Question

页岩气地震勘探技术

Answer 1

一、内容概述

地震勘探方法是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震勘探是钻探前勘测石油、天然气资源的重要手段，在页岩气勘探中也得到广泛应用，主要用于复杂构造、页岩储层分布以及页岩储层物性、含气性等方面的研究。根据储层的各向异性特征，运用地震信息中的弹性参数以及各种波场、速度资料研究储层的裂缝或裂隙特征、应力场分布等。地震作为页岩气储层评价和增产改造的关键技术，在页岩气勘探开发中具有重要作用。

地震勘探技术是目前页岩气勘探中最重要的地球物理勘探方法。由于泥页岩地层与上下围岩的地震传播速度不同，在泥页岩的顶、底界面会产生较强的波阻抗界面，结合录井、测井等资料识别可以解释泥页岩，进行构造描述。在页岩气勘探中，可以通过测井解释等手段进行储层评价和裂缝预测。目前在页岩气藏钻探和开发中应用最多的地震技术是基于三维地震解释的水平井轨迹设计技术和微地震监测技术，它们对提高页岩气井产能和采收率起到重要作用。

页岩气地震描述及气藏评价目标主要包括以下几方面：

1）地层特征包括目标泥页岩层发育特征、埋深及横向变化及可能存在的水层、岩溶和隔挡层。

2）构造特征包括目标泥页岩层区块地层构造位置、构造演化特征、构造发育特征。

3）区域沉积特征包括目标泥页岩层区域地层沉积环境及沉积相划分。

4）页岩气层段分布特征包括页岩气层段纵、横向分布变化及埋藏深度。

5）页岩气层段储层特征包括页岩气层段孔隙、裂缝发育及展布特征。

6）岩石力学特征包括目标页岩气层段弹性参数泊松比、杨氏模量等及地层应力特征。

页岩气地震勘探技术，即二维地震勘探主要是为页岩气勘探选区工作提供方向，三维地震勘探才是页岩气勘探的有效途径，可通过页岩裂缝带图的绘制准确认识复杂构造、储层非均质性和裂缝发育带，并为水平井的部署和提高单井产量提供良好的技术支撑。由于泥页岩地层与上、下围岩的地震传播速度不同，在泥页岩的顶、底界面会产生较强的波阻抗界面，结合录井、测井等资料识别解释泥页岩，进行构造描述并不难。裂缝的存在会引起地震反射特征的改变，应用高分辨率三维地震可以依据反射特征的差异识别预测裂缝。利用三维地震绘制页岩裂缝带图主要是通过相干分析技术、地震属性分析、层时间切片等预测泥页岩裂缝。裂缝预测技术对井位优化也起到关键作用。目前，开展最多的是基于三维地震解释的水平井轨迹设计技术。为了更好地利用泥页岩储层中的天然裂缝，并且使井筒穿越更多裂缝，在页岩气藏钻探和开发中，越来越多的作业者都在应用水平钻井技术。该技术在石油工业中并不是一项新技术，但它对提高页岩气开发成功率却有着重大的意义。从水平井中获得的最终采收率是直井的3倍，而费用只相当于直井的2倍。采用三维地震解释技术进行井轨迹设计是一项成熟的技术，尤其是基于三维可视化地震解释技术可以设计和优化水平井轨迹。

而页岩气井中地震技术能有效监测压裂效果，为压裂工艺提供部署优化技术支撑，这是页岩气勘探开发的必要手段。

其中，微地震监测是一种用于油气田开发的新地震方法，它是一项通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动之影响、效果及地下状态的地球物理技术。在油气开发领域，该方法主要用于油田低渗透储层压裂的裂缝动态成像和油田开发过程的动态监测。该方法优于利用测井方法监测压裂裂缝效果（图1），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。此外，结合录井、测井等资料可识别解释泥页岩，进行构造描述。微地震监测分为地面监测和井中监测两种方式。地面监测就是在监测目标区域（比如压裂井）周围的地面上，布置若干接收点进行微地震监测。井中监测就是在监测目标区域周围临近的一口或几口井中布置接收排列，进行微地震监测。由于地层吸收、传播路径复杂化等原因，与井中监测相比，地面监测所得到的资料存在微震事件少、信噪比低、反演可靠性差等缺点。

图1 用来验证Pinnacle 技术公司裂隙几何形状的微地震成像技术

由零偏移距VSP（垂直地震剖面法）、偏移距VSP、变偏移距VSP、环测VSP逐步发展到三维VSP技术，都是较为成熟的井中地震技术。其中，三维VSP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。三维VSP观测是一种可靠的识别裂隙方向和裂隙密度分布的方法，三维VSP P-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。三维VSP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。

二、应用范围及应用实例

1.三维地震在页岩气勘探中的应用

Paddock et al.在2008年利用一个全方位角、用单组成的垂直速度检波器去记录页岩探测中的模型转换剪切波与传统记录三维地震探测。他们的目的是：①去鉴别裂缝是含气的开放性裂缝还是封闭的次生裂缝；②去鉴别这些页岩区域的高SiO₂集中区域，可以提供很高的页岩脆度（提高了次生裂缝的生长）和高的孔隙度区域，可以储存更多的气体量。他们认为S波分裂可以为第一个目的提供解决的办法，而泊松比可以为第二个目的提供解决的办法。他们还想整合这些资料，使它们更连贯，以提供去鉴别主要的和次要的断层。他们创造了两种全方位的三维容积：一种是前叠加容积运用于S波的分裂和反演，一种是层积容积运用于连贯的特征计算。在这个工程实例中运用了“蚂蚁踪迹”。这里存在的裂缝预测是一种封闭式的，S波分裂在一个全方位角上运行。由于页岩（致密砂岩）具有一些开放性裂缝，说明了三维数据应该运用两种正交反演集合，一种是在高速度的方向，另外一种是在低速度方向。高速的方向上，提供影响岩性、孔隙度和气体饱和度的充填物；低速方向测量了开放性裂缝充气后的影响。解释了的层位被用来确定含气页岩的顶部和基部，然后确定出v_p和v_s层间速度和其他反演数据。

2.微地震在页岩气勘探中的应用

目前CGGVeritas（图2）、斯伦贝谢、贝克休斯、道达尔、哈里伯顿等多家公司推出微地震技术服务。道达尔公司在中东和南美分别进行了注蒸汽微地震监测研究。一些专门从事微地震技术服务的公司在该领域取得重大进展，在优化开发方案、提高采收率等方面起到关键作用。微地震技术服务公司研发出一套基于地表的微震数据采集观测系统，其专有的FracStar技术在非常规资源开采中发挥重要作用。微地震技术在页岩气储集层中进行实时压裂监测效果显著，贝克休斯公司采用IntelliFrac服务解决了页岩气储层水力压裂实时监测难题。

对地下裂缝不发育的气井进行二次压裂可以提高产气量。在得克萨斯的福特沃斯北部气田的Barnett页岩地层进行了二次压裂的现场试验。使用一系列的地面测斜仪监测压裂过程。结果显示，二次压裂中井A和井B的裂缝方位都发生较大的转向。通过生产数据可以看出，两口井二次压裂后产量都大幅度增加。这一地区其他井二次压裂后情况类似，产量都有不同程度增加。对井A的原始生产数据进行历史拟合，利用拟合结果进行预测，预计二次压裂诱发裂缝的长度约为一次压裂缝长的40% ～80%。压裂之后井A的产气量由501Mscf/d增加到750Mscf/d，6个月后产量稳定在300Mscf/d。压裂6 个月后的稳定产量进一步证实了二次压裂裂缝长度为一次压裂裂缝长度的40%是比较准确的。二次压裂的成本已从增加的产量中收回。

图2 CGGVeritas地球物理勘探公司所开发的先进地震加工和分析工具在确定页岩气“甜点”中的应用

（资料来源：http://www.engineerlive.com）

三、资料来源

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 between 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