邵林海，徐禮貴，李星濤，張雷，霍麗娜，丁清香

（1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710069；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司，河北涿州072750；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100095）

?

煤層含氣量定量預(yù)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

邵林海1，2，徐禮貴2，李星濤3，張雷2，霍麗娜2，丁清香2

（1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710069；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司，河北涿州072750；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100095）

摘要：以鄂爾多斯盆地東緣北部保德南地區(qū)為例，通過(guò)煤層測(cè)井資料交會(huì)圖分析、煤巖心實(shí)測(cè)含氣量數(shù)據(jù)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的研究，得到煤層密度與含氣量相關(guān)性高的敏感參數(shù)及其關(guān)系式。結(jié)合三維地震研究成果，用疊前同時(shí)反演技術(shù)得到密度數(shù)據(jù)體和煤層密度屬性，對(duì)煤層含氣量橫向展布規(guī)律進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。將煤層含氣量定量預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鄂爾多斯盆地東緣北部保德南地區(qū)，為煤層氣有利區(qū)評(píng)價(jià)和井位部署提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地；煤層密度；煤層含氣量；定量預(yù)測(cè)；有利區(qū)

煤層含氣量是煤層氣資源計(jì)算、煤層氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)評(píng)價(jià)和井位部署的主要參數(shù)之一，同時(shí)也是煤礦瓦斯涌出量預(yù)測(cè)的重要參數(shù)之一，其定量預(yù)測(cè)方法有直接測(cè)定法和間接預(yù)測(cè)法2類(lèi)。直接測(cè)定法（解吸法）是利用現(xiàn)場(chǎng)鉆井煤巖心，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得煤層實(shí)際含氣量；間接預(yù)測(cè)法是指利用鉆井煤巖心直接測(cè)定的含氣量與煤層的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到相應(yīng)的關(guān)系式，進(jìn)而預(yù)測(cè)其他鉆井煤層的含氣量。其中，煤層的相關(guān)參數(shù)包括埋深、厚度、傾角、密度、聲波時(shí)差、自然伽馬、視電阻率、縱波阻抗、縱橫波速度比、泊松比、拉梅常數(shù)和上覆地層厚度等。盡管間接預(yù)測(cè)法在測(cè)井上得到較為廣泛的應(yīng)用[1-7]，但在煤層氣勘探初期，由于鉆井?dāng)?shù)量有限，如何定量預(yù)測(cè)鉆井之間區(qū)域煤層含氣量，得到較準(zhǔn)確的煤層含氣量平面分布，成為制約煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)的瓶頸之一。此外，煤層含氣量的影響因素較多[8-12]，綜合多種影響因素進(jìn)行煤層含氣量預(yù)測(cè)的方法有多元回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色系統(tǒng)理論和縱波分方位等間接預(yù)測(cè)法[13-16]，而利用三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行煤層含氣量的預(yù)測(cè)，目前還鮮有報(bào)道。本文以鄂爾多斯盆地東緣北部保德南地區(qū)為例，以鉆井煤巖心和測(cè)井資料為基礎(chǔ)，發(fā)揮三維地震資料在平面上的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)井震結(jié)合，探索形成了煤層含氣量定量預(yù)測(cè)技術(shù)。

1　煤層含氣量定量預(yù)測(cè)技術(shù)

1.1煤層含氣量敏感參數(shù)的優(yōu)選

通過(guò)利用研究區(qū)測(cè)井解釋煤層含氣量數(shù)據(jù)與不同彈性參數(shù)進(jìn)行交會(huì)分析，優(yōu)選出對(duì)煤層含氣量敏感的彈性參數(shù)，包括煤層密度、縱波阻抗、縱橫波速度比、泊松比以及拉梅常數(shù)等。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，煤層測(cè)井解釋含氣量隨著密度、縱波阻抗、縱橫波速度比、泊松比及拉梅常數(shù)的增加而降低，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[17]（圖1），但是在縱橫波速度比、泊松比、拉梅常數(shù)與煤層含氣量交會(huì)圖上，其聚焦程度欠佳，特別是在煤層含氣量低值區(qū)，數(shù)據(jù)點(diǎn)較發(fā)散，規(guī)律性不強(qiáng)。而煤層密度、縱波阻抗與測(cè)井解釋含氣量的數(shù)據(jù)散點(diǎn)規(guī)律性要好于其他彈性參數(shù)。其中，煤層密度與煤層含氣量關(guān)系最明顯，是對(duì)煤層含氣量最敏感的參數(shù)。究其原因，主要是煤層氣以吸附氣為主，游離氣很少，煤層含氣量與煤層礦物質(zhì)（灰分）含量、水分含量等呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，利用煤層密度屬性預(yù)測(cè)研究區(qū)現(xiàn)今狀態(tài)下煤層含氣量，是可行有效的。

圖1　保德南地區(qū)煤層測(cè)井解釋含氣量與不同彈性參數(shù)的關(guān)系

1.2煤層巖心實(shí)測(cè)含氣量與密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的關(guān)系

利用鄂爾多斯盆地保德南地區(qū)16口探井煤層巖心實(shí)測(cè)含氣量和相應(yīng)的密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，制作散點(diǎn)圖，煤層含氣量隨著煤層密度的增加而降低，呈線性相關(guān)關(guān)系（圖2），與煤層測(cè)井解釋含氣量和密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)間的關(guān)系基本一致，說(shuō)明煤層含氣量與煤層密度密切相關(guān)。由此得到煤層巖心實(shí)測(cè)含氣量與煤層密度的關(guān)系式為

圖2　保德南地區(qū)煤層巖心實(shí)測(cè)含氣量與密度的關(guān)系

1.3煤層密度的預(yù)測(cè)方法

如果知道整個(gè)研究區(qū)煤層密度平面上的分布規(guī)律，就可以利用（1）式來(lái)預(yù)測(cè)煤層含氣量。然而，確定煤層密度橫向上的分布，是煤層含氣量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。筆者利用煤層氣三維地震疊前道集數(shù)據(jù)，結(jié)合縱波阻抗、橫波阻抗、密度等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)以及地質(zhì)資料，同時(shí)反演出多種巖石彈性參數(shù)，如縱波阻抗、橫波阻抗、密度、縱橫波速度比、泊松比和拉梅常數(shù)等，該方法即為疊前同時(shí)反演技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是Patrick提出的彈性阻抗的概念[18]，即將非垂直入射時(shí)的反射系數(shù)，用類(lèi)同垂直入射時(shí)的反射系數(shù)形式表示出來(lái)，彈性波阻抗（Z）是縱波速度和橫波速度、密度以及入射角的函數(shù)：

輸入3個(gè)或3個(gè)以上不同入射角疊加數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的子波以及約束低頻模型數(shù)據(jù)，利用疊前同時(shí)反演技術(shù)可以得到準(zhǔn)確的密度數(shù)據(jù)，然后沿層提取目標(biāo)煤層密度屬性，同時(shí)用已鉆井所得到的煤層密度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校正，得到煤層密度平面圖，進(jìn)而利用（1）式定量預(yù)測(cè)煤層含氣量的平面展布規(guī)律。

2　應(yīng)用實(shí)例

2.1地質(zhì)概況

保德南地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶北部，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為向東抬升的單斜，斷裂活動(dòng)相對(duì)不劇烈，以延伸較短、斷距較小的逆斷層為主，斷層主要為北東—南西走向和近南北走向（圖3）。

圖3　保德南地區(qū)8號(hào)+9號(hào)煤層底界構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)穩(wěn)定分布了從奧陶系到第四系的沉積地層。主要含煤地層為下二疊統(tǒng)太原組和山西組。太原組平均厚度為86.0 m，含煤7層，煤層平均厚度12.1 m，含煤系數(shù)14.1%.山西組平均厚度為65.7 m，含煤6層，煤層平均厚度7.7 m，含煤系數(shù)11.7%.

研究區(qū)內(nèi)煤層的發(fā)育依附于區(qū)域上的2個(gè)成煤期，早成煤期為太原期，形成的煤層或者煤線主要有7號(hào)～15號(hào)煤層，主力煤層為8號(hào)+9號(hào)煤層；晚成煤期為山西期，形成的煤層或者煤線主要有1號(hào)～6號(hào)煤層，主力煤層為4號(hào)+5號(hào)煤層。

在研究區(qū)范圍內(nèi)8號(hào)+9號(hào)煤層厚度為3～26 m，平均厚度11.2 m，相對(duì)較厚。

宏觀煤巖組分以暗煤和亮煤為主，屬半暗型-半亮型，煤層的鏡質(zhì)體反射率為0.8%，煤巖類(lèi)型以氣煤為主，為中低煤階煤層。煤層氣為混合成因，以熱成因氣為主，可能存在生物成因氣[12]。研究區(qū)受喜馬拉雅期北西—南東向的伸展作用，北東向正斷層較為發(fā)育，為煤層氣的運(yùn)移及散失提供了條件，致使煤層含氣量相對(duì)較低，為4～12 m3/t[19-21]。

2.2保德南地區(qū)煤層含氣量預(yù)測(cè)結(jié)果

利用本文煤層含氣量定量預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)研究區(qū)8號(hào)+9號(hào)煤層含氣量進(jìn)行了定量預(yù)測(cè)。

其中，煤層密度數(shù)據(jù)體是利用三維地震疊前道集數(shù)據(jù)，使用疊前同時(shí)反演方法得到的。在過(guò)W7井東西向疊前反演剖面上，藍(lán)白色為煤層，上面的為4號(hào)+ 5號(hào)煤層，下面的為8號(hào)+9號(hào)煤層，煤層表現(xiàn)為低縱波阻抗、低橫波阻抗和低密度的特點(diǎn)（圖4）。

圖4　過(guò)W7井東西向疊前同時(shí)反演剖面

從疊前同時(shí)反演所得到的密度數(shù)據(jù)體中沿層提取8號(hào)+9號(hào)煤層的密度屬性，得到8號(hào)+9號(hào)煤層的密度平面分布。整體來(lái)看，8號(hào)+9號(hào)煤層的密度為1.52～ 2.34 g/cm3，平均為2.03 g/cm3，橫向上表現(xiàn)為東高西低，密度最大值位于研究區(qū)西北角附近，密度最小值在W7井的東南側(cè)。按照8號(hào)+9號(hào)煤層密度橫向展布特征，將研究區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)，分別為西北側(cè)的W6—W9井區(qū)、東南側(cè)的W12—W13井區(qū)、西南側(cè)W11井區(qū)、東北側(cè)的W7井區(qū)和中部的W2—W3—W10井區(qū)。其中W6—W9井區(qū)和W12—W13井區(qū)的8號(hào)+9號(hào)煤層密度較小，W11井區(qū)和W7井區(qū)8號(hào)+ 9號(hào)煤層密度中等，W2—W3—W10井區(qū)8號(hào)+9號(hào)煤層密度較大（表1）。

表1　研究區(qū)8號(hào)+9號(hào)煤層分區(qū)密度統(tǒng)計(jì)

由于疊前同時(shí)反演所得密度數(shù)據(jù)與鉆井結(jié)果有系統(tǒng)誤差，經(jīng)校正之后利用公式（1）就可以預(yù)測(cè)8號(hào)+ 9號(hào)煤層含氣量平面展布規(guī)律（圖5）。整體來(lái)看，8號(hào)+ 9號(hào)煤層含氣量橫向變化特征表現(xiàn)為東低西高，在研究區(qū)中部W2—W3—W10井區(qū)及東側(cè)8號(hào)+9號(hào)煤層含氣量小，為0.5～4.0 m3/t，而在研究區(qū)西北側(cè)W6—W9井區(qū)和研究區(qū)東南側(cè)的W12井附近8號(hào)+9號(hào)煤層含氣量大，為4.0～7.5 m3/t.

圖5　保德南地區(qū)8號(hào)+9號(hào)煤層預(yù)測(cè)含氣量平面分布

通過(guò)與鉆井8號(hào)+9號(hào)煤層巖心含氣量測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析來(lái)看，10口井絕對(duì)誤差絕對(duì)值全部小于1.0 m3/t，而相對(duì)誤差絕對(duì)值小于20%的有8口井，吻合率達(dá)到80.0%（表2）。其中W13井相對(duì)誤差較大的原因，主要是處于三維地震區(qū)的邊界上，可能受地震資料的影響。此外，在原始地層條件下，煤層氣多為液態(tài)吸附氣[22-23]，是經(jīng)過(guò)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響后的殘余氣，影響其含量大小的內(nèi)部和外部因素較多[24]，對(duì)于盆地范圍的煤層含氣量預(yù)測(cè)，利用煤層密度屬性預(yù)測(cè)煤層含氣量的這種方法就有局限性，而對(duì)于小范圍（處于相同構(gòu)造區(qū)）的煤層含氣量預(yù)測(cè)，這種方法就很實(shí)用。

表2　研究區(qū)8號(hào)+9號(hào)煤層預(yù)測(cè)含氣量誤差統(tǒng)計(jì)

3　結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地東緣北部保德南地區(qū)8號(hào)+9號(hào)煤層巖心實(shí)測(cè)含氣量和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的分析，得到煤層密度與煤層含氣量相關(guān)性較高的敏感彈性參數(shù)。以測(cè)井與地震相結(jié)合，對(duì)煤層含氣量平面展布特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，為煤層含氣量定量預(yù)測(cè)提供了一種思路和方法。

（2）通過(guò)煤層含氣量定量預(yù)測(cè)技術(shù)在鄂爾多斯盆地東緣北部保德南地區(qū)的應(yīng)用，以及對(duì)煤層含氣量預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，認(rèn)為利用煤層含氣量定量預(yù)測(cè)技術(shù)所得的結(jié)果精度較高，吻合率可達(dá)80.0%.

（3）在研究區(qū)中部W2—W3—W10井區(qū)及東側(cè)8號(hào)+9號(hào)煤層含氣量小，西北側(cè)W6—W9井區(qū)和東南側(cè)的W12井附近8號(hào)+9號(hào)煤層含氣量大。

（4）雖然利用煤層密度屬性進(jìn)行煤層含氣量預(yù)測(cè)精度較高，但是由于煤層含氣量受多種因素影響和控制，部分鉆井8號(hào)+9號(hào)煤層實(shí)測(cè)含氣量與預(yù)測(cè)含氣量相對(duì)誤差較大，還需要進(jìn)一步對(duì)其他影響因素進(jìn)行深入研究和分析。

符號(hào)注釋

K——常數(shù)；

Vg——煤層含氣量，m3/t；

vP——縱波速度，m/s；

vS——橫波速度，m/s；

Z——彈性波阻抗，g/cm3·m/s；

θ——入射角，°；

ρ——煤層密度，g/cm3.

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（編輯葉良）

Quantitative Prediction of Coalbed Gas Content:Technique and Application

SHAO Linhai1,2,XU Ligui2,LI Xingtao3,ZHANG Lei2,HUO Lina2,DING Qingxiang2
(1.State Key Laboratory of Continental Dynamics,Northwest University,Xi’an,Shaanxi 710069,China;2.DataProcessingCenter,GRI, BGP,CNPC,Zhuozhou,Hebei 072750,China;3.Research Institute of Exploration and Development,PetroChinaCoalbed Methane Co., Ltd,Beijing 100095,China)

Abstract:Coalbed gas content is one of important parameters for coalbed methane(CBM)resource estimation,favorable area evaluation and well deployment.It is related to many factors and difficult to predict.This paper focuses on Baode south survey in the north of the east?ern Ordos basin.Accordingto the cross plot of loggingdataand real gas content of coal core,the density of coal bed is the most relevant fac?tor of gas content,and the relationship between them is derived.Combined with the research of 3D seismic data,the density data and the coal density attribute are obtained by pre?stack simultaneous inversion,and then the lateral distribution of coalbed gas content is predicted quantitatively.The technique applied in the Baode south survey in the north of the eastern Ordos basin for quantitative coalbed gas content prediction can support the research of the coalbed gas content for the favorable areaevaluation and the well deployment.

Keywords:Ordos basin;coalbed density;coalbed gas content;quantitative prediction;favorable area

作者簡(jiǎn)介：邵林海（1970-），男，山東寧陽(yáng)人，博士研究生，石油地質(zhì)，（Tel）15076387015（E-mail）shaolinhai@cnpc.com.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2016ZX05065001）

收稿日期：2015-12-22

修訂日期：2016-01-20

文章編號(hào)：1001-3873（2016）02-0222-05

DOI：10.7657/XJPG20160218

中圖分類(lèi)號(hào)：P631.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A