地球物理技术在页岩气勘探开发中的应用和前景_刘伟.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.6 Dec. 2013 COAL GEOLOGY 2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都，610059; 3.中国石油东方地球物理公司研究院海外业务部，河北琢州，072751 摘要我国页岩气勘探开发技术还处于探索阶段，对页岩气的研究主要集中在页岩气的成藏模式、 地质特征等方面．针对地球物理技术在页岩气勘探和开发中所能发挥的作用及页岩气勘探和开发 对地球物理方法提出的新要求，简述了我国页岩气资源分布及美国页岩气的勘探开发情况；从页 岩气资源评价参数出友，系统地阐述了地球物理方法在页岩气勘探和开发中能解决的一些问题； 提出了针对页岩气的地球物理方法的发展建议． 关键词页岩气；地球物理；非常规，油气资源；微地震监测；岩石物理 申图分类号P631文献标识码ADOI 10.3969/j .issn.1001-1986.2013.06.017 Application and prospective of geophysics in shale gas development LIUWei1, HEZhe曲回2,LIKeen1, ZHANGGulan1, RONGJiaojun1, MAZhao1, GAOJunqi3 1. Department of Emerging Geophysical E.早／orationDevelopment, Bureau of Geophysical Prospecting BGP Inc. of CNPC, Zhuozhou 072750, China; 2. State Key Lab. Of Oil 3. Overseas Sales Department, Bureau of Geophysical Prospecting BGP Inc. ofCNPC, Zhuozhou 072750, China Abstract Shale gas resource is abundant in China, which may relieve our energy supply pressure, but shale gas exploration and development are still in elementary stage, have been centered on its accumulation mode, geologic characteristics, etc. Geophysics plays an important role in conventional oil then, systematically what can geophysics s solve in uation parameters in shale gas exploration and development. Finally, some suggestions are put forward about the development of geophysics applied in shale gas exploration and development. Key words shale gas; geophysics; unconventional resource; microseismic monitoring; petrophysics 页岩气是一种非常规天然气资源，也是近几年 国内外研究的重点［1-5）。经典的生油理论一直把页岩 当成腔源岩或油气藏的盖层，但页岩气的勘探实践 表明页岩气是一种自生自储油气藏。页岩气的成 藏模式打破了经典的腔源岩生油理论。世界各地页 岩气资源丰富，尤其是美国页岩气勘探开发技术的 进步，使页岩气实现了工业生产，其研究引起世界 各国的注意。 以往页岩气的研究主要集中在对页岩气的成藏 模式、页岩气特点方面［6-12），很少有专门研究页岩 气的地球物理勘探方法，甚至有人认为页岩气勘探 可通过直接钻井而不需要地球物理勘探方法。众所 收稿日期2012-09-18 周知，地震勘探、地球物理测井一直在常规油气勘 探中起着至关重要的作用。页岩气作为一种油气资 源，虽然其成藏模式有别于常规油气藏，但地球物 理勘探仍能够在页岩气勘探中发挥作用。 目前，我国对页岩气的研究多集中在基础理论 上，而应用地球物理资料对页岩气进行研究还处于 探索阶段。李志荣等［13）在对四川盆地南部页岩层段 地质、地球物理响应特征分析的基础上，通过地震 资料采集、处理及解释的技术攻关，形成了一套较 为完整的页岩气地球物理勘探思路及技术流程，取 得了页岩气地震勘探的新进展；齐宝权等［14）将 AlogR方法运用到四川盆地南部页岩气储层评价 作者简介刘伟（1986一），男，湖北孝感人，硕士研究生，从事非常规能源及微地震压裂监测研究． ChaoXing 第6期刘伟等地球物理技术在页岩气勘探开发中的应用和前景 69 中，运用孔隙度和电阻率曲线重叠法，识别页岩气 时考虑到重叠基线的选取、岩性变化等影响，探索 页岩气的测井解释模式；罗蓉等［15］针对页岩气与常 规储层的差异，探讨了地球物理勘探技术在页岩气 勘探开发中的应用，并提出发展专门针对页岩气的 三维地球物理勘探、监测和开发技术；付永强等［16] 从岩石弹性参数角度出发，分析对比了致密砂岩气 与页岩气储层力学性质，针对页岩岩石脆性特征以 及储层岩心敏感性等，开展了大量的实验评价研究， 并与现场压裂缝的示踪剂监测、地面微地震裂缝监 测结果进行了对比分析，对页岩气的开发具有重大 意义。 本文在前人研究的基础上，从页岩气评价参数 出发，系统地阐述了地球物理方法在页岩气勘探和 开发中的可能应用，提出了针对页岩气勘探和开发 的地球物理方法和建议。 1 页岩气资源的分布状况 全世界页岩气资源456万旷，主要分布在北美、 拉丁美洲及中亚地区［17］，而中国页岩气储量主要以 四川盆地和中国南方地区为主。中国南方广大地区 分布的志留系中发育大套黑色页岩，其有机碳含量 大多达10～15。四川盆地拥有丰富的泥页岩，主 要发育于上三叠统须家河组、上二叠统龙潭组、下 志留统龙马溪组、下寒武统纬竹寺组。这些暗色页 岩发育的地区和层位是值得重点研究和开发的领 域，预测其页岩气的开发前景比较乐观肉。另外， 松辽白辈系、渤海湾盆地、江汉盆地的新近系和古 近系、四川盆地的中生界、南华北、柴达木以及酒 泉盆地均具有一定的泥页岩气资源。 预计2020年我国天然气供需差距将在80 xI08m3 以上，据专家估算，我国页岩气可采资源量约为 26xl012 m气与美国大致相当［15］。因此，页岩气的 勘探和开发具有重大意义。图1为全球页岩气分布及 储量。 120 E i, 80 面60 罢40 20 f争伞今斗争8位司曾令d吉－ 给令将来愁’然欢.命 A, I .l台今伶卷标 ，。’分呼；；＇.r今.4今 4。主义牛λ必 将，，, 图l全球页岩气分布及储量［17] Fig. I World shale gas distribution 2009年生产井超过50000口，页岩 气年产量达900 xI08d，约占北美天然气总产量的 12; 2010年页岩气产量为1378x108旷，占当年天 然气总产量的23;2012年页岩气产量为2640 x1Q8m3 （据美国能源署），预计到2015年将达到（2600 2 800xI08 d，占天然气总产量的1;3[20］。 美国页岩气的勘探开发成功除了其良好的国家政 策以外，还得益于其先进的勘探开发技术。美国的页 岩气勘探主要采用了三维地震和微地震技术优化设 计。页岩气开发最主要的技术是水平井和多级压裂。 3 地球物理技术在页岩气勘探开发中能解决的 问题 页岩气勘探评价的主控因素有有机质丰度、 成熟度、优质页岩厚度、埋深、裂缝带发育、物性 等［12,21］，其中通过地球物理技术可以解决页岩层埋 深、优质页岩厚度、储层物性参数、断裂发育情况 等。地球物理技术在页岩气勘探和开发的不同阶段 都能够起到非常重要的作用。 3.1 页岩气勘探阶段 利用三维地震及地球物理测井资料能确定页岩 气埋深、厚度、空间分布、物性参数等，用于更好 地勘探和评估页岩气。 a.确定页岩的埋深。求取埋深最为简单的方法 ChaoXing 70 煤田地质与勘探第41卷 为埋深＝时深转换深度一（基准面地震测量高程）。 时深转换深度由声波测井可知，基准面，地震测量 高程均为可测量数。在时深转换中，地震子波的选 取，层位标定，合成记录的制作都属于地震勘探技 术范畴。因此，地球物理技术在确定页岩层埋深时 具有重要意义。 b.确定优质页岩厚度。优质页岩厚度是资源评 价最重要的因素，通过地震反演以及多种地震信息融 合可以预测优质页岩厚度分布情况。优质页岩与普通 泥页岩的差别主要表现在自然伽马曲线上，虽然优质 页岩速度并不一定比普通页岩层低，但是它的自然伽 马数值要比普通泥页岩高。利用此特征，通过拟声波 曲线重构（重构的曲线具有低频声波及高频自然伽马 信息、），能够对优质页岩层进行很好的预测。 c.提供储层物性参数。储层物性参数主要指孔 隙度、渗透率、饱和度。可利用地球物理测井资料 获取相关信息，如孔隙度测井求取储层孔隙度，再 根据拟合公式求取渗透率、饱和度等参数，这些都 是页岩气资源评价的重要参数。 d.查明页岩层的构造、断裂分布、岩性变化。 高精度三维地震勘探能够查明地下地质构造，避开 对页岩气勘探影响较大的复杂断层区，提高钻井成 功率。地震相干属性，曲率属性对断层非常敏感， 可用来识别断裂带。同时，成像测井技术也能识别 储层裂缝。页岩气具有高伽马、高电阻率、高声波 时差、高中子孔隙度、低密度、低光电效应，可利 用页岩气的测井响应来分析地层岩性变化。利用三维 地震成像技术查明岩层构造，通过相干分析技术、地 震属性分析、层间切片等预测页岩裂缝以提高探井 （或开发井）成功率，将有利于页岩气的勘探和开发。 e.提高裂缝方位和密度识别的效果。应用30 VSP等井间地震技术，可提高裂缝方位、裂缝密度 识别效果。 t确定炬源岩空间分布。三维地震资料不仅能 确定页岩气；怪源岩厚度、埋深，而且还能确定短源 岩横向延伸范围等。利用地球物理边缘检波技术可 以确定；怪源岩分布范围。 3.2 页岩气开发阶段 根据国外页岩气勘探开发的经验，水平井钻井 和多级压裂是页岩气勘探开发中提高产量的关键技 术；而地球物理方法则是优化页岩气钻井及储层压 裂改造部署的技术支撑。 a.微地震监测技术为页岩气的分段压裂提供 依据。页岩气属于超低渗透油气藏，在页岩气开采 中必须对储层进行改造。国外普遍采用压裂技术对 页岩进行改造，以提高其渗透率。目前，微地震是 最有效的压裂监测技术。利用常规或特殊地震检波 器在井中或地面接收来自压裂裂缝产生的微地震信 号，通过实时处理，提供裂缝位置、裂缝方位、裂 缝大小（长、宽、高）等，指导后续页岩气的开发， 保证页岩气顺利开采。 b.岩石物理测试分析为岩石脆性评价提供依 据。水平压裂是页岩气开来的一项关键技术。在压 裂过程中，岩石的破裂与岩石的抗压强度有关，此 时页岩的杨氏模量、泊松比等力学参数、声学参数 和储层参数都将发生变化。研究页岩的岩石物理参 数将更好地用于控制页岩气压裂缝网规模。 c.页岩气测井评价可以提供页岩层总有机碳 TO。、热成熟度（R。）等参数。通过含气页岩孔隙度、 孔隙压力和渗透率等储层参数计算，结合岩石物理 可建立页岩岩石力学参数计算方法。 4 地球物理技术在四川盆地页岩气勘探开发中 的应用 我国页岩气资源丰富，在初步完成页岩气的普 查工作之后，开始以四川盆地为试验基地，主要依 靠引进的国外先进页岩气勘探开发技术，积极探讨 适合中国页岩气勘探的方法与技术。目前，在页岩 气地震资料采集处理、解释及页岩的测井评价技术 方面取得了一定成效。 4.1 地震晌应 页岩是高度各向异性的储集体，各层波阻抗差 异小，因此在地震剖面上常形成不明显的波阻抗界 面，表现为断续．弱振幅反射，目前还没有形成一套 专门针对页岩气的地震资料数据采集与处理方法。 由于页岩特有的储层特性，在进行地震数据采集时， 常规地震的激发、接收必然不能满足页岩气的要求。 对于页岩气地震资料处理而言，由于页岩分布相对 较浅，噪音、近地表低速带、速度变化快、岩性横 向变化大、地形起伏大、静校正和地表一致性处理 等都面临巨大挑战。另外，目的层内部反射能量弱， 分辨率较低，如何精确成像也是一个难点。在四川 盆地页岩气试验阶段，为了提高页岩气地震资料的 信噪比，设计了专门针对页岩气的三维地震资料观 测系统及处理技术，已经取得了一定成效。图2为 地震采集系统改造前后地震资料及精细切除前后地 震资料效果对比图。 4.2 测井晌应特征 页岩气储层的测井解释在国内刚刚起步，与常规 储层相比有着不同的测井响应特征（14-15）。与普通页岩 ChaoXing 第6期刘伟等地球物理技术在页岩气勘探开发中的应用和前景 71 a b 图2采集系统改进前后地震剖面（a）及精细切除前后叠加剖面（bi13] Fig. 2 Seismic profile comparison before and after improved acquisition system fine processing 相比，页岩气中有机质含量较高，放射性元素铀含量 比较高，干酷根的密度较低。含气页岩测井响应为“四 高两低”特征，即高自然伽马、高电阻率、高声波时 差、高中子孔隙度和低密度、低光电效应（13］。 测井资料在评价娃源岩、页岩气定性识别、有 机质含量和含气量的计算、应力分析以及地层各向 异性等方面不可或缺。自然伽马和无铀伽马的差异 幅度反映了地层中有机质含量的多少；核磁共振测 井可用于分析泥页岩的有效孔隙度；微电阻率扫描 成像处理成果评价裂缝的有效性，进行地应力分析 等。通过交叉偶极声波提取质量可靠的纵波、横波、 斯通利波时差，判别储层的有效性，计算岩石力学 参数和用于地层各向异性分析。元素俘获能谱测井 ECS）能够正确识别泥页岩中粘土、石英、长石、碳 酸盐岩、黄铁矿等成分的含量，根据粘土类型和脆 性矿物含量的变化推荐和改进完井钻井液”］。 页岩气储层与常规的孔隙性、裂缝性砂岩和碳 酸盐岩储层的测井评价方法差别较大，它不仅包括 页岩气储层的有效性识别、裂缝发育情况、储层孔 隙度和渗透率等物性参数，还涉及有机质含量、吸 附气和游离气，而测井技术可以解决这些问题。 另外，可利用成像测井来识别最大主应力方向 电成像处理成果图上的井眼崩落方向对应于地层的 最小水平主应力方向。 4.3 页岩气岩石物理参数评价 页岩气属于低渗透油气藏，在页岩气开发过程 中，压裂是保证页岩气能够顺利开采的关键因素。 压裂过程中，页岩的破裂与页岩的岩石物理参数有 关，岩石力学性质与缝网的形成也有一定的关系。 国外有人专门研究过页岩力学性质与缝网形态关 系，表明岩石的脆性和岩心敏感性是进行页岩气评 价的重要参数［16,22］。 我国页岩气还处在探索阶段，页岩岩心物理参 数主要是和国外公司进行合作，旨在探索出一条适 合我国页岩气岩石物理参数评价技术。页岩气储层 有别于常规储层，由于其渗透率低，页岩在压裂过 程只有产生裂缝才能高产气。压裂过程中不断产生 裂缝网格，而裂缝网格的形成不仅与地应力有关， 而且与岩石脆性有关，脆性特征同时也决定了在页 岩压裂设计中压裂液体系的选择（12］。 页岩储层的超低渗透性，要求在水力压裂中形 成大规模网状裂缝，形成一定规模的可解析渗流区 域。形成缝网的外因是地应力，内因是岩石的脆性。 脆性越大，越容易形成网状裂缝，而脆性越小，意 味着更好的塑性特征，从而形成网状裂缝的可能性 越小，且在一定程度上阻碍了网状裂缝的扩展。 ChaoXing 72 煤田地质与勘探第41卷 在压裂缝网设计中，页岩的脆性特征以及脆性 剖面的实验评价有助于更好地选择射孔段，认识裂 缝高度的延伸，提高压裂缝网波及体积，提高单井 产量。页岩与常规油气储集层岩石相比，所具有的 极端致密的特征使得常规的液体伤害和敏感性分析 不能完全指导压裂设计。页岩的天然裂缝和层理伤 害与评价以及页岩的敏感性评价有助于认识裂缝的 渗透性能和筛选液体，为缝网压裂优化设计提供参 考依据。通过自吸实验可以区分不同层系页岩的敏 感性，为进一步有针对性地优化压裂液体系提供有 效评价手段。 4.4 微地震技术 微地震是指在产油生产活动或进行水力压裂过 程中引起地下应力场的变化，导致岩层破裂或错断所 产生的地震波。通过在井中或地面布设检波器可以检 测到这些裂缝，并对其成像，此称为微地震裂缝监测 技术。页岩气开发的核心技术是水平钻井技术和水力 压裂技术。通过微地震数据处理可以实时提供压裂施 工过程中所产生的裂缝位置、方位、大小（长度、宽 度和高度）、复杂程度，评价增产方案的有效性，并 优化页岩气藏多级压裂改造方案。目前，微地震监测 在页岩气的压裂评价中已取得了一定效果［23］。图3为 微地震事件监测示意图及其缝网展布图。 大钻井 a b 图3微地震压裂监测示意图（a）及其缝网展布图b[15 Fig. 3 Microseismic fracture monitoring mapa fracture network distributionb 5建议 页岩气作为一种非常规油气资源，其成藏机理、 储层物性和弹性参数都与常规油气勘探有很大区 别。无论是从数据采集处理和解释而言，常规地震 采集与处理解释流程不适用于页岩气的勘探开发， 因此发展页岩气的地球物理方法显得非常重要。 a.发展页岩气高精度三维地震采集技术系列。 在经济允许的前提下，获得高品质原始地震资料， 最大限度提高地震资料的分辨能力，真正做到“三 高”处理；针对页岩气埋藏浅、低波阻抗、弱反射等 特点，开展多参数叠前反演，提取页岩气有效的地 球物理和岩石物理信息；利用井间地震（或VSP）资 料提取井周高分辨信息，优化井地联合处理，提高 三维地震的分辨率。 b.开展页岩气层孔隙、裂缝地震预测。通过地 震属性相干分析飞曲率研究，分析含气页岩裂缝密 度、方位、裂缝强度及地层最大水平主应力方向等； 通过分方位叠前波阻抗反演和泊松比反演等，分析 含气页岩岩石密度、孔隙度趋势，确定页岩气层地 震各向异性等。 c.发展页岩气井轨迹三维空间跟踪技术。利用 地震识别和综合预测成果，采用三维地震可视化技 术设计水平井轨迹，直观、准确地确定钻探目标； 指导钻井孔位选择，以穿过优质页岩厚度较大、小 断层及微裂缝较为发育区域，沿垂直于裂缝发育方 向穿过，尽量增加井筒与裂缝连接的可能性，以提 高钻探成功率和开发效益。 d.发展页岩气测井评价技术。采用改进的岩石 矿物模型可以计算页岩气储层的矿物组分、孔隙度 等物性参数；有机质含量可以通过多种方法进行测 井计算。游离气含量与孔隙度和含水饱和度有关， 吸附气含量的计算涉及岩石中的有机质对天然气的 吸附能力、储层的温度压力变化等参数。 e.发展页岩气井压裂的微地震监测技术。微地 展监测技术是通过观测、分析生产活动中所产生的 微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下 状态的地球物理技术。通过监测压裂过程中产生的 裂缝，并对其进行定位，能够更好的指导后期井位 部署，控制页岩气压裂开发。 t发展水平井随钻测井系统（MWD）。页岩气开 采方式主要是以水平钻井为主，运用水平井的随钻 技术可以实时地监测井中地层测井响应，用于优化 完井技术、确定射孔位置与气井增产方案制定等。 g.岩石物理参数测试。针对页岩压裂的特殊模 式以及页岩的敏感性特征，已经开展了页岩气藏储 ChaoXing 第6期刘伟等地球物理技术在页岩气勘探开发中的应用和前景 73 层压裂实验评价的关键技术研究，获得了一些初步 认识，但仍需要开展大量的室内实验评价和现场施 工分析、验证。 i.发展页岩气的数值模拟技术。在页岩气实际地 震资料处理中，考虑到页岩是高度各向异性介质，速 度很难处理，如在页岩气的微地震压裂评价中，页岩 的各向异性容易导致微地震事件的定位误差，从而发 展页岩气的数值模拟技术是当前亟待解决的问题。 j.微地震监测技术与四维地震技术联合使用。 值得注意的是，美国页岩气技术虽然先进，但也不 应生搬硬套。美国页岩气特点和中国页岩气存在很 大区别，如埋藏深度、厚度等，美国的先进技术也 不一定对我国页岩气适用，需要探索出适合中国页 岩气勘探开发方案。 参考文献 ] HARTMAN R C, LASSWELL P, BHATIA N. 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