沁水盆地煤層含氣后的AVO響應(yīng)特征

馮小英，秦鳳啟，唐鈺童，劉　慧，王　亞（.中國(guó)石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘0655；.中國(guó)石油華北油田分公司煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西晉城048000）

沁水盆地煤層含氣后的AVO響應(yīng)特征

馮小英1，秦鳳啟1，唐鈺童2，劉慧1，王亞1
（1.中國(guó)石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘062552；2.中國(guó)石油華北油田分公司煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西晉城048000）

近年來(lái)，沁水盆地煤層氣勘探開(kāi)發(fā)不斷深入，煤層氣富集規(guī)律是制約其勘探開(kāi)發(fā)成效的關(guān)鍵因素之一，而AVO技術(shù)對(duì)煤層氣富集規(guī)律的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。煤層的AVO響應(yīng)特征是什么樣的？煤層含氣后的AVO響應(yīng)特征又是什么樣的？其與常規(guī)砂巖含氣后的AVO響應(yīng)特征是否一致？對(duì)此，在沁水盆地開(kāi)展了不同巖性流體替換及其在不同含氣飽和度下的AVO響應(yīng)特征研究。結(jié)果表明，煤層的AVO響應(yīng)特征與煤層含氣后的AVO響應(yīng)特征不同，煤層為“暗點(diǎn)”反射特征，而煤層含氣后為“相對(duì)亮點(diǎn)”反射特征。該研究成果可為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐與服務(wù)。

煤層氣；CRP道集；AVO響應(yīng)特征；流體替換

0　引言

AVO理論指出：疊前地震道集中振幅隨偏移距的變化包含了能反映氣藏的信息，通過(guò)一定的技術(shù)處理可以檢測(cè)出儲(chǔ)層的含氣性特征；AVO技術(shù)是當(dāng)前含氣性檢測(cè)的主要技術(shù)［1］。沁水盆地煤層氣作為一種氣藏，是華北探區(qū)新興的重要能源礦藏之一。AVO相關(guān)技術(shù)的研究及應(yīng)用尚屬初級(jí)階段，煤層的AVO響應(yīng)特征是什么樣的？煤層含氣后的AVO響應(yīng)特征又是什么樣的？其與常規(guī)砂巖含氣后的AVO響應(yīng)特征是否一致？這些問(wèn)題的答案尚不清楚或不確定。筆者以沁水盆地二疊系山西組3號(hào)煤層為例，開(kāi)展不同巖性流體替換及其在不同含氣飽和度下的AVO響應(yīng)特征研究，以期充分發(fā)揮地震資料橫向分辨率高的優(yōu)勢(shì)，描述煤層氣富集區(qū)發(fā)育規(guī)律，為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供可靠依據(jù)。

1　基本概況

1.1地質(zhì)條件

二疊系山西組沉積中期，沁水盆地濱海湖泊或?yàn)a湖海灣經(jīng)海水淡化后，演變?yōu)檎訚苫蚰嗷艺訚沙练e，形成穩(wěn)定發(fā)育的3號(hào)煤層。區(qū)內(nèi)的3號(hào)煤層一般埋深為500～850 m，厚度為4～7 m；煤質(zhì)好，變質(zhì)程度較高，鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66%～97%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～15%，屬高煤階無(wú)煙煤；煤層孔隙以微孔為主，發(fā)育少量中孔和大孔，孔隙中值半徑為0.02～63.57 μm，有效孔隙度為3.8%～4.3%，滲透率為0.136～3.420 mD，煤層內(nèi)正交或斜交割理呈網(wǎng)狀組合，微裂縫發(fā)育，滲透性變好，為特低孔、特低滲裂縫型儲(chǔ)層；煤層吸附能力強(qiáng)，煤層氣質(zhì)量體積一般為12～23 m3/t，最高近40 m3/t，含氣飽和度為90%～98%，屬高飽和、高含氣吸附型自生自儲(chǔ)式非常規(guī)氣藏［2-4］。

1.2測(cè)井曲線特征

沁水盆地3號(hào)煤層具有“兩高兩低”的測(cè)井曲線特征（圖1），即電阻率高（幾百至上萬(wàn)Ω·m）、聲波時(shí)差高（380～430 μs/m）、密度低（1.3～1.7 g/cm3）、自然伽馬低（22 API左右）。此外，3號(hào)煤層上下致密砂巖及泥巖均表現(xiàn)為縱波速度高與密度高，較為致密，為3號(hào)煤層構(gòu)成了良好的蓋層條件和頂?shù)装鍡l件。

1.3CRP道集資料品質(zhì)

沁水盆地現(xiàn)有多塊三維地震資料（圖2），其中，鄭莊三維地震資料CRP道集經(jīng)過(guò)了振幅的保真處理，目的層段滿覆蓋次數(shù)為45次，最大入射角達(dá)到60°，資料品質(zhì)較好；沁南東三維地震資料滿覆蓋次數(shù)僅為31次左右，最大入射角約為45°，沒(méi)有經(jīng)過(guò)振幅的保真處理，資料品質(zhì)相對(duì)較差，需要先進(jìn)行振幅的保真處理后才能開(kāi)展AVO響應(yīng)特征研究。

圖1　zs34井3號(hào)煤地層測(cè)井曲線Fig.1The logs of No.3 coalbed of zs34 well

圖2　沁水盆地勘探示意圖Fig.2Sketch map showing the exploration of Qinshui Basin

2　煤層含氣后的AVO響應(yīng)特征

2.1AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)

AVO技術(shù)是研究地震波振幅隨偏移距或入射角變化而變化的一門(mén)技術(shù)［1］。據(jù)文獻(xiàn)［5］報(bào)道，其理論基礎(chǔ)來(lái)自于Zoeppritz理論。Zoeppritz在給定兩相鄰介質(zhì)的P波及S波速度和密度的情況下，得出了作為入射角函數(shù)的平面波反射振幅方程，其精確數(shù)學(xué)表達(dá)式特別長(zhǎng)，難以看出巖石特性的細(xì)微變化對(duì)地震波振幅所造成的影響。Shuey在Zoeppritz理論基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了Zoeppritz方程，Shuey公式強(qiáng)調(diào)在不同入射角上的巖石特性。

式中：Rc為反射系數(shù)；VP為通過(guò)介質(zhì)的縱波速度，m/s；θ為入射角，（°）；φ為入射角與透射角的平均值，（°）；RO為法向入射反射系數(shù)；AO為法向入射反射振幅；σ為泊松比；ρ1和ρ2分別為上、下介質(zhì)的密度，g/cm3；V1和V2分別為上、下介質(zhì)的速度，m/s。

式（1）由3項(xiàng)的和組成，第一項(xiàng)為法向入射的反射系數(shù)，它對(duì)任意入射角都是一個(gè)常量；第二項(xiàng)只有在入射角大于15°時(shí)才可能有明顯的作用；對(duì)于第三項(xiàng)，Shuey認(rèn)為在入射角小于30°時(shí)，它的貢獻(xiàn)非常小，可以忽略，并且此時(shí)的φ近似等于θ，因此，出現(xiàn)了Shuey線性近似公式［5］，即

式中：P為截距，即法線入射時(shí)的反射波系數(shù)，與煤層厚度及圍巖巖性有關(guān)；G為梯度，反映振幅隨炮檢距的變化率，與煤層泊松比或含氣性有關(guān)。

式（1）～（3）均是目前廣泛采用的AVO反演基本公式，它們均有入射角度范圍的限制條件，式（2）和式（3）均僅適用于入射角小于30°的情況。沁水盆地三維地震資料入射角偏大，為45°～60°，故應(yīng)當(dāng)采用式（1）來(lái)進(jìn)行AVO反演。

通過(guò)AVO反演，可得到梯度、截距、偽泊松比（P+G）、流體因子（P×G）、橫波反射率（P-G）等AVO派生屬性參數(shù)。

2.2煤層含氣后的AVO響應(yīng)特征

為了更好地開(kāi)展流體替換，優(yōu)選了測(cè)井曲線質(zhì)量好，并具有橫波測(cè)井資料的q11-24井來(lái)進(jìn)行測(cè)試。3號(hào)煤層、厚砂層及厚灰?guī)r層的流體替換及不同飽和度下的AVO響應(yīng)特征對(duì)比結(jié)果如圖3所示，3個(gè)目標(biāo)層均較厚，并且間距均約為50 m，避免了彼此之間較大的地震干涉影響，以保證流體替換結(jié)果更加真實(shí)可靠［6-8］。

從圖3可以看出：當(dāng)3號(hào)煤層不含氣時(shí)，表現(xiàn)為聲波時(shí)差高、密度低及泊松比高，縱波時(shí)差為380～400 μs/m，橫波時(shí)差為1 050～1 100 μs/m，密度為1.5～1.7 g/cm3，泊松比為0.41；當(dāng)3號(hào)煤層含氣飽和度為5%時(shí)，橫波時(shí)差無(wú)變化，縱波時(shí)差增大為400～420 μs/m，密度減小為1.3～1.5 g/cm3，泊松比減小為0.35；當(dāng)3號(hào)煤層含氣飽和度為20%時(shí)，橫波時(shí)差仍然無(wú)變化，縱波時(shí)差增大為410～430 μs/m，密度與含氣飽和度為5%時(shí)相比變化不大，仍為1.3～1.5 g/cm3，泊松比減小為0.32；當(dāng)3號(hào)煤層含氣飽和度為80%時(shí)，縱、橫波時(shí)差、密度和泊松比均與含氣飽和度為20%時(shí)基本相同。

圖3　q11-24井不同巖性流體替換及其在不同含氣飽和度下的AVO響應(yīng)特征Fig.3Results of fluid substitution of different lithologies and its AVO response characteristics under different gas saturation of q11-24 well

當(dāng)砂層不含氣時(shí)，表現(xiàn)為聲波時(shí)差低、密度高及泊松比相對(duì)低，縱波時(shí)差為220～230 μs/m，橫波時(shí)差為620～660 μs/m，密度為2.5～2.6 g/cm3，泊松比為0.39（由于古生界地層經(jīng)長(zhǎng)期壓實(shí)作用，砂巖較致密，泊松比相對(duì)古近系砂巖較高）；當(dāng)砂層含氣飽和度為5%時(shí)，橫波時(shí)差無(wú)變化，縱波時(shí)差增大為290～310 μs/m，密度減小為2.3～2.4 g/cm3，泊松比降為0.32；當(dāng)砂層含氣飽和度為20%時(shí)，橫波時(shí)差仍然無(wú)變化，縱波時(shí)差增大為310～330 μs/m，密度減小為2.2～2.3 g/cm3，泊松比減小為0.28；當(dāng)砂層含氣飽和度為80%時(shí)，縱、橫波時(shí)差、密度和泊松比均與含氣飽和度為20%時(shí)基本相同。

當(dāng)灰?guī)r不含氣時(shí)，表現(xiàn)為聲波時(shí)差低、密度高及泊松比高，縱波時(shí)差為180～200 μs/m，橫波時(shí)差為450～500μs/m，密度為2.6～2.7g/cm3，泊松比為0.43；當(dāng)灰?guī)r含氣飽和度為5%時(shí)，橫波時(shí)差無(wú)變化，縱波時(shí)差增大為230～250μs/m，密度減小為2.3～2.5 g/cm3，泊松比減小為0.34；當(dāng)灰?guī)r層含氣飽和度為20%時(shí)，橫波時(shí)差仍然無(wú)變化，縱波時(shí)差增大為240～260μs/m，密度減小為2.3～2.4 g/cm3，泊松比減小為0.29；當(dāng)灰?guī)r層含氣飽和度為80%時(shí)，縱、橫波時(shí)差、密度和泊松比均與含氣飽和度為20%時(shí)基本相同。

利用以上流體替換得到的縱、橫波時(shí)差、密度及泊松比曲線進(jìn)行AVO正演模擬地震響應(yīng)［9］，得到不同流體飽和的AVO反射特征（圖4）。

煤層不含氣時(shí)，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而減弱，疊后為“暗點(diǎn)”反射；含氣后，振幅隨偏移距增大不變或增強(qiáng)，疊后為“平點(diǎn)”或“亮點(diǎn)”反射，即“相對(duì)亮點(diǎn)”。

圖4　q11-24井不同流體飽和度的AVO反射特征Fig.4AVO reflection characteristics under different fluid saturation of q11-24 well

致密砂巖不含氣時(shí)，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而減弱，疊后為“暗點(diǎn)”反射；含氣后，振幅隨偏移距增大明顯增強(qiáng)，疊后為典型的“亮點(diǎn)”反射。

灰?guī)r不含氣時(shí)，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而增強(qiáng)，疊后為“亮點(diǎn)”反射；含氣后，振幅隨偏移距增大而減弱并反轉(zhuǎn)，疊后為“暗點(diǎn)”反射。

含氣飽和度由5%至80%變化時(shí)，對(duì)地震AVO響應(yīng)特征的影響不大，故AVO技術(shù)僅能定性預(yù)測(cè)含氣性，定量預(yù)測(cè)存在困難［10］。

分析認(rèn)為，煤層含氣后的AVO效應(yīng)之所以較明顯，主要原因是煤層氣富集區(qū)往往是割理縫密集區(qū)，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，具有方向性，使得縱波速度下降快，泊松比變化特征明顯，AVO效應(yīng)增強(qiáng)。

2.3實(shí)例分析

從實(shí)際過(guò)井CRP道集（圖5）上看，沁水盆地3號(hào)煤層含氣時(shí)，所對(duì)應(yīng)的地震反射常常表現(xiàn)為振幅隨偏移距增大而增大或保持不變，而不含氣時(shí)，則常常表現(xiàn)為振幅隨偏移距增大而減小的趨勢(shì)，與AVO正演模擬結(jié)果一致（參見(jiàn)圖4）。q15-24井3號(hào)煤層累計(jì)產(chǎn)氣73 238 m3，所對(duì)應(yīng)的地震反射同相軸（0.73 s）振幅隨偏移距增大而略有增大；q17-27井3號(hào)煤層累計(jì)產(chǎn)氣56 379 m3，所對(duì)應(yīng)的地震反射同相軸（0.79 s）振幅隨偏移距增大而明顯增大；q16-31井3號(hào)煤層累計(jì)產(chǎn)氣0 m3，所對(duì)應(yīng)的地震反射同相軸（0.67 s）振幅隨偏移距增大而減小。此外，從CRP道集上看：3號(hào)煤層上、下均難以找到隨偏移距增大而增大的砂巖含氣AVO反射特征；同樣，3號(hào)煤層下的第二相位所對(duì)應(yīng)的奧陶系峰峰組灰?guī)r頂反射，也難以找到隨偏移距增大而減小并反轉(zhuǎn)的灰?guī)r含氣AVO反射特征，這與沁水盆地致密砂巖和灰?guī)r勘探均無(wú)突破相吻合［11］。

從疊后地震剖面（圖6）上看：含氣井表現(xiàn)為強(qiáng)反射“亮點(diǎn)”特征，如q15-24井；不含氣或含氣極少的井表現(xiàn)為弱反射“暗點(diǎn)”特征，如q19-25井，該井3號(hào)煤層累計(jì)產(chǎn)氣僅9 m3。這表明，在地震剖面上，只要3號(hào)煤層不是弱反射，就可能高含氣。

從鄭莊三維地震區(qū)AVO流體因子（P×G）屬性剖面（圖7）上看，zs33井3號(hào)煤層測(cè)試煤層氣質(zhì)量體積為30.86 m3/t，為工業(yè)氣井，表現(xiàn)出明顯的AVO異常，而zs35井3號(hào)煤層測(cè)試煤層氣質(zhì)量體積為3.56 m3/t，為干井，無(wú)AVO含氣異常。從鄭莊三維地震區(qū)3號(hào)煤層AVO流體因子（P×G）屬性平面圖（圖8）上看，含氣異常區(qū)與實(shí)鉆井3號(hào)煤層測(cè)試煤層氣質(zhì)量體積（表1）吻合較好。

圖5　過(guò)井CRP道集剖面Fig.5CRP section across q15-24 well，q17-27 well and q16-31 well

圖6　過(guò)q15-24—q19-25連井線疊后地震剖面Fig.6The poststack seismic section across q15-24-q19-25 well

圖7　過(guò)zs33-zs35連井線AVO流體因子屬性剖面Fig.7The AVO fluid factor attribute section across zs33-zs35 well

圖8　鄭莊三維地震區(qū)3號(hào)煤層AVO流體因子屬性平面圖Fig.8The fluid factor attributes of No.3 coalbed in Zhenzhuang block

表1　鄭莊三維地震區(qū)各井3號(hào)煤層測(cè)試煤層氣質(zhì)量體積Table 1The volume of coalbed methane of No.3 coalbed in Zhenzhuang block

3　結(jié)束語(yǔ)

（1）煤層的AVO響應(yīng)特征與煤層含氣后的AVO響應(yīng)特征不同，煤層為“暗點(diǎn)”反射特征，而煤層含氣后為“相對(duì)亮點(diǎn)”特征。

（2）煤層、砂巖與灰?guī)r不含氣時(shí)，其AVO響應(yīng)特征各不相同；含氣后，其AVO響應(yīng)特征又各有不同的變化。實(shí)踐中，不是所有的亮點(diǎn)都與含氣有關(guān)，也可能是灰?guī)r不含氣時(shí)的反射。

（3）大量工作實(shí)踐表明，符合AVO條件的野外地震資料是進(jìn)行AVO分析的基礎(chǔ)。因此，建議今后野外地震資料采集時(shí)，應(yīng)把影響AVO的因素考慮進(jìn)去，增大覆蓋次數(shù)，加大偏移距，以便從近道與遠(yuǎn)道的差異中看到更為清晰的AVO現(xiàn)象。

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（本文編輯：李在光）

AVO response characteristics of coalbed methane stratum in Qinshui Basin

Feng Xiaoying1，Qin Fengqi1，Tang Yutong2，Liu Hui1，Wang Ya1
（1.Research Institute of Geophysical Exploration，PetroChina Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，Hebei，China；2.Coalbed Gas Exploration and Development Company，PetroChina Huabei Oilfield Company，Jincheng 048000，Shanxi，China）

With the deepening of exploration and development of coalbed methane in Qinshui Basin，It was found that the enrichment rule of coalbed methane is one of the key factors influencing the development efficiency，and AVO technique is important to predict the enrichment rule of coalbed methane.What are the AVO response characteristics of coalbed and coalbed methane？Are they as the same as sand bed gas？For these questions，this paper studied the fluid substitution of different lithologies and its AVO response characteristics under different gas saturation in Qinshui Basin.The result shows that the AVO response characteristic of coalbed is different from coalbed methane，the AVO characteristic of coalbed is“dim spot”，and the AVO characteristic of coalbed methane is“relatively bright spot”.This study can provide reliable technical support for the exploration and development of coalbed methane.

coalbed methane；CRP gather；AVOresponse characteristics；fluid substitution

P631.4

A

1673-8926（2015）04-0103-06

2014-08-21；

2015-02-20

中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專(zhuān)項(xiàng)“煤層氣地球物理綜合評(píng)價(jià)技術(shù)研究”（編號(hào)：2013E-2202）資助

馮小英（1969-），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事地震地質(zhì)綜合解釋及儲(chǔ)層預(yù)測(cè)方面的研究工作。地址：（062552）河北省任丘市華北油田地球物理勘探研究院。E-mail：wty_fengxy@petrochina.com.cn。