基于AVO反演技術(shù)的煤層含氣量預(yù)測(cè)

彭蘇萍,杜文鳳,殷裁云,鄒冠貴

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

基于AVO反演技術(shù)的煤層含氣量預(yù)測(cè)

彭蘇萍,杜文鳳,殷裁云,鄒冠貴

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

為預(yù)測(cè)煤層氣含氣量,結(jié)合山西寺河煤礦實(shí)際資料,在分析不同含氣量AVO異常特征的基礎(chǔ)上,通過反演得到AVO屬性,建立多地震屬性與含氣量之間的相關(guān)關(guān)系,從而獲得煤層含氣量分布。對(duì)于含氣量不同的鉆井,高含氣量的煤層一般能形成較強(qiáng)的AVO異常,低含氣量的煤層AVO異常很小?；诮鼐嗪吞荻葘傩?可獲得縱波阻抗、橫波阻抗、極化參數(shù)、密度和偽泊松比等地震屬性。地震屬性與煤層含氣量之間具有相關(guān)性,其中截距、縱波速度、縱波阻抗、橫波阻抗、極化參數(shù)、密度、偽泊松比等屬性與含氣量具有較大相關(guān)性。研究表明,井孔處煤層含氣量預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)瓦斯含量預(yù)測(cè)誤差低,吻合性好,表明基于AVO反演技術(shù)預(yù)測(cè)煤層含氣量是一種可行的方法。

AVO反演技術(shù);煤層含氣量;預(yù)測(cè)

AVO技術(shù)是于20世紀(jì)60年代后期出現(xiàn)的亮點(diǎn)油氣檢測(cè)技術(shù),目前這一技術(shù)在石油與天然氣領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。利用AVO技術(shù)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè),是以彈性波理論為基礎(chǔ),利用疊前地震道集對(duì)反射振幅隨炮檢距(或入射角)的變化特征進(jìn)行分析,研究振幅隨炮檢距的變化規(guī)律,并對(duì)地下反射界面上覆、下伏介質(zhì)的巖性特征和物性參數(shù)做出分析,達(dá)到利用地震反射振幅信息預(yù)測(cè)瓦斯分布的目的。

近幾年來(lái),AVO技術(shù)已開始應(yīng)用于煤田和煤層氣勘探領(lǐng)域。張愛敏等[1]研究了不同厚度煤層AVO特征,對(duì)于小于10 m的薄層,縱波反射系數(shù)與煤厚呈正比關(guān)系;在較大炮檢距時(shí),出現(xiàn)正比關(guān)系范圍增大。董守華[2]通過對(duì)實(shí)際煤樣的測(cè)試,證實(shí)了煤層存在弱各向異性。彭蘇萍等[3]對(duì)淮南煤田含煤地層中砂巖、泥巖和煤巖的密度,縱、橫波速度等物性參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。彭蘇萍和高云峰[4]分析了煤層頂?shù)捉缑娴姆瓷湔穹卣?認(rèn)為底界面不利于AVO分析,不同結(jié)構(gòu)煤體在AVO響應(yīng)上存在明顯的差異,隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增強(qiáng),煤層頂界面反射波AVO的截距和梯度都會(huì)增大。煤體結(jié)構(gòu)相同時(shí),與泥巖頂板相比,以砂巖為頂板的煤層頂面表現(xiàn)為較大的反射振幅絕對(duì)值和變化梯度。高云峰[5]基于瓦斯地質(zhì)理論,分析了瓦斯富集區(qū)的賦存機(jī)理,對(duì)比分析了不同煤體結(jié)構(gòu)、頂?shù)装鍘r性以及煤層厚度等因素對(duì)煤層AVO響應(yīng)特征的影響,確定了應(yīng)用AVO技術(shù)預(yù)測(cè)煤體結(jié)構(gòu)的可行性,探討了部分AVO屬性所反映的煤層AVO異常的物理和地質(zhì)意義,結(jié)果表明AVO梯度和偽泊松比反射率對(duì)煤體結(jié)構(gòu)最為敏感,而且具有明確地質(zhì)意義的AVO屬性。彭蘇萍等[6]對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型煤體地球物理特征差異分析和縱橫波聯(lián)合識(shí)別與預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究。孫斌等[7]研究了煤儲(chǔ)層含氣性與地震AVO屬性之間的關(guān)系,獲得煤儲(chǔ)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(chǔ)層的含氣量隨縱波速度、橫波速度、密度的增大而減小。常鎖亮等[8]利用疊前AVO反演技術(shù),研究了煤層的各種含氣性參數(shù)。在煤層中,由于瓦斯的富集,導(dǎo)致煤的體積密度減小,同時(shí)對(duì)彈性模量、泊松比、彈性波速度、頻譜特征、衰減系數(shù)、品質(zhì)因子等彈性力學(xué)參數(shù)及彈性波特征具有明顯的影響。杜文鳳等[9]基于Zoeppritz方程,分析了振幅與偏移距的關(guān)系,利用瓦斯突出煤與非突出煤的物性參數(shù),進(jìn)行數(shù)值正演模擬,得到了反映煤層的AVO響應(yīng)特征。瓦斯突出煤與非突出煤的AVO響應(yīng)差異,可為地球物理參數(shù)進(jìn)行瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)以提供技術(shù)參考。胡朝元等[10]研究了利用地震AVO反演預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出區(qū)。鄧小娟等[11-12]對(duì)薄煤層P-SV AVO正演進(jìn)行了研究。彭蘇萍等[13-14]對(duì)HTI煤層AVO響應(yīng)特征及其影響因素進(jìn)行了研究。上述應(yīng)用研究表明,將AVO技術(shù)應(yīng)用于瓦斯富集分布預(yù)測(cè)是可行的。

筆者結(jié)合山西寺河煤礦實(shí)際地震地質(zhì)資料,利用AVO反演技術(shù)開展煤層含氣量預(yù)測(cè)研究。

1 研究區(qū)概況

寺河煤礦位于山西省晉城市西北約60 km,研究區(qū)主要可采煤層為山西組3號(hào)煤和太原組15號(hào)煤。

3號(hào)煤平均厚度4.72 m,頂、底板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖,為全區(qū)穩(wěn)定的主要可采煤層之一,是三維地震勘探的主要目的煤層。3號(hào)煤受走向NNE轉(zhuǎn)NE的褶曲構(gòu)造的影響(圖1),煤層底板波狀起伏,傾角一般小于10°,底板標(biāo)高的最低點(diǎn)為500 m,位于勘探區(qū)的南部,最高點(diǎn)為275 m,位于勘探區(qū)的北部。

圖1 3號(hào)煤底板等高線Fig.1 The bottom contour of No.3 coal seam

2 AVO反演基本方法

常規(guī)AVO技術(shù)是根據(jù)疊前地震道集中反射振幅隨炮檢距的變化情況,提取相關(guān)的地震屬性數(shù)據(jù),進(jìn)而反演與儲(chǔ)層特性(如泊松比、裂隙密度等)有關(guān)的物性參數(shù),以預(yù)測(cè)儲(chǔ)層有利區(qū)。

當(dāng)煤層不含氣或含氣很少時(shí),CDP道集上煤層反射振幅隨炮檢距的增大而減小;而當(dāng)瓦斯富集時(shí),則表現(xiàn)為反射振幅隨炮檢距的增大而增大。影響反射振幅隨炮檢距變化的最主要因素是介質(zhì)的泊松比,其次是速度。因此,AVO響應(yīng)實(shí)際就是地層泊松比異常的反映。由于瓦斯的富集會(huì)引起煤層的泊松比增大、彈性模量降低等變化[15],因此可用AVO技術(shù)研究煤層的含氣性。

AVO反演的技術(shù)流程如圖2所示。進(jìn)行地震AVO反演,關(guān)鍵就是希望能獲得與地下實(shí)際情況比較符合的截距和梯度信息。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,主要是通過對(duì)比測(cè)井的AVO響應(yīng)與實(shí)際地震資料的響應(yīng)是否一致。當(dāng)測(cè)井資料比較可靠時(shí),可以測(cè)井資料為準(zhǔn),當(dāng)實(shí)際地震資料的振幅信息比較可靠時(shí),可以實(shí)際地震資料為準(zhǔn)。

2.1 測(cè)井資料分析

在AVO理論模型研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)目標(biāo)區(qū)內(nèi)測(cè)井資料,以3號(hào)煤為目的層,進(jìn)行實(shí)際測(cè)井資料模擬計(jì)算,分析煤層含氣性的AVO響應(yīng)特征。

圖2 AVO反演技術(shù)流程Fig.2 The flow of AVO inversion

研究區(qū)0905井的含氣量為15.45 m3/t,0804井的含氣量為8.62 m3/t。對(duì)這兩口井進(jìn)行AVO正演模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),0905井為高含氣量井(圖3(a), (c)),3號(hào)煤層的頂板反射界面對(duì)應(yīng)的是地震剖面的負(fù)同相軸,反射振幅絕對(duì)值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(duì)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)果證明高含氣量煤層一般能夠形成較強(qiáng)的AVO異常。0804為低含氣量井(圖3(b),(d)),3號(hào)煤層頂、底板反射界面分別對(duì)應(yīng)地震剖面的負(fù)同相軸和正同相軸,但正、負(fù)同相軸的反射振幅隨偏移距的變化小,AVO異常很弱。可見煤層含氣量的多少將導(dǎo)致其地球物理特性的差異,從而會(huì)引起不同的AVO地震響應(yīng)。

圖3 0905井和0804井AVO正演模擬Fig.3 AVO forward simulation of No.0905 well and No.0905 well

2.2 AVO反演

研究區(qū)地震資料,在10 m×5 m面元內(nèi)覆蓋次數(shù)為12次,對(duì)于疊前地震數(shù)據(jù)來(lái)說,往往不能滿足統(tǒng)計(jì)性分析的需要,因此需要進(jìn)行大面元分析,形成超道集,從而提高地震資料的信噪比。本次反演使用的大道集為20 m×20 m,經(jīng)過這樣的處理后,覆蓋次數(shù)為12×8=96次,在所生成的超道集上,能明顯地看到振幅隨著偏移距具有明顯的變化規(guī)律(圖4)。

由于地震波在地下傳播的過程中,會(huì)受到介質(zhì)吸收、球面擴(kuò)散等多種因素的影響,導(dǎo)致能量發(fā)生變化,因此還需要通過保幅處理,恢復(fù)地震資料的相對(duì)振幅特征。保幅處理是否合適,可通過選取井附近的地震資料,分析其振幅隨偏移距變化,然后與井資料的振幅隨偏移距變化特征進(jìn)行對(duì)比,判斷兩者之間是否具有一致性,如果實(shí)際地震資料的AVO特征與井資料差別較大,則需要對(duì)地震資料做進(jìn)一步的保幅處理。

圖4 超道集地震數(shù)據(jù)Fig.4 Super-gather seismic data

對(duì)疊前地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反演后,可得到截距和梯度屬性(圖5)。在此基礎(chǔ)上,可對(duì)這些屬性進(jìn)行加、減和其他計(jì)算,進(jìn)一步獲得相關(guān)的AVO屬性。

圖5 主測(cè)線115線截距和梯度剖面Fig.5 The inline 115 Intercept and gradient section

3 AVO屬性與煤層含氣量的相關(guān)性

基于截距和梯度屬性,可獲得縱波阻抗、橫波阻抗、極化參數(shù)、密度和偽泊松比等地震屬性。對(duì)各個(gè)屬性與含氣量的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表1),其相關(guān)性絕大多數(shù)都在0.5以上,最好的結(jié)果能達(dá)到0.9,其中截距、縱波速度、縱波阻抗、橫波阻抗、極化參數(shù)、密度、偽泊松比等屬性與含氣量具有較大相關(guān)性。

表1 含氣量與地震屬性的關(guān)系Table 1 The relationship between gas content and seismic attributes

基于各地震屬性與瓦斯含量的相關(guān)性,建立多屬性與含氣量間的非線性關(guān)系,得到研究區(qū)的瓦斯含量分布結(jié)果(圖6)。由圖可見,研究區(qū)背斜頂部瓦斯含量較低,兩翼中部瓦斯含量較高,在15 m3/t以上。

圖6 構(gòu)造背景下3號(hào)煤噸煤含氣量Fig.6 The gas content of coal seam No.3 under the structure background

圖7為井孔處煤層含氣量預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)瓦斯含量交會(huì)圖,由圖可見,預(yù)測(cè)誤差極低,吻合性很好,從而證明了這一方法的實(shí)用性。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于含氣量不同的鉆井而言,高含氣量井的煤層頂板反射界面,反射振幅絕對(duì)值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;底板反射界面振幅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,而低含氣量井的煤層頂、底板反射界面,其振幅隨偏移距的變化小,AVO異常很弱。這說明高含氣量的煤層一般能夠形成較強(qiáng)的AVO異常,低含氣量的煤層AVO異常很小。

圖7 井孔處煤層含氣量預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)瓦斯含量Fig.7 The cross plot between prediction gas content and measured gas content at the borehole

(2)地震屬性與瓦斯含量之間具有相關(guān)性,截距、縱波速度、縱波阻抗、橫波阻抗、極化參數(shù)、密度、偽泊松比等屬性與含氣量具有較大相關(guān)性。

研究實(shí)例表明,基于AVO反演技術(shù)預(yù)測(cè)煤層含氣量是一種可行的方法。但是,在AVO反演過程中,由于地震資料受薄層、地層吸收等因素的影響,使得AVO反演結(jié)果存在一定的多解性,因此在使用時(shí)要加以注意。

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Coal-bed gas content prediction based on AVO inversion

PENG Su-ping,DU Wen-feng,YIN Cai-yun,ZOU Guan-gui

(State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In order to predict gas content,using actual data of Sihe Coal Mine in Shanxi Province,based on the analysis of different gas content AVO anomalies,the authors obtained AVO attributes by inversion,established the relationship between multiple seismic attributes and gas content,and thereby obtain coal seam gas content distribution.Observing the boreholes with different gas content,it show that the coal seams with high gas content generally form a strong AVO anomaly while the AVO anomaly of low gas content coal seams is normally small.Based on the intercept and gradient properties,the seismic attributes can be obtained such as P wave impedance,S wave impedance,polarization parameters,density and pseudo-Poisson’s ratio.There is a correlation between seismic attributes and coal seam gas content with the greater correlation seismic attributesare intercept,P wave velocity,P-wave impedance,S wave impedance,polarization parameters,densityand Poisson’s ratio.The study show that the prediction error between predicted gas content and measured gas content at the coal seam of borehole is low,and the consistent is good,which indicates that the AVO inversion technique based on the prediction of coal-bed gas content is a valid approach.

AVO inversion;coal-bed gas content;prediction

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1792-06

2014-04-21 責(zé)任編輯:韓晉平

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2012BAB13B01);國(guó)家自然基金煤炭聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1261203);中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局基金資助項(xiàng)目(1212011220798)

彭蘇萍(1959—),男,江西萍鄉(xiāng)人,中國(guó)工程院院士。Tel:010-62331305,E-mail:psp@cumtb.edu.cn

彭蘇萍,杜文鳳,殷裁云,等.基于AVO反演技術(shù)的煤層含氣量預(yù)測(cè)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(9):1792-1796.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8020

Peng Suping,Du Wenfeng,Yin Caiyun,et al.Coal-bed gas content prediction based on AVO inversion[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(9):1792-1796.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8020