大城游離氣與吸附氣AVO地震響應(yīng)特征差異研究與應(yīng)用

范立紅 韓 晟 宋 鑫 王 剛 郭 煒 唐鈺童

(1.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院,河北 0625522；2.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司華北物探處,河北 062552；3.中國石油天然氣股份有限公司煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

1 工區(qū)概況

大城凸起位于滄縣隆起的西部(圖1)，西部以下第三系尖滅線為界與文安斜坡、楊村斜坡接壤，東南以大城東斷層、靜海斷層為界與里坦凹陷相連。南北長120km，東西寬20km，面積約2400km2。

圖1 冀中坳陷大城凸起位置圖

大城凸起整體為NE走向的單斜構(gòu)造，地層傾角一般2°～5°，凸起頂部石炭-二疊系地層被剝蝕，下傾方向保存較完整。區(qū)內(nèi)發(fā)育靜海和大城東兩條區(qū)域性走滑斷層，其兩側(cè)發(fā)育多條派生斷層，使局部構(gòu)造復(fù)雜化。

該區(qū)煤層氣勘探起始于1991年DC1井的鉆探，區(qū)內(nèi)共煤層氣井14口，其中10口井見氣，日產(chǎn)平均約1600m3，多口井圍巖(砂巖)見到了油氣顯示，氣測異常也很活躍，最高單井日產(chǎn)氣量可達(dá)1.1×104m3。

2 基礎(chǔ)研究

大城地區(qū)煤層主要發(fā)育在石炭-二疊系，其下為海相奧陶系灰?guī)r地層，厚度1500m，構(gòu)造沉積均較穩(wěn)定；其上為中生界三疊系至白堊系，頂部普遍遭受剝蝕，殘余厚度0～960m。喜山早期斷裂活動加劇，靜海-大城東斷層活動劇烈。上第三系地層向東超覆減薄尖滅，大城凸起繼續(xù)抬升，處于剝蝕狀態(tài)。喜山晚期隨斷陷活動的減弱，地殼再度整體下沉，接受河流平原相沉積，大城凸起形成現(xiàn)階段構(gòu)造。

大城煤層主要發(fā)育6個煤組，3煤組和6煤組全區(qū)分布穩(wěn)定，是本區(qū)煤層氣勘探主力層。其中3煤組厚度一般為5～8m，6煤組含煤層段多，厚度大，由1～5個煤層構(gòu)成，單層厚0.5～7.73m，煤組平均厚5.53m。

由相鄰的文安工區(qū)與大城工區(qū)地層對比發(fā)現(xiàn)，在大城地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層館陶地層的巖性由區(qū)域性的礫巖相變成為粉砂巖至泥巖，而下伏地層也由新生界地層變?yōu)槭?二疊系古生界地層，故而所對應(yīng)的館陶組底界面反射系數(shù)由區(qū)域性負(fù)反射系數(shù)變?yōu)檎瓷湎禂?shù)。

通常一個正反射系數(shù)界面，若其對應(yīng)的是單峰，則為正極性地震剖面，若其對應(yīng)的是雙峰則為負(fù)極性地震剖面。而大城工區(qū)表現(xiàn)為雙峰反射(圖2)，因此該區(qū)地震剖面極性為負(fù)極性。

圖2 大城工區(qū)CX90_X測線地震剖面圖

3 吸附氣與游離氣地震響應(yīng)差異研究

3.1 AVO技術(shù)的理論基礎(chǔ)

AVO分析的實質(zhì)是研究地震波振幅隨偏移距或入射角變化的變化問題，它的理論基礎(chǔ)是地震波反射和透射理論，求解Zoeppritz方程是AVO技術(shù)的核心。

通常實踐中所用的是Zoeppritz方程Shuey簡化式，即

R(θ)=P+Gsin2θ

(1)

其中θ為入射角，(°)；P為截距，即法線入射時的反射波系數(shù)Ro，

Ro=(ρ2V2-ρ1V1)/(ρ2V2+ρ1V1)

(2)

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；P與煤層厚度及圍巖巖性有關(guān)；G為梯度，

G=(AoRo+Δσ/(1-σ)2)

(3)

Ao為法向入射反射振幅，

Δσ=σ2-σ1

(4)

σ=(σ2+σ1)/2

(5)

σ1與σ2為上、下介質(zhì)的泊松比，G反映的是振幅隨偏移距的變化率，與煤層泊松比或含氣性有關(guān)。

從公式1～5可以看出，速度、密度與泊松比是影響AVO結(jié)果的最主要參數(shù)。

巖石物理實驗表明，當(dāng)砂巖不含氣時，縱波速度為2675m/s，密度為 2.4g/cm3；當(dāng)砂巖樣品含氣飽和度為 20% 時，縱波速度減小為 2620m/s，密度減小到2.28g/cm3；當(dāng)砂層含氣越接近飽和，縱波速度、密度變化越緩慢，與含氣飽和度為 20% 時基本相同。橫波速度對含氣飽和度變化不敏感，變化很小。泊松比參數(shù)變化與縱波速度變化類似，隨著含氣飽和度增加，砂巖的泊松比參數(shù)減小，接近飽和氣段，速度變化緩慢。

經(jīng)實驗測得的常溫常壓下的煤巖平均泊松比為0.34，實驗測得的25MPa壓力下的煤巖平均泊松比為0.35。實驗所測得的煤巖泊松比為煤巖含空氣下的泊松比，該數(shù)值(0.35)可以理解為地下煤巖含氣的泊松比，而煤巖骨架泊松比通常大于0.42，故而認(rèn)為煤巖含氣后泊松比是降低的。

方朝強等經(jīng)實驗測得，干煤巖樣(恒溫箱中116℃烘干33h)平均彈性參數(shù)小于飽和煤巖樣(飽和2000mg/L的NaCl溶液)，干巖樣可以理解為含氣煤巖，飽和巖樣為不含氣煤巖，煤巖含氣時縱波速度小于不含氣的煤巖，橫波速度含氣與不含氣狀態(tài)下變化十分小。另有實驗測得含氣5%時，煤巖縱波速度立即降低，降幅達(dá)323m/s，但當(dāng)含氣飽和度繼續(xù)增大時，縱波速度變化不明顯。

3.2 吸附氣與游離氣地震響應(yīng)特征

如圖3，煤巖的AVO響應(yīng)特征與其它沉積巖不同。煤層不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而減弱，含氣后，振幅隨偏移距增大不變或增強。砂巖不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而減弱，含氣后，振幅隨偏移距增大明顯增強?；?guī)r不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而增強；含氣后，振幅隨偏移距增大而減弱。

圖3 不同巖性在不同含氣飽和度下的AVO反射特征(引用自馮小英等，2015)

DP7井最高日常氣量超出1×104m3，從過井道集上看(圖4a)，目的層所對應(yīng)的地震反射隨著偏移距增大，振幅明顯增強，與正演模型(圖3)對比，發(fā)現(xiàn)其與砂巖含氣AVO響應(yīng)相當(dāng)，說明DP7井含游離氣，該井吸附氣與游離氣共存。本區(qū)DC1井累計產(chǎn)氣14×104m3，所對應(yīng)的地震反射同相軸振幅隨偏移距增大也明顯增大(圖4b)。而DT9井累計產(chǎn)氣為0，與沁水盆地Q1井(產(chǎn)氣0)對比，其所對應(yīng)的地震反射同相軸特征相似，隨偏移距增大而減小(圖5,6)。

圖4 大城工區(qū)過井道集剖面圖

圖5 過DT9井道集剖面

圖6 過Q1井道集剖面

綜上錄井、氣測成果，該區(qū)多口井的砂巖具備含氣異常顯示，這也證實了大城凸起煤系地層含游離氣，為吸附氣與游離氣共存的特征。

從該區(qū)AVO流體因子屬性預(yù)測結(jié)果看，該區(qū)北部AVO異常，并且埋藏相對較淺，為復(fù)合氣共存的有利區(qū)，可作為下步部署的重點區(qū)域。針對該區(qū)吸附氣與游離氣共存的復(fù)合氣藏的特點，建議調(diào)整井位部署思路，將構(gòu)造條件、圍巖砂巖分布考慮進(jìn)去，綜合部署，劃分區(qū)帶，來探索煤層氣。