沁水盆地煤層氣地震儲層預測技術方法研究

馮小英 秦鳳啟 焦 勇 王 亞 汪 劍 唐鈺童

(1. 長江大學, 湖北 434023; 2. 華北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 062552;3. 華北油田公司煤層氣勘探開發分公司, 山西 048000)

沁水盆地煤層氣地震儲層預測技術方法研究

馮小英1,2秦鳳啟2焦 勇2王 亞2汪 劍2唐鈺童3

(1. 長江大學, 湖北 434023; 2. 華北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 062552;3. 華北油田公司煤層氣勘探開發分公司, 山西 048000)

隨著三維地震勘探技術在沁水盆地鄭莊煤層氣示范區的實施, 煤層氣地震儲層預測技術方法研究得以更好的開展。采用巖石地球物理分析、拓頻、分頻及波阻抗模型反演等方法, 開展了煤層分布范圍、厚度變化的預測, 采用正演模擬、地震頻率衰減及弧長屬性計算等方法, 開展煤層氣富集區預測。鄭莊煤層氣示范區三維地震儲層預測效果明顯, 為井位部署、儲量計算、開發方案設計及生產井網調整提供了可靠依據。

地震儲層預測 巖石地球物理分析 分頻 拓頻 波阻抗模型反演 正演模擬

1 概況

沁水盆地屬華北石炭—二疊紀聚煤盆地。鄭莊示范區位于沁水盆地的南段, 主要煤系地層為石炭系太原組及二疊系山西組, 其中, 山西組的3#煤層及太原組的15#煤層是本區最重要的產煤層。本文以3#煤為例介紹煤層氣地震儲層預測的技術、方法及其應用效果。

2 預測難點與攻關思路

2．1 地質條件

示范區3#煤層一般埋深500～850m, 厚度為4～10m, 分布穩定, 構造相對平緩, 為三角洲平原相的沼澤微相產物; 3#煤質好, 熱演化程度高,屬高煤階無煙煤, 鏡質組含量66%～97%, 灰分8%～15%; 3#煤層孔隙以微孔為主, 發育了少量的中孔和大孔, 孔隙中值半徑0．02～63．57μm、孔隙度3．8～4．3%, 滲透率0．136～3．42mD, 晉試1井電鏡掃描結果顯示, 割理密度約500 條/m, 寬約1μm, 煤層微裂縫發育, 滲透性較好, 為特低孔特低滲裂縫性非常規儲層, 并為自生自儲; 3#煤層含氣量一般為12～23m3/t , 最高近40m3/t , 含氣飽和度90%～98%, 屬高飽和、高含氣吸附型氣藏。

2．2 巖石地球物理特征

2．2．1 巖石測井響應特征

通過對示范區內20 多口井的巖石測井特征統計, 得到了該區3#煤層及其上下致密砂巖及泥巖圍巖的巖石測井特征值表 (見表1) , 由表可以看出： ①3#煤層上下致密砂巖及泥巖圍巖較為致密,表現為高速度高密度, 為3#煤層構成了良好的封堵條件; ②3#煤層測井曲線特征明顯, 具有“三高二低”的曲線特征。即高電阻、高中子、高時差, 低密度、低伽瑪; ③煤層厚度大小對其巖石測井參數值影響較大, 煤層越厚, 密度值越低, 電阻值越高。

表1 鄭莊示范區巖石測井物理參數統計表

2．2．2 巖石地震反射特征

示范區石炭系太原組至二疊系山西組煤系地層的地震反射特征表現為四個強相位組合 (見圖1) ,20 多口井的合成地震記錄標定結果表明： 第一個強相位是下石盒子底界反射, 3#煤層頂界位于其下波谷負峰處; 第二個強相位反射最強最連續, 其正波峰處是3#煤層的底界反射, 該軸為復合波顯示; 第三個強相位是15#煤層上面的薄層灰巖蓋層的反射, 15#煤層頂界位于其下波谷負峰處; 第四個強相位是基底奧陶系灰巖頂面的反射。此外, 三維地震資料目的層段頻譜特征： 頻帶范圍10～75Hz, 主頻為40Hz, 頻帶較寬, 主頻較高, 大于1個倍頻程, 地震信號滿足儲層預測的要求。

圖1 鄭莊示范區過井地震剖面

2．3 難點與思路

通過對本區地震、地質條件的分析, 認為儲層預測主要存在難點如下： 一是現有地震資料3#煤層段的主頻40Hz, 層速度在2400～2600m/s 左右,地震可識別的厚度約為15～30m (相當1/4 波長) ,而3#煤層厚度為4～10m, 地震資料難以分辨3#煤層; 二是受垂向分辨率的影響, 幾套薄層干涉形成復合地震波, 難以準確標定某一薄層; 三是煤層為裂縫性儲層, 非均質較強, 對煤層物性的預測難度較大; 四是煤層與含氣煤層的測井差異小, 加大了含氣煤層的預測難度。

針對以上預測難點, 制定了通過正演模擬來確定煤層含氣后地震響應特征為重點的攻關思路框架圖 (見圖2) 。

圖2 煤層氣儲層預測攻關思路框架圖

3 技術實現

3．1 譜白化拓頻處理技術應用

研究成果表明： 決定地震分辨率的是振幅譜的絕對寬度B (高截頻f2與低截頻f1的差值) 。B 越大, 則子波越短, 即分辨越高; B 越小, 則子波越長, 分辨率越小; 如果B 不變, 則不論主頻如何,分辨率不變。因此, 提高分辨率必須使B 值盡可能大, 即通過保留低頻成分, 降f1, 或拓寬高頻成分, 增大f2, 來增加B, 以提高地震分辨率。

圖3 鄭莊示范區過井地震拓頻后剖面

譜白化拓頻處理是利用分頻掃描來調查各頻段的信噪比, 并將信噪比大于1 的頻帶, 通過反褶積或譜白化盡量撿平抬升起來, 將地震高、低頻段的有效信號最大限量的提取出來。使f2增大, 則B增加, 有效信號的頻帶得到拓寬, 以此提高地震資料的分辨率。

在本次研究中, 對目的層段使用了譜白化拓頻處理, 處理過程中, 對信噪比大于1 的頻帶進行譜白化處理, 將地震資料主頻從40Hz 提高到60Hz,有效頻帶從10～75Hz 拓展到8～95Hz。B 值由65Hz增加到87Hz, 由圖3 可知, 經譜白化拓頻處理后的地震剖面, 圖1 中的第二個復合強相位得到剝離, 3#煤層反射變得更加清晰, 地震資料的分辨率得到提高。井震標定表明, 經過拓頻處理的地震反射同相軸與合成地震記錄吻合較好, 并且原構造形態保持不變, 說明經過譜白化拓頻處理的地震資料真實可靠, 能客觀反映地下地質情況, 可用于地震解釋和儲層預測。

3．2 頻譜分解技術應用

頻譜分解技術是基于頻率譜分解的儲層特色解釋技術, 它利用傅氏變換或小波變換, 把三維地震數據分解成一系列單一頻率的能量數據體、相位數據體。在某一頻率下, 那些具有相似聲學特征和厚度的儲層產生調諧作用, 使得能量增強, 以此預測儲巖的平面展布特征及厚度變化。在相位數據體上, 通過相位的變化顯示了地質體的橫向不連續性。對3#煤層段上5ms 下15ms 時窗進行了頻譜分解成像。由于3#煤層分布穩定, 平均厚度為4．7～6．5m, 速度約2400～2600m/s, 分析認為其調諧頻率約為70Hz, 從65Hz、70Hz、75Hz 分頻能量數據體 (見圖4) 變化可以看出： 70Hz 調諧能量最大,且全區分布, 大于或小于這個頻率, 能量都減弱,這表明示范區煤層在5～7m 左右, 且分布較穩定。這與研究區實際情況相吻合, 表明頻譜分解技術針對薄儲層的適用性較好。

圖4 鄭莊示范區3#煤層段分頻能量數據體切片圖

3．3 測井約束波阻抗模型反演

由表1 及波阻抗交會 (見圖5) 分析可知, 該區目的層段煤層為低波阻抗, 波阻抗門檻值為3000～6000m．g/s．cm3, 致密砂巖的波阻抗略高于泥巖波阻抗, 門檻值分別為10000～14000、6500～12000m．g/s．cm3, 因此, 波阻抗反演能夠較好辨別煤層、致密砂巖及泥巖層, 故采用波阻抗反演的方法來落實煤層的空間展布形態。又因示范區勘探程度較高, 鉆井數較多, 目的層段呈薄互層特征, 故優選分辨率較高的測井約束模型反演方法開展波阻抗反演。

圖5 波阻抗與自然伽瑪交會圖

在反演過程中, 采用點標定- 線約束- 體運算- 分段描述的反演預測流程。

3．3．1 精細點標定

層位標定是井震結合的紐帶, 精確的井震標定是獲得高精度儲層預測的基礎。

層位標定中子波的提取, 應盡量使所提取的子波波形主峰突出, 旁瓣小而對稱, 有效頻帶范圍內振幅譜單峰, 峰頂平滑, 相位譜近常相位。力求合成地震記錄與井旁地震記錄達到在正確的時深關系下匹配最佳、相關系數最高。本次鄭莊示范區20多口資料較全、分布較均的井進行了井震標定, 合成地震記錄與井旁地震道相關較好, 相關系數均大于0．7。

在合成地震記錄標定組、段、亞段的基礎上,制作離散合成記錄, 分析每一套薄層反射強弱及其對地震反射同相軸貢獻大小, 有針對性地解釋預測結果。例如圖6 所示, zx34 井第二個復合強相位是多個薄層的共同反射, 3#煤層頂對第一個強相位的貢獻較大, 3#煤層及其下低速低密的泥巖層對第二強相位影響較大, 那么, 在利用地震反演或振幅屬性預測煤層氣時, 應重點關注3#煤層及其下低速低密層, 對預測結果做出合理的解釋。

圖6 zx34 合成地震記錄與離散合成記錄標定

3．3．2 線約束反演

在精細點標定基礎上, 開展線約束反演, 即連井線反演。

該區薄煤層延伸較遠、分布穩定, 鉆井較多,構造解釋精細合理, 因此井外推因子、模型搜索半徑、分形指數可適當加大, 但準確選取反演參數,一般是通過連井線反演來實現。通過不斷調整反演參數, 使連井線的反演結果與已知井的鉆探情況最為吻合, 此時所選的參數最為優化。本次預測中,當井的外推因子為3、搜索半徑為50%、分形指數為0．7、低頻截止值為8Hz 時, 反演結果與已知井的鉆探情況最為吻合。對上述反演參數是否優化,通常用“抽井”法來檢驗, 即當某些井作為檢驗井不參與反演時, 其預測結果與檢驗井處的實際地質情況是否吻合, 如吻合較差, 還需重新調整參數,直到吻合為止, 最終所取的預測參數較為合理。例如, 過zx31、zx34、zx45 井的連井線反演過程, 先采用了抽中間井留兩邊井的方法調試參數, 后又采用抽兩邊井留中間井時的方法, 所調試參數同時滿足兩種方法下預測結果與檢驗井處的實際地質情況大致吻合, 該參數即可作為最終優選參數, 否則再重新調試。

3．3．3 體反演運算

在線反演可靠的基礎上進行體反演, 即準確的標定, 正確的模型, 最佳參數組合, 得到正確的反演結果。

預測結果與實鉆吻合較好。如鄭莊示范區36口井實鉆3#煤厚度4．7～6．5m, 預測厚度4．5～6．7m, 各井3#煤實鉆厚度與預測厚度絕對誤差小于0．3m, 相對誤差小于7%。由波阻抗反演剖面圖(見圖7) 可以看出： 煤層波阻抗縱向清晰可辨,橫向延伸自然;

圖7 連井線波阻抗反演剖面圖

在平面成圖時, 需注意時窗的選取及波阻抗門檻值的選取。

3．4 正演模擬技術應用

地震勘探原理表明, 地震反射界面是一個波阻抗界面, 即只要界面存在波阻抗差, 在分辨率允許的條件下就會產生地震響應。地震反射資料的正演模擬是指已知地下構造或地質體的形態幾何模型,地層密度和地震波傳播速度等參數來模擬地震響應記錄。正演地震響應記錄對地震資料的正確解釋有重要的意義。由于示范區構造相對簡單平緩, 故選取了簡單直觀有效的成像射線追蹤法。這種方法射線在地表面開始沿90 度方向向下傳播, 在相交邊界處按照Sell 定律產生繞射, 并穿過地下界面傳播, 可以克服煤層的屏蔽作用, 得到完整的成像結果。

圖8 上圖的正演地質模型是用精細構造解釋層位、準確校正后的測井速度、密度曲線及三口實鉆井的分層、錄井、加上較真實的構造形態來構建的, 確保了模型的可靠性和真實性。圖中綠色代表不含氣、紅色代表高含氣, 上面黑色條帶為3#煤層, 下面黑色條帶為15#煤層, 3#煤層上下各設計了一層6 米左右的地質體, 子波選擇依據實際地震資料的主頻選取40Hz 雷克子波, 以便于與實際地震剖面進行對比。當上下地質體均為致密砂層時的正演結果如圖8 下圖所示, 3#煤層含氣時是強反射, 不含氣時是弱反射; 其下致密砂層為獨立的弱反射, 其上致密砂層對地震軸影響不大。以此類推, 當煤層減薄或不含氣, 當地質體含氣或相變為泥時, 構建各種不同的模型, 開展正演模擬, 觀察變化結果, 從而得出如下結論： ①煤層含氣為強反射, 不含氣時為弱反射; ②煤層越厚、反射軸越粗; ③煤層含氣后反射軸會下拉, 此時若其下有一明顯低速低密層時, 其相應的反射軸會上抬, 從而構成復合軸。

圖8 鄭莊示范區連井線地質模型及正演模擬地震記錄

3．5 屬性分析與融合技術應用

屬性大的分類可分五類： 振幅特征統計類、復地震道屬性類、功率譜特征屬性、傅里葉譜特征分析及相關特征分析。通過巖石測井與地震物理特征分析、儲層參數反演技術應用、多屬性交會技術分析, 采取了屬性的分維與降維, 最終確定了幾種煤層氣敏感屬性, 結果表明, 煤層氣對頻率衰減、深淺側向電阻率差及弧長屬性較為敏感。通過工區內20 多口井的頻率衰減與深淺側向電阻率差的交會分析圖, 并定義含氣量大于15m3/t、日產氣大于1000m3為高含氣; 含氣量在8～15m3/t 之間、日產氣在500～1000m3為之間為低含氣; 含氣量在小于8m3/t、日產氣小于500m3為干層, 由交會圖可知：煤層含氣后頻率衰減明顯異常增大, 異常值為49～57, 煤層不含氣低頻衰減值小于51; 煤層含氣后深淺電阻率差為大的正異常, 通常大于90Ω·m。

圖9 低頻衰減屬性預測煤層含氣平面范圍圖

由煤層低頻衰減屬性平面圖 (見圖9) 上看,低頻衰減高值區為煤層含氣后的響應, 由此預測的煤層含氣平面分布范圍, 僅zx37 與zx40 與井不符,其它井均與井況相吻合。又因煤層含氣后, 深淺電阻率差表現為大的正幅差特性和高的振幅弧長值,故又通過image 屬性融合技術, 將低頻衰減結果融合了深淺電阻率差及振幅弧長預測結果, 最終結果, zx37 與zx40 井也達到相符, 提高煤層含氣預測的準確率。

[1] 李慶忠, 走向精確勘探的道路 [M] , 北京, 石油工業出版社, 1993： 12- 20．

[2] 趙晨光, 薄互層地震反射特征分析 [J] , 石油地球物理勘探, 1986, 21 (1) ： 32- 46．

[3] 凌云研究組, 地震分辨率極限問題的研究 [J] , 石油地球物理勘探, 2004, 39 (4) ： 435- 442．

[4] 趙政璋, 趙賢正, 王英民等．儲層地震預測理論與實踐 [M] ．北京： 科學出版社, 2005： 234～243．

[5] 楊培杰, 印興耀, 張廣智, 希爾伯特等．變換地震信號時頻分析與屬性提取 [J] , 地球物理學進展,2007, 22 (5) ： 1585- 1590．

Study of Seismic Method for Forecasting of CBM Reservoir in Qinshui Basin

Feng Xiaoying1,2, Qin Fengqi2, Jiao Yong2, Wang Ya2, Wang Jian2, Tang Yutong3
(1. Changjiang University, Hubei 434023; 2. Geophysical Exploration Research Institute of North China Oil Field Company, Hebei 062552; 3. CBM Exploration and Development Subsidiary Company of North China Oil Field Company, Shanxi 048000)

With the implementation of 3D seismic exploration technique in Zhengzhuang CBM demonstration district in Qinshui basin, research on CBM seismic reservoir forecast technology was carried out. Forecast of distribution range of coal seams, variation of thickness was made by using rock geophysical analysis, extension frequency,frequency division,wave impedance model inversion, etc. Prediction of CBM enrichment zone was made by using forward simulation, seismic frequency fading and calculation of arc length methods. The results of 3D seismic reservoir forecast are remarkable in Zhengzhuang CBM demonstration district ,which provided reliable data for well location arrangement ,computation of reservoir, development proposal design and adjustment of production well pattern.

Seismic reservoir forecast; rock geophysical analysis; frequency division; extension frequency;wave impedance model inversion; forward simulation,

“國家科技重大專項經費”資助。

馮小英, 女, 長江大學在讀碩士, 高級工程師, 長期從事地震地質綜合解釋及儲層預測研究。

(責任編輯 黃 嵐)