煤层气地震精细解释及储层预测技术探讨

焦 勇 汪 剑 曹成友 刘 静 谭青松

(中国石油华北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 062552)

1 区域概况

山西沁水盆地煤层气田具有煤层埋深适中、高煤阶、高含气、高饱和等特点, 煤层气资源丰富,是目前国内发现的最有利煤层气开发区之一, 有着良好的勘探前景。沁南煤层气田位于沁水盆地南部晋城斜坡带 (见图1) , 主体部分位于山西省沁水县境内。研究区郑庄区块总体构造形态为一马蹄形斜坡, 区内地层宽阔平缓, 断层稀少, 属构造相对简单的斜坡带, 近两年预计完成9 亿m3的产能建成。

2 地震解释方法及流程

图1 郑庄区块构造位置图

地震资料解释的正确性在很大程度上决定了地震勘探的成效。针对煤层气藏, 要正确地解释地震资料, 首先要注意叠加数据体与偏移数据体的结合利用。其次必须了解地震剖面上的反射特征及其与地层和岩性的内在联系, 掌握地震响应随地质现象的变化规律, 要善于识别地震噪音, 区分地震响应的假象, 理解地震反射的分辨率对解释的制约, 使得根据地震资料解释地下地质现象由识别构造形态, 逐步认识和识别沉积现象、地质异常以及构造煤特征, 更好地发挥地震勘探的地质效应。

2．1 层位标定

地震地质层位的标定是连接地震、钻井、测井的纽带, 是地震资料解释的基础。根据测井曲线确定标准层、标志层, 分析目的层段地震反射波的频谱特征, 选用合适频率的雷克子波合成地震记录,与井旁道地震剖面进行对比及层位标定。

其中3#煤层顶： 由于煤岩速度、密度小于上覆地层的速度、密度, 故在煤层顶与上覆地层界面处的反射系数为负, 而本区地震子波为正极性, 因此煤层顶应标定在负相位上。但本区3#煤层受上覆低速薄煤层或泥岩的影响, 且地震分辨率远低于测井分辨率, 故3#煤层对应在零相位 (见图2) 。

图2 3#煤层层位标定图

2．2 速度分析

速度是联系时间域和深度域的纽带, 是时深转换中的重要参数, 由于煤岩目的层较薄, 速度的准确与否直接影响到煤层埋深、厚度的精度及其构造形态真实性和可靠性, 对水平井钻探过程中的煤层钻遇率至关重要。

通过详细的速度分析工作发现, 郑庄区块北部速度低, 南部速度高, 局部存在异常速度点, 速度差别较大。因此, 区域成图选择等T0图, 以准确反映煤层地下起伏形态; 局部成图利用相邻钻井速度, 加密等值线间隔到5m, 提高构造图的精度,为水平井井轨迹钻进提供可靠的地质保障。

2．3 地震解释

煤层气地震资料解释过程是利用已知资料, 从识别目的层反射波同相轴开始, 包括： 层位标定,目的层反射波同相轴追踪; 断点的解释及平面组合, 陷落柱的解释; 经过速度分析时深转换形成深度构造数据等; 结合构造特征完成全区储气分析,找出理想目标区。

2．3．1 层位构造解释

利用Landmark 工作站解释系统, 根据井震标定中主要目的层地震反射特征, 从已知井和主干剖面出发, 以点到线、到面、到体的方式进行目的层地震同相轴识别、对比、追踪、闭合, 实现地震资料的三维立体解释, 对于反射较强、连续性较好的3#煤顶进行自动追踪解释, 以提高解释精度和效率, 并为下一步高精度储层预测工作奠定基础。

2．3．2 断层解释及其组合

通过标定、分析, 郑庄区块目的层段断层在地震剖面上主要特征为： ①反射波组发生错动, 但两侧波组关系稳定, 特征清楚; ②反射界面产状发生突变, 反射零乱或出现“空白带”; ③反射波强相位转换、扭折、合并、分叉; ④断面波、绕射波等特殊波的出现。

在断点平面组合时, 遵循着以下原则： 同一断层在相同方向上所反映的断层性质相同, 同一构造运动形成的断层所断开的层位基本一致或有规律地变化, 同一断层断距相近或有规律的变化; 同一断层断面产状基本一致或有规律地变化。

结合区域构造特征和构造发育史分析, 本区内目的层段的断层走向多为NE- NNE 向, 主要是在喜山期形成。在郑庄区块西部断层较稀疏, 东部较密, 南部断层走向主要为NE 向, 北部则变为NNE向。其中, 寺头断层和后城腰断层规模较大, 断距可达100～500m, 其它断层断距在10～50m 之间,而层间断层规模一般较小, 断距小于10m, 延伸一般小于1500m。

2．3．3 陷落柱解释及其分布

针对煤层气藏, 陷落柱的存在既会使煤层的连续性受到破坏, 也会使相邻富水层与煤层连通, 严重影响煤层的含气性。因此, 陷落柱是制约煤层气成藏的重要因素之一, 搞清陷落柱的分布规律, 对提高煤层气的勘探开发效果十分重要。

郑庄区块目的层段的陷落柱在地震剖面上主要特征为： 一是标准反射波在小范围内突然中断、消失或变弱, 这是陷落柱在地震剖面上的基本表现特征; 二是反射波同相轴有不同程度的弯曲或向陷落柱中心倾斜的现象; 三是振幅、波形、频率等反射波动力学特征突变或绕射波、延迟绕射波等异常波出现。上述地震反射特征不一定同时出现, 只要出现一种或几种反射特征就可以确定陷落柱的存在。

根据陷落柱地震反射特征, 充分利用任意线、相干体 (见图3) 、水平切片等手段进行全区反射波、特殊波的对比、识别, 完成陷落柱的解释。经过对本区所发现的陷落柱进行分析研究, 认为： 郑庄地区单个陷落柱主要分布在褶皱槽部和挠曲部;陷落柱分布具有明显的不均匀性, 呈现东西分区、成群出现特征, 并且断裂发育区, 也是陷落柱集中分布区; 在由南西向北东倾覆的大型鼻状构造背景控制下, 陷落柱呈北东向带状分布的特点。

结合区域地质资料, 通过分析陷落柱的分布规律, 认为本区陷落柱的分布特点主要是受地下水强径流方向和区域构造背景的控制, 而与局部褶皱走向无关。

图3 陷落柱在相干体切片上的反应

2．3．4 区域构造特征

研究区整体为一北倾宽缓斜坡, 地层平缓, 倾角2°～7°, 平均4°左右, 局部范围内倾角可达15°,发育近NNE 向的褶皱构造, 形成“南北分带, 东西凹凸相间”的构造格局。

在郑庄三维区, 受断层控制, 可划分为三个构造带。南部断槽区： 受寺头断层和后城腰断层所夹持, 该区断层发育, 洼槽主体位于中部, 后城腰断层向北逐渐变小, 断槽消失。中部断阶带： 该带东部NNE 向褶皱和断层发育, 西部构造简单, 地层产状平缓, 断层不发育。北部断鼻带： 该区断层主要发育在中部, 在大型鼻状构造背景下发育多个局部背斜构造。

3 煤层气储层预测

煤层气作为一种自生自储吸附于煤系地层中的非常规天然气, 成藏机理独特, 与常规气藏在地质成因与特征、储集等多个方面有很大不同之处, 主要吸附在煤基质颗粒表面及裂缝和割理中, 但缝隙太大或断层发育, 很可能导致煤层气逸散。因此,预测煤层裂缝有利发育区是提高煤层气开发成效的重要保证, 本文对此进行了初步探索。

3．1 测井响应

煤层测井响应突出, 与顶底板岩石存在着巨大差异,具有“三高两低”的电性特征(见图4) 。具体表现为：中高值电阻率,而且数值变化大,高声波时差,高补偿中子,低自然伽玛,低体积密度。

图4 煤层测井响应

就煤本身而言, 同一成因、同一变质程度的煤, 因受地质构造破坏程度不同以及灰分、水分含量的不同, 在体积密度和电性等物理特征上也存在着一定差异。煤层内部夹矸的存在, 显示煤层具有一定的非均质性, 而夹矸处体积密度、自然伽玛增大, 声波时差和电阻率降低。

3．2 煤层气储层预测难点

煤层气影响因素极其复杂, 受煤质、厚度、埋深、围岩、水动力、构造和陷落柱等多种地质因素综合影响, 从而造成含气及裂缝预测较常规天然气有很大难度。

3．2．1 煤层气地震响应微弱

常规天然气储集空间较大, 含气后地震响应加强, 通过地震反射异常区可预测常规天然气聚集区。而煤层气储集空间多为微孔、微裂缝, 地震响应微弱, 并且受煤界面地震强反射的屏蔽影响, 也加大了预测难度。

3．2．2 含气与否的煤层岩石物理差异小

对于常规天然气而言, 储层的声波时差低, 密度较大, 波阻抗相对较高。含气后声波时差增大,密度降低, 波阻抗明显降低, 通过对波阻抗“高中找低”技术可以容易预测常规天然气。

而煤层本身声波时差大, 密度低, 波阻抗较低。含气后, 声波时差有所增大, 密度有所降低,但煤层气波阻抗与煤层低阻抗两者差别小, 难以区分, 含气与非含气煤层的波阻抗门槛值难以确定。而且由于煤储层的特殊性, 即使是同一变质程度煤岩, 也很难区分是煤层物性还是含气性造成的波阻抗低, 使预测难度加大。

3．2．3 裂缝性煤层气储层预测难度大

针对常规裂缝性气藏而言, 气体为二次运移游离气, 由于重力分异, 有明显的气水分界面, 通过频率异常衰减, 可判断气藏的存在。

而煤层吸附气与微孔、割理中的水没有明显分界面, 在地震上都有频率衰减现象, 因此单通过地震上频率衰减大难以判断是割理含气还是裂缝含水, 使煤层气的预测难度进一步加大。

3．3 煤层气储层预测效果分析

针对煤层气的预测难点, 本文从精细井震标定入手, 利用地震波阻抗反演找煤层; 通过多种属性优选, 总结出“低中找低”的规律预测煤层气有利区取得一定效果。

3．3．1 煤层空间分布预测

煤层与砂泥岩波阻抗差异明显, 通过波阻抗反演可以识别煤层存在。由于本目标区3#煤层分布稳定, 井孔资料较多, 因此, 优选基于模型的线性地震反演方法。波阻抗反演剖面上煤层具有典型低阻抗特征, 通过波阻抗剖面上低阻抗识别, 可以预测3#煤层的分布情况 (见图5) 。

由于地震分辨率较低, 而密度测井曲线分辨率较高, 且煤层厚度与密度曲线半幅点一致性强, 所以优选密度参数反演确定3#煤层厚度。从反演确定的3#煤层厚度平面图上可以看出3#煤层全区分布, 厚度在4～7m 之间, 西北厚、东南薄, 预测结果与井孔钻探相比基本一致 (见表1) , 并且厚度分布与本区构造形态相吻合。

图5 波阻抗反演剖面图

表1 3#煤层实测及预测厚度误差表

3．3．2 煤层含气性预测

目前对煤层含气性预测还没有成熟的技术手段, 由于煤层具有典型低阻抗特征, 煤层含气后,会导致波阻抗更低, 根据波阻抗“低中找低”原则可以进行含气性预测。本文借鉴在常规气层预测效果相对较好的地震反演、振幅属性、频率属性等手段, 针对煤层进行了含气性预测的初步探索。

通过钻井标定, 波阻抗和反射振幅与含气量相关性不强。而地震频率属性采用波场能量频率估算, 来度量含气的衰减特征, 因此, 主要从开始衰减频率、频率衰减梯度来对3#煤层含气性进行预测。通过反演预测, 含气量低衰减梯度小, 含气量高衰减梯度较大, 钻井符合率为81．0%。从3#煤层衰减梯度平面图上表明, 高含气区主要分布于研究区北部和中南部, 这为今后井位优化部署提供了更多依据。

4 结论

根据精细地震解释和储层预测结果, 在郑庄区块三维区鼻状构造带的中部构造活跃, 裂缝发育,煤层埋藏适中, 应以部署煤层气直井为主; 断阶带中西部地层产状平缓, 褶皱不发育, 适宜部署实施水平井。而常规游离气目标应选择大型鼻状构造背景下的局部背斜构造或郑庄区块西部洼中隆构造。

本文利用反演、属性分析技术对郑庄区块初步开展了煤层含气性预测, 但由于受地震资料的束缚以及软件适用性问题, 预测精度有待进一步提高,同时还需要探索更新、更匹配的预测手段以达到理想的效果。

另外, 由于本区速度差别较大, 开展变速成图研究将会较大地提高时深转换的精度, 得到地层更为真实、可靠的构造形态和断裂特征, 有效提高对煤层深度、厚度解释以及预测精度, 为煤层气的高效开发提供可靠保证。

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