沁水盆地煤层气地震储层预测技术方法研究

冯小英 秦凤启 焦 勇 王 亚 汪 剑 唐钰童

(1. 长江大学, 湖北 434023; 2. 华北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 062552;3. 华北油田公司煤层气勘探开发分公司, 山西 048000)

沁水盆地煤层气地震储层预测技术方法研究

冯小英1,2秦凤启2焦 勇2王 亚2汪 剑2唐钰童3

(1. 长江大学, 湖北 434023; 2. 华北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 062552;3. 华北油田公司煤层气勘探开发分公司, 山西 048000)

随着三维地震勘探技术在沁水盆地郑庄煤层气示范区的实施, 煤层气地震储层预测技术方法研究得以更好的开展。采用岩石地球物理分析、拓频、分频及波阻抗模型反演等方法, 开展了煤层分布范围、厚度变化的预测, 采用正演模拟、地震频率衰减及弧长属性计算等方法, 开展煤层气富集区预测。郑庄煤层气示范区三维地震储层预测效果明显, 为井位部署、储量计算、开发方案设计及生产井网调整提供了可靠依据。

地震储层预测 岩石地球物理分析 分频 拓频 波阻抗模型反演 正演模拟

1 概况

沁水盆地属华北石炭—二叠纪聚煤盆地。郑庄示范区位于沁水盆地的南段, 主要煤系地层为石炭系太原组及二叠系山西组, 其中, 山西组的3#煤层及太原组的15#煤层是本区最重要的产煤层。本文以3#煤为例介绍煤层气地震储层预测的技术、方法及其应用效果。

2 预测难点与攻关思路

2．1 地质条件

示范区3#煤层一般埋深500～850m, 厚度为4～10m, 分布稳定, 构造相对平缓, 为三角洲平原相的沼泽微相产物; 3#煤质好, 热演化程度高,属高煤阶无烟煤, 镜质组含量66%～97%, 灰分8%～15%; 3#煤层孔隙以微孔为主, 发育了少量的中孔和大孔, 孔隙中值半径0．02～63．57μm、孔隙度3．8～4．3%, 渗透率0．136～3．42mD, 晋试1井电镜扫描结果显示, 割理密度约500 条/m, 宽约1μm, 煤层微裂缝发育, 渗透性较好, 为特低孔特低渗裂缝性非常规储层, 并为自生自储; 3#煤层含气量一般为12～23m3/t , 最高近40m3/t , 含气饱和度90%～98%, 属高饱和、高含气吸附型气藏。

2．2 岩石地球物理特征

2．2．1 岩石测井响应特征

通过对示范区内20 多口井的岩石测井特征统计, 得到了该区3#煤层及其上下致密砂岩及泥岩围岩的岩石测井特征值表 (见表1) , 由表可以看出： ①3#煤层上下致密砂岩及泥岩围岩较为致密,表现为高速度高密度, 为3#煤层构成了良好的封堵条件; ②3#煤层测井曲线特征明显, 具有“三高二低”的曲线特征。即高电阻、高中子、高时差, 低密度、低伽玛; ③煤层厚度大小对其岩石测井参数值影响较大, 煤层越厚, 密度值越低, 电阻值越高。

表1 郑庄示范区岩石测井物理参数统计表

2．2．2 岩石地震反射特征

示范区石炭系太原组至二叠系山西组煤系地层的地震反射特征表现为四个强相位组合 (见图1) ,20 多口井的合成地震记录标定结果表明： 第一个强相位是下石盒子底界反射, 3#煤层顶界位于其下波谷负峰处; 第二个强相位反射最强最连续, 其正波峰处是3#煤层的底界反射, 该轴为复合波显示; 第三个强相位是15#煤层上面的薄层灰岩盖层的反射, 15#煤层顶界位于其下波谷负峰处; 第四个强相位是基底奥陶系灰岩顶面的反射。此外, 三维地震资料目的层段频谱特征： 频带范围10～75Hz, 主频为40Hz, 频带较宽, 主频较高, 大于1个倍频程, 地震信号满足储层预测的要求。

图1 郑庄示范区过井地震剖面

2．3 难点与思路

通过对本区地震、地质条件的分析, 认为储层预测主要存在难点如下： 一是现有地震资料3#煤层段的主频40Hz, 层速度在2400～2600m/s 左右,地震可识别的厚度约为15～30m (相当1/4 波长) ,而3#煤层厚度为4～10m, 地震资料难以分辨3#煤层; 二是受垂向分辨率的影响, 几套薄层干涉形成复合地震波, 难以准确标定某一薄层; 三是煤层为裂缝性储层, 非均质较强, 对煤层物性的预测难度较大; 四是煤层与含气煤层的测井差异小, 加大了含气煤层的预测难度。

针对以上预测难点, 制定了通过正演模拟来确定煤层含气后地震响应特征为重点的攻关思路框架图 (见图2) 。

图2 煤层气储层预测攻关思路框架图

3 技术实现

3．1 谱白化拓频处理技术应用

研究成果表明： 决定地震分辨率的是振幅谱的绝对宽度B (高截频f2与低截频f1的差值) 。B 越大, 则子波越短, 即分辨越高; B 越小, 则子波越长, 分辨率越小; 如果B 不变, 则不论主频如何,分辨率不变。因此, 提高分辨率必须使B 值尽可能大, 即通过保留低频成分, 降f1, 或拓宽高频成分, 增大f2, 来增加B, 以提高地震分辨率。

图3 郑庄示范区过井地震拓频后剖面

谱白化拓频处理是利用分频扫描来调查各频段的信噪比, 并将信噪比大于1 的频带, 通过反褶积或谱白化尽量捡平抬升起来, 将地震高、低频段的有效信号最大限量的提取出来。使f2增大, 则B增加, 有效信号的频带得到拓宽, 以此提高地震资料的分辨率。

在本次研究中, 对目的层段使用了谱白化拓频处理, 处理过程中, 对信噪比大于1 的频带进行谱白化处理, 将地震资料主频从40Hz 提高到60Hz,有效频带从10～75Hz 拓展到8～95Hz。B 值由65Hz增加到87Hz, 由图3 可知, 经谱白化拓频处理后的地震剖面, 图1 中的第二个复合强相位得到剥离, 3#煤层反射变得更加清晰, 地震资料的分辨率得到提高。井震标定表明, 经过拓频处理的地震反射同相轴与合成地震记录吻合较好, 并且原构造形态保持不变, 说明经过谱白化拓频处理的地震资料真实可靠, 能客观反映地下地质情况, 可用于地震解释和储层预测。

3．2 频谱分解技术应用

频谱分解技术是基于频率谱分解的储层特色解释技术, 它利用傅氏变换或小波变换, 把三维地震数据分解成一系列单一频率的能量数据体、相位数据体。在某一频率下, 那些具有相似声学特征和厚度的储层产生调谐作用, 使得能量增强, 以此预测储岩的平面展布特征及厚度变化。在相位数据体上, 通过相位的变化显示了地质体的横向不连续性。对3#煤层段上5ms 下15ms 时窗进行了频谱分解成像。由于3#煤层分布稳定, 平均厚度为4．7～6．5m, 速度约2400～2600m/s, 分析认为其调谐频率约为70Hz, 从65Hz、70Hz、75Hz 分频能量数据体 (见图4) 变化可以看出： 70Hz 调谐能量最大,且全区分布, 大于或小于这个频率, 能量都减弱,这表明示范区煤层在5～7m 左右, 且分布较稳定。这与研究区实际情况相吻合, 表明频谱分解技术针对薄储层的适用性较好。

图4 郑庄示范区3#煤层段分频能量数据体切片图

3．3 测井约束波阻抗模型反演

由表1 及波阻抗交会 (见图5) 分析可知, 该区目的层段煤层为低波阻抗, 波阻抗门槛值为3000～6000m．g/s．cm3, 致密砂岩的波阻抗略高于泥岩波阻抗, 门槛值分别为10000～14000、6500～12000m．g/s．cm3, 因此, 波阻抗反演能够较好辨别煤层、致密砂岩及泥岩层, 故采用波阻抗反演的方法来落实煤层的空间展布形态。又因示范区勘探程度较高, 钻井数较多, 目的层段呈薄互层特征, 故优选分辨率较高的测井约束模型反演方法开展波阻抗反演。

图5 波阻抗与自然伽玛交会图

在反演过程中, 采用点标定- 线约束- 体运算- 分段描述的反演预测流程。

3．3．1 精细点标定

层位标定是井震结合的纽带, 精确的井震标定是获得高精度储层预测的基础。

层位标定中子波的提取, 应尽量使所提取的子波波形主峰突出, 旁瓣小而对称, 有效频带范围内振幅谱单峰, 峰顶平滑, 相位谱近常相位。力求合成地震记录与井旁地震记录达到在正确的时深关系下匹配最佳、相关系数最高。本次郑庄示范区20多口资料较全、分布较均的井进行了井震标定, 合成地震记录与井旁地震道相关较好, 相关系数均大于0．7。

在合成地震记录标定组、段、亚段的基础上,制作离散合成记录, 分析每一套薄层反射强弱及其对地震反射同相轴贡献大小, 有针对性地解释预测结果。例如图6 所示, zx34 井第二个复合强相位是多个薄层的共同反射, 3#煤层顶对第一个强相位的贡献较大, 3#煤层及其下低速低密的泥岩层对第二强相位影响较大, 那么, 在利用地震反演或振幅属性预测煤层气时, 应重点关注3#煤层及其下低速低密层, 对预测结果做出合理的解释。

图6 zx34 合成地震记录与离散合成记录标定

3．3．2 线约束反演

在精细点标定基础上, 开展线约束反演, 即连井线反演。

该区薄煤层延伸较远、分布稳定, 钻井较多,构造解释精细合理, 因此井外推因子、模型搜索半径、分形指数可适当加大, 但准确选取反演参数,一般是通过连井线反演来实现。通过不断调整反演参数, 使连井线的反演结果与已知井的钻探情况最为吻合, 此时所选的参数最为优化。本次预测中,当井的外推因子为3、搜索半径为50%、分形指数为0．7、低频截止值为8Hz 时, 反演结果与已知井的钻探情况最为吻合。对上述反演参数是否优化,通常用“抽井”法来检验, 即当某些井作为检验井不参与反演时, 其预测结果与检验井处的实际地质情况是否吻合, 如吻合较差, 还需重新调整参数,直到吻合为止, 最终所取的预测参数较为合理。例如, 过zx31、zx34、zx45 井的连井线反演过程, 先采用了抽中间井留两边井的方法调试参数, 后又采用抽两边井留中间井时的方法, 所调试参数同时满足两种方法下预测结果与检验井处的实际地质情况大致吻合, 该参数即可作为最终优选参数, 否则再重新调试。

3．3．3 体反演运算

在线反演可靠的基础上进行体反演, 即准确的标定, 正确的模型, 最佳参数组合, 得到正确的反演结果。

预测结果与实钻吻合较好。如郑庄示范区36口井实钻3#煤厚度4．7～6．5m, 预测厚度4．5～6．7m, 各井3#煤实钻厚度与预测厚度绝对误差小于0．3m, 相对误差小于7%。由波阻抗反演剖面图(见图7) 可以看出： 煤层波阻抗纵向清晰可辨,横向延伸自然;

图7 连井线波阻抗反演剖面图

在平面成图时, 需注意时窗的选取及波阻抗门槛值的选取。

3．4 正演模拟技术应用

地震勘探原理表明, 地震反射界面是一个波阻抗界面, 即只要界面存在波阻抗差, 在分辨率允许的条件下就会产生地震响应。地震反射资料的正演模拟是指已知地下构造或地质体的形态几何模型,地层密度和地震波传播速度等参数来模拟地震响应记录。正演地震响应记录对地震资料的正确解释有重要的意义。由于示范区构造相对简单平缓, 故选取了简单直观有效的成像射线追踪法。这种方法射线在地表面开始沿90 度方向向下传播, 在相交边界处按照Sell 定律产生绕射, 并穿过地下界面传播, 可以克服煤层的屏蔽作用, 得到完整的成像结果。

图8 上图的正演地质模型是用精细构造解释层位、准确校正后的测井速度、密度曲线及三口实钻井的分层、录井、加上较真实的构造形态来构建的, 确保了模型的可靠性和真实性。图中绿色代表不含气、红色代表高含气, 上面黑色条带为3#煤层, 下面黑色条带为15#煤层, 3#煤层上下各设计了一层6 米左右的地质体, 子波选择依据实际地震资料的主频选取40Hz 雷克子波, 以便于与实际地震剖面进行对比。当上下地质体均为致密砂层时的正演结果如图8 下图所示, 3#煤层含气时是强反射, 不含气时是弱反射; 其下致密砂层为独立的弱反射, 其上致密砂层对地震轴影响不大。以此类推, 当煤层减薄或不含气, 当地质体含气或相变为泥时, 构建各种不同的模型, 开展正演模拟, 观察变化结果, 从而得出如下结论： ①煤层含气为强反射, 不含气时为弱反射; ②煤层越厚、反射轴越粗; ③煤层含气后反射轴会下拉, 此时若其下有一明显低速低密层时, 其相应的反射轴会上抬, 从而构成复合轴。

图8 郑庄示范区连井线地质模型及正演模拟地震记录

3．5 属性分析与融合技术应用

属性大的分类可分五类： 振幅特征统计类、复地震道属性类、功率谱特征属性、傅里叶谱特征分析及相关特征分析。通过岩石测井与地震物理特征分析、储层参数反演技术应用、多属性交会技术分析, 采取了属性的分维与降维, 最终确定了几种煤层气敏感属性, 结果表明, 煤层气对频率衰减、深浅侧向电阻率差及弧长属性较为敏感。通过工区内20 多口井的频率衰减与深浅侧向电阻率差的交会分析图, 并定义含气量大于15m3/t、日产气大于1000m3为高含气; 含气量在8～15m3/t 之间、日产气在500～1000m3为之间为低含气; 含气量在小于8m3/t、日产气小于500m3为干层, 由交会图可知：煤层含气后频率衰减明显异常增大, 异常值为49～57, 煤层不含气低频衰减值小于51; 煤层含气后深浅电阻率差为大的正异常, 通常大于90Ω·m。

图9 低频衰减属性预测煤层含气平面范围图

由煤层低频衰减属性平面图 (见图9) 上看,低频衰减高值区为煤层含气后的响应, 由此预测的煤层含气平面分布范围, 仅zx37 与zx40 与井不符,其它井均与井况相吻合。又因煤层含气后, 深浅电阻率差表现为大的正幅差特性和高的振幅弧长值,故又通过image 属性融合技术, 将低频衰减结果融合了深浅电阻率差及振幅弧长预测结果, 最终结果, zx37 与zx40 井也达到相符, 提高煤层含气预测的准确率。

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Study of Seismic Method for Forecasting of CBM Reservoir in Qinshui Basin

Feng Xiaoying1,2, Qin Fengqi2, Jiao Yong2, Wang Ya2, Wang Jian2, Tang Yutong3
(1. Changjiang University, Hubei 434023; 2. Geophysical Exploration Research Institute of North China Oil Field Company, Hebei 062552; 3. CBM Exploration and Development Subsidiary Company of North China Oil Field Company, Shanxi 048000)

With the implementation of 3D seismic exploration technique in Zhengzhuang CBM demonstration district in Qinshui basin, research on CBM seismic reservoir forecast technology was carried out. Forecast of distribution range of coal seams, variation of thickness was made by using rock geophysical analysis, extension frequency,frequency division,wave impedance model inversion, etc. Prediction of CBM enrichment zone was made by using forward simulation, seismic frequency fading and calculation of arc length methods. The results of 3D seismic reservoir forecast are remarkable in Zhengzhuang CBM demonstration district ,which provided reliable data for well location arrangement ,computation of reservoir, development proposal design and adjustment of production well pattern.

Seismic reservoir forecast; rock geophysical analysis; frequency division; extension frequency;wave impedance model inversion; forward simulation,

“国家科技重大专项经费”资助。

冯小英, 女, 长江大学在读硕士, 高级工程师, 长期从事地震地质综合解释及储层预测研究。

(责任编辑 黄 岚)