地震多屬性預(yù)測技術(shù)在寧武盆地南部煤系地層的應(yīng)用

孫 穎 張 潔 吳 佳 趙曉莉 段傳麗 房金偉

(中國石油渤海鉆探油氣合作開發(fā)分公司)

0 引 言

我國煤層氣資源量相對豐富，居世界第三位，目前已探明全國煤層埋深2 000 m以內(nèi)的淺煤層氣總資源量達(dá)36.8×1012m3， 其中可采資源量10.9×1012m3，主要分布于華北地區(qū)，約占全國煤層氣資源總量的56%以上[1]。煤層氣(瓦斯)作為一種新型高品質(zhì)的清潔能源，越來越引起人們重視，它的開采利用，不僅可以促進(jìn)煤礦的安全生產(chǎn)和保證工人的人身安全，也能夠改善能源結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境[2]，具有良好的安全性、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

煤層氣是由煤化作用形成的，主要以吸附態(tài)賦存在煤層中以甲烷為主的非常規(guī)天然氣。煤層含氣量是煤層氣勘探區(qū)塊評估和開發(fā)應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)支撐，而煤層厚度對含氣量多少起到至關(guān)重要的作用，因此煤層厚度和含氣量預(yù)測是勘探分析的重要環(huán)節(jié)[3]。目前國內(nèi)外在煤層氣方面最有效的預(yù)測方法有測井曲線估算法、含氣量-梯度法和等溫吸附曲線法等，主要是通過分析局部區(qū)域地質(zhì)和鉆井?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行各點(diǎn)預(yù)測，無法進(jìn)行較準(zhǔn)確的連續(xù)性平面預(yù)測，雖然可靠性高，但是經(jīng)濟(jì)性差，用于大面積區(qū)域勘探分析不太現(xiàn)實(shí)，尤其對于勘探程度較低、探井?dāng)?shù)量有限的勘探新區(qū)塊，這些方法都不太適用[4]。地震勘探作為面域空間的勘探方法，具有橫縱向分辨率高、成本低、周期短的特點(diǎn)，可以提供煤層的空間分布形態(tài)、斷裂體系、厚度和巖性等地質(zhì)信息，作為一種高效、低成本和大面積的勘探方法，在煤礦生產(chǎn)及煤層氣勘探開發(fā)中已得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外一系列研究實(shí)踐證明，可以利用地震屬性來快速高效地預(yù)測煤層連片厚度和含氣量狀況[5-6]。

本文針對寧武盆地南部煤層氣勘探區(qū)，以地震、測井和測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取并通過相關(guān)性分析，優(yōu)選出與煤層厚度和含氣量相關(guān)程度高的地震屬性，通過后期新鉆探井?dāng)?shù)據(jù)資料驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)該區(qū)煤層厚度和含氣量的平面分布定性預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

寧武盆地南部東為五臺山隆起，西為呂梁山隆起，南與汾河水庫相連，其北部與盆地腹部相接，屬于中生代以來形成的構(gòu)造坳陷，是以石炭-二疊系含煤沉積為主的富煤區(qū)。在構(gòu)造發(fā)育方面，煤層呈現(xiàn)東西兩翼高、中部低的向斜構(gòu)造，全區(qū)呈東翼為陡坡帶，西翼為緩坡帶，中間為洼槽區(qū)的三分構(gòu)造格局，構(gòu)造較為平緩，有利于煤層氣保存。煤層集中發(fā)育在石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。太原組煤層總厚10～21 m，從邊緣向盆地中央逐漸增厚， 9號煤層是其主要煤層，厚為8～14 m，橫向分布穩(wěn)定；山西組一般含煤3～4層，煤層總厚4～11.5 m，沉積較不穩(wěn)定，整體呈現(xiàn)東南向盆地北部增厚的趨勢，4號煤層為主要煤層，厚為2～7 m，橫向變化大。研究區(qū)主要目標(biāo)是太原組的9號煤層和山西組的4號煤層，煤階為中煤階氣煤、肥煤和焦煤。本次研究主要針對厚度較大、橫向分布穩(wěn)定的太原組9號煤層進(jìn)行煤層厚度和含氣量的預(yù)測。

研究區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造特征復(fù)雜，勘探程度較低，完成二維地震556.6 km/30條，測網(wǎng)密度1 km×2 km，地震資料品質(zhì)較差，在區(qū)域應(yīng)力場作用下，工區(qū)逆斷層發(fā)育。煤層具有低速和低密度的顯著特點(diǎn)，與頂?shù)装迥鄮r波阻抗差異較大，有較好的反射界面，9號煤層厚度在10 m左右，可在地震剖面上識別出，通過已知鉆井資料進(jìn)行合成記錄精細(xì)標(biāo)定，與剖面上的強(qiáng)波谷反射波基本相對應(yīng)。二維地震資料解釋成果表明，寧武盆地南部地區(qū)總體表現(xiàn)為西南緩坡帶、中央鼻隆帶、東側(cè)陡坡帶和北部洼槽帶。

2 地震預(yù)測思路

2.1 煤層厚度與振幅屬性

煤層是煤層氣生成和聚集的基礎(chǔ)。煤層厚度與煤層氣含量基本呈正相關(guān)，煤層厚度越大，其單位面積內(nèi)的生氣量和吸附量就越大，相應(yīng)的就具有更大的勘探開發(fā)潛力。根據(jù)實(shí)際的勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，只有在單層煤厚大于3 m的情況下，才具有高產(chǎn)的可能性[7]。因此前期煤層厚度的預(yù)測非常重要，而煤層厚度預(yù)測根據(jù)不同的區(qū)塊特點(diǎn)及區(qū)塊現(xiàn)有的資料情況，預(yù)測方法也不盡相同。

地震振幅類屬性是從正負(fù)相位的振幅變化和能量的角度來分析波形的變化和能量的分布[8]。利用振幅類屬性可以判別與巖性、流體、儲層孔隙度和地層層序有關(guān)的變化，識別河流、三角洲砂體、某些礁體和地層調(diào)諧效應(yīng)等地質(zhì)信息。振幅的橫向變化也已被廣泛應(yīng)用于地層研究中，用來區(qū)分穩(wěn)定地層與互層狀、雜亂反射地層，疏松層與致密層。通常情況下，穩(wěn)定地層的振幅能量最大，互層狀地層振幅能量次之，雜亂反射地層振幅能量最低。

研究區(qū)域斷層發(fā)育，構(gòu)造較破碎，其中西南部地區(qū)相對產(chǎn)狀小，地層較平緩，且埋深一般小于1 500 m，比較有利于煤層氣的保存和勘探開發(fā)，前期進(jìn)行過一系列的勘探工作。但本區(qū)塊現(xiàn)今的重點(diǎn)研究區(qū)域在中央鼻隆帶和北部的洼槽區(qū)，具有勘探面積大、構(gòu)造斷裂復(fù)雜和井點(diǎn)稀疏的特點(diǎn)，因此利用傳統(tǒng)的鉆井資料內(nèi)插或者薄層理論中的振幅參數(shù)與井點(diǎn)煤層厚度得到近似關(guān)系式來計算煤層厚度存在較大的誤差和不確定性。本文根據(jù)勘探區(qū)塊特點(diǎn)，優(yōu)先采用地震振幅類屬性定性預(yù)測煤層縱向厚度和橫向展布情況，其方法簡單高效，精度相對較高。

2.2 煤層含氣量與頻率屬性

煤層含氣量高低主要取決于吸附量多少，該指標(biāo)是評價煤層氣藏富集程度的重要指標(biāo)，含氣量越高、產(chǎn)氣穩(wěn)產(chǎn)的潛力相應(yīng)就越大。通常情況下，煤階越高，微孔隙越發(fā)育，孔隙比表面積越大，且含氧官能團(tuán)越少，吸附水越少，相應(yīng)吸附的甲烷氣就越多。根據(jù)前人研究及勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，只有在含氣量達(dá)到10 m3/t，且滲透率達(dá)到0.2 mD的煤層分布區(qū)，才能達(dá)到煤層氣有利勘探區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)[9]。

通?？梢酝ㄟ^解析法，利用現(xiàn)場鉆井煤心以及煤屑進(jìn)行實(shí)測含氣量(解吸氣、逸散氣、殘余氣)計算，并結(jié)合多口井的傾角、聲波時差、視電阻率和密度等參數(shù)中的一個或多個，利用一元線性回歸分析、多元線性回歸分析或非線性擬合等方法，通過擬合關(guān)系式來預(yù)測其他井或區(qū)域的煤層含氣量[10]。但本區(qū)塊重點(diǎn)研究區(qū)域存在地質(zhì)情況太復(fù)雜和井點(diǎn)過少的原因，運(yùn)用上述方法并無實(shí)際指導(dǎo)意義。

瞬時頻率是相位隨時間的變化率，也可以說是相位的導(dǎo)數(shù)[11]。在有些情況下，如果目標(biāo)層中飽含氣，會對高頻地震信息產(chǎn)生衰減作用，使接收到的信號主頻被降低，使得平均瞬時頻率出現(xiàn)低異常,但在強(qiáng)反射區(qū)從固有的物理意義上瞬時頻率是不穩(wěn)定的屬性[12]。頻率的垂向變化與含氣量或斷裂系統(tǒng)的吸收效應(yīng)或?qū)有蜃兓嘘P(guān)，在緊貼含氣區(qū)下方，氣區(qū)表現(xiàn)為頻率陰影區(qū)，但在更低處，頻率逐漸增加，這種垂向變化趨勢可以通過瞬時頻率衰減梯度來檢測，從而確定氣區(qū)的橫向范圍[13]。根據(jù)此原理，瞬時頻率衰減梯度屬性可以用來預(yù)測煤層含氣量情況，是對煤層含氣性進(jìn)行預(yù)測的一個重要參數(shù)。因此，本文采用此屬性來預(yù)測煤層含氣量的空間分布情況。

3 地震多屬性在研究區(qū)塊的應(yīng)用

3.1 平均絕對振幅屬性預(yù)測煤層厚度

本文以寧武盆地9號煤層頂部反射層為目標(biāo)層位，采用不同時窗提取均方根振幅、總振幅、平均絕對振幅、最大波谷振幅、平均波谷振幅、總能量等振幅屬性，同時結(jié)合已知鉆井煤層厚度對其進(jìn)行相關(guān)性分析后，發(fā)現(xiàn)以9號煤頂向上5 ms、向下13 ms開時窗，得到的平均絕對振幅屬性與煤層厚度具有一定相關(guān)性。

平均絕對振幅屬性值的大小與煤層所含夾矸多少有關(guān)，夾矸多且厚則數(shù)值偏低，夾矸少、煤層純度高則數(shù)值大。通過各井點(diǎn)處平均絕對振幅屬性值(圖1)與各井煤層厚度值(圖2)的對比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤層厚度小于10 m時，9號煤層厚度與煤層頂部平均絕對振幅屬性值存在一定正相關(guān)性趨勢；當(dāng)煤層厚度大于10 m時，9號煤層厚度與煤層頂部平均絕對振幅屬性值存在一定負(fù)相關(guān)性趨勢。這是因?yàn)槊簩釉胶?，煤層中吸附氣含量越高，?dāng)達(dá)到一定厚度時，由于煤層中賦存了豐富的煤層含氣量，采集的地震信號振幅值降低，導(dǎo)致計算出的平均絕對振幅屬性值隨之降低。這也說明在用單一地震屬性進(jìn)行預(yù)測時具有多解性，為此既要綜合考慮多因素情況，也要針對不同部位進(jìn)行具體分析。

圖1 各井點(diǎn)9號煤層頂部平均絕對振幅值

圖2 各井點(diǎn)9號煤層厚度

利用得到的平均絕對振幅屬性預(yù)測的研究區(qū)塊9號煤層厚度分布情況(圖3)，通過已鉆井的煤層厚度和各井點(diǎn)處的平均絕對振幅屬性值，結(jié)合構(gòu)造沉積，平面分布上在平均絕對振幅屬性值為60～100的范圍內(nèi)屬于有利區(qū)帶，以此對全區(qū)的煤層厚度分布有利區(qū)進(jìn)行分區(qū)預(yù)測和劃分，基本劃分了4個較大的有利區(qū)帶。2021年底的新鉆W 1井(位于北部洼槽帶)和W 2井(位于中央鼻隆帶)均位于預(yù)測的煤層厚度有利區(qū)范圍內(nèi)，其中W 1井實(shí)鉆9號煤層厚度為11.3 m，W 2井實(shí)鉆9號煤層厚度為10.8 m，實(shí)鉆煤層厚度與預(yù)測的煤層厚度對應(yīng)屬性值范圍基本吻合。

圖3 平均絕對振幅屬性及有利區(qū)劃分

3.2 瞬時頻率衰減梯度屬性預(yù)測煤層含氣量

以9號煤層頂部反射層為主要目標(biāo)層位，采用向上5 ms、向下13 ms開時窗提取瞬時頻率衰減梯度屬性，并結(jié)合已鉆井含氣量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)各井點(diǎn)處的瞬時頻率衰減梯度屬性值(圖4)與各井點(diǎn)煤層含氣量值(圖5)存在明顯的負(fù)相關(guān)性。

圖4 各井點(diǎn)9號煤層頂部瞬時頻率衰減梯度值

圖5 各井點(diǎn)9號煤層含氣量

利用得到的瞬時頻率衰減梯度屬性預(yù)測研究區(qū)塊9號煤層含氣量分布情況(圖6)，通過已鉆井的煤層含氣量和井點(diǎn)處的瞬時頻率衰減梯度屬性值，結(jié)合成藏條件可知，平面分布上在瞬時頻率衰減梯度屬性值處于-100～500的范圍內(nèi)屬于有利區(qū)帶，以此對全區(qū)的煤層含氣量分布有利區(qū)進(jìn)行分區(qū)預(yù)測和劃分，基本上也劃分了4個較大的有利區(qū)帶。2021年底的新鉆井W 1井(位于北部洼槽帶)和W 2井(位于中央鼻隆帶)均位于預(yù)測的煤層含氣量有利區(qū)范圍內(nèi)，W 1井實(shí)鉆的9號煤層測井解釋含氣量18.61 m3/t，W 2井實(shí)鉆的9號煤層測井解釋含氣量23.45 m3/t，實(shí)鉆井煤層含氣量與預(yù)測的煤層含氣量對應(yīng)屬性值范圍基本吻合。

圖6 瞬時頻率衰減梯度屬性及有利區(qū)劃分

但對比平均絕對振幅屬性預(yù)測結(jié)果，瞬時頻率衰減梯度屬性預(yù)測的含氣量有利區(qū)比基于煤層厚度預(yù)測的有利區(qū)范圍相對小一些，刻畫可更為精細(xì)，表明將平均絕對振幅屬性和瞬時頻率衰減梯度屬性兩者相結(jié)合，綜合分析應(yīng)用，對于有利區(qū)的預(yù)測效果更好。

4 結(jié) 論

(1)在勘探程度較低、井點(diǎn)稀疏的研究區(qū)塊，運(yùn)用地震多屬性預(yù)測技術(shù)，結(jié)合實(shí)鉆井資料，通過相關(guān)性分析，可以快速、高效、低成本地預(yù)測煤層厚度和含氣量情況，為煤層氣富集區(qū)研究打下基礎(chǔ)。

(2)在寧武盆地南部區(qū)塊，利用平均絕對振幅屬性可以定性預(yù)測煤層厚度，瞬時頻率衰減梯度屬性可以定性預(yù)測煤層含氣量。當(dāng)煤層厚度小于10 m時，平均絕對振幅屬性與煤層厚度在一定程度上為正相關(guān)，當(dāng)煤層厚度大于10 m時，兩者在一定程度上為負(fù)相關(guān)；瞬時頻率衰減梯度屬性與煤層含氣量表現(xiàn)為明顯的負(fù)相關(guān)性。

(3)任何單一屬性都不能完全適用于全區(qū)煤層厚度和含氣量的預(yù)測，應(yīng)該結(jié)合實(shí)鉆井具體資料，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)進(jìn)行預(yù)測和評估。地震多屬性預(yù)測綜合應(yīng)用，避免單一地震屬性預(yù)測的局限性，有助于降低預(yù)測的多解性，提高預(yù)測精度。