高效储层地震识别与评价技术：页岩气地震勘探

页岩气储层地震识别与综合评价技术是地球物理技术在页岩气勘探开发中最重要、最有价值的体现。地球物理技术不仅用于勘探阶段的资源评价，而且在开发阶段可直接为开发工程提供储层物性、页岩层裂缝和应力场数据，以降低勘探风险，提高勘探成功率，近年来取得了重要进展。

1.页岩储层识别技术

利用地震、地质遗迹测井资料，准确标定页岩层的顶底界面，分析目的层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、厚度遗迹分布范围，获得页岩层构造形态、断层展布遗迹沉积厚度特征、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。

在查明了页岩层的构造和沉积特征后，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。

2.页岩含气性检测技术

页岩储层的含气量决定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页岩气的勘探开发部署。利用地震技术对页岩储层进行含气性检测，目前已尝试使用的方法包括：叠后波阻抗反演、叠前AVO反演、叠前弹性阻抗反演和频谱分解等。

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可以反映储层的含气性，即波阻抗低值区代表低密度或低速区。因此，可以利用叠后波阻抗反演来定性预测储层的含气性。

2）叠前AVO反演

对于页岩气富集的储层，可导致储层体积密度减小、弹性波速度降低，同时对弹性模量、泊松比等含气性检测参数具有明显的影响。叠前AVO反演所依据的是岩石物理学理论和振幅随偏移距变化理论，即利用反射波振幅随炮检距变化关系曲线计算出截距P和斜率G两个参数，再通过对这两个参数的分析反演出所需的弹性参数，最终导出泊松比、拉梅常数、体积模量、切变模量和杨氏模量等弹性参数。这些参数反映了地下介质的岩性和孔隙流体性质，可对页岩气储层的含气性做出预测。

3）叠前弹性阻抗反演

叠前弹性阻抗反演中的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0°时的特例，它不仅具有叠后波阻抗反演的优点，而且还弥补了叠前AVO反演技术稳定性较差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页岩气储层的能力。

4）频谱分解

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，主要依据的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经过不含油气储层时严重。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，先对叠前地震数据进行分频处理，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。

3.泥（页）岩裂缝预测技术

对于泥（页）岩裂缝的研究，随着国内外大量泥岩裂缝油气藏不断被发现和近年来北美地区在海相页岩中对天然气勘探获得的巨大成功，表明在低孔、低渗、富有机质泥（页）岩中，当其发育有足够的天然裂缝或岩石内的微裂缝和纳米级孔隙及裂缝经压裂改造后能产生大量裂缝系统时，泥（页）岩完全可以成为有效的油气储层或储集体。天然裂缝系统发育程度不仅直接影响泥（页）岩油气藏的开采效益，而且还决定着泥（页）岩气藏品质和产量的高低，有助于泥（页）岩层中游离态天然气体积的增加和吸附态天然气的解吸。由于泥（页）岩裂缝性储集层各向异性很强，可采储量最终取决于泥（页）岩储集层内的裂缝产状、密度、组合特征和张开程度。那些具有低泊松比、高弹性模量、富含有机质的脆性泥（页）岩层段易于产生裂缝，是寻找高产油气井的主要目的层，更是勘探的首选目标。因此，在泥（页）岩油气藏勘探与开发中，对泥（页）岩裂缝的研究显得非常重要。系统研究裂缝性页岩气潜力，认识页岩气藏分布规律，不仅可以拓展非常规天然气开发领域，而且还有助于完善尚未运移出烃源岩的天然气的成藏理论。

裂缝预测是页岩气勘探开发中的一项关键技术，也是世界级科学难题，特别是微小尺度裂缝的定量预测，目前更是很难做到。

用地震方法进行裂缝检测的研究，先后经历了横波勘探、多波多分量勘探和纵波裂缝检测等几个发展阶段，形成了诸如横波地震勘探检测裂缝、转换横波探测裂缝、VSP（垂直地震剖面）法识别裂缝等技术。近几年来，在用纵波地震资料进行裂缝勘探方面取得了长足的进步，并开始由以前的定性描述向利用纵波资料定量（用数量描述）描述裂缝发育的方位和密度发展方向。目前，泥（页）岩裂缝地震预测可以采用的技术包括：基于地震构造解释和沉积分析的裂缝预测，叠后地震属性裂缝预测，叠前地震属性裂缝预测，P波方位地震属性裂缝预测，多波多分量地震属性裂缝预测，地震与测井综合裂缝预测，构造正反演裂缝预测，构造应力场模拟裂缝预测，地震波分形分析裂缝预测等。

1）基于地震构造解释和沉积分析的裂缝预测

这是一种基于成因分析的预测方法，它将裂缝预测转化为构造研究、沉积相分析、岩石物性分析、储层厚度预测等，从而间接预测裂缝发育规律。

该方法根据钻井、录井、测井等资料识别出泥（页）岩层段，通过泥（页）岩层段顶、底界面地震层位标定和拾取，得到构造图和厚度分布图；再利用地震属性分析或地震波形聚类等技术进行地震相分析和沉积相分析。在上述解释成果的基础上，分析泥页岩地层厚度大于30 m的有利沉积相带和分布范围、分析裂缝发育的有利构造部位等，都可揭示和预测裂缝分布和发育的规律。

沉积相就是沉积环境及在该环境中形成的沉积岩（物）特征的综合。地质上划分沉积相是根据沉积的物理、生物和化学等特征。根据地震相干分析划分地震相，主要是根据地震子波波形的变化，将该区目的层的地震波形进行相干分类，再与已知钻井资料进行对比，然后赋予地震属性分类图以合理的地质意义。从图1—1中L42三维区沉积相分布图上可以看出在该区发育了3个北东向的泥岩裂缝有利沉积相带。

图1—1　L42三维区沉积相分布（苏朝光，2002）

2）叠后地震属性裂缝预测

从地震数据中派生的多种多样的地震属性，有利于地质构造、地层、岩石/流体特性的解释，例如：能量、同相轴、频率（优势频率、平均频率、平均平方频率）、最大谱振幅、超过优势频率的谱面积、吸收品质因子、频率斜坡下降、频率滤波、瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率、振幅一阶导数、振幅二阶导数、余弦相位、包络加权相位、包络加权频率、相位加速度、薄层指示、带宽、Q因子、数学、位置、缩放比例、相干性（相似性）、谱分解、三维滤波、曲率、振幅梯度等。泥（页）岩地层中裂缝的存在造成了多种地震属性的变化，测量这些地震属性的变化可以进行裂缝预测。常用的预测方法包括：相干分析法、方差分析法、边缘检测分析法、传统地震属性分析法、沿层构造属性分析法、地震曲率分析法、分频数据分析法、吸收系数分析法、层间地震信息差异分析法、地震预测压力分析法。

3）叠前地震属性裂缝预测

叠前地震属性是在叠前地震道集（或角道集）数据的基础上，经过地震反演（包括AVO反演、地震弹性波阻抗反演）处理得到的有关地震波的运动学、动力学和统计学特征以及几何特征信息。叠前地震属性包括：纵波速度、横波速度、纵横波速度比、密度、振幅随炮检距（或入射角）变化量、纵波阻抗、横波阻抗、弹性波阻抗、截距、梯度、烃类指示因子、流体因子、泥质百分含量、孔隙率、泊松比、拉梅系数、体积模量、剪切模量以及一些复合参数等。地层中裂缝的存在会造成一些叠前地震属性的变化，利用这些对裂缝敏感的叠前地震属性可以预测出地层中的裂缝发育带及其含油气性，如图1—2所示为某地区沿层AVO属性分析裂缝预测的结果。

(www.xing528.com)

图1—2　某地区沿层AVO属性分析对比（张昕，2005）

（a）叠后振幅；（b）梯度截距乘积；（c）泊松比

4）P波方位地震属性裂缝预测

P波方位地震属性裂缝预测又称为纵波方位各向异性裂缝检测。如果岩石介质中的各向异性是由一组定向垂直的裂缝引起的，根据地震波的传播理论，当P波在各向异性介质中平行或垂直裂缝方向传播时具有不同的旅行速度，从而导致P波地震属性随方位角变化中分析这些方位地震属性的变化（如振幅随方位角变化、振幅随炮检距和方位角变化、速度随方位角变化、传播时间随方位角变化、频率随方位角变化、波阻抗随方位角变化等），可以预测裂缝发育带的分布以及裂缝（特别是垂直缝或高角度缝）发育的走向与密度。该检测较基于常规叠后地震资料的裂缝检测精度更高，其检测结果与裂缝发育带的微观特征有更加密切的关系。

5）多波多分量地震属性裂缝预测

转换横波在裂缝介质中依其入射方位与裂隙走向的相对关系而发生不同的分裂。垂直时只产生慢波，平行时只产生快波，在其他方位上则观察到快慢两种横波。分裂的快慢波的强弱和时差与裂缝的强度密切相关，因此，横波分裂成为研究储集层裂缝方向及其发育程度的最直接、最可靠的方法之一。所以，利用多波多分量地震勘探的分裂快慢横波，采用相对时差梯度法等，可研究页岩气储集层裂缝方向及其发育程度。

6）地震与测井综合裂缝预测

由于地震资料在空间上具有数据点多、分布均匀的特点，利用地震方法进行裂缝预测，可以在区域上了解裂缝发育的空间分布，但由于各种地震属性对裂缝相应均存在一定的多解性，因此预测精度受到了限制，不能精细地描述出裂缝发育情况。而测井曲线在纵向上有很高的分辨率，可分辨出0.5 m左右的层段，还能测量出储层裂缝的倾角、走向、宽度、长度、视孔隙度，以及裂缝的充填与开启程度，甚至能识别出微裂缝及亚微观裂缝。但是由于井点分布和密度的影响，裂缝在空间的分布预测则受到了限制。因此，近年来强调充分利用测井资料和地震资料的各自优势，利用测井曲线识别出裂缝发育的位置进而结合地震数据来达到在剖面上和区域上更好地预测裂缝发育带的目的。目前在地震与测井综合裂缝预测中使用的方法有：泥（页）岩裂缝储层特征参数提取和储层特征反演法，BP（Back Propagation）神经网络法，基于GA—BP（Genetic Al-gorithms Back Propagation）理论的储层视裂缝密度地震非线性反演法等。

7）构造正反演裂缝预测

构造裂缝与大地构造运动及岩石变形过程密切相关。从分析简单褶皱的力学模式入手，通过对地层的构造发育历史进行反演和正演来计算每期构造运动对地层产生的应变量，从而计算可能的裂缝发育带该预测在国内外许多地区的实际应用中取得了很好的效果。近些年发展了一系列先进的运动学和非运动学构造恢复方法，可应用于逆冲褶皱带、扩张带，并能解决反转、盐丘和走滑等复杂构造。该项技术中，构造恢复和正演都采用较先进的算法，能够适用于逆冲褶皱带、扩张构造带，并能解决反转构造和走滑构造的恢复。

8）构造应力场模拟裂缝预测

地壳岩体的变形和裂缝系统的形成常常受到构造运动及其作用强度的影响，裂缝的产生同构造应力场分布密切相关。构造应力场数值模拟技术是数学力学手段的一种模拟方法，利用这种模拟技术，计算出研究区内主应力和剪切应力的分布，可预测出研究区内裂缝发育带的宏观平面分布。

数值模拟技术是对储层构造裂缝进行定量预测及确定构造裂缝空间分布的一种有效方法。李辉等（2006）介绍了用于裂缝预测的数值模拟，包括：构造应力场数值模拟、变形数值模拟和岩层曲率数值模拟。

构造应力场数值模拟是在建立地质模型的基础上，用有限元法计算各点的最大主应力、最小主应力、最大剪应力、岩石的破裂率、裂缝密度、应变能、剩余强度等裂缝预测参数，并计算各点的主应力方向和剪应力方向，然后根据岩石的破裂准则来预测裂缝发育带和延伸方向，或者根据应变能计算裂缝发育程度。也可以将破裂率和应变能结合起来，用二元拟合的关系来标定裂缝密度。

9）地震波分形分析裂缝预测

裂缝是在应力作用下岩石未发生明显位移的破裂。自然界分布最为广泛的是构造裂缝，其走向、分布和形态都受局部构造应力作用方式所控制。断层与裂缝都是地应力作用的结果，是地层受力的反映。研究表明，天然裂缝系统是一个分形体系。该法借助地震分辨断裂的分布特征，再根据其自相似性（因为大断裂和微断裂往往受到同一英里长的控制），预测地震分辨率以内的断层和裂隙分布。把分形分维技术引入到利用地震资料预测裂缝中是方法上的一种尝试。通过分形分维反映裂缝与断层的内在联系，对裂缝分布规律可作半定量的预测，将它与对裂缝地震波特征异常的分析相结合，应用效果更好。

4.脆性地震预测技术

页岩的脆性对工程压裂裂缝的发育模式有非常重要的影响，页岩的脆性越高，越容易产生裂缝，因此，在寻找有利压裂区域时，分析页岩的脆性是非常重要的一个方面。决定页岩脆性的是它的力学性质，工程上通常使用杨氏模量和泊松比作为评价页岩脆性的标准。

杨氏模量和泊松比表示岩石在外界应力作用下的反映。杨氏模量的大小标志着材料的刚性大小，杨氏模量越大，说明岩石越不容易发生形变；泊松比的大小标志着材料的横向变形系数大小，泊松比越大，说明岩石在压力作用下越容易膨胀。不同的杨氏模量和泊松比的组合表示岩石具有不同的脆性，杨氏模量越大，泊松比越小，页岩的脆性越高。

不同杨氏模量和泊松比组合所具有的脆性指数为利用弹性参数反演方法来预测页岩脆性提供了一定的理论依据。对于页岩气勘探开发时间较长的地区，这种评价标准相对比较容易建立，通过统计有利开发区页岩的杨氏模量和泊松比，就能够建立起适用于该地区的页岩脆性评价标准。根据北美Barnett地区优势页岩的弹性参数统计结果，杨氏模量有利范围大约为27.6 ～34.5 GPa，泊松比的有利范围大约为0.2 ～0.3，而且两者之间具有非常好的线性关系（Grigg，2004）。通过圈定有利的杨氏模量和泊松比的分布范围以及建立两者之间的相互关系，可以用于后续页岩地层的脆性评价。

5.泥（页）岩有机质丰度地震预测技术

TOC地震预测一直存在较大争议，地震资料能否实现TOC的预测，地球物理学界和工业界也进行了一些有益的探索，取得了一些进展。

通过叠后波阻抗可对TOC进行地质统计学反演。地质统计学一词是马特隆于1962年首先提出的，按照他的定义，“地质统计学是随机函数形式体系对于自然现象的调查与估计的应用”。地质统计学是以区域化变量为基础，借助变差函数，研究既具有随机性又具有结构性，或空间相关性和依赖性的自然现象的一门科学。它由四个部分组成——区域化变量理论、空间变异性（变差函数）分析、克里金技术和随机模拟。页岩TOC含量的地质统计学反演技术将TOC含量参数视作区域化变量，利用变差函数从已知井数据分析其空间变异规律，利用克里金技术求解其未知点的分布特征，通过随机模拟手段综合井、震信息对未知点进行赋值，进而得到TOC含量数据体。

通过叠后多性属性可对TOC进行神经网络反演。对于页岩气储层，传统的TOC含量的测量是通过实验室对岩石样品进行分析得到的，这种方法只能得到有限的样品点数据，往往是非常昂贵和耗时的。而且该方法受到岩心样品数量、岩屑分析的可靠性的限制与影响，其分析结果在纵向上是不连续的。由于有机质具有独特的物理性质，使得其测井响应相较非烃源岩层段有明显的差别。通过测井数据也可以对识别烃源岩和对烃源岩的含烃潜力进行评价。但是两种方法得到的都是地下局部的信息。那么，如何才能精确地在空间上预测TOC含量的值呢？考虑到地震数据广阔的覆盖范围和空间上的连续性，研究如何通过多属性分析将地震数据转换为TOC含量的值是很有必要的。岩石物理的研究表明，富含有机物的页岩声波阻抗随着总有机碳含量的增大，反而非线性地减小。因为页岩中混合了低密度有机物，显著降低了声波阻抗。同样TOC含量的变化也可以引起其他的地震属性发生变化。因此可以通过多属性分析，建立神经网络模型，将地震数据转化成TOC含量的值，从而得到TOC的空间变化。

基于岩石物理分析的TOC含量叠前弹性参数反演是通过岩石物理分析，认为TOC含量不仅与密度有负相关关系，而且与页岩的矿物含量有密切的关系。TOC含量越高其阻抗越低，脆性指数越小，通过岩石物理分析得到所谓的回归公式，进行TOC含量预测。

6.泥（页）岩地应力地震预测技术

从地球物理和资料来源的角度来说，确定地下应力场的方法主要有三种：① 实验室测量，是在实验室通过对岩样进行加载压力，测其形变量得到的，这是最精确的办法，但是受资料和成本限制，不能够形成连续的数据体；② 通过建立模型，使用测井资料计算地应力的数值，并且通过其他资料，比如钻井中井壁的崩落，成像测井中裂缝的方向等判断最大、最小主应力的方位，以确定水平主应力的大小和方位，随后据此得到井中的应力剖面，是可以大规模应用的办法，但是在建模或者使用经验模型的过程中，需要一定量的实验室数据进行标定及参数的确定，如果无标定，得到的结果误差可能比较大；③ 在测井的基础上，使用地震资料获得地下应力场信息。

从地震资料出发估计地下应力场，可对钻井及水力压裂提供极为重要的资料。由于所需资料及参数较为苛刻，从实验室测量确定参数并使用测井数据求取地应力的方法无法推广到地震资料中使用。使用地震资料评估地下应力有直接方法与间接方法两种：直接方法是对应力与弹性参数关系进行简化，求取表征地下岩石破裂的最小闭合应力；间接方法则是通过应力与弹性参数之间的关系讨论地下最小闭合应力的大小。