地球物理技术在非常规勘探中的应用——以涪陵页岩气田为例

，，，

(中国石化勘探分公司勘探研究院，四川 成都 610041)

1 地质背景

涪陵页岩气田位于重庆涪陵区内，处于四川盆地内川东高陡褶皱带东部。焦石坝构造是该气田的主体构造，为一个川东褶皱内受北东向和近南北向两组断裂系统控制的菱形断背斜。该构造顶部宽缓，地层倾角较小，断层不发育，两翼倾角大，断层发育，综合表现出似箱状断背斜形态。总体而言，焦石坝构造形变弱，具有很好的页岩气构造保存条件[1]。

该气田产气页岩层系为晚奥陶系五峰组及早志留系龙马溪组一段组成的五峰龙马溪组页岩。研究表明，该套页岩形成于发生在晚奥陶系至早志留系的两次海侵事件[2]，发育约300 m厚的富有机质，黑色，含笔石，硅质粉砂质页岩，是四川盆地及其周边地区的海相页岩主要勘探目标。

五峰龙马溪组上覆地层为龙马溪组二段砂岩，下覆为奥陶系见草沟组灰岩。钻井结果显示，五峰龙马溪组纵向上可分为三段：(1)层段底部富含笔石、碳质页岩；(2)灰黑色粉砂质泥岩；(3)灰色泥岩和灰黑色碳质页岩。从地球物理角度来看，该套页岩层系与其它地层形成明显对比，具有“高伽马、低密度、中低阻抗”的特点。五峰龙马溪组页岩地震响应特征由一个中强波谷和一个强波峰组成。

2 方法介绍

2.1 TOC定量预测

总有机碳含量(TOC)是评价页岩生烃能力的一个关键参数，同时也是页岩油气藏评价中的一个重要指标。目前，利用地球物理方法直接和定量预测TOC的方法大多采用通过地震属性与TOC建立拟合关系，从而计算三维TOC数据体，实现TOC定量预测[3]。

本区内，焦页1井钻井显示，五峰龙马溪组页岩总有机碳(TOC)含量在0.46%～6.79%之间，平均为2.66%。根据中国国土资源部页岩气资源管理规定，确定TOC>1%地层为可勘探页岩。由此，有必要开展五峰龙马溪组页岩TOC的预测，从而明确该套页岩的勘探前景。

将实验测得岩心TOC数据与多种曲线进行交汇，其中包括常规测井曲线，如伽马，密度等和弹性曲线，如泊松比曲线等。交汇结果显示密度和TOC之间具有很好的负相关关系，相关因子高达0.88。由此确定密度对TOC最敏感，并得到密度与TOC之间的关系式(1)。

TOC=-15.49ρ+42.71

(1)

式中：ρ为密度。

基于上述实验结果，TOC 定量预测转而变相为密度预测。

利用波阻抗反演得出的泥页岩展布作为空间约束，开展叠前密度反演得到该区五峰龙马溪组页岩密度体。区内实钻井点密度曲线与预测结果相吻合，证明密度反演结果可靠，为TOC计算提供可信来源。

利用密度和TOC之间建立的关系式(式1)，得到本区五峰龙马溪组页岩三维TOC数据体。结果显示，五峰龙马溪组页岩(TO3w-Ts1l2)TOC值总体大于2%，说明该套地层总体勘探情况乐观。同时，预测结果显示五峰龙马溪组页岩TOC纵向变化大于横向变化； TOC值由上向下逐渐增大，且在该套页岩地层底部达到最高值(粉色)，与实钻结果一致。

2.2 脆性指数技术

页岩地层具有低孔、极低渗透率的特点，因而为获得较高产能，页岩储层需经过压裂改造，使其产生能沟通孔隙和释放页岩气的裂缝通道。而压裂改造的成功与否，与页岩受压而破碎能力直接相关。因此，页岩气勘探过程中，很有必要预测能指示页岩脆性的脆性指数(BI)。

目前，计算页岩脆性指数的常用方法是利用Rickman公式。该公式是基于北美页岩统计数据的经验公式[4]。利用Rickman公式计算得出的焦石坝五峰龙马溪组页岩脆性指数与岩心测得脆性指数吻合度较低，相关系数只有0.47，说明该公式在本区应用中效果不理想，无法满足勘探需求。因而，有必要开展新的脆性指数预测。

岩石的脆性与岩石力学属性相关。岩石力学中剪切模量(μ)代表岩石的刚性，而拉梅常数(λ)则与岩石体积模量相似，代表岩石的不可压实性。同时，密度(ρ)与影响岩石脆性的孔隙结构和流体性质相关。因此说明，岩石力学参数中，除杨氏模量和泊松外，μρ和λρ同样影响着岩石的脆性。2010年，Goodway等人在其论文中也阐明λρ 和μρ与岩石的力学脆性相关[5]。

结合本区构造特点，将能反应剪切力和压实力的μρ和λρ纳入脆性指数计算公式，从而建立一个新的脆性指数计算公式(式2)。

BI=11.525×E-64.816×ν-8.609×μρ-0.635×λρ+0.0315

(2)

式中：BI为脆性指数；E为杨氏模量，单位为10 Gpa；ν为泊松比，无量纲；λ 和 μ分别为拉梅常数和剪切模量。

结果显示，新公式计算得出的五峰龙马溪组页岩脆性指数与岩心X-RD方法测得的脆性指数较Rickman计算公式得到的脆性指数吻合度更高，具体表现在曲线的趋势和局部细节的吻合程度。新的脆性指数值与岩心测得脆性指数之间的相关系数高达0.8，证明公式(2)比Rickman公式更适合在本区中的应用。

基于公式(2)开展五峰龙马溪组脆性指数预测。结果显示，五峰龙马溪组内部页岩脆性指数值从上往下逐渐增强，在底部达到最高值(紫色)，约为60至67%。靠近页岩层段底部的紫色层段十分有利于压裂改造。

2.3 优质泥页岩预测模板

与常规勘探不同，页岩储层能否获得高产很大程度上取决于水平侧钻的实施和储层的压裂改造。目前涪陵页岩气田区内水平侧钻井段在1 500 m内，而压裂改造影响范围在100内。因此，要在有限的纵、横向范围获得高产，则要求侧钻井必须钻遇目标页岩层段内最优质的页岩，即更富有机质更脆的优质泥页岩“甜点”。因此十分有必要建立快速、有效的优质泥页岩预测模板。

焦页1井钻井结果与前述TOC和脆性指数预测都指示本区五峰龙马溪组页岩一亚段页岩是整套页岩内最优质页岩。因此将焦页1井钻遇的五峰龙马溪组一亚段页岩作为区内五峰龙马溪组页岩优质泥页岩的原型，而刻画该层段的参数作为优质泥页岩的基准。

将焦页1井TOC与脆性指数进行交汇，五峰龙马溪组一亚段页岩在TOC>2%和BI>50%时与其他层段明显分开。进一步考虑到孔隙是页岩气的聚集空间，也是页岩气的重要参数之一，因此，将孔隙度与BI，TOC进行交汇，此时交汇数据中，TOC<2%, BI<50%的数据已被剔除。结果表明，五峰龙马溪组一段在孔隙度为4.1%时与其他层段很好区分。因此，结合TOC，脆性指数和孔隙度三个参数，建立起快速检测优质泥页岩的模板，即TOC≥2%, BI≥50%, 和 孔隙度≥4.1%。该模板能够快速、有效地刻画优质泥页岩的空间展布。

3 结语

(1)在涪陵页岩气田内，密度与TOC之间存在很好的负相关关系，是对TOC最敏感的参数。基于密度和TOC之间的关系式，五峰龙马溪组页岩TOC的定量预测通过叠前密度反演得以实现。结果表明，涪陵页岩气田五峰龙马溪组页岩勘探目标(TOC>1%)在全区内稳定分布，预测厚度为70～90 m。

(2)结合本区地质特征，纳入影响页岩脆性的岩石力学参数，E, v, λρ和 μρ，从而建立起更适合在本区应用的脆性指数计算公式。新公式计算的脆性指数表明五峰龙马溪组页岩整体很脆，尤其是靠近页岩层段底部的页岩脆性指数达到了60%～67%，是压裂改造最有利层段。

(3)将评价页岩储层品质的TOC，脆性指数和孔隙度仨参数相结合，建立快速、高效的优质泥页岩的检测模板。该模板成功刻画出区内五峰龙马溪组页岩优质泥页岩的空间展布，提高了该区勘探工作效率。同时模板应用结果表明靠近五峰龙马溪组页岩底部约30～40 m厚的页岩层段是区内五峰龙马溪组页岩最佳的钻探目标。