美国页岩气革命的成功，在国内也引发了对页岩气勘探的热情与憧憬，由于页岩气在页岩中是自产自储，而我国富有有机质的页岩十分发育，居世界前列，既有有机质含量丰富的古生界海相页岩，也有中、新生界陆相页岩.而且，经过这些年的不懈努力，在页岩气勘探开发方面，我们也取得了一些成就.特别是在四川地区，部分单口井的日出气量已达数十万立方米，这些成功进一步的引发了新一轮的投资热潮.

服务于页岩气勘探开发的方法有地质、地球物理、地球化学、钻采工程等，从寻找含页岩气的有利区带到钻、完井设计，从测井识别页岩气层，到随钻测井，再到压裂裂缝监测，地球物理技术已融入到页岩气勘探开发的各个阶段，成为页岩气勘探开发不可或缺的基本技术(刘振武等，2011).但页岩气没有类似于常规油气的圈闭，没有明显的边界，属于“自生自储”型的低丰度连续性油气藏(蒋裕强等，2010)，页岩气的勘探和开发，和常规气的勘探开发有着不同的工作和技术流程.我国页岩气勘探开发的不断突破，得力于相关技术的引进和发展.

在页岩气勘探开发的不同阶段，由于要解决的问题不同，对地球物理技术有不同的需求，应使用不同的技术，来解决面临的不同的问题.

在页岩气的勘探阶段，主要落实页岩气藏的富集规律，进行页岩气核心区选择和资源评价(刘伟等，2013)，地球物理技术主要是在测井的基础上进行区域预测(罗蓉和李青，2011)，通过对地震资料进行构造解释、地震属性分析、储层预测来查明页岩地层空间分布、地下地质构造，页岩地层埋深、厚度，预测TOC、物性参数(谭茂金和张松扬，2010)(如孔隙度、渗透率、饱和度等)，进一步地进行裂缝预测和含气性预测，为资源评价和页岩气开发核心区的优选奠定基础.

在开发阶段，主要落实多级压裂和水平井钻井，地球物理方法则可为优化页岩气钻井及储层压裂改造部署提供技术支撑(李武广等，2011).首先，利用地震反演与属性分析技术可对矿物组成、脆性以及力学性质和天然裂缝的分布的各向异性特征进行精细刻画，通过开展地质、工程、岩石物理方法和地震储层预测相结合的双甜点预测与评价，对岩石脆性进行评价，优化的压裂方案，并将页岩的岩石物理参数用于控制页岩气压裂缝网规模.其次，在压裂过程中，通过用 3D VSP技术联合微地震监测技术，可监测和记录微地震事件，实时提供压裂过程中产生的裂缝位置、方位、大小以及复杂程度，评价增产方案的有效性，并优化页岩气藏多级改造方案.

地球物理技术在页岩气勘探开发中得到了广泛的应用，而且，针对页岩气“自生自储”型的低丰度连续性油气藏特点，国外发展了一些用于开发阶段的地球物理技术，由于国外早于我们进行页岩气的开发，它们当中一些在勘探开发过程中得到了成功运用的地球物理技术(Sunjay，2012)，为我们积累了宝贵的成功经验，值得我们学习.

封闭应力是使岩石裂缝张开所需的最小应力，封闭应力低的部位为易破裂的部位，后者在页岩气开发上不但可以降低压裂成本，还可提高开采产量.国外公司就成功地利用得到的封闭应力参数指导水平井的钻探.利用得到的岩石弹性性质，计算出动应力数据体.再转换成相应的静应力、环应力、封闭应力，并根据封闭应力体找到裂缝发育或容易破裂的位置进行钻探，得到优化的钻井方案.如图 1(Goodway et al.，2012)，为过应力数据体的任意二维应力等值线截面图，应力数据由地震数据计算而来，冷色调相对于热色调是更容易破碎的部位.

图 1

Fig. 1

图 1 过应力数据体的任意二维应力等值线截面图Fig. 1 Arbitrary line through an isotropic closure stress volume

对储层的岩石物理特性的了解，特别是力学特性的了解，是地球物理技术，特别是地震技术在页岩气勘探开发中的重要一环．页岩气储层在地震波尺度上都表现为弱各向异性，这种弱各向异性与地层的骨架颗粒的定向排列和颗粒间的裂隙发育程度有关．通过对地震信号方位各向异性的处理，由地震数据计算动应力，把动应力转换为对应储层深度的静应力，并估算水平方向的最大和最小应力，计算出水平应力差比(DHSR-最大水平应力与最小水平应力之差与最大水平应力之比).水平应力差比低，将形成各个方向的张性断裂，形成裂缝群.有利于页岩气的储集和开采；反之，如果最大应力远远大于最小应力，那么，裂缝将平行于最大应力方向.由于杨氏模量和岩石破碎的难易程度相关，综合运用杨氏模量和水平应力差比就可进行页岩气工程“甜点”预测.如图 2所示，利用杨氏模量、水平应力差比进行工程“甜点”预测，颜色深浅为杨氏模量，而垂直厚度为水平应力差比(DHSR)，厚度大部位代表大的DHSR.前景部位为Young's模量数值高(红色、岩石最易破碎)，DHSR小(厚度小、易形成裂缝).由此得到我们开发页岩气所需的工程“甜点”.

图 2

Fig. 2

图 2 杨氏模量、水平应力差比工程“甜点”预测Fig. 2 Prediction of engineering “Sweet Spot” by using Young's modulus and DHSR

页岩气储层的快速开发并不意味着优化开发(Hart et al.，2011)，在页岩气的勘探开发过程中，一般情况下，都知道页岩储层的分布，我们可以利用地震资料来求取一些页岩的地震属性，特别是地震力学性质相关的属性，通过对已有开发井和取得的地震属性进行相关分析，在平面上找到好的压裂部位，来指导页岩气的开发，如图 3，利用地震数据转换而来的岩石物理属性用于指导压裂，由地震资料得到的岩石物理属性可选择优化部位进行压裂，井B每米的产量是井A的两倍.

图 3

Fig. 3

图 3 岩石物理地震属性指导压裂Fig. 3 Directing fracture by using petro-physical seismic attributions

在页岩气勘探开发过程中，由于页岩气“自生自储”型的低丰度连续性油气藏特点，地球物理技术可为“甜点”预测、储层压裂改造、及水平井的钻探设计提供重要技术支撑，因此其对页岩气的开发起着至关重要的作用(孙龙德等，2013)，地球物理方法可以起着其在常规油气勘探开发中完全不同的作用.

各向异性是页岩气储层最重要的特征(张键等，2012)，一方面，普通页岩基质所具有的薄页状或薄片层状节理和很低的基质孔隙度和渗透率，会使页岩表现出强各向异性；另一方面，如果有有机质成分的加入，由于干酪根分布不均和成熟度不同会造成更大的各项异性.页岩气储层各向异性地球物理特征在速度上表现为叠加速度随方位角发生变化，速度-方位角图为近椭圆(各向同性速度-方位角图为圆形)，椭圆长轴方向为高速度，椭圆短轴方向为低速度(图 4)，利用速度随方位角变化，我们可以用叠前地震道数据，分析旅行时随方位角的变化以检测页岩气储集层裂缝发育方向与密度；页岩气储层各向异性地球物理特征在振幅上则表现为反射振幅随方位角的变化，页岩最大各向异性的方向对应于最大 AVO 梯度差，利用反射振幅随方位角变化，我们可以用AVO 属性值的变化规律计算出地层的裂隙发育程度(林建东等，2012).但现行页岩探区地震资料处理方法大多建立在地震各向同性的基础上，如何在地震资料处理和反演过程中考虑地震各向异性的影响是一个难点问题，也是我们可利用来进行进一步储层特性研究的关键.

图 4

Fig. 4

图 4 页岩气储层各向异性方位角速度Fig. 4 Shale gas layer anisotropic azimuth velocities

页岩气储层和常规储层的差别在于其属于“自生自储”型的低丰度连续性油气藏，其中的有机质既是储层重要的成份，又是储层经济价值判别标准．一般情况下，只有相对高的总有机碳(TOC)含量，页岩气藏才会有经济开采价值；此外，有机质的存在，极大地影响了页岩气储层的地球物理响应特征，初步研究表明，有机物质的存在，在增加了各向异性的同时减少了P波S波的速度、Vp/Vs比例和密度(彭晓群，2013)，由于P 波减少幅度大于 S 波的减少幅度，因而含气储层的 Vp/Vs会大幅降低;同时，对电阻率的变化也有很大影响(图 5)，这是页岩气地质“甜点”的重要特征(王小琼等，2013).针对此特点，笔者建议，在储层在页岩气测井评价提供的页岩储层总有机碳(TOC)、热成熟度(Ro)等参数基础上，由于其与速度、密度等都有很大的相关性，我们可以尝试进行总有机碳(TOC)、热成熟度(Ro)等参数约束的地震反演，进行储层含气丰度预测.

图 5

Fig. 5

图 5 页岩气储层与非储层岩石物理模型Fig. 5 Petro-physical models of reservoir and non-reservoir of shale

在页岩的分布大多为已知的情况下，对地球物理技术更感兴趣的是页岩气开发工程师.也就是说，和常规气开发不同，地球物理技术更重要的作用在页岩气的开发阶段.而在开发阶段，最重要的是在含气性好的地质甜点区，预测出易碎和易裂的所谓工程上的“甜点”.其中，AVO叠前反演和岩石地质力学的结合是关键.

AVO叠前反演的主要依据是岩石物理学理论和振幅随偏移距变化理论(林建东等，2012)，对地震振幅随偏移距变化、地震振幅随方位角的变化和速度随方位角(vvaz)变化进行组合分析，最终导出泊松比、拉梅常数、体积模量、切变模量和杨氏模量等弹性参数，反映地下介质的岩性和孔隙流体性质．在页岩储层寻找有利压裂区域时，决定页岩脆性的是它的力学性质，分析页岩力学性质是非常重要的一个方面.对于页岩气富集的储层，其体积密度减小、弹性波速度降低，同时，弹性模量、泊松比等含气性预测参数具有明显的变化.但杨氏模量和泊松比更可作为表征页岩脆性的参数.杨氏模量和泊松比表示岩石在外界应力作用下的反映，杨氏模量的大小表征了储层岩石的刚性，杨氏模量越大，岩石越不容易发生形变.泊松比的大小表征了储层岩石的横向变形系数，泊松比越大，说明储层岩石在压力作用下越容易膨胀.不同的杨氏模量和泊松比的组合表示储层岩石具有不同的脆性，杨氏模量越大，泊松比越低，页岩储层的脆性越高.这就为利用叠前弹性参数反演方法来预测页岩储层脆性提供了一定的理论依据.另一方面，在AVO叠前反演得到的岩石物理参数的基础上，利用岩石物理理论，采用针对地质力学特性的理论计算应力值，我们可以得到我们需要研究的储层的动应力.在动应力的基础上，我们进行相应的计算，求取相应储层的静应力.通常，在应力状态各向异性的情况下，我们可估算出水平方向的最大和最小应力，并用其预测环应力与封闭应力.而环应力和封闭应力决定了压裂运动和其类型(Gray et al.，2010)，封闭应力是使岩石裂缝张开所需的最小应力，而封闭应力小，就意味该部位容异被压裂，就可形成压裂时的所谓工程“甜点”.这些理论对指导我们预测“甜点”，开发页岩气具有很大实际意义.

我国页岩气开发相对较晚，但近年来取得了不少进展与突破，从资源、技术评估和小规模开采阶段，逐步进展到不断的技术突破、中等规模的开采阶段，目前，已摸索出一套适合中国地质特点的页岩气研究思路和方法，形成了集地震勘探资料采集、处理解释及微地震压裂监测一体化的页岩气地球物理技术系列.我国页岩气勘探开发中应用地球物理技术和国外的差距正在不断的缩小.

页岩气储层岩石物理技术是页岩气开发地球物理研究的基础(Hartman et al.，2008).我国测试技术和方法基本趋于成熟，页岩易脆、性软，岩石物理测定也在进行攻关并不断取得进展.在页岩运动学和力学性质实验室测试技术方面，近两年已形成了配套技术，页岩气储层的岩石物理实验手段正在进一步完善中，页岩气储层地震各向异性岩石物理建模技术方面的研究已引起了关注，已有研究人员从理论上求解页岩气储层的地震各向异性问题并利用各向异性在理论上求解它们和页岩层物性、裂缝和应力场的关系；另外，近年来发展的数字岩心技术，可以相对连续地从微观和宏观角度研究岩石物理特性，正成为研究页岩岩石物理特性的重要手段.

与常规气的勘探阶段相比，地球物理技术在其中所起作用没有太大差别，因此，可以借鉴常规气勘探阶段时所使用的相对比较成熟的技术，将集采集、处理及解释一体化的页岩气地球物理技术利器逐步运用于实际生产中，而且，我们在这方面和世界先进水平基本是同步的.

我国地球物理技术在页岩气开发中的应用正在缩短和国外的差距，具体来说.

1)正在研究和完善利用地震资料预测储层脆性和含气丰度，而储层脆性及含气丰度是影响储层改造的关键因素.目前，叠前、叠后裂缝发育带综合检测技术，基于叠前弹性参数反演的脆性预测技术、甜点预测等技术系列已在国内出现并应用于页岩气的勘探开发.

2)正在引进和发展微地震监测方法，该方法实时提供压裂施工过程中所产生的裂缝位置、方位、大小及复杂程度，优化页岩气藏多级改造的方案.并正在努力研制国产的完整的微地震监测技术方案及采集设计、处理解释配套软件，与此同时，微地震压裂监测一体化的页岩气地球物理技术系列已在我国形成.

我国的页岩气勘探开发工作已经迅猛发展，技术创新是页岩气发展的关键.由于用于页岩气勘探阶段的地球物理技术和常规气勘探的地球物理技术类似且相对比较成熟，而地球物理技术在开发阶段可直接为开发工程提供储层物性、页岩层裂缝和应力场数据，以降低开发风险，提高开发成功率.发展针对页岩气开发的地球物理技术应该是重点.而要达到这样的目标.

(1)进一步加强页岩气储层岩石物理技术研究，完善页岩气储层的岩石物理实验手段，在此基础上，进一步发展针对页岩气勘探的地震资料保幅处理和高分辨率处理特色技术，研究页岩气储层地震资料各向异性处理和多波反演技术.

(2)在高质量地震资料、反演资料、测井资料的基础上，进一步研究页岩气储层的地球物理响应特征、地震各向异性问题，并利用各向异性在理论上求解它们和页岩层物性、裂缝和应力场的关系；形成可用于指导“甜点”预测、指导压裂、指导水平井钻探的软件系统，并尝试进行用总有机碳(TOC)、热成熟度(Ro)等参数约束的地震反演进行储层含气丰度预测.

(3)进一步加强微地震压裂监测技术研究，形成完整的微地震观测系统优化技术、微地震弱信号提取技术、有效微地震事件确定技术、微地震事件定位技术等，并形成配套的软件系统，服务于页岩气的开发工程.

(4)研究前缘技术和理论，加强原始创新，通过加大与国外的技术交流与合作，并结合我们自身特点，最终形成有我国特色的用于页岩气开发的地球物理工作和技术流程.

致 谢    感谢审稿专家和编辑部专家对文章修改的建议.