頁巖氣地震勘探技術

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  一、內容概述

  地震勘探方法是利用地下介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析大地對人工激發地震波的響應，推斷地下巖層的性質和形態的地球物理勘探方法。地震勘探是鉆探前勘測石油、天然氣的重要手段，在頁巖氣勘探中也得到廣泛應用，主要用于復雜構造、頁巖儲層分布以及頁巖儲層物性、含氣性等方面的研究。根據儲層的各向異性特征，運用地震信息中的彈性參數以及各種波場、速度研究儲層的裂縫或裂隙特征、應力場分布等。地震作為頁巖氣儲層評價和增產改造的關鍵技術，在頁巖氣勘探開發中具有重要作用。

  地震勘探技術是目前頁巖氣勘探中最重要的地球物理勘探方法。由于泥頁巖地層與上下圍巖的地震傳播速度不同，在泥頁巖的頂、底界面會產生較強的波阻抗界面，結合錄井、測井等識別可以解釋泥頁巖，進行構造描述。在頁巖氣勘探中，可以通過測井解釋等手段進行儲層評價和裂縫預測。目前在頁巖氣藏鉆探和開發中應用最多的地震技術是基于三維地震解釋的水軌跡設計技術和微地震監測技術，它們對提高頁巖氣井產能和采收率起到重要作用。

  頁巖氣地震描述及氣藏評價目標主要包括以下幾方面：

  1）地層特征包括目標泥頁巖層發育特征、埋深及橫向變化及可能存在的水層、巖溶和隔擋層。

  2）構造特征包括目標泥頁巖層區塊地層構造位置、構造演化特征、構造發育特征。

  3）區域沉積特征包括目標泥頁巖層區域地層沉積環境及沉積相劃分。

  4）頁巖氣層段分布特征包括頁巖氣層段縱、橫向分布變化及埋藏深度。

  5）頁巖氣層段儲層特征包括頁巖氣層段孔隙、裂縫發育及展布特征。

  6）巖石力學特征包括目標頁巖氣層段彈性參數泊松比、楊氏模量等及地層應力特征。

  頁巖氣地震勘探技術，即二維地震勘探主要是為頁巖氣勘探選區工作方向，三維地震勘探才是頁巖氣勘探的有效途徑，可通過頁巖裂縫帶圖的繪制準確認識復雜構造、儲層非均質性和裂縫發育帶，并為水的部署和提高單井產量良好的技術支撐。由于泥頁巖地層與上、下圍巖的地震傳播速度不同，在泥頁巖的頂、底界面會產生較強的波阻抗界面，結合錄井、測井等識別解釋泥頁巖，進行構造描述并不難。裂縫的存在會引起地震反射特征的改變，應用高分辨率三維地震可以依據反射特征的差異識別預測裂縫。利用三維地震繪制頁巖裂縫帶圖主要是通過相干分析技術、地震屬性分析、層時間切片等預測泥頁巖裂縫。裂縫預測技術對井位優化也起到關鍵作用。目前，開展最多的是基于三維地震解釋的水軌跡設計技術。為了更好地利用泥頁巖儲層中的天然裂縫，并且使井筒穿越更多裂縫，在頁巖氣藏鉆探和開發中，越來越多的作業者都在應用水平鉆井技術。該技術在石油中并不是一項新技術，但它對提高頁巖氣開發成功率卻有著重大的意義。從水中獲得的最終采收率是直井的3倍，而費用只相當于直井的2倍。采用三維地震解釋技術進行井軌跡設計是一項成熟的技術，尤其是基于三維可視化地震解釋技術可以設計和優化水軌跡。

  而頁巖氣井中地震技術能有效監測壓裂效果，為壓裂工藝部署優化技術支撐，這是頁巖氣勘探開發的必要手段。

  其中，微地震監測是一種用于油氣田開發的新地震方法，它是一項通過觀測、分析生產活動中所產生的微小地震來監測生產活動之影響、效果及地下狀態的地球物理技術。在油氣開發領域，該方法主要用于油田低滲透儲層壓裂的裂縫動態成像和油田開發過程的動態監測。該方法優于利用測井方法監測壓裂裂縫效果（圖1），在壓裂施工中，可在鄰井（或在增產壓裂措施井中）布置井下地震檢波器，也可在地面布設常規地震檢波器，監測壓裂過程中地下巖石破裂所產生的微地震，記錄在壓裂期間由巖石剪切造成的微地震或聲波傳播情況，通過處理微地震確定壓裂效果，實時壓裂施工過程中所產生的裂縫位置、裂縫方位、裂縫大?。ㄩL度、寬度和高度）、裂縫復雜程度，評價增產方案的有效性，并優化頁巖氣藏多級改造的方案。此外，結合錄井、測井等可識別解釋泥頁巖，進行構造描述。微地震監測分為地面監測和井中監測兩種方式。地面監測就是在監測目標區域（比如壓裂井）周圍的地面上，布置若干接收點進行微地震監測。井中監測就是在監測目標區域周圍臨近的一口或幾口井中布置接收排列，進行微地震監測。由于地層吸收、傳播路徑復雜化等原因，與井中監測相比，地面監測所得到的存在微震少、信噪比低、反演可靠性差等缺點。

  圖1 用來驗證Pinnacle 技術公司裂隙幾何形狀的微地震成像技術

  由零偏移距VSP（垂直地震剖面法）、偏移距VSP、變偏移距VSP、環測VSP逐步發展到三維VSP技術，都是較為成熟的井中地震技術。其中，三維VSP技術和微地震采集配套施工配合監測儲層改造人工裂縫發育分布狀況是國外石油大公司的通常做法。三維VSP觀測是一種可靠的識別裂隙方向和裂隙密度分布的方法，三維VSP P-P和P-S成像用于陸上構造解釋，可大大改善縱、橫向分辨率和斷裂系統分辨率。三維VSP測井與地面地震結合體現了綜合地震勘探能力。此外，地震可用于檢測在生產過程中，隨著溫度壓力變化，頁巖氣（游離氣及吸附氣）的變化情況，以助頁巖氣開發優化開采。井驅動地震處理是一種提高地震處理水平和質量的手段，也是發展趨勢，使用這種技術配套，需要提高地震處理技術人員的整體水平。

  二、應用范圍及應用實例

  1.三維地震在頁巖氣勘探中的應用

  Paddock et al.在2008年利用一個全方位角、用單組成的垂直速度檢波器去記錄頁巖探測中的模型轉換剪切波與傳統記錄三維地震探測。他們的目的是：①去鑒別裂縫是含氣的開放性裂縫還是封閉的次生裂縫；②去鑒別這些頁巖區域的高SiO₂集中區域，可以很高的頁巖脆度（提高了次生裂縫的生長）和高的孔隙度區域，可以儲存更多的氣體量。他們認為S波可以為第一個目的解決的辦法，而泊松比可以為第二個目的解決的辦法。他們還想整合這些，使它們更連貫，以去鑒別主要的和次要的斷層。他們創造了兩種全方位的三維容積：一種是前疊加容積運用于S波的和反演，一種是層積容積運用于連貫的特征計算。在這個工程實例中運用了“螞蟻蹤跡”。這里存在的裂縫預測是一種封閉式的，S波在一個全方位角上運行。由于頁巖（致密砂巖）具有一些開放性裂縫，說明了三維應該運用兩種正交反演集合，一種是在高速度的方向，另外一種是在低速度方向。高速的方向上，影響巖性、孔隙度和氣體飽和度的充填物；低速方向測量了開放性裂縫充氣后的影響。解釋了的層位被用來確定含氣頁巖的頂部和基部，然后確定出v_p和v_s層間速度和其他反演。

  2.微地震在頁巖氣勘探中的應用

  目前CGGVeritas（圖2）、斯倫貝謝、貝克休斯、道達爾、哈里伯頓等多家公司推出微地震技術服務。道達爾公司在中東和南美分別進行了注蒸汽微地震監測研究。一些專門從事微地震技術服務的公司在該領域取得重大進展，在優化開發方案、提高采收率等方面起到關鍵作用。微地震技術服務公司研發出一套基于地表的微震采集觀測系統，其專有的FracStar技術在非常規開采中發揮重要作用。微地震技術在頁巖氣儲集層中進行實時壓裂監測效果顯著，貝克休斯公司采用IntelliFrac服務解決了頁巖氣儲層水力壓裂實時監測難題。

  對地下裂縫不發育的氣井進行二次壓裂可以提高產氣量。在得克薩斯的福特沃斯北部氣田的Barnett頁巖地層進行了二次壓裂的現場試驗。使用一系列的地面測斜儀監測壓裂過程。結果顯示，二次壓裂中井A和井B的裂縫方位都發生較大的轉向。通過生產可以看出，兩口井二次壓裂后產量都大幅度增加。這一地區其他井二次壓裂后情況類似，產量都有不同程度增加。對井A的原始生產進行歷史擬合，利用擬合結果進行預測，預計二次壓裂誘發裂縫的長度約為一次壓裂縫長的40% ～80%。壓裂之后井A的產氣量由501Mscf/d增加到750Mscf/d，6個月后產量穩定在300Mscf/d。壓裂6 個月后的穩定產量進一步證實了二次壓裂裂縫長度為一次壓裂裂縫長度的40%是比較準確的。二次壓裂的成本已從增加的產量中收回。

  圖2 CGGVeritas地球物理勘探公司所開發的先進地震和分析工具在確定頁巖氣“甜點”中的應用

  （來源：;lt;/p>

  三、來源

  Daniel J K R，Bustin R M.2008.Characterizing the shale gas resource potential of Devonian⁃Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin：Application of an integrated formation evaluation.AAPG Bulletin，92：87～125

  Julia F W G，Robert M R，Jon H.2007.Natural fractures in the Barnett Shale and their importance for hydraulic fracture treatments.AAPG Bulletin，91（4）：603～622

  Maxwell S et al.2012.Enhancing shale gas reservoir characterization using hydraulic fracture microseismic data.First Break，30：95～101

  Michael Binnion.2012.How the technical differences ween shale gas and conventional gas projects lead to a new business model being required to be successful.Marine and Petroleum Geology，31：3～7

  Paddock，David，Christian Stolte et al.2008.Seismic Reservoir Characterization of a Gas Shale Utilizing Azimuthal Data Processing，Pre⁃Stack Seismic Inversion and Ant Tracking.AAPG Annual Convention，San Antonio，Texas

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