我國陸相頁巖油勘探開發(fā)物探技術(shù)需求及對策分析

趙殿棟

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京102206)

頁巖油氣勘探開發(fā)的迅猛發(fā)展,是世界油氣工業(yè)界具有重大影響的事件。頁巖油氣革命重塑了世界油氣工業(yè)版圖并影響能源企業(yè)的戰(zhàn)略版圖[1-4]。美國頁巖油勘探開發(fā)起步早,近年來一直引領(lǐng)世界頁巖油勘探開發(fā)的技術(shù)發(fā)展趨勢,并取得了巨大成功。據(jù)2019年EIA的統(tǒng)計數(shù)據(jù),美國的頁巖油資源量達到205×108t,2019年的頁巖油產(chǎn)量達到日產(chǎn)829×104桶的峰值,借助頁巖油產(chǎn)量的迅速增長,美國成功擺脫石油依賴進口的局面。近年來,借鑒美國頁巖油氣開發(fā)的成功經(jīng)驗,我國油氣工業(yè)也進行了頁巖油氣勘探開發(fā)的艱難探索,頁巖氣領(lǐng)域率先取得突破,并建成以涪陵頁巖氣田為代表的一批具有商業(yè)價值的頁巖氣田,與此同時,頁巖油領(lǐng)域也取得了一些突破。通過選區(qū)評價和預(yù)探,在各大盆地皆有不同程度的頁巖油發(fā)現(xiàn),如松遼盆地北部的古龍凹陷白堊系下部青山口組一、二段深湖相頁巖中獲得了大于30t的單井日產(chǎn)量,古龍凹陷YP1井日產(chǎn)油35.3m3,日產(chǎn)氣11992m3,油嘴6.3mm,套壓8.3MPa;大港油田官東1701H井最高產(chǎn)油量達到66.8t/d;勝利油田在濟陽坳陷已有35口井的初產(chǎn)達到“工業(yè)油流”標準,有5口井累產(chǎn)油量超過萬噸;在鄂南,以長7段為目的層建成了頁巖油開發(fā)示范區(qū),慶城、新安邊油田探明儲量分別達到3.58×108t和1.00×108t;準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組也獲得多處發(fā)現(xiàn)。根據(jù)“十三五”資源評價結(jié)果,我國陸相頁巖油資源豐富(約290×108t),分布領(lǐng)域廣,類型多樣,主要包括鄂爾多斯盆地三疊系延長組、準噶爾盆地二疊系、渤海灣盆地沙河街組—孔店組、三塘湖盆地二疊系、松遼盆地白堊系、四川盆地侏羅系、江漢盆地古近系、柴達木盆地古近系、吐哈盆地侏羅系等,是今后油氣勘探開發(fā)增儲上產(chǎn)的主要領(lǐng)域,從目前頁巖油勘探開發(fā)的態(tài)勢預(yù)測,在可預(yù)見的將來,頁巖油勘探開發(fā)將迎來實質(zhì)性的、更大規(guī)模的突破和發(fā)展。

在頁巖油氣勘探開發(fā)中,石油工程技術(shù)發(fā)揮著不可替代的作用,其中水平井鉆井技術(shù)以及分段壓裂技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,而物探技術(shù)則或多或少的被輕視或未能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。究其原因,是由于人們對頁巖油氣地質(zhì)特征認識上的偏差造成的。頁巖油勘探開發(fā)的初始時期,人們普遍認為頁巖油藏均質(zhì)性強,層系厚度大,橫向分布范圍大而穩(wěn)定,不需要過多的物探工作。近年來,石油勘探開發(fā)人員逐漸認識到中國陸相頁巖油具有類型多樣、成因復(fù)雜、成藏機理復(fù)雜等特點。陸相頁巖油層系具有較之海相頁巖層系更強的非均質(zhì)性,“甜點”預(yù)測的需求更為迫切,對物探技術(shù)的要求也更高。從“甜點”預(yù)測的角度看,人們對頁巖氣和致密砂巖儲層“甜點”的研究較多,也較為成熟[5-10];而當前陸相頁巖油“甜點”預(yù)測技術(shù)仍不成熟。曲壽利等[11]在勝利油田羅家地區(qū)泥頁巖層段進行了全方位P波屬性裂縫檢測方法的研究和應(yīng)用;劉喜武等[12-13]在這方面進行了有益的嘗試,討論了水平縫、垂直裂縫以及地應(yīng)力的預(yù)測方法;潘仁芳等[14]對濟陽坳陷渤南洼陷古近系頁巖油“甜點”地震預(yù)測進行了探索,對孔隙度、地層壓力、脆性等“甜點”要素的預(yù)測方法進行了研究;陳樹民等[15]對松遼盆地古龍頁巖油地震“甜點”預(yù)測技術(shù)進行了探討,分析了古龍頁巖油的巖石物理特征并探討了其地震響應(yīng)特征;柳忠泉等[16]對吉木薩爾頁巖油“甜點”預(yù)測方法進行了研究,利用波形指示反演的方法提高對頁巖“甜點”段的分辨率;鄧儒炳等[17]對頁巖油藏“甜點”地震響應(yīng)特征的不確定性進行了分析?？傮w而言,物探技術(shù)在頁巖油勘探開發(fā)中顯現(xiàn)度不高。筆者從多年工作的經(jīng)驗以及對中國陸相頁巖油的地質(zhì)特征的粗淺認識出發(fā),對中國陸相頁巖油勘探開發(fā)中面臨的挑戰(zhàn)以及技術(shù)對策和發(fā)展方向進行了思考,以期引發(fā)關(guān)于這個領(lǐng)域更為深入廣泛的討論和思考。

1 面臨的挑戰(zhàn)

1.1 地質(zhì)特征及物探技術(shù)需求

根據(jù)焦方正等[18]、付金華等[19-20]和付鎖堂等[21]的劃分方法,中國陸相頁巖油可劃分為3類:夾層型、混積型與頁巖型(表1)。夾層型是指頁巖層系整體含油,層系內(nèi)有一層或多層薄砂層或其它儲集巖分布,與頁巖互層。在這種地層結(jié)構(gòu)中,頁巖層整體含油,儲集層物性較好,與源巖直接接觸,成為有利的頁巖“甜點”段。鄂爾多斯盆地的長7段與三塘湖盆地的馬郎凹陷條湖組[22-23]即為這種類型頁巖油的代表,在中石化探區(qū)內(nèi)的泌陽凹陷核桃園組以及潛江凹陷潛江組鹽間頁巖油可歸為此類。這類頁巖油勘探開發(fā)中對于石油物探而言,重點是確定“甜點”段空間展布,并實現(xiàn)對“甜點”段物性的預(yù)測?；旆e型頁巖油是指受氣候韻律和水動力條件變化、不同物源混積、有機質(zhì)絮凝等多因素形成的紋層狀混積頁巖層系整體含油的油藏,這種頁巖油層的特點是頁巖層系整體含油,巖石礦物組分復(fù)雜,巖性復(fù)雜,有利巖性段內(nèi)形成有利儲集體,頁巖油在有利巖性段內(nèi)富集形成“甜點”。準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組[24-25]、渤海灣盆地滄東凹陷孔二段[26]等頁巖油為此種類型?；旆e型頁巖油勘探開發(fā)中物探的重點和難點是實現(xiàn)可靠的巖性、巖相預(yù)測。頁巖型是指純頁巖段具有一定的滲流能力,既是生油層也是含油儲集層,如松遼盆地青山口組紋層型、頁理型頁巖[27-28]。這類油藏的特點是“甜點”段物性較好,紋層、頁理發(fā)育。

表1 陸相頁巖油“甜點”類型及地質(zhì)特征[18-21]

頁巖油勘探開發(fā)對石油物探既有一些共性和普遍性的技術(shù)需求,也有一些探區(qū)特有或油藏類型特有的技術(shù)需求[29-30]。整體而言,頁巖層系具有分布范圍廣,較為穩(wěn)定的特點,因此,物探工作的首要任務(wù)是查明頁巖層系的空間分布,確定目的層的構(gòu)造地層特征。在東部以及地表地質(zhì)條件較為簡單的地區(qū),這一任務(wù)較易實現(xiàn),而在中西部地表復(fù)雜的探區(qū)實現(xiàn)這一基本任務(wù)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。而且,頁巖油開發(fā)以長水平井段開發(fā)為特點,合理、精確設(shè)計井軌跡對高效開發(fā)至關(guān)重要,這對利用物探手段獲取構(gòu)造地層要素提出了更高的精度要求。這些地質(zhì)任務(wù)要求物探在資料采集、處理和解釋等環(huán)節(jié)必須有嚴格的質(zhì)量控制和更為全面、系統(tǒng)的流程設(shè)計和管理。

頁巖層系具有明顯的各向異性特征。紋層、頁理的發(fā)育使頁巖層系整體上表現(xiàn)為VTI介質(zhì)特征,在構(gòu)造應(yīng)力的作用下,局部“甜點”部位發(fā)育高角度縫,使介質(zhì)表現(xiàn)出正交各向異性特征。利用地震資料獲取各向異性參數(shù)對于認識頁巖紋層、層理發(fā)育情況、裂縫發(fā)育狀況非常重要。因此要求在地震資料采集前要充分考慮獲取各向異性參數(shù)的技術(shù)需求。

不同于常規(guī)油藏地球物理工作,頁巖油“甜點”預(yù)測涉及到對頁巖層系的總有機碳含量(TOC)、孔隙度、孔隙地層壓力以及應(yīng)力的預(yù)測,完成這些預(yù)測工作需要利用疊前反演技術(shù)對頁巖層系的彈性參數(shù)進行預(yù)測[31-34],這就要求地震資料具有較高的信噪比和豐富的大角度反射信息。

具體到不同類型的頁巖油目標,物探技術(shù)需求重點也會有一些不同之處。夾層型頁巖油目標一般具有夾層厚度薄,與頁巖互層的特點,對于有利“甜點”段空間分布的準確預(yù)測是物探面臨的主要問題。在準確預(yù)測“甜點”段空間展布的基礎(chǔ)上,還需要對“甜點”段的物性及含油氣性進行預(yù)測,這是較之常規(guī)油藏地球物理描述難度更大的一個技術(shù)問題?；旆e型頁巖目標具有巖性、巖相復(fù)雜的特點,在地質(zhì)研究確定有利巖相的基礎(chǔ)上,需要進一步明確有利巖相的巖石物理特征,進而實現(xiàn)對有利巖相的預(yù)測。頁巖型目標的紋層、頁理發(fā)育,紋層、頁理既是原油的有效儲集空間也是原油滲流的有利通道,其對物探技術(shù)的主要需求是如何實現(xiàn)對頁巖紋層、頁理發(fā)育程度的有效預(yù)測和表征。

1.2 物探技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

超長水平井段和井工廠模式?jīng)Q定了頁巖油相關(guān)物探工作的首要任務(wù)是準確查明頁巖層系的構(gòu)造地層分布狀況。在地表復(fù)雜探區(qū)(如鄂南黃土塬探區(qū)等),完成此任務(wù)面臨著地震采集、處理、解釋等環(huán)節(jié)的一系列挑戰(zhàn)。復(fù)雜地表地震資料采集環(huán)境下,各類干擾比較嚴重,資料信噪比較低。室內(nèi)初至拾取、靜校正、地表一致性校正等處理環(huán)節(jié)的輸出結(jié)果可能不甚理想,近地表速度模型精度不高,這些因素都會給成像質(zhì)量造成影響,并對后續(xù)精細構(gòu)造解釋帶來困難。因此,地表復(fù)雜探區(qū)高精度地震成像和高精度構(gòu)造地層解釋是頁巖油物探工作面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

對于夾層型頁巖油藏,物探面臨的直接挑戰(zhàn)是如何對頁巖的薄“甜點”夾層進行精細描述。陸相夾層型頁巖油藏的沉積特點決定了夾層厚度小(1～5m),橫向變化較快。地震資料的分辨率一般很難滿足直接分辨這些薄夾層的要求,對薄夾層的空間展布及其物性的精細描述也是物探工作必須直面的挑戰(zhàn)?；旆e型頁巖油藏物探工作的最大挑戰(zhàn)是復(fù)雜巖性和巖相的識別與描述。混積巖的地質(zhì)特點決定了其礦物組分復(fù)雜、巖性多樣、巖相復(fù)雜,由此導(dǎo)致不同巖性、巖相的彈性參數(shù)特征不明晰,難以確定有效區(qū)分不同巖相的彈性參數(shù),因此,常規(guī)解釋和反演方法難以實現(xiàn)對此類頁巖油藏有利巖相的精確描述。純頁巖型油藏物探工作面臨的主要挑戰(zhàn)是如何預(yù)測頁理、紋層及裂縫的發(fā)育狀況。金之鈞等[35]指出,頁巖油藏的水平滲透率通常是垂直滲透率的數(shù)十倍到幾百倍,因而紋理、頁理發(fā)育是頁巖油高產(chǎn)的主要地質(zhì)控制因素。如何對頁巖層系的頁理及層理發(fā)育狀況進行預(yù)測尚無成熟有效的方法,也是當前頁巖油勘探開發(fā)所亟待解決的物探技術(shù)難題。

頁巖油勘探開發(fā)還面臨地質(zhì)-工程復(fù)合型“甜點”預(yù)測技術(shù)挑戰(zhàn)。地質(zhì)“甜點”預(yù)測通常包括TOC、孔隙度以及裂縫等地質(zhì)參數(shù)的預(yù)測。其中,TOC預(yù)測是頁巖油藏特有的問題。有機質(zhì)含量對地震反射特征的影響、TOC與彈性參數(shù)的定量關(guān)系需要通過深入細致的地震巖石物理研究進行厘清。工程“甜點”預(yù)測通常包括孔隙地層壓力、地應(yīng)力、地層可壓性預(yù)測。頁巖層系滲透性差,頁巖油的產(chǎn)量往往與孔隙地層壓力密切相關(guān)。另外,地應(yīng)力與地層可壓性決定水平井軌跡方位、地層壓裂設(shè)計和現(xiàn)場儲層改造的效果,因此孔隙地層壓力、地應(yīng)力、可壓性的預(yù)測是頁巖油工程“甜點”預(yù)測的重要內(nèi)容。從目前的技術(shù)手段來看,相關(guān)物探工作都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。首先,盡管孔隙地層壓力預(yù)測方法眾多[36-39],但是都存在一定的局限性。頁巖油井地層壓力的測試難度大,測試樣點少,測井評價有一定困難,可能會造成地層壓力與巖石彈性參數(shù)之間的關(guān)系無法厘清,增加了地震預(yù)測的難度。另外,中國陸相頁巖油存在于經(jīng)歷多期構(gòu)造運動的盆地之中(如四川盆地及周緣、鄂爾多斯盆地等),由于地層經(jīng)歷多次埋深、抬升過程,地層正常壓實趨勢的建立存在困難,也限制了孔隙地層壓力預(yù)測工作。地應(yīng)力預(yù)測往往與孔隙地層壓力預(yù)測緊密相連,孔隙地層壓力預(yù)測中面臨的問題在地應(yīng)力預(yù)測中都難以回避,并且地應(yīng)力預(yù)測過程更為復(fù)雜,需要綜合多學(xué)科信息才能完成。工程“甜點”預(yù)測的另一個重要方面是可壓性預(yù)測。針對地層可壓性預(yù)測開展的物探工作主要是脆性指數(shù)預(yù)測,而脆性指數(shù)主要利用彈性參數(shù)計算得到,這種預(yù)測與真正意義上的可壓性預(yù)測仍有較大差距。因此,可壓性預(yù)測仍是地球物理面臨的巨大挑戰(zhàn)。

頁巖油物探工作面臨的另一個挑戰(zhàn)是壓裂效果的地震監(jiān)測。壓裂改造體積規(guī)模、壓裂效果評估等問題,都需要利用微地震監(jiān)測技術(shù)手段予以回答[40-43]。目前,微地震監(jiān)測技術(shù)仍在不斷豐富完善之中。井中微地震監(jiān)測技術(shù)較為成熟,但是應(yīng)用條件比較苛刻,成本較高;而地表微地震監(jiān)測技術(shù)仍面臨微震信號弱、噪聲強、到時自動拾取困難等問題。

2 實踐中的物探技術(shù)對策

在充分理解陸相頁巖油地質(zhì)特征并充分認知物探技術(shù)面臨挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上,在實踐中采取針對性的技術(shù)對策,才能解決陸相頁巖油勘探開發(fā)中的物探技術(shù)難題。茲從我國頁巖油勘探開發(fā)已有實踐出發(fā),對地震資料采集與成像、夾層型頁巖油薄層預(yù)測、混積型頁巖油復(fù)雜巖性及巖相識別、純頁巖型頁巖油目標的頁理縫分布預(yù)測、地質(zhì)-工程復(fù)合型“甜點”地球物理評價4個方面較為成功的一些技術(shù)對策進行介紹。

2.1 地震資料采集與成像處理

在頁巖油探區(qū)地震資料采集與成像處理方面,一些頁巖油探區(qū)近年來推廣采用“寬頻、寬方位、高密度”(兩寬一高)的地震采集技術(shù)和一系列針對性的處理技術(shù),為頁巖油構(gòu)造落實和“甜點”預(yù)測奠定了較好的資料基礎(chǔ)。

以渤海灣盆地濟陽坳陷東營凹陷牛莊洼陷為例,頁巖油地質(zhì)目標描述要求地震資料要有盡可能高的分辨率,頁理、紋層以及裂縫的預(yù)測需要有寬方位的地震信息,高精度成像和高精度構(gòu)造解釋需要有高密度的地震資料作為基礎(chǔ)。在“兩寬一高”的基礎(chǔ)上,地震資料采集還要結(jié)合“甜點”預(yù)測的技術(shù)需求,適當加大炮檢距,豐富遠炮檢距地震信息,這是彈性參數(shù)高精度反演的要求。為滿足這些地質(zhì)需求,2019年在牛莊洼陷進行了新的地震資料采集,采集的資料整體頻帶較寬,目的層沙三段優(yōu)勢頻帶4～80Hz,寬方位,炮道密度166.4×104道/km2,最大炮檢距5198.83m。

在地震資料處理的相關(guān)環(huán)節(jié),地表復(fù)雜探區(qū)地震資料處理要特別注意做好靜校正以及速度建模,尤其是表層速度建模,以獲取可靠的空變速度場。同時還要應(yīng)用各向異性處理技術(shù),重視頁巖層系速度各向異性問題,在實踐中大力推廣使用OVT處理技術(shù),為裂縫預(yù)測工作提供可用的道集資料。豐富的遠角反射信息是高精度疊前反演的基礎(chǔ),在處理中要特別注意保留遠道信息。在牛莊洼陷新采集資料的處理中,考慮以上因素,采用了一些針對性的處理技術(shù)(圖1)。在保持地震資料信噪比的前提下,疊前反Q補償技術(shù)可顯著提高目的層資料的分辨率;對稱片梯形置換規(guī)則化處理技術(shù)可以消除炮檢點變觀造成的數(shù)據(jù)缺失與不規(guī)則問題,改善面元細分觀測系統(tǒng)橫向覆蓋次數(shù)的一致性,數(shù)據(jù)規(guī)則化處理后,空道大幅減少,單個OVT片內(nèi)數(shù)據(jù)更均勻,有效信息更豐富,資料信噪比也得到提升(圖2);針對頁巖油目的層開展精細速度分析,橫向上加密速度分析點,可以提高橫向速度分析精度;在OVT偏移處理之后,目的層段螺旋道集(OVG)特征會得到凸顯;為了改善OVG道集的同向性,可以采用非剛性匹配技術(shù)進行方位各向異性校正;針對偏移后OVG道集上的多次波干擾,采用高精度拉冬(Radon)變換多次波壓制技術(shù),可以顯著減弱多次波的影響;針對偏移后OVG道集上的隨機噪聲,可以進一步采用四維去噪技術(shù)提高道集信噪比、改善保幅性。從最終處理成果剖面看,新處理資料較老資料目的層分辨率得到提高,層間信息更加豐富(圖3)。

圖1 頁巖油地質(zhì)-工程“甜點”預(yù)測針對性處理技術(shù)

圖2 OVT域數(shù)據(jù)規(guī)則化處理前(a)、后(b)疊加剖面

圖3 頁巖油目標處理前(a)、后(b)地震剖面

2.2 夾層型頁巖油薄層預(yù)測

鄂南長7段頁巖油是前述夾層型頁巖油的典型例子。從巖性組合、砂體厚度等因素考慮,可以大致劃分為3種類型[23],如表2所示。3種類型之中,Ⅱ、Ⅲ類雖有少量井獲工業(yè)油流,但是產(chǎn)量遞減快,很難實現(xiàn)有效開發(fā)。其中,Ⅱ類面臨的最大問題是薄層預(yù)測問題,此類頁巖油也是夾層型頁巖油經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)有望取得突破、且潛力較大的一種亞類型?；诖朔N情況,中石油長慶油田近年在城80區(qū)塊進行了技術(shù)攻關(guān),依據(jù)攻關(guān)成果部署了城頁1井、城頁2井,取得了明顯的勘探成效。

表2 鄂爾多斯盆地長 7 段頁巖油類型劃分及特征對比[23]

此類“夾層型”頁巖油目標的勘探需求推動了地震采集、處理、解釋技術(shù)進步。近年來通過物探技術(shù)攻關(guān),發(fā)展了井炮和可控震源混采的黃土塬三維地震勘探技術(shù),覆蓋次數(shù)可達320次,獲得了品質(zhì)較高的地震資料。在地震資料處理方面,形成了一系列高保真、高精度的地震成像技術(shù),地震剖面主頻達到35Hz左右,頻寬在6～70Hz,鉆井合成記錄匹配度87%左右。在地震資料解釋方面,測井約束巖石物理建模、廣義S變換時頻分析、稀疏層反演、波形指示反演、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多屬性融合等技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用取得了實際成效。這些技術(shù)為描述微幅構(gòu)造、精細刻畫砂體、指導(dǎo)水平井軌跡設(shè)計發(fā)揮了卓有成效的物探技術(shù)支撐作用。其中廣義S變換時頻分析技術(shù)凸顯了薄層粉細砂巖的地震響應(yīng)特征,薄層砂體識別精度可以達到8m。隴東地區(qū)一些井的鉆探實例證明了地震勘探技術(shù)進步在“夾層型”頁巖油目標勘探中所起的重要作用(圖4)。

圖4 時頻分析結(jié)果指導(dǎo)鉆井軌跡設(shè)計[23]

2.3 混積型頁巖油復(fù)雜巖性及巖相識別

混積型頁巖油層系巖性一般較為復(fù)雜,對此類頁巖油目標進行勘探開發(fā),復(fù)雜巖性、巖相識別和預(yù)測非常重要。準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組是此類頁巖油目標的典型例子。在該凹陷,蘆草溝組為粒度較細的咸化湖盆沉積,厚度為100～350m,不同巖性互層頻繁,混積巖類發(fā)育,儲層有粉砂巖、砂質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)砂巖、白云質(zhì)泥巖等多種巖性類型。此類頁巖油“甜點”相對于圍巖而言,具有自然伽馬中高值、深側(cè)向電阻率明顯升高的特征,從彈性參數(shù)特征來看,此種類型頁巖油“甜點”具有較低阻抗背景下的中高阻抗特征,反映剛性沉積顆粒相對較為發(fā)育。此類頁巖油目標具有一定的厚度,但是巖性、巖相的預(yù)測準確度非常關(guān)鍵。

從圖5也可以看出,巖性、巖相預(yù)測的重要性和面臨的困難。在圖5中,油層樣點相對于非油層樣點盡管縱波阻抗偏高,但是值域重疊非常嚴重,縱波阻抗很難對與油層樣點相關(guān)的巖性、巖相進行有效區(qū)分。同時孔隙度和縱波阻抗的相關(guān)性非常差,進一步說明了縱波阻抗很難對控制物性好壞的巖性、巖相進行有效區(qū)分。在這種情況下,巖性、巖相的識別就不能僅僅局限于由疊后波阻抗反演得到的聲阻抗。此類目標的巖性、巖相識別應(yīng)該從巖石物理模型構(gòu)建入手,構(gòu)建包含多個巖石物理參數(shù)(如縱橫波波阻抗、縱橫波波速比、泊松比、泊松阻抗等)的巖石物理量版,從交會統(tǒng)計分析中尋找對不同巖性、巖相具有明顯區(qū)分度的巖石物理參數(shù)或參數(shù)組合,再通過疊前彈性參數(shù)反演獲取這些巖石物理參數(shù),實現(xiàn)對混積型頁巖油巖性、巖相的有效識別,并在巖性、巖相識別的基礎(chǔ)上,通過開展相控儲層參數(shù)反演來達到頁巖油“甜點”精準預(yù)測的目的。

圖5 吉木薩爾凹陷某井蘆草溝組核磁孔隙度與縱波阻抗交會分析結(jié)果[16]

2.4 純頁巖型頁巖油目標頁理縫分布預(yù)測

純頁巖型頁巖油目標可以細分為頁理型和紋理型。松遼盆地青山口組發(fā)育此種類型。此種頁巖油目標為陸相淡水湖盆沉積環(huán)境最大湖泛期沉積形成,富含有機質(zhì)且成熟度較高。此種類型目標頁巖占比往往超過95%[44],決定原油賦存空間的是其中孔滲性相對較好的部位,這些部位與裂縫發(fā)育狀況關(guān)系密切。裂縫預(yù)測對此類目標的勘探開發(fā)非常關(guān)鍵。

對松遼盆地古龍頁巖油藏等目標的巖心分析可知,此種類型頁巖油目標涉及到的裂縫類型主要包含高角度裂縫和水平頁理縫。對于高角度裂縫的預(yù)測,目前有相干、曲率、螞蟻體等基于疊后幾何屬性異常的分析方法[45-46]。但是水平頁理縫的預(yù)測還缺少成熟有效的地球物理手段。巖石物理分析表明,頁理縫的發(fā)育程度與頁巖表現(xiàn)出來的各向異性強弱關(guān)系較為密切[44]。頁巖各向異性的強弱與垂直頁理方向的縱波速度有關(guān),可以通過VTI各向異性介質(zhì)模型來開展研究,進而推測頁理縫的發(fā)育程度[46]。具體的實現(xiàn)途徑是通過VTI介質(zhì)反射系數(shù)方程進行AVO分析和反演,結(jié)合巖石物理分析結(jié)論進行各向異性強度預(yù)測,間接地預(yù)測頁理縫的發(fā)育程度。初步研究結(jié)果表明,該途徑具有較強的適用性(圖6)[44]。

圖6 頁巖層各向異性強度地震反演預(yù)測效果[44]

2.5 地質(zhì)-工程復(fù)合型“甜點”地球物理評價

地質(zhì)-工程“甜點”地球物理評價應(yīng)特別重視巖石物理基礎(chǔ)的研究。只有通過實驗巖石物理、測井巖石物理以及地震巖石物理分析,才能真正查明頁巖油地質(zhì)-工程“甜點”要素(總有機碳含量、孔隙度、脆性等)與動、靜態(tài)彈性參數(shù)之間的關(guān)系,研發(fā)適用的地質(zhì)-工程“甜點”地球物理評價方法。

勝利油田牛莊洼陷頁巖油勘探實踐表明,總有機碳含量(TOC)是頁巖生烴潛力的重要指標,結(jié)合典型井總有機碳實驗室測量結(jié)果及ΔlogR模型,就可以由測井資料計算出頁巖段總有機碳含量的連續(xù)曲線。富含有機質(zhì)巖石往往呈現(xiàn)低密度、低速度的特征,這樣就可以通過彈性參數(shù)與總有機碳曲線的交會分析結(jié)果確定相應(yīng)的彈性參數(shù)門檻值,為利用疊前彈性參數(shù)反演獲取表征有機質(zhì)豐度的三維數(shù)據(jù)體提供依據(jù)。同樣,巖石物理實驗分析結(jié)果表明,巖石脆性和巖石的礦物組分構(gòu)成關(guān)系密切。通過泥頁巖層系巖石物理特征分析發(fā)現(xiàn),頁巖脆性礦物含量高的層段總體表現(xiàn)為高楊氏模量、高剪切模量、低泊松比的特征?；谶@種認識,可利用泊松比和楊氏模量構(gòu)建頁巖脆性指數(shù),進而通過泊松比和楊氏模量反演數(shù)據(jù)體預(yù)測頁巖層系的巖石脆性(圖7)。

圖7 疊前彈性參數(shù)反演脆性指數(shù)預(yù)測剖面

3 陸相頁巖油物探技術(shù)發(fā)展方向

石油物探作為服務(wù)于石油勘探開發(fā)的重要技術(shù)手段,其首要任務(wù)和存在價值是滿足石油勘探開發(fā)地質(zhì)需求。這決定了物探技術(shù)的發(fā)展以需求為導(dǎo)向,陸相頁巖油物探技術(shù)發(fā)展同樣也要遵循這一原則。從需求導(dǎo)向出發(fā),陸相頁巖油物探技術(shù)應(yīng)重視以下發(fā)展方向。

1) 在地震資料采集方面,分布式、智能化采集儀器和基于壓縮感知的非規(guī)則采集技術(shù)將是今后發(fā)展的主要方向。如前所述,頁巖油藏的特點決定了寬頻帶、寬方位、高密度地震采集技術(shù)是頁巖油物探技術(shù)獲得應(yīng)用成效的基礎(chǔ)。同時,地質(zhì)“甜點”與工程“甜點”預(yù)測的需求比任何領(lǐng)域都更為需要豐富可靠的大角度反射信息,這就需要在寬頻帶、寬方位、高密度的基礎(chǔ)上進一步增加炮檢距,意味著需要更長、更寬的采集排列,其必然會導(dǎo)致成本的增加,而分布式、智能化采集儀器的廣泛應(yīng)用可以有效降低施工成本?；趬嚎s感知的非規(guī)則采集技術(shù)在中東地區(qū)成功應(yīng)用的實踐表明,該技術(shù)可以極大地提高生產(chǎn)效率、降低成本。這些技術(shù)的推廣應(yīng)用既能保證頁巖油勘探開發(fā)實踐需求,又可以有效地降低勘探成本,是頁巖油勘探開發(fā)中物探技術(shù)必然的發(fā)展方向。

2) 在地震資料處理方面,各向異性處理技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。地下介質(zhì)(包含頁巖層系)從宏觀上呈現(xiàn)為層狀介質(zhì),決定了其本身呈現(xiàn)強各向異性特征,因此,相關(guān)的處理過程也應(yīng)該充分考慮各向異性因素。各向異性處理主要包括各向異性速度分析和各向異性偏移成像兩個方面。在速度分析環(huán)節(jié)要研究不同方位射線速度的差異,借助不同方位射線速度差異確定地層的宏觀各向異性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,利用各向異性偏移算法進行偏移成像,才能更好地逼近地下介質(zhì)的真實情況。從方法來講,當前已有較為成熟的TTI介質(zhì)偏移成像算法,但是方法技術(shù)和規(guī)?；瘧?yīng)用之間仍有距離,推廣OVT域處理技術(shù)是當前及未來一段時間頁巖油探區(qū)地震資料處理優(yōu)先考慮的現(xiàn)實途徑。

3) 在疊前彈性參數(shù)反演方面,高分辨率反演技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用和進一步的發(fā)展。頁巖油藏,特別是夾層型頁巖油藏,“甜點”層段厚度不大,需要應(yīng)用高分辨反演技術(shù)進行刻畫和描述。基于L1范數(shù)的地震高分辨率反演方法具有分辨率高且穩(wěn)定可靠的特點,將來有可能取代目前大量使用的約束稀疏脈沖反演方法成為主要的反演技術(shù)手段,并在頁巖油勘探開發(fā)中發(fā)揮重要作用。

4) 頁巖油物探技術(shù)發(fā)展的另一個重要方向是各向異性參數(shù)反演技術(shù)。頁巖層系本身具有顯著的各向異性特征,預(yù)測其各向異性參數(shù)有助于對頁巖層的“甜點”要素參數(shù)進行評價,是頁巖油勘探開發(fā)中物探技術(shù)必須大力發(fā)展的方向。目前,基于HTI介質(zhì)的反演方法有所進展,而針對頁理、紋層發(fā)育狀況預(yù)測的基于VTI介質(zhì)的反演方法仍需進一步研究。開展此方面的研究,要充分重視裂縫儲層巖石物理理論和五維地震裂縫預(yù)測技術(shù)手段的結(jié)合[47-48]。

5) 在常規(guī)巖石物理實驗分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)大力發(fā)展數(shù)字巖石物理技術(shù)。頁巖油藏的孔隙結(jié)構(gòu)、有機孔-無機孔的分布以及眾多“甜點”要素參數(shù)與彈性參數(shù)間的關(guān)系需要通過巖石物理技術(shù),特別是數(shù)字巖石物理技術(shù)來確定。常規(guī)實驗方法難以精確地測定頁巖層的孔、滲特性并進行相關(guān)的流體替換實驗,或者因為測試成本高而造成測試樣本過少,導(dǎo)致分析困難,數(shù)字巖石物理技術(shù)的有效應(yīng)用可以在一定程度上解決這些難題。

6) 頁巖油“甜點”預(yù)測技術(shù)與壓裂模擬等工程環(huán)節(jié)相結(jié)合,實現(xiàn)多學(xué)科融合的地層可壓性預(yù)測是物探技術(shù)的另一個發(fā)展領(lǐng)域。如前所述,借助于反演彈性參數(shù),物探工作者實現(xiàn)了地層脆性預(yù)測,但是距離地層可壓性預(yù)測需求仍有較大距離。頁巖層的可壓性是以地層壓裂效果評價為目的的一個綜合性指數(shù),既與地層的應(yīng)力、壓力狀態(tài)、壓裂工藝參數(shù)有關(guān),也與地層本身的彈性性質(zhì)有關(guān)。因此,在彈性參數(shù)反演以及孔隙地層壓力、地應(yīng)力預(yù)測的基礎(chǔ)上,進一步與工程壓裂相結(jié)合,實現(xiàn)系統(tǒng)的地層可壓性預(yù)測是必然的技術(shù)發(fā)展方向[49-50]。

7) 應(yīng)用人工智能實現(xiàn)頁巖油藏“甜點”預(yù)測乃至頁巖油藏產(chǎn)能預(yù)測是今后頁巖油物探技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。陸相頁巖油藏“甜點”要素參數(shù)與彈性參數(shù)之間關(guān)系的復(fù)雜性決定了陸相頁巖油“甜點”預(yù)測是一個極其困難的問題?！疤瘘c”要素的地震響應(yīng)特征往往難以在現(xiàn)有的理論框架下得到有效的解釋,因此常規(guī)頁巖油“甜點”預(yù)測方法具有很強的多解性和不確定性。人工智能可以綜合多種輸入信息實現(xiàn)對目標屬性的預(yù)測,使地震資料海量信息以及豐富的地質(zhì)、測井信息得到充分應(yīng)用,有助于減少多解性與不確定性,提高預(yù)測精度。目前,支持向量機技術(shù)已經(jīng)得到一定程度的應(yīng)用,深度學(xué)習(xí)等相關(guān)算法也必將會在頁巖油“甜點”預(yù)測中得到更多的應(yīng)用。

8) 實現(xiàn)微地震壓裂監(jiān)測的實時化,并指導(dǎo)壓裂施工是壓裂監(jiān)測技術(shù)的主要發(fā)展方向。當前的壓裂監(jiān)測技術(shù)距離實時化仍有一定差距,更多的是幫助人們認識壓裂的效果和壓裂所產(chǎn)生的現(xiàn)象,并沒有真正地指導(dǎo)壓裂施工。進一步提高算法精度、實現(xiàn)微地震事件的實時監(jiān)測和解釋,并指導(dǎo)壓裂工藝參數(shù)調(diào)整是壓裂監(jiān)測進一步發(fā)展的方向。

4 結(jié)束語

中國陸相頁巖油勘探開發(fā)已經(jīng)取得實質(zhì)性的突破和進展,中石化探區(qū)內(nèi)的陸相頁巖油勘探也取得了突破?？梢灶A(yù)見,陸相頁巖油將成為中石化增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域之一。物探技術(shù)必然會在頁巖油勘探開發(fā)中發(fā)揮重要作用,這就要求物探工作者充分認識頁巖油藏的地質(zhì)特征,制定針對性的技術(shù)對策,在勘探開發(fā)需求推動下,把握頁巖油物探技術(shù)發(fā)展方向,在實踐應(yīng)用中不斷豐富完善方法技術(shù)。

高品質(zhì)地震資料是一切應(yīng)用的基礎(chǔ),頁巖油物探工作需要有寬頻、寬方位、高密度的地震資料作支撐,因此要大力推廣應(yīng)用采集新技術(shù),既實現(xiàn)降本增效,又滿足頁巖油“甜點”預(yù)測技術(shù)需求。在此基礎(chǔ)上,要本著系統(tǒng)化的原則,以“甜點”預(yù)測需求為核心,在地震資料處理環(huán)節(jié)考慮構(gòu)造-地層精細解釋、不同類型頁巖油“甜點”描述、地質(zhì)-工程復(fù)合型“甜點”地球物理綜合評價對地震品質(zhì)的要求進行處理方案設(shè)計和統(tǒng)籌,研發(fā)針對性的處理技術(shù)。在頁巖油“甜點”預(yù)測和綜合研究中,要立足實踐需求,錨定未來發(fā)展方向,在高分辨率疊前彈性參數(shù)反演、各向異性參數(shù)反演、數(shù)字巖石物理、地層可壓性預(yù)測、人工智能技術(shù)應(yīng)用、實時微地震監(jiān)測方面持續(xù)發(fā)力,更好地服務(wù)頁巖油勘探開發(fā)實踐,在頁巖油增儲上產(chǎn)過程中發(fā)揮物探技術(shù)的支撐與引領(lǐng)作用。