四川焦石壩地區(qū)頁巖氣儲層巖石物理正演模擬及分析①

王闖 鄧馨卉 楊舵 遲喚昭 司淵龍 張程俊 陳雙益 王俊淇

1 長春工程學院，吉林 長春 130012

2 中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710299

隨著油氣資源需求量的日益增加，頁巖氣作為非常規(guī)油氣資源，針對頁巖氣儲層進行勘探與開發(fā)的要求不斷提高，地球物理技術(shù)在頁巖氣資源評價中的應(yīng)用至關(guān)重要。頁巖具有復(fù)雜的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)，宏觀上具有各向異性特征，增加了頁巖儲層含氣性描述的難度，因此前人對于頁巖儲層各向異性結(jié)構(gòu)描述和巖石物理模擬進行了大量的研究。Vernik和Landis[1]將富有機質(zhì)頁巖儲層描述為粘土礦物和干酪根的互層結(jié)構(gòu)，并建立了相應(yīng)的各向異性巖石物理模型。通過觀測頁巖儲層中有機質(zhì)及存在于有機質(zhì)中的有機孔隙的空間分布，Passey等[2]認為有機質(zhì)混合物（有機質(zhì)與有機孔隙）對儲層彈性參數(shù)有重要影響。

借助等效介質(zhì)理論，Carcione等[3]針對有機質(zhì)混合物對儲層各向異性的影響進行了定量計算。

Zhu等[4]通過引入總有機質(zhì)含量(TOC)對頁巖儲層的影響，研究其各向異性特征。針對干酪根含量不同的頁巖氣儲層，Sayers等[5-7]研究了干酪根含量對頁巖氣儲層各向異性特征的影響。劉財?shù)忍岢鯝VO反演算法對頁巖儲層的VTI（Vertical Transverse Isotropy）各向異性空間分布進行表征[8]。Guo等[9]和Deng等[10-13]針對頁巖氣儲層的VTI各向異性特征，引入有機質(zhì)混合物縱橫比，對頁巖氣儲層進行定量儲層特征描述。

本文針對龍馬溪組頁巖氣儲層微觀物性特征，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料分析及地震各向異性特征，引用Deng等[13]建立的VTI各向異性巖石物理模型，建立儲層物性參數(shù)與彈性參數(shù)之間的非線性定量關(guān)系，其在建模過程中，同時引入有機質(zhì)混合物縱橫比和有機質(zhì)孔隙度作為巖石物理模型參數(shù)。本文以該巖石物理模型為基礎(chǔ)，進行巖石物理正演模擬計算，得到儲層物性參數(shù)與彈性參數(shù)的交會圖。通過對巖石物理正演模擬結(jié)果進行分析，總結(jié)頁巖氣儲層的含氣性規(guī)律，針對頁巖氣儲層進行地質(zhì)評價，為頁巖氣儲層識別與勘探提供依據(jù)。

1 頁巖氣儲層地質(zhì)特征

研究區(qū)位于中國川東南涪陵焦石壩地區(qū)，該地區(qū)龍馬溪組頁巖具有有機質(zhì)含量高和成熟度高的特征，屬于富有機質(zhì)頁巖氣儲層，該地區(qū)具有背斜帶構(gòu)造，有利于油氣資源富集。

早奧陶世晚期-志留紀，四川盆地由于華夏與揚子地塊間的板塊匯聚作用，處于擠壓應(yīng)力環(huán)境，具有克拉通內(nèi)繼承性擠壓坳陷盆地性質(zhì)。早志留世龍馬溪組沉積期，在揚子克拉通上，構(gòu)造-古地理表現(xiàn)為形成古隆起的高峰階段，隆起邊緣主要發(fā)育濱岸-淺水陸棚、中陸棚和深水陸棚環(huán)境，巖性以灰黑色泥頁巖占絕對優(yōu)勢，局部夾粉細砂巖，厚度分布介于55～516m[14]。

圖1所示為龍馬溪組頁巖儲層的巖心鏡下掃描成像圖[15-16]。以圖1a為例，圖中深灰色部分表示有機質(zhì)混合物（由干酪根和有機質(zhì)孔隙及其流體組成），黑色部分表示有機質(zhì)孔隙及其流體，淺灰色部分表示礦物基質(zhì)。從該成像圖中可觀察到頁巖氣儲層所具有的特征：①圖1a中頁巖氣儲層具有層紋狀結(jié)構(gòu)，呈宏觀VTI各向異性特征，該層紋狀構(gòu)造特征對儲層含氣性具有重要的影響；②圖1b中灰色部分表示儲層礦物基質(zhì)，白色部分表示金屬礦物，黑色部分表示頁巖氣儲層中存在無機孔隙；③結(jié)合圖1a和圖1c，可以觀察到有機質(zhì)混合物分布于頁巖氣儲層的礦物基質(zhì)中，且有機質(zhì)混合物具有多種形態(tài)和連通性。通過掃描電鏡等方法針對龍馬溪組頁巖氣儲層的礦物成分測量結(jié)果，可知其中的礦物基質(zhì)分別為粘土、方解石、白云石和石英。因此，將地質(zhì)觀測數(shù)據(jù)與地球物理測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，將儲層物性特征作為龍馬溪組頁巖氣儲層進行巖石物理建模的依據(jù)，建立VTI各向異性巖石物理模型，構(gòu)建儲層物性參數(shù)和彈性參數(shù)之間的非線性定量關(guān)系，用于地質(zhì)評價及相關(guān)方法研究。

圖1 龍馬溪組頁巖儲層掃描電鏡圖像Fig.1 SEM of shale reservoir in Longmaxi formation

2 VTI各向異性巖石物理建模

各向異性的意義在于方向改變的同時，物質(zhì)的物理和化學及其他性質(zhì)也會隨著改變，每個方向展現(xiàn)的性質(zhì)不同。地質(zhì)體各向異性特征導致在地震勘探中不同方向的地震波傳播速度也不同。因此，各向異性巖石物理建模研究對頁巖氣儲層含氣性表征起到了重要作用。

根據(jù)四川焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層的地質(zhì)數(shù)據(jù)和地球物理數(shù)據(jù)，總結(jié)目標儲層微觀物性特征及規(guī)律：研究區(qū)目標儲層整體結(jié)構(gòu)成層狀分布，宏觀上具有VTI各向異性特征；目標頁巖氣儲層的礦物基質(zhì)中存在無機孔隙；目標儲層的礦物基質(zhì)中存在多種形態(tài)的有機質(zhì)混合物。Deng等[12]所建立的VTI各向異性巖石物理模型是針對礦物基質(zhì)所具有的宏觀VTI各向異性特征，以及有機質(zhì)混合物對儲層物性特征的影響所建立的巖石物理模型，與四川焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層的物性特征具有一致性，該模型在研究區(qū)具有適用性。由此，本文選取Deng等[12]所建立的VTI各向異性巖石物理模型對目標儲層進行模擬，模型通過引入有機質(zhì)孔隙度φk和有機質(zhì)混合物縱橫比αk參數(shù)，將巖石物理模型與儲層含氣性評價建立聯(lián)系。其中，有機質(zhì)孔隙度φk用于反映干酪根成熟度，成熟干酪根中一般具有較為發(fā)育的孔隙。有機質(zhì)混合物縱橫比用于反映有機質(zhì)混合物的形態(tài)和連通性，由αk定義，即短軸與長軸之比。

圖2所示為巖石物理模型建模示意圖，根據(jù)目標儲層的宏觀VTI各向異性特征，通過Backus平均理論構(gòu)建層狀結(jié)構(gòu)相關(guān)的VTI各向異性巖石基質(zhì)，礦物基質(zhì)中包括粘土、方解石、白云石和石英等礦物。為了向礦物基質(zhì)中引入隨機分布的無機干孔隙，需要應(yīng)用各向異性Krief理論來建立VTI干巖石骨架。接著，由于無機干孔隙中含有流體，可應(yīng)用Brown-Korringa理論向干孔隙中加入流體，以此構(gòu)建飽和VTI頁巖基質(zhì)。另外，在頁巖氣儲層中存在有機質(zhì)混合物，由有機質(zhì)和有機孔隙及流體組成，因此，在巖石物理建模過程中，可通過Kuster-Toks?z理論，將有機孔隙及流體與有機質(zhì)（干酪根）進行融合，形成有機質(zhì)混合物。為了將有機質(zhì)混合物和飽和VTI頁巖基質(zhì)合并來模擬頁巖氣儲層，需要應(yīng)用各向異性等效場理論將有機質(zhì)混合物引入飽和VTI頁巖基質(zhì)，最終構(gòu)建飽和VTI頁巖模型。

圖2 龍馬溪組頁巖氣儲層物理建模流程圖Fig.2 Flow chart of physical modeling of shale gas reservoir in Longmaxi formation

3 正演模擬及分析

建立巖石物理模型后，以巖石物理模型為基礎(chǔ)，通過儲層物性參數(shù)計算儲層彈性參數(shù)的過程稱作巖石物理正演模擬。通過巖石物理正演模擬，可以對模型的合理性進行檢驗，同時，通過對正演模擬結(jié)果進行解釋和分析，總結(jié)頁巖氣儲層儲層物性參數(shù)與彈性參數(shù)間規(guī)律，進行儲層含氣性地質(zhì)評價。結(jié)合龍馬溪組研究區(qū)目標層段頁巖測井數(shù)據(jù)，進行巖石物理正演模擬所用到的各礦物的組分含量如表1所示，礦物組分彈性特性參數(shù)如表2所示。

表1 目標儲層礦物組分及其含量[13]Table 1 Mineral composition and content of target reservoir

表2 目標儲層礦物特性[17]Table 2 Mineral characteristics of target reservoir

首先，通過巖石物理模型計算有機質(zhì)混合物縱橫比αk從1到0.1變化（即-logαk由0到1變化）時頁巖彈性各向異性的變化，由于頁巖孔隙度范圍為0.03～0.07，有機質(zhì)孔隙度范圍為0～0.06，其中選取頁巖孔隙度φ為0.06，有機質(zhì)孔隙度φk為0.02。巖石物理正演計算結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3為與介質(zhì)彈性特征有關(guān)的彈性剛度系數(shù)C11、C33、C44、C66隨有機質(zhì)混合物縱橫比αk的變化。圖4中的橫坐標表示有機質(zhì)混合物縱橫比αk由大到小，即形狀由球形到長軸在水平方向上的橢球形變化。從圖3中可以觀察到C33變化較明顯，說明有機質(zhì)混合物形態(tài)變得狹長時，垂直方向縱波速度將明顯降低，該結(jié)果與已有理論相一致，符合巖石物理模型檢驗標準，可用于進一步的研究。圖4為表征介質(zhì)各向異性特征的Thomsen各向異性參數(shù)，即縱波各向異性參數(shù)ε及橫波各向異性參數(shù)γ隨αk的變化?？梢杂^察到，隨著有機質(zhì)混合物沿水平方向變得狹長，頁巖的VTI各向異性程度逐漸增加，而且各向異性參數(shù)的數(shù)值逐漸接近。

圖3 C11、C33、C44、C66隨αk的變化Fig.3 Varying of C11, C33, C44, C66 with αk

圖4 各向異性參數(shù)隨αk的變化Fig.4 Varying of anisotropic parameter with αk

其次，通過巖石物理模型計算有機質(zhì)孔隙度φk從0到0.06變化時頁巖彈性各向異性的變化，其中選取頁巖孔隙度φ設(shè)為0.06，有機質(zhì)混合物縱橫比αk為0.2（有機質(zhì)混合物縱橫比范圍為0.1～1）。巖石物理正演計算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5為彈性剛度系數(shù)C11、C33、C44、C66隨有機質(zhì)孔隙度φk的變化。從圖5中可以觀察到彈性剛度系數(shù)隨有機質(zhì)孔隙度φk的變化不明顯，可能原因是有機質(zhì)孔隙度含量較小，對縱波速度和橫波速度的影響也較小。

圖5 C11、C33、C44、C66隨φk(%)的變化Fig.5 Varing of C11, C33, C44, C66 with φk

圖6為縱波各向異性參數(shù)ε及橫波各向異性參數(shù)γ隨機質(zhì)孔隙度φk的變化?？梢杂^察到，隨著有機質(zhì)孔隙度φk增大，頁巖的縱波各向異性參數(shù)ε逐漸增大，橫波各向異性參數(shù)γ逐漸減小。當有機質(zhì)孔隙度φk增大時，基質(zhì)中孔隙含量減少，二者的變化會影響基質(zhì)的固有各向異性以及有機質(zhì)混合物對頁巖整體各向異性的貢獻程度。因此，與φk變化有關(guān)的頁巖各向異性較為復(fù)雜。

圖6 各向異性參數(shù)隨φk(%)的變化Fig.6 Varying of anisotropic parameter with φk

通過以上分析，有機質(zhì)孔隙度對于頁巖氣儲層含氣性的表征效果優(yōu)于有機質(zhì)混合物縱橫比對其含氣性的表征，因此，本文針對頁巖氣儲層物性參數(shù)（孔隙度、有機質(zhì)孔隙度）與彈性參數(shù)（縱波速度、橫波速度）繪制三維交會圖，分析并總結(jié)含氣性與彈性參數(shù)的關(guān)系和變化規(guī)律。圖7是縱波速度Vp隨有機質(zhì)孔隙度φk和孔隙度φ的變化?？梢婋S著φk增大和φ的增大，Vp數(shù)值相應(yīng)減小，因此，φk和φ與Vp成反比關(guān)系。

圖7 Vp與φ、φk交會圖Fig.7 Crossplot of Vp with φ and φk

圖8是橫波速度Vs隨有機質(zhì)孔隙度φk和孔隙度φ的變化，可見隨著φk增大，Vs減小，而隨著φ的增大，Vs增大，因此有機質(zhì)孔隙度與橫波速度成反比，孔隙度與橫波速度成正比，這是橫波速度受到流體影響的原因。應(yīng)用有機質(zhì)孔隙度這一物性參數(shù)對頁巖氣儲層含氣性進行表征的結(jié)果表明，隨著頁巖氣儲層含氣性增加，縱波速度和橫波速度逐漸減小，具有反比關(guān)系，可為頁巖氣儲層識別提供依據(jù)。

圖8 Vs與φ、φk交會圖Fig.8 Crossplot of Vs with φ and φk

4 結(jié)論

本文結(jié)合地質(zhì)、地球物理數(shù)據(jù)，針對龍馬溪組頁巖氣儲層選取合適的巖石物理模型和正演模擬及分析，對儲層含氣性進行地質(zhì)評價。主要結(jié)論如下：

（1）基于巖石物理模型進行正演模擬，繪制儲層物性參數(shù)與彈性參數(shù)交會圖，分析表明，隨著有機質(zhì)混合物縱橫比減小，有機質(zhì)混合物形態(tài)區(qū)域狹長，在垂直方向上的縱波速度和橫波速度逐漸減小，各向異性逐漸增加。

（2）有機質(zhì)孔隙度反映有機孔隙發(fā)育情況，與成熟度和含氣性有關(guān)。通過對三維交會圖進行分析，對頁巖氣儲層含氣性進行地質(zhì)評價，結(jié)果表明，隨著頁巖氣儲層含氣性的增加，縱波速度和橫波速度逐漸減小。進一步研究包括巖石物理反演和對各物性參數(shù)進行綜合解釋，以提高頁巖氣儲層描述的有效性。