孫 穎 張 潔 吳 佳 趙曉莉 段傳麗 房金偉

(中國石油渤海鉆探油氣合作開發(fā)分公司)

0 引 言

我國煤層氣資源量相對豐富，居世界第三位，目前已探明全國煤層埋深2 000 m以內(nèi)的淺煤層氣總資源量達36.8×1012m3， 其中可采資源量10.9×1012m3，主要分布于華北地區(qū)，約占全國煤層氣資源總量的56%以上[1]。煤層氣(瓦斯)作為一種新型高品質(zhì)的清潔能源，越來越引起人們重視，它的開采利用，不僅可以促進煤礦的安全生產(chǎn)和保證工人的人身安全，也能夠改善能源結(jié)構(gòu)，有效保護生態(tài)環(huán)境[2]，具有良好的安全性、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

煤層氣是由煤化作用形成的，主要以吸附態(tài)賦存在煤層中以甲烷為主的非常規(guī)天然氣。煤層含氣量是煤層氣勘探區(qū)塊評估和開發(fā)應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)支撐，而煤層厚度對含氣量多少起到至關(guān)重要的作用，因此煤層厚度和含氣量預(yù)測是勘探分析的重要環(huán)節(jié)[3]。目前國內(nèi)外在煤層氣方面最有效的預(yù)測方法有測井曲線估算法、含氣量-梯度法和等溫吸附曲線法等，主要是通過分析局部區(qū)域地質(zhì)和鉆井?dāng)?shù)據(jù)，進行各點預(yù)測，無法進行較準(zhǔn)確的連續(xù)性平面預(yù)測，雖然可靠性高，但是經(jīng)濟性差，用于大面積區(qū)域勘探分析不太現(xiàn)實，尤其對于勘探程度較低、探井?dāng)?shù)量有限的勘探新區(qū)塊，這些方法都不太適用[4]。地震勘探作為面域空間的勘探方法，具有橫縱向分辨率高、成本低、周期短的特點，可以提供煤層的空間分布形態(tài)、斷裂體系、厚度和巖性等地質(zhì)信息，作為一種高效、低成本和大面積的勘探方法，在煤礦生產(chǎn)及煤層氣勘探開發(fā)中已得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外一系列研究實踐證明，可以利用地震屬性來快速高效地預(yù)測煤層連片厚度和含氣量狀況[5-6]。

本文針對寧武盆地南部煤層氣勘探區(qū)，以地震、測井和測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取并通過相關(guān)性分析，優(yōu)選出與煤層厚度和含氣量相關(guān)程度高的地震屬性，通過后期新鉆探井?dāng)?shù)據(jù)資料驗證，實現(xiàn)該區(qū)煤層厚度和含氣量的平面分布定性預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

寧武盆地南部東為五臺山隆起，西為呂梁山隆起，南與汾河水庫相連，其北部與盆地腹部相接，屬于中生代以來形成的構(gòu)造坳陷，是以石炭-二疊系含煤沉積為主的富煤區(qū)。在構(gòu)造發(fā)育方面，煤層呈現(xiàn)東西兩翼高、中部低的向斜構(gòu)造，全區(qū)呈東翼為陡坡帶，西翼為緩坡帶，中間為洼槽區(qū)的三分構(gòu)造格局，構(gòu)造較為平緩，有利于煤層氣保存。煤層集中發(fā)育在石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。太原組煤層總厚10～21 m，從邊緣向盆地中央逐漸增厚， 9號煤層是其主要煤層，厚為8～14 m，橫向分布穩(wěn)定；山西組一般含煤3～4層，煤層總厚4～11.5 m，沉積較不穩(wěn)定，整體呈現(xiàn)東南向盆地北部增厚的趨勢，4號煤層為主要煤層，厚為2～7 m，橫向變化大。研究區(qū)主要目標(biāo)是太原組的9號煤層和山西組的4號煤層，煤階為中煤階氣煤、肥煤和焦煤。本次研究主要針對厚度較大、橫向分布穩(wěn)定的太原組9號煤層進行煤層厚度和含氣量的預(yù)測。

研究區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造特征復(fù)雜，勘探程度較低，完成二維地震556.6 km/30條，測網(wǎng)密度1 km×2 km，地震資料品質(zhì)較差，在區(qū)域應(yīng)力場作用下，工區(qū)逆斷層發(fā)育。煤層具有低速和低密度的顯著特點，與頂?shù)装迥鄮r波阻抗差異較大，有較好的反射界面，9號煤層厚度在10 m左右，可在地震剖面上識別出，通過已知鉆井資料進行合成記錄精細標(biāo)定，與剖面上的強波谷反射波基本相對應(yīng)。二維地震資料解釋成果表明，寧武盆地南部地區(qū)總體表現(xiàn)為西南緩坡帶、中央鼻隆帶、東側(cè)陡坡帶和北部洼槽帶。

2 地震預(yù)測思路

2.1 煤層厚度與振幅屬性

煤層是煤層氣生成和聚集的基礎(chǔ)。煤層厚度與煤層氣含量基本呈正相關(guān)，煤層厚度越大，其單位面積內(nèi)的生氣量和吸附量就越大，相應(yīng)的就具有更大的勘探開發(fā)潛力。根據(jù)實際的勘探開發(fā)經(jīng)驗，只有在單層煤厚大于3 m的情況下，才具有高產(chǎn)的可能性[7]。因此前期煤層厚度的預(yù)測非常重要，而煤層厚度預(yù)測根據(jù)不同的區(qū)塊特點及區(qū)塊現(xiàn)有的資料情況，預(yù)測方法也不盡相同。

地震振幅類屬性是從正負相位的振幅變化和能量的角度來分析波形的變化和能量的分布[8]。利用振幅類屬性可以判別與巖性、流體、儲層孔隙度和地層層序有關(guān)的變化，識別河流、三角洲砂體、某些礁體和地層調(diào)諧效應(yīng)等地質(zhì)信息。振幅的橫向變化也已被廣泛應(yīng)用于地層研究中，用來區(qū)分穩(wěn)定地層與互層狀、雜亂反射地層，疏松層與致密層。通常情況下，穩(wěn)定地層的振幅能量最大，互層狀地層振幅能量次之，雜亂反射地層振幅能量最低。

研究區(qū)域斷層發(fā)育，構(gòu)造較破碎，其中西南部地區(qū)相對產(chǎn)狀小，地層較平緩，且埋深一般小于1 500 m，比較有利于煤層氣的保存和勘探開發(fā)，前期進行過一系列的勘探工作。但本區(qū)塊現(xiàn)今的重點研究區(qū)域在中央鼻隆帶和北部的洼槽區(qū)，具有勘探面積大、構(gòu)造斷裂復(fù)雜和井點稀疏的特點，因此利用傳統(tǒng)的鉆井資料內(nèi)插或者薄層理論中的振幅參數(shù)與井點煤層厚度得到近似關(guān)系式來計算煤層厚度存在較大的誤差和不確定性。本文根據(jù)勘探區(qū)塊特點，優(yōu)先采用地震振幅類屬性定性預(yù)測煤層縱向厚度和橫向展布情況，其方法簡單高效，精度相對較高。

2.2 煤層含氣量與頻率屬性

煤層含氣量高低主要取決于吸附量多少，該指標(biāo)是評價煤層氣藏富集程度的重要指標(biāo)，含氣量越高、產(chǎn)氣穩(wěn)產(chǎn)的潛力相應(yīng)就越大。通常情況下，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(yīng)吸附的甲烷氣就越多。根據(jù)前人研究及勘探開發(fā)經(jīng)驗，只有在含氣量達到10 m3/t，且滲透率達到0.2 mD的煤層分布區(qū)，才能達到煤層氣有利勘探區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)[9]。

通?？梢酝ㄟ^解析法，利用現(xiàn)場鉆井煤心以及煤屑進行實測含氣量(解吸氣、逸散氣、殘余氣)計算，并結(jié)合多口井的傾角、聲波時差、視電阻率和密度等參數(shù)中的一個或多個，利用一元線性回歸分析、多元線性回歸分析或非線性擬合等方法，通過擬合關(guān)系式來預(yù)測其他井或區(qū)域的煤層含氣量[10]。但本區(qū)塊重點研究區(qū)域存在地質(zhì)情況太復(fù)雜和井點過少的原因，運用上述方法并無實際指導(dǎo)意義。

瞬時頻率是相位隨時間的變化率，也可以說是相位的導(dǎo)數(shù)[11]。在有些情況下，如果目標(biāo)層中飽含氣，會對高頻地震信息產(chǎn)生衰減作用，使接收到的信號主頻被降低，使得平均瞬時頻率出現(xiàn)低異常,但在強反射區(qū)從固有的物理意義上瞬時頻率是不穩(wěn)定的屬性[12]。頻率的垂向變化與含氣量或斷裂系統(tǒng)的吸收效應(yīng)或?qū)有蜃兓嘘P(guān)，在緊貼含氣區(qū)下方，氣區(qū)表現(xiàn)為頻率陰影區(qū)，但在更低處，頻率逐漸增加，這種垂向變化趨勢可以通過瞬時頻率衰減梯度來檢測，從而確定氣區(qū)的橫向范圍[13]。根據(jù)此原理，瞬時頻率衰減梯度屬性可以用來預(yù)測煤層含氣量情況，是對煤層含氣性進行預(yù)測的一個重要參數(shù)。因此，本文采用此屬性來預(yù)測煤層含氣量的空間分布情況。

3 地震多屬性在研究區(qū)塊的應(yīng)用

3.1 平均絕對振幅屬性預(yù)測煤層厚度

本文以寧武盆地9號煤層頂部反射層為目標(biāo)層位，采用不同時窗提取均方根振幅、總振幅、平均絕對振幅、最大波谷振幅、平均波谷振幅、總能量等振幅屬性，同時結(jié)合已知鉆井煤層厚度對其進行相關(guān)性分析后，發(fā)現(xiàn)以9號煤頂向上5 ms、向下13 ms開時窗，得到的平均絕對振幅屬性與煤層厚度具有一定相關(guān)性。

平均絕對振幅屬性值的大小與煤層所含夾矸多少有關(guān)，夾矸多且厚則數(shù)值偏低，夾矸少、煤層純度高則數(shù)值大。通過各井點處平均絕對振幅屬性值(圖1)與各井煤層厚度值(圖2)的對比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤層厚度小于10 m時，9號煤層厚度與煤層頂部平均絕對振幅屬性值存在一定正相關(guān)性趨勢；當(dāng)煤層厚度大于10 m時，9號煤層厚度與煤層頂部平均絕對振幅屬性值存在一定負相關(guān)性趨勢。這是因為煤層越厚，煤層中吸附氣含量越高，當(dāng)達到一定厚度時，由于煤層中賦存了豐富的煤層含氣量，采集的地震信號振幅值降低，導(dǎo)致計算出的平均絕對振幅屬性值隨之降低。這也說明在用單一地震屬性進行預(yù)測時具有多解性，為此既要綜合考慮多因素情況，也要針對不同部位進行具體分析。

圖1 各井點9號煤層頂部平均絕對振幅值

圖2 各井點9號煤層厚度

利用得到的平均絕對振幅屬性預(yù)測的研究區(qū)塊9號煤層厚度分布情況(圖3)，通過已鉆井的煤層厚度和各井點處的平均絕對振幅屬性值，結(jié)合構(gòu)造沉積，平面分布上在平均絕對振幅屬性值為60～100的范圍內(nèi)屬于有利區(qū)帶，以此對全區(qū)的煤層厚度分布有利區(qū)進行分區(qū)預(yù)測和劃分，基本劃分了4個較大的有利區(qū)帶。2021年底的新鉆W 1井(位于北部洼槽帶)和W 2井(位于中央鼻隆帶)均位于預(yù)測的煤層厚度有利區(qū)范圍內(nèi)，其中W 1井實鉆9號煤層厚度為11.3 m，W 2井實鉆9號煤層厚度為10.8 m，實鉆煤層厚度與預(yù)測的煤層厚度對應(yīng)屬性值范圍基本吻合。

圖3 平均絕對振幅屬性及有利區(qū)劃分

3.2 瞬時頻率衰減梯度屬性預(yù)測煤層含氣量

以9號煤層頂部反射層為主要目標(biāo)層位，采用向上5 ms、向下13 ms開時窗提取瞬時頻率衰減梯度屬性，并結(jié)合已鉆井含氣量進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)各井點處的瞬時頻率衰減梯度屬性值(圖4)與各井點煤層含氣量值(圖5)存在明顯的負相關(guān)性。

圖4 各井點9號煤層頂部瞬時頻率衰減梯度值

圖5 各井點9號煤層含氣量

利用得到的瞬時頻率衰減梯度屬性預(yù)測研究區(qū)塊9號煤層含氣量分布情況(圖6)，通過已鉆井的煤層含氣量和井點處的瞬時頻率衰減梯度屬性值，結(jié)合成藏條件可知，平面分布上在瞬時頻率衰減梯度屬性值處于-100～500的范圍內(nèi)屬于有利區(qū)帶，以此對全區(qū)的煤層含氣量分布有利區(qū)進行分區(qū)預(yù)測和劃分，基本上也劃分了4個較大的有利區(qū)帶。2021年底的新鉆井W 1井(位于北部洼槽帶)和W 2井(位于中央鼻隆帶)均位于預(yù)測的煤層含氣量有利區(qū)范圍內(nèi)，W 1井實鉆的9號煤層測井解釋含氣量18.61 m3/t，W 2井實鉆的9號煤層測井解釋含氣量23.45 m3/t，實鉆井煤層含氣量與預(yù)測的煤層含氣量對應(yīng)屬性值范圍基本吻合。

圖6 瞬時頻率衰減梯度屬性及有利區(qū)劃分

但對比平均絕對振幅屬性預(yù)測結(jié)果，瞬時頻率衰減梯度屬性預(yù)測的含氣量有利區(qū)比基于煤層厚度預(yù)測的有利區(qū)范圍相對小一些，刻畫可更為精細，表明將平均絕對振幅屬性和瞬時頻率衰減梯度屬性兩者相結(jié)合，綜合分析應(yīng)用，對于有利區(qū)的預(yù)測效果更好。

4 結(jié) 論

(1)在勘探程度較低、井點稀疏的研究區(qū)塊，運用地震多屬性預(yù)測技術(shù)，結(jié)合實鉆井資料，通過相關(guān)性分析，可以快速、高效、低成本地預(yù)測煤層厚度和含氣量情況，為煤層氣富集區(qū)研究打下基礎(chǔ)。

(2)在寧武盆地南部區(qū)塊，利用平均絕對振幅屬性可以定性預(yù)測煤層厚度，瞬時頻率衰減梯度屬性可以定性預(yù)測煤層含氣量。當(dāng)煤層厚度小于10 m時，平均絕對振幅屬性與煤層厚度在一定程度上為正相關(guān)，當(dāng)煤層厚度大于10 m時，兩者在一定程度上為負相關(guān)；瞬時頻率衰減梯度屬性與煤層含氣量表現(xiàn)為明顯的負相關(guān)性。

(3)任何單一屬性都不能完全適用于全區(qū)煤層厚度和含氣量的預(yù)測，應(yīng)該結(jié)合實鉆井具體資料，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)進行預(yù)測和評估。地震多屬性預(yù)測綜合應(yīng)用，避免單一地震屬性預(yù)測的局限性，有助于降低預(yù)測的多解性，提高預(yù)測精度。