仇念廣

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

1 地質概況

新元礦區(qū)位于沁水煤田北部，地處陽曲～盂縣緯向構造帶南翼，其東西兩側受太行經向構造帶和新華夏系構造的控制，南部受壽陽西洛南北向構造帶的影響。區(qū)域上地層總體呈單斜構造，大致走向NEE，傾向S，地層傾角平緩，在10°之內。井田內斷層、陷落柱較發(fā)育，但通天斷層欠發(fā)育，煤層氣的垂向運移較弱，自生自儲的成藏特點較強。井田內含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。山西組3號煤層屬岸后泥炭沼澤環(huán)境，為穩(wěn)定大部可采煤層，利于煤層氣的生氣、富集。區(qū)域的地下水補給主要由北向南、由西向東匯集，因此煤層氣在水動力作用下也向該方向運移。研究區(qū)位于新元煤礦中部偏南位置，總面積為1.5km2。研究區(qū)內無明顯大斷層，局部發(fā)育小斷層、陷落柱，構造影響較小，煤層氣層內封存條件較好。因區(qū)域較小，且地層平緩，地下水運移在研究區(qū)內的差異性不大，對煤層氣的影響較小。

2 煤層氣富集條件

煤層氣的富集條件主要體現(xiàn)在“生、儲、?！?，即生氣資源條件、儲集條件和保存條件。

2.1 煤層氣生氣資源條件

煤層氣的生氣資源條件主要體現(xiàn)在煤質和煤層兩方面。研究區(qū)內主力開采煤層為山西組3號煤層，其鏡質體最大反射率為2.0%～2.3%，平均2.1%，屬于無煙煤，變質階段為高階煤。煤的有機組成分中鏡質組占比為73.5%～90.4%，平均82.8%，煤層氣生烴資源較豐富。這與我國高階煤的含氣性較好的特點一致。

煤層一方面是煤層氣的生烴源巖，另一方面也是煤層氣的儲集層，因此煤層厚度條件與煤層氣含氣量密切相關。井田內平均煤厚2.58m，研究區(qū)周邊煤厚約3～3.8m，屬中厚煤層。依據礦區(qū)內鉆井的煤層厚度與煤層氣含量之間的相關性可見(圖1)，煤層氣含氣量與煤層厚度呈現(xiàn)為弱正相關關系，個別鉆井離散。總體表現(xiàn)為煤層越厚，煤層氣含量越高，即煤層越厚則煤層氣生氣資源條件越好。其中對于中厚煤層，即煤厚大于1.3m時，煤層氣含量一般較高。

圖1 煤層厚度與煤層氣含氣量交會圖

圖2 煤層厚度圖

為明確煤層發(fā)育條件，開展了地質統(tǒng)計學反演，從而得到了煤層厚度。根據區(qū)內鉆井的煤厚驗證，最大誤差0.23m，最大誤差率7.7%，預測精度較高。圖2表明，煤層在西部分布較薄，但總體厚度在3～4.2m，均在1.3m以上。這表明區(qū)內煤層較厚，煤厚對煤層氣富集的影響較小，在本區(qū)內煤厚并不是煤層氣富集的主導因素。

2.2 煤層氣儲層儲集條件

煤層作為孔隙-裂隙型儲層，煤層氣的儲集條件主要為裂縫和孔隙發(fā)育情況，兩者表征著煤層是否能夠提供良好的煤層氣儲存空間。為明確裂縫和孔隙發(fā)育條件，利用屬性分析技術和地質統(tǒng)計學反演得到煤層裂縫發(fā)育區(qū)和孔隙發(fā)育區(qū)。

2.2.1 裂縫發(fā)育區(qū)

裂縫的識別主要以體現(xiàn)不連續(xù)性的地震屬性為主，如相干、曲率、螞蟻體等。相干可識別大中型斷層，曲率對于中小斷裂的識別效果較好，螞蟻體對于小斷裂的識別能力較強。三者的疊合應用可更好的預測裂縫發(fā)育區(qū)，但對裂縫發(fā)育區(qū)邊界的識別較模糊。為更清晰界定裂縫發(fā)育區(qū)，可利用有監(jiān)督的神經網絡運算得到裂縫發(fā)育概率體，從而劃分出裂縫發(fā)育區(qū)。

有監(jiān)督的神經網絡運算主要是人為設定裂縫發(fā)育和裂縫不發(fā)育兩種值，即以相干、曲率和螞蟻體的疊合成果為依據，從中拾取裂縫發(fā)育點和裂縫不發(fā)育點。以拾取的點集為基礎，從中抽取一定比例的訓練數(shù)據和測試數(shù)據。通過訓練數(shù)據的機器學習，以測試數(shù)據為驗證，直至得到最優(yōu)化訓練結果，方可停止神經網絡運算，從而得到最終的裂縫發(fā)育概率體結果。根據裂縫發(fā)育概率體成果可分析煤層裂縫發(fā)育區(qū)，如圖3所示。

圖3 多屬性神經網絡運算的裂縫概率識別裂縫發(fā)育區(qū)

2.2.2 煤層孔隙度

煤的孔隙度(率)是煤中孔隙-裂隙體積與煤總體積的百分比，是衡量煤儲層儲集性的一個重要參數(shù)。為獲得煤層的孔隙度，首先利用測井資料擬合得到孔隙度測井曲線，如式(1)。

φ=(Δt-Δtma)/(Δtf-Δtma)

(1)

式中：φ—煤層孔隙度，小數(shù)；Δt—煤層聲波測井值，μs/m；Δtma—巖石骨架聲波時差，μs/m；Δtf—流體聲波時差，μs/m。

然后，進行地質統(tǒng)計學協(xié)模擬工作。圖4中，巖石物理交匯分析表明，孔隙度與縱波阻抗具有較好的相關性?？衫脦r性體和縱波阻抗來做趨勢，協(xié)模擬得到孔隙度體。

圖4 孔隙度協(xié)模擬參數(shù)

根據得到的孔隙度體，可提取煤層的孔隙度平面分布情況，主要分布在2.4%～6.8%之間，全區(qū)孔隙度分布較為穩(wěn)定，南部相對北部孔隙度更高，基質物性更好。依據本井田以往研究成果，以孔隙度3%為界限劃分有利區(qū)域，如圖5。

圖5 煤層孔隙度平面分布圖

2.3 煤層氣保存條件

煤層氣的保存條件主要受控于煤層頂板、構造、水文地質條件和上覆地層厚度等因素。

2.3.1 頂板發(fā)育條件

頂板可減少煤層氣的外溢，保持一定的地層壓力，使得煤層氣大量吸附，同時還可以削弱水動力對煤層氣的運移。尤其是泥巖因其良好的密實性、穩(wěn)定性和連續(xù)性，對煤層氣更易形成一定的封蓋、保存條件。

煤層頂板巖性預測一般利用波阻抗反演。圖6巖石物理分析表明煤巖的波阻抗差異較大，煤巖波阻抗界值為4000g/cm3·m/s。但是，砂泥巖的波阻抗差異小，波阻抗難以區(qū)分。煤層頂板波阻抗主要分布在在6453～9194g/cm3·m/s，可見呈現(xiàn)為高波阻抗，相對煤層巖性發(fā)育，圖6深色為頂板發(fā)育較好區(qū)域。

圖6 煤層頂板波阻抗平面分布圖

2.3.2 地質構造

斷層、陷落柱可形成良好的煤層氣運移通道，利于煤層氣的垂向運移。但是本區(qū)內無大斷裂發(fā)育，僅發(fā)育四條斷距3m內的層間小斷層，井田內也無通天斷層發(fā)育，斷層對于煤層氣的影響較小。但是，在研究區(qū)西北方向發(fā)育直徑110m的陷落柱，該陷落柱會造成地層壓力的釋放，促進煤層氣解析，造成煤層氣溢散；同時有利于地下水運動，煤層氣在水動力作用下溢散速度進一步加快，從而不利于煤層氣的富集。

2.3.3 水動力

井田煤層所在的山西組、太原組富水性較差，而上覆的二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層組表現(xiàn)為弱-強富水性，基巖風化帶裂隙含水層呈季節(jié)性富水，強富水條件的地層是煤層下覆的奧灰水。煤層氣的水文活動主要表現(xiàn)為下部奧灰水通過斷層、陷落柱向上運移。在此過程中，水溶煤層氣則會隨著水流外瓦斯。順煤層水平方向，在水動力作用下，煤層氣由北部高部位向南部南部底部位運移，由東西兩側向中間底部區(qū)域運移。

2.3.4 上覆地層厚度

上覆地層厚度是煤層上部所有地層的厚度，可由地表標高與煤層埋深算的。圖7表面上覆地層厚度與煤層氣含量之間具有較好的相關性。這是因為上覆地層厚度越大，地層壓力越大，煤層氣中主要狀態(tài)的吸附氣難以解析，含氣量變越大。

圖7 上覆地層與煤層氣含量相關性

圖8煤層上覆地層厚度約586～709m?？傮w呈現(xiàn)為南厚北薄，因此南部較北部利于煤層氣富集。上覆地層厚度586m以上時，煤層氣含量均在10m3/t以上，煤層氣含量較高。由此可見，在本區(qū)內上覆地層厚度比較利于煤層氣富集。

3 煤層氣含氣性AVO分析

煤層氣含氣性分析不僅可以通過研究“生、儲、保”等地質條件進行研究，還可以利用AVO技術進行含氣性分析。其中，AVO截距與梯度 (P-G) 交會圖分析是AVO碳氫檢測技術的一種重要分析手段，即通過P-G交會直線的交會特征，可以成預測泊松比異常地層，即含氣層。

應用Aki Richards二項式對井旁道的AVO響應特征進行分析，對截距Intercept(A)和梯度Gradient(B)即P、G屬性進行分析，可判別煤層的煤層氣AVO的響應特征。但是，由于缺乏實際的測試資料，只能定性的進行AVO的含氣特征分析。

圖9中梯度分析圖上可以看到，煤層頂?shù)追瓷湔穹S著偏移距的增大。圖10截距和梯度交會表現(xiàn)為煤層頂反射在第一象限，煤層底反射為第三象限，屬于為三類AVO含氣的特征。第Ⅲ類AVO為“典型”AVO異常，對流體相當敏感，在地震數(shù)據上很容易被檢測到。利用AVO屬性能夠預測煤層氣富集區(qū)并為煤層氣的預測供依據。但由于井沒有測煤層氣的測試資料，因此無法用正演的手段以及和已知含氣井比較的方法來判斷煤層氣的AVO特征，在此只能做定性預測。

圖10 截距和梯度交會分析

通過AVO屬性反演得到的數(shù)據眾多，如：截距(P)、梯度(G)、流體因子、λ*ρ、μ*ρ、泊松比、Sign(NI)*G(梯度)等。但是因缺少橫波資料，很多數(shù)據無法獲得。根據井上檢測三類AVO含氣特征的特點，為更好地突出煤層氣AVO異常只能優(yōu)選梯度屬性作為檢測煤層氣的方法。由圖11煤層AVO梯度屬性平面圖可見，中部區(qū)域煤層氣AVO響應明顯，表明含氣量高。

圖11 煤層梯度屬性含氣性發(fā)育區(qū)預測

4 煤層氣開采有利區(qū)塊優(yōu)選

針對高階煤具有生氣量大、吸附能力強、含氣量大的特點。從地質、物探的角度出發(fā)，綜合考慮煤層氣的資源因素、儲層因素、保存及運移因素、AVO含氣性響應(圖12)，開展多要素結合的綜合條件優(yōu)選。不僅評價煤層氣的可采性，還需考慮煤層氣的易采性。有利區(qū)預測中評價的資源因素主要為煤厚，儲層因素主要為裂縫發(fā)育條件、孔隙度等，保存及運移因素主要包括煤層頂板發(fā)育條件、構造情況、水文地質條件及上覆地層厚度。作為高階煤，裂縫及孔隙度是重要的影響因素，因此在有利區(qū)劃分時作為最重要的依據。頂板對于煤層氣保存較為重要，也作為一項重要的優(yōu)選參數(shù)。AVO含氣性響應表征煤層氣含量，也是重要的參數(shù)。煤厚、構造、水文地質、上覆地層厚度影響有限，則作為部分參考。

根據煤層氣成藏條件的優(yōu)劣，煤層氣開采有利區(qū)分為四類，如表1所示。

圖12 煤層氣開發(fā)有利區(qū)優(yōu)選分析因素

依據該標準，通過“多圖疊合”劃分方法。以構造圖為背景，表征煤層氣聚集、保存構造環(huán)境；裂縫發(fā)育圖和孔隙度圖反映煤層氣儲集條件；頂板波阻抗圖表示儲層保存條件；AVO梯度屬性圖表征煤層氣含氣性。即裂縫發(fā)育區(qū)、孔隙度發(fā)育區(qū)、頂板發(fā)育區(qū)和AVO響應區(qū)疊合，同時兼顧煤層厚度、上覆地層厚度、水文地質條件等因素。從而優(yōu)選劃分煤層氣開采有利區(qū)塊，如圖13。其中較為有利的Ⅰ類、 Ⅱ類有利區(qū)塊較多， 面積約占76%，Ⅱ類全區(qū)分布，表明開采潛力較大；Ⅰ類有利區(qū)塊則主要集中在背向斜間的斜坡帶上。

表1 煤層氣開采有利區(qū)塊優(yōu)選標準

圖13 煤層氣開采有利區(qū)塊

四類中，Ⅳ類為煤層氣資源不利區(qū)，不予考慮，Ⅲ類不作為優(yōu)先考慮對象，而Ⅰ類和Ⅱ類為優(yōu)先考慮有利區(qū)。根據“拓展場面、類型兼顧、多層并探、擇優(yōu)定靶”的原則，在優(yōu)選的Ⅰ類和Ⅱ類有利區(qū)塊中設計鉆孔及井網，并盡可能的選在Ⅰ類有利區(qū)中。同時，鉆孔位置應以現(xiàn)本煤層為主進行定位設計，并盡可能照顧到下覆煤層，以提高抽采量，以及利于后期煤層的采掘。