沁水盆地煤層氣地震儲(chǔ)層預(yù)測技術(shù)方法研究

馮小英 秦鳳啟 焦 勇 王 亞 汪 劍 唐鈺童

(1. 長江大學(xué), 湖北 434023; 2. 華北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 062552;3. 華北油田公司煤層氣勘探開發(fā)分公司, 山西 048000)

沁水盆地煤層氣地震儲(chǔ)層預(yù)測技術(shù)方法研究

馮小英1,2秦鳳啟2焦 勇2王 亞2汪 劍2唐鈺童3

(1. 長江大學(xué), 湖北 434023; 2. 華北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 062552;3. 華北油田公司煤層氣勘探開發(fā)分公司, 山西 048000)

隨著三維地震勘探技術(shù)在沁水盆地鄭莊煤層氣示范區(qū)的實(shí)施, 煤層氣地震儲(chǔ)層預(yù)測技術(shù)方法研究得以更好的開展。采用巖石地球物理分析、拓頻、分頻及波阻抗模型反演等方法, 開展了煤層分布范圍、厚度變化的預(yù)測, 采用正演模擬、地震頻率衰減及弧長屬性計(jì)算等方法, 開展煤層氣富集區(qū)預(yù)測。鄭莊煤層氣示范區(qū)三維地震儲(chǔ)層預(yù)測效果明顯, 為井位部署、儲(chǔ)量計(jì)算、開發(fā)方案設(shè)計(jì)及生產(chǎn)井網(wǎng)調(diào)整提供了可靠依據(jù)。

地震儲(chǔ)層預(yù)測 巖石地球物理分析 分頻 拓頻 波阻抗模型反演 正演模擬

1 概況

沁水盆地屬華北石炭—二疊紀(jì)聚煤盆地。鄭莊示范區(qū)位于沁水盆地的南段, 主要煤系地層為石炭系太原組及二疊系山西組, 其中, 山西組的3#煤層及太原組的15#煤層是本區(qū)最重要的產(chǎn)煤層。本文以3#煤為例介紹煤層氣地震儲(chǔ)層預(yù)測的技術(shù)、方法及其應(yīng)用效果。

2 預(yù)測難點(diǎn)與攻關(guān)思路

2．1 地質(zhì)條件

示范區(qū)3#煤層一般埋深500～850m, 厚度為4～10m, 分布穩(wěn)定, 構(gòu)造相對(duì)平緩, 為三角洲平原相的沼澤微相產(chǎn)物; 3#煤質(zhì)好, 熱演化程度高,屬高煤階無煙煤, 鏡質(zhì)組含量66%～97%, 灰分8%～15%; 3#煤層孔隙以微孔為主, 發(fā)育了少量的中孔和大孔, 孔隙中值半徑0．02～63．57μm、孔隙度3．8～4．3%, 滲透率0．136～3．42mD, 晉試1井電鏡掃描結(jié)果顯示, 割理密度約500 條/m, 寬約1μm, 煤層微裂縫發(fā)育, 滲透性較好, 為特低孔特低滲裂縫性非常規(guī)儲(chǔ)層, 并為自生自儲(chǔ); 3#煤層含氣量一般為12～23m3/t , 最高近40m3/t , 含氣飽和度90%～98%, 屬高飽和、高含氣吸附型氣藏。

2．2 巖石地球物理特征

2．2．1 巖石測井響應(yīng)特征

通過對(duì)示范區(qū)內(nèi)20 多口井的巖石測井特征統(tǒng)計(jì), 得到了該區(qū)3#煤層及其上下致密砂巖及泥巖圍巖的巖石測井特征值表 (見表1) , 由表可以看出： ①3#煤層上下致密砂巖及泥巖圍巖較為致密,表現(xiàn)為高速度高密度, 為3#煤層構(gòu)成了良好的封堵條件; ②3#煤層測井曲線特征明顯, 具有“三高二低”的曲線特征。即高電阻、高中子、高時(shí)差, 低密度、低伽瑪; ③煤層厚度大小對(duì)其巖石測井參數(shù)值影響較大, 煤層越厚, 密度值越低, 電阻值越高。

表1 鄭莊示范區(qū)巖石測井物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2．2．2 巖石地震反射特征

示范區(qū)石炭系太原組至二疊系山西組煤系地層的地震反射特征表現(xiàn)為四個(gè)強(qiáng)相位組合 (見圖1) ,20 多口井的合成地震記錄標(biāo)定結(jié)果表明： 第一個(gè)強(qiáng)相位是下石盒子底界反射, 3#煤層頂界位于其下波谷負(fù)峰處; 第二個(gè)強(qiáng)相位反射最強(qiáng)最連續(xù), 其正波峰處是3#煤層的底界反射, 該軸為復(fù)合波顯示; 第三個(gè)強(qiáng)相位是15#煤層上面的薄層灰?guī)r蓋層的反射, 15#煤層頂界位于其下波谷負(fù)峰處; 第四個(gè)強(qiáng)相位是基底奧陶系灰?guī)r頂面的反射。此外, 三維地震資料目的層段頻譜特征： 頻帶范圍10～75Hz, 主頻為40Hz, 頻帶較寬, 主頻較高, 大于1個(gè)倍頻程, 地震信號(hào)滿足儲(chǔ)層預(yù)測的要求。

圖1 鄭莊示范區(qū)過井地震剖面

2．3 難點(diǎn)與思路

通過對(duì)本區(qū)地震、地質(zhì)條件的分析, 認(rèn)為儲(chǔ)層預(yù)測主要存在難點(diǎn)如下： 一是現(xiàn)有地震資料3#煤層段的主頻40Hz, 層速度在2400～2600m/s 左右,地震可識(shí)別的厚度約為15～30m (相當(dāng)1/4 波長) ,而3#煤層厚度為4～10m, 地震資料難以分辨3#煤層; 二是受垂向分辨率的影響, 幾套薄層干涉形成復(fù)合地震波, 難以準(zhǔn)確標(biāo)定某一薄層; 三是煤層為裂縫性儲(chǔ)層, 非均質(zhì)較強(qiáng), 對(duì)煤層物性的預(yù)測難度較大; 四是煤層與含氣煤層的測井差異小, 加大了含氣煤層的預(yù)測難度。

針對(duì)以上預(yù)測難點(diǎn), 制定了通過正演模擬來確定煤層含氣后地震響應(yīng)特征為重點(diǎn)的攻關(guān)思路框架圖 (見圖2) 。

圖2 煤層氣儲(chǔ)層預(yù)測攻關(guān)思路框架圖

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3．1 譜白化拓頻處理技術(shù)應(yīng)用

研究成果表明： 決定地震分辨率的是振幅譜的絕對(duì)寬度B (高截頻f2與低截頻f1的差值) 。B 越大, 則子波越短, 即分辨越高; B 越小, 則子波越長, 分辨率越小; 如果B 不變, 則不論主頻如何,分辨率不變。因此, 提高分辨率必須使B 值盡可能大, 即通過保留低頻成分, 降f1, 或拓寬高頻成分, 增大f2, 來增加B, 以提高地震分辨率。

圖3 鄭莊示范區(qū)過井地震拓頻后剖面

譜白化拓頻處理是利用分頻掃描來調(diào)查各頻段的信噪比, 并將信噪比大于1 的頻帶, 通過反褶積或譜白化盡量撿平抬升起來, 將地震高、低頻段的有效信號(hào)最大限量的提取出來。使f2增大, 則B增加, 有效信號(hào)的頻帶得到拓寬, 以此提高地震資料的分辨率。

在本次研究中, 對(duì)目的層段使用了譜白化拓頻處理, 處理過程中, 對(duì)信噪比大于1 的頻帶進(jìn)行譜白化處理, 將地震資料主頻從40Hz 提高到60Hz,有效頻帶從10～75Hz 拓展到8～95Hz。B 值由65Hz增加到87Hz, 由圖3 可知, 經(jīng)譜白化拓頻處理后的地震剖面, 圖1 中的第二個(gè)復(fù)合強(qiáng)相位得到剝離, 3#煤層反射變得更加清晰, 地震資料的分辨率得到提高。井震標(biāo)定表明, 經(jīng)過拓頻處理的地震反射同相軸與合成地震記錄吻合較好, 并且原構(gòu)造形態(tài)保持不變, 說明經(jīng)過譜白化拓頻處理的地震資料真實(shí)可靠, 能客觀反映地下地質(zhì)情況, 可用于地震解釋和儲(chǔ)層預(yù)測。

3．2 頻譜分解技術(shù)應(yīng)用

頻譜分解技術(shù)是基于頻率譜分解的儲(chǔ)層特色解釋技術(shù), 它利用傅氏變換或小波變換, 把三維地震數(shù)據(jù)分解成一系列單一頻率的能量數(shù)據(jù)體、相位數(shù)據(jù)體。在某一頻率下, 那些具有相似聲學(xué)特征和厚度的儲(chǔ)層產(chǎn)生調(diào)諧作用, 使得能量增強(qiáng), 以此預(yù)測儲(chǔ)巖的平面展布特征及厚度變化。在相位數(shù)據(jù)體上, 通過相位的變化顯示了地質(zhì)體的橫向不連續(xù)性。對(duì)3#煤層段上5ms 下15ms 時(shí)窗進(jìn)行了頻譜分解成像。由于3#煤層分布穩(wěn)定, 平均厚度為4．7～6．5m, 速度約2400～2600m/s, 分析認(rèn)為其調(diào)諧頻率約為70Hz, 從65Hz、70Hz、75Hz 分頻能量數(shù)據(jù)體 (見圖4) 變化可以看出： 70Hz 調(diào)諧能量最大,且全區(qū)分布, 大于或小于這個(gè)頻率, 能量都減弱,這表明示范區(qū)煤層在5～7m 左右, 且分布較穩(wěn)定。這與研究區(qū)實(shí)際情況相吻合, 表明頻譜分解技術(shù)針對(duì)薄儲(chǔ)層的適用性較好。

圖4 鄭莊示范區(qū)3#煤層段分頻能量數(shù)據(jù)體切片圖

3．3 測井約束波阻抗模型反演

由表1 及波阻抗交會(huì) (見圖5) 分析可知, 該區(qū)目的層段煤層為低波阻抗, 波阻抗門檻值為3000～6000m．g/s．cm3, 致密砂巖的波阻抗略高于泥巖波阻抗, 門檻值分別為10000～14000、6500～12000m．g/s．cm3, 因此, 波阻抗反演能夠較好辨別煤層、致密砂巖及泥巖層, 故采用波阻抗反演的方法來落實(shí)煤層的空間展布形態(tài)。又因示范區(qū)勘探程度較高, 鉆井?dāng)?shù)較多, 目的層段呈薄互層特征, 故優(yōu)選分辨率較高的測井約束模型反演方法開展波阻抗反演。

圖5 波阻抗與自然伽瑪交會(huì)圖

在反演過程中, 采用點(diǎn)標(biāo)定- 線約束- 體運(yùn)算- 分段描述的反演預(yù)測流程。

3．3．1 精細(xì)點(diǎn)標(biāo)定

層位標(biāo)定是井震結(jié)合的紐帶, 精確的井震標(biāo)定是獲得高精度儲(chǔ)層預(yù)測的基礎(chǔ)。

層位標(biāo)定中子波的提取, 應(yīng)盡量使所提取的子波波形主峰突出, 旁瓣小而對(duì)稱, 有效頻帶范圍內(nèi)振幅譜單峰, 峰頂平滑, 相位譜近常相位。力求合成地震記錄與井旁地震記錄達(dá)到在正確的時(shí)深關(guān)系下匹配最佳、相關(guān)系數(shù)最高。本次鄭莊示范區(qū)20多口資料較全、分布較均的井進(jìn)行了井震標(biāo)定, 合成地震記錄與井旁地震道相關(guān)較好, 相關(guān)系數(shù)均大于0．7。

在合成地震記錄標(biāo)定組、段、亞段的基礎(chǔ)上,制作離散合成記錄, 分析每一套薄層反射強(qiáng)弱及其對(duì)地震反射同相軸貢獻(xiàn)大小, 有針對(duì)性地解釋預(yù)測結(jié)果。例如圖6 所示, zx34 井第二個(gè)復(fù)合強(qiáng)相位是多個(gè)薄層的共同反射, 3#煤層頂對(duì)第一個(gè)強(qiáng)相位的貢獻(xiàn)較大, 3#煤層及其下低速低密的泥巖層對(duì)第二強(qiáng)相位影響較大, 那么, 在利用地震反演或振幅屬性預(yù)測煤層氣時(shí), 應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3#煤層及其下低速低密層, 對(duì)預(yù)測結(jié)果做出合理的解釋。

圖6 zx34 合成地震記錄與離散合成記錄標(biāo)定

3．3．2 線約束反演

在精細(xì)點(diǎn)標(biāo)定基礎(chǔ)上, 開展線約束反演, 即連井線反演。

該區(qū)薄煤層延伸較遠(yuǎn)、分布穩(wěn)定, 鉆井較多,構(gòu)造解釋精細(xì)合理, 因此井外推因子、模型搜索半徑、分形指數(shù)可適當(dāng)加大, 但準(zhǔn)確選取反演參數(shù),一般是通過連井線反演來實(shí)現(xiàn)。通過不斷調(diào)整反演參數(shù), 使連井線的反演結(jié)果與已知井的鉆探情況最為吻合, 此時(shí)所選的參數(shù)最為優(yōu)化。本次預(yù)測中,當(dāng)井的外推因子為3、搜索半徑為50%、分形指數(shù)為0．7、低頻截止值為8Hz 時(shí), 反演結(jié)果與已知井的鉆探情況最為吻合。對(duì)上述反演參數(shù)是否優(yōu)化,通常用“抽井”法來檢驗(yàn), 即當(dāng)某些井作為檢驗(yàn)井不參與反演時(shí), 其預(yù)測結(jié)果與檢驗(yàn)井處的實(shí)際地質(zhì)情況是否吻合, 如吻合較差, 還需重新調(diào)整參數(shù),直到吻合為止, 最終所取的預(yù)測參數(shù)較為合理。例如, 過zx31、zx34、zx45 井的連井線反演過程, 先采用了抽中間井留兩邊井的方法調(diào)試參數(shù), 后又采用抽兩邊井留中間井時(shí)的方法, 所調(diào)試參數(shù)同時(shí)滿足兩種方法下預(yù)測結(jié)果與檢驗(yàn)井處的實(shí)際地質(zhì)情況大致吻合, 該參數(shù)即可作為最終優(yōu)選參數(shù), 否則再重新調(diào)試。

3．3．3 體反演運(yùn)算

在線反演可靠的基礎(chǔ)上進(jìn)行體反演, 即準(zhǔn)確的標(biāo)定, 正確的模型, 最佳參數(shù)組合, 得到正確的反演結(jié)果。

預(yù)測結(jié)果與實(shí)鉆吻合較好。如鄭莊示范區(qū)36口井實(shí)鉆3#煤厚度4．7～6．5m, 預(yù)測厚度4．5～6．7m, 各井3#煤實(shí)鉆厚度與預(yù)測厚度絕對(duì)誤差小于0．3m, 相對(duì)誤差小于7%。由波阻抗反演剖面圖(見圖7) 可以看出： 煤層波阻抗縱向清晰可辨,橫向延伸自然;

圖7 連井線波阻抗反演剖面圖

在平面成圖時(shí), 需注意時(shí)窗的選取及波阻抗門檻值的選取。

3．4 正演模擬技術(shù)應(yīng)用

地震勘探原理表明, 地震反射界面是一個(gè)波阻抗界面, 即只要界面存在波阻抗差, 在分辨率允許的條件下就會(huì)產(chǎn)生地震響應(yīng)。地震反射資料的正演模擬是指已知地下構(gòu)造或地質(zhì)體的形態(tài)幾何模型,地層密度和地震波傳播速度等參數(shù)來模擬地震響應(yīng)記錄。正演地震響應(yīng)記錄對(duì)地震資料的正確解釋有重要的意義。由于示范區(qū)構(gòu)造相對(duì)簡單平緩, 故選取了簡單直觀有效的成像射線追蹤法。這種方法射線在地表面開始沿90 度方向向下傳播, 在相交邊界處按照Sell 定律產(chǎn)生繞射, 并穿過地下界面?zhèn)鞑? 可以克服煤層的屏蔽作用, 得到完整的成像結(jié)果。

圖8 上圖的正演地質(zhì)模型是用精細(xì)構(gòu)造解釋層位、準(zhǔn)確校正后的測井速度、密度曲線及三口實(shí)鉆井的分層、錄井、加上較真實(shí)的構(gòu)造形態(tài)來構(gòu)建的, 確保了模型的可靠性和真實(shí)性。圖中綠色代表不含氣、紅色代表高含氣, 上面黑色條帶為3#煤層, 下面黑色條帶為15#煤層, 3#煤層上下各設(shè)計(jì)了一層6 米左右的地質(zhì)體, 子波選擇依據(jù)實(shí)際地震資料的主頻選取40Hz 雷克子波, 以便于與實(shí)際地震剖面進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)上下地質(zhì)體均為致密砂層時(shí)的正演結(jié)果如圖8 下圖所示, 3#煤層含氣時(shí)是強(qiáng)反射, 不含氣時(shí)是弱反射; 其下致密砂層為獨(dú)立的弱反射, 其上致密砂層對(duì)地震軸影響不大。以此類推, 當(dāng)煤層減薄或不含氣, 當(dāng)?shù)刭|(zhì)體含氣或相變?yōu)槟鄷r(shí), 構(gòu)建各種不同的模型, 開展正演模擬, 觀察變化結(jié)果, 從而得出如下結(jié)論： ①煤層含氣為強(qiáng)反射, 不含氣時(shí)為弱反射; ②煤層越厚、反射軸越粗; ③煤層含氣后反射軸會(huì)下拉, 此時(shí)若其下有一明顯低速低密層時(shí), 其相應(yīng)的反射軸會(huì)上抬, 從而構(gòu)成復(fù)合軸。

圖8 鄭莊示范區(qū)連井線地質(zhì)模型及正演模擬地震記錄

3．5 屬性分析與融合技術(shù)應(yīng)用

屬性大的分類可分五類： 振幅特征統(tǒng)計(jì)類、復(fù)地震道屬性類、功率譜特征屬性、傅里葉譜特征分析及相關(guān)特征分析。通過巖石測井與地震物理特征分析、儲(chǔ)層參數(shù)反演技術(shù)應(yīng)用、多屬性交會(huì)技術(shù)分析, 采取了屬性的分維與降維, 最終確定了幾種煤層氣敏感屬性, 結(jié)果表明, 煤層氣對(duì)頻率衰減、深淺側(cè)向電阻率差及弧長屬性較為敏感。通過工區(qū)內(nèi)20 多口井的頻率衰減與深淺側(cè)向電阻率差的交會(huì)分析圖, 并定義含氣量大于15m3/t、日產(chǎn)氣大于1000m3為高含氣; 含氣量在8～15m3/t 之間、日產(chǎn)氣在500～1000m3為之間為低含氣; 含氣量在小于8m3/t、日產(chǎn)氣小于500m3為干層, 由交會(huì)圖可知：煤層含氣后頻率衰減明顯異常增大, 異常值為49～57, 煤層不含氣低頻衰減值小于51; 煤層含氣后深淺電阻率差為大的正異常, 通常大于90Ω·m。

圖9 低頻衰減屬性預(yù)測煤層含氣平面范圍圖

由煤層低頻衰減屬性平面圖 (見圖9) 上看,低頻衰減高值區(qū)為煤層含氣后的響應(yīng), 由此預(yù)測的煤層含氣平面分布范圍, 僅zx37 與zx40 與井不符,其它井均與井況相吻合。又因煤層含氣后, 深淺電阻率差表現(xiàn)為大的正幅差特性和高的振幅弧長值,故又通過image 屬性融合技術(shù), 將低頻衰減結(jié)果融合了深淺電阻率差及振幅弧長預(yù)測結(jié)果, 最終結(jié)果, zx37 與zx40 井也達(dá)到相符, 提高煤層含氣預(yù)測的準(zhǔn)確率。

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Study of Seismic Method for Forecasting of CBM Reservoir in Qinshui Basin

Feng Xiaoying1,2, Qin Fengqi2, Jiao Yong2, Wang Ya2, Wang Jian2, Tang Yutong3
(1. Changjiang University, Hubei 434023; 2. Geophysical Exploration Research Institute of North China Oil Field Company, Hebei 062552; 3. CBM Exploration and Development Subsidiary Company of North China Oil Field Company, Shanxi 048000)

With the implementation of 3D seismic exploration technique in Zhengzhuang CBM demonstration district in Qinshui basin, research on CBM seismic reservoir forecast technology was carried out. Forecast of distribution range of coal seams, variation of thickness was made by using rock geophysical analysis, extension frequency,frequency division,wave impedance model inversion, etc. Prediction of CBM enrichment zone was made by using forward simulation, seismic frequency fading and calculation of arc length methods. The results of 3D seismic reservoir forecast are remarkable in Zhengzhuang CBM demonstration district ,which provided reliable data for well location arrangement ,computation of reservoir, development proposal design and adjustment of production well pattern.

Seismic reservoir forecast; rock geophysical analysis; frequency division; extension frequency;wave impedance model inversion; forward simulation,

“國家科技重大專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)”資助。

馮小英, 女, 長江大學(xué)在讀碩士, 高級(jí)工程師, 長期從事地震地質(zhì)綜合解釋及儲(chǔ)層預(yù)測研究。

(責(zé)任編輯 黃 嵐)