煤層氣富集區地球物理綜合評價方法研究
——以長治地區為例

譚青松周然然崔瑾郭增強曹成有殷亮亮

(1.中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北062552;2.中國地質大學(武漢)，湖北430074; 3.中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北062552)

煤層氣富集區地球物理綜合評價方法研究
——以長治地區為例

譚青松1，2周然然1崔瑾2郭增強3曹成有1殷亮亮1

(1.中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北062552;2.中國地質大學(武漢)，湖北430074; 3.中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北062552)

本文緊緊圍繞影響煤層氣富集的主控因素，從構造特征研究、煤儲層預測研究和巖電特征研究三方面展開工作，探索出了一套適合于煤層氣地質特點的地球物理綜合評價方法。研究表明，用這套方法對沁水盆地煤層氣富集區進行評價，優選區塊與實鉆結果吻合程度較高，對煤層氣的勘探開發有重要指導意義。

地球物理方法 評價優選 煤層氣 沁水盆地

1概況

長治區塊位于山西省沁水盆地的東南部，是沁水向斜盆地的一部分，主要煤系地層為下二疊統的山西組和上石炭統的太原組，其中，山西組的3號煤和太原組的15號煤是該區分布最穩定、單層厚度最大的煤層，是煤層氣勘探開發的主要目標層系。目前該區二維地震基本達到全區覆蓋，并在其基礎上完成一塊三維地震;已鉆評價井近百口，勘探程度較高，為地球物理評價技術研究提供了條件。

2地球物理技術評價方法及流程

影響煤層氣選區評價的因素很多，利用地球物理技術方法能解決的問題主要包括煤層厚度、埋深、煤巖結構、含氣性、裂縫、構造條件及圍巖封閉條件等。本文以3號煤為例介紹地球物理評價方法及其應用效果。

2.1構造精細解釋

2.1.1層位解釋

利用井震標定中主要目的層地震反射特征，從已知井和主干剖面出發，以點到線到面到體的方式進行目的層地震同相軸識別、對比、追蹤、閉合，實現了地震資料的精細解釋。

為了能夠真實的反映煤層微幅褶區構造，同時滿足屬性預測精度的要求，對于反射較強、連續性較好的3號煤頂，主要采用自動追蹤的解釋方式來拾取波形和相位，以保證解釋精度。

2.1.2斷層落實

斷層在地震剖面上以斷點形式存在，在地震反射同相軸上主要表現為波組錯斷、終止、扭曲、相位轉換、分叉合并、產狀突變、頻率變化、斷面波、繞射波等特征。

實際解釋斷層過程中，在充分利用斷層地震反射特征的基礎上，借助“三瞬”屬性剖面(見圖1)對小斷層進行輔助精細識別、刻畫。另外，還可以利用相干(見圖2)、曲率屬性精細識別和刻畫小斷層，確定斷層產狀，斷距最小可達到10m。在斷裂的組合方面，結合區域地質構造規律和構造發育史分析，分析切割關系，利用相同斷層性質的相似性和繼承性，對其進行合理組合。

圖1 反射強度剖面圖

本區目的層段的斷層主要形成于喜山期，展布方向多為北東向、北北東向和近南北向，與區域主斷裂方向一致，斷層常成對出現，且較破碎。區內主要發育四組北東向、兩組近南北向的斷層，控制褶皺構造形態。北東向斷層屬晚期斷層，受張扭應力所致;南北向斷層屬早期斷層，這與整個沁水盆地的地質背景吻合。

2.1.3陷落柱識別

陷落柱的存在使煤層封閉條件遭到破壞，造成煤巖破碎，地層壓力降低，煤層氣解吸而逸散。因此，搞清陷落柱的成因機理、分布規律，對煤層氣開發部署具有十分重要的作用。

本區目的層段陷落柱在地震反射剖面上主要反射特征為標準反射波在小范圍內突然中斷、消失或變弱及反射波同相軸有不同程度的彎曲或向陷落柱中心傾斜的現象。上述地震反射特征不一定同時出現，只要出現一種或幾種反射特征就可以確定陷落柱的存在，解釋過程中，主要依據這些現象相互驗證來識別陷落柱，同時利用相干體、沿層切片等相互驗證(圖2)。陷落柱直徑一般在50～300m，最大450m，集中分布于斷裂、褶皺帶，呈條帶狀展布。

圖2 長治三維區3號煤相干切片圖

2.1.4空間變速成圖

本區屬典型山地區，地表條件復雜，煤層埋深，橫向巖性變化較大且煤巖厚度較薄，用擬合速度進行時深轉換，易造成構造形態失真，難于滿足精準構造成圖及水平井軌跡設計的要求。

為了解決這一難題，經過深入研究發現，利用疊加速度譜建立初始空間速度場，然后再用聲波測井速度、VSP測井速度、實鉆數據和構造解釋層位數據提取井點時深數據對其進行標定、校正，得最終速度場，最后時深轉換成圖，其井誤差基本小于1m，提高了成圖精度，真實反映了煤層微幅褶曲構造，能夠滿足煤層氣勘探開發的需求。

煤層埋深直接影響著煤層的含氣性及開發效果。利用基準面(b)、高程(h1)及構造深度數據(H)，依照公式:埋深h=H+b－h1，直接求出煤層埋深數據，最終得到煤層實際埋深圖，指導煤層氣勘探。本區3號煤層埋深基本在600～1600m之間，適合煤層氣勘探，選區時，需考慮成本因素，最有利深度范圍為600～1000m。

2.1.5構造特征

研究工區整體為西傾斜坡，地層較平緩，背斜、向斜交替發育，具有“南北分區，東西分帶”的構造格局。根據構造特征可劃分為三個構造帶:

西部隆起帶:軸向為NNW的背斜構造，正、逆斷層均較為發育，以NS-NNW向斷層為主;

中部斜坡帶:是區內分布面積最廣的一個區帶，斷層、陷落柱、微幅褶曲較發育;

東部褶皺帶:其東為軸向NNE的向斜構造帶，北部和中部為斷裂不甚發育，其南為斷裂、陷落柱密集發育帶。

2.2巖電特征分析

由于煤巖及圍巖物理性質的差別，在測井響應特征上易產生明顯差異。就煤體本身而言，受后期構造作用的影響，煤體結構遭受破壞，其各種物理性質也會發生變化，從而引起煤巖電性曲線特征的差異。利用不同測井曲線，可以準確探測煤巖的各種物理性質的變化。煤層在測井曲線上形態特征明顯，具有“三高二低”的曲線特征，即高電阻、高中子、高時差和低密度、低伽瑪。

2.2.1煤巖結構識別

根據煤體破碎程度，煤巖通常被分為原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4類。由于構造煤(碎粒煤與糜棱煤統稱)結構松軟、強度低、滲透性差，易造成卡鉆、砂埋、井堵等事故，所以選區布井時應規避。為了能掌握構造煤分布規律，通過對本區內近百口井煤巖及圍巖測井資料進行統計分析發現，構造煤具有井徑明顯擴大和電阻率明顯下降的特征(見圖3)。

本區西側斷層發育，構造活動劇烈，尤其應力交匯處，煤巖結構破碎，井徑擴經嚴重，是構造煤發育區;東側地層平緩，斷層不發育，是原生煤發育區。部署井位時，西側應以直井為主，而東側可部署羽狀水平井。

圖3 構造煤測井曲線特征圖

2.2.2裂縫識別

通過比較深、淺雙側向電阻率(RD、RS)及沖洗帶電阻率值(Rxo)差異，結合時差、井徑、密度等曲線開展裂縫發育及滲透性研究，總結得出以下結論:

若RD值＞500Ω·m，且RD≈RS≈Rxo，裂縫不發育，滲透性中等;

若RD值＞500Ω·m，且RD≈RS＞Rxo，裂縫較發育，滲透性中等;

若RD值＞500Ω·m，且RD＞RS＞Rxo，且值相差很大，裂縫發育，滲透性好;

若RD值＞500Ω·m，且RD≈RS＜Rxo，裂縫不發育，滲透性差。

利用成像測井解釋結果和實鉆取芯資料標定發現，與電性特征解釋結果吻合性較好，說明用這種方法較為可靠。因此可以利用深淺電阻率差值與裂縫發育程度這一相關性，選擇其與聲波時差進行擬合反演來預測裂縫發育情況。從預測結果圖來看(圖4):q14－30、q17－27井區為割理縫、斷裂帶及微裂縫發育區，利用14口評價井產氣量進行標定符合率達62%，說明這種方法較可靠，為裂縫研究提供了一種新的方法。

圖4 沁南東3號煤深淺電阻率差值和聲波擬合約束反演圖

2.3儲層預測研究

煤儲層預測是煤層氣地震勘探的一項重要技術，它利用地震與測井資料，分析煤儲層特點，找出地震資料的各種屬性與煤層空間展布(厚度)、含氣量、孔滲大小及頂底板巖性的對應關系，推斷影響煤層氣富集各主控因素有利區分布范圍，從而達到評價選區的目的。

2.3.1煤儲層厚度及頂底板預測

針對煤儲層空間展布特征的預測，常用的技術方法主要有以下四項:常規地震屬性分析、地震拓頻技術、頻譜分解技術、波阻抗模型反演。前三種方法能定性或半定量預測煤層分布，而與巖石密度、速度參數密切相關的波阻抗模型反演能夠充分利用地震橫向高分辨率、測井縱向高分辨率的特點，通過約束，客觀真實地反映薄儲層橫向上的變化，且解釋性強，可定量預測煤層及其頂底板展布。

本區3號煤層沉積比較穩定，且已鉆多井，適用于測井約束模型反演。從3號煤的波阻抗曲線與自然伽瑪曲線交會結果來看:該區的波阻抗能夠很好的識別煤、泥巖、砂巖與灰巖，故優選波阻抗為敏感曲線進行模型反演，來對煤層及其頂底板巖性及泥巖厚度進行預測。3號煤波阻抗值小于5000mg ·m/cm3·s為煤層，以此門檻提取3號煤厚度平面圖;波阻抗值5000～11000m/cm3·s為純泥巖;波阻抗值11000～13000m/cm3·s為砂巖(見圖5)。

從反演結果可看出長治地區3號煤全區分布，煤層實鉆厚度一般在3～8m，預測厚度與實鉆結果吻合較好，絕對誤差小于0.5m，相對誤差小于7%，符合預測精度要求。

圖5 3號煤層波阻抗與自然伽馬交會圖

3號煤頂板泥巖厚度和平均波阻抗平面分布顯示，頂底板泥巖厚度西厚東薄，厚度基本大于15m，對煤層氣保存較為有利。相對來說，西部頂板平均波阻抗值低，泥巖厚度高，表明泥巖比較發育，保存條件好;東部平均波阻抗值高，泥巖厚度低，表明砂巖發育，有利常規游離氣儲存。底板除斷裂帶泥巖厚度較薄，東西部泥巖厚度分布與頂板一致。預測結果與實鉆井統計頂底板泥巖厚度較為吻合，證明方法可靠。

2.3.2煤儲層含氣性預測

煤層含氣量的分析研究主要通過預測技術和實鉆井測試化驗資料實現。常見煤層氣預測手段有:頻率吸收衰減屬性、疊前AVO反演技術、多屬性聚類分析、子波分解與重構。通過對各種預測方法效果對比分析發現，在三維區疊后頻率衰減屬性與疊前AVO屬性反演技術效果較好;對二維區來說，頻率衰減梯度效果相對其它方法要好，故本次優選對煤層含氣性進行了預測。

地震波在含流體(油、氣、水)的介質中傳播時具有高頻能量的吸收衰減增大的特性，因此可用地震資料的頻率衰減梯度屬性預測儲層含氣性。通過與井對應的各種疊后屬性交會及單井頻譜分析發現，頻率衰減梯度對煤層氣最敏感，因此優選其預測儲層含氣性。

從長治地區煤層頻率衰減梯度屬性平面圖可以看出長治三維區3號煤含氣情況西部好于東部，含氣量高值區被斷裂分為三個北東向展布的條帶(見圖6)，區內24口井測試含氣量中有19口與預測值相符，吻合率為70%，預測結果精度高。

圖6 長治3號煤頻率衰減梯度平面圖

2.3.3煤儲層裂縫預測

煤層含氣量大證明煤巖中煤層氣富集，但能不能開采出來，能開采出多少卻不一定。煤層能否產氣以及產氣的多少取決于煤層滲透率的大小。煤巖是一種雙重孔隙介質，由基質孔隙和割理裂隙組成。煤巖割理控制煤層滲透率的大小，煤巖割理及裂隙越發育，煤巖滲透率越高。利用地球物理方法直接進行煤層滲透率研究不好實現，而煤巖割理、裂縫發育程度卻可以通過地球物理的方法實現，這里主要通過儲層預測技術多尺度、多方法綜合分析煤巖割理、裂縫發育程度來間接的研究煤層滲透性，僅限于三維區。常見煤層裂縫預測手段有:應力場數值模擬(百米級)、相干屬性分析(十米級)、疊前方向各向異性(米－分米級)和深淺側向電阻率差值法(厘米級)。根據預測尺度的大小，這里選擇了疊前方向各向異性來闡述。由于裂縫的存在造成地震屬性振幅、頻率、波阻抗等方向各向異性，因此其是預測微裂縫或割理縫有效方法之一。由各向異性所擬合出的橢圓，可預測裂縫的發育程度。

由3號煤波阻抗方向異性扁率圖(見圖7)可以看出，長治地區3號煤q14－30西北區為節理、割理或構造煤發育程度較好的地區，斷裂發育區裂縫也較發育，且初步利用區內14口評價產氣量進行標定符合率達71%，裂縫發育情況與實鉆井裂縫發育情況吻合較好，總的來說本區裂縫比較發育，對煤層氣開采有利。

圖7 長治三維區3號煤波阻抗方向異性扁率圖

研究表明，煤儲層隨著裂縫或含氣量的增加，煤層密度及速度都會降低，而波阻抗值與速度、密度呈正比，因此，煤層波阻抗值越低，煤層氣的富集程度越高、滲透性越好。因此，可通過最小波阻抗預測煤層氣富集區，富集區具有高含氣、高滲透性的特點。長治地區西北、東南部最小波阻抗低，說明兩區煤儲層物性較好，為選區評價提供了新的依據。

3建立選區評價標準優選有利區

煤層氣選區評價主要是通過對影響煤層氣富集的主控因素進行綜合對比分析，提出各項有利因素分布范圍及空間展布特征，以此為依據，優選出煤層氣高滲富集區。影響煤層氣富集及評價優選的因素主要包括:煤演化程度、煤層厚度、煤層埋深、構造條件、封蓋條件、含氣性、滲透率、煤巖結構和水動力條件等，這些因素關系到煤層氣可采性和經濟性。評價選區過程需要制定詳細的標準，目前國內外煤層氣公司都嘗試制定了各自不同的評價標準，但是國內外不同盆地的地質特征和采用的開發工藝的不同，所制定的選區標準也有所差異，不能照搬。根據本區的地質和開發特點，對地球物理技術能解決的煤層氣選區的關鍵參數選區標準進行了探討，并初步建立了適合本區選區評價標準(見表1)。

表1 長治地區煤層氣選區評價標準表

通過對影響煤層氣儲層的構造條件、煤厚條件、埋深條件、封蓋條件、煤體結構及煤儲層條件等多方面單因素分析評價，按照權重比將有利區分布范圍進行疊合，評價優選出兩個一類有利開發區，為井位部署提供了建議。通過將本區有生產數據的井投到疊合圖中，產氣量高的井位于有利區中吻合率達到70%，證明這種地球物理評價方法較可靠。

4結語

(1)此煤層氣富集區地球物理綜合評價方法效果較好，適合在本區及周邊地質特征相似地區展開推廣。

(2)上述所選用的測井評價和儲層預測方法對本區來說較為適用，不一定適用其它地區，推廣應用時需重新對比分析加于篩選。

(3)評價選區時需綜合考慮各項因素，目前主要按照上述標準采用單因素疊合法，所選有利區范圍難免受人為因素影響，需探索出一套多屬性融合技術，對多個目標按權重大小進行綜合考慮，最終優選有利目標。

(4)目前建立的評價標準僅選用了地球物理方法能解決的一些因素，且只針對本地區，下步還需在今后的研究過程中進一步驗證和完善。

［1］焦勇，汪劍，曹成友，等.煤層氣地震精細解釋及儲層預測技術探討［J］．中國煤層氣，2011，8 (6):13－17．

［2］寧建宏，張廣忠.陷落柱的地震識別技術及其應用［J］．煤田地質與勘探，2005，33(3):64－67．

［3］劉靜，汪劍，付薔，等.鄭莊地區煤巖結構的測井響應特征及分布規律研究［J］．中國煤層氣，2013，10(3):9－14．

［4］汪劍，馬火林，譚青松，等.沁水盆地鄭莊煤層氣儲層裂縫的測井響應特征［J］．工程地球物理學報，2014，11(6):743－748．

［5］馮小英，秦鳳啟，焦勇，等.沁水盆地煤層氣地震儲層預測技術方法研究［J］．.中國煤層氣，2011，8(6):8－12．

［6］桑樹勛，范炳恒，秦勇，等.煤層氣的封存與富集條件［J］．石油與天然氣地質，1999，20(2): 104－107．

［7］田文廣，李五忠，孫斌，等.我國煤層氣選區評價參數標準初步探討［J］．2010年全國煤層氣學術研討會論文集，北京:石油工業出版社，2010．

(責任編輯韓甲業)

Research on Geophysical Comprehensive Evaluation Method of Coalbed Methane Enrichment Region—Taking Zhengzhuang Region for Example

TAN Qingsong1，2，ZOU Ranran1，CUIJin2，GUO Zengjian3，CAO Chengyou1，YIN Liangliang1
(1.Geophysical Exploration Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company，Hebei062552; 2.China University of Geosicenece(Wuhan)，Hubei430074; 3.Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company，Hebei062552)

This article concentrating on the main controlling factors of coalbed methane enrichment，based on the studies of tectonic characteristics，coal reservoir prediction research and rock electrical characteristics，finds a geophysical comprehensive evaluation method suitable for coalbed methane geological characteristics.Studies show thatusing thismethod to optimize coalbedmethane enrichment region in Qinshui Basin，the block selection conform well with the drilling results and thismethod has an important guiding significance for the coalbed methane exploration and development.

Geophysicalmethod;evaluation and optimization;coalbed methane;Qinshui Basin

譚青松，男，工程師，現主要從事石油天然氣、煤層氣地質與物探技術綜合研究。