煤層氣地震預測技術及應用范文

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《天然氣工業(yè)雜志》2014年第八期

1煤層氣富集關鍵地質要素

1．1煤層含氣量煤的含氣量主要決定于吸附量。一般情況下煤階越高微孔隙越發(fā)育，孔隙比表面積越大，且含氧官能團越少，吸附水越少，相應吸附甲烷越多。煤層氣含氣量的大小是評價煤層氣是否富集的重要指標，含氣量越高、產(chǎn)氣及穩(wěn)產(chǎn)的潛力越大。一般認為含氣量達到10m3／t，且滲透率達到0．2mD的煤層分布區(qū)即達到煤層氣有利勘探區(qū)的標準。統(tǒng)計資料表明，我國較高產(chǎn)煤層氣井，煤層滲透率范圍為0．05～0．5mD，含氣量對生產(chǎn)能力的影響是顯而易見的。

1．2斷裂及裂縫構造運動形成的斷裂對煤層氣的保存起到一定的破壞作用，但伴生的微裂隙增加了煤層的滲透性，對煤層氣的開發(fā)有一定的積極意義，同時煤巖割理的發(fā)育程度也決定著煤的滲透性。因此，對于煤層氣的富集和產(chǎn)出，斷及煤層之斷裂和煤層中的裂縫的發(fā)育程度是必須考慮的重要地質因素。

1．3圈閉條件圈閉對于煤層氣和常規(guī)天然氣而言，同樣是必要條件，但圈閉類型和機制完全不同。常規(guī)天然氣聚集場所是由儲層、非滲透層（蓋層）和構造3因素相結合形成的構造圈閉、巖性圈閉、復合圈閉等，天然氣以游離或水溶態(tài)儲集于孔滲性儲層之中；煤層氣聚集成藏的圈閉主要是壓力圈閉，即由煤層及其頂?shù)装逶谝欢嬙炫c水動力條件下的壓力平衡系統(tǒng)，地層壓力大于煤層甲烷氣吸附壓力，煤層氣以吸附態(tài)為主吸附于煤顆粒表面和煤巖微裂縫面，煤層裂縫和大孔隙主要被煤層水所充填。因此，煤層氣的圈閉類型非常特殊，且不可以常規(guī)天然氣的圈閉方式和類型加以評價。當然，以高孔滲的煤層作為儲層、天然氣以游離或溶解態(tài)儲集其中的常規(guī)煤成氣藏，需另當別論。

1．4煤層脆性煤層氣開采過程中需要對煤層進行壓裂。因此，脆性是一個非常重要的參數(shù)。脆性越大，越容易產(chǎn)生裂縫［6］，越利于煤層氣開采。

2“甜點區(qū)”地震預測思路與技術

2．1“甜點區(qū)”地震預測思路煤層氣甜點區(qū)的地震預測就是以與煤層氣富集關鍵要素相關聯(lián)的地震信息和地震屬性為主、多要素疊加、通過綜合評價來預測甜點區(qū)。不同區(qū)塊甜點區(qū)的含義是一致的，但綜合預測所應用的地震信息和量化指標則是相對的，甜點區(qū)的預測結果也是相對的，是同區(qū)中煤層氣富集條件和開發(fā)條件相對最好的區(qū)域。在以往文獻中，煤層氣“甜點區(qū)”預測主要從煤巖的礦物成分、熱演化程度、噸煤含氣量、埋藏深度、地質條件、資源條件等方面進行，以地質分析為主。近年來也有一些研究人員開始利用地震資料進行煤層埋深、厚度及含氣性預測，但分析著眼于單一或某幾個要素，在多要素疊加綜合評價方面有所欠缺。孫文卿等在綜合評價方面做出了一些研究［4］，以準噶爾盆地砂溝井田為例，綜合考慮煤層氣資源特征、開采性能、煤層特征、構造特征等因素利用突變理論對煤層氣儲層進行評價。筆者主要是根據(jù)地震資料應用地球物理方法對煤層氣富集關鍵要素進行預測，在此基礎上進行多要素綜合評價，優(yōu)選各關鍵要素均為有利的區(qū)域確定為“甜點區(qū)”，重在對關鍵要素的信息集成和綜合分析。其中，煤厚、埋深、斷裂與裂縫、圈閉構造條件等4個是完全可以通過地震解釋和反演等技術所提取的，是甜點區(qū)多信息地震預測的主要考慮因素。煤層熱演化程度即煤階，地震尚難以預測，且在小范圍內變化可能不大，參與預測的實際意義也不大，通過鉆井獲得的信息即可；煤層氣含氣量是一個十分重要的要素，它與前面的6個要素密切相關。由于煤層氣的吸附賦存特點，適用于常規(guī)氣藏的油氣地震檢測方法對其不適用。目前也僅僅基于收集到的鉆井的噸煤產(chǎn)氣量來分析哪些彈性參數(shù)與之相關，如縱橫波速度比、泊松比、AVO反演等，在含氣性預測方面做了一些探索。

2．2“甜點區(qū)”地震預測技術本次研究中為確保煤層各關鍵地質參數(shù)特征描述的精度，采用了以下思路和技術。

2．2．1多種屬性相結合的精細構造和斷裂解釋精細的層位標定是確定煤層地震反射特征的基礎。為提高標定精度，首先對目的層段地震數(shù)據(jù)進行頻譜分析，選擇合適主頻的子波制作合成地震記錄，然后精細調整時深關系來準確標定煤層。層位解釋過程中除了采用加密解釋提高精度之外，還充分利用多種屬性信息，比如常規(guī)偏移剖面、瞬時頻率、瞬時相位等進行層位解釋（圖1），保證同一層位在不同屬性上的一致性。筆者在研究中發(fā)現(xiàn)，瞬時相位屬性與常規(guī)振幅剖面的應用可以有效地保證層位解釋不串層。在斷裂解釋方面，提取能夠反映斷裂的多種屬性，包括相干體、方差體、螞蟻體、邊緣檢測以及分頻振幅、相位等屬性，聯(lián)合各種屬性從各個方向（主測線、聯(lián)絡線、任意線、時間切片等）進行觀察解釋，并優(yōu)選其中有利屬性（相干、曲率、螞蟻體及分頻相位）進行斷裂的輔助解釋和平面組合。精細的構造解釋完成之后，準確的速度分析是落實構造形態(tài)的保證。對于三維數(shù)據(jù)成圖來說，最好的速度模型應該是利用測井速度（或VSP測井速度）校正地震速度場后得到的平均速度場。應用該速度場可獲得較為精確的主力煤層頂面埋深圖，從而優(yōu)選適宜煤層氣開發(fā)的區(qū)域。

2．2．2AVO反演預測裂縫發(fā)育特征由于微裂隙增加了煤層的滲透性，對煤層氣的開發(fā)有一定的積極意義，因此在避開大斷裂分布區(qū)域的基礎上，需尋找微裂縫發(fā)育的地區(qū)作為開發(fā)目標。Gregory發(fā)現(xiàn)巖石的裂縫引起縱橫波速度比和泊松比的增大［7］。RamosandDavis實驗測試表明新墨西哥州CedarHillField的煤層樣品泊松比和裂縫密度有關［8－9］（圖2），可以看出煤層的泊松比隨著裂縫密度由低到高增加了30％。當然實驗室測量結果不等同于現(xiàn)場煤層的割理情況，但是圖2所揭示的泊松比和煤層裂縫密度之間的關系是可靠的，可用于現(xiàn)場煤層泊松比和裂縫密度的預測，即煤層的泊松比和裂縫密度為正相關。在AVO理論中，假定vp／vs＝2，偽泊松比反射率（Δσ／σ）等于截距與梯度之和的一半［9］，反映的是反射界面兩側介質的泊松比差值，與泊松比是呈正相關的。因此，AVO反演得到的偽泊松比反射系數(shù)屬性可以用于指示裂縫發(fā)育特征，偽泊松比值大，則裂縫發(fā)育程度高。

2．2．3多種反演方法預測煤層厚度特征測井曲線分析表明，煤層縱波阻抗明顯低于砂泥巖，因而可以應用聲波阻抗反演方法預測煤層厚度。但由于該區(qū)煤層厚度薄、不同井間厚度變化大，為提高薄煤層分辨能力，在縱波阻抗反演基礎上應用地質統(tǒng)計學反演得到了比較好的效果，從圖3中可以看出地質統(tǒng)計學反演結果對薄煤層（藍色為雕刻出的煤層）反映特別清晰，與井吻合性更好，由此獲得的煤層厚度預測平面圖精度更高。

2．2．4疊前反演技術預測煤層含氣性特征煤層含氣性預測的基礎是測井曲線分析。通過對研究區(qū)內所收集到的井的含氣量與彈性參數(shù)交會分析（圖4）得到，該區(qū)11號煤層的含氣量隨密度、縱波速度、縱橫波速度比、λρ值增大而減小，同時按線性關系擬合儲層含氣量與λρ值之間的數(shù)學關系，相關系數(shù)為0．7292，認為兩者的線性關系有一定的可靠性，可以用λρ值來指示含氣量的變化，λρ小值對應含氣量的大值。因此，應用疊前AVO同時反演方法得到λρ屬性，利用λρ值和含氣量線性關系可以定性預測含氣量。

2．2．5疊前反演技術預測煤層脆性特征工程上通常使用楊氏模量（E）來表征巖石脆性。但在利用地震數(shù)據(jù)計算楊氏模量時需要預先知道密度項，而準確的密度信息又必須保證地震數(shù)據(jù)有足夠大的偏移距，這在地震資料采集中通常是無法獲得的。因此，Sharma和Chopra提出用一種新的屬性———Eρ來表征脆性［10］，在脆性巖石中，楊氏模量（E）和密度（ρ）都大，Eρ值也大。Eρ屬性可以應用疊前AVO同時反演方法計算得到。

3在HC地區(qū)預測應用效果

HC地區(qū)地處鄂爾多斯盆地東南邊緣的渭北沖斷褶皺帶上，受多期構造控制或影響，使區(qū)內含煤構造呈現(xiàn)北東—南西向展布，總體構造形態(tài)為北西傾向的單斜構造。該區(qū)已實施了滿覆蓋面積100km2的三維地震勘探，主力煤層為5號煤層和11號煤層，5號煤層厚度較小，但區(qū)域上分布相對較穩(wěn)定，厚度一般分布在1～9m之間，單層厚變化較大，W08井5號單層厚度可達9．9m；11號煤層在三維區(qū)內厚度分布不穩(wěn)定，厚度相對較薄，最大單層厚度在10m左右。為了推進該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)，亟須查清主力煤層分布和預測煤層氣“甜點區(qū)”范圍，為井位開發(fā)部署提供可靠的地質依據(jù)。筆者在該區(qū)三維地震資料解釋基礎上，利用上節(jié)中諸多地球物理技術對主力煤層開展“甜點區(qū)”預測，掌握了該區(qū)主力煤層厚度、埋深、斷裂、滲透性、含氣性及脆性等方面的特征，下面以11號煤層為例進行描述。

3．1構造和斷裂特征在11號煤層頂面埋深圖（圖5）上可以看到，該區(qū)煤層東淺西深，構造比較平緩，等深線總體走向為北東—南西方向。其中紫色加粗線為1200m埋深線，其東部煤層埋深都小于1200m，埋深合適；北部為近東西方向的較大斷裂破碎帶，在開發(fā)井位部署時應該予以避開；中部及西南部也發(fā)育近東西和北西西走向斷裂，總體斷裂發(fā)育程度一般。

3．2裂縫發(fā)育特征基于上述偽泊松比與煤的裂縫發(fā)育程度正相關的理論和實驗研究，提取該區(qū)偽泊松比屬性（圖6），圖中紅色代表偽泊松比值大，推測藍色多邊形圈定的區(qū)域裂縫發(fā)育。同時把11號煤層偽泊松比屬性和滲流曲線進行對比發(fā)現(xiàn)，滲流值較大的區(qū)域對應于偽泊松比值大的范圍，因而可以推測這個區(qū)域為11號煤層滲透性較好的區(qū)域。

3．3煤層厚度特征在地質統(tǒng)計學反演基礎上編制完成11號煤層厚度平面圖（圖7），從圖上可以看出11號煤層在工區(qū)西南部尖滅，東部和北部發(fā)育較厚，圖中黃色和紅色區(qū)域煤層厚度大于3m，是煤層氣開采的有利區(qū)域。

3．4煤層含氣性特征如前所述，λρ值與含氣量存在負相關。在11號煤層λρ值平面圖（圖8）上紅色代表λρ值大，對應含氣量高，因而工區(qū)中東部粉色多邊形范圍為11號煤層含氣量高的區(qū)域（這里不考慮埋深大于1200m的西部區(qū)域），為該層煤層氣開采首選區(qū)域。

3．5煤層脆性特征在沿11號煤層提取的脆性預測平面圖（圖9）上可以看到：黑色多邊形圈中的紅色區(qū)域指示煤層脆性比較高，主要位于工區(qū)中東部，壓裂時易產(chǎn)生裂縫；而西部地區(qū)巖石的脆性較低，不易于壓裂。

3．6“甜點區(qū)”綜合評價HC區(qū)塊煤層主要發(fā)育在斜坡帶，煤層未與風化殼直接接觸，頂?shù)装鍨槟鄮r或砂巖。由于煤層氣的儲存方式不同于常規(guī)天然氣，它無須圈閉條件使氣聚集，主要構造作用不會使煤層所生成的甲烷大量逸散，并且有足夠的地層壓力使煤層氣吸附于煤層中。所以，該區(qū)這種簡單的構造條件也是煤層氣有利儲集帶。另外，考慮到整個三維區(qū)域內熱演化程度一致，因此本次研究不再對熱演化程度和圈閉類型單獨進行評價，最終甜點區(qū)的綜合評價主要評價煤層的埋深、厚度、滲透性、含氣性及脆性等幾個方面。根據(jù)開發(fā)成本及鉆井需求，針對11號煤層，把埋深小于1200m作為評價有利區(qū)的約束條件，結合其他多種信息制定如表1的評價標準，將各方面因素有利區(qū)域疊合得到甜點區(qū)范圍（圖10紅色多邊形圈中的區(qū)域），圖中紫色加粗線為1200m埋深線，顏色為厚度，黃色和紅色為煤層厚度大于3m的區(qū)域。在這里，煤層埋深是首要因素，在煤層氣開發(fā)中起著“一票否決制”的作用，煤層若埋藏過深，鑒于開采工藝和開發(fā)成本即使預測含氣量高、滲透性好、脆性好也不予考慮。從圖10可以看到該層甜點區(qū)面積達到21．64km2，根據(jù)預測結果在甜點區(qū)內部署的數(shù)十口開發(fā)井中，目前有2口井進入排采階段，排采狀況良好，其中yz1井日產(chǎn)氣量達到1600m3，yz2日產(chǎn)氣量達到2000m3，而同期位于甜點區(qū)外的井日產(chǎn)氣量僅為200m3。

4結論與建議

1）煤層氣富集受控于多項關鍵地質因素。煤層氣“甜點區(qū)”的地震預測，以與這些關鍵地質因素直接相關的三維地震解釋成果和多信息為基礎，以多要素綜合預測為主要技術手段，可以比較準確地預測煤層氣富集及開發(fā)條件相對較好的煤層氣甜點區(qū)。2）通過在鄂東緣HC地區(qū)煤層氣甜點區(qū)預測的探索應用，取得較好預測成果。經(jīng)后續(xù)鉆井驗證，甜點區(qū)預測吻合較好；解釋及預測成果在優(yōu)選評價開發(fā)區(qū)塊、指導開發(fā)井位部署與調整中發(fā)揮了重要作用，有效降低了煤層氣開發(fā)鉆井風險和開發(fā)成本。3）煤層氣甜點區(qū)的地震預測，需要高精度的三維地震數(shù)據(jù)體來提高預測的可信度。建議在經(jīng)濟技術條件合適的煤層氣勘探開發(fā)區(qū)帶，部署和實施三維地震采集，將三維地震作為促進煤層氣有效開發(fā)的主導技術。

作者：霍麗娜徐禮貴邵林海丁清香王九拴單位：中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司