煤层气_甜点区_地震预测技术及其应用.docx

天 然 气 工 业年 月煤层气“甜点区”地震预测技术及其应用霍丽娜徐礼贵邵林海丁清香王九拴中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 霍丽娜等 煤 层气“甜 点区”地震预测技术及其应用 天 然气工业 ，（）：摘 要 煤层气“甜 点区”系指煤层埋藏深度适中 、厚 度较大 、热演化程度合适 、含 气量相对较高 、孔渗性相对较好 、单 井产量高 且稳产的煤层气富集区带。寻找和优选煤层气富集的“甜 点”区 带 ，对于煤层气开发井位的部署 和优化 、提高煤层气井产量 、促 进煤 层气藏的有效开发都具有现实的经济价值。以往的研究成果表明 ，影响煤层气富集的 项关键地质要素为煤层厚度 、煤 层埋深 、热 演化程度 、煤 层含气量 、断 裂及裂缝 、圈 闭条件 、煤 层脆性。在试验分析的基础上 ，提出了一种利用 地震资料来预测煤层气富集区的 地球物理方法 ，即多种属性相结合的精细构造解释 、 反演预测裂缝发育特征 、多 种反演方法相结合预测煤层厚度特征 、叠 前反 演技术预测煤层含气性和脆性特征 ，然后进行综合评价 ，优 选各要素均为有利的区域 确 定 其 为 “甜 点 区 ”。 应用这一技术思路预测 出了 地区煤层气的分布范围 ，“甜 点区”面 积达到 ，在 区内部署的 口开发井目前排采效果良好 ，产 气量远高于“甜 点 区”外 的井 ，预测结果与实钻结果相吻合 ，为 类似“甜 点区”的地震预测提供了技术参考 。关键词 煤层气 有利区 厚度 埋深 含气量 地震勘探 预测 产气量：，（，），（；） ：， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ，基金项目 ：国家科技重大专项“鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发示范工程”（编 号 ：）。作者简介 ：霍 丽娜 ，女 ，年 生 ，工 程师 ，硕 士 ；主要从事地震资料解释与综合地质研究工作 。地址 ：（）河 北省涿州市贾 秀路。电话 ：。：第 卷 第 期地 质 勘 探 以吸附气为主要赋存方式的煤层气 ，属 于典型的 非常规天然气，中国陆上的煤层气勘探开发潜力很大 。 由于中国煤层气资源主要分布在地表地貌复杂 、地 下 断裂破碎的中西部地区，煤层气赋存地质条件较差 ，含 气量和单井产量普遍较低 ，开发效益远低于常规天然 气。利用地球物理技术，寻找和优选煤层气富集的“甜 点”区带，对于煤层 气开发井位的部署和优化 、提 高煤 层气井产量、促进煤 层气藏的有效开发都具有现实的 经济价值。多年来，在 煤层气 “甜 点 ”区带的预测方面 进行了一些研究与探索，取得了一定的效果 。所谓煤层气“甜点区”，系指煤层埋藏深度适中 、厚 度较大、热演化程度 合适、含 气量相对较高、孔 渗性相 对较好、单井产量 高且稳产的煤层气富集区带。 找到 了“甜点”区带也就相当于找到了有效的开发区带 。我 国含煤盆地地质构造各异 ，煤层气地质条件复杂多样 ， 各区块地球物理工作程度不一 ，利用 地震技术预测煤 层气“甜点”区带的需求迫切，为此进行了专项研究 。 煤层气富集关键地质要素我国煤层气富集高产主控因素包括资源因素 、储 层因素及保存条件 个方面的多个地质参数 ，煤 层气 “甜点”区带的预测及评价需要综合考虑如下 个方面 的关键要素。 煤层厚度煤层是煤层气生成和聚集的基础。 煤层越发育， 煤层厚度越大，其单 位面积内的生气量和吸附量就越 大，其勘探开发潜 力也更大。 根据国外经验和国内的 实践认识到，单层煤厚大于 具有高产的可能。 煤层埋深煤层埋深对于煤层气勘探开发有两方面的主要影 响：煤层埋深影响 煤层压力 、孔 渗性、煤 层吸附气含 量和是否逸散；煤层埋深决定了钻井深度 、开采成本和工业产量门槛值。只有埋深在合适范围的煤层气才有富集和开采的价值。埋深太浅，压力太小，煤层气自 然解析附和逸散，煤层不含气或含气量极低 ；煤层埋深 过大，压力随之增大，煤 层孔渗性变差，吸 附气含量和 产量不随深度变化线性增加 ，而开采 成本和难度则增 加更快。根据 国 内 外 勘 探 开 发 实 践，埋 深 大 于 的煤层气 在 目 前 经 济 技 术 水 平 下 不 具 有 工 业 开 采 价值，这一点与常规天然气也是明显不同的 。 热演化程度随着聚煤盆地的沉降，煤层埋深增加，地温也逐渐 升高。正常的地热增温是煤热变质的主要能量来源。 煤系的热演化史和热演化程度 ，决定 了煤系的生烃排 烃史和煤岩煤阶，也 直接影响煤层物性和含气性。 代 表不同热演化程度的不同煤阶的煤岩 ，其 含气能力和 含气方式也有不同。一般而言，构造位置相似、埋深相 近、构造演化和热演化类似的区带 ，煤层热演化程度也 相同或相似，煤阶亦大致相同。 煤层含气量煤的含气量主要决定于吸附量。一般情况下煤阶 越高微孔隙越发育 ，孔隙比表面积越大，且含氧官能团 越少，吸附水越少，相应吸附甲烷越多。煤层气含气量 的大小是评价煤层气是否富集的重要指标 ，含 气量越 高、产气及稳产的潜力越 大。 一般认为含气量达到 ，且渗透率达 到 的 煤层分布区即达 到 煤 层气有利勘探区的标准。 统计资料表明，我 国较高产煤层气井，煤层渗 透率范围为 ，含 气量 对生产能力的影响是显而易见的。 断裂及裂缝构造运动形成的断裂对煤层气的保存起到一定的 破坏作用，但伴生的微裂隙增加了煤层的渗透性 ，对煤 层气的开发有一定的积极意义 ，同 时煤岩割理的发育 程度也决定着煤的渗透性。 因此，对 于煤层气的富集 和产出，断及煤层之 断裂和煤层中的裂缝的发育程度 是必须考虑的重要地质因素。 圈闭条件圈闭对于煤层气和常规天然气而言 ，同 样是必要 条件，但圈闭类型 和机制完全不同。 常规天然气聚集 场所是由储层、非渗透 层 （盖 层 ）和 构造 因素相结合 形成的构造圈闭、岩 性圈闭、复 合圈闭等，天 然气以游 离或水溶态储集于孔渗性储层之中 ；煤 层气聚集成藏 的圈闭主要是压力圈闭 ，即由煤层及其顶底板在一定 构造与水动力条件下的压力平衡系统 ，地 层压力大于 煤层甲烷气吸附压力 ，煤层气以吸附态为主吸附于煤 颗粒表面和煤岩微裂缝面 ，煤层裂缝和大孔隙主要被 煤层水所充填。因此，煤层气的圈闭类型非常特殊 ，且 不可以常规天然气的圈闭方 式 和 类 型 加 以 评 价。 当 然，以高孔渗的煤层作为储层 、天然气以游离或溶解态 储集其中的常规煤成气藏 ，需另当别论。 煤层脆性煤层气开采过程中需要对煤层进行压裂。 因此， 脆性是一个非常重要的参数。 脆性越大，越 容易产生 裂缝，越利于煤层气开采。 “甜点区”地震预测思路与技术 “甜点区”地震预测思路煤层气甜点区的地震预测就是以与煤层气富集关 天 然 气 工 业年 月键要素相关联的地震信息和地震属性为主 、多 要素叠 加、通过综合评价 来预测甜点区。 不同区块甜点区的 含义是一致的，但综 合预测所应用的地震信息和量化 指标则是相对的，甜点区的预测结果也是相对的 ，是同 区中煤层气富集条件和开发条件相对最好的区域。在以往文献中，煤 层气 “甜 点区 ”预测主要从煤岩 的矿物成分、热演化程度、吨煤含气量、埋藏深度、地质 条件、资源条 件等方面进行 ，以 地 质 分 析 为 主。 近 年来也有一些研究人员开始利用地震资料进行煤层埋 深、厚度及含 气性预测，但 分析着眼于单一 或 某 几 个要素，在多要素 叠加综合评价方面有所欠缺。 孙文 卿等在综合评价方面做出了一些研究，以 准噶尔盆 地砂沟井田 为 例，综 合 考 虑 煤 层 气 资 源 特 征、开 采 性 能、煤层特征、构造特征等因素利用突变理论对煤层气 储层进行评价。笔者主要是根据地震资料应用地球物 理方法对煤层气富集关键要素进行预测 ，在 此基础上 进行多要素综合评价，优选各关键要 素均为有利的区 域确定为“甜点区”，重 在对关键要素的信息集成和综 合分析。其中，煤厚、埋深、断裂与裂缝、圈闭构造条件 等个是完全可以通过地震解释和反演等技术所提取 的，是甜点区多信 息地震预测的主要考虑因素。 煤层 热演化程度即煤阶，地震尚难以预测，且在小范围内变 化可能不大，参与预测的实际意义也不大 ，通过钻井获得的信息即可；煤层气含气量是一个十分重要的要素 ， 它与前面的个要素密切相关。由于煤层气的吸附赋 存特点，适用于常规 气藏的油气地震检测方法对其不 适用。目前也仅仅基于收集到的钻井的吨煤产气量来 分析哪些弹 性 参 数 与 之 相 关 ，如 纵 横 波 速 度 比、泊 松 比、 反演等，在含气性预测方面做了一些探索 。 “甜点区”地震预测技术本次研究中为确保煤层各关键地质参数特征描述 的精度，采用了以下思路和技术 。 多种属性相结合的精细构造和断裂解释精细的层位标定是 确 定 煤 层地震 反 射 特 征 的 基 础。为提高标定精度 ，首先对目的层段地震数据进行 频谱分析，选择合适主频的子波制作合成地震记录 ，然 后精细调整时深关系来准确标定煤层。层位解释过程 中除了采用加密解释提高精度之外 ，还 充分利用多种 属性信息，比如常规 偏移剖面 、瞬 时频率、瞬 时相位等 进行层位解释（图 ），保证同一层位在不同 属 性上的 一致性。笔者在研究中发现 ，瞬时相位属性与常规振 幅剖面的应用可以有效地保证层位解释不串层。在断裂解释方面 ，提取能够反映断裂的多种属性 ， 包括相干体、方差体、蚂蚁体、边缘检测以及分频振幅、 相位等属性，联合各 种属性从各个方向 （主 测线、联 络 线、任意线、时间切片等）进行观察解释，并优选其中有图 多属性剖面综合解释图 第 卷 第 期地 质 勘 探 利属性（相干、曲率、蚂蚁体及分频相位）进行断裂的辅 助解释和平面组合。精细的构造解释完成之后 ，准确 的速度分析是落 实构造形态的保证。 对于三维数据成图来说 ，最 好的速度模型应该是利用测井速度 （或 测井速度 ）校 正地震速度场后得到的平均速度场。应用该速度场可获得较为精确的主力煤层顶面埋深图 ，从 而优选适宜 煤层气开发的区域。 反演预测裂缝发育特征由于微裂隙增加了煤层的渗透性 ，对 煤层气的开 发有一定的积极意义，因此在避开大 断裂分布区域的 基础上，需寻找微裂缝发育的地区作为开发目标 。发现岩石的裂缝 引起纵横波速度比和泊 松比的增大。实 验测试表明新墨 西哥州 的煤层样品泊松比和裂缝密 度有关（图），可以看出 煤层的泊松比随着裂缝密 度由低到高 增 加 了 。 当 然 实 验 室 测 量 结 果 不 等 同于现场煤层的割理情况 ，但 是图 所揭示的泊松比 和煤层裂缝密度之间的关系是可靠的 ，可 用于现场煤 层泊松比和裂缝密度的预测 ，即煤层 的泊松比和裂缝 密度为正相关。在 理论中，假 定，伪 泊 松比反射率（）等于截距与梯度之和的一半，反 映的是反射界面两侧介质的泊松比差值 ，与 泊松比是图 实验室测试的泊松比值与裂缝发育程度的关系图 呈正相关的。 因 此， 反演 得到的伪泊松比 反 射 系数属性可以用于指示裂缝发育特征 ，伪泊松比值大， 则裂缝发育程度高。 多种反演方法预测煤层厚度特征测井曲线分析表明 ，煤层纵波阻抗明显低于砂泥 岩，因而可 以应用声波阻 抗 反演 方 法 预 测 煤 层 厚 度。 但由于该区煤层厚度薄 、不同井间厚度变化大，为提高 薄煤层分辨能力，在 纵波阻抗反演基础上应用地质统 计学反演得到了比较好的效果 ，从 图 中可以看出地 质统计学反演结果对薄煤层（蓝色为雕刻出的煤层）反图 地区三维联络线 地震资料反演结果对比图 天 然 气 工 业年 月映特别清晰，与井吻合性更好，由此获得的煤层厚度预 测平面图精度更高。 叠前反演技术预测煤层含气性特征煤层含气性预测的基础是测井曲线分析。通过对 研究区内所收集到的井的含气量与弹性参数交会分析（图）得到，该 区 号 煤 层 的 含 气 量 随 密 度、纵 波 速 度、纵横波速度比、 值增大而减小，同时按线性 关系 拟合储层含气量与 值之间的数学关系，相 关系数为，认为两者的线 性关系有一定的可靠性 ，可 以用 值来指示含气量的变化 ， 小值对应含气量的大 值。图 地区三维区 号煤层含气量与 值交会图因 此，应 用 叠 前 同 时 反 演 方 法 得 到 属 性，利 用 值 和 含 气 量 线 性 关 系 可 以 定 性 预 测 含 气量。 叠前反演技术预测煤层脆性特征工程上通 常 使 用 杨 氏 模 量 （）来 表 征 岩 石 脆 性。 但在利用地震数据计算杨氏模量时需要预先知道密度项，而准确的密度信 息又必须保证地震数据有足够大 的偏移距，这 在地震资料采集 中 通 常 是 无 法 获 得 的。 因此，和 提 出用一种新的属性 来表征脆性，在 脆 性 岩 石 中，杨 氏 模 量 （）和 密 度（）都大， 值也大。 属性可以应用叠 前 同时反演方法计算得到。在 地区预测应用效果 地区地处鄂尔多斯盆地东南边缘的渭北冲断 褶皱带上，受多期构造控制或影响 ，使区内含煤构造呈 现北东南西向展布，总体构造形态 为北西倾向的单 斜构造。该区已实施了满覆盖面积 的三维地 震勘探，主 力煤层为 号煤层和 号煤层， 号煤 层 厚度较小，但区域上分布相对较稳定 ，厚度一般分布在 之间，单 层厚变化较大， 井 号单层厚度可达 ； 号 煤 层 在三维区 内厚度分布不稳定，厚度相对较薄，最大单层厚度在 左右。为了推进该区煤层气勘探开发 ，亟 须查清主力煤 层分布和预测煤层气 “甜 点区 ”范 围，为 井位开发部署 提供可靠的地质依据。笔者在该区三维地震资料解释 基础上，利用上节中 诸多地球物理技术对主力煤层开 展“甜点区”预测，掌 握了该区主力煤层厚度 、埋 深、断 裂、渗透性、含气性及脆性等方面的特征 ，下面以号 煤层为例进行描述。 构造和断裂特征在号煤层顶面埋深 图（图 ）上 可以看到，该 区 煤层东浅西 深，构 造 比 较 平 缓，等 深 线 总 体 走 向 为 北 东南西方向。其中紫色加粗线 为 埋 深 线， 其东部煤层埋深都小于 ，埋 深合适；北 部为近 东西方向的较大断裂破碎带 ，在开发井位部署时应该 予以避开；中部及西 南部也发育近东西和北西西走向 断裂，总体断裂发育程度一般 。图 地区三维区 号煤层顶面埋深图 裂缝发育特征基于上述伪泊松比与煤的裂缝发育程度正相关的 理论和实验研究，提取该区 伪泊松比属性（图 ），图 中 红色代表伪泊松比值大 ，推测蓝色多边形圈定的区域 裂缝发育。同时把 号煤层伪泊松比属性和渗流曲 线进行对比发现，渗 流值较大的区域对应于伪泊松比 值大的范围，因而可以推测这个区域为 号煤层渗透 性较好的区域。 煤层厚度特征在地质统计学反演基础上编制完成 号煤层厚 度平面图（图），从图上可 以看出 号煤层在工区西 南部尖灭，东部和北部发育较厚 ，图中黄色和红色区域 煤层厚度大于 ，是煤层气开采的有利区域 。第 卷 第 期地 质 勘 探 图 地区三维区 号煤层伪泊松比属性平面图 图 地区三维区 号煤层厚度分布平面图 煤层含气性特征如前所 述， 值 与 含 气 量 存 在 负 相 关。 在 号 煤层 值平面图（图）上红色代表 值大，对应含气 量高，因而工区中东部粉色多边形范围为 号煤层含气量高的区域（这 里不考虑埋深大于 的西部 区域），为该层煤层气开采首选区域 。 煤层脆性特征在沿号 煤层 提 取 的 脆 性 预 测 平 面 图 （图 ）上 可以看到：黑色多边 形圈中的红色区域指示煤层脆性 比较高，主要位于工 区中东部 ，压裂时易产生裂缝 ；而 西部地区岩石的脆性较低 ，不易于压裂。 “甜点区”综合评价图 地区三维区 号 煤层 值预测平面图图 地区三维区 号煤层脆性预测平面图 且有足够的地层压力使煤层气吸附于煤层中。 所以， 该区这种简单的构造条件也是煤层气有利储集带。另 外，考虑到整个三维区域内热演化程度一致 ，因此本次 研究不再对热演化程度和圈闭类型单独进行评价 ，最 终甜点区的综合评价主要评价煤层的埋深 、厚度、渗透 性、含气性及脆性等几个方面 。根据开发成本及钻井需求，针对号煤层，把埋深 小于 作为评价有利区的约束条件，结合其他多 种信息制定如表的评价标准，将各方面因素有利区域 叠合得到甜点区 范 围 （图 红色多边形圈 中 的 区 域 ），图中紫色加粗 线 为埋 深线 ，颜 色为厚度 ，表 地区三维区 号煤层甜点区综合评价标准表 区块煤层主要发育在斜坡带 ，煤 层未与风化 壳直接接触，顶底 板为泥岩或砂岩。 由于煤层气的储 存方式不同于常规天然气 ，它无须圈闭条件使气聚集 ，埋 深厚 度（）（）伪泊松比主要构造作用不会使煤层所生成的甲烷大量逸散 ，并 天 然 气 工 业年 月图 地区三维区 号煤层甜点区平面分布图 黄色和红色为煤层厚度大于 的区域。 在这里，煤 层埋深是首 要 因 素，在 煤 层 气 开 发 中 起 着 “一 票 否 决 制”的作用，煤层若 埋藏过深，鉴于开 采工艺和开发成 本即使预测含气量高 、渗 透性好、脆 性好也不予考虑。 从图可以 看到该层甜点区面积达到 ，根 据预测结果在甜点区内部署的数十口开发井中 ，目 前 有口井进入排采阶段，排采状况良好，其 中 井日 产气