2017, Vol. 32
2. 山西省煤炭地质勘查研究院, 太原 030006
2. Shanxi Provincial Coal Geological Exploration Research Institute, Taiyuan 030006, China
随着全球油气资源勘探程度的提高，致密砂岩气藏已成为一个重要的勘探新领域.致密砂岩气作为一种非常规天然气能源，在世界范围内广泛分布，并且拥有可观的规模.我国的致密砂岩气藏资源丰富且类型多样，如在鄂尔多斯、四川、松辽、吐哈、准噶尔和塔里木等10余个盆地，都具有形成致密砂岩气藏的地质条件 (刘吉余等，2008；戴金星等，2012；郭迎春等，2013).苏里格气田是我国近年来发现的大气田，根据最新评价结果，其探明天然气地质储量为5336.52×108 m3，具有极其广阔的开发潜力.大量研究资料表明，致密砂岩气作为一种非常规资源，蕴含着巨大的资源潜力，致密砂岩气藏的勘探与开发已经成为全球油气资源研究的热点，且正在改变世界能源的格局.因此，开展致密砂岩气藏地球物理勘探方法技术研究具有重要的现实意义 (Zou et al., 2009；孙赞东等，2011；Ma et al., 2012).
多年来，各国地球物理学家在致密砂岩气藏勘探方面做了大量的工作，截至目前，地震勘探方面主要应用的技术方法有：三维地震勘探、多波多分量地震勘探、AVO技术、地球物理反演技术、三维相干体技术、地震属性技术等 (马昭军等，2010；单蕊等，2011；程冰洁等，2012；Yang et al., 2013；黄金等，2014).地球物理测井方面除常规测井系列外，近年发展起来了如阵列感应测井、偶极横波测井、微电阻率扫描成像测井、超声波扫描成像测井、核磁共振测井等新技术 (李健等，2002；Mullen et al., 2005；杨双定，2005；谭海芳，2007；张永军等，2012；景成等，2014；刘行军等，2015)，这些方法技术在致密砂岩气藏解释评价方面有着更为广阔的前景.
本文针对致密砂岩气藏地质特征，基于对现有成果认识的梳理和分析，开展致密砂岩气藏地球物理勘探技术方法总结和展望，以期服务于致密砂岩气藏勘探技术进步.
1 致密砂岩气藏地质特征致密砂岩气又称致密气，通常是指在低渗透-特低渗透砂岩储层中，无自然产能、需通过大规模压裂或特殊采气工艺技术才能产出具有经济价值的天然气.致密砂岩气藏大多分布在盆地中心或盆地构造的深部且呈大面积连续分布，故又称为深盆气藏、盆地中心气藏或连续分布型气藏等 (邹才能，2011).致密砂岩储层与常规砂岩储层相比，二者在沉积背景和环境、成岩演化、孔隙类型、孔喉结构、孔隙连通性、毛管压力及应力敏感性等方面均有较大差异，见表 1.
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表 1 常规砂岩与致密砂岩储层特征对比 (Higgs et al., 2007；伏海蛟等，2012；Zou et al., 2012) Table 1 Conventional sandstone reservoirs and tight sandstone reservoirs contrast (Higgs et al., 2007; Fu et al., 2012; Zou et al., 2012) |
致密砂岩气藏的地震勘探目前仍然是技术难度较大的领域.由于孔隙度和渗透率均很低，所以有效储层预测和流体检测具有很大难度，其地震成像质量难以满足钻井要求.致密砂岩和泥质围岩之间的声波阻抗差往往很小，导致了地震响应非常微弱，尤其存在层间多次反射和易受到其他地震干扰.近年来，随着勘探设备研发和技术方法提高，如万道地震仪和数字检波器应用于采集、波动方程叠前逆时偏移技术应用于成像、全波形反演技术构建准确速度场等 (雷群等，2008；赵虎等，2009；陈可洋，2010；Zhou et al., 2011；赵万金等，2012；杨午阳等，2013)，勘探查明的致密砂岩气藏将在我国天然气资源中占有越来越大的比例.
2.1 致密砂岩气藏裂缝预测技术由于致密砂岩多是低孔低渗储层，存在天然气并不意味着储层能够产出天然气.大量研究表明，裂缝发育情况是致密砂岩气藏的成藏、高产与否的关键因素.裂缝检测技术被公认为致密砂岩气藏勘探的关键技术之一，同时也是世界范围内致密砂岩气藏勘探的难点之一，其精确性直接制约着致密砂岩气藏勘探成功率 (黄绪德和郭正吾，2000；马如辉，2005；苏培东等，2005；Tang et al., 2008).目前基于地震勘探的裂缝预测技术主要有以下几种 (表 2).
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表 2 致密砂岩气藏裂缝地震检测方法汇总 (甘其刚和许多，2008；杨克明等，2012) Table 2 An overview of fracture detection methods in tight sandstone gasreservoirs (Gan and Xu, 2008; Yang et al., 2012) |
致密砂岩气藏裂缝预测有着相当大的难度，靠单一方法确定裂缝分布会产生不确定性解，因此需要综合各种技术开展裂缝预测.一体化裂缝预测工作主要包括地震属性分析、P波方位各向异性预测、横波分裂预测和构造正反演与应力应变分析等，并结合测井资料对裂缝预测结果进行校正.不同储层裂缝预测参数应有所不同，因为不同的地质构造及岩性对应的断层发育程度也不同.利用所有可能信息进行裂缝预测，并开展有效裂缝储层厚度的统计分析，以预测出高裂缝密度区域，为将来钻井提供最佳布井方案 (孙赞东等，2011).
2.2 致密砂岩储层含气性识别技术综合国内外方法和实践经验，致密砂岩储层的含气性预测方法主要有以下几种，见表 3.
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表 3 致密砂岩气储层含气性识别技术 (刘振武等，2008；石玉梅等，2003；王锡文，2012；杨克明等，2012) Table 3 The technology of gas-recognition of tight sandstone gas reservoirs (Liu et al., 2008; Shi et al., 2003; Wang, 2012; Yang et al., 2012) |
巫芙蓉等 (2011)对WD区块宽方位三维地震资料进行了保真叠前处理，获得了高质量的CRP道集，在此基础上进行AVO处理，提取了P*G属性，利用该属性可以判别储层的含气性，P*G属性值大区 (红色) 是含气概率高值区.图 1是分别截取了井附近的须二段储层P*G平面分布图，图中暖色调代表P*G值大，指示可能的有利含气区分布，WD7井 (气井) 位于P*G相对高值的红色区域内，WD8井、WD11井 (水井)、WD2井 (干井) 位于P*G相对中低值区域内，该属性很好地解释了4口井的含气性差异.
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图 1 P*G属性平面分布图 (巫芙蓉等，2011) Figure 1 The plane distribution of P*G attribute (Wu et al., 2011) |
1) 常规测井技术系列
目前，识别致密砂岩气储层的常规测井系列主要包括岩性测井系列 (自然电位、自然伽马、自然伽马能谱)、孔隙度测井系列 (补偿声波、补偿密度、补偿中子)、电阻率测井系列 (双感应/八侧向、双侧向/微球聚焦) 及工程测井 (井径、井斜/方位测井).
2) 特殊测井技术系列
随着测井理论和技术的进步，测井仪器也经历了模拟-数字-数控-成像的发展过程.近年来，一系列测井新技术 (本文把测井新技术称为特殊测井技术) 在致密砂岩气储层评价方面发挥了重要的作用，目前国内外常用的先进方法有阵列感应测井、偶极横波测井、微电阻率扫描成像测井、超声波扫描成像测井、核磁共振测井、化学元素俘获谱测井 (ECS) 等 (赵政璋和杜金虎，2012)，总结见表 4.
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表 4 测井新技术主要地质应用 (杨克明等，2012；赵政璋和杜金虎，2012) Table 4 The main geological application of new logging technology (Yang et al., 2012; Zhao and Du, 2012) |
3) 测井系列优选
为了经济、客观、准确地评价储层，需要对各类储层的测井系列进行优选，一般来说，主要遵循以下原则：
(1) 保证地质目的的实现.这是测井系列选择最基本的条件.
(2) 成本可控、经济实用.特殊测井与常规测井相比较，其测井成本较高，因此在测井系列选择中考虑了经济的原则，常规测井能够解决的问题一般不再开展特殊测井.
(3) 特殊地质要求.针对特殊的地质要求，可对某些项目进行增减.如开展沉积特征研究可增加成像或地层倾角测井，研究高放射性储层可增加自然伽马能谱测井.
3.2 致密砂岩气层测井识别方法致密砂岩气藏不同于常规气藏，其具有低孔低渗、孔隙结构复杂、受围岩影响大等特点，使得大部分测井信号分辨能力差.致密砂岩气层的测井识别要比常规气藏困难得多，许多方法的识别效果都不理想 (李云省等，2003；吴述林等，2013；章雄等，2005；孙越等，2012).常规测井识别气层主要是通过气层与水层的电阻率差异来识别，近年来，也发展了一些新的测井技术，如利用核磁共振测井、交叉偶极声波测井等成像测井资料识别气层，提高了气层的识别精度.常见的致密砂岩气层测井识别方法总结见表 5.
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表 5 致密砂岩气层测井识别方法 (谭廷栋和陈世新，1988；王群等，1994；李霞等，2013；张蕾等，2013) Table 5 The logging technology of gas-recognition of tight sandstone gas reservoirs (Tan et al., 1988; Wang et al., 1994; Li et al., 2013; Zhang et al., 2013) |
李霞等 (2013)对苏里格气田某研究区X井盒8段和山1段储层进行处理，结果如图 2所示，在60号、62号和65号层处，纵横波速度比值和泊松比都减小，压缩系数增大，纵横波速度比值与泊松比曲线交会呈镜像充填显示，泊松比与压缩系数交会也呈镜像充填显示，岩石等效弹性模量差比DRM>0，气层识别的判别参数AK < 0.25，并结合气测全烃曲线和双孔模型计算的含气饱和度，综合判断这3个层为气层，其余储层段虽然也有微弱的含气指示，但由于其物性较差，含气饱和度较低，判识为干层.
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图 2 X井盒8段、山1段气层识别方法综合对比 (李霞等，2013) Figure 2 Comprehensive comparison of gas-recognition methods of He 8 and Shan 1 of X well (Li et al., 2013) |
致密砂岩气藏由于其低孔低渗特性、孔隙结构复杂、围岩影响大等特点使得测井计算孔隙度、渗透率及含气饱和度的精度不高，解释符合率偏低，建立孔隙度、渗透率和饱和度模型较为困难.对低渗透的致密储层而言，研究核心就是建立精细孔渗模型和饱和度模型进而评估储层性能和产能级别.
1) 泥质含量
各种测井方法的测量参数都受到泥质含量的影响，原则上讲都可以用来确定泥质含量.对于致密砂岩气层来说，求取泥质含量的方法较多，目前主要有自然伽马法、自然伽马能谱法、自然电位法、Q因素法以及交会图法等 (洪有密，1993).
自然伽马法求泥质含量的要求是地层中的放射性物质均来源于泥质，其他部分不含放射性物质，否则计算结果将偏高；自然伽马能谱计算泥质含量时，必须考虑放射性的来源，一般不用铀含量计算泥质含量，而用总计数率、钍含量和钾含量的测井值计算；自然电位法适用于地层厚度较大的水层，淡水泥浆井，不适用于厚度小油气层、盐水泥浆井；Q因素法是借助于孔隙度测井计算泥质含量的方法.该方法的优点在于不受储层放射性的影响，但其要求地层中的泥质应以分散泥质为主，且密度测井易受井眼状况的影响，因而，井眼较差的情况下，效果将降低；用中子-密度、中子-声波、密度-声波交会图都可以确定地层的泥质含量，其基本原理都是相同的.每种交会图应根据地层具体的岩性加以选用.
当多种方法计算同一地层泥质含量时，应选择最小值作为该岩层的泥质含量.
2) 孔隙度
对于致密砂岩气储层而言，孔隙度是反映其物性的重要参数，也是计算渗透率与含油饱和度的基础参数.一般来说，利用常规测井曲线通常有两种方法计算地层孔隙度：一是利用声波、密度、中子测井响应建立体积孔隙度计算模型.二是利用统计模型计算地层孔隙度.即利用岩心与测井资料之间的关系，通过回归分析的方法来计算孔隙度.
现在通常采用核磁共振 (NMR) 测井获取地层孔隙度信息，当储层含有气体时，会引起地层含氢指数降低，导致核磁测井求取的孔隙度偏低.因此，对于低孔低渗气藏而言，利用单一的孔隙度测井资料难以准确地计算储层孔隙度.Freedman等 (1998)提出密度测井与核磁共振 (NMR) 测井相结合来计算经过气体校正的地层孔隙度的方法.Xiao等 (2015)提出了一种新的结合声波时差-核磁共振测井资料计算低孔低渗气层真实孔隙度的方法，计算公式为
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(1) |
其中
该方法的主要优势在于避免了利用单一方法计算孔隙度时首先要获取地层含气饱和度、含氢指数以及极化因子等参数的问题.实际资料应用表明，利用该方法计算的孔隙度与岩心分析结果吻合较好，计算结果可以真实地反映实际地层孔隙度.
3) 渗透率
目前测井解释渗透率方法很多，很早之前的Kozeny (1927) 提出的经验方程，就给出了孔隙度和渗透率之间的关系式.此后，国内外很多学者在渗透率计算方面做了研究，经典的有Timur方程 (1968)、Coates方程 (1974) 等.虽然这些方程具有一定的代表性，但是由于地区的复杂性，迄今为止，还没有一个普遍适用的测井渗透率模型.多元回归法也是计算渗透率常用的一个方法.
Salazar等 (2005)以North Louisiana地区的低渗透致密砂岩气层为例提出了一种新的岩石物理反演算法，并成功地用裸眼井阵列感应测量值计算出渗透率.该方法需要详细了解井眼环境变量，包括上覆岩层压力、温度、钻井液性质及侵入时间，精确模拟钻井液滤液的侵入过程还需了解流体性质和岩石-流体性质，且渗透率估计值的分辨率和精确度很可能会随着使用“原始”电压来取代视电阻率曲线而得到改善.
Hamada等 (2008)提出一种计算含气储层渗透率新技术，计算气体磁共振渗透率.该方法通过核磁共振资料计算出冲洗带气体体积，进而利用密度核磁孔隙度得到校正过的气体孔隙度，再根据气体孔隙度和渗透率相关性得到渗透率计算公式.通过实际资料处理表明气体磁共振渗透率与岩心渗透率之间的一致性好.
Xiao等人 (2013)提出了一种基于流动单元 (HFU，Hydraulic-Flow-Unit) 的核磁共振测井渗透率预测方法.根据流动带指标 (FZI) 将储集层划分为五类，分别建立了孔隙度和渗透率的关系，基于对FZI和经典SDR模型的分析，提出了一种从核磁共振测井获得FZI的新方法.现场实例的处理结果表明，从核磁共振测井资料计算的FZI值与岩心匹配很好，绝对误差在±0.15之间；计算得到的渗透率值与岩心分析结果也是一致的.
4) 饱和度
对于致密砂岩气储层而言，含水饱和度是极其重要的一个参数，研究表明含水饱和度对储层有效渗透率有很大影响.几十年来，国外学者在Archie公式基础上，提出了改进的Archie模型 (孙建孟等，2008)，主要有考虑泥质影响的饱和度解释模型 (Simandoux, 1963)、考虑骨架及多重孔隙影响的饱和度解释模型 (Givens, 1987) 和非均质条件下基于网络导电的通用饱和度解释模型 (李宁，1989).
Castillo等 (2011)针对WCSB (加拿大西部沉积盆地) 的致密气地层，利用声波、密度和电阻率测井曲线将地震速度分析与三孔隙度模型相结合，提出了一种新的致密气地层解释方法.该方法将纵波和剪切波整合到三孔隙度模型中用于估计地层电阻率、孔隙度及含水饱和度，结果表明，该方法在WCSB致密气地层有巨大的应用潜力，并且可以应用到地质特征相似的世界其他区域.
Amiri等 (2012)针对美国西部Mesaverde致密含气砂岩开展研究.他建立了一种新的方程来改善印尼模型，并通过电阻率、伽马射线、中子及密度测井实现，计算公式为
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(5) |
其中，Rt为地层真电阻率；R0是孔隙中100%含水时地层电阻率；Vsh为泥质含量；Rsh为泥岩电阻率；GR为自然伽马测井值；φt是地层总孔隙度；F为地层因素；N是自然伽马校正值 (取70或100).结果表明，该模型能有效地降低地层含水饱和度预测不确定性.
5) 气层无阻流量
气井的无阻流量是反映气井潜在产能的重要指标.常用的无阻流量是根据压裂改造后的产能测试结果得到，它反映的是储层经改造后的地层系数.而利用测井资料计算的无阻流量，接近于储集层原始状态，对正确评价气层的产气能力，具有重要意义.
通常人们主要采用“单点法”产能经验公式来确定气井无阻流量，但由于单点法产能经验公式局限性及“单点”测试结果往往达不到测试条件要求，而导致确定的气井无阻流量误差较大.张松扬 (1995)在对大牛地气田气层进行识别评价时，根据“四性”测井分类特征比值参数与气层产能关系，回归建立了气层无阻流量和测井综合比值与气层有效厚度乘积之间关系.冉宏等 (2000)认为气井无阻流量是储层渗流能力的综合反映，建立了温泉井构造西段石炭系气井无阻流量与渗透率和储层参数的函数.郭振华和赵彦超 (2010)根据已知测试层的无阻流量，建立了气层无阻流量和密度—中子孔隙度差值之间的关系式，达到定量计算气层无阻流量的目的.
4 致密砂岩气藏地球物理勘探方法技术展望综上所述，笔者对地球物理勘探方法技术在致密砂岩气藏勘探评价方面做出如下展望：
(1) 加强岩石物理研究，建立致密砂岩气藏正演模型.基于岩石物理分析的正演模型地震响应研究和测井响应研究，建立起岩石物理参数与地震属性参数及测井响应之间的数学关系，获取较为真实的岩石物理参数有助于开展地震资料解释及测井资料综合解释.
(2) 开展地震勘探与地球物理测井多尺度信息融合，加强致密砂岩储层裂缝研究.
地震勘探具有良好的横向预测特性，可在一定程度上解决裂缝预测工作，但限于裂缝发育部位、裂缝发育带及特定条件下的裂缝特征预测.地球物理测井是井筒中的“显微镜”，具有不可替代的高纵向分辨率.基于地质约束测井、岩心刻度测井，利用常规及特殊测井资料开展裂缝分布密度、裂缝延伸长度等参数定量预测.将两种尺度信息融合，开展关键井测井—地震融合反演，提高对裂缝的纵向及横向反演精度.
(3) 将神经网络技术、灰色关联等非线性数学方法及非平稳信号处理方法 (如广义S变换、Hilbert-Huang变换等) 引入到地震资料处理解释、测井资料处理与综合解释及井震联合反演中，提高地震及测井响应的分辨率，建立致密砂岩气藏储层参数与地震属性特征、测井响应特征的“隐式”及“非线性”关系模型，基于生产动态资料及其他地质资料约束，提高致密砂岩气藏勘探开发评价精度.
5 结语 5.1致密砂岩储层的显著特征是低孔低渗、孔隙结构复杂，且常具地层压力异常，深层浅层成藏关系密切.地震勘探方法在致密砂岩气藏勘探领域起着至关重要的作用，如高分辨率三维地震勘探、AVO技术、地震反演技术、属性技术等，特别是近年发展起来的多波多分量地震勘探，使致密砂岩气藏勘探从单一纵波发展到了多波多分量，储层预测属性从纵波属性发展到了全波属性，从而实现了致密砂岩气藏的储层预测、裂缝检测和含气性识别.
5.2利用地球物理测井方法识别致密气层时，应避免使用单一方法，要综合运用多种方法，互相参考，互相校正，以期提高识别精度.同时，为了准确评价和开发致密气藏，需要充分利用各种测井资料中有用信息，建立准确的参数解释模型，并结合岩心、钻井资料等提高储层基础数据估算精度，必要时开展核磁共振测井、阵列感应测井、井壁成像测井及阵列声波等测井新方法.
5.3未来工作中，要加强致密砂岩储层岩石物理研究，同时开展地震勘探与地球物理测井多尺度信息融合研究，并将神经网络技术、灰色关联等非线性数学方法及非平稳信号处理方法引入到地震资料处理解释、测井资料处理与综合解释及井震联合反演中，从而提高致密砂岩气藏勘探开发精度.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Amiri M, Yunan M H, Zahedi G, et al. 2012. Introducing new method to improve log derived saturation estimation in tight shaly sandstones-a case study from mesaverde tight gas reservoir[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 92: 132–142. |
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