煤層氣地震精細(xì)解釋及儲層預(yù)測技術(shù)探討

焦 勇 汪 劍 曹成友 劉 靜 譚青松

(中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 062552)

1 區(qū)域概況

山西沁水盆地煤層氣田具有煤層埋深適中、高煤階、高含氣、高飽和等特點(diǎn), 煤層氣資源豐富,是目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最有利煤層氣開發(fā)區(qū)之一, 有著良好的勘探前景。沁南煤層氣田位于沁水盆地南部晉城斜坡帶 (見圖1) , 主體部分位于山西省沁水縣境內(nèi)。研究區(qū)鄭莊區(qū)塊總體構(gòu)造形態(tài)為一馬蹄形斜坡, 區(qū)內(nèi)地層寬闊平緩, 斷層稀少, 屬構(gòu)造相對簡單的斜坡帶, 近兩年預(yù)計完成9 億m3的產(chǎn)能建成。

2 地震解釋方法及流程

圖1 鄭莊區(qū)塊構(gòu)造位置圖

地震資料解釋的正確性在很大程度上決定了地震勘探的成效。針對煤層氣藏, 要正確地解釋地震資料, 首先要注意疊加數(shù)據(jù)體與偏移數(shù)據(jù)體的結(jié)合利用。其次必須了解地震剖面上的反射特征及其與地層和巖性的內(nèi)在聯(lián)系, 掌握地震響應(yīng)隨地質(zhì)現(xiàn)象的變化規(guī)律, 要善于識別地震噪音, 區(qū)分地震響應(yīng)的假象, 理解地震反射的分辨率對解釋的制約, 使得根據(jù)地震資料解釋地下地質(zhì)現(xiàn)象由識別構(gòu)造形態(tài), 逐步認(rèn)識和識別沉積現(xiàn)象、地質(zhì)異常以及構(gòu)造煤特征, 更好地發(fā)揮地震勘探的地質(zhì)效應(yīng)。

2．1 層位標(biāo)定

地震地質(zhì)層位的標(biāo)定是連接地震、鉆井、測井的紐帶, 是地震資料解釋的基礎(chǔ)。根據(jù)測井曲線確定標(biāo)準(zhǔn)層、標(biāo)志層, 分析目的層段地震反射波的頻譜特征, 選用合適頻率的雷克子波合成地震記錄,與井旁道地震剖面進(jìn)行對比及層位標(biāo)定。

其中3#煤層頂： 由于煤巖速度、密度小于上覆地層的速度、密度, 故在煤層頂與上覆地層界面處的反射系數(shù)為負(fù), 而本區(qū)地震子波為正極性, 因此煤層頂應(yīng)標(biāo)定在負(fù)相位上。但本區(qū)3#煤層受上覆低速薄煤層或泥巖的影響, 且地震分辨率遠(yuǎn)低于測井分辨率, 故3#煤層對應(yīng)在零相位 (見圖2) 。

圖2 3#煤層層位標(biāo)定圖

2．2 速度分析

速度是聯(lián)系時間域和深度域的紐帶, 是時深轉(zhuǎn)換中的重要參數(shù), 由于煤巖目的層較薄, 速度的準(zhǔn)確與否直接影響到煤層埋深、厚度的精度及其構(gòu)造形態(tài)真實(shí)性和可靠性, 對水平井鉆探過程中的煤層鉆遇率至關(guān)重要。

通過詳細(xì)的速度分析工作發(fā)現(xiàn), 鄭莊區(qū)塊北部速度低, 南部速度高, 局部存在異常速度點(diǎn), 速度差別較大。因此, 區(qū)域成圖選擇等T0圖, 以準(zhǔn)確反映煤層地下起伏形態(tài); 局部成圖利用相鄰鉆井速度, 加密等值線間隔到5m, 提高構(gòu)造圖的精度,為水平井井軌跡鉆進(jìn)提供可靠的地質(zhì)保障。

2．3 地震解釋

煤層氣地震資料解釋過程是利用已知資料, 從識別目的層反射波同相軸開始, 包括： 層位標(biāo)定,目的層反射波同相軸追蹤; 斷點(diǎn)的解釋及平面組合, 陷落柱的解釋; 經(jīng)過速度分析時深轉(zhuǎn)換形成深度構(gòu)造數(shù)據(jù)等; 結(jié)合構(gòu)造特征完成全區(qū)儲氣分析,找出理想目標(biāo)區(qū)。

2．3．1 層位構(gòu)造解釋

利用Landmark 工作站解釋系統(tǒng), 根據(jù)井震標(biāo)定中主要目的層地震反射特征, 從已知井和主干剖面出發(fā), 以點(diǎn)到線、到面、到體的方式進(jìn)行目的層地震同相軸識別、對比、追蹤、閉合, 實(shí)現(xiàn)地震資料的三維立體解釋, 對于反射較強(qiáng)、連續(xù)性較好的3#煤頂進(jìn)行自動追蹤解釋, 以提高解釋精度和效率, 并為下一步高精度儲層預(yù)測工作奠定基礎(chǔ)。

2．3．2 斷層解釋及其組合

通過標(biāo)定、分析, 鄭莊區(qū)塊目的層段斷層在地震剖面上主要特征為： ①反射波組發(fā)生錯動, 但兩側(cè)波組關(guān)系穩(wěn)定, 特征清楚; ②反射界面產(chǎn)狀發(fā)生突變, 反射零亂或出現(xiàn)“空白帶”; ③反射波強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換、扭折、合并、分叉; ④斷面波、繞射波等特殊波的出現(xiàn)。

在斷點(diǎn)平面組合時, 遵循著以下原則： 同一斷層在相同方向上所反映的斷層性質(zhì)相同, 同一構(gòu)造運(yùn)動形成的斷層所斷開的層位基本一致或有規(guī)律地變化, 同一斷層斷距相近或有規(guī)律的變化; 同一斷層斷面產(chǎn)狀基本一致或有規(guī)律地變化。

結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征和構(gòu)造發(fā)育史分析, 本區(qū)內(nèi)目的層段的斷層走向多為NE- NNE 向, 主要是在喜山期形成。在鄭莊區(qū)塊西部斷層較稀疏, 東部較密, 南部斷層走向主要為NE 向, 北部則變?yōu)镹NE向。其中, 寺頭斷層和后城腰斷層規(guī)模較大, 斷距可達(dá)100～500m, 其它斷層斷距在10～50m 之間,而層間斷層規(guī)模一般較小, 斷距小于10m, 延伸一般小于1500m。

2．3．3 陷落柱解釋及其分布

針對煤層氣藏, 陷落柱的存在既會使煤層的連續(xù)性受到破壞, 也會使相鄰富水層與煤層連通, 嚴(yán)重影響煤層的含氣性。因此, 陷落柱是制約煤層氣成藏的重要因素之一, 搞清陷落柱的分布規(guī)律, 對提高煤層氣的勘探開發(fā)效果十分重要。

鄭莊區(qū)塊目的層段的陷落柱在地震剖面上主要特征為： 一是標(biāo)準(zhǔn)反射波在小范圍內(nèi)突然中斷、消失或變?nèi)? 這是陷落柱在地震剖面上的基本表現(xiàn)特征; 二是反射波同相軸有不同程度的彎曲或向陷落柱中心傾斜的現(xiàn)象; 三是振幅、波形、頻率等反射波動力學(xué)特征突變或繞射波、延遲繞射波等異常波出現(xiàn)。上述地震反射特征不一定同時出現(xiàn), 只要出現(xiàn)一種或幾種反射特征就可以確定陷落柱的存在。

根據(jù)陷落柱地震反射特征, 充分利用任意線、相干體 (見圖3) 、水平切片等手段進(jìn)行全區(qū)反射波、特殊波的對比、識別, 完成陷落柱的解釋。經(jīng)過對本區(qū)所發(fā)現(xiàn)的陷落柱進(jìn)行分析研究, 認(rèn)為： 鄭莊地區(qū)單個陷落柱主要分布在褶皺槽部和撓曲部;陷落柱分布具有明顯的不均勻性, 呈現(xiàn)東西分區(qū)、成群出現(xiàn)特征, 并且斷裂發(fā)育區(qū), 也是陷落柱集中分布區(qū); 在由南西向北東傾覆的大型鼻狀構(gòu)造背景控制下, 陷落柱呈北東向帶狀分布的特點(diǎn)。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料, 通過分析陷落柱的分布規(guī)律, 認(rèn)為本區(qū)陷落柱的分布特點(diǎn)主要是受地下水強(qiáng)徑流方向和區(qū)域構(gòu)造背景的控制, 而與局部褶皺走向無關(guān)。

圖3 陷落柱在相干體切片上的反應(yīng)

2．3．4 區(qū)域構(gòu)造特征

研究區(qū)整體為一北傾寬緩斜坡, 地層平緩, 傾角2°～7°, 平均4°左右, 局部范圍內(nèi)傾角可達(dá)15°,發(fā)育近NNE 向的褶皺構(gòu)造, 形成“南北分帶, 東西凹凸相間”的構(gòu)造格局。

在鄭莊三維區(qū), 受斷層控制, 可劃分為三個構(gòu)造帶。南部斷槽區(qū)： 受寺頭斷層和后城腰斷層所夾持, 該區(qū)斷層發(fā)育, 洼槽主體位于中部, 后城腰斷層向北逐漸變小, 斷槽消失。中部斷階帶： 該帶東部NNE 向褶皺和斷層發(fā)育, 西部構(gòu)造簡單, 地層產(chǎn)狀平緩, 斷層不發(fā)育。北部斷鼻帶： 該區(qū)斷層主要發(fā)育在中部, 在大型鼻狀構(gòu)造背景下發(fā)育多個局部背斜構(gòu)造。

3 煤層氣儲層預(yù)測

煤層氣作為一種自生自儲吸附于煤系地層中的非常規(guī)天然氣, 成藏機(jī)理獨(dú)特, 與常規(guī)氣藏在地質(zhì)成因與特征、儲集等多個方面有很大不同之處, 主要吸附在煤基質(zhì)顆粒表面及裂縫和割理中, 但縫隙太大或斷層發(fā)育, 很可能導(dǎo)致煤層氣逸散。因此,預(yù)測煤層裂縫有利發(fā)育區(qū)是提高煤層氣開發(fā)成效的重要保證, 本文對此進(jìn)行了初步探索。

3．1 測井響應(yīng)

煤層測井響應(yīng)突出, 與頂?shù)装鍘r石存在著巨大差異,具有“三高兩低”的電性特征(見圖4) 。具體表現(xiàn)為：中高值電阻率,而且數(shù)值變化大,高聲波時差,高補(bǔ)償中子,低自然伽瑪,低體積密度。

圖4 煤層測井響應(yīng)

就煤本身而言, 同一成因、同一變質(zhì)程度的煤, 因受地質(zhì)構(gòu)造破壞程度不同以及灰分、水分含量的不同, 在體積密度和電性等物理特征上也存在著一定差異。煤層內(nèi)部夾矸的存在, 顯示煤層具有一定的非均質(zhì)性, 而夾矸處體積密度、自然伽瑪增大, 聲波時差和電阻率降低。

3．2 煤層氣儲層預(yù)測難點(diǎn)

煤層氣影響因素極其復(fù)雜, 受煤質(zhì)、厚度、埋深、圍巖、水動力、構(gòu)造和陷落柱等多種地質(zhì)因素綜合影響, 從而造成含氣及裂縫預(yù)測較常規(guī)天然氣有很大難度。

3．2．1 煤層氣地震響應(yīng)微弱

常規(guī)天然氣儲集空間較大, 含氣后地震響應(yīng)加強(qiáng), 通過地震反射異常區(qū)可預(yù)測常規(guī)天然氣聚集區(qū)。而煤層氣儲集空間多為微孔、微裂縫, 地震響應(yīng)微弱, 并且受煤界面地震強(qiáng)反射的屏蔽影響, 也加大了預(yù)測難度。

3．2．2 含氣與否的煤層巖石物理差異小

對于常規(guī)天然氣而言, 儲層的聲波時差低, 密度較大, 波阻抗相對較高。含氣后聲波時差增大,密度降低, 波阻抗明顯降低, 通過對波阻抗“高中找低”技術(shù)可以容易預(yù)測常規(guī)天然氣。

而煤層本身聲波時差大, 密度低, 波阻抗較低。含氣后, 聲波時差有所增大, 密度有所降低,但煤層氣波阻抗與煤層低阻抗兩者差別小, 難以區(qū)分, 含氣與非含氣煤層的波阻抗門檻值難以確定。而且由于煤儲層的特殊性, 即使是同一變質(zhì)程度煤巖, 也很難區(qū)分是煤層物性還是含氣性造成的波阻抗低, 使預(yù)測難度加大。

3．2．3 裂縫性煤層氣儲層預(yù)測難度大

針對常規(guī)裂縫性氣藏而言, 氣體為二次運(yùn)移游離氣, 由于重力分異, 有明顯的氣水分界面, 通過頻率異常衰減, 可判斷氣藏的存在。

而煤層吸附氣與微孔、割理中的水沒有明顯分界面, 在地震上都有頻率衰減現(xiàn)象, 因此單通過地震上頻率衰減大難以判斷是割理含氣還是裂縫含水, 使煤層氣的預(yù)測難度進(jìn)一步加大。

3．3 煤層氣儲層預(yù)測效果分析

針對煤層氣的預(yù)測難點(diǎn), 本文從精細(xì)井震標(biāo)定入手, 利用地震波阻抗反演找煤層; 通過多種屬性優(yōu)選, 總結(jié)出“低中找低”的規(guī)律預(yù)測煤層氣有利區(qū)取得一定效果。

3．3．1 煤層空間分布預(yù)測

煤層與砂泥巖波阻抗差異明顯, 通過波阻抗反演可以識別煤層存在。由于本目標(biāo)區(qū)3#煤層分布穩(wěn)定, 井孔資料較多, 因此, 優(yōu)選基于模型的線性地震反演方法。波阻抗反演剖面上煤層具有典型低阻抗特征, 通過波阻抗剖面上低阻抗識別, 可以預(yù)測3#煤層的分布情況 (見圖5) 。

由于地震分辨率較低, 而密度測井曲線分辨率較高, 且煤層厚度與密度曲線半幅點(diǎn)一致性強(qiáng), 所以優(yōu)選密度參數(shù)反演確定3#煤層厚度。從反演確定的3#煤層厚度平面圖上可以看出3#煤層全區(qū)分布, 厚度在4～7m 之間, 西北厚、東南薄, 預(yù)測結(jié)果與井孔鉆探相比基本一致 (見表1) , 并且厚度分布與本區(qū)構(gòu)造形態(tài)相吻合。

圖5 波阻抗反演剖面圖

表1 3#煤層實(shí)測及預(yù)測厚度誤差表

3．3．2 煤層含氣性預(yù)測

目前對煤層含氣性預(yù)測還沒有成熟的技術(shù)手段, 由于煤層具有典型低阻抗特征, 煤層含氣后,會導(dǎo)致波阻抗更低, 根據(jù)波阻抗“低中找低”原則可以進(jìn)行含氣性預(yù)測。本文借鑒在常規(guī)氣層預(yù)測效果相對較好的地震反演、振幅屬性、頻率屬性等手段, 針對煤層進(jìn)行了含氣性預(yù)測的初步探索。

通過鉆井標(biāo)定, 波阻抗和反射振幅與含氣量相關(guān)性不強(qiáng)。而地震頻率屬性采用波場能量頻率估算, 來度量含氣的衰減特征, 因此, 主要從開始衰減頻率、頻率衰減梯度來對3#煤層含氣性進(jìn)行預(yù)測。通過反演預(yù)測, 含氣量低衰減梯度小, 含氣量高衰減梯度較大, 鉆井符合率為81．0%。從3#煤層衰減梯度平面圖上表明, 高含氣區(qū)主要分布于研究區(qū)北部和中南部, 這為今后井位優(yōu)化部署提供了更多依據(jù)。

4 結(jié)論

根據(jù)精細(xì)地震解釋和儲層預(yù)測結(jié)果, 在鄭莊區(qū)塊三維區(qū)鼻狀構(gòu)造帶的中部構(gòu)造活躍, 裂縫發(fā)育,煤層埋藏適中, 應(yīng)以部署煤層氣直井為主; 斷階帶中西部地層產(chǎn)狀平緩, 褶皺不發(fā)育, 適宜部署實(shí)施水平井。而常規(guī)游離氣目標(biāo)應(yīng)選擇大型鼻狀構(gòu)造背景下的局部背斜構(gòu)造或鄭莊區(qū)塊西部洼中隆構(gòu)造。

本文利用反演、屬性分析技術(shù)對鄭莊區(qū)塊初步開展了煤層含氣性預(yù)測, 但由于受地震資料的束縛以及軟件適用性問題, 預(yù)測精度有待進(jìn)一步提高,同時還需要探索更新、更匹配的預(yù)測手段以達(dá)到理想的效果。

另外, 由于本區(qū)速度差別較大, 開展變速成圖研究將會較大地提高時深轉(zhuǎn)換的精度, 得到地層更為真實(shí)、可靠的構(gòu)造形態(tài)和斷裂特征, 有效提高對煤層深度、厚度解釋以及預(yù)測精度, 為煤層氣的高效開發(fā)提供可靠保證。

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