地震属性在煤层气开发有利区块优选中的应用_仇念广.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 煤层气是一种非常规天然气，属自生自储成藏 模式， 具有低渗、 低压、 低饱和度的特点[1]。主要以水 溶、 吸附、 游离 3 种状态存储于煤层孔隙、 裂缝及分 布于其中的水中，其中绝大部分吸附于孔隙的表 面。煤层气的抽采，一方面可以减少煤层回采工作 面内的瓦斯含量， 降低瓦斯灾害。同时， 也可以将抽 采出的煤层气进行资源利用， 低碳环保[2]。在煤层气 抽采中，开发井的布置一般呈矩形或菱形设置， 单 井的有效抽采范围一般小于 500 m[3]。 部署设计在遵 循开发和经济的原则上[4]， 更注重地质条件。即构 造、 裂缝、 煤层厚度、 孔渗性和含气量等相关地质参 数。研究煤层气开发的地质条件中，在无钻井资料 时，可利用地球物理勘探技术进行分析。其中基于 叠后地震属性， 可分析煤层厚度、 顶底板岩性、 裂缝 发育条件和瓦斯富集区域。孟召平[5]、 彭苏萍[6]开展 了基于地震属性的煤层厚度及顶底板岩性预测的 研究。刘振峰[7]、 顾雯[8]、 王飞[9]等研究了地震多属性 识别裂缝技术。 刘最亮[10]、 祁雪梅[11]、 陈勇[12]等开展了 煤层气富集区的地震属性响应特征研究。针对新元 矿中部勘探区， 为优选煤层气抽采开发有利区块， 通 过叠后地震属性分析， 研究了 3 号煤层发育厚度、 顶 底板泥岩发育条件、区域内裂缝发育情况和煤层气 富集情况， 划分了煤层气抽采的有利区块。 1研究区地质概况 研究区位于山西新元煤矿中部， 北邻二采区、 西 邻十采区。井田内断层、 陷落柱较发育， 多为落差小 于 15 m 的正断层， 断层走向 NW、 NE 为主， 地层倾 角较平缓， 倾角 2～9。研究目的层为 3 号煤， 且发 育较稳定、 连续。依据邻近钻井资料可知， 3 号煤层 厚度 3 m 左右， 镜质组反射率为 2.0～2.3， 属高 阶煤。高阶煤中吸附气较丰富、 含气量较高[13]， 平均 瓦斯含量为 10.63 mL/g，属于良好的生气资源。但 是， 高阶煤的孔隙度较低， 一般小于 6， 3 号煤的平 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.030 地震属性在煤层气开发有利区块优选中的应用 仇念广 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039） 摘要 为了在煤层气开发中优选有利区块， 通过正演模拟， 明确了最大振幅与煤层厚度相关 性， 从而划分了煤层较厚区域以及顶底板泥岩较发育区， 并综合利用相干、 曲率、 蚂蚁体等属性 圈定了裂缝发育区。此外， 正演分析验证了以均方根为代表的地震属性与煤层气含量有着较好 的正相关性。最后， 以煤层厚度、 顶底板泥岩发育条件、 裂缝发育条件、 煤层气富集性为基本条 件， 确定了研究区内的Ⅰ类和Ⅱ类有利区块， 以便于在后期设计开发井位， 进行煤层气抽采。 关键词 地震属性； 裂缝； 煤层气富集区； 煤层气抽采； 正演模拟； 有利区块 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0131-04 Application of Seismic Attributes in Optimization of Favorable Coalbed Methane Development Area QIU Nianguang （China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China） Abstract To select favorable area in the coalbed methane development, through forward modeling, the correlation between the maximum amplitude and the thickness of the coal seam is clarified, and the thicker area of the coal seam and the more developed area of mudstone on the roof and floor are classified. The coherence, curvature and ants were used to delineate the fracture zone. In addition, forward analysis verifies that the seismic attribute represented by root mean square has a good positive correlation with CBM content. Finally, taking the coal thickness, roof and floor mudstone, fracture development conditions, development conditions of coalbed methane enrichment as the basic conditions, Ⅰ favorable blocks and Ⅱ favorable blocks in the research area are determined to facilitate the design and development of wells and the coal bed methane extraction in the late stage. Key words seismic attribute； fracture； CBM enrichment area； CBM extraction； forward modeling； favorable area 应用 实践 131 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 均孔隙度别为 4.76。 因此， 对于具有较好产气条件 的煤层，明确裂缝发育条件对于煤层气抽采开发井 更具指导意义。 2煤层厚度和顶底板条件 对于煤层厚度、 顶底板条件的研究， 一般通过钻 井资料揭露最为直接。但研究区内尚无钻井， 仅可参 考邻区钻井。邻区钻井显示 3 号煤层厚度在 3 m 左 右， 顶板泥岩 20 m 左右、 底板泥岩 12 m 左右。可见， 能够生成煤层气的煤层厚度较好，且顶底板泥岩厚 度可形成良好的封存条件，即具有较好的盖层、 保 存条件。 新元矿 3 号煤层测井及岩性柱状图如图 1。 为更好地利用地震属性研究煤层厚度、顶底板 条件， 可通过建立正演模型， 分析不同厚度的煤层响 应特征，拟合煤层厚度与最大振幅的相关性。通过 声波和密度测井资料可知，煤层密度 2 500 kg/m3， 波速 2 000 m/s， 泥岩密度 2 800 kg/m3， 波速 2 500 m/s，依据地震资料频谱特征，选定地震子波为 30 Hz 雷克子波。 煤层与泥岩的密度、 波速差异较大， 两 者有较大的波阻抗差， 可形成较大的反射系数， 表现 为强地震反射。 煤层厚度正演模拟分析如图 2。 建立 煤层楔形模型 （图 2 （a） ） ， 煤层厚度为 0～25 m， 其地 震响应显示，煤层底板为强振幅正反射、顶板为负 反射。通过提取不同煤厚处的振幅，发现煤层厚度 与地震最大振幅成正相关关系。因此，可根据强振 幅确定煤层厚度分布区，弱振幅确定顶底板泥岩较 发育的区域。 地震最大振幅的分布趋势表征着煤层厚度和顶 底板泥岩的发育区域。煤层厚度及顶底板发育条件 如图 3。 由图 3 可见， 煤层较厚区域主要集中在研究 区中部范围内，而顶底板泥岩在研究区中部和南部 范围内分布较好。综合煤层厚度和顶底板泥岩发育 条件可进一步分析，即三者的重合区域更有利于煤 层气的生成与保存。 图 1新元矿 3 号煤层测井及岩性柱状图 图 2煤层厚度正演模拟分析 3裂缝发育条件分析 裂缝不仅仅是煤层气的存储空间，同时也是煤 层气运移的通道， 利于煤层气的聚集和开采[13]。因 此，可以通过裂缝发育情况优选开发有利区块。同 时， 明确裂缝走向可指导开发过程中钻井压裂作业。 叠后地震属性对于裂缝的识别有着明显的效果[14]， 其中相干、 方差、 边缘检测、 曲率、 蚂蚁追踪等以突 出地震不连续性的属性应用效果较好。因此，可以 通过相干、 曲率、 蚂蚁追逐等多属性分析， 圈定研究 图 3煤层厚度及顶底板发育条件 132 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 区内的裂缝发育区和地层主应力方向。 相干作为最经典的地震反射波不连续性属性， 是由相邻道波形间的相位、频率、振幅等波形信息 计算相干性而得到的。曲率则是表明该处的弯曲状 态， 而地层的断裂、 扭曲会产生大量张裂缝， 因此曲 率可用于裂缝的研究。其中，最大正曲率和最小负 曲率应用效果较好。最大正曲率表征的是背斜或断 层上升盘，最小负曲率表示向斜或断层下降盘。蚂 蚁体属性是仿生蚂蚁觅食过程中对于最优路径选择 的一种自动追踪识别技术。即在觅食中会在最佳路 径上释放更多的蚂蚁素。地震蚂蚁体基于此原理， 在不连续属性中，以设置的识别条件开始追踪运 算， 并在不连续处释放信息素， 从而形成了不连续体 信息素的痕迹， 即地震蚂蚁体。 相干属性对大中型断层响应较好；曲率和蚂蚁 体较零碎，可表明小裂缝发育情况。由多属性叠合 可充分利用不同属性的表征尺度，从而圈定研究区 内裂缝的发育区域， 并可由曲率、 蚂蚁体的走向进行 统计从而生成裂缝方位角玫瑰图。裂缝发育区如图 4。图 4 表明，在中部和南部范围内裂缝较发育， 裂 缝主要为北偏东 5～15。一般天然裂缝与地层最大 主应力具有一定的相关性[15]。 因此， 在后期钻井压裂 作业中可参考该裂缝走向进行压裂，提升钻井压裂 效果， 从而提高煤层增透效果， 便于后期煤层气抽采。 4煤层气富集区分析 地震属性对于煤层气富集区的识别主要以对流 体响应敏感的能量类和频谱类属性为主。通过正演 分析可见， 以 RMS 均方根振幅为代表的地震属性与 煤层气含气量有着一定的正相关性。含气量正演模 拟分析如图 5。 在众多地震属性中， 应用效果较好的 有十几种，并以 AF 平均瞬变频率、 RMS 均方根振 幅、 IP 瞬时相位、 DF 主频为典型代表。利用这些对 煤层气含量相对敏感的地震属性进行多属性的神经 网络运算， 可得到存在煤层气概率的分布趋势。 根据 RMS 振幅的分布区域可划定煤层气的富 集区域，同时依据多属性神经网络运算的结果也可 划定煤层气富集区。 煤层气富集区预测如图 6。 两者 相互结合，重叠区域即为最终预测的煤层气富集区 （图 6 （c） ） 。 煤层气含气量较丰富区域主要集中在研 究区中部。 5煤层气开发井定位 依据煤层厚度、 顶底板条件、 裂缝发育情况以及 煤层气富集区域 4 个地质条件可划分煤层气的开采 有利区块。4 项条件均较理想的则划分为 I 类有利 区块，有 1 项条件稍差的则划分为 II 类有利区块， 其他区域不再划分有利区块。依据上述 4 项条件的 图 4裂缝发育区 133 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 7煤层气开发有利区块预测 分布区域可划分出 I、 II 类有利区块， 主要以 II 类有 利区块为主，主要分布在研究区中部区域；而比较 理想的 I 类有利区相对较小， 在中部偏西区域存在。 煤层气开发有利区块预测如图 7。 6结论 1 ） 煤层厚度与最大振幅、 煤层气含气量与 RMS 振幅均呈一定的正相关性，可依据地震属性识别煤 层厚度、 煤层气含气量。 2） 相干、 曲率、 蚂蚁体等地震属性圈定了裂缝发 育区， 并明确了研究区内裂缝走向以北偏东 5～15 为主。该裂缝方位可指导后期压裂作业。 3） 依据煤层厚度、 顶底板条件、 裂缝发育情况和 煤层气含气量分布区域，划分了煤层气开发 I 类有 利区块和 II 类有利区块， 且主要以 II 类有利区块为 主， I 类区块较小。 参考文献 ［1］ 张士伟， 苏现波， 郭红玉， 等．自生氮酸催化压裂液优 化配比实验研究 ［J］ ．煤矿安全， 2013， 44 （10） 17－19． ［2］ 郑尚超， 代志旭．气体驱替在提高瓦斯抽采率中的创 新与应用 ［J］ ．煤矿安全， 2008， 39 （8） 42－44． ［3］ 郭晨， 秦勇， 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