地震勘探技術在煤系非常規(guī)氣富集區(qū)預測中的應用

王樹威

地震勘探技術在煤系非常規(guī)氣富集區(qū)預測中的應用

王樹威

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了預測鄂爾多斯盆地東緣某勘探區(qū)煤系非常規(guī)氣的資源富集區(qū)，采用地震勘探方法在這一新領域進行預測。首先，利用疊后波阻抗反演技術對儲層進行巖性預測，通過波阻抗閾值得到樣點個數(shù)，再與采樣率計算出時間厚度，然后乘以巖層速度得到巖層厚度；其次，采用疊前AVO反演技術對儲層進行含氣性預測，經(jīng)過分析含氣飽和度與AVO相關屬性參數(shù)之間的關系，得出與有利含氣區(qū)敏感性最高的屬性特征。最后，把儲層厚度較厚和呈低擬泊松比屬性特征的區(qū)域劃定為各層含氣有利區(qū)，并對勘探區(qū)下石盒子組八段、山西組和本溪組的砂巖氣和頁巖氣進行了富集區(qū)預測，鉆井驗證效果較好。資源富集區(qū)的預測結果表明，地震勘探技術在該區(qū)域對煤系非常規(guī)氣這一新領域的預測是可行的，此方法對其他區(qū)域煤系非常規(guī)氣資源富集區(qū)的預測有借鑒意義。

鄂爾多斯盆地東緣；煤系非常規(guī)氣；波阻抗反演；AVO反演；低擬泊松比

鄂爾多斯盆地是我國第二大沉積盆地，其涵蓋陜甘寧三地，面積廣，達37萬km2[1]。作為中國具有“聚寶盆”之稱的重要能源基地，更有“上油下氣”的說法，其東緣煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣儲量都非常豐富。其四周群山懷抱，三面黃河環(huán)繞，西部和北部大漠荒原廣布，東部和南部黃土梁峁交錯。鄂爾多斯盆地東緣是我國目前煤層氣勘探開發(fā)的熱點地區(qū)之一，也是國內(nèi)開展煤系非常規(guī)氣勘探活動最早的地區(qū)之一[2]，其東緣蘊含著豐富的致密砂巖氣和頁巖氣資源，主要賦存于二疊系河道砂體中[3]。

20世紀70年代，美國頁巖氣研究已經(jīng)開展了三維地震勘探工作，并充分顯示出地球物理技術已經(jīng)成為頁巖氣勘探開發(fā)中必不可少的手段[4]。煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣等煤系非常規(guī)氣共生共存的現(xiàn)象已日趨受到業(yè)界的關注[5-6]。研究表明煤及富有機質泥頁巖為煤系非常規(guī)氣系統(tǒng)的烴源巖，致密砂巖的孔隙度最大，煤層次之，頁巖孔隙度最??；砂巖滲透率最大，比泥巖和煤層高很多；頁巖氣沿層面以順巖層運移[7-8]。目前，國家對煤系非常規(guī)氣的開發(fā)利用程度還很低，所以進行除了煤層氣以外的多氣聯(lián)合勘探開發(fā)具有顯著的經(jīng)濟和社會效益[9]。

21世紀以來，油田上對致密砂巖和頁巖的儲層含氣性富集區(qū)預測主要是針對疊前的地震資料，利用疊前的AVO(Amplitude Versus Offset，簡稱AVO)地震屬性及疊前彈性波阻抗進行含氣性預測研究，效果很好[10]。但是，針對煤系非常規(guī)氣中的砂巖氣和頁巖氣等資源富集區(qū)的地震勘探預測目前研究較少，進行的工程實例也很少，砂、頁巖氣儲層的巖石實驗分析技術及物理基礎研究還屬空白。本文結合鄂爾多斯盆地東緣某工區(qū)二維地震勘探實例，為實現(xiàn)多氣共探，針對鄂爾多斯盆地東緣儲層中的砂巖氣和頁巖氣富集區(qū)預測開展了地震勘探工作(主要將地震方法用于含氣儲層的分布、厚度及儲層物性、含氣性等方面預測)。

1 預測方法

煤系非常規(guī)氣富集區(qū)預測包含巖性預測和含氣性預測兩個方面。

巖性預測是通過疊后波阻抗反演技術實現(xiàn)的，以疊后地震資料為基礎，屬于振幅反演方法，它利用疊后地震反演來分析地震道，重建地層的速度和聲阻抗結構[11-12]。

含氣性預測是通過疊前AVO反演技術實現(xiàn)的，地震反射振幅隨炮檢距變化的研究是在疊前道集上分析振幅隨炮檢距的變化規(guī)律，估算巖石的彈性參數(shù)、分辨巖性和孔隙填充物，預測油氣資源量，主要是利用反射系數(shù)隨入射角變化的基本原理[13-14]。

1.1 巖性預測

目前，使用約束稀疏脈沖反演算法是一個趨勢，約束脈沖背景下的稀疏脈沖反演方法，其根本依據(jù)是假設地下的巖石界面中，強反射系數(shù)的界面是稀疏排列分布的，而不是連續(xù)分布的[15]。約束稀疏脈沖反演(Constrained Sparse Spike Inversion)的目標是利用約束井資料及地震反射系數(shù)建立聲波阻抗數(shù)據(jù)體[16]。

具體分為4個步驟：測井一致性校正、初始模型建立、反演子波提取和波阻抗數(shù)據(jù)體反演。首先利用各巖性在測井曲線上的響應差異，精細劃分出所選用井的煤層、砂巖、泥巖和頁巖所發(fā)育的位置。然后通過巖石物理分析，對波阻抗曲線，自然伽馬曲線以及巖性曲線等作交會分析，試圖得到區(qū)分目標巖性的曲線波阻抗屬性閾值。然后統(tǒng)計每個CDP點該層波阻抗閾值以上(或以下)樣點的個數(shù)，樣點個數(shù)×采樣率/2作為本層的時間厚度，再與巖層速度相乘得到巖層的厚度[17]。

1.2 含氣性預測

AVO是在疊前道集上對“振幅隨炮檢距變化”的特征進行分析，以此對巖石中孔隙流體的性質和巖性做出預測[18]。它的基本原理是平面波在分界面上的反射和透射理論。

具體步驟分為3個步驟：疊前道集分析及處理、儲層含氣性測井響應特征分析和梯度–截距屬性提取。通過分析截距和梯度的變化規(guī)律，了解儲層氣含量與AVO屬性之間的關系[19]。再利用疊前CRP道集，提取目的層AVO截距和梯度的屬性[10]。在分析了含氣井與非含氣井井旁道AVO響應特征的基礎上，擬泊松比(+)兩種屬性作為AVO流體因子敏感屬性檢測儲層的含氣性，最后提取井口位置的擬泊松比屬性特征。

2 應用研究

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部，區(qū)內(nèi)山高谷深、地形復雜[20]。研究區(qū)的地勢總體為東高西低，屬侵蝕較為強烈的梁峁狀黃土地貌?；鶐r地層僅出露于溝谷地帶，山頂、山梁大面積為黃土覆蓋?？碧絽^(qū)為二維工區(qū)，有4條二維測線。

2.1 處理思路

原始資料總體表現(xiàn)為：記錄面貌良好，大部分炮集記錄信噪比較好，但由于激發(fā)條件不同(有洛陽鏟打的土孔和山地鉆打的基巖孔)單炮之間的頻率變化較大；反射波信號很強，有效波頻率范圍為15~70 Hz，主頻約33 Hz。

根據(jù)地質任務要求做煤系非常規(guī)氣富集性預測，需要做AVO屬性分析及巖性反演，因此，在構造勘探基礎上，保幅處理是重中之重。需要在解決激發(fā)和接收條件不同帶來的振幅和頻率差異的基礎之上，同時得到較高的縱、橫向分辨率。

2.2 疊后反演及效果分析

勘探區(qū)煤層、砂巖、泥巖、灰?guī)r在物性與電性特征存在很大的差異，測井響應(GR、AC、RHOB、電阻率測井系列曲線)各異，以T-01井為例(圖1)，煤層表現(xiàn)為低密度與高聲波時差(最顯著特征)、低自然伽馬、高電阻率；泥巖為高自然伽馬(區(qū)別于煤、砂巖、灰?guī)r的最顯著特征)、電阻率一般較低；砂巖為低自然伽馬(一般呈箱型、鐘型、漏斗型、指狀)、與泥巖相比高電阻率、高縱波速度、高孔隙率；灰?guī)r表現(xiàn)為極低的自然伽馬與極高的電阻率(顯著特征)、高縱波速度、較高的密度。

首先利用各巖性在測井曲線上的響應差異，精細劃分出所選用井的煤層、砂巖、泥巖所發(fā)育的位置。然后通過巖石物理分析，對工區(qū)內(nèi)各井孔的波阻抗曲線，自然伽馬曲線以及巖性曲線等作交會分析，找到區(qū)分目標巖性的曲線波阻抗屬性閾值[21]。

在下石盒子組、山西組和本溪組時窗內(nèi)，分別得到井孔自然伽馬曲線與波阻抗曲線的交會圖(圖2)，從圖2可見波阻抗參數(shù)在各個層組內(nèi)均能區(qū)分砂巖和泥巖，但是閾值不相同，隨著埋深增大波阻抗閾值逐漸增大，符合常規(guī)的地質認識。所以也可以通過波阻抗反演獲取各地層砂巖、頁巖的分布，并求取其厚度。

圖1 T-01井各測井曲線相應特征示意圖

圖2 不同地層自然伽馬與波阻抗交會圖

根據(jù)各個層段的自然伽馬與波阻抗交會分析得到表1。預測巖層厚度的基本方法是統(tǒng)計每個CDP點該層波阻抗閾值以上(或以下)樣點的個數(shù)，樣點個數(shù)×采樣率/2作為本層的時間厚度，再與巖層速度相乘得到巖層的厚度。

表1 巖層波阻抗范圍統(tǒng)計

圖3為區(qū)內(nèi)主測線D1線下石盒子組八段–本溪組的巖性預測剖面圖，圖中分別標出了各地層砂、頁巖的位置，該圖反映了下石盒子組八段、山西組和本溪組含氣層的分布特征和厚度變化趨勢?？梢钥闯?，D1線含氣層整體埋深及厚度是西部大于東部。

2.3 疊前AVO反演及效果分析

通過測井資料對比，利用研究區(qū)內(nèi)有含水飽和度的測井成果資料，分析該區(qū)含水飽和度與儲層密度、聲波時差和泊松比之間的關系，為儲層含氣性預測提供理論基礎，圖4為下石盒子組八段含水飽和度分別與聲波時差、密度和泊松比的交會圖。從圖中可以看出，聲波時差隨含水飽和度的增大而減小，這意味著地層速度隨含水飽和度的增大而增大，密度隨含水飽和度的增大而增大，泊松比隨含水飽和度的增大而減小。基于AVO可以得到截距和梯度屬性，通過分析含氣飽和度與AVO的關系，對儲層含氣性進行反演預測。

圖3 D1線巖層厚度預測剖面(下石盒子組八段–本溪組)

圖4 下石盒子組八段含水飽和度與彈性參數(shù)交會圖

分析截距和梯度的變化規(guī)律，了解儲層含量與AVO屬性之間的關系。利用疊前CRP道集，提取了目的層的AVO截距和梯度屬性。在分析了含氣井與非含氣井井旁道AVO響應特征的基礎上，擬泊松比(+)兩種屬性作為AVO流體因子敏感屬性檢測儲層的含氣性。提取井口位置的擬泊松比屬性特征，認為有利含氣區(qū)呈低擬泊松比特征。

2.4 儲層含氣量預測

通過以上對AVO屬性和含氣性之間的理論關系可知，儲層AVO異常能反映區(qū)域含氣量的大小，儲層AVO異常越強，表明區(qū)域含氣量越高；相反，儲層AVO異常越弱，表明區(qū)域含氣量越低，因此，可以利用AVO理論來預測區(qū)域含氣量：當儲層含氣量越大，擬泊松比值越小，儲層含氣量越小，擬泊松比值越大。圖5為下石盒子組八段、山西組和本溪組等各測線擬泊松比屬性圖，圖中冷色調(diào)代表擬泊松比值高，則含氣量??；暖色調(diào)代表擬泊松比值低，則含氣量大。

2.5 含氣富集區(qū)預測

影響儲層含氣富集區(qū)分布的主要因素是儲層含氣飽和度和儲層厚度，最終結合儲層含氣性和儲層厚度對資源富集區(qū)進行了預測分析。

圖5 測區(qū)不同地層擬泊松比屬性圖

圖6為下石盒子組八段、山西組、本溪組各測線擬泊松比屬性與儲層厚度趨勢疊合圖，根據(jù)低擬泊松比區(qū)域及儲層厚度較厚區(qū)域劃定各層含氣有利區(qū)。主測線D2線西側小號頭為下石盒子組八段資源富集區(qū)，主測線D2線西部和中部為山西組資源富集區(qū)，主測線D2線西北角為本溪組資源富集區(qū)。

圖6 測區(qū)不同組擬泊松比–砂巖厚度疊合圖

2.6 預測區(qū)驗證

D2線西側施工了3個鉆孔SX-001、SX-002和SX-012，其中SX-001和SX-012在下石盒子組八段、山西組和本溪組均見氣，SX-002僅在本溪組見氣。分析原因可能是主測線D2線區(qū)外的構造引起，SX-001和SX-012位于D2線南側，SX-002位于D2線北側，推測北側區(qū)外有大的斷層存在。3個驗證孔均見氣，驗證效果較好。

3 結論

a. 以地震疊后資料及已知測井曲線為基礎，通過疊后波阻抗反演技術，實現(xiàn)巖性預測；通過二維地震疊前道集AVO反演技術，實現(xiàn)了儲層的含氣性預測。結合二者得出低擬泊松比及儲層厚度較厚區(qū)域可劃定為各砂巖層和頁巖層含氣有利區(qū)。

b.鄂爾多斯盆地東緣煤層氣地震勘探預測研究較多，此次針對煤系非常規(guī)氣中砂巖氣和頁巖氣利用地震勘探方法建立了系統(tǒng)的預測流程，該方法預測結果與鉆孔揭露基本一致。

c.實際資料應用表明，該方法在鄂爾多斯盆地東緣煤系非常規(guī)氣富集區(qū)預測中具有一定的適用性，能夠為其他區(qū)域煤系非常規(guī)氣地震勘探預測提供借鑒。

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Application of seismic exploration technology in forecasting unconventional gas enrichment area of coal measures

WANG Shuwei

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

For forecasting unconventional gas enrichment area in coal measures of eastern Ordos basin, seismic exploration was used to forecast the gas in this new field. First of all, it took the post-stack impedance inversion to forecast the lithology of the reservoir, it can get the number of sample points from the impedance threshold, and get the thickness of time by calculating the sampling rate, after that it can get the strata thickness by multiplying the thickness of time and the velocities of strata; second, it took the pre-stack AVO inversion to forecast the lithology gas-bearing properties of the reservoir, based on analyzing the relationship between gas saturation and the related AVO attribute parameters, we got the most sensitive attribute parameter of the favorable gas bearing areas. At last, it took the thicker reservoir and the low pseudo-Poisson’s ratio attribute feature as the favorable gas bearing areas, and it forecasted the enrichment area of sandstone gas and shale gas in eighth member of Shihezi Formation, Shanxi Formation and Benxi Formation of the exploration area, and drilling verified that the effect is good. The result of forecasting the enrichment area shows that seismic exploration forecasting this new field of unconventional gas enrichment area in coal measures in this region is feasible, and this method has a reference meaning for forecasting unconventional gas enrichment area in coal measures in other areas.

eastern Ordos basin; unconventional gas in coal measures; impedance inversion; AVO inversion; low pseudo-Poisson’s ratio

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.024

1001-1986(2019)04-0159-06

2019-01-15

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2017XAYZD10，2013XAYCX018)

Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2017XAYZD10，2013XAYCX018)

王樹威，1985年生，男，河南鄭州人，助理研究員，碩士，從事煤田地震勘探及煤田地質工作. E-mail：330277318@qq.com

王樹威. 地震勘探技術在煤系非常規(guī)氣富集區(qū)預測中的應用[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(4)：159–164.

WANG Shuwei. Application of seismic exploration technology in forecasting unconventional gas enrichment area of coal measures[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：159–164.

(責任編輯 聶愛蘭)