陳 勇，陳洪德，關(guān) 達，蔡玉華，劉玉琦，鄭四連

（1.成都理工大學沉積地質(zhì)研究院，四川成都610059；2.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京211103）

煤層氣作為一種新能源，越來越受到人們的重視，世界上已經(jīng)有29個國家開展了煤層氣勘探［1］。目前全球已落實的煤層氣資源量為98×1012～266×1012m3。

在美國，煤層氣的勘探開發(fā)工作已經(jīng)取得了很大的成果。但是，我國煤層氣的勘探開發(fā)起步較晚，目前仍處于初期階段，相關(guān)的技術(shù)手段尚不夠成熟。在常規(guī)油氣勘探的儲層預測中取得成效的多種地球物理方法技術(shù)，正被試驗性地應(yīng)用于煤儲層、煤層氣的預測研究中。例如：各類地震屬性分析方法；測井、地質(zhì)等資料約束下的地震反演技術(shù)；利用振幅隨偏移距變化預測巖石孔隙中流體性質(zhì)變化的AVO技術(shù)；利用縱、橫波預測煤層中的裂隙發(fā)育部位，進而預測煤層氣富集部位的三維三分量地震勘探技術(shù)等［2］。

然而，煤層氣是一種不同于常規(guī)油氣的非常規(guī)天然氣藏。煤層氣儲層主要是煤層本身，絕大多數(shù)煤層氣都是吸附于煤體表面的微孔內(nèi)，另外還有部分儲集在煤體中相對發(fā)育的裂隙系統(tǒng)“割理”中。利用適合常規(guī)油氣勘探的地震預測技術(shù)開展直接的煤層氣預測存在一定的難度，有必要根據(jù)煤層氣的特殊性探索研究合適的預測思路和預測方法。

我們基于常規(guī)油氣勘探地震儲層預測成熟技術(shù)的適應(yīng)性研究，對SHS地區(qū)煤層氣富集區(qū)進行預測，通過分析影響煤層氣富集的地質(zhì)因素，提出了基于煤儲層的構(gòu)造形態(tài)、煤層厚度、蓋層巖性、沉積環(huán)境、裂縫發(fā)育程度和煤儲層物性等控制煤層氣富集的主要因素開展煤層氣富集區(qū)地震多參數(shù)綜合預測的思路與方法。

1 煤層氣預測的難點

分析煤層氣的特殊性，可以總結(jié)出開展煤層氣地震預測研究的難點主要有以下3點［3］：

1）煤層氣屬于吸附性氣體，其吸附性會受區(qū)域構(gòu)造變化和壓力的變化等影響；同時，煤層氣的儲集受斷裂系統(tǒng)和蓋層的影響較大。

2）煤層與頂?shù)椎貙娱g反射強度大。在測井響應(yīng)特征方面，煤層具有低密度、低伽馬、低波阻抗、高聲波時差、高電阻率等“三低二高”的特征；在地震響應(yīng)特征方面，煤層一般與頂?shù)椎貙娱g產(chǎn)生較強的地震反射，在地震資料中較易識別，但是煤層氣不易識別。

3）煤層氣儲層薄。研究中根據(jù)選區(qū)的地質(zhì)資料分析煤層一般厚度為幾米至十幾米，地層相對較薄，煤層氣的儲層則更薄，利用地震資料直接預測難度較大。

由此可見，由于煤層氣有別于常規(guī)油氣的特殊性，直接采用常規(guī)油氣勘探的地震預測技術(shù)和思路進行煤層氣預測難度較大。通過認真分析與綜合研究，我們選擇從影響煤層氣富集的控制因素入手，探索研究基于煤層氣富集的主控因素進行煤層氣富集區(qū)預測的思路和方法。

2 SHS地區(qū)煤層氣富集主控因素分析

SHS地區(qū)為本次開展煤層氣富集區(qū)預測研究的試驗區(qū)。通過已有地質(zhì)、測井等資料的分析可知，影響該區(qū)煤層氣富集的重要因素是沉積環(huán)境、構(gòu)造形態(tài)和煤層埋藏狀況，同時煤層蓋層條件、埋深條件、裂縫發(fā)育程度和陷落柱等特殊地質(zhì)條件也會影響煤層氣的富集［4］。總結(jié)控制該區(qū)煤層氣富集的因素主要有6項。

1）沉積環(huán)境（煤質(zhì)）。該條件是最直接控制煤儲層的含氣量及產(chǎn)氣量的重要因素，在區(qū)域地質(zhì)條件下煤質(zhì)的分布受沉積環(huán)境控制，因此對煤質(zhì)的預測可以通過對沉積環(huán)境的預測進行間接分析（這里所說的“煤質(zhì)”有別于煤炭工業(yè)中對煤炭質(zhì)量指標的定義，是指煤層厚度大、孔隙度高，有利于進一步轉(zhuǎn)化為相對產(chǎn)氣量高的煤層氣儲層）。SHS地區(qū)太原組15號煤層主要形成于下三角洲平原、瀉湖、障壁潮坪環(huán)境。太原組沉積期，盆地南北古地形差異不大，15號煤層形成于開闊平緩的濱海過渡環(huán)境，盆地南、北沼澤同時發(fā)育，平穩(wěn)展布，呈北厚南薄、東厚西薄的特點。煤層平面分布差異較大，沉積環(huán)境的控制作用明顯。

2）構(gòu)造形態(tài)。構(gòu)造形態(tài)因素中褶皺和斷裂構(gòu)造是影響煤層氣富集的主要構(gòu)造單元。這兩種構(gòu)造對煤層氣富集的影響具有一定的規(guī)律性，主要表現(xiàn)為：①寬緩褶皺帶中的煤儲層的含氣量變化不大，一定埋深下褶皺構(gòu)造翼部煤儲層的含氣量穩(wěn)定；②陡峭褶皺帶中的煤儲層含氣量變化很大；③靠近正斷層部位的煤層氣含量一般降低。

3）煤層厚度。厚度或有效厚度較大的煤層可以為煤層氣的富集提供較好的物源，SHS地區(qū)自印支期以來，構(gòu)造分異顯著，地殼經(jīng)歷了數(shù)次抬升與沉降，造成差異性沉積和差異性剝蝕，煤化作用過程中產(chǎn)生的氣體總量以及氣體能否得到很好的保存，一定程度上依賴于構(gòu)造及沉積作用控制下的煤層沉積規(guī)模。

4）蓋層（頂板）巖性條件。煤儲層的蓋層條件為煤層氣的富集提供了最直接的保存條件，較好的蓋層條件對煤層氣儲層及其含氣量具有控制作用。SHS區(qū)塊15號煤層的頂板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖類，屬于封閉性能較好的巖層，且泥巖、砂質(zhì)泥巖多致密，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，具有很好的封蓋能力，有利于煤層氣的儲存。

5）裂縫發(fā)育程度。規(guī)模較大的斷層可以連通煤層氣儲層，但同時會造成煤層氣的散失。在含油氣儲層中，小尺度裂縫會改變儲層的滲透性，對低滲透性儲層的作用更大，是油氣運移和流體滲透的主要通道，影響油氣分布及開發(fā)效果。對于煤層氣儲層，小尺度裂縫在一定程度上提高了其連通性，另一方面也增大了儲層的儲集空間。

6）煤儲層物性條件（滲透性）。煤儲層的物性條件對于提高儲層的滲透性具有重要作用，其中影響儲層滲透性條件的物性參數(shù)主要有外生裂隙（節(jié)理）和內(nèi)生裂隙（割理）。割理是煤儲層滲透性的基礎(chǔ)，它對煤層氣的產(chǎn)出起著更為關(guān)鍵的作用。節(jié)理由于受構(gòu)造的控制，其發(fā)育位置、裂隙形態(tài)、發(fā)育密度常發(fā)生改變，它的作用在于連通更大范圍內(nèi)的割理，進一步增強煤儲層的滲透性。

結(jié)合煤層氣富集成藏的“生、儲、蓋”條件及工區(qū)內(nèi)實際鉆井結(jié)果與主控因素之間的關(guān)系，對煤層氣富集的6個主控因素的影響程度進行了分析，得出沉積環(huán)境（煤質(zhì)）和煤層厚度為煤層氣的富集提供了“生”氣條件；煤儲層物性（滲透性）和構(gòu)造形態(tài)為煤層氣的富集提供了儲層條件；蓋層（頂板）巖性則為煤層氣的富集提供了蓋層條件；裂縫發(fā)育程度則起到改善儲層儲集能力的作用。因此，總結(jié)6個主控因素對煤層氣富集的影響程度由大到小依次為沉積環(huán)境（煤質(zhì)）、煤層厚度、煤儲層物性（滲透性）、構(gòu)造形態(tài)、蓋層（頂板）巖性、裂縫發(fā)育程度，為下一步開展基于主控因素的煤層氣富集區(qū)綜合預測提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

3 基于主控因素的地震預測技術(shù)應(yīng)用

3.1 基于主控因素的地震預測技術(shù)體系

在煤層氣富集主控因素分析的基礎(chǔ)上，首先選擇與6項主控因素分別對應(yīng)的6類地震預測技術(shù)進行各自的參數(shù)預測［5－12］；然后分析各類地震技術(shù)預測成果與煤層氣富集的相關(guān)程度，分別確定權(quán)重系數(shù)，選擇應(yīng)用層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）進行綜合評價，實現(xiàn)SHS區(qū)塊煤層氣富集區(qū)的綜合預測。這一基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預測思路及其技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預測思路及其技術(shù)體系

3.2 針對各主控因素的地震預測技術(shù)應(yīng)用分析

按照圖1建立的基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預測思路，選擇SHS地區(qū)15號煤層分別進行對應(yīng)構(gòu)造形態(tài)、煤層厚度、蓋層（頂板）巖性、沉積環(huán)境（煤質(zhì)）、裂縫發(fā)育程度和煤儲層物性（滲透性）等6項煤層氣富集主控因素的相關(guān)地震預測技術(shù)應(yīng)用研究。

3.2.1 煤層構(gòu)造預測分析

構(gòu)造分析是研究煤層氣富集的基礎(chǔ)工作［13］。在精確的井震標定、層位自動追蹤的基礎(chǔ)上，應(yīng)用測井校正的基于時深表質(zhì)量控制的時深轉(zhuǎn)換技術(shù)（TDQ轉(zhuǎn)換技術(shù)）得到SHS地區(qū)15號煤層的深度構(gòu)造圖（圖2）。與已有鉆井揭示的煤層深度對比，構(gòu)造圖預測的煤層深度精度較高，相對誤差低于1%。由圖2可見，SHS地區(qū)15號煤層埋藏整體呈東南部淺、西部深，自東南向西北逐漸變深，局部有構(gòu)造高部位存在。從圖2上看，區(qū)域內(nèi)已有的煤層氣鉆井均鉆遇15號煤層的構(gòu)造斜坡部位。

3.2.2 煤層厚度預測分析

利用地震波阻抗反演技術(shù)預測的SHS地區(qū)15號煤層厚度如圖3所示。由圖3可見，研究區(qū)內(nèi)15號煤層的厚度整體自東南向西北逐漸變厚，最大厚度為12m。區(qū)內(nèi)已有的煤層氣鉆井均位于煤層厚度大于5m區(qū)域，且多位于煤層厚度變化的過渡區(qū)域（紅黃色區(qū)域）。

圖2 SHS地區(qū)15號煤層深度構(gòu)造預測結(jié)果

圖3 SHS地區(qū)15號煤層厚度預測結(jié)果

3.2.3 煤層頂板巖性預測

圖4為利用地震波阻抗反演技術(shù)預測的SHS地區(qū)15號煤層的頂板巖性平面分布圖。從預測結(jié)果看，15號煤層頂板地層的地震波阻抗范圍為7 500～12 500g·cm－3·m·s－1，其中紅黃色區(qū)域代表地震波阻抗較低。分析得出煤層頂板地層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主（紅黃色區(qū)域），局部為粉砂巖類（淡藍色區(qū)域），屬于致密性較好的巖層，為煤層氣的富集提供了較好的封蓋條件。

圖4 SHS地區(qū)15號煤層頂板巖性預測結(jié)果

3.2.4 煤層沉積相帶預測

利用地震相分析技術(shù)預測煤層較有利的沉積相帶，定性地實現(xiàn)較有利的優(yōu)質(zhì)煤質(zhì)分布區(qū)的預測。圖5為SHS地區(qū)過15號煤層的RMS振幅屬性切片，其中紅黃色區(qū)域均方根振幅較大，表明該區(qū)域煤層沉積較厚。實際鉆井資料證實，該區(qū)域為太原組較有利于煤層沉積的濱海過渡沉積環(huán)境下的沼澤相沉積區(qū)域，有利于較好煤質(zhì)的生成。

3.2.5 煤儲層物性預測

煤儲層物性預測是通過地震彈性參數(shù)反演技術(shù)間接實現(xiàn)的。應(yīng)用地震彈性參數(shù)反演預測煤層的密度參數(shù)，間接刻畫煤儲層的物性。圖6顯示了SHS地區(qū)過15號煤層的密度切片，反映煤層物性條件的平面分布特征。圖6中，紅黃色區(qū)域代表了密度較小的區(qū)域（小于2.0g／cm3），藍色區(qū)域密度變化范圍為2.0～2.4g／cm3。已有的鉆井均位于圖6中紅黃色區(qū)域（密度較?。┗蛘呔植康妮^小密度區(qū)，表明煤層氣鉆井均鉆遇了煤儲層物性相對較好的分布區(qū)，與實際試氣結(jié)果一致。

3.2.6 煤層裂縫系統(tǒng)預測

較大的斷層對于煤層氣的富集是不利的，而較小的斷裂系統(tǒng)的存在一定程度上可以改善煤儲層的滲透性，為煤層氣的富集提供一個較好的儲層空間［14］。進行斷裂刻畫的地震技術(shù)較多，包括相干技術(shù)、曲率技術(shù)、螞蟻追蹤技術(shù)等，本次研究選擇了基于地震道相似性的ESP（event similarity prediction）裂縫預測方法，可以對儲層裂縫系統(tǒng)的發(fā)育程度進行預測。圖7顯示了SHS地區(qū)過15號煤層的ESP分析結(jié)果，反映了15號煤層的裂縫系統(tǒng)平面特征。由圖7可見，研究區(qū)域內(nèi)南部裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度高于北部（紅黃色區(qū)域代表了裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度高），已有的煤層氣鉆井多位于裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度較高的位置。

圖7 SHS地區(qū)15號煤層ESP裂縫預測結(jié)果

3.3 地震技術(shù)預測成果的層次分析法綜合評價

層次分析法（AHP）最初由美國運籌學家Saaty教授在20世紀70年代正式確立［15］。該方法可以將控制煤層氣富集的主控因素所對應(yīng)的各項地震預測成果進行有效的綜合，解決單一地震技術(shù)進行煤層氣富集區(qū)預測存在的多解性［16－18］。該方法應(yīng)用中首先將煤層氣儲層作為研究的目標層，將6項控制煤層氣富集的主控因素作為限制目標層的準則層；然后根據(jù)AHP實現(xiàn)原理［19］以及6項主控因素對于煤層氣富集影響的強弱關(guān)系，定義出影響SHS地區(qū)15號煤層煤層氣富集的6項主控因素的權(quán)重系數(shù)，分別為：沉積環(huán)境（煤質(zhì)）0.30，煤層厚度0.20，煤儲層物性（滲透性）0.17，構(gòu)造形態(tài)0.12，蓋層（頂板）巖性0.11，裂縫發(fā)育程度0.10。

根據(jù)這6項權(quán)重系數(shù)，通過線性算法：

將影響煤層氣富集的6項主控因素所對應(yīng)的6項地震技術(shù)預測成果進行綜合，給出AHP綜合評價法預測出的SHS地區(qū)15號煤層的較有利煤層氣富集區(qū)（圖8中的紅黃色區(qū)域）。圖8是基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震綜合預測技術(shù)試驗應(yīng)用的最終成果，預測結(jié)果與區(qū)內(nèi)煤層氣鉆井結(jié)果具有較好的一致性。

圖8 SHS地區(qū)15號煤層的AHP綜合分析成果

4 結(jié)束語

基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預測方法將地質(zhì)分析，地震預測與鉆、測井成果進行有效的統(tǒng)一，通過層次分析法（AHP）實現(xiàn)多項地震預測技術(shù)成果的綜合評價，較為客觀全面地預測出了有利煤層氣富集區(qū)。通過本次研究總結(jié)認識如下：

1）利用常規(guī)的含油氣儲層地震預測技術(shù)直接進行煤層氣預測存在一定的難度，基于煤層氣富集主控因素的地震預測方法為煤層氣富集區(qū)的預測研究提供了一種可行的新思路；

2）沉積環(huán)境、構(gòu)造形態(tài)、煤層厚度、蓋層巖性、裂縫發(fā)育程度和煤儲層物性條件等是影響SHS地區(qū)煤層氣富集的主控因素，選擇相應(yīng)的地震方法技術(shù)可以分別對此進行預測，包括間接或定性的預測；

3）應(yīng)用層次分析法（AHP）可以將多項地震技術(shù)的預測成果進行不同權(quán)重系數(shù)的有效結(jié)合，實現(xiàn)對煤層氣富集區(qū)的綜合評價，提高預測結(jié)果的客觀性和準確性；

4）基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預測方法的應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)不同靶區(qū)的地質(zhì)條件和實際鉆井結(jié)果進行細致的分析，有針對性地選擇地震預測技術(shù)和綜合評價方法。

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