基于地震屬性優(yōu)選技術(shù)的煤層氣開發(fā)單元?jiǎng)澐?/h1>

2024-03-06 08:59:40張武昌李可心任智劍喬茂坡

煤礦安全訂閱 2024年2期 收藏

關(guān)鍵詞：產(chǎn)量

李 俊 ，張 聰 ，張武昌 ，李可心 ，張 慧 ，任智劍 ，喬茂坡

（華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 長治 046000）

沁水盆地南部煤層氣田于2006 年開始規(guī)模開發(fā)。通過開發(fā)實(shí)踐表明，煤層氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，呈現(xiàn)出井間產(chǎn)量差異大的現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在不同井組之間產(chǎn)量差異大、同一井組內(nèi)不同單井產(chǎn)量差異也比較大。而這些井基本上采用了相同的壓裂改造工藝、排采管控方法，分析認(rèn)為造成開發(fā)效果差異性的主要原因?yàn)閮?chǔ)層因素。而開發(fā)單元的劃分在儲(chǔ)層評價(jià)及井位部署方面具有重要作用，精細(xì)的開發(fā)單元，能夠有效避免低產(chǎn)井的比例。不同專家學(xué)者也對煤層氣開發(fā)單元?jiǎng)澐诌M(jìn)行了較為詳細(xì)、深入的研究。主要是基于鉆探、測井、地震等資料，通過對煤儲(chǔ)層厚度、含氣量、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而通過一定的數(shù)學(xué)方法，建立綜合評價(jià)指標(biāo)體系，利用該指標(biāo)的分布特征，劃分開發(fā)單元與有利區(qū)帶[1-4]。倪小明等[5]提出了利用“多層次模糊綜合評價(jià)+多參數(shù)疊加”的開發(fā)單元的劃分方法；陳博等[6]通過建立煤層氣藏地質(zhì)模型，厘清煤儲(chǔ)層在空間上的展布特征，進(jìn)而得出了煤層氣選區(qū)、布井的依據(jù)。通過長期的開發(fā)實(shí)踐，認(rèn)為該類方法主要存在以下3 個(gè)難點(diǎn)：①儲(chǔ)層參數(shù)的平面非均質(zhì)性較強(qiáng)，利用僅有的測井參數(shù)無法反映出儲(chǔ)層的平面連續(xù)變化；②綜合評價(jià)指標(biāo)的建立主要依賴于各項(xiàng)儲(chǔ)層參數(shù)與開發(fā)效果的相關(guān)性，然而，在實(shí)際開發(fā)中，產(chǎn)量受控因素復(fù)雜，選定的單一儲(chǔ)層參數(shù)與產(chǎn)量之間難于建立較準(zhǔn)確的定量關(guān)系；③在生產(chǎn)過程中，煤層氣開發(fā)一般遵循低成本開發(fā)的理念，部分儲(chǔ)層參數(shù)并不易獲取，如滲透率、含氣量等，只是少量評價(jià)井有詳細(xì)參數(shù)，但對于非均質(zhì)性較強(qiáng)的煤儲(chǔ)層而言，是無法滿足預(yù)測需求的。而地震資料可以反映地層在平面上的連續(xù)變化，地震屬性參數(shù)可反映出地層的巖性或物性的變化，利用地震屬性來預(yù)測煤儲(chǔ)層性質(zhì)的重要手段[7]。目前利用地震屬性技術(shù)指導(dǎo)煤層氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo)還是預(yù)測儲(chǔ)層的某單一參數(shù)，例如預(yù)測煤層厚度、含氣量、煤體結(jié)構(gòu)等。然而，煤層氣井的產(chǎn)氣量影響因素較為復(fù)雜，往往是多因素共同影響的結(jié)果，通過地震屬性預(yù)測某單一參數(shù)的分布可能對煤層氣井的高效開發(fā)指導(dǎo)性仍然較弱。為此，基于前期的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與地震資料的結(jié)合，直接建立了地震屬性與開發(fā)井產(chǎn)量的關(guān)系，通過地震屬性優(yōu)選來劃分開發(fā)單元，為有利區(qū)的預(yù)測提供可靠支撐；該方法充分利用了地震數(shù)據(jù)在平面上的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的全覆蓋，并結(jié)合了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可較好的指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 研究方法及內(nèi)容

1.1 主要思路及流程

利用地震屬性劃分開發(fā)單元流程圖如圖1。

圖1 利用地震屬性劃分開發(fā)單元流程圖Fig.1 Flow chart of development units division by seismic attributes

首先針對目標(biāo)煤層進(jìn)行層位解釋，為提取地震層屬性提供基礎(chǔ)；然后選擇合適的時(shí)窗，提取地震層屬性，將提取的多種地震屬性與產(chǎn)量樣本進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)選出與產(chǎn)量相關(guān)性最強(qiáng)的地震屬性，對優(yōu)選的地震屬性與產(chǎn)量分別進(jìn)行相關(guān)性擬合，計(jì)算出與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)；最后對優(yōu)選的屬性進(jìn)行融合，形成一個(gè)綜合屬性，利用綜合屬性進(jìn)行開發(fā)單元的劃分，優(yōu)選甜點(diǎn)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備——建立樣本與提取屬性

樣本是指產(chǎn)量樣本，通過在研究區(qū)內(nèi)優(yōu)選具有代表性的產(chǎn)氣量樣本（所選擇的單井均為直井，且壓裂改造工藝及參數(shù)、排采方式均相同），可以剔除壓裂、排采等影響產(chǎn)量差異的外在因素；因此造成樣本中產(chǎn)量的差異主要影響因素為儲(chǔ)層參數(shù)，以最大程度的反應(yīng)地震屬性與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系。

地震屬性能夠有效挖掘隱藏于地下的有用信息，并將其轉(zhuǎn)化為與儲(chǔ)層相關(guān)的參數(shù)，直接為儲(chǔ)層描述服務(wù)。沿解釋的層位，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)窗范圍，將地震屬性提取出來，可以較好地反映出地層的變化特征。但可提取的地震屬性多達(dá)上百種，常見的主要包括相干、曲率、螞蟻體、振幅類等，其中每一類又包含若干子類，例如曲率包含平均曲率、高斯曲率、正大正曲率、最小負(fù)曲率等。

1.3 地震屬性優(yōu)選

不同的地震屬性是對原始地震資料進(jìn)行不同的算法計(jì)算得出的結(jié)果，可反映不同的地層信息。

相干體技術(shù)是用于描述斷裂和地層特征的一種解釋性處理技術(shù)，相干性是地震道之間相似性的度量，主要分析以目標(biāo)點(diǎn)為中心的時(shí)窗內(nèi)相鄰地震道波形的相似性，可判斷地層的連續(xù)性，即利用波形之間的相似性反映地層的連續(xù)性特征，以此指示斷裂、地層巖性突變和特殊地質(zhì)體的發(fā)育區(qū)[8]。相似性越弱，相干屬性值越小，表示可能發(fā)育斷層、裂縫等。

曲率屬性是描述曲線上任一點(diǎn)的彎曲程度，構(gòu)造曲率是根據(jù)解釋的層位計(jì)算得到的地層的曲率。曲率屬性值越大，表明地層彎曲程度越大。

煤層在地震剖面上一般表現(xiàn)為強(qiáng)振幅。振幅類屬性一般包含均方根振幅、平均絕對值振幅、最大峰值振幅等。不同類的振幅屬性均是以地震波形的振幅值為基礎(chǔ)，通過不同的算法求得的。儲(chǔ)層含氣量、煤體結(jié)構(gòu)、厚度等參數(shù)與振幅具有一定的相關(guān)性[9-10]，一般來說，振幅與儲(chǔ)層參數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)性，能夠反映儲(chǔ)層的綜合性信息，振幅越強(qiáng)，儲(chǔ)層越有利。例如均方根振幅是以一定的采樣間隔在波形上取點(diǎn)，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的振幅平方，然后，將所有采樣點(diǎn)的振幅平方值疊加后求平均值，最后開平方得到均方根振幅，是常用的振幅屬性之一。

在分析時(shí)，并不需要將所有屬性進(jìn)行分析，從繁多的屬性中優(yōu)選出有效的屬性信息便顯得尤為重要[11]，地震屬性優(yōu)選的目的就是從1 組維數(shù)為D的地震屬性中選擇出維數(shù)為d（D>d）的1 組最優(yōu)地震屬性。地震屬性優(yōu)選有多種算法[12]，包括搜索算法和指標(biāo)權(quán)重法；但最優(yōu)搜索算法（窮舉法）往往計(jì)算量過大，本次利用指標(biāo)權(quán)重法進(jìn)行地震屬性的優(yōu)選。

指標(biāo)權(quán)重法其主要原理是根據(jù)建立的類別樣本，定量地對各屬性按權(quán)重大小排序，然后保留權(quán)重大的屬性，去掉權(quán)重小的屬性。主要計(jì)算方法如下：

設(shè)類別樣本{xn}有J個(gè)地震屬性，xn可表示為xn=（xn1，···，xnJ），樣本分為K類C1、C2、···、CK，其中K≥2。計(jì)算方法如下：

第1 步：計(jì)算各類的類中心mk，式中：nk為屬于第k類的樣本個(gè)數(shù)。

把權(quán)重 ωj按照從大到小排列，定義累計(jì)權(quán)重達(dá)到85%以上對應(yīng)的屬性個(gè)數(shù)即為選擇的屬性數(shù)d。

通過地震屬性優(yōu)選后，可以得出累計(jì)權(quán)重達(dá)到85%以上的若干屬性。為進(jìn)一步強(qiáng)化地震屬性與產(chǎn)量的關(guān)系，需要運(yùn)用多屬性聯(lián)合預(yù)測，可有效提高有利區(qū)的預(yù)測精度[13]。以優(yōu)選的地震屬性為基礎(chǔ)，通過對屬性與產(chǎn)量的交會(huì)擬合，計(jì)算出每個(gè)屬性與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)。通過歸一化處理后，將優(yōu)化后的若干屬性進(jìn)行計(jì)算融合，形成新的“綜合屬性”，來進(jìn)行開發(fā)單元的劃分，并預(yù)測有利區(qū)。

2 地震屬性優(yōu)選技術(shù)在樊莊區(qū)塊的應(yīng)用

樊莊區(qū)塊位于沁水盆地南部，以寺頭斷層為界，斷層?xùn)|側(cè)為樊莊區(qū)塊，西側(cè)為鄭莊區(qū)塊。區(qū)內(nèi)主力煤層氣層為二疊系山西組3 號煤層，最大鏡質(zhì)組反射率一般在3.1%～3.9%之間，平均3.6%，屬于高煤階；3 號煤穩(wěn)定分布，厚度一般在5～7 m，平均6 m；埋深一般在400～1 000 m，平均含氣量達(dá)20 m3/t，整體較高。滲透率普遍低于1×10-15m，屬于低滲煤層氣儲(chǔ)層。區(qū)內(nèi)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，構(gòu)造較復(fù)雜，局部褶曲、小斷層較發(fā)育。因此，煤層在平面和縱向上均呈現(xiàn)出非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，進(jìn)而影響了開發(fā)效果[14-18]。開發(fā)實(shí)踐來看，樊莊區(qū)塊取得了較好的開發(fā)效果，但是仍然呈現(xiàn)井間差異大、低產(chǎn)井比例高的特征。

2.1 樊莊區(qū)塊數(shù)據(jù)準(zhǔn)備——建立樣本與提取屬性

按照上述建立樣本的原則，建立了3 號煤的產(chǎn)量樣本。通過整理單井產(chǎn)量，形成單井產(chǎn)量的散點(diǎn)樣本，并降散點(diǎn)樣本表示在平面圖上。研究區(qū)產(chǎn)量樣本分布如圖2。

圖2 研究區(qū)產(chǎn)量樣本分布Fig.2 Distribution of production samples in the study area

樣本數(shù)為115 個(gè)，可將樣本分為4 類：①日產(chǎn)氣量<500 m3的井定義為低產(chǎn)氣類；②日產(chǎn)氣量介于500～1 500 m3定義為中產(chǎn)氣類；③日產(chǎn)氣量介于1 500～3 000 m3井定義為較高產(chǎn)氣類；④日產(chǎn)氣量>3 000 m3井定義為最高產(chǎn)氣類。

在對研究區(qū)3 號煤層位精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上，沿煤層提取3 號煤的地震屬性，提取原則：①選擇具有物理意義的屬性：即該屬性在現(xiàn)有條件下要能夠反映儲(chǔ)層的特征及變化；②能反映相同物理意義的屬性不要同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)敏感屬性集中[19]：主要包括相干、構(gòu)造曲率、振幅曲率、方差、能量梯度、均方根振幅、平均絕對值振幅、傾角、瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)相位等，共計(jì)10 種。

2.2 地震屬性優(yōu)選

在本次計(jì)算過程中，按照指標(biāo)權(quán)重法計(jì)算方式，J=10，K=4，n1= 2，n2=17，n3=55，n4=48。利用Geoeast 軟件屬性分析模塊中的指標(biāo)權(quán)重法，進(jìn)行了屬性優(yōu)選計(jì)算。最終累積貢獻(xiàn)率大于85%對應(yīng)的屬性個(gè)數(shù)為2 個(gè)，分別為均方根振幅、相干，貢獻(xiàn)率分別為58.91%、29.51%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到88.42%。地震屬性相關(guān)性計(jì)算結(jié)果如圖3（圖中：Ⅰ—均方根振幅；Ⅱ—相干；Ⅲ—曲率；Ⅳ—平均反射強(qiáng)度；Ⅴ—瞬時(shí)頻率；Ⅵ—品質(zhì)因子；Ⅶ—平均能量強(qiáng)度；Ⅷ—瞬時(shí)相位；Ⅸ—方差；Ⅹ—中間頻率響應(yīng)）。

圖3 地震屬性相關(guān)性計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of seismic attribute correlation

為進(jìn)一步分析各種屬性與產(chǎn)量的關(guān)系，對各單井的產(chǎn)量分別與均方根振幅、相干2 種屬性進(jìn)行了擬合；進(jìn)而得出優(yōu)選的地震屬性，優(yōu)選的地震屬性分布圖如圖4。

圖4 優(yōu)選的地震屬性分布圖Fig.4 Distribution of preferred seismic attributes

可以看出：①由于相干屬性主要反映了斷層及微斷裂的空間分布特征，在斷層或微斷裂附近，煤層甲烷逸散嚴(yán)重，含氣量顯著下降，導(dǎo)致低產(chǎn)（圖4（a）），然而，目前對不同規(guī)模斷層的影響距離仍無法做出定量的表征，通過本次相干屬性與產(chǎn)量的關(guān)系，可以較好的解決這一問題，即通過研究區(qū)的相干屬性低值與產(chǎn)量低值的重疊區(qū)，來確定斷層影響區(qū)，該區(qū)域內(nèi)受斷層影響，含氣量降低，為低產(chǎn)區(qū)；②均方根振幅值與產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，尤其對于相干屬性值>125 的較高值區(qū)，利用相干屬性難于反應(yīng)儲(chǔ)層微小差異，與產(chǎn)量相關(guān)性也變?nèi)?，便可以利用均方根振幅來區(qū)分，在地震屬性平面分布圖上也可以看出（圖4（a）與圖4（b）中圈中部分）。

因此認(rèn)為，相干屬性可以很好地判識斷層影響范圍內(nèi)的低產(chǎn)區(qū)，均方根振幅屬性還可以較好地區(qū)分出中高產(chǎn)區(qū)。

2.3 多屬性聯(lián)合預(yù)測有利區(qū)

優(yōu)選屬性與日產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 優(yōu)選屬性與日產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of correlation degree between preferred attributes and daily output

通過優(yōu)選屬性與日產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計(jì)表（表1），均方根振幅和相干屬性與日產(chǎn)氣量的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.196 9、0.239 9，歸一化處理后，對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)分別為0.451、0.549。再利用Min～Max 標(biāo)準(zhǔn)化方法對地震屬性值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。最終，得出綜合屬性U的計(jì)算公式：

式中：U為綜合屬性；U1為均方根振幅屬性值；U2為相干屬性值。

通過對地震屬性進(jìn)行計(jì)算，并等值線處理后，形成了綜合屬性分布圖。再通過綜合屬性與日產(chǎn)氣量進(jìn)行交會(huì)分析，建立了日產(chǎn)氣量與綜合屬性的計(jì)算公式，得到綜合屬性與日產(chǎn)氣量交會(huì)圖。綜合屬性分布圖如圖5，綜合屬性與日產(chǎn)氣量交會(huì)圖如圖6。

圖5 綜合屬性分布圖Fig.5 Distribution of comprehensive attribute

圖6 綜合屬性與日產(chǎn)氣量交會(huì)圖Fig.6 Intersection diagram of comprehensive attributes and daily gas production

可以看出：綜合屬性與日產(chǎn)氣量的相關(guān)性得到了加強(qiáng)，關(guān)聯(lián)度提高至0.506 2?？梢詫⒀芯繀^(qū)分為不產(chǎn)氣區(qū)、低產(chǎn)區(qū)、中產(chǎn)區(qū)、高產(chǎn)區(qū)4 個(gè)區(qū)域：①圖5 中藍(lán)色區(qū)域（U值小于0.5）為不產(chǎn)氣區(qū)；②圖5 中綠色區(qū)域（U值介于0.5～0.6）為低產(chǎn)氣區(qū)，日產(chǎn)氣量一般在100～800 m3；③圖5 中黃色區(qū)域（U值介于0.6～0.8）為中產(chǎn)區(qū)，日產(chǎn)氣量一般在500～2 500 m3；④圖5 中紅色區(qū)域（U值大于0.8）為高產(chǎn)區(qū)，日產(chǎn)氣量一般在1 500 m3以上。

通過有利區(qū)劃分，可以實(shí)現(xiàn)高效的井位部署，提高研究區(qū)的整體開發(fā)效果：紅色區(qū)域是甜點(diǎn)區(qū)，是井位部署的首選區(qū)；其次，黃色區(qū)域?yàn)殚_發(fā)較好區(qū)域，也是井位部署的考慮區(qū)域；綠色和藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈彤a(chǎn)區(qū)域，不利于開發(fā)，應(yīng)避免將井位部署在該類區(qū)域。

3 結(jié) 語

對于已開發(fā)區(qū)的煤層氣區(qū)塊，為進(jìn)一步精確預(yù)測有利區(qū)，指導(dǎo)后期井位優(yōu)化部署和高效開發(fā)，將地震屬性資料與開發(fā)資料相結(jié)合分析的方法是十分必要的。

1）煤層氣井間產(chǎn)氣效果差異性大，儲(chǔ)層平面非均質(zhì)性較強(qiáng)，利用測井參數(shù)無法連續(xù)地描述儲(chǔ)層的平面特征，不能滿足儲(chǔ)層強(qiáng)烈非均質(zhì)性的分析要求。

2）利用地震資料在平面上具有連續(xù)分布的優(yōu)勢，結(jié)合大量的生產(chǎn)開發(fā)數(shù)據(jù)，建立了地震屬性與產(chǎn)量的關(guān)系。通過相干屬性分析顯示：相干屬性低值與產(chǎn)量低值區(qū)重疊，可更精細(xì)的描述斷層及微斷裂的空間分布特征，為定量描述斷層的影響范圍提供了一種較好的解決方法。均方根振幅與產(chǎn)氣量擬合顯示：均方根振幅值與產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，可以較好地區(qū)分中高產(chǎn)區(qū)的儲(chǔ)層差異性。

3）通過指標(biāo)權(quán)重法，優(yōu)選了與產(chǎn)量相關(guān)性較強(qiáng)的均方根振幅屬性與相干屬性，并通過多屬性聯(lián)合預(yù)測方法，形成綜合屬性圖，較客觀、準(zhǔn)確地劃分了開發(fā)單元，可以有效指導(dǎo)后期井位的優(yōu)化部署。

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