基于三維地震底板標高模擬方法預測非洲卡魯盆地煤層氣含氣量

李金珊，朱維耀

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083; 2.中國中鋼股份有限公司，北京 100080)

煤層氣是一種與煤同生共儲的非常規(guī)天然氣，主要成分為甲烷(CH4)，其吸附或游離在煤層孔隙中。煤是一種對溫度、壓力和構造應力都十分敏感的有機巖石，隨著煤層埋藏深度的增加，煤儲層壓力增大，而且同一地區(qū)、不同煤層中也有規(guī)律可循，這種現(xiàn)象在各煤層氣井儲層壓力的測試結果中普遍存在。因此，煤層厚度是評價煤層氣資源富集程度的主要參數(shù)之一[1]。

煤層的性質(zhì)。泥巖層的楊氏模量、體積模量、剪切模量、抗剪強度比砂巖、灰?guī)r低，但泊松比較大，說明泥巖塑性大，易形變。砂巖和灰?guī)r楊氏模量、體積模量、剪切模量、抗剪強度較大，泊松比較低，巖石彈性較大，機械強度高。

例如，美國煤層氣地面開發(fā)取得成功的重要地質(zhì)原因是其含煤盆地具有穩(wěn)定的區(qū)域構造背景。美國的含煤盆地主要集中在構造相對活動的地區(qū)，美國黑勇士盆地的基底為地臺，構造位置處于北美中部地臺與東南緣阿巴拉契亞褶皺帶的過渡地帶，與其位置相同的中阿巴拉契亞亦有煤層氣開發(fā)潛力。

再如，圣胡安盆地有著與黑勇士盆地相同的構造背景，屬于中部地臺與克迪勒拉造山帶的過渡區(qū)域。顯然，從美國含煤盆地構造背景分析可知，以穩(wěn)定地臺為基底，位于地臺與褶皺帶過渡區(qū)域的含煤盆地可能具有煤層氣開發(fā)潛力。

構造活動相對穩(wěn)定的地臺內(nèi)部或構造活動相對強烈的造山地帶之上的含煤盆地尚無煤層氣成功開發(fā)的先例，說明構造過于穩(wěn)定或過于活動區(qū)域的含煤盆地很有可能不利于煤層氣開發(fā)。

近年來，國內(nèi)外許多專家學者對煤層構造含氣量進行了大量的經(jīng)濟評價研究工作，取得了豐富的研究成果。

LANGENBERG等[2]、BOYER等[3]、BEATON等[4]、NOLDE等[5]利用地質(zhì)參數(shù)、GIS對煤層氣潛力進行綜合評價[2-5]。CAI等[6]、YAO等[7]利用模糊數(shù)學方法、多層次模糊數(shù)學方法等[8-10]預測了煤層氣靶區(qū)含氣量。

近幾年，學者們利用灰色系統(tǒng)理論評價預測煤層含氣量，主要是對沒有煤芯取樣點或者極少煤層巖芯取樣的地區(qū)進行煤層氣含量評價預測[11]。地震勘探技術也廣泛應用于煤層氣勘探評價，目的是探測煤層賦存狀態(tài)、構造形態(tài)、斷層特征和煤層厚度。在國內(nèi)煤層氣勘探中，地震勘探成為重要一部分。

1 地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)背景

非洲卡魯盆地位于非洲南部早前寒武紀地層，其軸部地區(qū)沉積地層厚度達到6 000 m。南部地層巖性一般為海相砂頁巖，陸相沉積的地層厚度很大，是世界上早前寒武紀地質(zhì)保存最好的地區(qū)。

著名的津巴布韋大巖墻是同時期的產(chǎn)物，長距大約480 km，寬距5～9 km，主要由蛇紋巖、橄欖巖、方輝橄欖巖等巖石構造組成。

1.2 地震資料

地震勘探技術主要應用于探測煤層賦存狀態(tài)、構造形態(tài)、斷層特征和煤層厚度，成為勘探重要一部分，勘探區(qū)大規(guī)模部署二維地震，開發(fā)區(qū)部署三維地震以指導開發(fā)方案設計。根據(jù)儲層地震預測技術在煤層氣勘探中對煤層氣本身的檢測，可分為間接檢測法和直接檢測法兩種類型。間接檢測法主要是通過對含煤層構造、裂縫發(fā)育帶等特性的分析，依據(jù)地質(zhì)特點，尋找煤層氣富集；直接檢測法則是通過地震屬性分析與烴類檢測技術對煤層含氣性、厚度、孔隙度等儲層參數(shù)進行定量或半定量評價。

在煤層氣地震勘探中，特殊構造主要指構造煤和陷落柱。構造煤是指煤體原生結構遭受構造作用破壞的煤，其主要是以薄層狀分布于煤層頂板、底板及夾矸附近，或以條帶狀分布于構造形跡附近。構造煤不僅使煤層滲透性降低，而且經(jīng)常導致煤層瓦斯突出。

以三維地震為基礎，利用地震波的動力學參數(shù)及屬性分析等多種技術則可以有效地預測構造煤發(fā)育帶。陷落柱是塊度大小不均、排列雜亂無章的上部地層塌陷物膠結而成。陷落柱與圍巖存在的物性差異為地震方識別陷落柱提供了依據(jù)。陷落柱在水平疊加時間剖面上的表現(xiàn)特征為反射波同相軸在小范圍內(nèi)消失或錯斷并伴生一些小斷層，在斷層點處產(chǎn)生繞射波及延遲繞射波，斷陷點之間波形雜亂，在柱頂處可產(chǎn)生柱頂繞射波。

如圖1所示，煤層含氣性預測可以通過疊前AVO反演、疊后波阻抗反演和疊前彈性阻抗反演等技術實現(xiàn)。利用疊前AVO反演技術，可有效地獲取煤層各種含氣性參數(shù)。

在煤層中，煤層氣的富集導致煤的體積密度減小，同時楊氏彈性模量、泊松比、彈性波速度、頻譜特征、衰減系數(shù)、品質(zhì)因子等彈性力學參數(shù)及彈性波特征受到明顯的影響。這為利用AVO反演技術研究煤層各種含氣性參數(shù)奠定了理論基礎。

常規(guī)AVO技術是根據(jù)疊前CDP道集中反射振幅隨炮檢距的變化，提取相關的地震屬性，進而反演與泊松比、裂隙密度等儲層特性有關的物性參數(shù)并預測儲層有利區(qū)。地震波振幅隨炮檢距的變化有這樣一個規(guī)律：當煤層不含氣或含氣很少時，CDP道集上煤層反射振幅隨炮檢距增大而減小；而煤層氣富集時則表現(xiàn)為反射振幅隨炮檢距增大而增大的規(guī)律。

圖1 三維地震有聲波時差的曲線圖

為了更準確地預測非洲卡魯盆地地區(qū)煤層氣資源量，借助地震、煤層資料對煤層的含氣量進行了預測[12]。對分析收集到的煤層資料和鉆井的含氣量數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，煤層的含氣量與煤層底板標高存在一定的線性關系，因此只要預測出煤層底板標高，就可以對煤層氣資源量進行計算。

非洲卡魯盆地已有的資料中主要有三維地震資料,其中包括前期進行的3口勘探鉆井，有聲波時差的曲線資料。新的煤層鉆井位有9口,沒有聲波時差的曲線資料，其中2口鉆井在三維區(qū)地震之中。

通過建立地層與地震之間的關系，然后經(jīng)過地震資料以及精細構造解釋，再通過鉆井的層位標定，從而進一步獲得卡魯盆地煤層底板和標高的數(shù)據(jù)。

2 煤層構造

2.1 煤層特征

在煤層中，煤層氣是以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在于煤的孔隙和裂縫中，游離煤層氣顯示煤層氣壓力，當煤層埋藏在一定深度時，孔隙、裂縫及其中的煤層氣均承受地應力的作用，因而受到壓力的影響。

水文地質(zhì)條件也是重要的因素。封閉的水動力系統(tǒng)和水動力受阻形成的高壓是煤層氣吸附和富集的有利條件，如果封閉的水動力系統(tǒng)被打破，將破壞煤層的壓力平衡，使得吸附氣減少，溶解氣和游離氣發(fā)生散失。

在煤層壓力方面，通常的煤層評價方法，經(jīng)常以用壓力梯度測量煤層壓力的大小。在實際工作中，對煤層進行排水降壓是采氣的常規(guī)措施之一。煤儲層壓力表明地層能量的大小，對煤層含氣性、氣含量、吸附能力與氣體賦存狀態(tài)，都具有非常大的影響和作用，決定了水和氣體從煤層中的裂縫之間流向井筒的壓力，它與臨界解吸壓力之間的相對關系，直接影響采氣過程中排水降壓的難易程度。

煤儲層地應力、滲透率的研究對煤層氣富集成藏尤為重要，地應力的大小不僅會影響上述儲層壓力，還嚴重制約著煤層滲透率。

煤層氣壓力是煤層氣體流動特性和賦存狀態(tài)的一個重要參數(shù)。在研究煤巖性質(zhì)和煤層氣富集狀態(tài)時，煤層氣賦存、流動和涌出，以及煤層氣抽放時，煤層氣壓力都是要考慮的基本參數(shù)。煤層地應力的大小與埋深、地質(zhì)構造等有關，煤層埋藏深度越大，上覆地層的壓力越大，地應力越高。

煤層氣富集成藏地質(zhì)特征的研究證明，煤層氣與常規(guī)天然氣有很大的差別[13]，影響煤層氣富集的主要因素包括煤層滲透率、煤層地應力的大小、埋深、地質(zhì)構造與水文地質(zhì)特征等。

2.2 煤層控制因素

從已有的資料可知，非洲卡魯盆地的煤層特征隨著地層變化，呈起伏形狀，并且富有一定的規(guī)律，煤層的厚度一般在30 m以上，局部厚度達到50 m，中間有含水層，有兩個煤層的聚氣帶，一個煤層為北部煤層的局部厚度達到30～50 m;另一個煤層的局部厚度達到20～30 m，平均含氣量都在6～10 m3/t以上。

1) 煤層的生氣和保存條件。取煤芯實驗結果表明，該地區(qū)的煤層類型以半亮煤和光亮煤為主，有機顯微組分以鏡質(zhì)組含量高，同時煤中夾有瀝青等物質(zhì)，都有利于煤層生氣，為煤層氣的富集奠定了物質(zhì)的基礎。

2) 煤層組合及蓋封條件。首先，煤層的頂?shù)装逡阅鄮r為主，為煤層氣的保存提供了良好的保存條件；其次，煤層的演化程度高，由于煤層斷層決定了煤層氣的聚集或散失，非洲卡魯盆地沒有發(fā)現(xiàn)煤層斷層，煤層的封蓋性較好，為煤層氣的富集提供了保存條件。這些地質(zhì)特征證明該地區(qū)的煤層含氣量較富集。

3) 非洲卡魯盆地有機顯微組分以鏡質(zhì)組含量為主，煤層的生氣基礎條件良好，煤層的有機顯微組分鏡質(zhì)組含量35.4%～50.9%。

4) 煤層滲透率。例如，我國地質(zhì)構造背景復雜，地應力對于煤儲層滲透率的影響十分顯著[14]，這樣的儲層一般位于向斜或背斜部位，煤儲層含氣量與埋深之間是線性關系[15]。

5) 水文地質(zhì)條件。靜水水位的高低與區(qū)域水文地質(zhì)條件有關，當煤儲層所處地表低于區(qū)域內(nèi)靜水水位，在承壓水力作用下，該地煤儲層屬超壓儲層，當煤儲層處在一個相互作用、相互影響的水動力系統(tǒng)中，煤層的地下水動力條件影響著煤儲層壓力的分布。另外，非洲卡魯盆地煤層氣的富集受水文地質(zhì)特征的影響，在煤層中間有含水層。

因此，從構造演化、構造結構、斷層特征，以及煤層結構的角度分析非洲卡魯盆地煤層地質(zhì)屬于構造復雜區(qū)。

綜上所述，該區(qū)煤層含氣量高，成煤條件好，煤層厚度較大，對非洲卡魯盆地煤層預測評價，煤層地質(zhì)的演化程度高，整體處于氣肥煤階段，煤變質(zhì)主要為深成變質(zhì)作用，受沉積影響。在其他地質(zhì)條件有保障的基礎上，非洲卡魯盆地煤層會具備很高的產(chǎn)氣量，煤層氣資源屬于比較豐富的勘探開發(fā)區(qū)塊。

3 含氣量預測

3.1 預測含氣量

煤層層位標定是建立地質(zhì)與地震響應關系的橋梁。在非洲卡魯盆煤層合成記錄結果的基礎上，對資料進行了分析,最終利用地震資料對煤層進行了評價。

如圖2所示，利用層位標定結果，對地震資料進行了精細構造解釋，對8號目標煤層的底板進行了精細追蹤，從而得到了8號煤組的底板標高圖。

本文采用了線性方程擬合公式對8號煤層的含氣量進行預測。選取離斷層較遠井的8號煤層，含氣量與底板標高進行二次方關系擬合，見下式，并經(jīng)過實測井解析含氣量數(shù)據(jù)校正，獲得本區(qū)煤層含氣量分布。

y=-1E-05x2-0.017x+13.4

式中：y為煤層含氣量，m3/t；x為煤層底板標高，m。

8號煤層含氣量預測為6～13 m3/t，煤層含氣量平均在11 m3/t以上。

3.2 預測精度分析

通過分析收集到的煤田瓦斯資料和新鉆井的含氣量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，煤層的含氣量與煤層底板標高存在一定的線性關系，預測出煤層底板標高，可以對8號煤層氣資源量進行計算，有三維地震資料102 km2，煤層氣鉆孔2口(有聲波時差曲線)，新鉆井位11口(無聲波時差曲線，其中8口在三維工區(qū)內(nèi))。

本文通過煤層氣井的層位標定，建立地層與地震的關系，然后經(jīng)過地震資料的精細構造解釋獲得煤層底板標高數(shù)據(jù)。

對非洲卡魯盆地煤層進行鉆井的實測，然后與含氣量數(shù)據(jù)資料的預測數(shù)值對比，即利用含氣量與底板標高的關系預測，通過再次的驗證證明，其預測含氣量精度為75.5%～95.6%，平均得到的預測含氣量值精確度一般在85%以上。

通過表1可知，實測含氣量與預測含氣量的吻合度較高。8號煤層含氣量預測為5～18 m3/t，平均在10 m3/t以上，隨著地層的起伏有規(guī)律的變化。有聚氣帶，為呈北東向展布條帶的地區(qū)，其煤層含氣量都在10 m3/t以上。

地區(qū)煤層含氣量高，煤層氣資源豐富，將成為外圍煤層氣勘探開發(fā)的接替區(qū)塊。

實驗結果可以說明，利用含氣量與底板標高的關系預測煤層氣含量是可行的。

從預測結果(表1)以及煤層含氣量實測結果和預測結果比較可以發(fā)現(xiàn)，誤差值相對較小，煤層含氣量精確度較高。從表1的數(shù)值對比可知，在實測的12口鉆井中，只有C1和C3井的煤層含氣量數(shù)值預測的精確度較低，其預測含氣量精確度分別為64.5%和68.4%,剩余的10口鉆井中精確度數(shù)值都在85%以上。

綜上所述，利用已有的鉆井勘探資料，通過地震資料獲得煤層底板標高，建立煤層氣含量預測模型，預測結果與實際測量結果誤差較小。此方法主要是在實際鉆井工程量較少的情況下，預測煤層氣含量的一種比較經(jīng)濟實用的方法。

圖2 煤層底板標高及含氣量預測圖

表1 煤層含氣量實測結果和預測結果比較表

4 結 論

1) 非洲卡魯盆地煤層地質(zhì)的演化程度高，煤層生氣能力強，能夠富集形成大量的煤層氣。盆地煤層的封蓋性也較好，為煤層氣富集提供了保存條件。受沉積影響，煤變質(zhì)主要為深成變質(zhì)作用。

2) 從構造演化、構造結構、斷層特征，以及煤層結構角度分析非洲卡魯盆地構造區(qū)的成煤條件，煤層的厚度較大，屬于煤層氣資源比較豐富的勘探開發(fā)區(qū)塊，為下一步勘探開發(fā)工作提供依據(jù)。

3) 利用已知的地震資料獲得煤層底板標高，建立煤層氣含量預測模型，對非洲卡魯盆地8號煤層進行模擬預測，將煤層含氣量的預測結果與實際實測結果比較，精確度在85%以上，采用此模擬方法預測煤層含氣量的方法可行。