煤層氣多尺度裂縫預(yù)測技術(shù)在沁南東三維區(qū)的應(yīng)用

劉 慧 馮小英 張 浩 王成泉 陳龍偉

(中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 062552)

1 裂縫的不同類型

煤系地層中的裂縫依據(jù)其成因可以分為割理和外生裂縫兩大類：割理是煤層經(jīng)過干縮作用、煤化作用、巖化作用和構(gòu)造壓力等各種過程形成的天然裂隙，其發(fā)育程度與地應(yīng)力的強弱和變質(zhì)作用的類型密切相關(guān)，好的割理能改善煤層滲透性；外生裂縫是經(jīng)過地應(yīng)力作用,在煤層中出現(xiàn)的沒有顯著錯動或位移的破裂，它與褶皺構(gòu)造或斷裂構(gòu)造等有著密切的成因聯(lián)系。

裂縫尺度不同，對含氣性保存、滲透性影響程度不同，大尺度裂縫和中尺度裂縫主要分布在斷裂發(fā)育區(qū)，形成較大的滲透率，但不利于氣體的保存，對煤層氣生產(chǎn)不利。小尺度裂縫屬于有利裂縫，但局部溝通頂?shù)装?，可能會影響含氣性，微尺度裂縫為煤層氣提供了最合適的滲透率，發(fā)育高滲區(qū)。因此精確識別不同尺度的裂縫，對煤層氣開發(fā)的指導(dǎo)意義不同。

2 多尺度裂縫識別技術(shù)

2.1 大尺度裂縫識別

大尺度裂縫可以通力應(yīng)力場數(shù)值模擬來識別，應(yīng)力場數(shù)值模擬主要原理是從構(gòu)造力學(xué)出發(fā)，利用地層的構(gòu)造信息(構(gòu)造面、斷裂結(jié)構(gòu))、巖性信息(巖性、泥質(zhì)含量、速度、密度、厚度)等影響裂縫發(fā)育的因素，基于彈性薄板理論，計算構(gòu)造曲率基礎(chǔ)上，模擬出地層的應(yīng)力場，包括地層面的曲率張量、變形張量和應(yīng)力場張量，由得到的主曲率、主應(yīng)變和主應(yīng)力，從而對儲層裂縫的發(fā)育程度及展布關(guān)系進行分析預(yù)測。

應(yīng)力場數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果(圖1)應(yīng)變高值區(qū)對應(yīng)背斜、斷層。斷層方向主要為北東、北北西方向。背斜部位為局部張應(yīng)力場，沿背斜長軸方向展布；向斜部位為局部壓應(yīng)力場，裂縫垂直向斜長軸方向。應(yīng)力、應(yīng)變較大地方對應(yīng)大的斷裂；相對較弱處對應(yīng)小的斷層或裂縫。

圖1 3號煤層應(yīng)變大小分布圖

2.2 中尺度裂縫

中尺度裂縫可以通過組合相干技術(shù)來識別。我們通常認為地層是連續(xù)的，地震波是漸變的，因此相鄰道線是相似的。當(dāng)?shù)貙舆B續(xù)性遭到破壞發(fā)生變化時，如斷層、裂縫、尖滅、侵入、相變等，導(dǎo)致地震波發(fā)生變化，表現(xiàn)邊緣相似性的突變。通過相干運算，將地震數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)化為相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)體，在顯示中強調(diào)不相關(guān)性，突出不連續(xù)性，從而達到識別斷層、裂縫、尖滅、侵入等現(xiàn)象及劃分巖相分布特征。

從沁南東三維區(qū)3號煤疊后地震資料普通相干平面圖(圖2)看出，大斷裂比較清楚，但小斷層與裂縫模糊不清，而進行頻譜分解后，沁南東三維區(qū)3號煤地震資料50Hz分頻相干平面圖(圖3)上，裂縫和斷層刻畫都比較清晰。因此，高頻相位體相干能更好地反映小斷層與裂縫。從圖上可以看出本地區(qū)大斷裂比較清晰，主要方向呈北東向展布，在大斷裂附近也能發(fā)育微小的斷層，西部地區(qū)微裂縫或割理縫發(fā)育。

2.3 小尺度裂縫

相對疊后地震料來說，疊前地震資料預(yù)測顯示出較大優(yōu)勢，利用具有方位角、入射角等豐富的地震反射信息，提高了微裂縫或割理縫識別、預(yù)測能力。

研究表明：在相同孔隙度條件下，細小的裂縫比圓形的孔隙對速度的影響更大，在砂巖中小于0.01%裂縫孔隙度能導(dǎo)致縱波和橫波速度降低10%以上。因此，裂縫的方向、密度和所含流體變化會對縱波和橫波速度產(chǎn)生很大影響并產(chǎn)生較強的地震屬性振幅、頻率、波阻抗等各向異性，因此屬性方位各向異性是預(yù)測微裂縫或割理縫有效方法之一。工業(yè)區(qū)的微裂縫主要集中在中西部地區(qū)，并且呈北東向展布。

圖2 3號煤相干平面

圖4 裂縫密度與聲波時差、深淺電阻率差的交會圖

2.4 微尺度裂縫

測井資料以其較高的縱向分辨率，在煤層氣勘探開發(fā)中具有重要作用。煤層的測井響應(yīng)特征明顯，具有“三高二低”的特征，即高電阻率、高中子、高時差、低密度和低伽瑪，可利用這些典型的測井響應(yīng)特征來預(yù)測煤層的裂縫發(fā)育情況。

同一煤田同一煤層在相同變質(zhì)程度情況下構(gòu)造煤比原生結(jié)構(gòu)煤破碎，物理化學(xué)性質(zhì)有不同程度的變化。構(gòu)造煤中自由基濃度高，小分子含量也會增加，大量的自由基和小分子與煤層中的水分子共同作用，使煤的電化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，煤中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變發(fā)達，導(dǎo)電離子在電場作用下更加自由地遷移，結(jié)果使電阻率減小，這使得構(gòu)造煤和原生結(jié)構(gòu)煤之間存在著明顯的電學(xué)性質(zhì)差異。電阻率下降幅度越大，反映破壞程度越高，裂縫越發(fā)育。

圖5 3號煤層深淺電阻率差值反演預(yù)測裂縫發(fā)育程度圖

通過主力煤層測井曲線響應(yīng)特征，以及裂縫密度與聲波時差、深淺電阻率差的交會圖(圖4)分析，發(fā)現(xiàn)深淺電阻率差值與裂縫發(fā)育程度有很好的相關(guān)性，故選擇深淺電阻率差與聲波時差進行曲線重構(gòu)，調(diào)制擬合成一條具有聲波時差量綱的擬聲波曲線，進行擬聲波和參數(shù)反演來預(yù)測裂縫發(fā)育情況。

從預(yù)測結(jié)果圖來看(圖5):q14-30、q17-27井區(qū)為割理縫及微裂縫發(fā)育區(qū)，與實際產(chǎn)氣結(jié)果對比，該區(qū)域氣井產(chǎn)氣效果較好。

3 預(yù)測效果評價

應(yīng)力場數(shù)值模擬、相干體屬性、疊前屬性方位各向異性、深淺側(cè)向電阻率差值和聲波擬合約束反演這四種方法預(yù)測斷層、裂縫基本規(guī)律一致。應(yīng)力場模擬、相干屬性指示斷層、小裂縫效果較好，但對微裂縫預(yù)測相對較粗。而疊前振幅方位各向異性、深淺側(cè)向電阻率差值和聲波擬合約束反演預(yù)測微裂縫或割理縫發(fā)育帶效果相對精細準(zhǔn)確。

此外，利用48口評價井、生產(chǎn)井日產(chǎn)氣量對成果圖進行標(biāo)定后發(fā)現(xiàn)：微裂縫或割理縫發(fā)育帶與富含氣區(qū)對應(yīng)較好，而斷裂帶附近區(qū)域含氣性較差。表明煤層氣賦存方式以吸附為主，微裂縫或割理縫孔隙小，比表面積大，有利于煤層氣富集成藏，而斷層、大裂縫比表面積小，不利于吸附型煤層氣的保存。因此，微裂縫或割理縫發(fā)育程度是煤層氣富集成藏的主要因素，疊前振幅方位各向異性、深淺側(cè)向電阻率差值和聲波擬合約束反演也可間接預(yù)測煤層富含氣區(qū)。

4 結(jié)論

煤的裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度決定了煤層滲透性的好壞，影響著煤層氣井的產(chǎn)量及勘探后期井網(wǎng)設(shè)計。煤層割理發(fā)育、構(gòu)造裂縫適中，有利于煤層氣的富集高產(chǎn)。針對不同尺度的裂縫采用不同的預(yù)測方法，提高了裂縫預(yù)測精度，能進一步預(yù)測有利裂縫的分布范圍。但是預(yù)測技術(shù)也有一定局限性，在實際運用過程中我們還需綜合利用地質(zhì)資料，構(gòu)造資料來進一步精確預(yù)測結(jié)果。

參 考 文 獻

[1] 蘇俊. 煤層氣勘探開發(fā)方法與技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2011. 20-41.

[2] 王赟，高遠，接銘訓(xùn)，等.煤系地層裂縫裂隙發(fā)育帶的預(yù)測[J]. 煤炭學(xué)報， 2003, 28 (6)： 566-568.

[3] 何樵登，張中杰.橫向各向同性介質(zhì)中地震波及其數(shù)值模擬[M].長春:吉林大學(xué) 出版社，1996. 23-51.

[4] 張中杰.各向異性地震資料的處理與解釋[M].哈爾濱:黑龍江教育出版社，2002. 36-43.