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《天然氣工業(yè)雜志》2014年第八期

1煤層氣富集關(guān)鍵地質(zhì)要素

1．1煤層含氣量煤的含氣量主要決定于吸附量。一般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(tuán)越少，吸附水越少，相應(yīng)吸附甲烷越多。煤層氣含氣量的大小是評(píng)價(jià)煤層氣是否富集的重要指標(biāo)，含氣量越高、產(chǎn)氣及穩(wěn)產(chǎn)的潛力越大。一般認(rèn)為含氣量達(dá)到10m3／t，且滲透率達(dá)到0．2mD的煤層分布區(qū)即達(dá)到煤層氣有利勘探區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)較高產(chǎn)煤層氣井，煤層滲透率范圍為0．05～0．5mD，含氣量對(duì)生產(chǎn)能力的影響是顯而易見(jiàn)的。

1．2斷裂及裂縫構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的斷裂對(duì)煤層氣的保存起到一定的破壞作用，但伴生的微裂隙增加了煤層的滲透性，對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)有一定的積極意義，同時(shí)煤巖割理的發(fā)育程度也決定著煤的滲透性。因此，對(duì)于煤層氣的富集和產(chǎn)出，斷及煤層之?dāng)嗔押兔簩又械牧芽p的發(fā)育程度是必須考慮的重要地質(zhì)因素。

1．3圈閉條件圈閉對(duì)于煤層氣和常規(guī)天然氣而言，同樣是必要條件，但圈閉類型和機(jī)制完全不同。常規(guī)天然氣聚集場(chǎng)所是由儲(chǔ)層、非滲透層（蓋層）和構(gòu)造3因素相結(jié)合形成的構(gòu)造圈閉、巖性圈閉、復(fù)合圈閉等，天然氣以游離或水溶態(tài)儲(chǔ)集于孔滲性儲(chǔ)層之中；煤層氣聚集成藏的圈閉主要是壓力圈閉，即由煤層及其頂?shù)装逶谝欢?gòu)造與水動(dòng)力條件下的壓力平衡系統(tǒng)，地層壓力大于煤層甲烷氣吸附壓力，煤層氣以吸附態(tài)為主吸附于煤顆粒表面和煤巖微裂縫面，煤層裂縫和大孔隙主要被煤層水所充填。因此，煤層氣的圈閉類型非常特殊，且不可以常規(guī)天然氣的圈閉方式和類型加以評(píng)價(jià)。當(dāng)然，以高孔滲的煤層作為儲(chǔ)層、天然氣以游離或溶解態(tài)儲(chǔ)集其中的常規(guī)煤成氣藏，需另當(dāng)別論。

1．4煤層脆性煤層氣開(kāi)采過(guò)程中需要對(duì)煤層進(jìn)行壓裂。因此，脆性是一個(gè)非常重要的參數(shù)。脆性越大，越容易產(chǎn)生裂縫［6］，越利于煤層氣開(kāi)采。

2“甜點(diǎn)區(qū)”地震預(yù)測(cè)思路與技術(shù)

2．1“甜點(diǎn)區(qū)”地震預(yù)測(cè)思路煤層氣甜點(diǎn)區(qū)的地震預(yù)測(cè)就是以與煤層氣富集關(guān)鍵要素相關(guān)聯(lián)的地震信息和地震屬性為主、多要素疊加、通過(guò)綜合評(píng)價(jià)來(lái)預(yù)測(cè)甜點(diǎn)區(qū)。不同區(qū)塊甜點(diǎn)區(qū)的含義是一致的，但綜合預(yù)測(cè)所應(yīng)用的地震信息和量化指標(biāo)則是相對(duì)的，甜點(diǎn)區(qū)的預(yù)測(cè)結(jié)果也是相對(duì)的，是同區(qū)中煤層氣富集條件和開(kāi)發(fā)條件相對(duì)最好的區(qū)域。在以往文獻(xiàn)中，煤層氣“甜點(diǎn)區(qū)”預(yù)測(cè)主要從煤巖的礦物成分、熱演化程度、噸煤含氣量、埋藏深度、地質(zhì)條件、資源條件等方面進(jìn)行，以地質(zhì)分析為主。近年來(lái)也有一些研究人員開(kāi)始利用地震資料進(jìn)行煤層埋深、厚度及含氣性預(yù)測(cè)，但分析著眼于單一或某幾個(gè)要素，在多要素疊加綜合評(píng)價(jià)方面有所欠缺。孫文卿等在綜合評(píng)價(jià)方面做出了一些研究［4］，以準(zhǔn)噶爾盆地砂溝井田為例，綜合考慮煤層氣資源特征、開(kāi)采性能、煤層特征、構(gòu)造特征等因素利用突變理論對(duì)煤層氣儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)。筆者主要是根據(jù)地震資料應(yīng)用地球物理方法對(duì)煤層氣富集關(guān)鍵要素進(jìn)行預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多要素綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)選各關(guān)鍵要素均為有利的區(qū)域確定為“甜點(diǎn)區(qū)”，重在對(duì)關(guān)鍵要素的信息集成和綜合分析。其中，煤厚、埋深、斷裂與裂縫、圈閉構(gòu)造條件等4個(gè)是完全可以通過(guò)地震解釋和反演等技術(shù)所提取的，是甜點(diǎn)區(qū)多信息地震預(yù)測(cè)的主要考慮因素。煤層熱演化程度即煤階，地震尚難以預(yù)測(cè)，且在小范圍內(nèi)變化可能不大，參與預(yù)測(cè)的實(shí)際意義也不大，通過(guò)鉆井獲得的信息即可；煤層氣含氣量是一個(gè)十分重要的要素，它與前面的6個(gè)要素密切相關(guān)。由于煤層氣的吸附賦存特點(diǎn)，適用于常規(guī)氣藏的油氣地震檢測(cè)方法對(duì)其不適用。目前也僅僅基于收集到的鉆井的噸煤產(chǎn)氣量來(lái)分析哪些彈性參數(shù)與之相關(guān)，如縱橫波速度比、泊松比、AVO反演等，在含氣性預(yù)測(cè)方面做了一些探索。

2．2“甜點(diǎn)區(qū)”地震預(yù)測(cè)技術(shù)本次研究中為確保煤層各關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)特征描述的精度，采用了以下思路和技術(shù)。

2．2．1多種屬性相結(jié)合的精細(xì)構(gòu)造和斷裂解釋精細(xì)的層位標(biāo)定是確定煤層地震反射特征的基礎(chǔ)。為提高標(biāo)定精度，首先對(duì)目的層段地震數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，選擇合適主頻的子波制作合成地震記錄，然后精細(xì)調(diào)整時(shí)深關(guān)系來(lái)準(zhǔn)確標(biāo)定煤層。層位解釋過(guò)程中除了采用加密解釋提高精度之外，還充分利用多種屬性信息，比如常規(guī)偏移剖面、瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)相位等進(jìn)行層位解釋（圖1），保證同一層位在不同屬性上的一致性。筆者在研究中發(fā)現(xiàn)，瞬時(shí)相位屬性與常規(guī)振幅剖面的應(yīng)用可以有效地保證層位解釋不串層。在斷裂解釋方面，提取能夠反映斷裂的多種屬性，包括相干體、方差體、螞蟻體、邊緣檢測(cè)以及分頻振幅、相位等屬性，聯(lián)合各種屬性從各個(gè)方向（主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)線、任意線、時(shí)間切片等）進(jìn)行觀察解釋，并優(yōu)選其中有利屬性（相干、曲率、螞蟻體及分頻相位）進(jìn)行斷裂的輔助解釋和平面組合。精細(xì)的構(gòu)造解釋完成之后，準(zhǔn)確的速度分析是落實(shí)構(gòu)造形態(tài)的保證。對(duì)于三維數(shù)據(jù)成圖來(lái)說(shuō)，最好的速度模型應(yīng)該是利用測(cè)井速度（或VSP測(cè)井速度）校正地震速度場(chǎng)后得到的平均速度場(chǎng)。應(yīng)用該速度場(chǎng)可獲得較為精確的主力煤層頂面埋深圖，從而優(yōu)選適宜煤層氣開(kāi)發(fā)的區(qū)域。

2．2．2AVO反演預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育特征由于微裂隙增加了煤層的滲透性，對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)有一定的積極意義，因此在避開(kāi)大斷裂分布區(qū)域的基礎(chǔ)上，需尋找微裂縫發(fā)育的地區(qū)作為開(kāi)發(fā)目標(biāo)。Gregory發(fā)現(xiàn)巖石的裂縫引起縱橫波速度比和泊松比的增大［7］。RamosandDavis實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明新墨西哥州CedarHillField的煤層樣品泊松比和裂縫密度有關(guān)［8－9］（圖2），可以看出煤層的泊松比隨著裂縫密度由低到高增加了30％。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果不等同于現(xiàn)場(chǎng)煤層的割理情況，但是圖2所揭示的泊松比和煤層裂縫密度之間的關(guān)系是可靠的，可用于現(xiàn)場(chǎng)煤層泊松比和裂縫密度的預(yù)測(cè)，即煤層的泊松比和裂縫密度為正相關(guān)。在AVO理論中，假定vp／vs＝2，偽泊松比反射率（Δσ／σ）等于截距與梯度之和的一半［9］，反映的是反射界面兩側(cè)介質(zhì)的泊松比差值，與泊松比是呈正相關(guān)的。因此，AVO反演得到的偽泊松比反射系數(shù)屬性可以用于指示裂縫發(fā)育特征，偽泊松比值大，則裂縫發(fā)育程度高。

2．2．3多種反演方法預(yù)測(cè)煤層厚度特征測(cè)井曲線分析表明，煤層縱波阻抗明顯低于砂泥巖，因而可以應(yīng)用聲波阻抗反演方法預(yù)測(cè)煤層厚度。但由于該區(qū)煤層厚度薄、不同井間厚度變化大，為提高薄煤層分辨能力，在縱波阻抗反演基礎(chǔ)上應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到了比較好的效果，從圖3中可以看出地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演結(jié)果對(duì)薄煤層（藍(lán)色為雕刻出的煤層）反映特別清晰，與井吻合性更好，由此獲得的煤層厚度預(yù)測(cè)平面圖精度更高。

2．2．4疊前反演技術(shù)預(yù)測(cè)煤層含氣性特征煤層含氣性預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)是測(cè)井曲線分析。通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)所收集到的井的含氣量與彈性參數(shù)交會(huì)分析（圖4）得到，該區(qū)11號(hào)煤層的含氣量隨密度、縱波速度、縱橫波速度比、λρ值增大而減小，同時(shí)按線性關(guān)系擬合儲(chǔ)層含氣量與λρ值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0．7292，認(rèn)為兩者的線性關(guān)系有一定的可靠性，可以用λρ值來(lái)指示含氣量的變化，λρ小值對(duì)應(yīng)含氣量的大值。因此，應(yīng)用疊前AVO同時(shí)反演方法得到λρ屬性，利用λρ值和含氣量線性關(guān)系可以定性預(yù)測(cè)含氣量。

2．2．5疊前反演技術(shù)預(yù)測(cè)煤層脆性特征工程上通常使用楊氏模量（E）來(lái)表征巖石脆性。但在利用地震數(shù)據(jù)計(jì)算楊氏模量時(shí)需要預(yù)先知道密度項(xiàng)，而準(zhǔn)確的密度信息又必須保證地震數(shù)據(jù)有足夠大的偏移距，這在地震資料采集中通常是無(wú)法獲得的。因此，Sharma和Chopra提出用一種新的屬性———Eρ來(lái)表征脆性［10］，在脆性巖石中，楊氏模量（E）和密度（ρ）都大，Eρ值也大。Eρ屬性可以應(yīng)用疊前AVO同時(shí)反演方法計(jì)算得到。

3在HC地區(qū)預(yù)測(cè)應(yīng)用效果

HC地區(qū)地處鄂爾多斯盆地東南邊緣的渭北沖斷褶皺帶上，受多期構(gòu)造控制或影響，使區(qū)內(nèi)含煤構(gòu)造呈現(xiàn)北東—南西向展布，總體構(gòu)造形態(tài)為北西傾向的單斜構(gòu)造。該區(qū)已實(shí)施了滿覆蓋面積100km2的三維地震勘探，主力煤層為5號(hào)煤層和11號(hào)煤層，5號(hào)煤層厚度較小，但區(qū)域上分布相對(duì)較穩(wěn)定，厚度一般分布在1～9m之間，單層厚變化較大，W08井5號(hào)單層厚度可達(dá)9．9m；11號(hào)煤層在三維區(qū)內(nèi)厚度分布不穩(wěn)定，厚度相對(duì)較薄，最大單層厚度在10m左右。為了推進(jìn)該區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，亟須查清主力煤層分布和預(yù)測(cè)煤層氣“甜點(diǎn)區(qū)”范圍，為井位開(kāi)發(fā)部署提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。筆者在該區(qū)三維地震資料解釋基礎(chǔ)上，利用上節(jié)中諸多地球物理技術(shù)對(duì)主力煤層開(kāi)展“甜點(diǎn)區(qū)”預(yù)測(cè)，掌握了該區(qū)主力煤層厚度、埋深、斷裂、滲透性、含氣性及脆性等方面的特征，下面以11號(hào)煤層為例進(jìn)行描述。

3．1構(gòu)造和斷裂特征在11號(hào)煤層頂面埋深圖（圖5）上可以看到，該區(qū)煤層?xùn)|淺西深，構(gòu)造比較平緩，等深線總體走向?yàn)楸睎|—南西方向。其中紫色加粗線為1200m埋深線，其東部煤層埋深都小于1200m，埋深合適；北部為近東西方向的較大斷裂破碎帶，在開(kāi)發(fā)井位部署時(shí)應(yīng)該予以避開(kāi)；中部及西南部也發(fā)育近東西和北西西走向斷裂，總體斷裂發(fā)育程度一般。

3．2裂縫發(fā)育特征基于上述偽泊松比與煤的裂縫發(fā)育程度正相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，提取該區(qū)偽泊松比屬性（圖6），圖中紅色代表偽泊松比值大，推測(cè)藍(lán)色多邊形圈定的區(qū)域裂縫發(fā)育。同時(shí)把11號(hào)煤層偽泊松比屬性和滲流曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，滲流值較大的區(qū)域?qū)?yīng)于偽泊松比值大的范圍，因而可以推測(cè)這個(gè)區(qū)域?yàn)?1號(hào)煤層滲透性較好的區(qū)域。

3．3煤層厚度特征在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演基礎(chǔ)上編制完成11號(hào)煤層厚度平面圖（圖7），從圖上可以看出11號(hào)煤層在工區(qū)西南部尖滅，東部和北部發(fā)育較厚，圖中黃色和紅色區(qū)域煤層厚度大于3m，是煤層氣開(kāi)采的有利區(qū)域。

3．4煤層含氣性特征如前所述，λρ值與含氣量存在負(fù)相關(guān)。在11號(hào)煤層λρ值平面圖（圖8）上紅色代表λρ值大，對(duì)應(yīng)含氣量高，因而工區(qū)中東部粉色多邊形范圍為11號(hào)煤層含氣量高的區(qū)域（這里不考慮埋深大于1200m的西部區(qū)域），為該層煤層氣開(kāi)采首選區(qū)域。

3．5煤層脆性特征在沿11號(hào)煤層提取的脆性預(yù)測(cè)平面圖（圖9）上可以看到：黑色多邊形圈中的紅色區(qū)域指示煤層脆性比較高，主要位于工區(qū)中東部，壓裂時(shí)易產(chǎn)生裂縫；而西部地區(qū)巖石的脆性較低，不易于壓裂。

3．6“甜點(diǎn)區(qū)”綜合評(píng)價(jià)HC區(qū)塊煤層主要發(fā)育在斜坡帶，煤層未與風(fēng)化殼直接接觸，頂?shù)装鍨槟鄮r或砂巖。由于煤層氣的儲(chǔ)存方式不同于常規(guī)天然氣，它無(wú)須圈閉條件使氣聚集，主要構(gòu)造作用不會(huì)使煤層所生成的甲烷大量逸散，并且有足夠的地層壓力使煤層氣吸附于煤層中。所以，該區(qū)這種簡(jiǎn)單的構(gòu)造條件也是煤層氣有利儲(chǔ)集帶。另外，考慮到整個(gè)三維區(qū)域內(nèi)熱演化程度一致，因此本次研究不再對(duì)熱演化程度和圈閉類型單獨(dú)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終甜點(diǎn)區(qū)的綜合評(píng)價(jià)主要評(píng)價(jià)煤層的埋深、厚度、滲透性、含氣性及脆性等幾個(gè)方面。根據(jù)開(kāi)發(fā)成本及鉆井需求，針對(duì)11號(hào)煤層，把埋深小于1200m作為評(píng)價(jià)有利區(qū)的約束條件，結(jié)合其他多種信息制定如表1的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將各方面因素有利區(qū)域疊合得到甜點(diǎn)區(qū)范圍（圖10紅色多邊形圈中的區(qū)域），圖中紫色加粗線為1200m埋深線，顏色為厚度，黃色和紅色為煤層厚度大于3m的區(qū)域。在這里，煤層埋深是首要因素，在煤層氣開(kāi)發(fā)中起著“一票否決制”的作用，煤層若埋藏過(guò)深，鑒于開(kāi)采工藝和開(kāi)發(fā)成本即使預(yù)測(cè)含氣量高、滲透性好、脆性好也不予考慮。從圖10可以看到該層甜點(diǎn)區(qū)面積達(dá)到21．64km2，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果在甜點(diǎn)區(qū)內(nèi)部署的數(shù)十口開(kāi)發(fā)井中，目前有2口井進(jìn)入排采階段，排采狀況良好，其中yz1井日產(chǎn)氣量達(dá)到1600m3，yz2日產(chǎn)氣量達(dá)到2000m3，而同期位于甜點(diǎn)區(qū)外的井日產(chǎn)氣量?jī)H為200m3。

4結(jié)論與建議

1）煤層氣富集受控于多項(xiàng)關(guān)鍵地質(zhì)因素。煤層氣“甜點(diǎn)區(qū)”的地震預(yù)測(cè)，以與這些關(guān)鍵地質(zhì)因素直接相關(guān)的三維地震解釋成果和多信息為基礎(chǔ)，以多要素綜合預(yù)測(cè)為主要技術(shù)手段，可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煤層氣富集及開(kāi)發(fā)條件相對(duì)較好的煤層氣甜點(diǎn)區(qū)。2）通過(guò)在鄂東緣HC地區(qū)煤層氣甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測(cè)的探索應(yīng)用，取得較好預(yù)測(cè)成果。經(jīng)后續(xù)鉆井驗(yàn)證，甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測(cè)吻合較好；解釋及預(yù)測(cè)成果在優(yōu)選評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)區(qū)塊、指導(dǎo)開(kāi)發(fā)井位部署與調(diào)整中發(fā)揮了重要作用，有效降低了煤層氣開(kāi)發(fā)鉆井風(fēng)險(xiǎn)和開(kāi)發(fā)成本。3）煤層氣甜點(diǎn)區(qū)的地震預(yù)測(cè)，需要高精度的三維地震數(shù)據(jù)體來(lái)提高預(yù)測(cè)的可信度。建議在經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件合適的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)帶，部署和實(shí)施三維地震采集，將三維地震作為促進(jìn)煤層氣有效開(kāi)發(fā)的主導(dǎo)技術(shù)。

作者：霍麗娜徐禮貴邵林海丁清香王九拴單位：中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司