段天柱

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)，400039)

煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)的新型潔凈非常規(guī)天然氣資源。我國煤層氣資源儲量大，發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｃ簩託獾目碧介_發(fā)對于緩解能源緊張狀況、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障煤炭的安全高效開采等方面均具有重要的意義。煤層氣開發(fā)利用過程中，對煤層氣富集區(qū)進行預測是前期關鍵步驟。

地震勘探方法具有成本低、信息量大、分辨率高等優(yōu)點，在煤層氣的勘探階段，地震勘探技術是最為重要的手段之一。在地震構(gòu)造解釋階段，可以查明斷層等大的斷裂構(gòu)造，使得煤層氣抽采孔能夠避開復雜地質(zhì)帶；同時在地震巖性解釋階段，通過屬性技術可以對微裂縫的發(fā)育區(qū)進行預測，而斷裂系統(tǒng)的發(fā)育程度對于煤儲層的含氣量及煤層氣成藏具有重要的影響作用。因此，地震勘探能夠經(jīng)濟、有效地圈定煤層氣富集區(qū)，指導煤層氣抽采孔的優(yōu)化布置。

1 地震屬性技術優(yōu)選及分析

地震屬性是指從地震數(shù)據(jù)體中提取出來的運動學、動力學和統(tǒng)計學地震特殊測量值，地震屬性技術則是指提取、顯示、分析和評價各種地震屬性的技術，包括在不同地震任務條件下對地震屬性進行優(yōu)選及分析。地震屬性的分類目前還沒有統(tǒng)一的標準，從定義的角度可以分為幾何學、運動學、動力學等幾大類。地震屬性種類繁多，目前明確定義的達幾百余種，其中常用的有幾十種，包括振幅、頻率、相位、能量、波形、相關、吸收衰減等。對煤層氣富集區(qū)預測而言，相干屬性和曲率屬性有較好的應用。結(jié)合多屬性綜合運用及基于神經(jīng)網(wǎng)絡運算的氣焰囪技術，可以從裂縫發(fā)育影響煤層儲集特征的角度進行分析，即裂縫發(fā)育區(qū)有利于煤層氣的富集，通過預測裂縫發(fā)育區(qū)來預測煤層氣的相對富集區(qū)域。

1.1 相干屬性

地震相干體技術是利用地震信號波形相似性的變化來描述地層、巖性在空間上的不連續(xù)性，進而研究小斷層和微斷裂的空間分布規(guī)律和延展形態(tài)以及異常地質(zhì)構(gòu)造及巖性的空間分布特征。相干技術經(jīng)歷了由基于互相關的第一代相干體技術、基于相似的第二代相干體技術、基于本征結(jié)構(gòu)的相干體技術，到基于幾何結(jié)構(gòu)張量、高階統(tǒng)計量、曲波變換的新一代相干體技術的發(fā)展歷程。經(jīng)過多年的發(fā)展，相干技術在油氣勘探領域得到了廣泛的應用。利用相干技術，可以突出相鄰地震道的不連續(xù)性，使得異常地質(zhì)體現(xiàn)象更加清晰。相干體切片可更直觀地顯示微斷裂、裂縫的相對發(fā)育程度，間接預測煤層氣的相對富集區(qū)。

相干體應用過程中，時間孔徑、空間孔徑、傾角方位角參數(shù)的選取尤為重要。其中，時間孔徑是最為重要的參數(shù)，其建議范圍為：目標反射體最低頻率的一個波長到最高頻率波長的一半之間。一般來說，需要突出地層特征或低角度斷層時，使用較小時間孔徑；需要突出持續(xù)性地質(zhì)特征時，應使用較長的時間孔徑。在空間維度上，相干體實際上是地震道的一種空間組合，每個相干數(shù)據(jù)體上空間點的屬性值反應原始地震數(shù)據(jù)體中的多道、多點信息，因此，相干數(shù)據(jù)體在識別地質(zhì)異常體時具有更高的信噪比和分辨率。從斷層成像的清晰度和隨機噪聲壓制程度看，一般來說參與計算的地震道數(shù)越多，對斷層、小構(gòu)造的分辨率越低，這種情況下突出的主要是較大的異常構(gòu)造；相反，參與計算的地震道數(shù)越少，對小斷層的突出程度越高，對地質(zhì)異常體邊界的識別程度越高。所以在計算地震相干性時，需要根據(jù)被探測目標地質(zhì)體的大小和探測目的的不同來選擇參與計算的地震道數(shù)。

1.2 曲率屬性

曲率屬性是利用地層的彎曲程度來進行構(gòu)造解釋和儲層分析的一種方法。曲率屬性對地層因構(gòu)造變形引起的完全敏感度很高，因此其對復雜的斷層、裂縫等地質(zhì)體刻畫能力強，近年來得到廣泛的應用。曲率屬性最早于20世紀90年代中期開始應用，第一代曲率屬性是利用層位數(shù)據(jù)計算的二維層面曲率，因沒有利用地震波信號的振幅信息與地震反射的幾何特征，在應用上容易引起構(gòu)造假象。第二代曲率為體曲率，其直接利用了地震資料的振幅信息，其在一定程度上克服了二維層面曲率的局限性。

幾何學上曲率通常是用來表征層面上某點處變形彎曲程度，該點處變形彎曲程度越大，其曲率值越高。將地層構(gòu)造形變?nèi)鐡锨?、褶皺等定量結(jié)果與常規(guī)的斷裂圖像結(jié)合，就能利用井控條件下構(gòu)造變形模型來預測應力和裂縫發(fā)育區(qū)。第二代曲率屬性分析法，即體曲率屬性分析可以從曲率屬性上識別小的撓曲、褶皺、凸起及差異壓實等特征，這些小的異常地質(zhì)構(gòu)造在常規(guī)地震資料解釋時是無法識別的，在相干體上也通常呈現(xiàn)為連續(xù)高相干特征。

在實際應用過程中，曲率通常是沿在三維地震資料上追蹤的層面計算。實際曲率還包括最大曲率、最小曲率、最大正曲率、最大負曲率、傾向曲率、走向曲率、平均曲率、最小曲率方位和形態(tài)指數(shù)等。在斷層、裂隙刻畫應用中，最大正曲率和最大負曲率是最容易計算的曲率屬性，也是目前最為常用的曲率屬性。

1.3 螞蟻體屬性

螞蟻算法是一種用來尋找優(yōu)化路徑的新型仿生類概率型算法。螞蟻體屬性追蹤技術就是基于螞蟻算法的原理，即利用仿生螞蟻覓食過程中群體間傳遞信息、優(yōu)化路徑的原理，其總是選擇信息量最大的路徑，并通過信息量的不斷更新最終達到最佳路徑。在地震資料解釋中，螞蟻體追蹤技術基本原理是在地震數(shù)據(jù)體中散播大量的螞蟻，在地震屬性體中發(fā)現(xiàn)滿足預設條件的斷裂痕跡的螞蟻將釋放信號，召集其它螞蟻集中在該斷裂處并對其進行追蹤，直到完成該斷裂構(gòu)造的識別和追蹤。

螞蟻體追蹤技術最大的優(yōu)點在于通過調(diào)整追蹤參數(shù)，可以定性地描述地層中的小斷層和裂隙發(fā)育區(qū)，提高對斷裂構(gòu)造的解釋精度，有利于細節(jié)的刻畫。

屬性技術的應用，一定程度上彌補了斷裂構(gòu)造、裂隙發(fā)育區(qū)人工識別的主觀性，提高了地質(zhì)構(gòu)造的解釋精度，有利于地質(zhì)細節(jié)的全面展示。實際應用過程中，各種屬性體都有各自的優(yōu)缺點和適用范圍，每一種屬性所反映的特征形態(tài)有所不同，應用效果各不相同，且應用單一屬性也可能存在多解性的問題。在實際應用中，僅僅參考單一的某種屬性是不夠的，往往同時開展多屬性間的聯(lián)合應用分析。

2 試驗區(qū)應用效果分析

陽泉礦區(qū)位于沁水煤田東北隅，煤炭資源總量達225億t，煤層氣儲量豐富，總量達6448億m3。礦區(qū)屬于典型的高瓦斯、突出、碎軟、低滲難抽采煤層，煤層氣抽采困難。為提高礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用率及煤層氣地面抽放效果，擬在礦區(qū)復雜地質(zhì)構(gòu)造帶開展煤層氣富集區(qū)預測，優(yōu)選井位，為構(gòu)造軟煤發(fā)育區(qū)低滲性煤層煤層氣順利抽采提供技術支持。

試驗區(qū)位于壽陽—陽泉構(gòu)造堆積盆地、沁水煤田的北部，地貌形態(tài)屬中低山地貌。地表均被第四系松散層覆蓋，經(jīng)長期風化剝蝕，溝谷縱橫、地形較復雜。試驗區(qū)面積1.5 km2，為獲取較好的勘探效果，數(shù)據(jù)采集采用12線6炮的寬方位觀測系統(tǒng)，勘探區(qū)內(nèi)覆蓋次數(shù)為36次，有別于常規(guī)煤田地質(zhì)勘探中的窄方位、低覆蓋次數(shù)勘探方式。經(jīng)前期數(shù)據(jù)處理及資料解釋，解釋勘探區(qū)內(nèi)主采3#煤層總體形態(tài)為褶曲，如圖1所示，自西向東依次為S1背斜、S2向斜、S3背斜。向背斜軸部基本成南北軸向，中部稍向東彎曲。煤層底板標高北部高南部低，東西高中間低。西北部發(fā)育X1陷落柱，全區(qū)共發(fā)育斷層5條。

圖1 3#煤層底板等高線圖

基于地震屬性，分析研究區(qū)內(nèi)3#煤層的裂縫發(fā)育情況。裂縫發(fā)育區(qū)內(nèi)，煤層孔滲性較好，研究區(qū)內(nèi)無大斷層發(fā)育，利于瓦斯游離氣的存儲。因此，可根據(jù)裂縫發(fā)育區(qū)的分布情況，分析煤層孔滲性較好的儲氣層的分布情況，以及劃分煤層氣富集區(qū)域。針對地質(zhì)任務，優(yōu)選了相干、曲率、螞蟻體3種屬性進行屬性分析。3#煤層相干、曲率、螞蟻體屬性切片如圖2所示。

由圖2(a)沿層相干屬性圖可知，研究區(qū)內(nèi)無明顯低相干區(qū)域，表面煤層發(fā)育良好，局部的不連續(xù)性可作為裂縫發(fā)育區(qū)的參考，未顯現(xiàn)出明顯裂縫發(fā)育區(qū)；圖2(b)、圖2(c)所示分別為沿層切片的最大正曲率、最小負曲率屬性圖，其中最大正曲率切片圖中，西北部、中北部及南部裂隙發(fā)育較明顯，最小負曲率切片圖中，裂隙發(fā)育區(qū)范圍與圖2(b)中基本一致，其中西部、中北部及南部區(qū)域裂隙發(fā)育較明顯；螞蟻體屬性中，裂隙發(fā)育范圍相對更為清晰，其中，陷落柱及斷層發(fā)育處螞蟻體屬性異常反應較為明顯。

圖2 3#煤層地震屬性分析圖

針對單一屬性分析適用范圍側(cè)重點各不相同的問題，可進行多屬性綜合分析。利用對于斷層、裂縫響應比較好的相干、最大正曲率、最小負曲率和螞蟻體等屬性進行疊加分析，依據(jù)多屬性疊合可劃分裂縫發(fā)育區(qū)域，如圖3所示，圖中黃色區(qū)域所示為裂隙相對發(fā)育區(qū)。

依據(jù)曲率、螞蟻體的走向代表著裂縫的發(fā)育走向的原則，可根據(jù)曲率和螞蟻體的走向進行統(tǒng)計生成走向玫瑰圖，研究裂縫的主要走向，裂縫的走向一般代表著最大主應力的走向，確定最大主應力的走向可為后期鉆井壓裂提供地質(zhì)指導。分析最大正曲率、螞蟻體、多屬性疊合，以及多屬性融合分析裂縫發(fā)育方位角，從而確定區(qū)域構(gòu)造主應力。

最大正曲率的方位角為北偏東5°～15°，螞蟻體的方位角為北偏東5°～15°，多屬性疊合的方位角為北偏東0°～15°，綜合可知，研究區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育的走向為北偏東0°～15°。則研究區(qū)內(nèi)的區(qū)域構(gòu)造主應力方向應與裂縫發(fā)育的走向基本一致，即為北偏東0°～15°。在下一步壓裂抽采中，可根據(jù)區(qū)域構(gòu)造主應力方向進行壓裂，更容易形成人工裂縫，改善增加煤層的孔隙度、滲透率等儲層條件，利于后期的煤層氣抽采開發(fā)。

圖3 3#煤層綜合屬性分析圖

3 結(jié)語

(1)地震屬性技術的應用，一定程度上彌補地震資料人工識別的主觀性，提高了地質(zhì)構(gòu)造的解釋精度，有利于地質(zhì)細節(jié)的全面展示，特別是在諸如小斷層、裂隙發(fā)育區(qū)等小微構(gòu)造的刻畫上具有一定的優(yōu)勢。在煤層氣勘探領域，可根據(jù)裂縫發(fā)育區(qū)的分布情況，分析煤層孔滲較好的儲氣層的分布情況，進而劃分煤層氣富集區(qū)域。

(2)各種地震屬性體都有各自的優(yōu)缺點和適用范圍，每一種屬性所反映的特征形態(tài)有所不同，應用效果各不相同，在實際應用中，同時開展多屬性間的聯(lián)合應用分析有利于提高解釋精度。

圖4 3#煤層裂縫走向玫瑰圖