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时间:2020-11-27 05:56  编辑:wendj

页岩气勘探开发中的地震技术

页岩气作为非常规油气资源,与常规油气资源相比,一般情况下,页岩气的富集并不形成类似于常规油气的圈闭,存在局部富集的差异,没有明显的边界,属于“自生自储”型的低丰度连续的油气藏,在勘探开发过程中,有着不同的评价标准、工作流程和技术流程。因此,需要结合页岩气勘探开发的实际情况,认真审视常规油气勘探开发中发挥巨大作用的地球物理技术(尤其是地震技术)的定位,分析地震技术在页岩气勘探开发中的作用。

岩气储集在厚层的泥页岩中(中间可以有薄夹层),解释、识别这样的地层相对比较容易,从勘探到开发都离不开地震勘探技术。以地震技术为主体的气藏描述是页岩气储层识别与评价的核心,具体地震勘探任务包括查明页岩层的深度、厚度、分布范围、产状形态,寻找页岩层内有机质丰度高、裂缝发育、渗透性好、脆性大的部位,即页岩气“甜点区”。微地震监测是一种主要用于油气田开发的新的地震方法,主要包括井中微地震监测和地面微地震监测,主要用于在水力压裂作业过程中,了解裂缝的走向和评价压裂的效果,对诱导裂缝的方位、几何形态进行监测。

1页岩构造解释与优选

1.1页岩层位解释

利用地震、地质以及测井资料,准确标定页岩层的顶底界面,分析目的层页岩层段的地震波响应特征在地震剖面上识别和追踪页岩储层,确定页岩层的深度、厚度以及分布范围,获得页岩层构造形态、断层展布以及沉积厚度特征等。结合区域构造及沉积环境的研究,单井地质剖面测井解释以及地震属性分析,划分页岩层段沉积微相类型和沉积微相变化规律,确定有利的页岩层沉积微相发育特征以及展布范围。

1.2优质页岩预测

图1龙马溪组页岩层自然伽马反演剖面图(据李志荣,2011)

在查明了页岩层的构造与沉积特征后,需要在页岩的构造-层序格架内寻找优质页岩发育区域,即圈定页岩有机质丰度、成熟度高的位置。通过页岩实验测试数据与测井分析,建立测井-岩电关系模板,在分析优质页岩储层与地震反射波响应特征的基础上,通过井震联合反演确定优质页岩发育位置。例如,优质页岩与普通页岩相比具有有机质含量高、自然伽马数值高的特点,据此进行井震联合反演,能够对优质页岩层进行很好的预测(图1)。

2页岩含气性检测

页岩储层的含气量决定了页岩气开发是否具有商业价值,所以对页岩含气性检测直接决定了页岩气的勘探开发价值。目前对页岩储层进行含气性检测的地震技术主要有叠后波阻抗反演、叠前AVO反演、地震属性分析技术和叠前弹性阻抗反演以及频谱分解技术。

2.1叠后波阻抗反演

叠后反演的基础是褶积模型,即地震数据可以看作地震子波与反射系数的褶积。通过压缩子波的反褶积处理,将地震数据转换为近似的反射系数序列,然后再由反射系数序列得到波阻抗剖面。随着页岩层含气量的增大,储层体积密度和层速度会降低,从而导致波阻抗值减小,所以在页岩层的地质模型约束下拾取页岩层波阻抗数据,其波阻抗低值区代表低密度或低速区(图2),也是预测的储

图2龙马溪组页岩气层波阻抗反演剖面

层含气区。

2.2叠前AVO反演

AVO反演所依据岩石物理学理论和振幅随偏移距变化理论,借助于Zoeppritz方程或近似式,对CDP道集反射振幅的变化作最小平方拟合,直至理论值与观测值很好的拟合,利用振幅随炮检距变化关系曲线计算出截距P和梯度G两个参数,再通过这两个参数反演出所需的弹性参数,进而进行岩性、流体识别.

由于页岩气富集,导致储层体积密度减小。弹性波速度降低,对含气性检测参数具有明显的影响。美国EagleFord)页岩气层通过叠前AVO技术,反演出与储层孔隙流体性质相关的λρ参数,由于含气储层具有低λρ值,据此预测页岩储层含气有利区(图3).

2.3叠前弹性阻抗反演

PatrickConnolly将纵波反射系数随炮检距变化的思想引入叠后地震道的正-反演问题中,率先提出了弹性阻抗(Ze)为纵波速度、横波速度、密度和入射角的函数。

图3EagleFord页岩气层λρ属性图(据GalenTreadgold,2010)

弹性阻抗函数是对声波阻抗概念的推广,它是入射角的函数,声波阻抗是弹性阻抗入射角为00时的特例,其不仅具有叠后波阻抗反演的优点,而且还弥补了叠前AVO反演技术稳定性和分辨率较低的不足,同时弹性阻抗较波阻抗包含更多的岩性和物性信息,增强了反演技术预测和描述储层的能力.

2.4频谱分解技术

频谱分解技术是一项基于频率谱分解的储层特色解释技术,主要依据是含油气储层的高频吸收特性,即当地震波经过含油气储层时,其高频成分能量衰减较地震波通过不含油气储层时严重。目前该技术在常规储层流体检测中已初见端倪,但在页岩气检测中应用较少。

在频谱分解技术与常规AVO反演技术基础上,综合两种方法各自的优势,产生了分频AVO技术与频变AVO技术。分频AVO技术,是采用分频技术,先对叠前地震进行分频处理,然后在分频数据的基础上实现AVO油气检测。频变AVO技术是基于AVO的Zoeppritz方程,建立反射系数与频率之间的数学关系,推导出截距、梯度、碳氢检测因子等属性与频率之间的数学关系,综合地质、地震、测井等数据,反演出高精度的频变AVO属性,检测页岩气储层。程冰洁(2012)等人在川西新场地区3D3C(三维三分量)叠前地震资料进行频变AVO处理并获得了流体检测因子和拟泊松比两种频变AVO属性,并对含气性进行了预测解释。。图4中,流体检测因子的值在彩色区域较大,在空白区域较小,这与钻井吻合较好,这说明流体检测因子越大,含气的可能性越大;图5中,高产井都具有较强的频变拟泊松比异常区(红色区域),低产井区并未出现出现异常(程冰洁,2012)。

图4新场Tx24层段流体10HZ检测因子含气性识别平面图(据陈冰洁等,2012)

图5新场Tx24层段流体10HZ才与15HZ频变拟泊松比含气性识别平面图

2.5地震属性分析技术

地震属性分析就是利用属性提取手段,从地震资料中提取隐藏的信息,并将其转换成与岩性、物性相关的参数,可以为地质解释或油藏工程直接服务,从而达到充分发挥地震资料潜力,提高地震资料进行储层预测和表征的能力。

地震属性优化及其综合解释技术,全方位地利用地震资料,将多属性提取与分析融为一体,这在一定程度上克服了地震解释的多解性,能更好地为地质综合研究服务。

3页岩总有机碳含量(TOC)预测

页岩的总有机碳(TOC)含量(以下称TOC质量分数)是评价页岩生烃能力最重要的指标参数。页岩是一种有机质丰度很高的烃源岩,因而对页岩TOC质量分数的预测可参照烃源岩的评价方法来进行。对页岩的总有机碳评价对油气的勘探开发有很大意义,可以预测页岩的生烃潜力。除实验室检测方法外,对烃源岩TOC质量分数的评价主要以测井资料为主,且评价方法很多,其中采用电阻率-孔隙度重叠法进行单井TOC质量分数评价[1,2]最为广泛。对于页岩TOC质量分数的横向分布预测,研究发现其可通过地震多属性反演方法来实现。地震多属性反演就是在三维地震资料和钻井、录井、测井等资料解释的储层物性、含气性和岩石地化指标等目标参数的基础上,经过构造解释拾取层位,提取和优化地震属性,建立地震属性或组合与已知目标参数之间的统计关系来反演目标参数分布的技术。金吉能(2012)等通过地震多属性反演建立起了多属性组合和总有机碳含量的相关关系,且相关系数很高,并最终得到了页岩TOC质量分数预测平面图(图6),通过井震结合对比分析验证了这个方法的可行性,相关系数很高(图7)。

图6某区块的TOC质量分数平面分布预测

图7各井点处的TOC质量分数实测值和预

4页岩裂缝预测

相对于常规油气藏,页岩气的成因类型、富集机理及生产机制等都具有一定的特殊性,页岩气产量高低直接与泥页岩内部天然微裂缝发育程度有关,这说明微裂缝的存在某种程度上提高了水力压裂效应的有效性,从而极大改善了泥页岩的渗流能力,为页岩气从基岩孔隙进入井孔提供了必要的运移通道[3-6]。同时,泥页岩中的小孔洞、微裂缝和纳米级微孔隙也是页岩气的重要聚集空间,除了以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面外,还有大部分页岩气以游离状态赋存于微小的孔隙之中[3,7-8].而页岩气产量高低直接与泥页岩内部天然微裂缝发育程度有关,裂缝的存在某种程度上提高了水力压裂效应的有效性,从而极大改善了泥页岩的渗流能力,故裂缝预测对页岩气的勘探开发具有很重要的指导意义。目前应用的地震裂缝预测技术方法主要有三大类,即转换波裂缝检测、纵波方位各向异性检测和叠后地震属性分析[9]。

4.1多分量转换波检测裂缝

20世纪80年代以来,随着各向异性研究的深入,特别是横波分裂现象的发现和多分量地震检波器的研制成功,使得应用多分量转换波研究裂缝成为可能。转换波勘探克服了纯横波勘探激发难、成本高、静校正量大等缺陷,同时具有所得信息多、兼有纵波和横波的优势、资料信噪比较高、频带较宽、勘探深度较大等优点,使得多分量转换波勘探成为油气储层探测的有力工具。从多分量转换波资料中确定裂缝的方向和密度也成为地震勘探的重要目标之一[21]。Ata等[22]给出了在委内瑞拉通过三分量地震进行裂缝检测的应用实例;VanDok等[23]、Gaiser等[24-25]给出了利用转换波进行裂缝表征的实例;Grechka等[26-27]探讨了在利用多方位、多分量地震资料进行裂缝参数预测时不同裂缝等效介质模型的适用性;Vasconcelos等[28]、Engelder等[29]、Bale等[30]、Roxana等[31]、Tang等[32]和蔡希源等[33]也都给出了利用转换波数据进行裂缝预测的实例(图8)。

图8横波分裂时差和纵波相干体预测的裂缝分布(据蔡希源等,2010)

在处理多分量资料时,判别快、慢横波是否完全分离是多分量裂缝预测的关键。其中比较有代表性的方法包括最小熵旋转法[34]、正交基旋转法[35]及全局寻优法[36]。Dumitru等[34]提出的最小熵旋转法,无需互相关法中快、慢波波型相似这一假设条件,可以对快、慢横波的方向作出评估。用最小熵旋转法计算的裂缝走向较为准确,尤其是快、慢波时差较大的情况下。然而,如果快、慢波时差较小,该方法受干涉影响,精度降低。黄中玉等[35]提出正交基旋转方法基于快、慢横波为正交偏振这一假设条件,推导出野外采集系统坐标与自然坐标之间夹角的解析关系式,从而实现快、慢横波分离,估算地层裂缝发育方位,实现裂缝检测的目的。理论模型测试结果表明,正交基旋转法具有较高的准确性与可靠性,但受资料信噪比的影响较大。如果地下有多层各向异性介质,且方位角各不相同,则快、慢波分离过程要复杂得多。Dariu[36]把全局寻优法中的模拟退火技术引入到裂缝探测工作当中,开发了一种自动逐层估算极化方向和快、慢波时间延迟技术。

转换波裂缝检测常用的方法有相对时差梯度法和层剥离法[32-33,37-39]。相对时差梯度法是一种在数据体上计算裂缝发育方位和密度的方法,其步骤为:首先分时窗扫描裂缝发育方向;然后将各方位的径向分量和横向分量数据旋转到裂缝方向上得到快、慢波数据体;最后计算快、慢波的时差数据体,并计算其梯度以获得反映裂缝发育密度的相对时差梯度数据体,用以检测裂缝在空间上的发育情况。层剥离法是一种沿层位进行检测的方法,其步骤为:首先沿目的层顶面计算裂缝发育方位和密度,并通过时间补偿和旋转分析,消除上覆地层各向异性的影响;然后在目的层底界面分析裂缝发育方位和密度,以获得某一特定勘探目的层的裂缝发育方位和密度。

4.2纵波方位各向异性检测裂缝

尽管裂缝诱导的方位各向异性对纵波、横波和转换波的传播特征有着重要的影响,但早期研究关注的重点是近垂直入射情况下分裂横波的时间延迟及反射振幅的变化。虽然此类研究能给出垂直裂缝系统的方位和强度(裂隙密度)信息,但横波类的检测方法对裂缝充填物的响应并不敏感。随着研究的深入,研究者逐渐认识到纵波信号所携带的与方位相关的变化特征不仅可用于解决裂缝的方位、密度问题,而且对了解裂缝充填状况有所帮助[15]。纵波检测裂缝方法由于费用和资料品质等方面较之于横波、转换波更具优势而日益受到重视。应该说,纵波裂缝检测方法具有非常好的发展前景,但对由地震得到的各向异性参数与裂缝系统参数之间关系的充分研究是相关方法成功应用的先决条件。目前利用纵波各向异性进行裂缝检测的方法有动校正(NMO)速度方位变化裂缝检测、正交地震测线纵波时差裂缝检测、纵波方位AVO(AVOZ/AVAZ)和纵波阻抗随方位角变化(IPVA)裂缝检测方法。

在各向同性介质中,反射波的时距曲线是抛物线形式,在进行叠加之前,需要进行动校正(NMO),这时的叠加速度(NMO速度)是一个常量。在裂缝诱导的EDA介质中,由于各向异性的存在,不同方向的NMO速度随EDA介质对称轴和地震测线之间的夹角不同而改变[40-43].。此时,NMO速度在水平面内的轨迹是一个椭圆(HTI介质情况下),椭圆的长轴平行于裂缝的走向,短轴平行于HTI介质的对称轴(即垂直于裂缝走向)。据此对三维地震数据沿不同方向的CMP道集进行精细速度分析,求取NMO速度(即叠加速度),并在平面上模拟NMO速度的椭圆轨迹,椭圆的长轴指向即为裂缝发育方向。

正交地震测线纵波时差裂缝检测的原理和动校正(NMO)速度方位变化裂缝检测方法类似,也是依据速度的各向异性变化特征,但着眼点是因方位速度差异引起的纵波方位时差响应。对于固定的炮检距而言,垂直排列裂缝发育目的层(HTI)的层间纵波方位时差(AzimuthalMoveoutRseponse,AMR)是地震测线和裂缝走向之间2倍夹角、偏移距以及各向异性系数的函数[43-45]。通过对几组正交测线的层间AMR进行计算分析,可以推断裂缝走向,进而反演出各向异性参数[43-47]。

纵波方位AVO(AVOZ/AVAZ)裂缝检测方法相对于基于速度方位异常的纵波检测方法来说,在一定程度上减少了上覆地层的影响,能够提供关于裂缝及其充填流体的更为准确、详尽的信息[16,19,48](图9)。在各向同性介质中,由于泊松比的变化造成纵波反射系数随入射角变化[13]。在裂缝诱导的各向异性介质中,弹性参数如泊松比的变化只是引起方位AVO响应特征的一个因素。尽管纵波方位AVO响应在裂缝检测中是非常重要的地震响应特征,但在实际应用中,由于岩石弹性参数及流体存在的影响,有时由于裂缝各向异性造成的方位AVO特征并不是特别明显[19]。即便观测到了较为清晰的方位AVO响应特征,也需要结合NMO速度的椭圆轨迹分析和相应的流体替换模型来进行进一步的研究[49-50].

图9AVO斜率G方位性差异值T6反射层层位切片(刘朋波等,2008)

红色反映北东向裂缝,蓝色反映北西向裂缝

由于AVOZ方法受噪声影响较大而稳定性差[51],速度随方位角变化分析方法(VVA)只能识别大套储层,对于薄层分辨率不够。在AVOZ方法基础上出现了波阻抗随方位角变化来预测裂缝型储层的方法(IPVA)[52-53]。将该方法应用于罗家裂缝发育地区的全方位三维P波地震资料分析中,分析结果表明,与AVOZ和VVA方法相比,IPVA方法具有更好的稳定性和分辨率。该方法可以作为纵波方位各向异性裂缝检测方法的重要补充。

4.3叠后地震属性分析裂缝

叠后三维地震属性分析是裂缝识别与预测的方法之一。在已有研究中,振幅类、频率类、相位类地震属性以及一些分析技术(如地震波形分类、时频分析、沿层切片等)已被广泛应用于识别和预测裂缝发育带[54]。由于裂缝形态的特殊性,以上地震属性及分析技术更适用于推断裂缝发育区的概貌,而较为精细的裂缝地震属性分析主要围绕地震反射波形的突变(不连续性)来开展,主要有曲率分析、相干分析和频谱分解等技术(图10)。

图10沿着不同属性提取的Woodford层切片(据郭艳霞,2011)

(a)相干属性,(b)波阻抗,(c)显示的是(a)和(b)的叠合图,注意到断层处一般表现出低波阻抗特征(黄色、绿色);(d)构造负曲率,(e)波阻抗能量负曲率。(f)显示的是(d)和(e)的叠合图

从几何地震学的角度看,反射点集合可以视为一个时间标量场,该标量场某一反射面的梯度反映的是该反射面的起伏变化率,即单位反射时间内反射面沿不同方向的变化增量,表示的是反射曲面沿方向矢量所在法截面截取曲线的一阶导数———视倾角的大小;而该方向上的曲率定义为该曲线上密切圆半径的倒数,亦即为该方向上该曲线的二阶导数。由此可见,看似复杂的地震几何属性系列不过是沿不同方向计算的一阶、二阶导数体。很多研究者,如Roberts[55],Hart[56]和Sigismondi等[57]发表了运用地震反射曲率属性预测裂缝的研究实例。在诸多曲率属性之中,最大正曲率和最小负曲率对裂缝识别最有价值。近几年较为突出的进展是Marfurt[58],Chopra[59]和Al-Dossary等[60]在三维曲率体计算、构造倾角滤波、多尺度曲率分析等方面的研究成果。

相干分析技术通过对地震波形纵向和横向相似性的判别,得到地震相干性的估计值,相似地震道具有较高的相干系数,而不连续性强的地方具有较低的相干系数。Bahorich[61]等于1995年介绍了第一代相干算法,该算法建立在归一化互相关基础上,效率高,但抗噪性能差。Marfurt等[62]在1998年给出了基于多道相似性的第二代相干算法,该算法提高了抗噪能力和计算结果的垂向分辨率,但是计算道数的增加降低了侧向分辨率[60]。1999年,Gersztenkorn等[63]提出了基于本征结构的第三代相干算法。与第一代、第二代算法相比,第三代相干算法在抗噪性能、纵横向分辨率等方面有了明显改善,但计算耗时较大。此后又有一些新的改进算法,如Randen等[64]的几何结构张量方法Cohen等[65]局部结构熵估算等。目前,相干分析在断裂解释及裂缝预测中的应用已经非常普遍,在裂缝预测中,相干分析结果多和地震几何属性———倾角/方位角叠合显示(图11)。

图11YC凹陷某亚段相干属性裂缝预测图(据陆明华等,2013)

频谱分解提供了一种在地震带宽范围内从不同离散频率尺度对地下地质特征进行解释的手段。该技术被广泛应用于沉积旋回性分析[66]、薄层厚度预测[67]、地震古地貌分析[68]、烃类检测[69]等方面。在应用过程中,出现了短时傅里叶变换、小波变换等多种频谱分解算法。频谱分解应用于裂缝检测的基础是地震反射不连续性特征相应于地质异常具有多尺度性,通过生成不同频率数据体,利用纵横向上时频点或时频段上的频谱差、频谱比、频谱下降率等描述不同尺度的地震波衰减特征,揭示裂缝发育带,乃至对其含油气性进行检测(图12)。除此之外,频谱分解也常与曲率分析、相干分析配合使用,作为研究特定频率成分不连续性特征的一种数据预处理手段[54].

与裂缝识别相关的叠后地震属性分析是近年来业界的一个研究热点。按照BobPeebler(2008)的说法,适应于石油工业的需要,地震勘探可划分为1970年之前的二维地震、2000年之前的三维地震、2000年之后特别是2007年之后的全波地震3个时代[70]。今天,相对于全波数据,三维纵波勘探已有的庞大的数据量以及较为完备的技术基础,使得三维叠后属性分析手段在裂缝预测方面仍然具有较为广阔的发展空间,这也是2000年之后,倾角/方位角/曲率、相干分析、地震结构/纹理属性(能量、熵、对比度、均质性)等地震几何类属性不断呈现的原因所在[71-72]。

图12川南威远构造上的W112井裂缝及油气检测(据李煜伟等,2013)

5页岩气开发井中地震技术

井中地震技术是在地面地震技术基础上向“高分辨率、高信噪比、高保真”发展的一种地球物理手段,在油气勘探开发中,可将钻、测井和地震技术很好的结合起来,成为有机联系钻测井资料和地面地震资料对储层进行综合解释的有效途径。

5.1微地震监测技术

微地震监测是一种用于油气田开发的新地震方法,该方法优于利用测井方法监测压裂裂缝效果,在压裂施工中,可在邻井(或在增产压裂措施井中)布置井下地震检波器,也可在地面布设常规地震检波器,监测压裂过程中地下岩石破裂所产生的微地震事件,记录在压裂期间由岩石剪切造成的微地震或声波传播情况,通过处理微地震数据确定压裂效果,实时提供压裂施工过程中所产生的裂缝位置、裂缝

图13地面接收信号微地震监测原理图(据贾利春等,2012)

方位、裂缝大小(长度、宽度和高度)、裂缝复杂程度,评价增产方案的有效性,并优化页岩气藏多级改造的方案。图13是地面接收信号的井下微地震裂缝监测工作原理图,压裂井和监测井位于同一井区,压裂井压裂施工过程中产生的微地震信号通过地层向周围传播,位于邻井中的接收器接收这些信号并传至地面数据采集器,处理后可得到微地震监测图。图14是在以邻井布置井下地震检波器为列展示了微地震监测压裂裂缝的微地震事件。从图15可以看出微地震活动性表征的复杂裂缝系统显示,裂缝模式随时间推移而扩展。

图14邻井接收信号微地震监测原理图(据罗蓉等,2011)

图15微地震监测压裂裂缝的微地震事件图(据weatherford公司)

5.2其他井中地震技术

由Zero-OffsetVSP、OffsetVSP、WalkawayVSP、WalkaroundVSP逐步发展到3DVSP技术,都是较为成熟的井中地震技术。其中,3DVSP技术和微地震采集配套施工配合监测储层改造人工裂缝发育分布状况是国外石油大公司的通常做法。3DVSP观测是一种可靠的识别裂隙方向和裂隙密度分布的方法,3DVSPP-P和P-S成像用于陆上构造解释,可大大改善纵、横向分辨率和断裂系统分辨率。3DVSP测井与地面地震结合体现了综合地震勘探能力。此外,四维地震可用于检测在生产过程中,随着温度压力变化页岩气(游离气及吸附气)的变化情况,以助页岩气开发优化开采。井驱动地震数据处理是一种提高地震数据处理水平和质量的手段,也是发展趋势,使用这种技术配套,需要提高地震资料处理技术人员的整体水平。

6结语

全国页岩气资源调查显示我国页岩气资源潜力巨大,但其勘探开发是一个全新课题,目前研究程度低#勘探开发技术较薄弱,特别是页岩气地震技术仍处在探索阶段。针对页岩气地质特点,综合运用地震属性、地震反演、频谱分解、各向异性等技术,对页岩储层分布、厚度、含气性、裂缝发育、力学特征以及压裂缝监测等方面进行研究,进而寻找页岩气富集“甜点区”将是页岩气地震勘探技术的主要研究方向。

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