陳　超, 劉　韻, 王明飛, 周卓鑄

(1.中國石化 勘探分公司，成都 610041; 2.中國石化 西南油氣田分公司，成都 610041)

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焦石壩地區(qū)泥頁巖有機碳含量預測技術及對比

陳超1, 劉韻2, 王明飛1, 周卓鑄1

(1.中國石化 勘探分公司，成都 610041; 2.中國石化 西南油氣田分公司，成都 610041)

[摘要]探討泥頁巖的殘余有機碳含量的地球物理預測方法，為頁巖氣勘探選區(qū)及開發(fā)提供關鍵依據。以川東南焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組泥頁巖為例，在巖心樣品測試及測井資料交互分析的基礎上，通過多屬性反演、疊前密度反演及擬聲波反演技術，進行有機碳含量的平面預測。結果表明3種反演技術均能較好地進行有機碳含量展布特征及評價研究。對比3種有機碳含量預測的技術方法，疊前密度反演對基礎數據要求較高，其反演精度也最高；多屬性反演及擬聲波反演技術適用性較強，尤其是擬聲波反演技術可在二維地震工區(qū)進行大范圍應用。

[關鍵詞]有機碳含量；多屬性反演；疊前密度反演；擬聲波反演

中國近年來對頁巖氣的成藏、保存條件、富集機理及選區(qū)評價做了大量研究，對頁巖氣藏取得了一定認識[1-5]。頁巖氣以吸附態(tài)吸附在泥頁巖有機質和黏土顆粒的表面，或者以游離態(tài)儲集于有機質孔隙中。有機質豐度不僅影響泥頁巖的生烴強度，同時也影響著泥頁巖中有機質孔隙的發(fā)育以及吸附氣的含量。已大量成熟生烴的厚層狀泥頁巖，由于排烴不暢，往往會滯留大量的油氣(特別是其中部的滯烴帶)，并且一般都以異常高的孔隙度和孔隙流體壓力為特征[6]，故有機質含量高是頁巖氣儲層的基本特征。郭旭升2012年提出中國南方海相頁巖氣勘探評價要把泥頁巖生烴能力與保存條件作為選區(qū)的首要條件[7]。

焦石壩區(qū)塊位于川東南盆緣構造帶，主體東西向為似箱狀構造，頂部寬緩，兩翼陡傾；南北向為上沖斷層下盤的一個緩坡斷鼻構造。該區(qū)塊內奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組下部發(fā)育富含筆石的黑色頁巖，指示較強的還原環(huán)境，為深水陸棚相沉積。五峰組-龍馬溪組頁巖熱演化程度高，Ro>2.2%，下部發(fā)育有機碳(TOC)質量分數(wTOC)>2%的優(yōu)質頁巖層35～45 m厚[8]。鉆遇該層系的JY1、JY2、JY3、JY4井測試均獲得工業(yè)氣流。根據對該4口井共347個樣品有機碳含量的測定表明，五峰組-龍馬溪組第一段具有較高的TOC含量，wTOC值主要在0.46%～7.13%，平均為2.65%。

焦石壩區(qū)塊各鉆井五峰組-龍馬溪組第一段泥頁巖wTOC值在縱向上都具有向底部層段明顯增大的特征。以JY1井為例(圖1)，五峰組-龍馬溪組第一段Ⅰ亞段(深度2 378～2 415.5 m)灰黑色頁巖wTOC值明顯較大，普遍≥2.0%，最高可達5.89%，平均為3.56%，評價為高-特高TOC含量；wTOC≥2.0%的優(yōu)質泥頁巖層連續(xù)累計厚度達37.5 m。而上覆的龍馬溪組Ⅱ-Ⅲ亞段wTOC值變小，為0.55%～3.26%，平均為1.67%。JY2、JY3、JY4井等3口井TOC含量在縱向上的變化與JY1井非常一致。

同樣對頁巖巖心的分析結果表明，總有機質含量往往與頁巖的含氣量呈正相關關系(圖2)。顯然，選擇有機質含量高(特別是wTOC>2.0%或wTOC>3%)的頁巖進行勘探，獲得商業(yè)成功的概率明顯會高于有機質含量低的頁巖。因而，泥頁巖TOC含量的預測及評價對于頁巖氣勘探開發(fā)至關重要。本文以焦石壩區(qū)塊為例，探討利用相對成熟的地球物理技術進行泥頁巖TOC含量的預測，從而明確平面上泥頁巖TOC含量的空間展布特征，指導后期的勘探及開發(fā)。

1TOC含量預測技術

圖1　JY1井五峰組-龍馬溪組第一段有機碳含量綜合評價圖Fig.1　Shale TOC evaluation for Longmaxi-Wufeng Formation of Well JY1

圖2　JY1井含氣量與有機碳含量關系圖Fig.2　Correlation diagram of gas content andTOC from Well JY1

目前測井和鉆井取心技術是進行頁巖氣儲層泥頁巖TOC含量評價的2種主要手段[9]?，F階段，除實驗室檢測方法外，對TOC含量的評價主要以測井資料為主，且評價方法很多。上述2種方法只能對TOC含量進行縱向評價，利用地震資料是預測評價泥頁巖的TOC含量橫向分布特征的一個重要途徑。由于巖心測試TOC含量數量不夠，地震反演需要測井計算的TOC含量進行約束或者標定；工區(qū)測井計算的TOC含量精度較高，與巖心測試TOC含量相關性達到了0.9(圖3)。以測井巖-電關系為基礎,建立泥頁巖測井TOC含量與地震反射波響應特征及地震反射波敏感動力學參數關系[10]，從而實現利用地震評價泥頁巖的生烴能力。

圖3　JY1、JY2、JY3、JY4井測井計算與巖心分析有機碳含量關系圖Fig.3　Correlation diagram of logging TOC and coreTOC from Well JY1, JY2, JY3 and JY4

1.1多屬性TOC含量預測技術

地層TOC含量增大后在測井特征上有相應的顯示，多屬性反演即將TOC含量曲線與地震道或者地震道的變換(地震屬性)結合起來，兩者的關系如下

L(x,y,t)=F[A1(x,y,t),A2(x,y,t),

…,Am(x,y,t)]

(1)

式中：L(x,y,t)為能反映TOC含量變化的測井曲線；Ai(x,y,t)為對應的地震屬性；F為兩者之間的函數關系。

首先在井震精細標定的基礎上，獲取目標曲線TOC含量與地震數據間的關系函數F，然后將得到的F函數應用于地震數據體，最終達到井特征曲線TOC含量數據體的預測。其中，在建立F函數過程中，應采取逐步回歸的方法，利用多種屬性的結合預測目標曲線，并對目標變量或(和)屬性變量使用非線性變換改善擬合關系，以期建立的關系合理可靠。過程中關鍵的是選擇最優(yōu)屬性序列，建立合理的屬性對。

本文以JY1、JY2、JY3及JY4井TOC含量測井曲線為基礎，通過逐步回歸及交互驗證，建立了焦石壩地區(qū)TOC含量最優(yōu)地震屬性對(表1)。根據地震屬性與TOC含量的相關性，逐步增加關系函數F中變量Ai(地震屬性)的個數，最終使得訓練誤差及驗證誤差均達到相對最小，即可建立穩(wěn)定的預測函數F。本文優(yōu)選前5種屬性(絕對振幅、道積分、濾波切片、平均頻率、瞬時頻率)，利用地震數據進行了TOC含量的預測；同時對預測結果的交互驗證表明，預測曲線與原始測井曲線相關性達到了0.9(圖4)，滿足工區(qū)進行TOC含量預測的要求。

表1　TOC含量多屬性分析最佳屬性組合列表

1.2基于疊前密度反演的TOC含量預測技術

根據焦石壩實鉆井泥頁巖TOC含量與測井曲線密度值(ρ)統(tǒng)計分析，兩者具有很好的相關性(圖5)，相關系數為0.88。因而依據TOC含量與密度良好的相關性，通過密度反演可以進行泥頁巖TOC含量的預測。TOC含量與密度相關關系式為

圖4　多屬性預測結果與原始TOC含量曲線相關圖Fig.4　Correlation diagram of predicted resultsand the original TOC

圖5　泥頁巖TOC含量與密度曲線交匯關系圖Fig.5　Correlation diagram of shale TOCand density curves

wTOC=-50.5089+55.9726ρ-13.6943ρ2

(2)

疊前同時反演技術是獲得密度反演結果的關鍵，佐普里茲(1919)建立了佐普里茲方程組，描述了彈性波在彈性界面上的能量分配關系；但求解該方程組難度較大，在實際中鮮有應用。20世紀80年代許多學者對佐普里茲方程進行了簡化和近似[11]，包括Aki-Richards方程[式(3)]，從而明確表達了反射系數與縱、橫波速度和密度的關系，為實現疊前反演奠定了基礎。

(3)

式中：R(θ)為地震反射系數;vS為橫波速度;vP為縱波速度;θ為入射角;ρ為密度。

在小、中入射角時近似公式能夠較為精確地描述地震振幅隨入射角的變化特征；而在大入射角(一般>30°)時近似公式就會出現較大偏差，不利于疊前反演[12]。CGG軟件提供了一種利用vP、vS和ρ的相關性，通過設置背景相關性來增加反演的穩(wěn)定性，背景相關性公式如下

(4)

式中：k、m、kc、mc分別為相關公式系數值；ΔLS、ΔLD為公式求取差值；vS為橫波速度;vP為縱波速度;ρ為密度。

圖6　 縱波阻抗、橫波阻抗及密度關系圖Fig.6　Correlation diagram of P-impedance, S-impedance and density

文本根據JY1、JY2、JY3及JY4井實測的縱波速度、橫波速度及密度曲線，進行了lnρ與lnvP及l(fā)nvS與lnvP相關性分析，計算到了上述的相關性公式中的k、m、kc、mc、ΔLS、ΔLD值(圖6)。焦石壩地震資料采集采用了長排列、寬方位、高覆蓋、強耦合的地震采集觀測系統(tǒng)，最大偏移距為5 164 m，最大入射角為45°，覆蓋144次；同時結合疊前時間偏移技術為疊前反演提供了高信噪比、高保真、高分辨率、高覆蓋次數的CRP道集，達到了高精度疊前反演的要求。利用上述疊前同時反演技術可以得到密度反演結果，最后根據TOC含量與密度的統(tǒng)計函數，完成TOC含量的預測。

1.3擬聲波反演TOC含量預測技術

擬聲波反演的原理是利用能反映儲層巖性、物性變化的測井曲線與原始聲波曲線結合重構偽聲波曲線，利用擬合的聲波曲線參與反演，從而使得反演的結果能反映儲層巖性及物性的變化[13]。本文根據優(yōu)質泥頁巖高TOC含量的特征，首先利用小波多尺度分解技術提取聲波測井曲線的低頻信息；然后再利用統(tǒng)計回歸方法提取TOC曲線的高頻信息；最后將低頻信息融合到高頻信息中，構建既具有地層背景的低頻信息又能反映優(yōu)質泥頁巖TOC含量的擬聲波曲線。對比擬聲波阻抗與原始波阻抗(圖7)可以看出，擬聲波后的波阻抗更能反映優(yōu)質泥頁巖TOC含量自上而下逐漸增大的縱向變化特征。

通過對焦石壩工區(qū)JY1、JY2、JY3及JY4井的波組抗曲線與TOC含量曲線的交匯分析發(fā)現，擬聲波阻抗曲線與TOC含量的相關性明顯高于原始波阻抗(圖8)。本文擬聲波阻抗反演采用疏脈沖反演方法[14]，利用精細標定計算的擬聲波阻抗構建合理的地層模型；然后利用地震及模型信息進行擬聲波阻抗反演；最后根據擬聲波阻抗與泥頁巖TOC含量的相關性進行TOC含量的預測

圖7　擬聲波波阻抗曲線與原始波阻抗曲線對比圖Fig.7　Comparison of pseudo-acoustic impedanceand original acoustic impedance

wTOC=29.8691-0.004152Za+1.4325 e-007Za2

(5)

式中：Za為擬聲波阻抗。

2應用效果分析

圖8　原始波阻抗、擬聲波波阻抗與泥頁巖TOC含量交匯圖Fig.8　Correlation diagram of pseudo-acoustic impedance, original acoustic impedance and TOC

作者在焦石壩工區(qū)依次運用上述的多屬性反演、疊前密度反演及擬聲波阻抗反演3種技術，驗證了TOC含量預測的可行性及精度，均取得了較好的效果。同時對比3種TOC含量預測的技術方法，所需求的基礎數據及反演精度、分辨率不盡相同(表2)。疊后多屬性反演主要是基于TOC測井曲線及疊后偏移地震數據，主要適用于三維地震數據；而疊前密度反演則需要提供滿足疊前反演的高信噪比、高保真、高分辨率、高覆蓋次數的CRP道集及縱波、橫波、密度等測井資料；擬聲波反演僅需提供疊后偏移地震數據及常規(guī)測井曲線，且適用性更廣，三維及二維地震數據均能滿足要求。

圖9為利用3種反演技術得到的過JY1井、JY2井、JY4井連井TOC反演剖面，縱向上自上而下TOC含量總體為增大的趨勢，五峰組-龍馬溪組第一段Ⅰ亞段wTOC為3%~4%，Ⅱ亞段為2%左右，Ⅲ亞段為1%~3%，與實鉆井的縱向變化一致；同時由東北(JY1井區(qū))至西南(JY4井區(qū))泥頁巖TOC含量分布較為穩(wěn)定，焦石壩三維泥頁巖TOC含量整體較高。

表2TOC含量預測技術對比表

Table 2Contrast of shale TOC prediction technique

從圖9對比3種TOC含量預測技術得到的TOC反演剖面可以看出，疊前密度反演得到的結果分辨率和精度都最高(表2，其中紅色曲線為反演結果、黑色曲線為原始TOC含量曲線)；多屬性反演精度較高、分辨率相對較低；而擬聲波反演的精度相對較低。統(tǒng)計分析顯示，根據疊前密度反演得到的TOC含量預測結果與測井解釋結果吻合度最高(表3)，測井解釋成果分析JY1井五(預測結果大于測井解釋成果時為“+”，小于時為“-”)峰組-龍馬溪組第一段優(yōu)質泥頁巖平均wTOC為2.89%；JY2井為3.17%、JY4井為2.85%，從過JY1井、JY2井、JY4井TOC反演剖面可以看出，JY2井的平均TOC含量較JY1井、JY4井高。表3為測井解釋TOC含量與預測TOC含量對比表，最大相對誤差為1.26%，最小為0.35%；同時對后期鉆探的JY11-4井進行了驗證，絕對誤差0.4%及相對誤差2.2%，均較小，TOC反演結果較為可靠。

表3　預測TOC含量與測井解釋成果對比

圖9　JY1-JY2-JY4井連井TOC反演剖面Fig.9　TOC inversion profile across Well JY1-2-4

最后利用疊前密度反演進行了TOC含量的平面預測(圖10)。從圖中可以看出，JY1井、JY2井、JY4井平均TOC含量較高，JY3井較低；焦石壩主體部位平均wTOC>2%，富含有機質頁巖在焦石壩三維區(qū)塊內穩(wěn)定分布；高TOC含量優(yōu)質泥頁巖發(fā)育中心位于JY2井區(qū)，從JY1、JY2到JY4井呈帶狀展布；在三維區(qū)西南部斷裂復雜帶附近優(yōu)質泥頁巖發(fā)育相對較差，大斷裂不利于頁巖氣藏的富集。

依據工區(qū)的不同特點、所能提供的基礎數據及反演精度和分辨率要求可選取相應的方法進行TOC含量的預測，3種TOC含量預測的方法推廣應用性較強，基本能滿足不同工區(qū)TOC含量預測的要求。在工區(qū)基礎資料比較齊全的情況下，建議使用精度最高的疊前密度反演技術進行TOC含量的預測。

3結 論

a.多屬性反演、疊前密度反演及擬聲波反演技術均能較好地進行泥頁巖TOC含量的預測。

圖10　五峰組-龍馬溪組第一段頁巖氣層平均TOC含量預測平面圖Fig.10　Map of shale TOC prediction for Wufeng-Longmaxi Formation

b.川東南焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組泥頁巖TOC含量預測結果表明，TOC含量具有自上而下逐漸增大的縱向特征，同時平面上TOC含量展布穩(wěn)定，主體部位平均wTOC>2%，優(yōu)質泥頁巖整體發(fā)育。

c.對比3種TOC含量預測的技術方法,疊前密度反演對基礎數據要求較高，同時其反演精度也最高；多屬性反演及擬聲波反演技術適用性較強，尤其是擬聲波反演技術可在二維工區(qū)進行大范圍推廣應用。

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Research on shale TOC content prediction techniques and contrast in

Jiaoshiba area, Sichuan Basin, China

CHEN Chao1, LIU Yun2, WANG Ming-fei1, ZHOU Zhuo-zhu1

1.ExplorationCompanyofSINOPEC,Chengdu610041,China;

2.SouthwestBranchCompanyofSINOPEC,Chengdu610041,China

Abstract:Geophysical prediction method for investigating residual organic carbon shale content is used so as to provide evidence for shale gas exploration and development. Based on drilling well laboratory analysis and logging data, combined with multi-attribute inversion, pre-stack density inversion and pseudo acoustic inversion techniques, the shale TOC content in Jiaoshiba area of Sichuan Basin is predicted. It shows that all these three kinds of inversion techniques meet the research demand of characteristics and evaluation of TOC content distribution. Of the three technical methods, the pre-stack inversion needs higher quality basic data, and produces the highest precision, while the acoustic inversion and multi-attribute inversion have an extensive usability, especially the acoustic inversion technique has a wide range of application in the two-dimensional seismic work area.

Key words:TOC; multi-attribute inversion; pre-stack inversion; acoustic inversion

[文獻標志碼][分類號] P631: TE122.113 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.05

[文章編號]1671-9727(2016)01-0050-09

[收稿日期]2014-11-11。

[基金項目]中國石油化工集團公司重大科技專項(P13129)。

[第一作者] 陳超(1986-),男,工程師,主要從事地震地質綜合解釋及儲存預測研究, E-mail:chch19861224@126.com。