(yù)測成果與測井解釋含氣量對應(yīng)較好，總含氣量總體較高；底部的龍一1亞段—五峰組總含氣量較高，普遍在3 m3/t以上，橫向表現(xiàn)較為穩(wěn)定，在X1井區(qū)含氣量最大。因此，龍一段—五峰組為勘探開發(fā)有利層段，同時在剖面上高含氣量的分布是水平井井軌跡設(shè)計的重要依據(jù)之一。

圖4 長寧地區(qū)三維地震過井線縱波阻抗反演剖面圖

圖5 長寧地區(qū)三維地震過井線橫波阻抗反演剖面圖

圖6 長寧地區(qū)三維地震過井線泊松比反演剖面圖

圖7 長寧地區(qū)三維地震過井線總含氣量反演剖面圖

圖8 長寧地區(qū)三維地震預(yù)測五峰組—龍一段平均總含氣量分布圖

表3 長寧地區(qū)三維地震預(yù)測總含氣量與測井解釋總含氣量對比表

對有利層段五峰組—龍一1亞段進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到長寧地區(qū)五峰組—龍一1亞段平均總含氣量分布圖（圖8）。長寧三維區(qū)內(nèi)五峰組—龍一1亞段總含氣量平均值普遍在4 m3/t以上，含氣性好；而含氣量5 m3/t及以上主要分布在工區(qū)中部X1井區(qū)。工區(qū)西部邊緣及東南部存在總含氣量在3 m3/t以下的呈條帶狀的相對低值分布區(qū)，在其周邊均存在較大斷裂，這些斷裂對頁巖氣層的保存條件有一定的影響，使該區(qū)域的總含氣量降低。與測井解釋成果進(jìn)行對比（表3），直井測井解釋與預(yù)測的絕對誤差介于－0.1～0.2 m3/t，相對誤差≤5.1%，地震預(yù)測精度較高。將后期完鉆的3個平臺6口水平井水平段的平均含氣量與地震預(yù)測成果進(jìn)行對比驗證，發(fā)現(xiàn)水平井均部署在預(yù)測高含氣量區(qū)（X1井區(qū)），其平均含氣量大于5 m3/t。在X1井區(qū)的H1-1、H1-2以及X1井區(qū)西的H2-1、H2-2水平井，其測井解釋的含氣量在3.9～5.6 m3/t，與預(yù)測的絕對誤差介于－0.2～0.4 m3/t，相對誤差≤6.0%，與直井的測試結(jié)果相當(dāng)。

4 結(jié)論

1）頁巖巖石物理實驗表明泊松比是頁巖含氣量敏感巖石物理參數(shù)，為頁巖含氣量的預(yù)測提供了依據(jù)。

2）通過經(jīng)巖心刻度后的測井資料建立了含氣量預(yù)測計算模型，利用疊前同時反演技術(shù)預(yù)測頁巖含氣量具有較高精度。

3）長寧地區(qū)三維地震區(qū)內(nèi)五峰組—龍一1亞段總含氣量平均值普遍在4 m3/t以上，含氣性好；而含氣量5 m3/t及以上主要分布在工區(qū)中部，后經(jīng)水平井驗證，其地震預(yù)測的頁巖氣含氣量精度較高。可利用此結(jié)果指導(dǎo)對開發(fā)核心建產(chǎn)區(qū)及水平井的優(yōu)選部署。

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