沁水盆地和顺区块基于地震多属性分析的煤层含气量预测

朱正平，雷克辉，潘仁芳

(1.长江大学数字油田研究中心，湖北武汉430100；2.北京博达瑞恒科技有限公司，北京100001)

沁水盆地和顺区块基于地震多属性分析的煤层含气量预测

朱正平1，雷克辉2，潘仁芳1

(1.长江大学数字油田研究中心，湖北武汉430100；2.北京博达瑞恒科技有限公司，北京100001)

煤层含气量是煤层气勘探选区评价和开发部署必不可少的重要资料。煤层含气量及其平面分布特征的准确预测对煤层气勘探新区更加至关重要。通过地震、测井和测试数据的综合分析，验证并优选出了与煤层含气量相关程度高的地震属性。消除埋深影响的地震吸收衰减属性与含气量呈明显正相关性；构造(正)曲率与含气量呈负相关性；密度属性与含气量呈明显负相关性。地震AVO分析给出的碳氢指数(P×G)属性和拟泊松比属性与煤层气富集程度相关性较好，可以作为煤层含气量预测的重要参数。针对沁水盆地北部和顺区块，基于地震多属性分析的思路，建立了井点处地震属性和地质参数与实测含气量之间的多元线性回归方程。将该方程应用于非井点处的地震叠前反演属性数据体，实现了研究区太原组15号煤层含气量的定量预测。

煤层气；地震多属性；含气量；多元线性回归；叠前反演；和顺区块

煤层气是主要以吸附态赋存于煤层中的非常规天然气。煤层含气量是煤层气勘探选区评价和开发部署必不可少的重要资料，但在实际工作中由于含气量数据较少，需进行含气量预测。目前国内外煤层含气量预测方法主要有含气量-梯度法、综合地质条件分析法、测井曲线估算法、等温吸附曲线法等[1-4]。这些方法主要基于煤层气探井和煤田钻孔资料数据进行逐点预测，无法进行较准确的连续性平面预测。特别是对于勘探程度较低的煤层气勘探新区块，由于探井数量非常有限，这些方法往往不太适用。国内外研究和实践证明，利用AVO技术对煤层含气量进行预测是具有一定可行性的方法[5-9]，因此对于已经开展地震勘探的新区块，可以利用地震属性来预测煤层含气量。然而由于煤层气以吸附气为主，基于地震AVO技术的单一因素预测具有很大的难度和不确定性[5]。而通过结合多种地震属性和地质参数来综合预测煤层含气量可以有效减小预测误差。

本文针对沁水盆地北部煤层气勘探新区——和顺区块，以地震、测井和测试数据为基础，验证并优选出与煤层含气量相关程度高的地震属性，应用数学模型得到钻井处地震属性与含气量之间的多元线性回归方程。将该方程应用于非井点处的地震叠前反演属性数据体，从而实现该区煤层含气量的平面分布定量预测。

1 研究区煤层气地质概述

和顺区块隶属于山西省晋中市和顺县、昔阳县、寿阳县和左权县。区块东西宽26.48km，南北长49.71km，面积1040.40km2，煤层气资源量1.52×1011m3。截至2012年底，区块内共实施煤层气参数井13口，排采井组1组(14口井)，共27口井；共实施二维地震线888.36km(51条)，从浅部至深部覆盖整个区块[10-11]。

和顺区块构造上位于沁水块坳东北部沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带内，以褶皱构造为特征。地层整体为北西倾向，倾角一般15°左右，为一单斜构造。断裂构造不发育，存在次级宽缓褶皱构造，构造线呈北北东向展布(图1)[12]。

和顺区块主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。山西组一般含煤3～6层，含煤平均总厚2.82m；太原组含煤4～9层，含煤平均总厚7.43m。其中主要目标层为太原组15号煤层和山西组3号煤层，为贫煤和无烟煤。本次研究只针对该区厚度较大、全区稳定展布的太原组15号煤层进行含气量预测。

图1 沁水盆地和顺区块区域构造位置[12]

2 煤层含气量定性预测的地震单属性分析

影响煤层含气量的因素纷繁复杂。通过文献调研和相关数据统计分析可知，与含气量相关的影响因素主要有吸收衰减、构造曲率、密度、阻抗、泊松比和碳氢指数等地震属性参数与煤层埋深、煤层厚度、最近断层距离、顶板泥岩厚度、顶板灰岩厚度等地质参数。我们重点对吸收衰减、构造曲率、密度、泊松比和碳氢指数等属性参数进行煤层含气量定性预测的单属性分析，为多属性定量预测奠定基础。

2.1 吸收衰减

Spencer等[13]的研究表明，地震波在地层中的衰减为地层衰减和吸收衰减之和，在大于10Hz时随着频率的升高吸收衰减起主要作用。因此，利用反射地震资料求取的地震波衰减可以反映地层的吸收性质。由于高频能量的衰减比低频能量快，如果目标储层中饱含流体，则接收到的信号的主频会被降低。这样就可以采用波场能量—频率估算技术来度量含油气储层的衰减特征，并直接用于储层含油气预测分析[14-15]。基于以上原理，吸收衰减特征可以预测煤层含气量特征，而吸收衰减属性便是储层预测和油气检测时的一个重要参数。

和顺区块多口井的过井吸收衰减属性处理剖面(图2)显示煤层段吸收衰减特征明显，易于识别。当然，在低渗透含气煤层里面，煤层气含量的变化对频率的影响小于骨架的影响。因此，无法直接利用吸收衰减属性进行煤层气含量的定性预测，必须消除埋深因素对吸收衰减的影响(图3)；消除煤层埋深影响后的吸收衰减属性与钻井实测含气量呈现出明显的正相关性(图4)。

图2 过H1井吸收衰减属性剖面

图3 埋深与吸收衰减交会分析结果

图4 实测含气量与消除埋深影响后的吸收衰减交会分析结果

2.2 构造曲率

构造曲率是地质构造几何形态的数学定量描述，在褶皱轴的两侧、构造转折部位及断裂面的两侧这些高曲率部位往往是裂隙的发育区[9,16-17]。在正曲率位置，即背斜处煤层受到拉伸，先前裂隙张开或者发育张裂隙，煤层气遭受部分逸散，含气量相对较低；在负曲率位置，即向斜处煤层受到挤压，煤层气被封闭，含气量相对较高。

和顺区块内微构造较为发育，从该区15号煤层顶面构造正曲率(图5a)与煤层实测含气量(图5b) 的对比结果可以看出：最大构造正曲率与煤层含气量呈一定的负相关性；H3井、H5井一线区域煤层正曲率较大，煤层中裂隙多，煤层渗透性较好，由于这些区域处于大断层附近，在煤层渗透性改善的同时，造成煤层气逸散。

2.3 密度

叠前同时反演技术通过叠前、叠后联合反演同时得到纵、横波速度及密度三参数信息，已被广泛应用于油气勘探的岩性识别和流体检测。鉴于密度属性与含气量具有较好的相关性，通过叠前反演得到密度参数，再通过密度信息可以预测含气量。从和顺区块多口井的过井叠前密度反演剖面可以看出，反演结果与井上密度测量值吻合很好(图6)。

图5 和顺区块15号煤层顶面构造(正)曲率(a)与实测含气量(b)的对应关系

通常，对于同一煤层，物性条件越好，煤层含气量越高，密度往往越低。利用含气量与密度拟合关系将密度直接转换成含气量，可以实现对含气量的近似预测(图7)。

图6 H2井(a)，H3井(b)及H5井(c)叠前密度反演剖面(嵌入了测井密度值)

图7 和顺区块15号煤层密度与实测含气量拟合关系

2.4 叠前AVO反演参数

根据AVO技术理论与实现方法，基于和顺区块三维地震资料，在叠前分析的基础上，通过AVO角道集处理和AVO属性叠加处理，得到了碳氢指数(P×G)、流体因子、横波以及纵波等属性剖面。这些AVO属性图能够很好地反映该区煤层气的富集程度。

AVO分析技术是利用地震反射振幅随炮检距变化的关系来识别岩性及检测含气量的一种地震技术[6,18]。迄今为止，几乎所有的AVO方法都建立在Shuey[19]对Zoeppritz方程的简化近似式基础上，即当入射角小于30°时，纵波反射系数R与入射角θ的关系可以用下式来近似表达：

(1)

式中：P为AVO截距；G为AVO梯度。截距属性P的大小取决于层间纵波阻抗差异，常用作波阻抗反演的输入。梯度属性G则与岩石纵、横波速度和密度有关，主要由泊松比决定。碳氢指数(P×G)有利于油气信息的检测。

根据过多口煤层气井合成叠前道集和井旁道实际道集的AVO分析(图8)，和顺区块煤储层的AVO现象主要表现为振幅随偏移距增大而增大的特征，为典型的第Ⅳ类AVO。正演AVO变化特征和实际道集AVO特征类似。

图8 过H10井(15号煤层)叠前AVO正演模拟(a)与井旁道实际道集AVO分析(b)

由过H6井(含气量13.7m3/t)AVO属性剖面(图9)可见：碳氢指数(P×G)及拟泊松比与煤层气富集程度相关性较好；煤层气富集时(含气量大于8m3/t)则表现为煤层的AVO梯度属性G增强的规律。由过H3井(4.63m3/t)AVO属性剖面(图10)可见：P×G及拟泊松比与煤层气富集程度相关性较好；含气量越低，拟泊松比和碳氢指数属性值越小。

图9 过H6井AVO属性剖面(15号煤层)

图10 过H3井AVO属性剖面(15号煤层)

和顺区块10余口井AVO属性与煤层含气量的对比分析结果表明：当煤层不含气或含气很少时，角道集上煤层的AVO梯度属性G表现为减弱的规律；碳氢指数(P×G)及拟泊松比与煤层气富集程度相关性较好，可以作为煤层含气量预测的重要参数。当这两个AVO参数的值较大时，对应的煤层可能就是煤层气富集的区域。

3 煤层含气量定量预测的地震多属性分析

煤层含气量预测应当综合考虑影响含气量的多种因素，以实现各种影响因素的互补和相互印证，提高含气量预测的准确性。本次研究基于地震多属性分析的思路，优选出与煤层气含气量相关程度高的地震属性和地质参数，应用数学模型得到和顺区块16口钻井处地震属性及地质参数与井中实测含气量之间的多元线性回归方程。将该方程应用于非井点处的地震叠前反演属性数据体，从而实现研究区煤储层含气量的定量预测。

经过反复测试筛选，本次研究选取的煤储层含气量影响参数有碳氢指数、拟泊松比、吸收衰减、阻抗、煤层埋深、煤层厚度、煤层密度、构造曲率、最近断层距离、顶板泥岩厚度、顶板灰岩厚度等(表1)。通过对和顺区块16口钻井井点处的各参数与实测含气量之间关系的统计分析和多元线性回归，得到了煤储层含气量的定量预测模型。

为了验证地震多属性预测的可靠性，分别针对考虑与不考虑叠前反演的属性参数两种情况进行预测模型的回归计算与预测效果的对比。

1) 考虑叠前反演的碳氢指数、拟泊松比和密度参数，拟合得到的多元线性方程(式中字母示意参见表1)为：

0.338×F+0.0456×M-6.284×10-3×

S-4.025×10-3×D-1.745×10-5×L-

1.343×N+4.267×10-6×Z+1.521×

(2)

2) 不考虑叠前反演参数，拟合得到的多元线

表1 和顺区块15号煤层含气量影响参数值

性方程为：

C=0.447×F-0.982×M-6.664×10-3×

S+2.502×10-3×L-1.318×N+

1.949×10-6×Z+1.066×10-2×

H+0.367×K(R2=0.83)

(3)

两种预测模型对研究区15号煤层含气量定量预测的结果对比表明：使用叠前反演属性参数预测的钻井处含气量与实测含气量相关程度较高，预测精度优于不使用叠前反演结果预测的含气量(图11)；使用叠前反演属性参数和不使用叠前反演属性参数预测的含气量趋势基本一致，但精细程度前者高于后者(图12)。

图11 使用叠前反演结果(a)和未使用叠前反演结果(b)预测的钻井处含气量与实测含气量相关程度对比

图12 使用叠前反演结果(a)和未使用叠前反演结果(b)预测的和顺区块15号煤层含气量平面分布

4 结论与认识

1) 利用地震吸收衰减属性、构造曲率属性和密度参数可以定性预测煤层含气量。消除埋深影响的吸收衰减属性与煤层含气量呈正相关性，煤层含气量较大的地方，吸收衰减相对较为明显；构造(正)曲率与煤层含气量呈负相关性；煤层含气量越高，密度往往越低，利用叠前同时反演得到的密度参数可以实现对煤层含气量的近似预测。

2) 和顺区块煤储层的AVO现象主要表现为振幅随偏移距增加而减小的特征，为典型的第Ⅳ类AVO。碳氢指数(P×G)属性和拟泊松比属性与煤层气富集程度相关性较好，可以作为煤层含气量预测的重要参数。

3) 基于地震多属性分析的思路，优选出与煤层含气量相关程度高的地震属性和地质参数；通过对和顺区块16口钻井井点处的各属性参数与实测含气量之间关系的统计分析，得到了煤储层含气量定量预测的多元线性回归方程；将该方程应用于非井点处的地震叠前反演属性数据体，实现了研究区太原组15号煤层含气量的定量预测。

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(编辑：顾石庆)

Coal seam gas content prediction based on seismic multi-attributes analysis in Heshun Block,Qinshui Basin

Zhu Zhengping1,Lei Kehui2,Pan Renfang1

(1.CenterofDigitalOilfieldResearchofYangtzeUniversity,Wuhan430100,China; 2.PSTServiceCorp.,Beijing100001,China)

Gas content is the essential data for coalbed methane (CBM) areas selection and evaluation as well as development deployment.Accurate prediction of gas content and its distribution is even crucial for new exploration areas of CBM.On the comprehensive analysis of seismic data,logging and test data,seismic attributes highly related with the gas content of coalbed methane are verified and preferred.Seismic wave absorption attenuation attributes,eliminating the influence of buried depth,have significantly positive correlation with gas content.Tectonic (positive) curvature shows negative correlation with gas content.Density attribute has significantly negative correlation with gas content.The correlations of hydrocarbon index (P×G) provided by seismic AVO analysis and pseudo Poisson’s ratio with the enrichment of coalbed methane are fairly good,which can be used to predict gas content.In the way of the seismic multi-attributes analysis,multiple linear regression equations among seismic attributes,geological parametres and gas contents measured from CBM wells are established for Heshun Block in northern Qinshui Basin.The equation is applied to seismic prestack inversion attributes volume in the area,to the exclusion of CBM wells,and gas content of 15th coalseam in Taiyuan group of this area is quantitatively predicted.

coalbed methane,seismic multi-attributes,gas content,multiple linear regression,prestack inversion,Heshun Block

2014-06-16;改回日期：2014-10-15。

朱正平(1980—)，男，博士，工程师，主要从事油藏描述、数字油田和非常规油气储层评价等工作。

国家科技重大专项“物探技术在煤层气勘探开发中的应用”(2011ZX05035006)资助。

P631

A

1000-1441(2015)02-0226-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.02.015