地球物理技術在頁巖氣開發(fā)中的應用

1、地球物理技術在頁巖氣開發(fā)中的應用摘要:本文基于頁巖氣勘探開發(fā)新形勢,對地球物理技術在我國頁巖氣勘探開發(fā)中的應用現(xiàn)狀問題和面臨的挑戰(zhàn)進行了分析,在頁巖氣的勘探開發(fā)過程中,地球物理技術發(fā)揮著在常規(guī)油氣勘探開發(fā)中完全不同的作用!地球物理技術可為優(yōu)化頁巖氣鉆井及儲層壓裂改造部署提供重要技術支撐,本文還介紹了國外利用封閉應力指導水平井鉆探綜合運用楊氏模量和水平應力差比進行頁巖氣工程“甜點”預測、運用得到的巖石力學屬性進行相關分析指導壓裂的一些成功范例；但是，在頁巖氣勘探開發(fā)中，地球物理技術還面臨著各向異性含氣豐度預測工程“甜點”預測等難點的挑戰(zhàn)，針對這些難點，本文提出了發(fā)展適用于我國頁巖氣開發(fā)的特色地球

2、物理技術的建議。關鍵詞：頁巖氣；“甜點”預測；儲層壓裂改造；應力場美國頁巖氣革命的成功，在國內(nèi)也引發(fā)了對頁巖氣勘探的熱情與憧憬，由于頁巖氣在頁巖中是自產(chǎn)自儲，而我國富有有機質(zhì)的頁巖十分發(fā)育，居世界前列，既有有機質(zhì)含量豐富的古生界海相頁巖，也有中、新生界陸相頁巖。而且，經(jīng)過這些年的不懈努力，在頁巖氣勘探開發(fā)方面，我們也取得了一些成就。特別是在四川地區(qū)，部分單口井的日出氣量已達數(shù)十萬立方米，這些成功進一步的引發(fā)了新一 輪的投資熱潮。服務于頁巖氣勘探開發(fā)的方法有地質(zhì)、地球物理、地球化學、鉆采工程等，從尋找含頁巖氣的有利區(qū)帶到鉆、完井設計，從測井識別頁巖氣層，到隨鉆測井，再到壓裂裂縫監(jiān)測，地球物理技術

3、已融入到頁巖氣勘探開發(fā)的各個階段，成為頁巖氣開發(fā)的不可或缺的技術1-3，但頁巖氣沒有類似于常規(guī)油氣的圈閉，沒有明顯的邊界，屬于“自生自儲”型的低豐度連續(xù)性油氣藏4-9，頁巖氣的勘探和開發(fā)，和常規(guī)氣的勘探開發(fā)有著不同的工作和技術流程。我國頁巖氣勘探開發(fā)的不斷突破，得力于相關技術的引進和發(fā)展。1地球物理技術在頁巖氣勘探開發(fā)中的應用在頁巖氣勘探開發(fā)的不同階段，由于要解決的問題不同，對地球物理技術有不同的需求，應使用不同的技術來解決面臨的不同的問題。1.1地球物理技術在頁巖氣勘探中的作用在頁巖氣的勘探階段，主要落實頁巖氣藏的富集規(guī)律，進行頁巖氣核心區(qū)選擇和資源評價3, 10, 11，地球物理技術主要是

4、在測井的基礎上進行區(qū)域預測12，通過對地震資料進行構(gòu)造解釋、地震屬性分析、儲層預測來查明頁巖地層空間分布、地下地質(zhì)構(gòu)造，頁巖地層埋深，厚度，預測TOC、物性參數(shù)13（如孔隙度、滲透率、飽和度等）進一步地進行裂縫預測和含氣性預測，為資源評價和頁巖氣開發(fā)核心區(qū)的優(yōu)選奠定基礎。1.2地球物理技術在頁巖氣開發(fā)中的作用在開發(fā)階段，主要落實多級壓裂和水平井鉆井，地球物理方法則可為優(yōu)化頁巖氣井及儲層壓裂改造部署提供技術支撐14。首先，利用地震反演與屬性分析技術可對礦物組成、脆性以及力學性質(zhì)和天然裂縫的分布的各向異性特征進行精細刻畫，通過開展地質(zhì)、工程、巖石物理方法和地震儲層預測相結(jié)合的雙甜點預測與評價，對巖

5、石脆性進行評價，優(yōu)化的壓裂方案，并將頁巖的巖石物理參數(shù)用于控制頁巖氣壓裂縫網(wǎng)規(guī)模。其次，在壓裂過程中，通過用3DVSP技術聯(lián)合微地震監(jiān)測技術，可監(jiān)測和記錄微地震事件，實時提供壓裂過程中產(chǎn)生的裂縫位置、方位、大小以及復雜程度，評價增產(chǎn)方案的有效性，并優(yōu)化頁巖氣藏多級改造方案。1.3國外頁巖氣開發(fā)中成功運用地球物理技術的一些范例地球物理技術在頁巖氣勘探開發(fā)中得到了廣泛的應用，而且，針對頁巖氣“自生自儲”型的低豐度連續(xù)性油氣藏特點，國外發(fā)展了一些用于開發(fā)階段的地球物理技術，由于國外早于我們進行頁巖氣的開發(fā)，它們當中一些在勘探開發(fā)過程中得到了成功運用的地球物理技術，為我們積累了寶貴的成功經(jīng)驗，值得我們

6、學習。1.3.1利用封閉應力指導水平井鉆探封閉應力是使巖石裂縫張開所需的最小應力，封閉應力低的部位為易破裂的部位，后者在頁巖氣開發(fā)上不但可以降低壓裂成本，還可提高開采產(chǎn)量。國外公司就成功地利用得到的封閉應力參數(shù)指導水平井的鉆探。利用得到的巖石彈性性質(zhì)，計算出動應力數(shù)據(jù)體。再轉(zhuǎn)換成相應的靜應力“環(huán)應力”封閉應力，并根據(jù)封閉應力體找到裂縫發(fā)育或容易破裂的位置進行鉆探，得到優(yōu)化的鉆井方案。1.3.2綜合運用楊氏模量和水平應力差比進行頁巖氣“甜點”預測對儲層的巖石物理特性的了解，特別是力學特性的了解，是地球物理技術，特別是地震技術在頁巖氣勘探開發(fā)中的重要一環(huán)。頁巖氣儲層在地震波尺度上都表現(xiàn)為弱各向異性

7、，這種弱各向異性與地層的骨架顆粒的定向排列和顆粒間的裂隙發(fā)育程度有關。通過對地震信號方位各向異性的處理，由地震數(shù)據(jù)計算動應力，把動應力轉(zhuǎn)換為對應儲層深度的靜應力，并估算水平方向的最大和最小應力，計算出水平應力差比（DHSR-最大水平應力與最小水平應力之差與最大水平應力之比）水平應力差比低，將形成各個方向的張性斷裂，形成裂縫群，有利于頁巖氣的儲集和開采；反之，如果最大應力遠遠大于最小應力，那么，裂縫將平行于最大應力方向。由于楊氏模量和巖石破碎的難易程度相關，綜合運用楊氏模量和水平應力差比就可進行頁巖氣工程“甜點”預測。1.3.3運用得到的巖石力學屬性進行相關分析指導壓裂頁巖氣儲層的快速開發(fā)并不意

8、味著優(yōu)化開發(fā)4, 15, 16，在頁巖氣的勘探開發(fā)過程中，一般情況下，都知道頁巖儲層的分布，我們可以利用地震資料來求取一些頁巖的地震屬性，特別是地震力學性質(zhì)相關的屬性，通過對已有開發(fā)井和取得的地震屬性進行相關分析，在平面上找到好的壓裂部位，來指導頁巖氣的開發(fā)。2 頁巖氣勘探開發(fā)中地球物理技術應用的特點和面臨的挑戰(zhàn)在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，由于頁巖氣“自生自儲”型的低豐度連續(xù)性油氣藏特點，地球物理技術可為“甜點”預測、儲層壓裂改造、水平井的鉆探設計提供重要技術支撐，因此其對頁巖氣的開發(fā)起著至關重要的作用17，地球物理方法可以起著其在常規(guī)油氣勘探開發(fā)中完全不同的作用。2.1各向異性特征各向異性是頁巖

9、氣儲層最重要的特征2, 18，一方面，普通頁巖基質(zhì)所具有的薄頁狀或薄片層狀節(jié)理和很低的基質(zhì)孔隙度和滲透率，會使頁巖表現(xiàn)出強各向異性；另一方面，如果有有機質(zhì)成分的加入，由于干酪根分布不均和成熟度不同會造成更大的各項異性。頁巖氣儲層各向異性地球物理特征在速度上表現(xiàn)為疊加速度隨方位角發(fā)生變化，利用速度隨方位角變化，我們可以用疊前地震道數(shù)據(jù)，分析旅行時隨方位角的變化以檢測頁巖氣儲集層裂縫發(fā)育方向與密度(頁巖氣儲層各向異性地球物理特征在振幅上則表現(xiàn)為反射振幅隨方位角的變化，頁巖最大各向異性的方向?qū)谧畲驛VO梯度差，利用反射振幅隨方位角變化，我們可以用AVO屬性值的變化規(guī)律計算出地層的裂隙發(fā)育程度19

10、-22。但現(xiàn)行頁巖探區(qū)地震資料處理方法大多建立在地震各向同性的基礎上，如何在地震資料處理和反演過程中考慮地震各向異性的影響是一個難點問題，也是我們可利用來進行進一步儲層特性研究的關鍵。2.2含氣豐度預測頁巖氣儲層和常規(guī)儲層的差別在于其屬于“自生自儲”型的低豐度連續(xù)性油氣藏，其中的有機質(zhì)既是儲層重要的成份，又是儲層經(jīng)濟價值判別標準。一般情況下，只有相對高的總有機碳（TOC）含量，頁巖氣藏才會有經(jīng)濟開采價值；此外，有機質(zhì)的存在，極大地影響了頁巖氣儲層的地球物理響應特征，初步研究表明，有機物質(zhì)的存在，在增加了各向異性的同時減少了P波S波的速度VP/VS比例和密度，由于P波減少幅度大于S波的減少幅度，

11、因而含氣儲層的VP/VS會大幅降低；同時，對電阻率的變化也有很大影響，這是頁巖氣地質(zhì)“甜點”的重要特征23。針對此特點，筆者建議，在儲層在頁巖氣測井評價提供的頁巖儲層總有機碳、熱成熟度等參數(shù)基礎上，由于其與速度、密度等都有很大的相關性，我們可以嘗試進行總有機碳、熱成熟度等參數(shù)約束的地震反演，進行儲層含氣豐度預測。2.3工程“甜點”預測在頁巖的分布大多為已知的情況下，對地球物理技術更感興趣的是頁巖氣開發(fā)工程師。和常規(guī)氣開發(fā)不同，地球物理技術更重要的作用在頁巖氣的開發(fā)階段。而在開發(fā)階段，最重要的是在含氣性好的地質(zhì)甜點區(qū)，預測出易碎和易裂的所謂工程上的“甜點”。其中，AVO疊前反演和巖石地質(zhì)力學的結(jié)

12、合是關鍵。AVO疊前反演的主要依據(jù)是巖石物理學理論和振幅隨偏移距變化理論24對地震振幅隨偏移距變化、地震振幅隨方位角的變化和速度隨方位角（vvaz）變化進行組合分析，最終導出泊松比、拉梅常數(shù)、體積模量、切變模量和楊氏模量等彈性參數(shù)，反映地下介質(zhì)的巖性和孔隙流體性質(zhì)。在頁巖儲層尋找有利壓裂區(qū)域時，決定頁巖脆性的是它的力學性質(zhì)，分析頁巖力學性質(zhì)是非常重要的一個方面。對于頁巖氣富集的儲層，其體積密度減小、彈性波速度降低，同時，彈性模量、泊松比等含氣性預測參數(shù)具有明顯的變化。但楊氏模量和泊松比更可作為表征頁巖脆性的參數(shù)。楊氏模量和泊松比表示巖石在外界應力作用下的反映，楊氏模量的大小表征了儲層巖石的剛性

13、，楊氏模量越大，巖石越不容易發(fā)生形變。泊松比的大小表征了儲層巖石的橫向變形系數(shù)，泊松比越大，說明儲層巖石在壓力作用下越容易膨脹。不同的楊氏模量和泊松比的組合表示儲層巖石具有不同的脆性，楊氏模量越大，泊松比越低，頁巖儲層的脆性越高。這就為利用疊前彈性參數(shù)反演方法來預測頁巖儲層脆性提供了一定的理論依據(jù)。另一方面，在AVO疊前反演得到的巖石物理參數(shù)的基礎上，利用巖石物理理論，采用針對地質(zhì)力學特性的理論計算應力值，我們可以得到我們需要研究的儲層的動應力。在動應力的基礎上，我們進行相應的計算，求取相應儲層的靜應力。通常，在應力狀態(tài)各向異性的情況下，我們可估算出水平方向的最大和最小應力，并用其預測環(huán)應力與

14、封閉應力。而環(huán)應力和封閉應力決定了壓裂運動和其類型，封閉應力是使巖石裂縫張開所需的最小應力，而封閉應力小，就意味該部位容異被壓裂，就可形成壓裂時的所謂工程“甜點”。這些理論對指導我們預測“甜點”，開發(fā)頁巖氣具有很大實際意義。3 我國頁巖氣勘探開發(fā)中應用地球物理技術的現(xiàn)狀和進展我國頁巖氣開發(fā)相對較晚，但近年來取得了不少進展與突破，從資源、技術評估和小規(guī)模開采階段嗎，逐步進展到不斷的技術突破、中等規(guī)模的開采階段，目前，已摸索出一套適合中國地質(zhì)特點的頁巖氣研究思路和方法，形成了集地震勘探資料采集，處理解釋及微地震壓裂監(jiān)測一體化的頁巖氣地球物理技術系列。我國頁巖氣勘探開發(fā)中應用地球物理技術和國外的差距

15、正在不斷的縮小。3.1基礎理論和實驗技術我國測試技術和方法基本趨于成熟，頁巖易脆、性軟，巖石物理測定也在進行攻關并不斷取得進展。在頁巖運動學和力學性質(zhì)實驗室測試技術方面，近兩年已形成了配套技術，頁巖氣儲層的巖石物理實驗手段正在進一步完善中，頁巖氣儲層地震各向異性巖石物理建模技術方面的研究已引起了關注，已有研究人員從理論上求解頁巖氣儲層的地震各向異性問題并利用各向異性在理論上求解它們和頁巖層物性、裂縫和應力場的關系；另外，近年來發(fā)展的數(shù)字巖心技術，可以相對連續(xù)地從微觀和宏觀角度研究巖石物理特性，正成為研究頁巖巖石物理特性的重要手段。3.2頁巖氣勘探階段地球物理技術與常規(guī)氣的勘探階段相比，地球物理

16、技術在其中所起作用沒有太大差別，因此，可以借鑒常規(guī)氣勘探階段時所使用的相對比較成熟的技術，將集采集、處理及解釋一體化的頁巖氣地球物理技術利器逐步運用于實際生產(chǎn)中，而且，我們在這方面和世界先進水平基本是同步的。3.3頁巖氣開發(fā)階段地球物理技術我國地球物理技術在頁巖氣開發(fā)中的應用正在縮短和國外的差距，具體來說，1）正在研究和完善利用地震資料預測儲層脆性和含氣豐度，而儲層脆性及含氣豐度是影響儲層改造的關鍵因素。目前，疊前、疊后裂縫發(fā)育帶綜合檢測技術，基于疊前彈性參數(shù)反演的脆性預測技術、甜點預測等技術系列已在國內(nèi)出現(xiàn)并應用于頁巖氣的勘探開發(fā)。2）正在引進和發(fā)展微地震監(jiān)測方法，該方法實時提供壓裂施工過程

17、中所產(chǎn)生的裂縫位置、方位、大小及復雜程度，優(yōu)化頁巖氣藏多級改造的方案。并正在努力研制國產(chǎn)的完整的微地震監(jiān)測技術方案及采集設計、處理解釋配套軟件，與此同時，微地震壓裂監(jiān)測一體化的頁巖氣地球物理技術系列已在我國形成。4結(jié)論和建議我國的頁巖氣勘探開發(fā)工作已經(jīng)迅猛發(fā)展，技術創(chuàng)新是頁巖氣發(fā)展的關鍵。由于用于頁巖氣勘探階段的地球物理技術和常規(guī)氣勘探的地球物理技術類似且相對比較成熟，而地球物理技術在開發(fā)階段可直接為開發(fā)工程提供儲層物性、頁巖層裂縫和應力場數(shù)據(jù)，以降低開發(fā)風險，提高開發(fā)成功率。發(fā)展針對頁巖氣開發(fā)的地球物理技術應該是重點。而要達到這樣的目標：（1）進一步加強頁巖氣儲層巖石物理技術研究，完善頁巖氣

18、儲層的巖石物理實驗手段，在此基礎上，進一步發(fā)展針對頁巖氣勘探的地震資料保幅處理和高分辨率處理特色技術，研究頁巖氣儲層地政資料各向異性處理和多波反演技術； （2）在高質(zhì)量地震資料、反演資料、測井資料的基礎上，進一步研究頁巖氣儲層的地球物理響應特征、地震各向異性問題，并利用各向異性在理論上求解它們和頁巖層物性、裂縫和應力場的關系；形成可用于指導“甜點”預測、指導壓裂、指導水平井鉆探的軟件系統(tǒng)，并嘗試進行TOC、Ro等參數(shù)約束的地震反演進行儲層含氣豐度預測。（3）進一步加強微地震壓裂監(jiān)測技術研究，形成完整的微地震觀測系統(tǒng)優(yōu)化技術、微地震弱信號提取技術、有效微地震事件確定技術、微地震事件定位技術等，并

19、形成配套的軟件系統(tǒng)，服務于頁巖氣的開發(fā)工程。（4）研究前緣技術和理論，加強原始創(chuàng)新，通過加大與國外的技術交流與合作，并結(jié)合我們自身特點，最終形成有我國特色的用于頁巖氣開發(fā)的地球物理工作和技術流程。參考文獻參考文獻1 劉振武, 撒利明, 楊曉, 等. 頁巖氣勘探開發(fā)對地球物理技術的需求J. 石油地球物理勘探, 2011(05): 810-818.Z LIU, L SA, X YANG, et al. 2011(05): 810-818.2 夏一軍, 胡向陽, 魏水健. 頁巖氣勘探開發(fā)中地球物理技術的應用J. 地球物理學進展, 2015(04): 1798-1803.Y XIA, X HU, S

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