李金珊，朱維耀

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 2.中國中鋼股份有限公司，北京 100080)

煤層氣是一種與煤同生共儲的非常規(guī)天然氣，主要成分為甲烷(CH4)，其吸附或游離在煤層孔隙中。煤是一種對溫度、壓力和構(gòu)造應(yīng)力都十分敏感的有機巖石，隨著煤層埋藏深度的增加，煤儲層壓力增大，而且同一地區(qū)、不同煤層中也有規(guī)律可循，這種現(xiàn)象在各煤層氣井儲層壓力的測試結(jié)果中普遍存在。因此，煤層厚度是評價煤層氣資源富集程度的主要參數(shù)之一[1]。

煤層的性質(zhì)。泥巖層的楊氏模量、體積模量、剪切模量、抗剪強度比砂巖、灰?guī)r低，但泊松比較大，說明泥巖塑性大，易形變。砂巖和灰?guī)r楊氏模量、體積模量、剪切模量、抗剪強度較大，泊松比較低，巖石彈性較大，機械強度高。

例如，美國煤層氣地面開發(fā)取得成功的重要地質(zhì)原因是其含煤盆地具有穩(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造背景。美國的含煤盆地主要集中在構(gòu)造相對活動的地區(qū)，美國黑勇士盆地的基底為地臺，構(gòu)造位置處于北美中部地臺與東南緣阿巴拉契亞褶皺帶的過渡地帶，與其位置相同的中阿巴拉契亞亦有煤層氣開發(fā)潛力。

再如，圣胡安盆地有著與黑勇士盆地相同的構(gòu)造背景，屬于中部地臺與克迪勒拉造山帶的過渡區(qū)域。顯然，從美國含煤盆地構(gòu)造背景分析可知，以穩(wěn)定地臺為基底，位于地臺與褶皺帶過渡區(qū)域的含煤盆地可能具有煤層氣開發(fā)潛力。

構(gòu)造活動相對穩(wěn)定的地臺內(nèi)部或構(gòu)造活動相對強烈的造山地帶之上的含煤盆地尚無煤層氣成功開發(fā)的先例，說明構(gòu)造過于穩(wěn)定或過于活動區(qū)域的含煤盆地很有可能不利于煤層氣開發(fā)。

近年來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對煤層構(gòu)造含氣量進行了大量的經(jīng)濟評價研究工作，取得了豐富的研究成果。

LANGENBERG等[2]、BOYER等[3]、BEATON等[4]、NOLDE等[5]利用地質(zhì)參數(shù)、GIS對煤層氣潛力進行綜合評價[2-5]。CAI等[6]、YAO等[7]利用模糊數(shù)學(xué)方法、多層次模糊數(shù)學(xué)方法等[8-10]預(yù)測了煤層氣靶區(qū)含氣量。

近幾年，學(xué)者們利用灰色系統(tǒng)理論評價預(yù)測煤層含氣量，主要是對沒有煤芯取樣點或者極少煤層巖芯取樣的地區(qū)進行煤層氣含量評價預(yù)測[11]。地震勘探技術(shù)也廣泛應(yīng)用于煤層氣勘探評價，目的是探測煤層賦存狀態(tài)、構(gòu)造形態(tài)、斷層特征和煤層厚度。在國內(nèi)煤層氣勘探中，地震勘探成為重要一部分。

1 地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)背景

非洲卡魯盆地位于非洲南部早前寒武紀地層，其軸部地區(qū)沉積地層厚度達到6 000 m。南部地層巖性一般為海相砂頁巖，陸相沉積的地層厚度很大，是世界上早前寒武紀地質(zhì)保存最好的地區(qū)。

著名的津巴布韋大巖墻是同時期的產(chǎn)物，長距大約480 km，寬距5～9 km，主要由蛇紋巖、橄欖巖、方輝橄欖巖等巖石構(gòu)造組成。

1.2 地震資料

地震勘探技術(shù)主要應(yīng)用于探測煤層賦存狀態(tài)、構(gòu)造形態(tài)、斷層特征和煤層厚度，成為勘探重要一部分，勘探區(qū)大規(guī)模部署二維地震，開發(fā)區(qū)部署三維地震以指導(dǎo)開發(fā)方案設(shè)計。根據(jù)儲層地震預(yù)測技術(shù)在煤層氣勘探中對煤層氣本身的檢測，可分為間接檢測法和直接檢測法兩種類型。間接檢測法主要是通過對含煤層構(gòu)造、裂縫發(fā)育帶等特性的分析，依據(jù)地質(zhì)特點，尋找煤層氣富集；直接檢測法則是通過地震屬性分析與烴類檢測技術(shù)對煤層含氣性、厚度、孔隙度等儲層參數(shù)進行定量或半定量評價。

在煤層氣地震勘探中，特殊構(gòu)造主要指構(gòu)造煤和陷落柱。構(gòu)造煤是指煤體原生結(jié)構(gòu)遭受構(gòu)造作用破壞的煤，其主要是以薄層狀分布于煤層頂板、底板及夾矸附近，或以條帶狀分布于構(gòu)造形跡附近。構(gòu)造煤不僅使煤層滲透性降低，而且經(jīng)常導(dǎo)致煤層瓦斯突出。

以三維地震為基礎(chǔ)，利用地震波的動力學(xué)參數(shù)及屬性分析等多種技術(shù)則可以有效地預(yù)測構(gòu)造煤發(fā)育帶。陷落柱是塊度大小不均、排列雜亂無章的上部地層塌陷物膠結(jié)而成。陷落柱與圍巖存在的物性差異為地震方識別陷落柱提供了依據(jù)。陷落柱在水平疊加時間剖面上的表現(xiàn)特征為反射波同相軸在小范圍內(nèi)消失或錯斷并伴生一些小斷層，在斷層點處產(chǎn)生繞射波及延遲繞射波，斷陷點之間波形雜亂，在柱頂處可產(chǎn)生柱頂繞射波。

如圖1所示，煤層含氣性預(yù)測可以通過疊前AVO反演、疊后波阻抗反演和疊前彈性阻抗反演等技術(shù)實現(xiàn)。利用疊前AVO反演技術(shù)，可有效地獲取煤層各種含氣性參數(shù)。

在煤層中，煤層氣的富集導(dǎo)致煤的體積密度減小，同時楊氏彈性模量、泊松比、彈性波速度、頻譜特征、衰減系數(shù)、品質(zhì)因子等彈性力學(xué)參數(shù)及彈性波特征受到明顯的影響。這為利用AVO反演技術(shù)研究煤層各種含氣性參數(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

常規(guī)AVO技術(shù)是根據(jù)疊前CDP道集中反射振幅隨炮檢距的變化，提取相關(guān)的地震屬性，進而反演與泊松比、裂隙密度等儲層特性有關(guān)的物性參數(shù)并預(yù)測儲層有利區(qū)。地震波振幅隨炮檢距的變化有這樣一個規(guī)律：當煤層不含氣或含氣很少時，CDP道集上煤層反射振幅隨炮檢距增大而減??；而煤層氣富集時則表現(xiàn)為反射振幅隨炮檢距增大而增大的規(guī)律。

圖1 三維地震有聲波時差的曲線圖

為了更準確地預(yù)測非洲卡魯盆地地區(qū)煤層氣資源量，借助地震、煤層資料對煤層的含氣量進行了預(yù)測[12]。對分析收集到的煤層資料和鉆井的含氣量數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，煤層的含氣量與煤層底板標高存在一定的線性關(guān)系，因此只要預(yù)測出煤層底板標高，就可以對煤層氣資源量進行計算。

非洲卡魯盆地已有的資料中主要有三維地震資料,其中包括前期進行的3口勘探鉆井，有聲波時差的曲線資料。新的煤層鉆井位有9口,沒有聲波時差的曲線資料，其中2口鉆井在三維區(qū)地震之中。

通過建立地層與地震之間的關(guān)系，然后經(jīng)過地震資料以及精細構(gòu)造解釋，再通過鉆井的層位標定，從而進一步獲得卡魯盆地煤層底板和標高的數(shù)據(jù)。

2 煤層構(gòu)造

2.1 煤層特征

在煤層中，煤層氣是以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在于煤的孔隙和裂縫中，游離煤層氣顯示煤層氣壓力，當煤層埋藏在一定深度時，孔隙、裂縫及其中的煤層氣均承受地應(yīng)力的作用，因而受到壓力的影響。

水文地質(zhì)條件也是重要的因素。封閉的水動力系統(tǒng)和水動力受阻形成的高壓是煤層氣吸附和富集的有利條件，如果封閉的水動力系統(tǒng)被打破，將破壞煤層的壓力平衡，使得吸附氣減少，溶解氣和游離氣發(fā)生散失。

在煤層壓力方面，通常的煤層評價方法，經(jīng)常以用壓力梯度測量煤層壓力的大小。在實際工作中，對煤層進行排水降壓是采氣的常規(guī)措施之一。煤儲層壓力表明地層能量的大小，對煤層含氣性、氣含量、吸附能力與氣體賦存狀態(tài)，都具有非常大的影響和作用，決定了水和氣體從煤層中的裂縫之間流向井筒的壓力，它與臨界解吸壓力之間的相對關(guān)系，直接影響采氣過程中排水降壓的難易程度。

煤儲層地應(yīng)力、滲透率的研究對煤層氣富集成藏尤為重要，地應(yīng)力的大小不僅會影響上述儲層壓力，還嚴重制約著煤層滲透率。

煤層氣壓力是煤層氣體流動特性和賦存狀態(tài)的一個重要參數(shù)。在研究煤巖性質(zhì)和煤層氣富集狀態(tài)時，煤層氣賦存、流動和涌出，以及煤層氣抽放時，煤層氣壓力都是要考慮的基本參數(shù)。煤層地應(yīng)力的大小與埋深、地質(zhì)構(gòu)造等有關(guān)，煤層埋藏深度越大，上覆地層的壓力越大，地應(yīng)力越高。

煤層氣富集成藏地質(zhì)特征的研究證明，煤層氣與常規(guī)天然氣有很大的差別[13]，影響煤層氣富集的主要因素包括煤層滲透率、煤層地應(yīng)力的大小、埋深、地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)特征等。

2.2 煤層控制因素

從已有的資料可知，非洲卡魯盆地的煤層特征隨著地層變化，呈起伏形狀，并且富有一定的規(guī)律，煤層的厚度一般在30 m以上，局部厚度達到50 m，中間有含水層，有兩個煤層的聚氣帶，一個煤層為北部煤層的局部厚度達到30～50 m;另一個煤層的局部厚度達到20～30 m，平均含氣量都在6～10 m3/t以上。

1) 煤層的生氣和保存條件。取煤芯實驗結(jié)果表明，該地區(qū)的煤層類型以半亮煤和光亮煤為主，有機顯微組分以鏡質(zhì)組含量高，同時煤中夾有瀝青等物質(zhì)，都有利于煤層生氣，為煤層氣的富集奠定了物質(zhì)的基礎(chǔ)。

2) 煤層組合及蓋封條件。首先，煤層的頂?shù)装逡阅鄮r為主，為煤層氣的保存提供了良好的保存條件；其次，煤層的演化程度高，由于煤層斷層決定了煤層氣的聚集或散失，非洲卡魯盆地沒有發(fā)現(xiàn)煤層斷層，煤層的封蓋性較好，為煤層氣的富集提供了保存條件。這些地質(zhì)特征證明該地區(qū)的煤層含氣量較富集。

3) 非洲卡魯盆地有機顯微組分以鏡質(zhì)組含量為主，煤層的生氣基礎(chǔ)條件良好，煤層的有機顯微組分鏡質(zhì)組含量35.4%～50.9%。

4) 煤層滲透率。例如，我國地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，地應(yīng)力對于煤儲層滲透率的影響十分顯著[14]，這樣的儲層一般位于向斜或背斜部位，煤儲層含氣量與埋深之間是線性關(guān)系[15]。

5) 水文地質(zhì)條件。靜水水位的高低與區(qū)域水文地質(zhì)條件有關(guān)，當煤儲層所處地表低于區(qū)域內(nèi)靜水水位，在承壓水力作用下，該地煤儲層屬超壓儲層，當煤儲層處在一個相互作用、相互影響的水動力系統(tǒng)中，煤層的地下水動力條件影響著煤儲層壓力的分布。另外，非洲卡魯盆地煤層氣的富集受水文地質(zhì)特征的影響，在煤層中間有含水層。

因此，從構(gòu)造演化、構(gòu)造結(jié)構(gòu)、斷層特征，以及煤層結(jié)構(gòu)的角度分析非洲卡魯盆地煤層地質(zhì)屬于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)。

綜上所述，該區(qū)煤層含氣量高，成煤條件好，煤層厚度較大，對非洲卡魯盆地煤層預(yù)測評價，煤層地質(zhì)的演化程度高，整體處于氣肥煤階段，煤變質(zhì)主要為深成變質(zhì)作用，受沉積影響。在其他地質(zhì)條件有保障的基礎(chǔ)上，非洲卡魯盆地煤層會具備很高的產(chǎn)氣量，煤層氣資源屬于比較豐富的勘探開發(fā)區(qū)塊。

3 含氣量預(yù)測

3.1 預(yù)測含氣量

煤層層位標定是建立地質(zhì)與地震響應(yīng)關(guān)系的橋梁。在非洲卡魯盆煤層合成記錄結(jié)果的基礎(chǔ)上，對資料進行了分析,最終利用地震資料對煤層進行了評價。

如圖2所示，利用層位標定結(jié)果，對地震資料進行了精細構(gòu)造解釋，對8號目標煤層的底板進行了精細追蹤，從而得到了8號煤組的底板標高圖。

本文采用了線性方程擬合公式對8號煤層的含氣量進行預(yù)測。選取離斷層較遠井的8號煤層，含氣量與底板標高進行二次方關(guān)系擬合，見下式，并經(jīng)過實測井解析含氣量數(shù)據(jù)校正，獲得本區(qū)煤層含氣量分布。

y=-1E-05x2-0.017x+13.4

式中：y為煤層含氣量，m3/t；x為煤層底板標高，m。

8號煤層含氣量預(yù)測為6～13 m3/t，煤層含氣量平均在11 m3/t以上。

3.2 預(yù)測精度分析

通過分析收集到的煤田瓦斯資料和新鉆井的含氣量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，煤層的含氣量與煤層底板標高存在一定的線性關(guān)系，預(yù)測出煤層底板標高，可以對8號煤層氣資源量進行計算，有三維地震資料102 km2，煤層氣鉆孔2口(有聲波時差曲線)，新鉆井位11口(無聲波時差曲線，其中8口在三維工區(qū)內(nèi))。

本文通過煤層氣井的層位標定，建立地層與地震的關(guān)系，然后經(jīng)過地震資料的精細構(gòu)造解釋獲得煤層底板標高數(shù)據(jù)。

對非洲卡魯盆地煤層進行鉆井的實測，然后與含氣量數(shù)據(jù)資料的預(yù)測數(shù)值對比，即利用含氣量與底板標高的關(guān)系預(yù)測，通過再次的驗證證明，其預(yù)測含氣量精度為75.5%～95.6%，平均得到的預(yù)測含氣量值精確度一般在85%以上。

通過表1可知，實測含氣量與預(yù)測含氣量的吻合度較高。8號煤層含氣量預(yù)測為5～18 m3/t，平均在10 m3/t以上，隨著地層的起伏有規(guī)律的變化。有聚氣帶，為呈北東向展布條帶的地區(qū)，其煤層含氣量都在10 m3/t以上。

地區(qū)煤層含氣量高，煤層氣資源豐富，將成為外圍煤層氣勘探開發(fā)的接替區(qū)塊。

實驗結(jié)果可以說明，利用含氣量與底板標高的關(guān)系預(yù)測煤層氣含量是可行的。

從預(yù)測結(jié)果(表1)以及煤層含氣量實測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果比較可以發(fā)現(xiàn)，誤差值相對較小，煤層含氣量精確度較高。從表1的數(shù)值對比可知，在實測的12口鉆井中，只有C1和C3井的煤層含氣量數(shù)值預(yù)測的精確度較低，其預(yù)測含氣量精確度分別為64.5%和68.4%,剩余的10口鉆井中精確度數(shù)值都在85%以上。

綜上所述，利用已有的鉆井勘探資料，通過地震資料獲得煤層底板標高，建立煤層氣含量預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果與實際測量結(jié)果誤差較小。此方法主要是在實際鉆井工程量較少的情況下，預(yù)測煤層氣含量的一種比較經(jīng)濟實用的方法。

圖2 煤層底板標高及含氣量預(yù)測圖

表1 煤層含氣量實測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果比較表

4 結(jié) 論

1) 非洲卡魯盆地煤層地質(zhì)的演化程度高，煤層生氣能力強，能夠富集形成大量的煤層氣。盆地煤層的封蓋性也較好，為煤層氣富集提供了保存條件。受沉積影響，煤變質(zhì)主要為深成變質(zhì)作用。

2) 從構(gòu)造演化、構(gòu)造結(jié)構(gòu)、斷層特征，以及煤層結(jié)構(gòu)角度分析非洲卡魯盆地構(gòu)造區(qū)的成煤條件，煤層的厚度較大，屬于煤層氣資源比較豐富的勘探開發(fā)區(qū)塊，為下一步勘探開發(fā)工作提供依據(jù)。

3) 利用已知的地震資料獲得煤層底板標高，建立煤層氣含量預(yù)測模型，對非洲卡魯盆地8號煤層進行模擬預(yù)測，將煤層含氣量的預(yù)測結(jié)果與實際實測結(jié)果比較，精確度在85%以上，采用此模擬方法預(yù)測煤層含氣量的方法可行。