Question

声波测井观测到的页岩气储层特征

Answer 1

唐晓明

（中国石油大学（华东）地球科学技术学院，山东青岛 266555）

摘 要：在近年来页岩气的大量勘探和开采中，已获取了很多页岩气储层的测井数据。从这些数据（特 别是声波测井数据）中，已经观测到了储层的一些重要特征。这些特征的突出之处是储层中的产气地带大都 存在各种尺度的裂隙、裂缝，它们为天然气的储藏和开采提供了空间与通道。本文将从弹性波速的变化以及 最近发展起来的横波远探测方法来阐明这些特征。

探测页岩气储层的声波方法

我们首先讨论弹性波速的测量及其应用，具体说来，就是纵、横波速比与纵波速度（或时差）的 交会图方法。这种方法对常规的高孔、渗砂岩储层来说已被证明是十分有效的^［1］。但对于低孔、渗的 岩石，特别是页岩而言，该方法的适用性直到最近才得到证实^［2］。按照常识，对孔隙度很低（＜10％） 的页岩，无论孔隙中是充水还是充气，对弹性波速的影响将是微不足道的，但根据Lucier等人的结果（图1），含气的低孔页岩的波速比也会降到1.6左右或更低。Lucier.等^［2］用Biot-Gassmann理论的流体 替换法模拟了从含水到含气的波速及波速波变化的全过程，但不明白为何如此低孔的岩石会有这么大的 变化。最新发表的推广Biot理论——含孔隙、裂隙介质的弹性波动统一理论^［3］指出，造成这些变化的 原因是岩石中存在裂隙。裂隙在波动的作用下很容易变形，而含气和含水状态下的波动响应是很不相同 的。图1是用唐晓明（2011）理论对Lucier等人数据的模拟，模拟中采用的控制参数是岩石中的裂隙 密度，而不是孔隙度。理论与数据的良好吻合说明了岩石中的裂隙的重要影响。实际的岩心切片也证明 了裂隙的存在（图2）。

图1 两页岩气储层的波速比与纵波速的交会图以及孔裂隙波动理论对数据的模拟，数据点位于理论曲线族的气饱和线附近，而波速的降低是由岩石裂隙密度增加造成的

图2 页岩气储层岩石的显微切片明显 观测到了裂缝的存在，证明了孔裂隙 理论模拟的合理性

我们来讨论声波远探测技术的应用。声波测井时，相当一部分能量辐射到地层中去。当声波被地层 中的地质界面或裂隙反射后，井中的测井仪器也会记录到反射声波的讯号。虽然反射讯号比沿井传播的 声波要小很多（10^-1～10^-3的量级）。经过专门的数字信号处理，可以提取反射波讯号并得到地质反射 体的位形（Tang et al，2011）。这种技术可以用 来探测井外页岩气储层的构造。

图3 页岩地层的烃成熟区（高GR和低DTS）反射 声波处理结果，可以看到若干垂向分布的油驱裂缝

当烃源岩在一定的温压条件下成熟时，液 化或气化的烃化物在地层中产生很大的孔隙压，致使岩石沿最大的地应力方向发生破裂（叫做 油驱裂缝，oil expulsion fracture）。由于地层深 处的地应力往往是岩石的垂向负重造成的，所 以这种裂缝一般是垂向开裂的。利用声波远探 测技术，我们可以确定这种裂缝的形态和方位。图3给出了一个具体的应用例子。第一道里给 出的是自然伽马和声波时差的测井曲线，可以 看到，图示井段的伽马和时差比上下页岩地带 的值要高（低）出很多，这正是烃源岩成熟区 “伽马值增高，时差降低” 的显著特征。右图给 出这一井段的反射声波处理结果。可以看到在 反射声波中，存在若干垂向分布的反射体，其 尺度大约在几米到十米左右，这正是以上分析 所指出的烃源岩成熟区的 “油驱裂缝”。值得一 提的是，这些反射体是在东-西向的方位上被 探明了，而在南-北向却没有，说明裂缝的走 向为东-西向。裂缝的走向为下步钻探的方位 提供了依据。以上的例子说明了声波远探测技 术在页岩气勘探的一个重要应用。

小结

已经掌握的大量声测井数据表明：低孔渗的页岩气储层与地层岩石中的裂隙，裂缝紧密相关。裂隙 的存在使得弹性波速在含水和含气状态下的取值有很大变化，从而可以从声速测井数据中检测出来。成 熟的烃源岩地层往往存在一些“油驱裂缝”，可以从声波远探测测量中检测出来。这些裂块的进一步连 通往往形成大的裂缝或裂缝连通带。页岩气储层的高产地带往往与这些裂缝带紧密关联。因此，裂隙、 裂缝的探测和描述是页岩气储层的勘探和开采的一项重要环节。

参考文献

［1］唐晓明，郑传汉，著.定量测井声学.赵晓敏，译.北京：石油工业出版社，2004.76～78.

［2］A.M.Lucier，R.Hoffmann，L.T.Bryndzia.2011，Evaluation of variable gas saturation on acoustic log data from the Haynesville shale gas play，NW Lousiana，USA.2011，The Leading Edge，March，300-311.

［3］唐晓明.含孔隙，裂隙介质弹性波动的统一理论，中国科学.D辑，2011，750～764.

［4］Tang，X.M.，and Patterson D.，Single-well shear-wave imaging using multicomponent dipole acoustic-log data： Geophysics，2010，74，WCA211-WCA223.