朱正平，雷克輝，潘仁芳

(1.長江大學(xué)數(shù)字油田研究中心，湖北武漢430100；2.北京博達瑞恒科技有限公司，北京100001)

沁水盆地和順區(qū)塊基于地震多屬性分析的煤層含氣量預(yù)測

朱正平1，雷克輝2，潘仁芳1

(1.長江大學(xué)數(shù)字油田研究中心，湖北武漢430100；2.北京博達瑞恒科技有限公司，北京100001)

煤層含氣量是煤層氣勘探選區(qū)評價和開發(fā)部署必不可少的重要資料。煤層含氣量及其平面分布特征的準確預(yù)測對煤層氣勘探新區(qū)更加至關(guān)重要。通過地震、測井和測試數(shù)據(jù)的綜合分析，驗證并優(yōu)選出了與煤層含氣量相關(guān)程度高的地震屬性。消除埋深影響的地震吸收衰減屬性與含氣量呈明顯正相關(guān)性；構(gòu)造(正)曲率與含氣量呈負相關(guān)性；密度屬性與含氣量呈明顯負相關(guān)性。地震AVO分析給出的碳氫指數(shù)(P×G)屬性和擬泊松比屬性與煤層氣富集程度相關(guān)性較好，可以作為煤層含氣量預(yù)測的重要參數(shù)。針對沁水盆地北部和順區(qū)塊，基于地震多屬性分析的思路，建立了井點處地震屬性和地質(zhì)參數(shù)與實測含氣量之間的多元線性回歸方程。將該方程應(yīng)用于非井點處的地震疊前反演屬性數(shù)據(jù)體，實現(xiàn)了研究區(qū)太原組15號煤層含氣量的定量預(yù)測。

煤層氣；地震多屬性；含氣量；多元線性回歸；疊前反演；和順區(qū)塊

煤層氣是主要以吸附態(tài)賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣。煤層含氣量是煤層氣勘探選區(qū)評價和開發(fā)部署必不可少的重要資料，但在實際工作中由于含氣量數(shù)據(jù)較少，需進行含氣量預(yù)測。目前國內(nèi)外煤層含氣量預(yù)測方法主要有含氣量-梯度法、綜合地質(zhì)條件分析法、測井曲線估算法、等溫吸附曲線法等[1-4]。這些方法主要基于煤層氣探井和煤田鉆孔資料數(shù)據(jù)進行逐點預(yù)測，無法進行較準確的連續(xù)性平面預(yù)測。特別是對于勘探程度較低的煤層氣勘探新區(qū)塊，由于探井?dāng)?shù)量非常有限，這些方法往往不太適用。國內(nèi)外研究和實踐證明，利用AVO技術(shù)對煤層含氣量進行預(yù)測是具有一定可行性的方法[5-9]，因此對于已經(jīng)開展地震勘探的新區(qū)塊，可以利用地震屬性來預(yù)測煤層含氣量。然而由于煤層氣以吸附氣為主，基于地震AVO技術(shù)的單一因素預(yù)測具有很大的難度和不確定性[5]。而通過結(jié)合多種地震屬性和地質(zhì)參數(shù)來綜合預(yù)測煤層含氣量可以有效減小預(yù)測誤差。

本文針對沁水盆地北部煤層氣勘探新區(qū)——和順區(qū)塊，以地震、測井和測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，驗證并優(yōu)選出與煤層含氣量相關(guān)程度高的地震屬性，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型得到鉆井處地震屬性與含氣量之間的多元線性回歸方程。將該方程應(yīng)用于非井點處的地震疊前反演屬性數(shù)據(jù)體，從而實現(xiàn)該區(qū)煤層含氣量的平面分布定量預(yù)測。

1 研究區(qū)煤層氣地質(zhì)概述

和順區(qū)塊隸屬于山西省晉中市和順縣、昔陽縣、壽陽縣和左權(quán)縣。區(qū)塊東西寬26.48km，南北長49.71km，面積1040.40km2，煤層氣資源量1.52×1011m3。截至2012年底，區(qū)塊內(nèi)共實施煤層氣參數(shù)井13口，排采井組1組(14口井)，共27口井；共實施二維地震線888.36km(51條)，從淺部至深部覆蓋整個區(qū)塊[10-11]。

和順區(qū)塊構(gòu)造上位于沁水塊坳東北部沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶皺帶內(nèi)，以褶皺構(gòu)造為特征。地層整體為北西傾向，傾角一般15°左右，為一單斜構(gòu)造。斷裂構(gòu)造不發(fā)育，存在次級寬緩褶皺構(gòu)造，構(gòu)造線呈北北東向展布(圖1)[12]。

和順區(qū)塊主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。山西組一般含煤3～6層，含煤平均總厚2.82m；太原組含煤4～9層，含煤平均總厚7.43m。其中主要目標層為太原組15號煤層和山西組3號煤層，為貧煤和無煙煤。本次研究只針對該區(qū)厚度較大、全區(qū)穩(wěn)定展布的太原組15號煤層進行含氣量預(yù)測。

圖1 沁水盆地和順區(qū)塊區(qū)域構(gòu)造位置[12]

2 煤層含氣量定性預(yù)測的地震單屬性分析

影響煤層含氣量的因素紛繁復(fù)雜。通過文獻調(diào)研和相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，與含氣量相關(guān)的影響因素主要有吸收衰減、構(gòu)造曲率、密度、阻抗、泊松比和碳氫指數(shù)等地震屬性參數(shù)與煤層埋深、煤層厚度、最近斷層距離、頂板泥巖厚度、頂板灰?guī)r厚度等地質(zhì)參數(shù)。我們重點對吸收衰減、構(gòu)造曲率、密度、泊松比和碳氫指數(shù)等屬性參數(shù)進行煤層含氣量定性預(yù)測的單屬性分析，為多屬性定量預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

2.1 吸收衰減

Spencer等[13]的研究表明，地震波在地層中的衰減為地層衰減和吸收衰減之和，在大于10Hz時隨著頻率的升高吸收衰減起主要作用。因此，利用反射地震資料求取的地震波衰減可以反映地層的吸收性質(zhì)。由于高頻能量的衰減比低頻能量快，如果目標儲層中飽含流體，則接收到的信號的主頻會被降低。這樣就可以采用波場能量—頻率估算技術(shù)來度量含油氣儲層的衰減特征，并直接用于儲層含油氣預(yù)測分析[14-15]。基于以上原理，吸收衰減特征可以預(yù)測煤層含氣量特征，而吸收衰減屬性便是儲層預(yù)測和油氣檢測時的一個重要參數(shù)。

和順區(qū)塊多口井的過井吸收衰減屬性處理剖面(圖2)顯示煤層段吸收衰減特征明顯，易于識別。當(dāng)然，在低滲透含氣煤層里面，煤層氣含量的變化對頻率的影響小于骨架的影響。因此，無法直接利用吸收衰減屬性進行煤層氣含量的定性預(yù)測，必須消除埋深因素對吸收衰減的影響(圖3)；消除煤層埋深影響后的吸收衰減屬性與鉆井實測含氣量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性(圖4)。

圖2 過H1井吸收衰減屬性剖面

圖3 埋深與吸收衰減交會分析結(jié)果

圖4 實測含氣量與消除埋深影響后的吸收衰減交會分析結(jié)果

2.2 構(gòu)造曲率

構(gòu)造曲率是地質(zhì)構(gòu)造幾何形態(tài)的數(shù)學(xué)定量描述，在褶皺軸的兩側(cè)、構(gòu)造轉(zhuǎn)折部位及斷裂面的兩側(cè)這些高曲率部位往往是裂隙的發(fā)育區(qū)[9,16-17]。在正曲率位置，即背斜處煤層受到拉伸，先前裂隙張開或者發(fā)育張裂隙，煤層氣遭受部分逸散，含氣量相對較低；在負曲率位置，即向斜處煤層受到擠壓，煤層氣被封閉，含氣量相對較高。

和順區(qū)塊內(nèi)微構(gòu)造較為發(fā)育，從該區(qū)15號煤層頂面構(gòu)造正曲率(圖5a)與煤層實測含氣量(圖5b) 的對比結(jié)果可以看出：最大構(gòu)造正曲率與煤層含氣量呈一定的負相關(guān)性；H3井、H5井一線區(qū)域煤層正曲率較大，煤層中裂隙多，煤層滲透性較好，由于這些區(qū)域處于大斷層附近，在煤層滲透性改善的同時，造成煤層氣逸散。

2.3 密度

疊前同時反演技術(shù)通過疊前、疊后聯(lián)合反演同時得到縱、橫波速度及密度三參數(shù)信息，已被廣泛應(yīng)用于油氣勘探的巖性識別和流體檢測。鑒于密度屬性與含氣量具有較好的相關(guān)性，通過疊前反演得到密度參數(shù)，再通過密度信息可以預(yù)測含氣量。從和順區(qū)塊多口井的過井疊前密度反演剖面可以看出，反演結(jié)果與井上密度測量值吻合很好(圖6)。

圖5 和順區(qū)塊15號煤層頂面構(gòu)造(正)曲率(a)與實測含氣量(b)的對應(yīng)關(guān)系

通常，對于同一煤層，物性條件越好，煤層含氣量越高，密度往往越低。利用含氣量與密度擬合關(guān)系將密度直接轉(zhuǎn)換成含氣量，可以實現(xiàn)對含氣量的近似預(yù)測(圖7)。

圖6 H2井(a)，H3井(b)及H5井(c)疊前密度反演剖面(嵌入了測井密度值)

圖7 和順區(qū)塊15號煤層密度與實測含氣量擬合關(guān)系

2.4 疊前AVO反演參數(shù)

根據(jù)AVO技術(shù)理論與實現(xiàn)方法，基于和順區(qū)塊三維地震資料，在疊前分析的基礎(chǔ)上，通過AVO角道集處理和AVO屬性疊加處理，得到了碳氫指數(shù)(P×G)、流體因子、橫波以及縱波等屬性剖面。這些AVO屬性圖能夠很好地反映該區(qū)煤層氣的富集程度。

AVO分析技術(shù)是利用地震反射振幅隨炮檢距變化的關(guān)系來識別巖性及檢測含氣量的一種地震技術(shù)[6,18]。迄今為止，幾乎所有的AVO方法都建立在Shuey[19]對Zoeppritz方程的簡化近似式基礎(chǔ)上，即當(dāng)入射角小于30°時，縱波反射系數(shù)R與入射角θ的關(guān)系可以用下式來近似表達：

(1)

式中：P為AVO截距；G為AVO梯度。截距屬性P的大小取決于層間縱波阻抗差異，常用作波阻抗反演的輸入。梯度屬性G則與巖石縱、橫波速度和密度有關(guān)，主要由泊松比決定。碳氫指數(shù)(P×G)有利于油氣信息的檢測。

根據(jù)過多口煤層氣井合成疊前道集和井旁道實際道集的AVO分析(圖8)，和順區(qū)塊煤儲層的AVO現(xiàn)象主要表現(xiàn)為振幅隨偏移距增大而增大的特征，為典型的第Ⅳ類AVO。正演AVO變化特征和實際道集AVO特征類似。

圖8 過H10井(15號煤層)疊前AVO正演模擬(a)與井旁道實際道集AVO分析(b)

由過H6井(含氣量13.7m3/t)AVO屬性剖面(圖9)可見：碳氫指數(shù)(P×G)及擬泊松比與煤層氣富集程度相關(guān)性較好；煤層氣富集時(含氣量大于8m3/t)則表現(xiàn)為煤層的AVO梯度屬性G增強的規(guī)律。由過H3井(4.63m3/t)AVO屬性剖面(圖10)可見：P×G及擬泊松比與煤層氣富集程度相關(guān)性較好；含氣量越低，擬泊松比和碳氫指數(shù)屬性值越小。

圖9 過H6井AVO屬性剖面(15號煤層)

圖10 過H3井AVO屬性剖面(15號煤層)

和順區(qū)塊10余口井AVO屬性與煤層含氣量的對比分析結(jié)果表明：當(dāng)煤層不含氣或含氣很少時，角道集上煤層的AVO梯度屬性G表現(xiàn)為減弱的規(guī)律；碳氫指數(shù)(P×G)及擬泊松比與煤層氣富集程度相關(guān)性較好，可以作為煤層含氣量預(yù)測的重要參數(shù)。當(dāng)這兩個AVO參數(shù)的值較大時，對應(yīng)的煤層可能就是煤層氣富集的區(qū)域。

3 煤層含氣量定量預(yù)測的地震多屬性分析

煤層含氣量預(yù)測應(yīng)當(dāng)綜合考慮影響含氣量的多種因素，以實現(xiàn)各種影響因素的互補和相互印證，提高含氣量預(yù)測的準確性。本次研究基于地震多屬性分析的思路，優(yōu)選出與煤層氣含氣量相關(guān)程度高的地震屬性和地質(zhì)參數(shù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型得到和順區(qū)塊16口鉆井處地震屬性及地質(zhì)參數(shù)與井中實測含氣量之間的多元線性回歸方程。將該方程應(yīng)用于非井點處的地震疊前反演屬性數(shù)據(jù)體，從而實現(xiàn)研究區(qū)煤儲層含氣量的定量預(yù)測。

經(jīng)過反復(fù)測試篩選，本次研究選取的煤儲層含氣量影響參數(shù)有碳氫指數(shù)、擬泊松比、吸收衰減、阻抗、煤層埋深、煤層厚度、煤層密度、構(gòu)造曲率、最近斷層距離、頂板泥巖厚度、頂板灰?guī)r厚度等(表1)。通過對和順區(qū)塊16口鉆井井點處的各參數(shù)與實測含氣量之間關(guān)系的統(tǒng)計分析和多元線性回歸，得到了煤儲層含氣量的定量預(yù)測模型。

為了驗證地震多屬性預(yù)測的可靠性，分別針對考慮與不考慮疊前反演的屬性參數(shù)兩種情況進行預(yù)測模型的回歸計算與預(yù)測效果的對比。

1) 考慮疊前反演的碳氫指數(shù)、擬泊松比和密度參數(shù)，擬合得到的多元線性方程(式中字母示意參見表1)為：

0.338×F+0.0456×M-6.284×10-3×

S-4.025×10-3×D-1.745×10-5×L-

1.343×N+4.267×10-6×Z+1.521×

(2)

2) 不考慮疊前反演參數(shù)，擬合得到的多元線

表1 和順區(qū)塊15號煤層含氣量影響參數(shù)值

性方程為：

C=0.447×F-0.982×M-6.664×10-3×

S+2.502×10-3×L-1.318×N+

1.949×10-6×Z+1.066×10-2×

H+0.367×K(R2=0.83)

(3)

兩種預(yù)測模型對研究區(qū)15號煤層含氣量定量預(yù)測的結(jié)果對比表明：使用疊前反演屬性參數(shù)預(yù)測的鉆井處含氣量與實測含氣量相關(guān)程度較高，預(yù)測精度優(yōu)于不使用疊前反演結(jié)果預(yù)測的含氣量(圖11)；使用疊前反演屬性參數(shù)和不使用疊前反演屬性參數(shù)預(yù)測的含氣量趨勢基本一致，但精細程度前者高于后者(圖12)。

圖11 使用疊前反演結(jié)果(a)和未使用疊前反演結(jié)果(b)預(yù)測的鉆井處含氣量與實測含氣量相關(guān)程度對比

圖12 使用疊前反演結(jié)果(a)和未使用疊前反演結(jié)果(b)預(yù)測的和順區(qū)塊15號煤層含氣量平面分布

4 結(jié)論與認識

1) 利用地震吸收衰減屬性、構(gòu)造曲率屬性和密度參數(shù)可以定性預(yù)測煤層含氣量。消除埋深影響的吸收衰減屬性與煤層含氣量呈正相關(guān)性，煤層含氣量較大的地方，吸收衰減相對較為明顯；構(gòu)造(正)曲率與煤層含氣量呈負相關(guān)性；煤層含氣量越高，密度往往越低，利用疊前同時反演得到的密度參數(shù)可以實現(xiàn)對煤層含氣量的近似預(yù)測。

2) 和順區(qū)塊煤儲層的AVO現(xiàn)象主要表現(xiàn)為振幅隨偏移距增加而減小的特征，為典型的第Ⅳ類AVO。碳氫指數(shù)(P×G)屬性和擬泊松比屬性與煤層氣富集程度相關(guān)性較好，可以作為煤層含氣量預(yù)測的重要參數(shù)。

3) 基于地震多屬性分析的思路，優(yōu)選出與煤層含氣量相關(guān)程度高的地震屬性和地質(zhì)參數(shù)；通過對和順區(qū)塊16口鉆井井點處的各屬性參數(shù)與實測含氣量之間關(guān)系的統(tǒng)計分析，得到了煤儲層含氣量定量預(yù)測的多元線性回歸方程；將該方程應(yīng)用于非井點處的地震疊前反演屬性數(shù)據(jù)體，實現(xiàn)了研究區(qū)太原組15號煤層含氣量的定量預(yù)測。

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(編輯：顧石慶)

Coal seam gas content prediction based on seismic multi-attributes analysis in Heshun Block,Qinshui Basin

Zhu Zhengping1,Lei Kehui2,Pan Renfang1

(1.CenterofDigitalOilfieldResearchofYangtzeUniversity,Wuhan430100,China; 2.PSTServiceCorp.,Beijing100001,China)

Gas content is the essential data for coalbed methane (CBM) areas selection and evaluation as well as development deployment.Accurate prediction of gas content and its distribution is even crucial for new exploration areas of CBM.On the comprehensive analysis of seismic data,logging and test data,seismic attributes highly related with the gas content of coalbed methane are verified and preferred.Seismic wave absorption attenuation attributes,eliminating the influence of buried depth,have significantly positive correlation with gas content.Tectonic (positive) curvature shows negative correlation with gas content.Density attribute has significantly negative correlation with gas content.The correlations of hydrocarbon index (P×G) provided by seismic AVO analysis and pseudo Poisson’s ratio with the enrichment of coalbed methane are fairly good,which can be used to predict gas content.In the way of the seismic multi-attributes analysis,multiple linear regression equations among seismic attributes,geological parametres and gas contents measured from CBM wells are established for Heshun Block in northern Qinshui Basin.The equation is applied to seismic prestack inversion attributes volume in the area,to the exclusion of CBM wells,and gas content of 15th coalseam in Taiyuan group of this area is quantitatively predicted.

coalbed methane,seismic multi-attributes,gas content,multiple linear regression,prestack inversion,Heshun Block

2014-06-16;改回日期：2014-10-15。

朱正平(1980—)，男，博士，工程師，主要從事油藏描述、數(shù)字油田和非常規(guī)油氣儲層評價等工作。

國家科技重大專項“物探技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用”(2011ZX05035006)資助。

P631

A

1000-1441(2015)02-0226-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.02.015