页岩气地震勘探技术：TOC地球物理响应特征

为了得到有机质含量对岩石弹性性质的影响，需要建立反映微观的岩石特征与宏观的物理特征之间的对应关系的岩石物理模型。利用富有机质泥页岩3D SCA—DEM岩石物理模型，来分析有机质对于岩石弹性特征的影响。首先在固体背景条件下建立不同孔隙形状充填物的干岩石，然后利用Gassmann方程进行流体替代，最后利用Brown-Korringa方程进行固体替代将有机质充填到孔隙中。设计富有机质的石英—黏土组成的泥页岩，固定其孔隙度为15%，且为100%水饱和。图5—8为球形孔隙条件下，有机质对于岩石弹性性质的影响的交会图。从图中可以看出，黏土含量较低的情况下，岩石显示低纵横波速度比（P/S）、高杨氏模量（E）及低泊松比（υ）的特征；黏土含量较高的情况下，有机质对于纵横波速度比、杨氏模量、泊松比的影响降低。图5—9为便士状裂缝孔隙条件下（孔隙纵横比＝0.1），有机质对于岩石弹性性质的影响的交会图，从图中可以看到，当黏土含量较低的情况下，与球形孔的情况类似，但影响幅度略显不同；当黏土含量很高的情况下，岩石显示出高纵横波速度比、低杨氏模量、高泊松比的特征。并且对于纵横波速度比与泊松比，在有机质含量达到一定程度时，黏土含量对于岩石弹性性质的影响会发生突变。通过以上的分析表明，有机质对岩石弹性性质会产生一定的影响，但这种影响敏感程度是黏土含量依赖与孔隙类型依赖的。有机质对于低黏土含量时的岩石弹性特征具有明显的影响，并且这种影响是孔隙类型依赖的；对于高黏土含量时，针对球形孔隙，固体有机质充填物一定程度上被黏土的影响所掩盖；但是对于便士状裂缝孔隙，其影响是不容忽视的。

同样，国外很多学者也进行了类似的研究工作。Zhu等（2011）对页岩有机质丰度和矿物组分引起的地球物理响应特征的变化进行了研究，其中地球物理响应特征选取了纵波阻抗和纵横波速度比，通过这种定性分析，能够直观地理解有机质和矿物组分对纵波速度以及纵横波速度比的影响。如果能从地震数据中提取出这些属性参数，就能够反过来直接推测页岩油气储层的有机质丰度分布情况。

Passey等（2010）证实页岩气储层的矿物组分变化非常大，如图5—10所示，对于富含硅质的岩石和富含黏土的岩石，黏土、石英和方解石的相对组分（质量分数）跨度非常大。Zhu等（2011）根据页岩矿物组分的不同将页岩分成了富含硅质页岩和富含黏土页岩两大类型。在进行岩石物理模拟时做了以下假设条件：① 对于富含硅质的页岩，TOC与石英含量成正比，而与黏土含量成反比。对于富含黏土的页岩，TOC与方解石含量成正比，与黏土和石英矿物成微弱的反比关系；② TOC与孔隙度具有一定的线性关系，其经验公式为：ρ＝0.03+0.04×TOC/TOCmax，其中TOCmax＝8%，表示有机质最大的质量分数；③ 气饱和度为50%；④ 黏土矿物和有机质的体积模量与剪切模量在计算过程中保持不变。

图5—8　有机质对石英—黏土组成的岩石弹性性质的影响，孔隙类型为球形孔，孔隙度＝15%，水饱和度＝100%

（a）TOC—P/S；（b）TOC—E；（c）TOC—υ；（d）PI—P/S；（e）E—υ；（f）λρ—μρ

图5—9　有机质对石英—黏土组成的岩石弹性性质的影响，孔隙类型为便士状裂缝（纵横比＝0.1），孔隙度＝15%，水饱和度＝100%

（a）TOC—P/S；（b）TOC—E；（c）TOC—υ；（d）PI—P/S；（e）E—υ；（f）λρ—μρ

图5—10　不同页岩的三重矿物组分（Passey等，2010）

如图5—11所示是通过岩石物理模拟得到的两种不同种类页岩的等效纵波阻抗和纵横波速度比交会图，从图中能够分析矿物组分和TOC的影响。对富含硅质的页岩，TOC随着石英含量的增加而增大，当TOC达到最大值8%时，石英的质量分数达到85%，而黏土和方解石的质量分数分别为15%和0%，如图5—11（a）中b点位置所示。由于有机质相比石英和方解石等矿物具有较小的速度和密度，它的存在会降低纵波阻抗。因此，在TOC最大值的b点，其纵波阻抗会很小。但是该点对应石英含量的最高值，黏土矿物含量也非常少，在一定程度上弥补了部分波阻抗，使得纵波阻抗不会产生剧烈的下降。对于图中的a点，该点对应于黏土矿物含量最高的位置，由于富含硅质的页岩，TOC与黏土矿物成反比，因此a点对应TOC最小的位置。对于c点，该位置处TOC相对很小，而且含有非常少的黏土矿物，该点对应的纵波阻抗值最大。对于纵横波速度比，石英矿物的纵横波速度比相比黏土和方解石要小很多，因此，b点对应纵横波速度比最小的位置，而a点对应纵横波速度比最大的位置，c点的纵横波速度比处于两者之间。从图5—11（a）中可以看出，对于富含硅质的页岩，如果利用地震属性来判断页岩有机质是否发育，那么使用纵横波速度比要比纵波阻抗效果好。因为b点（有机质最为发育）和a点（有机质最不发育）的纵波阻抗差异相对较小，而纵横波速度比差异非常明显，有利于对比分析。(www.xing528.com)

分析图5—11（b）所示的纵波阻抗和纵横波速度比交会结果，对于富含黏土的页岩，TOC与方解石含量成正比，与石英和黏土具有微弱的反比关系，因此，图中f点对应着TOC最大的位置，该点处方解石含量最高。与图5—11（a）不同，如果通过地震属性区别烃源页岩与非烃源页岩，纵波阻抗相比纵横波速度比具有一定的优势，因为烃源页岩与非烃源页岩具有更加明显的纵波阻抗差异。由于f点对应TOC的最大值，也就是烃源页岩的标志，它具有高的方解石含量，而且具有很高的黏土矿物含量，尽管方解石具有较高的纵波速度，但是有机质和黏土矿物的大量存在使得纵波阻抗发生非常明显的降低。对于非烃源页岩的d点，它具有较高的纵波阻抗，因此，使得d点和f点具有非常明显的纵波阻抗差异。对于富含黏土的页岩来讲，由于黏土矿物的含量不会很低，导致整体表现出较高的纵横波速度比，烃源页岩与非烃源页岩的纵横波速度比差异不会太明显。因此，对于图5—11（b），纵波阻抗属性是比较理想的地震属性，可用来预测页岩地层的有机质丰度。

图5—11　（a）富含硅质页岩的纵波阻抗和P/S交汇图；（b）富含黏土页岩的纵波阻抗和P/S交汇图（Zhu等，2011）

Helge等（2011）指出通过声学参数可以描述有机质如何影响地震响应，如纵波速度（P）、横波速度（S）、密度、各向异性和衰减。通过对位于英格兰的Norwegian Margin和Kimmeridge Clay地区，晚侏罗纪的Draupne（North Sea）、Spekk（Norwegian Sea）和Hekkingen（BarentsSea）地层的海相页岩（烃源岩）进行研究和测井资料分析表明，当TOC含量增大时，纵波阻抗非线性地减小（如图5—12所示）。通过测量得到干酪根的密度是1.1～1.4 g/cm3（Passey等，2010），大约是矿物质量（2.7 g/cm3）的一半。在石油和天然气成熟的烃源岩中，干酪根的密度也非常低，这是由于干酪根内部高达50%的孔隙度（Sondergeld等，2010）。因为泥岩中混合了低密度有机物，显著降低了纵波阻抗。因而，好的页岩（TOC>3%～4%）纵波阻抗明显低于其他相类似非有机质泥岩，并且明显低于其他大多数的岩石类型。富含有机质泥岩和不含有机质泥岩的纵波阻抗随着深度的增加保持稳定的差异（如图5—13所示）。因此，富含有机质的泥岩地层顶底的纵波阻抗分别表现出明显的减小和增大的趋势。烃源岩的顶底界面的反射特征分别对应负和正的高振幅，TOC含量的多少影响顶底界面的反射振幅的大小。Vernik等（2011）对Bakken、Woodford、Bazhenov、Bossier和Niobrara页岩岩心密度和TOC的值进行了测量，通过对密度和TOC进行交汇分析（如图5—14所示），可以看出TOC和密度的负相关性。正是因为TOC的增大导致密度的降低，进而使纵波阻抗的值降低。因此，Helge指出可以利用地震数据，分析烃源岩的横向分布、厚度变化。如果地震数据被反演成纵波阻抗数据，通过建立纵波阻抗和TOC的关系和井的标定，可以将纵波阻抗数据转换成TOC含量，进一步得出TOC的空间变化（如图5—15所示）。

图5—12　纵波阻抗和TOC的交汇分析（Helge等，2011）

图5—13　纵波阻抗和TOC随深度变化（Helge等，2011）

图5—14　密度和TOC随深度变化（Vernik等，2011）

图5—15　（a）地震剖面；（b）波阻抗反演剖面；（c）TOC反演剖　面（Helge等，2011）