基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預(yù)測技術(shù)應(yīng)用研究

陳 勇，陳洪德，關(guān) 達(dá)，蔡玉華，劉玉琦，鄭四連

（1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川成都610059；2.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京211103）

煤層氣作為一種新能源，越來越受到人們的重視，世界上已經(jīng)有29個(gè)國家開展了煤層氣勘探［1］。目前全球已落實(shí)的煤層氣資源量為98×1012～266×1012m3。

在美國，煤層氣的勘探開發(fā)工作已經(jīng)取得了很大的成果。但是，我國煤層氣的勘探開發(fā)起步較晚，目前仍處于初期階段，相關(guān)的技術(shù)手段尚不夠成熟。在常規(guī)油氣勘探的儲(chǔ)層預(yù)測中取得成效的多種地球物理方法技術(shù)，正被試驗(yàn)性地應(yīng)用于煤儲(chǔ)層、煤層氣的預(yù)測研究中。例如：各類地震屬性分析方法；測井、地質(zhì)等資料約束下的地震反演技術(shù)；利用振幅隨偏移距變化預(yù)測巖石孔隙中流體性質(zhì)變化的AVO技術(shù)；利用縱、橫波預(yù)測煤層中的裂隙發(fā)育部位，進(jìn)而預(yù)測煤層氣富集部位的三維三分量地震勘探技術(shù)等［2］。

然而，煤層氣是一種不同于常規(guī)油氣的非常規(guī)天然氣藏。煤層氣儲(chǔ)層主要是煤層本身，絕大多數(shù)煤層氣都是吸附于煤體表面的微孔內(nèi)，另外還有部分儲(chǔ)集在煤體中相對發(fā)育的裂隙系統(tǒng)“割理”中。利用適合常規(guī)油氣勘探的地震預(yù)測技術(shù)開展直接的煤層氣預(yù)測存在一定的難度，有必要根據(jù)煤層氣的特殊性探索研究合適的預(yù)測思路和預(yù)測方法。

我們基于常規(guī)油氣勘探地震儲(chǔ)層預(yù)測成熟技術(shù)的適應(yīng)性研究，對SHS地區(qū)煤層氣富集區(qū)進(jìn)行預(yù)測，通過分析影響煤層氣富集的地質(zhì)因素，提出了基于煤儲(chǔ)層的構(gòu)造形態(tài)、煤層厚度、蓋層巖性、沉積環(huán)境、裂縫發(fā)育程度和煤儲(chǔ)層物性等控制煤層氣富集的主要因素開展煤層氣富集區(qū)地震多參數(shù)綜合預(yù)測的思路與方法。

1 煤層氣預(yù)測的難點(diǎn)

分析煤層氣的特殊性，可以總結(jié)出開展煤層氣地震預(yù)測研究的難點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)［3］：

1）煤層氣屬于吸附性氣體，其吸附性會(huì)受區(qū)域構(gòu)造變化和壓力的變化等影響；同時(shí)，煤層氣的儲(chǔ)集受斷裂系統(tǒng)和蓋層的影響較大。

2）煤層與頂?shù)椎貙娱g反射強(qiáng)度大。在測井響應(yīng)特征方面，煤層具有低密度、低伽馬、低波阻抗、高聲波時(shí)差、高電阻率等“三低二高”的特征；在地震響應(yīng)特征方面，煤層一般與頂?shù)椎貙娱g產(chǎn)生較強(qiáng)的地震反射，在地震資料中較易識(shí)別，但是煤層氣不易識(shí)別。

3）煤層氣儲(chǔ)層薄。研究中根據(jù)選區(qū)的地質(zhì)資料分析煤層一般厚度為幾米至十幾米，地層相對較薄，煤層氣的儲(chǔ)層則更薄，利用地震資料直接預(yù)測難度較大。

由此可見，由于煤層氣有別于常規(guī)油氣的特殊性，直接采用常規(guī)油氣勘探的地震預(yù)測技術(shù)和思路進(jìn)行煤層氣預(yù)測難度較大。通過認(rèn)真分析與綜合研究，我們選擇從影響煤層氣富集的控制因素入手，探索研究基于煤層氣富集的主控因素進(jìn)行煤層氣富集區(qū)預(yù)測的思路和方法。

2 SHS地區(qū)煤層氣富集主控因素分析

SHS地區(qū)為本次開展煤層氣富集區(qū)預(yù)測研究的試驗(yàn)區(qū)。通過已有地質(zhì)、測井等資料的分析可知，影響該區(qū)煤層氣富集的重要因素是沉積環(huán)境、構(gòu)造形態(tài)和煤層埋藏狀況，同時(shí)煤層蓋層條件、埋深條件、裂縫發(fā)育程度和陷落柱等特殊地質(zhì)條件也會(huì)影響煤層氣的富集［4］?？偨Y(jié)控制該區(qū)煤層氣富集的因素主要有6項(xiàng)。

1）沉積環(huán)境（煤質(zhì)）。該條件是最直接控制煤儲(chǔ)層的含氣量及產(chǎn)氣量的重要因素，在區(qū)域地質(zhì)條件下煤質(zhì)的分布受沉積環(huán)境控制，因此對煤質(zhì)的預(yù)測可以通過對沉積環(huán)境的預(yù)測進(jìn)行間接分析（這里所說的“煤質(zhì)”有別于煤炭工業(yè)中對煤炭質(zhì)量指標(biāo)的定義，是指煤層厚度大、孔隙度高，有利于進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為相對產(chǎn)氣量高的煤層氣儲(chǔ)層）。SHS地區(qū)太原組15號(hào)煤層主要形成于下三角洲平原、瀉湖、障壁潮坪環(huán)境。太原組沉積期，盆地南北古地形差異不大，15號(hào)煤層形成于開闊平緩的濱海過渡環(huán)境，盆地南、北沼澤同時(shí)發(fā)育，平穩(wěn)展布，呈北厚南薄、東厚西薄的特點(diǎn)。煤層平面分布差異較大，沉積環(huán)境的控制作用明顯。

2）構(gòu)造形態(tài)。構(gòu)造形態(tài)因素中褶皺和斷裂構(gòu)造是影響煤層氣富集的主要構(gòu)造單元。這兩種構(gòu)造對煤層氣富集的影響具有一定的規(guī)律性，主要表現(xiàn)為：①寬緩褶皺帶中的煤儲(chǔ)層的含氣量變化不大，一定埋深下褶皺構(gòu)造翼部煤儲(chǔ)層的含氣量穩(wěn)定；②陡峭褶皺帶中的煤儲(chǔ)層含氣量變化很大；③靠近正斷層部位的煤層氣含量一般降低。

3）煤層厚度。厚度或有效厚度較大的煤層可以為煤層氣的富集提供較好的物源，SHS地區(qū)自印支期以來，構(gòu)造分異顯著，地殼經(jīng)歷了數(shù)次抬升與沉降，造成差異性沉積和差異性剝蝕，煤化作用過程中產(chǎn)生的氣體總量以及氣體能否得到很好的保存，一定程度上依賴于構(gòu)造及沉積作用控制下的煤層沉積規(guī)模。

4）蓋層（頂板）巖性條件。煤儲(chǔ)層的蓋層條件為煤層氣的富集提供了最直接的保存條件，較好的蓋層條件對煤層氣儲(chǔ)層及其含氣量具有控制作用。SHS區(qū)塊15號(hào)煤層的頂板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖類，屬于封閉性能較好的巖層，且泥巖、砂質(zhì)泥巖多致密，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，具有很好的封蓋能力，有利于煤層氣的儲(chǔ)存。

5）裂縫發(fā)育程度。規(guī)模較大的斷層可以連通煤層氣儲(chǔ)層，但同時(shí)會(huì)造成煤層氣的散失。在含油氣儲(chǔ)層中，小尺度裂縫會(huì)改變儲(chǔ)層的滲透性，對低滲透性儲(chǔ)層的作用更大，是油氣運(yùn)移和流體滲透的主要通道，影響油氣分布及開發(fā)效果。對于煤層氣儲(chǔ)層，小尺度裂縫在一定程度上提高了其連通性，另一方面也增大了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間。

6）煤儲(chǔ)層物性條件（滲透性）。煤儲(chǔ)層的物性條件對于提高儲(chǔ)層的滲透性具有重要作用，其中影響儲(chǔ)層滲透性條件的物性參數(shù)主要有外生裂隙（節(jié)理）和內(nèi)生裂隙（割理）。割理是煤儲(chǔ)層滲透性的基礎(chǔ)，它對煤層氣的產(chǎn)出起著更為關(guān)鍵的作用。節(jié)理由于受構(gòu)造的控制，其發(fā)育位置、裂隙形態(tài)、發(fā)育密度常發(fā)生改變，它的作用在于連通更大范圍內(nèi)的割理，進(jìn)一步增強(qiáng)煤儲(chǔ)層的滲透性。

結(jié)合煤層氣富集成藏的“生、儲(chǔ)、蓋”條件及工區(qū)內(nèi)實(shí)際鉆井結(jié)果與主控因素之間的關(guān)系，對煤層氣富集的6個(gè)主控因素的影響程度進(jìn)行了分析，得出沉積環(huán)境（煤質(zhì)）和煤層厚度為煤層氣的富集提供了“生”氣條件；煤儲(chǔ)層物性（滲透性）和構(gòu)造形態(tài)為煤層氣的富集提供了儲(chǔ)層條件；蓋層（頂板）巖性則為煤層氣的富集提供了蓋層條件；裂縫發(fā)育程度則起到改善儲(chǔ)層儲(chǔ)集能力的作用。因此，總結(jié)6個(gè)主控因素對煤層氣富集的影響程度由大到小依次為沉積環(huán)境（煤質(zhì)）、煤層厚度、煤儲(chǔ)層物性（滲透性）、構(gòu)造形態(tài)、蓋層（頂板）巖性、裂縫發(fā)育程度，為下一步開展基于主控因素的煤層氣富集區(qū)綜合預(yù)測提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

3 基于主控因素的地震預(yù)測技術(shù)應(yīng)用

3.1 基于主控因素的地震預(yù)測技術(shù)體系

在煤層氣富集主控因素分析的基礎(chǔ)上，首先選擇與6項(xiàng)主控因素分別對應(yīng)的6類地震預(yù)測技術(shù)進(jìn)行各自的參數(shù)預(yù)測［5－12］；然后分析各類地震技術(shù)預(yù)測成果與煤層氣富集的相關(guān)程度，分別確定權(quán)重系數(shù)，選擇應(yīng)用層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)SHS區(qū)塊煤層氣富集區(qū)的綜合預(yù)測。這一基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預(yù)測思路及其技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預(yù)測思路及其技術(shù)體系

3.2 針對各主控因素的地震預(yù)測技術(shù)應(yīng)用分析

按照圖1建立的基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預(yù)測思路，選擇SHS地區(qū)15號(hào)煤層分別進(jìn)行對應(yīng)構(gòu)造形態(tài)、煤層厚度、蓋層（頂板）巖性、沉積環(huán)境（煤質(zhì)）、裂縫發(fā)育程度和煤儲(chǔ)層物性（滲透性）等6項(xiàng)煤層氣富集主控因素的相關(guān)地震預(yù)測技術(shù)應(yīng)用研究。

3.2.1 煤層構(gòu)造預(yù)測分析

構(gòu)造分析是研究煤層氣富集的基礎(chǔ)工作［13］。在精確的井震標(biāo)定、層位自動(dòng)追蹤的基礎(chǔ)上，應(yīng)用測井校正的基于時(shí)深表質(zhì)量控制的時(shí)深轉(zhuǎn)換技術(shù)（TDQ轉(zhuǎn)換技術(shù)）得到SHS地區(qū)15號(hào)煤層的深度構(gòu)造圖（圖2）。與已有鉆井揭示的煤層深度對比，構(gòu)造圖預(yù)測的煤層深度精度較高，相對誤差低于1%。由圖2可見，SHS地區(qū)15號(hào)煤層埋藏整體呈東南部淺、西部深，自東南向西北逐漸變深，局部有構(gòu)造高部位存在。從圖2上看，區(qū)域內(nèi)已有的煤層氣鉆井均鉆遇15號(hào)煤層的構(gòu)造斜坡部位。

3.2.2 煤層厚度預(yù)測分析

利用地震波阻抗反演技術(shù)預(yù)測的SHS地區(qū)15號(hào)煤層厚度如圖3所示。由圖3可見，研究區(qū)內(nèi)15號(hào)煤層的厚度整體自東南向西北逐漸變厚，最大厚度為12m。區(qū)內(nèi)已有的煤層氣鉆井均位于煤層厚度大于5m區(qū)域，且多位于煤層厚度變化的過渡區(qū)域（紅黃色區(qū)域）。

圖2 SHS地區(qū)15號(hào)煤層深度構(gòu)造預(yù)測結(jié)果

圖3 SHS地區(qū)15號(hào)煤層厚度預(yù)測結(jié)果

3.2.3 煤層頂板巖性預(yù)測

圖4為利用地震波阻抗反演技術(shù)預(yù)測的SHS地區(qū)15號(hào)煤層的頂板巖性平面分布圖。從預(yù)測結(jié)果看，15號(hào)煤層頂板地層的地震波阻抗范圍為7 500～12 500g·cm－3·m·s－1，其中紅黃色區(qū)域代表地震波阻抗較低。分析得出煤層頂板地層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主（紅黃色區(qū)域），局部為粉砂巖類（淡藍(lán)色區(qū)域），屬于致密性較好的巖層，為煤層氣的富集提供了較好的封蓋條件。

圖4 SHS地區(qū)15號(hào)煤層頂板巖性預(yù)測結(jié)果

3.2.4 煤層沉積相帶預(yù)測

利用地震相分析技術(shù)預(yù)測煤層較有利的沉積相帶，定性地實(shí)現(xiàn)較有利的優(yōu)質(zhì)煤質(zhì)分布區(qū)的預(yù)測。圖5為SHS地區(qū)過15號(hào)煤層的RMS振幅屬性切片，其中紅黃色區(qū)域均方根振幅較大，表明該區(qū)域煤層沉積較厚。實(shí)際鉆井資料證實(shí)，該區(qū)域?yàn)樘M較有利于煤層沉積的濱海過渡沉積環(huán)境下的沼澤相沉積區(qū)域，有利于較好煤質(zhì)的生成。

3.2.5 煤儲(chǔ)層物性預(yù)測

煤儲(chǔ)層物性預(yù)測是通過地震彈性參數(shù)反演技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用地震彈性參數(shù)反演預(yù)測煤層的密度參數(shù)，間接刻畫煤儲(chǔ)層的物性。圖6顯示了SHS地區(qū)過15號(hào)煤層的密度切片，反映煤層物性條件的平面分布特征。圖6中，紅黃色區(qū)域代表了密度較小的區(qū)域（小于2.0g／cm3），藍(lán)色區(qū)域密度變化范圍為2.0～2.4g／cm3。已有的鉆井均位于圖6中紅黃色區(qū)域（密度較?。┗蛘呔植康妮^小密度區(qū)，表明煤層氣鉆井均鉆遇了煤儲(chǔ)層物性相對較好的分布區(qū)，與實(shí)際試氣結(jié)果一致。

3.2.6 煤層裂縫系統(tǒng)預(yù)測

較大的斷層對于煤層氣的富集是不利的，而較小的斷裂系統(tǒng)的存在一定程度上可以改善煤儲(chǔ)層的滲透性，為煤層氣的富集提供一個(gè)較好的儲(chǔ)層空間［14］。進(jìn)行斷裂刻畫的地震技術(shù)較多，包括相干技術(shù)、曲率技術(shù)、螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)等，本次研究選擇了基于地震道相似性的ESP（event similarity prediction）裂縫預(yù)測方法，可以對儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)的發(fā)育程度進(jìn)行預(yù)測。圖7顯示了SHS地區(qū)過15號(hào)煤層的ESP分析結(jié)果，反映了15號(hào)煤層的裂縫系統(tǒng)平面特征。由圖7可見，研究區(qū)域內(nèi)南部裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度高于北部（紅黃色區(qū)域代表了裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度高），已有的煤層氣鉆井多位于裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度較高的位置。

圖7 SHS地區(qū)15號(hào)煤層ESP裂縫預(yù)測結(jié)果

3.3 地震技術(shù)預(yù)測成果的層次分析法綜合評(píng)價(jià)

層次分析法（AHP）最初由美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授在20世紀(jì)70年代正式確立［15］。該方法可以將控制煤層氣富集的主控因素所對應(yīng)的各項(xiàng)地震預(yù)測成果進(jìn)行有效的綜合，解決單一地震技術(shù)進(jìn)行煤層氣富集區(qū)預(yù)測存在的多解性［16－18］。該方法應(yīng)用中首先將煤層氣儲(chǔ)層作為研究的目標(biāo)層，將6項(xiàng)控制煤層氣富集的主控因素作為限制目標(biāo)層的準(zhǔn)則層；然后根據(jù)AHP實(shí)現(xiàn)原理［19］以及6項(xiàng)主控因素對于煤層氣富集影響的強(qiáng)弱關(guān)系，定義出影響SHS地區(qū)15號(hào)煤層煤層氣富集的6項(xiàng)主控因素的權(quán)重系數(shù)，分別為：沉積環(huán)境（煤質(zhì)）0.30，煤層厚度0.20，煤儲(chǔ)層物性（滲透性）0.17，構(gòu)造形態(tài)0.12，蓋層（頂板）巖性0.11，裂縫發(fā)育程度0.10。

根據(jù)這6項(xiàng)權(quán)重系數(shù)，通過線性算法：

將影響煤層氣富集的6項(xiàng)主控因素所對應(yīng)的6項(xiàng)地震技術(shù)預(yù)測成果進(jìn)行綜合，給出AHP綜合評(píng)價(jià)法預(yù)測出的SHS地區(qū)15號(hào)煤層的較有利煤層氣富集區(qū)（圖8中的紅黃色區(qū)域）。圖8是基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震綜合預(yù)測技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用的最終成果，預(yù)測結(jié)果與區(qū)內(nèi)煤層氣鉆井結(jié)果具有較好的一致性。

圖8 SHS地區(qū)15號(hào)煤層的AHP綜合分析成果

4 結(jié)束語

基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預(yù)測方法將地質(zhì)分析，地震預(yù)測與鉆、測井成果進(jìn)行有效的統(tǒng)一，通過層次分析法（AHP）實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)地震預(yù)測技術(shù)成果的綜合評(píng)價(jià)，較為客觀全面地預(yù)測出了有利煤層氣富集區(qū)。通過本次研究總結(jié)認(rèn)識(shí)如下：

1）利用常規(guī)的含油氣儲(chǔ)層地震預(yù)測技術(shù)直接進(jìn)行煤層氣預(yù)測存在一定的難度，基于煤層氣富集主控因素的地震預(yù)測方法為煤層氣富集區(qū)的預(yù)測研究提供了一種可行的新思路；

2）沉積環(huán)境、構(gòu)造形態(tài)、煤層厚度、蓋層巖性、裂縫發(fā)育程度和煤儲(chǔ)層物性條件等是影響SHS地區(qū)煤層氣富集的主控因素，選擇相應(yīng)的地震方法技術(shù)可以分別對此進(jìn)行預(yù)測，包括間接或定性的預(yù)測；

3）應(yīng)用層次分析法（AHP）可以將多項(xiàng)地震技術(shù)的預(yù)測成果進(jìn)行不同權(quán)重系數(shù)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對煤層氣富集區(qū)的綜合評(píng)價(jià)，提高預(yù)測結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性；

4）基于主控因素的煤層氣富集區(qū)地震預(yù)測方法的應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)不同靶區(qū)的地質(zhì)條件和實(shí)際鉆井結(jié)果進(jìn)行細(xì)致的分析，有針對性地選擇地震預(yù)測技術(shù)和綜合評(píng)價(jià)方法。

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