張留榮，曾維望

(1.晉中市煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，山西 晉中 030600; 2.山西山地物探技術(shù)有限公司，山西 晉中 030600)

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地震技術(shù)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張留榮1，曾維望2

(1.晉中市煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，山西 晉中 030600; 2.山西山地物探技術(shù)有限公司，山西 晉中 030600)

地質(zhì)研究程度欠佳是造成我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)投入/產(chǎn)出效率偏低的重要原因之一，當(dāng)前大量的低產(chǎn)煤層氣井是對(duì)不利的地質(zhì)因素認(rèn)識(shí)不清引起的?；趯?duì)煤層氣富集主控地質(zhì)因素的地球物理響應(yīng)特征分析，認(rèn)為構(gòu)造、煤層厚度、煤體結(jié)構(gòu)、裂隙系統(tǒng)等在地震彈性參數(shù)上均有明確的響應(yīng)特征，但煤層含氣性響應(yīng)微弱，地震預(yù)測(cè)難度大。依據(jù)當(dāng)前地震勘探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出在三個(gè)層次上開(kāi)展煤層氣地震技術(shù)的研究與攻關(guān)：1)充分發(fā)揮采集、處理、解釋等地震技術(shù)在構(gòu)造勘探中的優(yōu)勢(shì)，大幅提高煤層賦存形態(tài)及構(gòu)造的控制精度；2)加強(qiáng)井震聯(lián)合反演、屬性分析等技術(shù)研究，開(kāi)展煤層厚度、圍巖(巖性組合)、煤層宏觀結(jié)構(gòu)等巖性預(yù)測(cè)；3)開(kāi)展煤層含氣性、裂隙系統(tǒng)、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等煤層儲(chǔ)層物性的巖石物理測(cè)試及地震預(yù)測(cè)方法的研究。

煤層氣；煤層厚度；煤體結(jié)構(gòu)；裂隙系統(tǒng)；屬性分析；井震聯(lián)合反演；地震勘探

0 引言

中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了20多年的發(fā)展歷程，在資源綜合評(píng)價(jià)、成藏地質(zhì)理論和勘探開(kāi)發(fā)工程配套技術(shù)等方面取得了較為豐富的成果，地面煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)量從2004年的0.1億m3增長(zhǎng)到2016年的43.7億m3。但是，投入/產(chǎn)出效率低下、自我盈利能力差的行業(yè)現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示[1]，截止到2012年底，全國(guó)已投產(chǎn)的7957口煤層氣地面直井的平均單井日產(chǎn)氣為902 m3，遠(yuǎn)低于其它主要的煤層氣開(kāi)發(fā)國(guó)家(美國(guó)平均單井日產(chǎn)氣量為3900 m3，澳大利亞為2300 m3，加拿大為2200 m3)。在平均日產(chǎn)<300m3的低產(chǎn)井中，鉆遇碎粒糜棱構(gòu)造煤層和高礦化裂隙充填致密煤層造成低產(chǎn)的多達(dá)2000余口，部署在鄰近斷層、水動(dòng)力條件活躍及高陡煤層部位造成低產(chǎn)的也有幾百口?？梢?jiàn)，煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)研究薄弱是影響煤層氣開(kāi)發(fā)效果的一個(gè)極為重要的因素。如能提前通過(guò)相關(guān)勘探技術(shù)查明這些地質(zhì)因素，使得鉆井部署及開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用做到有的放矢，必將大幅提高煤層氣投入/產(chǎn)出效率，降低勘探開(kāi)發(fā)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，在常規(guī)油氣及煤田等資源勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用的地震技術(shù)也逐步應(yīng)用于煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，但是由于受煤層氣行業(yè)片面追求低成本投入的觀念限制、煤儲(chǔ)層物性本身的特殊性及地震工作部署網(wǎng)度普遍較大、資料研究深度不夠等多種因素的影響，在多數(shù)情況下，地震技術(shù)只是用于煤層賦存狀況及宏觀構(gòu)造格局的控制，未能充分挖掘地震資料包含的豐富動(dòng)力學(xué)信息，為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)部署提供更多的有效地質(zhì)指導(dǎo)。為此，本文歸納總結(jié)了煤層氣富集的主控地質(zhì)因素，對(duì)其地球物理響應(yīng)及地震預(yù)測(cè)可能性與可行性進(jìn)行了分析，結(jié)合地震技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展，提出了煤層氣地震技術(shù)的研究與攻關(guān)方向。

1 煤層氣富集主控地質(zhì)因素及其地球物理響應(yīng)分析

影響煤層氣富集的地質(zhì)因素非常多，不同地區(qū)、不同煤層和不同構(gòu)造部位對(duì)煤層氣富集主控因素是不相同的，即使是同一地質(zhì)因素，其影響程度也不盡一致。大量的研究表明[2-8]，影響煤層氣富集的地質(zhì)因素大致可以歸納為煤層形態(tài)、構(gòu)造、溫壓、物性、封蓋、流體等六大類24項(xiàng)，表1簡(jiǎn)要給出了這些因素與煤層氣富集的關(guān)系及其地震響應(yīng)特征。

通過(guò)對(duì)這些影響煤層氣富集的地質(zhì)因素(參數(shù))分析可以發(fā)現(xiàn)，其中有21項(xiàng)參數(shù)具有或可能具有一定的地震響應(yīng)特征，根據(jù)其地震響應(yīng)的差異性，又大致可以將這些因素劃歸為構(gòu)造勘探、巖性勘探及儲(chǔ)層描述三個(gè)層次的技術(shù)范疇(表2)。

表1 煤層氣富集影響因素及其地震響應(yīng)(據(jù)李辛子[2]，并補(bǔ)充)

表2 煤層氣富集影響因數(shù)地震響應(yīng)特征的分類

可以看出，研究不同技術(shù)范疇的煤層氣富集影響因素，需要利用不同的地震預(yù)測(cè)技術(shù)，鑒于地震技術(shù)的發(fā)展水平，地震技術(shù)對(duì)這些地質(zhì)參數(shù)的預(yù)測(cè)能力與精度也不盡相同；同時(shí)也可以看出，地震技術(shù)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)可以發(fā)揮更大的作用，尚有大量的信息有待進(jìn)一步發(fā)掘。

2 煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中地震技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

現(xiàn)階段，煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐中主要以二維地震勘探應(yīng)用為主，并以構(gòu)造勘探為主要目的。我國(guó)在各煤層氣勘探區(qū)已累計(jì)投入二維地震勘探近萬(wàn)公里，但基本上是參照煤田普查階段的網(wǎng)度部署，一般采按照(1～2)×(2～4)km、甚至更大的測(cè)網(wǎng)部署，基本沿用了煤炭系統(tǒng)勘探階段的淺井小藥量、小面元(5～10m)、低覆蓋(12～24次)的采集技術(shù)體系和常規(guī)疊后偏移成像處理技術(shù)，在控制煤層賦存形態(tài)及宏觀構(gòu)造格局，為煤層氣區(qū)塊勘探初期的選區(qū)評(píng)價(jià)發(fā)揮了重要的作用，但隨著各探區(qū)逐步進(jìn)入勘探后期，這種大網(wǎng)度的地震部署及以構(gòu)造勘探為核心的技術(shù)應(yīng)用已不能適應(yīng)需求。近幾年，針對(duì)我國(guó)中高階煤層割理、裂隙發(fā)育，小斷層、局部微幅度小圈閉控制煤層氣高產(chǎn)富集的地質(zhì)規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化井位部署、提高探井成功率和單井產(chǎn)量、水平井開(kāi)發(fā)等目的，一些煤層氣企業(yè)通過(guò)加密二維地震測(cè)網(wǎng)或在煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)塊也陸續(xù)投入了部分三維地震工作，但受片面追求低成本投入要求，有些工程項(xiàng)目的采集技術(shù)參數(shù)(如30m×60m甚至更大的面元，30～36次的中低覆蓋次數(shù))與地質(zhì)目標(biāo)不匹配，加之復(fù)雜的地震地質(zhì)條件影響，在資料信噪比與分辨率不很高的條件下，使得對(duì)小斷層、微幅圈閉及陷落柱、煤層沖刷帶等地質(zhì)現(xiàn)象的精細(xì)識(shí)別受到了限制。

我國(guó)多數(shù)煤層氣探區(qū)煤層厚度一般較小，相對(duì)于地震波長(zhǎng)而言，煤層厚度一般小于λ/4，不能利用常規(guī)旅行時(shí)法進(jìn)行厚度研究，工程實(shí)踐中常用于預(yù)測(cè)煤層厚度的方法主要有調(diào)諧法、譜距法、譜分解、屬性分析預(yù)測(cè)法、波阻抗反演等方法。但是由于受資料品質(zhì)和預(yù)測(cè)技術(shù)適應(yīng)性的限制，煤厚預(yù)測(cè)技術(shù)還處于定性、半定量預(yù)測(cè)階段；而針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層描述，不少學(xué)者開(kāi)展了預(yù)測(cè)方法技術(shù)的探索，并在一些探區(qū)的應(yīng)用中取得了一些效果，但由于煤層氣賦存狀態(tài)的特殊性及煤與煤層含氣前后巖石物理研究相對(duì)薄弱，對(duì)利用地震信息開(kāi)展煤層氣儲(chǔ)層描述的技術(shù)可行性仍存在大量的爭(zhēng)論與質(zhì)疑。

3 煤層氣地震技術(shù)的研究進(jìn)展與發(fā)展方向

依據(jù)煤層氣富集影響因數(shù)地震響應(yīng)特征，結(jié)合地震技術(shù)發(fā)展水平及目前解決問(wèn)題的能力，我們提出在當(dāng)前提出應(yīng)重視從三個(gè)層次開(kāi)展煤層氣地震技術(shù)的研究與攻關(guān)：

(1)充分發(fā)揮地震技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用采集處理解釋的技術(shù)新進(jìn)展，大幅提高構(gòu)造勘探能力

在突出地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的基礎(chǔ)上，盡量保護(hù)其動(dòng)力學(xué)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)模、不同性質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)成像和準(zhǔn)確識(shí)別是煤層氣勘探構(gòu)造解釋的基本要求。以窄方位數(shù)據(jù)采集、水平疊加、疊后偏移處理技術(shù)為代表的常規(guī)地震技術(shù)系列已不能適應(yīng)煤層氣勘探的精度要求。

基于市場(chǎng)營(yíng)銷模式下，我國(guó)企業(yè)經(jīng)濟(jì)管理存在的主要問(wèn)題還包括企業(yè)組織結(jié)構(gòu)和管理模式的問(wèn)題。目前，我國(guó)很多企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)比較單一，而管理模式也不夠多樣化，缺少創(chuàng)新性。這其中很大原因是因?yàn)槠髽I(yè)自身的管理制度不完善而導(dǎo)致的。

近年來(lái)隨著煤田及煤層氣地震勘探裝備和技術(shù)的迅速發(fā)展，以寬頻帶、高信噪比數(shù)據(jù)為目標(biāo)的低頻或數(shù)字檢波器接收、大入射角、全(寬)方位三維觀測(cè)等采集技術(shù)，以高保幅、高分辨率、疊前時(shí)間或深度偏移成像等為核心的處理技術(shù)、面向復(fù)雜和精細(xì)構(gòu)造解釋的三維多屬性聯(lián)合分析技術(shù)(方差、相干、譜分解、傾角、邊緣檢測(cè)、振幅、頻率、相位、曲率等)等正逐漸走向成熟與應(yīng)用也趨于全面和深入。一方面大幅度提高了構(gòu)造勘探能力，如河道沖刷，斷裂構(gòu)造、陷落柱的解釋等，另一方面也為巖性和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)打下了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖1為小構(gòu)造的疊前與疊后偏移處理效果對(duì)比，疊前處理后的資料擁有較高的分辨率，能很清楚地刻畫(huà)出了細(xì)小斷層及陷落柱。

2)加強(qiáng)井震聯(lián)合反演、屬性分析等技術(shù)的研究與應(yīng)用，開(kāi)展煤層厚度、圍巖及其巖性組合、煤層宏觀結(jié)構(gòu)等巖性、物性的預(yù)測(cè)；

由于煤儲(chǔ)層的特殊性，直接利用地震波形變化信息對(duì)煤層厚度、圍巖及其巖性組合、煤層宏觀結(jié)構(gòu)等巖性、物性的預(yù)測(cè)是非常困難的，需要利用高分辨率的鉆井資料、地震波的動(dòng)力學(xué)屬性處理技術(shù)提高地震資料的分辨率，達(dá)到巖性解釋的目標(biāo)。

煤層厚度在空間上往往是呈非線性變化的，通過(guò)鉆孔見(jiàn)煤數(shù)據(jù)內(nèi)插獲得的煤厚，其預(yù)測(cè)精度較低，用于估算煤層及煤層氣儲(chǔ)量誤差較大。而井震聯(lián)合反演技術(shù)，一方面利用了地震數(shù)據(jù)的橫向變化信息，一方面又有井?dāng)?shù)據(jù)的約束，其煤厚預(yù)測(cè)結(jié)果一般要好于前者。如圖2所示的煤層厚度變化趨勢(shì)圖，僅利鉆孔資料是很難預(yù)測(cè)出來(lái)的，必須進(jìn)行測(cè)井和地震聯(lián)合反演，利用非線性的地震數(shù)據(jù)，由井向外推算煤層橫向變化。

對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的煤層圍巖，就更需要通過(guò)地震反演才能將圍巖的巖性識(shí)別出來(lái)(圖3，圖4)，預(yù)測(cè)出煤層頂?shù)装鍘r性，并利用頂?shù)装鍘r性分析煤層的透氣性。

圖1 疊前偏移資料擁有較高的縱橫向分辨率Figure 1 Prestack migration data with higher vertical and lateral resolutions

圖2 地震反演預(yù)測(cè)某地區(qū)侏羅系目標(biāo)煤層厚度Figure 2 Seismic inversion predicted Jurassic target coal thickness in an area

圖3 上古生界煤系地震反演剖面Figure 3 Upper Paleozoic coal measures strata seismic inversion section

圖4 利用多屬性技術(shù)解釋煤層頂板砂巖發(fā)育區(qū)(河道砂體)Figure 4 Multi-attribute technology interpreted coal roof sandstone developed area (channel sand)

3)開(kāi)展煤層含氣性、裂隙系統(tǒng)、煤體結(jié)構(gòu)等煤層儲(chǔ)層物性的巖石物理測(cè)試及地震預(yù)測(cè)方法研究是一個(gè)值得探索的方向

當(dāng)前針對(duì)煤儲(chǔ)層巖石物理研究主要集中在煤體結(jié)構(gòu)變化引起的煤的巖石物理性質(zhì)變化和煤儲(chǔ)層含氣變化引起的煤的巖石物理性質(zhì)變化兩個(gè)方面：

對(duì)不同煤體結(jié)構(gòu)煤的大量彈性參數(shù)測(cè)試和超聲波速測(cè)試表明[3-7]：隨著煤體破壞程度的增大，煤在聲波速度、彈性模量、泊松比、剪切模量、體積模量和拉梅常數(shù)等力學(xué)性質(zhì)和彈性參數(shù)方面存在相當(dāng)明顯的差異，以構(gòu)造煤和原生結(jié)構(gòu)煤為例，構(gòu)造煤的超聲波速度、彈性模量、剪切模量和體積模量明顯降低，而泊松比和拉梅常數(shù)明顯增加，差異分布在21.6%～71.7%。含瓦斯煤的力學(xué)響應(yīng)同時(shí)受到游離和吸附兩種狀態(tài)瓦斯的影響，在二者的共同作用下，煤體的強(qiáng)度和彈性模量隨著瓦斯壓力的增加而減低，且在圍壓較大時(shí)，彈性模量的降低與瓦斯壓力增加之間呈非線性關(guān)系等。這些研究成果為地震技術(shù)預(yù)測(cè)煤層氣儲(chǔ)層物性奠定了基礎(chǔ)。

由于測(cè)井曲線對(duì)煤體結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的識(shí)別能力，可利用特征重構(gòu)技術(shù)，構(gòu)建既能反映煤體結(jié)構(gòu)變化，又有聲波量綱的擬聲波曲線，這樣擬聲波阻抗反演出的巖性剖面就具備了識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)的能力(圖5)，圖5中的構(gòu)造煤主要分布在小撓曲部位及轉(zhuǎn)折端，與研究區(qū)的構(gòu)造發(fā)育特征密切相關(guān)。

由于煤易碎性及煤層氣賦存狀態(tài)特殊性，不少學(xué)者對(duì)測(cè)井資料與煤層瓦斯富集性的關(guān)系進(jìn)行了研究。M J.繆倫[8]建立了圣胡安盆地煤層煤樣實(shí)測(cè)解吸甲烷含量與煤體積密度的線性相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式；高緒晨[9]采用中子、密度測(cè)井法計(jì)算煤層氣層含氣量；Hawkins、McLennan、潘和平等[10-12]都報(bào)道了用測(cè)井方法計(jì)算煤層氣含量的成果，并利用測(cè)井參數(shù)推導(dǎo)出了計(jì)算含氣量的方程。此外，劉盛東等[13]還通過(guò)對(duì)煤礦井下煤體瓦斯特征與震波參數(shù)關(guān)系的探測(cè)與分析后認(rèn)為煤層中瓦斯含量增加將引起煤層的地震波速度減小，衰減系數(shù)增大、品質(zhì)因子降低等變化。

在地震預(yù)測(cè)技術(shù)研究方面，Ramos等[14]利用AVO技術(shù)對(duì)美國(guó)錫達(dá)山煤礦區(qū)煤層的瓦斯富集情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，David Gray[15]等利用AVO及方位AVO技術(shù)研究了加拿大Alberta煤礦區(qū)煤層的瓦斯富集性與煤的各向異性。 彭蘇萍[16-19]以淮南煤田為例提出了以煤層割理裂隙為探測(cè)目標(biāo)的煤層瓦斯富集AVO技術(shù)預(yù)測(cè)理論。

圖5 擬聲波阻抗預(yù)測(cè)煤體結(jié)構(gòu)Figure 5 Pseudo-acoustic impedance predicted coal mass structure

陳剛等[20-21]的研究認(rèn)為，高含氣后振幅隨偏移距增大而減少產(chǎn)生AVO異常(亮點(diǎn))。以沁水盆地實(shí)際地震資料為依托，常鎖亮等[22-24]在對(duì)地震資料強(qiáng)調(diào)保幅處理的基礎(chǔ)上，嘗試開(kāi)展了利用疊后反演、疊前AVO及疊前EI反演等多種技術(shù)手段預(yù)測(cè)煤層含氣性的研究，取得了一些初步成果。

總體而言，由于煤層的含氣性等儲(chǔ)層特征與地球物理響應(yīng)異常與煤層反射波的強(qiáng)反射異常相比很弱，目前成熟的地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)是否適合煤層氣儲(chǔ)層等基礎(chǔ)問(wèn)題還未解決。因此，盡快研究并明確煤層含氣性的地球物理響應(yīng)，探索適應(yīng)薄煤層的能夠綜合利用振幅、衰減、頻率等地震波動(dòng)力學(xué)特征的地震預(yù)測(cè)技術(shù)，是今后煤層氣地震勘探研究的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論與展望

煤層氣地震勘探技術(shù)的發(fā)展，大幅提高了構(gòu)造勘探的能力。煤層厚度變化、煤體結(jié)構(gòu)變化、裂隙系統(tǒng)等對(duì)煤的彈性力學(xué)參數(shù)存在明確的響應(yīng)，地震技術(shù)預(yù)測(cè)的依據(jù)充分，是可行的。煤層含氣性對(duì)煤的彈性力學(xué)參數(shù)存在一定響應(yīng)、但響應(yīng)微弱，地震預(yù)測(cè)難度大，但多屬性分析、譜分解、AVO、EI、疊前同時(shí)反演等地震預(yù)測(cè)技術(shù)具有良好的研究潛力與應(yīng)用前景。同時(shí)也要注意，單一地震預(yù)測(cè)技術(shù)研究煤層氣儲(chǔ)層物性目前還存在較強(qiáng)的多解性，應(yīng)采取多方法聯(lián)合研究以提高可靠性。

煤層氣地震勘探技術(shù)研究和實(shí)踐表明，地震技術(shù)在煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)的不同階段都具有重要的作用，因而，充分發(fā)掘地震資料潛力，是降低煤層氣勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)解決煤層氣產(chǎn)業(yè)投入/產(chǎn)出效益低的一個(gè)有效手段。

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Application Status Quo and Development Trendof Seismic Prospecting Technology in CBM Exploitation

Zhang Liurong1, Zeng Weiwang2

(1. Jinzhong City Coal Geological Exploration Team, Jinzhong, Shanxi 030600;2. Shanxi Shandi Geophysical Prospecting Technological Co. Ltd., Jinzhong, Shanxi 030600)

The degree of geological research deficiency is one of major causes in the country’s CBM exploitation investment/output efficiency low. At present, a large number of low yield CBM wells are resulted from understanding not clear on unfavorable geological factors. Based on CBM enrichment main geological factor geophysical response features analysis, have considered that on the seismic elastic parameters, the geological structure, coal thickness, coal mass structure and fissure system all have unambiguous response features; but coal seam gas-bearing property response is weak, caused difficulties in seismic prospecting prediction. On the basis of seismic prospecting technology status quo, has put forward three levels CBM seismic technological research and key problems tackling: 1) Give full play of advantages of uptodate seismic techniques including data acquisition, processing and interpretation, substantial increase in accuracy of coal seam hosting pattern and structural control; 2) Strengthen technical researches on well logging and seismic prospecting cooperative inversion and attributive analysis, carry out lithological prediction of coal thickness, country rock (lithologic assemblage), macrolithotype of coal; 3) Carry out studies on coal reservoir physical property lithological tests of coal gas-bearing property, fissure system, coal mass structure and ground stress etc., as well as seismic prediction methods.

CBM; coal thickness; coal mass structure; fissure system; attributive analysis; well logging and seismic prospecting cooperative inversion; seismic prospecting

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.14

1674-1803(2017)06-0068-06

張留榮(1968—)，男，山西靈石人，本科，工程師，從事煤礦瓦斯地質(zhì)、瓦斯防治和煤礦水患防治等工作。

曾維望(1980—)，男，湖南邵陽(yáng)人，碩士，工程師，從事地球物理勘探工作。E-mail:wang-158@163.com

2017-04-10

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)