基于地震AVO屬性的煤層氣富集區(qū)預(yù)測

摘 要

摘要：為了判定AVO技術(shù)是否能夠用于對煤層氣的預(yù)測，研究了煤儲層含氣性與地震AVO屬性之間的關(guān)系，獲得煤儲層參數(shù)與地震波彈性參數(shù)之間的關(guān)系式及其AVO響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)煤儲層的含氣
摘要：為了判定AVO技術(shù)是否能夠用于對煤層氣的預(yù)測，研究了煤儲層含氣性與地震AVO屬性之間的關(guān)系，獲得煤儲層參數(shù)與地震波彈性參數(shù)之間的關(guān)系式及其AVO響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)煤儲層的含氣量隨縱波速度、橫波速度、密度的增大而減小。對鄂爾多斯盆地大寧-吉縣地區(qū)5#煤層進(jìn)行了AVO異常。結(jié)論認(rèn)為：利用AVO屬性能夠?qū)γ簩託獾母患瘏^(qū)進(jìn)行預(yù)測并為煤層氣井位的部署提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：煤層氣；AVO技術(shù)；地震響應(yīng)特征；含氣量；彈性參數(shù)；數(shù)值模擬；大寧-吉縣地區(qū)
煤層含氣量的多少將造成其地球物理特性的差異，會產(chǎn)生不同的AVO地震響應(yīng)。例如，在美國圣胡安盆地Cedar Hill煤層氣田根據(jù)AVO探測煤層氣的成果布置鉆井而獲得高產(chǎn)，證明利用AVO技術(shù)對煤層氣進(jìn)行預(yù)測是可行的[1]。為此，筆者以鄂爾多斯盆地大寧-吉縣地區(qū)為例，利用AVO地震屬性探討了煤儲層含氣量與地震彈性參數(shù)(密度、縱波速度、橫波速度)之間的關(guān)系及AVO地震響應(yīng)特征，對該區(qū)5#煤煤層氣富集區(qū)進(jìn)行了預(yù)測。
大寧-吉縣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶中南段，呈西傾單斜構(gòu)造。主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組，含煤層數(shù)有十幾層，其中山西組的5#煤層全區(qū)分布較穩(wěn)定，是煤層氣勘探開發(fā)主要目的層[2～4]，煤層埋深為700～1100m，厚度為1.5～7.2m，其中厚度超過5m的煤層主要位于午城-窯渠地區(qū)，向東煤層厚度逐漸變薄(圖1)。
5#煤層煤質(zhì)主要以半亮型煤為主，鏡質(zhì)組反射率為1.34%～2.09%，吸附飽和度較高(70.5%～95%)，有利于煤層氣的解吸和利用[1]。該區(qū)煤層氣資源豐富，5#煤層煤層氣資源量為5009.42×108m3，占全區(qū)資源總量的54.6%[5]。
 

1 煤層含氣性AVO響應(yīng)特征
1.1 煤層含氣量與彈性參數(shù)之間的關(guān)系
    整理收集到的單井?dāng)?shù)據(jù)，以每口井5#煤層的全部測定數(shù)據(jù)組成一個樣點(diǎn)，對每口井進(jìn)行分析篩選，剔除誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后將整理后的含氣量數(shù)據(jù)與各彈性參數(shù)進(jìn)行交匯分析(圖2-a、b、c)。從圖2中可看出：5#煤層含氣量隨彈性參數(shù)(密度、縱波速度、橫波速度)的增大而減小，存在一定的線性擬合關(guān)系。圖2中：ρ為密度，g/cm3；vp為縱波速度，m/s；vs為橫波速度，m/s；Vg為含氣量，m3/t。
 

    煤層氣在煤儲層中呈雙相富存的特征，90%以上煤層氣以吸附態(tài)存在于微孔隙的表面積，而微孔隙的表面積是煤層氣富集的主要影響因素。微孔隙的發(fā)育及數(shù)量必然影響煤層的密度，導(dǎo)致密度減小。又由于速度和密度存在一定的正比例關(guān)系，即密度的減小會導(dǎo)致速度的降低[6]。即含氣量與彈性參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，符合煤層氣富集的普遍規(guī)律。
    從圖2中樣點(diǎn)的分布情況看出，參與統(tǒng)計(jì)分析的樣點(diǎn)數(shù)量有限且比較分散，導(dǎo)致擬合程度偏低。在定量預(yù)測中應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎使用這些關(guān)系，而在AVO異常解釋中，定性地使用這些關(guān)系是合理的。
1.2 煤層含氣量對AVO響應(yīng)特征的影響
    從含氣量與彈性參數(shù)之間的擬合關(guān)系可以推導(dǎo)出以下轉(zhuǎn)化關(guān)系式，由于含氣量的多少會影響到煤層的彈性參數(shù)，通過轉(zhuǎn)化公式，可由含氣量數(shù)據(jù)獲得煤儲層彈性參數(shù)。
    ρ=1.51023-0.009 257Vg    (1)
    vp=3093.03-43.86Vg         (2)
    vs=1675.12-16.15Vg         (3)
    建立地質(zhì)模型：煤層頂板、煤層、煤層底板等3層。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定煤層頂、底板泥巖彈性參數(shù)：vp=3995.9m/s、vs=2048m/s、ρ=2.55g/cm3，煤儲層的彈性參數(shù)可通過3個轉(zhuǎn)化關(guān)系式計(jì)算獲得。假設(shè)vg從20m3/t變化到0，根據(jù)3個轉(zhuǎn)化關(guān)系式計(jì)算出相應(yīng)的煤層氣儲層彈性參數(shù)(表1)，將計(jì)算的彈性參數(shù)代入Shuey簡化公式[7]，求得與假設(shè)的各個Vg值相對應(yīng)的截距和梯度屬性(圖3)。
 

   圖3展示了煤儲層頂、底板反射界面情況：頂、底板反射界面的截距、梯度分別是相反的，即頂板反射界面是負(fù)截距正梯度，而底板反射界面是正截距負(fù)梯度[8]。當(dāng)Vg=0時，頂板反射界面的截距為-0.37，梯度為+0.36，而底板反射界面的截距為+0.37，梯度為-0.36；當(dāng)Vg=20m3/t時，頂板反射界面截距減小至-0.61，梯度增大至+0.59，而底板反射界面截距增大至+0.61，梯度減小至-0.59，這種對稱性主要是因?yàn)榈刭|(zhì)模型是對稱的。總之，煤層頂板和底板的截距、梯度的絕對值隨著煤層含氣量增加而增大。
1.3 5#煤層的AVO數(shù)值模擬
   設(shè)定煤層氣高產(chǎn)井的產(chǎn)氣量Q≥1000m3/d，而低產(chǎn)井Q＜1OOOm3/d，對高、低產(chǎn)氣井分別進(jìn)行AVO數(shù)值模擬研究[9]。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①高產(chǎn)井5#煤層的頂板反射界面對應(yīng)的是地震剖面的負(fù)同相軸，反射振幅隨偏移距的增加而減小，呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)截距、正梯度異常；底板反射界面對應(yīng)的是地震剖面的正同相軸，其反射振幅也隨偏移距的增加而減小，但呈現(xiàn)較強(qiáng)的正截距、負(fù)梯度異常。此結(jié)果證明高產(chǎn)井的儲層一般能夠形成較強(qiáng)的AVO異常(圖4)。②低產(chǎn)井5#煤層儲層頂、底板反射界面分別對應(yīng)地震剖面的負(fù)同相軸和正同相軸，但正、負(fù)同相軸的反射振幅基本上不隨偏移距的變化而變化，幾乎無AVO異常或AVO異常很弱(圖5)。
 

2 應(yīng)用實(shí)例分析
2.1 地震測線AVO異常解釋
    通過對煤層氣井的AVO數(shù)值模擬，獲得井的AVO信息，將此信息同地震測線AVO屬性進(jìn)行比較，以尋找AVO異常區(qū)。選擇離地震測線較近的井進(jìn)行AVO正演數(shù)值模擬，從井旁CDP道集中反復(fù)提取地震子波，使提取的地震子波與反射系數(shù)進(jìn)行褶積，得到合成CDP道集。將合成CDP道集與實(shí)際CDP道集進(jìn)行比較，誤差值最小的CDP道集即為最終合成CDP道集。然后對其進(jìn)行AV0反演處理，獲得截距、梯度屬性剖面。在AVO正演數(shù)值模擬獲得的合成CDP道集上，對應(yīng)5#煤層的同相軸展示了振幅隨偏移距增大而減小的特征，和AVO反演結(jié)果對應(yīng)的關(guān)系是：對于負(fù)同相軸，是負(fù)截距、正梯度異常；對于正同相軸，是正截距、負(fù)梯度異常，這正是煤層氣富集的反映。
    為更好地突出煤層氣AVO異常，把截距、梯度數(shù)據(jù)體進(jìn)行相減運(yùn)算，取差值的振幅包絡(luò)屬性作圖，獲得綜合解釋剖面圖(圖6)。由于煤層氣的AVO異常特點(diǎn)是截距與梯度符號相反，因此差值增強(qiáng)了與煤層氣富集相關(guān)的AVO異常，而削弱AVO反演噪音。截距、梯度差值的包絡(luò)屬性，將把頂、底板反射界面相關(guān)的同相軸異常合并顯示為同一個同相軸，突出了AVO異常范圍。圖6中沿2條藍(lán)線(即5#煤層頂板、底板的位置)的紫紅色位置是煤層氣富集區(qū)。
 

2.2 含氣富集區(qū)預(yù)測及評價
    綜合分析AVO屬性數(shù)據(jù)、地質(zhì)資料等進(jìn)行研究，在大寧-吉縣地區(qū)預(yù)測出4個煤層氣富集有利區(qū)，其中研究區(qū)的東部午城-窯曲區(qū)帶為煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)，此區(qū)日產(chǎn)氣量大于1000m3為高產(chǎn)井，并且有很強(qiáng)的AVO異常。3個煤層氣富集中等產(chǎn)區(qū)分別位于研究區(qū)的南部和西部。這3個中等產(chǎn)區(qū)地震測線AVO異常較弱，試氣不很理想，儲層埋藏深度較大或水文地質(zhì)條件較差，不利于煤層氣開采。
    綜上所述：AVO處理和解釋成果成功地預(yù)測了地震測線5#煤煤層氣富集的部位。測井AVO正演數(shù)值模擬獲得的AVO響應(yīng)特征與實(shí)測CDP道集的特征相符。
3 結(jié)論
    1) 煤層含氣量與彈性參數(shù)之間存在一定的線性關(guān)系，隨密度、縱波速度、橫波速度的增大而減?。幻簩託鈨禹?、底板反射振幅都隨偏移距增大而減小，頂板反射界面呈負(fù)截距、正梯度異常，而底板反射界面呈正截距、負(fù)梯度異常。
    2) 高產(chǎn)井儲層一般都有較強(qiáng)的AVO異常。利用AVO屬性能夠預(yù)測煤層氣富集區(qū)并為煤層氣井位的部署提供依據(jù)。
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(本文作者：孫斌1，2 楊敏芳3 孫霞4 孫粉錦1，2 1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)；4.中國石油華北油田公司審計(jì)處)