煤層氣封存單元及其地震-地質綜合識別方法初探

常鎖亮，陳　強，劉東娜，潘永學，桂文華，劉自珍，曹路通，馮阿建

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原　030024；2.山西山地物探技術有限公司，山西 晉中　030600)

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煤層氣封存單元及其地震-地質綜合識別方法初探

常鎖亮1，陳強1，劉東娜1，潘永學2，桂文華2，劉自珍2，曹路通1，馮阿建1

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原030024；2.山西山地物探技術有限公司，山西 晉中030600)

摘要:煤層含氣性與滲透性的空間分布具有強烈的非均一性，基于地質選區理論預測的富集有利區控制精度不能完全適應煤層氣開發的空間尺度需求。為將稀疏的鉆孔測井資料和空間密集采樣的地震資料有機結合起來，實現區塊尺度下煤層氣富集高產區的精細預測，引入煤層氣封存單元的概念，并對其構成要素和基本特征進行了討論；提出基于地震地質綜合研究，識別區塊尺度下煤層氣封存單元的研究思路和方法。初步研究表明：在煤層氣地質理論指導下，以煤層氣封存單元的封堵層(帶)為研究對象，運用以地震屬性分析、地震反演為核心的地震綜合解釋技術，將構造、圍巖巖性及其組合、聚煤前后沉積微相等封堵層(帶)構成要素作為主要研究內容，可以實現對煤層氣封存單元的識別與劃分。

關鍵詞:煤層氣；封存單元；區塊尺度；富集高產區；地震解釋技術

煤層氣勘探的根本目的是尋找煤層氣富集有利區。當前，以“三控論”[1]，“多層疊置獨立含煤層氣系統理論”[2]等為代表的、適應我國復雜地質條件的煤層氣富集高產地質理論已逐步成熟，在以煤層氣有利區帶評價和區塊優選為主要研究目標的勘探階段中發揮了重要作用。但是，在煤層氣開發階段，由于開發區塊空間尺度小，而煤層含氣性與滲透性的空間分布具有強烈的非均一性，富氣高產區的選擇方法不能完全適用煤層氣開發的需求，致使煤層氣開發中單井配產達標率低、年產量到位率低的現象較為普遍[1]。如何對開發區塊尺度下的煤層富氣高產部位進行精細厘定與劃分，如何將稀疏的煤層氣地質鉆井資料和空間密集采樣的地震資料有機結合起來，充分利用地球物理特征識別出區塊尺度下的煤層氣富集高產區，為煤層氣開發中合理確定井位、井型、井網提供依據，成為煤層氣開發地質研究中急需解決的重大問題。

近年來，基于地震技術預測煤層氣富集有利區的研究受到了極大重視，可分為直接預測和間接預測兩大類方法。在直接預測方面：Ramos[3]利用AVO研究了煤層的瓦斯富集性；彭蘇萍[4-7]提出了煤層瓦斯富集AVO技術預測理論，通過密度、剪切模量與體積模量的三參數AVO反演預測煤層氣富集區；陳信平[8]、趙慶波[1]等基于巖心刻度測井解釋技術得出了含氣量與煤層的密度、縱波速度、橫波速度之間具有負相關關系，建立了AVO異常與煤層氣高產之間的關系；楊雙安等[9]基于雙相介質理論提出利用高低頻能量差異預測游離態瓦斯富集區的方法；常鎖亮等[10]基于煤層氣富集引起的高頻吸收衰減特性，利用不同頻率的調諧振幅變化預測煤層氣富集情況；閆文華[11]、董守華[12]等提出基于振幅與頻率屬性融合技術預測煤層氣富集區的方法；何志勇等[13]提出了利用地震屬性預測煤儲層孔隙度方法。在滲透性預測方面：Gray14]、董守華[15]、陳同俊[16]等提出利用方位AVO技術，杜文鳳[17]、趙爭光[18]等提出利用曲率屬性分析技術，陳勇等[19]提出基于地震道相似性的ESP技術等，通過預測煤層裂隙發育情況進而研究煤層滲透性的間接方法。然而，我國多數含煤盆地煤層的單層厚度一般在幾米至十幾米，屬于地震意義上的薄層范疇，受薄層調諧作用和地震分辨率限制，加之缺乏對以吸附態為主的煤層氣富集前后煤層巖石物理響應的理論或實驗證據支持，使利用地震技術直接預測煤層氣富集有利區具有較大的不確定性。

由于煤層氣的富集高滲受控于多種地質因素，陳勇[19]、彭蘇萍[20]、霍麗娜[21]等提出利用地震資料研究控制煤層氣富集高產的關鍵地質因素，從而間接預測煤層氣富集有利區的地球物理識別方法。但是，由于不同區塊內(甚至同一區塊內的不同塊段)影響煤層氣富集高滲的關鍵地質因素有所不同，對某一個區塊有效的預測思路及方法技術不一定適用于另一個區塊。

筆者等認為：① 煤層氣開發地質研究的關鍵任務是識別儲層中具有相同性質(煤層氣富集性及煤層可改造性)的儲集單元；結合單元內煤層氣開發試驗井的地質、測井、試氣資料，對不同單元的煤層含氣性和儲層可改造性進行評價，進而評估各個單元的單井產能及最佳增產改造措施，最終為制定各個單元的高效開采方案提供地質依據；② 當煤層氣主要開發對象為中高階煤產氣區塊時，重點研究方向應集中于煤層氣生成以后的封存作用。

基于上述觀點，借鑒油氣地質學中流體封存箱的理念，本文引入了煤層氣封存單元的概念，并對其構成要素、基本特征進行了討論；在此基礎上，提出了基于三維地震地質綜合解釋技術識別區塊尺度下煤層氣封存單元的研究思路、內容、方法和工作流程；并結合研究區實際資料，綜合運用以地震屬性分析、地震反演為代表的地震解釋技術，初步探索了煤層氣封存單元的識別與劃分方法。

1煤層氣封存單元的概念、構成要素及基本特征

1.1煤層氣封存單元及其構成要素

油氣地質中流體封存箱的概念最早是由 Bradley和Hunt等[22-23]提出，它是指由“上下封隔層和邊部封隔帶在縱橫向上將沉積盆地分割而成的一系列相互獨立的流體密封單元”。其典型特征是這些密封單元之間相互不連通，它們之間的流體壓力不能相互轉換，單元之間存在壓力差異。那么，以自生自儲和吸附狀態賦存為主要特征的煤層或煤系地層中是否也存在這種類似的密封單元呢？

秦勇等關于“多層疊置獨立含煤層氣系統理論”的研究成果[2,24-28]已證實，很多含煤盆地在垂向上的確存在這種密封單元，并揭示了其形成機理為“沉積-水文-構造條件耦合作用的產物”。但多層疊置獨立含煤層氣系統理論對這種密封單元在橫向上分布特征與控制因素的討論較為籠統，使得橫向上的劃分標準與依據難以準確掌握。事實上，大量煤層氣區塊開發中顯現的“井與井、塊與塊之間單井產量的巨大差異”現象，暗示著必然還存在某些小尺度的橫向因素控制著煤層氣富集性或煤層可改造性的平面變化，也就是說，這些密封單元在空間上應該是以立體形式存在的。為此，參照流體封存箱的定義，將“由上下封隔層和邊部封隔帶在縱橫向上將煤層及含煤地層分割而成的一系列相互獨立的煤層氣密封單元”稱為煤層氣封存單元；類似地，將在封存單元頂部和底部起封隔作用的封隔層，稱為煤層氣封存單元的頂板和底板；將在封存單元各個側面起封隔作用的封隔帶，稱為煤層氣封存單元的邊板。

煤層氣的吸附與解吸是一個能量聚散動態平衡過程[29]。在成巖、變質作用階段所生成的以甲烷為主的煤層氣，遠高于經歷后期改造作用后煤層中保存的天然氣[30]；這時生成或解吸的煤層氣將會在濃度梯度等驅動力的作用下發生運移。那么，在煤層或含煤地層中一切能起到阻礙或減緩煤層氣運移的動力與通道因素，均有可能成為煤層氣封存單元邊界的構成要素。基于煤層氣地質理論和前人相關研究[1-2,29,31-35]，煤層氣封存單元頂底板界面的構成要素應為沉積地層層序格架下的凝縮層或隔水堵氣層，即煤系中較高級別的層序轉換界面，一般對應于高泥砂比的砂泥巖互層、泥巖、油頁巖等具有極低孔滲特征的巖層段；而煤層氣封存單元邊板的構成要素應為由構造、沉積和水動力條件變化引起的巖性及壓力/應力變化帶，如斷裂系統、褶曲曲率變化引起的裂隙發育帶和增/卸壓帶，陷落柱及其引起的卸壓帶，圍巖巖性/巖相變化帶、地層尖滅帶，流體勢轉換帶，煤層厚度變化帶、構造煤發育帶、煤層宏觀結構變化帶等。

1.2煤層氣封存單元的基本特征

依據上述邊界條件劃分的煤層氣封存單元，應具備以下基本特征：① 同一單元內各種流體介質的流體勢應基本不變；② 同一單元內煤儲層物性(含氣量、滲透性、地應力、儲層壓力、含氣飽和度、煤體結構等)及開發井產能應基本相同或呈現漸變的趨勢；③ 不同單元間的封隔層(分隔帶)多為過渡漸變型邊界；④ 不同單元的煤層氣富集程度或儲層可改造性不同，相應的開發增產改造工藝措施也應有所不同。

2地震技術識別煤層氣封存單元的思路

地質體引起的異常幅度大于地震信號的分辨率極限時，基于地震技術的地質解釋才是可靠的。地質上，煤層氣封存單元封堵層構成要素的空間尺度一般是大于地震分辨率極限的，這為利用地震技術預測區塊尺度的煤層氣富集高滲區提供了可能，即可以在地震分辨能力條件下，通過利用適當的地震地質解釋技術研究封存單元的頂底板及邊板的構成要素，劃分出不同的煤層氣封存單元；結合單元內的煤層氣開發試驗井的地質、測井、試氣資料，在煤層氣富集高滲地質理論指導下，對不同的煤層氣封存單元進行分類與評價，最終預測出區塊尺度的煤層氣富集高滲區。

表1列舉了煤層氣封存單元的封堵層(帶)涉及的主要地質現象和地質因素，煤層氣封存單元的地質研究內容涉及含煤地層的構造、沉積、巖性、地層層序、儲層所含流體、儲層物性及力學性質等多個方面。從地震的角度，研究對象包括了含煤地層中煤層及其圍巖的構造、巖性、沉積等因素引起的運動學、動力學及彈性力學響應特征，而不僅僅是煤層反射波本身的特征。因此，以地震反演、屬性分析為核心的地震巖性及儲層解釋技術將成為煤層氣封存單元地球物理識別研究的關鍵技術。

表1　煤層氣封存單元的研究內容及地球物理關鍵技術

3煤層氣封存單元地震地質識別的工作流程

煤層氣封存單元封堵層(帶)的地震地質研究，強調利用可獲得的所有地質、地球物理資料進行綜合解釋。高質量的三維地震數據是研究的基本資料，而煤層氣鉆井/測井、試井及生產數據等資料可用于建立地層層序格架、地層標定、巖石物理關系分析和評估預測效果。在具體工作中，除利用疊前/疊后地震資料開展煤系地層中的構造、巖性及巖石彈性參數的地震地質解釋外，還應進行層序地層學/沉積學、地震地層學、地震沉積學、煤層氣地質學方面研究，以使各種信息互相補充。

結合煤層氣開發階段資料特點，建立了煤層氣封存單元地震地質綜合識別的工作流程(圖1)。

圖1　煤層氣封存單元地震地質識別流程Fig 1　Seismic-geology recognition chart of CBM storage unit

3.1基于鉆孔巖芯/測井資料的層序地層劃分與巖心/測井相解釋

首先，利用測井/鉆孔巖芯數據，以井為單位進行高分辨率層序地層劃分(圖2)，識別出高級層序界面，為建立井震層序格架和等時界面標定與追蹤提供依據；其次，基于鉆孔/測井資料開展目標層系的沉積相與測井相的解釋，為后續利用不同屬性的地層切片解釋沉積微相提供約束和指導；再次，利用巖性與測井資料的交會分析，明確研究目標層段的巖石物理響應特征，為后續巖性反演和彈性參數反演提供巖石物理基礎。

圖3為研究區內一條基于高級層序界面標定的地震追蹤解釋剖面。可以看出：在分辨率范圍內，地震資料一般可以劃分到3～4級層序，為在層序格架下進行地層沉積變化和巖性空間展布研究奠定了基礎。

3.2基于地震地質等時面標志層的精細構造解釋及變形特征分析

不同于傳統構造解釋中一般標定地震反射波組的強相位，在煤層氣封存單元識別研究中，井震標定和追蹤必須在層序劃分確定的地震地質等時面標志層上實施[30]，標定的內容不僅限于煤層和標志層，還需對地震可分辨的3～4級層序界面進行標定，剖面解釋時需要嚴格按照井震標定的相位追蹤，不能局限于強相位的追蹤；然后，利用目前各種成熟的構造解釋方法開展精細解釋，查明目標層段各類構造現象(斷層、褶曲、陷落柱等)的空間展布格局與特征。在此基礎上，篩選能夠反映小構造及其附近細微變化的相干、方差、螞蟻體、曲率等地震屬性體，進一步研究各類構造引起的變形特征及其響應特征的空間影響范圍與程度，為識別封存單元的構造封堵要素提供依據。

圖4為利用上述方法解釋得到的研究區2號煤層底板平面和利用屬性技術進一步得到的反映2號煤層形態變化的曲率梯度平面?？梢钥闯?，曲率梯度屬性突出了2號煤層的細微變形和構造邊界特征，如斷層附近的線狀變形帶/陷落柱的環形變形區、褶曲軸部的強烈彎曲變形帶等。

3.3利用地震反演技術預測地層巖性及其空間展布

圖2　單井巖芯/測井層序劃分及相解釋Fig.2　Single well core/logging sequence division and sedimentary facies interpretation diagram

圖3　層序格架下的井震標定Fig.3　Well-to-seismic calibration based on sequence stratigraphic framework

在測井資料約束下，利用各類疊后高分辨率地震反演方法可以將反映反射強度的界面型數據轉換成代表巖性的阻抗或特征阻抗數據；結合鉆測井資料，利用交會圖等分析工具，通過對不同巖性的阻抗或特征阻抗范圍進行標定，劃分出煤系地層中的巖性及其組合的空間展布情況，還可以獲得煤層厚度和不同層段的砂泥比等關鍵巖性參數；結合巖芯測試獲得的不同巖性的孔滲特征數據、煤層含氣量與圍巖巖性關系的交會分析資料等，開展煤層圍巖巖性垂向封堵能力的定性與定量評價。

圖5為研究區一條通過測井約束反演獲得的太原組底面～山西組頂面地層的波阻抗剖面，不同巖性的阻抗差異較為明顯，可用于研究地層巖性及其組合在垂向和橫向上的變化。

圖4　研究區2號煤層底板形態和及其曲率梯度屬性平面圖Fig.4　Coal floor shape and its curvature gradient properties plan of No.2 coal

圖5　研究區疊后地震反演獲得的波阻抗剖面 Fig.5　Post-stack seismic inversion wave impedance section

圖6　地震信息參與前后預測的研究區2號煤層上部14 m內的砂泥比對比Fig.6　Forecasting sandstone-stratum ratio contrast map within the 14 m of the upper No.2 coal seam between before and after the application of seismic information

圖6和圖7分別為研究區利用井數據內插和測井約束地震反演獲得的煤層上部一定厚度范圍(約14 m)內的砂泥比平面和2號煤層厚度平面，可見地震反演預測成果對圍巖巖性及煤層厚度橫向變化的反映更細致，巖性及厚度變化帶刻畫更清晰，為圈定煤層氣封存單元的巖性封堵邊界提供了可能。

圖7　地震信息參與前后預測的研究區2號煤層厚度對比Fig.7　No.2 coal seam thickness contrast map between before and after the application of seismic information

3.4利用疊前反演技術預測含煤地層彈性參數和裂隙系統

在地震數據信噪比足夠高且偏移距、方位角信息滿足疊前反演的條件下[36-37]，利用疊前彈性參數反演方法，可獲得地下不同巖層的縱波阻抗、橫波阻抗，縱/橫波速度比、泊松比，剪切模量、彈性模量、拉梅系數、各向異性強度等一系列表征巖石彈性力學性質的參數，還可預測出圍巖的脆性礦物含量、裂隙發育狀況等物性參數。

圖8為研究區內一條利用疊前彈性反演方法獲得的太原組底面～山西組頂面之間地層的縱/橫波速

度比剖面圖。

圖8　研究區利用疊前彈性反演的縱橫波速度比剖面Fig.8　Vp /Vs section for the pre-stack elastic inversion

由圖8可以看出：背斜軸部、兩翼斜坡及深部向斜緩坡等不同構造位置上，不同層位的速度比參數的分區分帶特征非常明顯，這些特征為圈定煤層氣封存單元的物性封堵邊界提供了可能。

圖9　研究區2號煤層上部5 ms內不同屬性的地層切片及沉積微相解釋平面Fig.9　Different properties stratum section and sedimentary micro-facies interpretation plan within 5 ms of the upper part of No.2 coal seam

3.5利用地震沉積學分析技術預測聚煤前后沉積相帶及其變化

曾洪流等提出了基于90°相位轉換、地層切片和分頻解釋等關鍵技術，通過分析不同屬性的地層切片特征來研究陸相地層沉積相和沉積歷史演變的地震沉積學理論與分析方法[38]。在鉆孔/測井解釋的巖心/測井相約束下，通過對聚煤前后不同屬性的地層等時切片進行地震沉積學解釋，可以獲得煤層沉積前的沉積微相展布特征，劃分不同沉積相帶范圍；而聚煤期沉積環境的變化影響著煤層乃至煤層形成前后巖性及其孔滲特征的變化，為從沉積因素角度研究影響煤層氣聚散作用提供了可能。

圖9(a)～(c)分別為研究區2號煤層反射波上部5 ms內的波形、70 Hz調諧振幅和弧長等不同地震屬性的地層等時切片數據，均較為明顯地反映出河道沉積現象，圖9(d)為在巖心/測井相標定下，通過屬性融合技術解釋的2號煤層上部約14 m范圍內的沉積微相圖?？梢钥闯觯夯诘貙忧衅慕忉尦晒毧坍嬃搜芯繀^2號煤層沉積后沉積相的變化；同理，分析2號煤層反射波下部地層切片的不同屬性特征，也可獲得2號煤層沉積前沉積相的變化，為圈定煤層氣封存單元的沉積封堵邊界提供了可能。

3.6煤層氣封存單元的劃分與識別

通過上述工作，可分別得到構造、巖性、沉積、物性等多個類型、性質和層次的邊界，應用煤層氣富集高產理論，對識別出的各類邊界進行控氣重要性和預測可信度的評價，建立評價分級指標體系。根據分級與評價結果，首先劃分出可靠的較大煤層氣封存單元；在此基礎上，綜合分析煤層氣試井/生產井取得的儲層壓力、含氣量、滲透性等開發數據與煤層氣封存單元各構成要素的關系，進行邊界的進一步修正與細分，確定出煤層氣封存單元的垂向封堵層和橫向封堵帶，從而實現區塊尺度煤層氣封存單元的識別與劃分。

4結論

(1)煤層氣封存單元的引入，使得基于地震資料研究煤層氣富集高產區的研究對象與內容發生了轉變，從研究煤層本身的變化特征轉變為研究煤系中縱橫向上對煤層氣運移起封堵作用的構造、沉積、巖性等變化，為利用地震技術識別區塊尺度的煤層氣富集高產區提供了一條新途徑。

(2) 煤層氣封存單元的地震地質識別是以煤層氣開發區塊鉆孔測井資料和高精度三維地震資料為基礎，以層序地層學/沉積學、煤及煤層氣地質學的理論與方法為指導，綜合運用地震構造-巖性-儲層解釋技術，協同配合、相互補充的多學科多方法綜合研究過程。結合煤層氣開發階段的特點，提出了基于地震地質綜合識別區塊尺度下煤層氣封存單元的研究思路、內容、方法和工作流程，部分研究成果初步證明了研究思路與方法的可行性。

(3) 煤層氣封存單元的識別只是區塊尺度煤層氣富集高產區預測的第1步，在此基礎上還需要結合不同單元內的煤層氣開發試驗井的地質、測井、試氣資料，在煤層氣高產富集地質理論指導下，對識別出的煤層氣封存單元進行分類與評價，篩選出其中煤層氣富集與有利開發的疊合單元，最終實現區塊尺度煤層氣富集高產區的預測。

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Preliminary discussion on coal bed methane storage unit and its seismic geology comprehensive identification method

CHANG Suo-liang1,CHEN Qiang1，LIU Dong-na1,PAN Yong-xue2,GUI Wen-hua2,LIU Zi-zhen2,CAO Lu-tong1,FENG A-jian1

(1.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiShandiGeophysicalProspectingTechnologyCo.,Ltd.,Jinzhong030600,China)

Abstract:For the strong spatial differentiation between the coal bed gas-bearing property and permeability,the control accuracy of the coal bed methane (CBM) favorable accumulation region which identified by the geology selection theory had not met the requirement of CBM exploitation in spatial scale.The concept of CBM storage unit was proposed and its components and essential feature were discussed that just for combining the sparse well log data with the dense seismic data preferably,and then realizing the goal of the detailed prediction for CBM enrichment high-yield region in block scale.The research ideas,contents,methods and work-flow about the CBM storage unit under block scale were also introduced which recognized by seismic and geologic integrated means.Preliminary studies indicated that the CBM storage unit can be identified and classified under the theory guidance of CBM geology through taking the seismic attribution analysis and seismic interpretation techniques as the core technology of the seismic comprehensive interpretation,and taking the analysis of sedimentary micro-facies during coal-accumulating period,tectonic,surrounding rock lithology and their combinations characteristics as research object.

Key words:coal bed methane;storage units;block scale;enrichment high-yield region;seismic interpretation techniques

中圖分類號:P618.11；P631.4

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0057-10

作者簡介:常鎖亮(1972—)，男，山西靈石人，高級工程師，博士。Tel:0354-3369961,E-mail:sl.chang@sxsdwt.net

基金項目:山西省煤基重點科技攻關資助項目(MQ2014-01)

收稿日期:2015-09-02修回日期:2015-10-23責任編輯:張曉寧

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