地震技术在煤层气储层研究与物性预测中的应用

地震技术在煤层气储层研究与物性预测中的应用王连刚 , 李俊乾(中国地质大学 能源学院 , 北京100083 )摘 要 : 随着我国对煤层气勘探开发的重视 , 煤层气储层的研究也越来越重要 , 特别是对煤层气储层内部结构特征的精细描述和刻画 , 以及对煤储层的含气性和渗透性预测 , 已成为研究的热点问题 。由于煤层气藏自 身所具有的独特特征 , 使得常规物理勘探方法难以对煤层气储层进行有效的研究 , 而地震技术则显示出其巨 大优势 。如利用地震技术解释煤储层构造 ; 地震属性分析的方法研究薄煤层厚度 ; 叠前 AVO 反演技术 、叠 前弹性阻抗 ( E I) 反演技术和叠后波阻抗 (A I) 反演技术对煤储层含气性的预测 ; 叠前方位 AVO 反演技术 和地震反射层的曲率属性分析技术对煤储层渗透性的预测 。经研究及实践表明 , 地震技术在煤储层研究中的 效果明显 。关键词 : 煤层气 ; 地震技术 ; 煤储层 ; 含气性 ; 渗透性中图分类号 : P618113文章编号 : 1673 - 2464 ( 2010) 02 - 0158 - 05文献标识码 : AA PPL ICA T IO N O F SE ISM IC TEC HN IQUE O N C BM RESERVO IRA ND PRED IC T IO N O F PHY S ICAL PRO PERTYWAN G L ian2gang, L I J un2q ian( S chool of Energy R esou rces, C h ina U n iversity of Geosciences, B eijing 100083, Ch ina)A b stra c t: A s Ch ina is focu sing on CBM , it is becom ing mo re and mo re impo rtan t to re sea rch CBM 2re se rvo ir, p a rticu la rly in the a sp ec ts of fine de sc rip tion of in te rna l re se rvo ir and p red ic tion of ga s2bea ring p rop e rtie s and p e rm eab ility1 D ue to un ique cha rac te ristic s of CBM 2re se rvo ir, conven tiona l p hysica l exp lo ra tion is no t ve ry effec tive; howeve r, the se ism ic techn ique s revea l a huge advan tage1 Fo r examp le, se ism ic in te rp re ts the struc tu re of CBM 2 re se rvo ir and can te ll the th ickne ss of th in coa l bed s, and p red ic t ga s2bea ring p rop e rtie s of CBM 2re se rvo ir by m ean s of p re2stack AVO conve rsion, p re2stack e la stic imp edance ( E I) conve rsion, and po st2stack acou stic imp edance ( A I) conve rsion, and p red ic t p e rm eab ility of CBM 2re se rvo ir by m ean s of p re2stack d irec tion AVO conve rsion and ana lyze cu rva tu re p rop e rtie s of se ism ic reflec tion stra tum1 The re sea rch re su lts ind ica te tha t se ism ic techn ique s app lied to CBM re se rvo irs have an obviou s effec t1Key word s: CBM ; se ism ic techn ique; CBM 2re se rvo ir; ga s2bea ring p rop e rtie s; p e rm eab ility收稿日期 : 2009 - 11 - 15; 修订日期 : 2010 - 01 - 28; 责任编辑 : 车遥 。基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 40972107 ) ; 国家科技重大专项 ( 2008 ZX05034 - 01, 2008ZX05062 - 001 ) ; 国家重点 基础研究发 展 计 划 ( 2009CB219604 ) ; 中 石 油 创 新 基 金 ( 2008D - 5006 - 01 - 04 ) ; 教 育 部 创 新 团 队 发 展 计 划 项 目( IR T0864 ) 共同资助 。第一作者简介 : 王连刚 ( 1966 ) , 男 , 博士生 、高级工程师 , 主要从事油气开发管理 。E2m a il: lijunq ian1987 1261com提高 , 在有利 条 件 下 可 以 查 明 落 差 大 于 5 m 的 断层 、直径大于 20 m 的陷落柱及预测煤厚度和宏观 构造等 3 。但目前 , 煤层气勘探开发领域中地震技 术的应用仍然停留在常规二维地震之上 , 其只能探测煤层赋存状态与稳定性 、大中型构造发育特征以及定性 、半定量的预测煤层厚度变化趋势等 , 而不 能对煤层渗透性及含气性做出评价 。而且由于常规 二维地震技术固有的缺陷 , 使得地震技术未得到足 够的重视 。近几年来 , 已有不 少 学者 利用 2D、 3D 及 HD- 3D 地震纵波叠后反演技术 、AVO 与 AVO 反演技 术 、叠前弹性阻抗 ( E I) 反演技术及属性分析技术 等来研究煤储层的含气性 、渗透性及预测构造煤发 育带 , 取得了较大的进展 。目前 , 国内外学者在地震技术研究介质的各向 异性和 裂 隙 裂 缝 检 测 方 面 的 方 法 主 要 有 以 下 31 前言煤层气是以吸附状态储赋存于煤储层中的非常规天然气 , 主要成分是甲烷 , 是一种洁净 、高效并 且易于开采和运输的低成本能源 。但煤层气既不同 于一般的油型气也不同于经过二次运移成藏的煤成 气 , 他是以吸附态存在于煤孔隙的内表面或以游离 态分布于煤的空隙和裂缝之中 。煤储层既是煤层气 的源岩 , 又是煤层气的储层 。因此要找到煤层气 , 必须先找到煤层 , 但找到煤层并不一定能找到有效 的煤层气气藏 , 还必须进一步寻找有利于煤层气聚 集的煤层孔隙裂隙发育区 , 从而降低煤层气勘探的风险 1 ,因此 , 需要对煤层气储层内部特征做精细的研究和刻画 。由于煤层气的成藏机理 、控制因素以及产出过 程不同于煤炭和石油 、天然气 , 而属于一种更加隐 蔽的气 藏 型 资 源 , 使 得 煤 层 气 的 勘 探 开 发 难 度 更 大 。因此 , 那些用于常规天然气气藏的物理勘探方 法 , 也不再适用于煤层气气藏的勘探 , 而必须要探 索新的方法 。近几年来 , 随着地震技术的发展 , 利 用地震技术勘探煤层气气藏不仅纵向分辨率高而且 成本低周期短 。因此地震技术已经成为煤层气储层 更有效的的勘探手段 , 在很大程度上替代了传统的 4 类。 1 ) 多波多分量裂隙裂缝检测技术 : 定向微裂隙介质表现出较强的各向异性特征 , 地震多波多 分量是研 究各 向 异 性 介 质 中 波 传 播 规 律 的 理 想 方 法 。 2 ) S波裂隙裂缝检测技术 : S波分裂是地下各 向异性存在的最好证据 , 应用 S波分裂检测裂隙已 经成为研究裂隙性储层的一种可靠的技术手段 。 3 ) P波裂隙裂缝检测技术 : 目前 , 国内外学者研究利 用 P波进行裂隙裂缝检测的重点是利用叠前 P波数突出大多发生在煤体破碎的 “构造煤 ”中 , 同时煤体破坏程度越严重 , 煤的强度越低 , 突出危险性越 大 6 。但由于地质研究的局限性 , 很难对构造煤做 出精确的预测 。然而 , 以三维地震数据体为基础 , 利用地震波的动力学参数及属性分析等多种技术可 以有效地预测构造煤发育带 , 其中地震反射层的曲 率属性分析法由于较少受到地震分辨率 、信噪比及 采集处理技术等因素的影响 , 取得了较好的效果 。 陷落柱是 煤 储 层 中 的 特 殊 构 造 , 是 由 大 小 不 均 、排列杂乱无章的上部地层塌陷物胶结而成 。在 地层的连续性 、产状 、岩性等方面 , 陷落柱与正常 赋存地层均有很大的差异 。陷落柱与围岩存在的物 性差异是形成异常地震波的基础 , 也正是这些异常为利用地震方法识别和判定陷落柱提供了依据 。度 。针对地震资料分辨率较低的实际情况 , 可采用对于原有 三维 地 震 成 果 数 据 体 进 行 小 波 分 析 的 手 段 , 以提高地震资料的分辨率 , 从而使我国薄煤层 厚度的定量预测在实际中得到更广泛的应用 。313 煤层气储层含气性的预测常用于煤层气含气性预测的地震技术主要有叠前反演技术 、叠后反演技术 2 种 。叠前反演技术主 要有 AVO 反 演 技 术 (振 幅 信 息 ) 、和 弹 性 阻 抗 ( E I) 反演技术 (振幅信息 ) ; 叠后反演技术主要 是波阻抗 (A I) 反演技术 。31311 叠前 AVO 反演技术及应用 煤层的含气性和渗透性是煤层气勘探开发及资源评价的重要参数 。利用叠前 AVO 反演技术 , 可以有效地研究煤层的各种含气性参数 。在煤层气储 层中 , 由 于 煤 层 气 的 富 集 , 导 致 煤 的 体 积 密 度 减 小 , 同时对弹性模量 、泊松比 、弹性波速度 、频谱 特征 、衰减系数 、品质因子等弹性力学参数及弹性 波特征具有明显的影响 10 。为利用 AVO 反演技术 研究煤 层 气 储 层 的 各 种 含 气 性 参 数 奠 定 了 理 论 基础 。常规 AVO 技术是根据叠前 CD P 道集中反射振 幅随炮 检 距 的 变 化 情 况 , 提 取 相 关 的 地 震 属 性 数 据 , 进而反演与储层特性 (泊松比 、裂隙密度等 ) 有关 的 物 性 参 数 以 预 测 储 层 有 利 区 (陈 强 等 ,2008 ) 。地震波振幅随炮检距的变化有这样一个规 律 : 当煤层不含气含气很少时 , CD P道集上煤层反 射振幅随炮检距增大而减小 ; 而煤层气富集时则表 现为反射振幅随炮检距增大而增大的规律 。影响反 射振幅随 炮检 距 变 化 的 最 主 要 因 素 是 介 质 的 泊 松 比 , 其次是速度 。因此 , AVO 响应实际就是地层泊 松比异常的反映 。由于煤层气的富集会引起煤层的 泊松比增大 、弹 性 模 量 降 低 等 变 化 11 , 因 此 可 用 AVO 技术研究煤层气储层的含气性 。然而 , AVO 反演技术也具有一定的局限性 , 他 能够充分利用地震资料的叠前信息 , 但不能很好地 利用测井信息 。同时 , 由于薄层 、吸气等因素的影 响 , 使得 AVO 反演结果存在一定的多解性 , 稳定 性和分辨率较低 。31312 叠后 (波阻抗 ) 反演技术及应用 叠后反演 的 基 础 是 褶 积 模 型 , 即 地 震 数 据 可以看作地震 资 料 与 反 射 系 数 的 褶 积 。通 过 压 缩 子312 煤储层厚度的预测传统的分析煤层厚度方法是利用钻孔资料内插或由薄层 理论 中 的 振 幅 参 数 与 煤 厚 的 近 似 关 系 获 得 。但由于钻孔数目的限制以及孔距较大 (数百米 以上 ) , 似的内插出测煤层厚度明显的具有一定误 差 。而利用地震波场属性参数的变化可直接或间接 的揭示或描述地层岩性和物性变化 , 因此 , 分析和 研究地震波场的属性参数变化 , 将有助于解决煤田 勘探中薄煤层厚度的预测问题 7 - 8 。应用地震技术 预测煤层厚度主要包括 6 个过程 , 即煤层波解释 、 拾取频率 、振幅特征值 、井旁道与井标定 、标定值 的内 插 与 外 推 、煤 层 厚 度 解 释 和 绘 制 煤 厚 变 化 趋势 。在煤层厚度 解 释 中 存 在 一 个 “薄 层 ”和 “厚 层 ”的差别问题 , 这时时窗宽度对于研究煤层厚度 与煤层 反 射 波 振 幅 、频 率 等 地 震 属 性 关 系 影 响 很 大 , 明显地影响对煤层厚度地准确预测 9 。当煤层 的厚 度 小 于 煤 层 反 射 主 波 长 的 1 /4 (约 10 m ) 时 , 顶底板反射不能分离 , 形成复合波 , 属于薄层 范畴 (在我国大部分煤厚属于此范畴 ) ; 当煤层厚 度大于 10 m 时 , 即所谓的 “厚层 ”范畴 , 煤层在 理论上能形成顶 、底板反射波 , 因此需要对煤层反 射波做分频处理 。在实践过程中 , 不同的煤层厚度 煤层反射 波场 中 起 主 导 作 用 的 地 震 属 性 也 有 所 变 化 , 因此应根据煤层实际地质情况 , 恰当的提取波 属性 , 从而更加准确的预测煤层厚度 。目前 , 已经开始应用三维地震技术研究煤层厚31411 方位 AVO 反演技术及应用在我国 , 煤层气储层具有非均质性强以及含气 饱和度低 、渗透率低 、地层压力低的特性 。因此加 强储层特征研究 , 预测煤层气的富集区和高渗区显得尤为重要 。但煤层气储层不同于一般的油裂隙储层 , 具有厚度薄 、波阻抗较低 、裂隙密度高 、反射 系数大 、各向异性较强等特征 , 因此可以用各向异 性介质理论进行研究 。同时 , 煤层渗透性的好坏在 很大程度上取决于煤层的裂隙系统的发育情况 , 而 煤层裂隙的存在又能导致煤层的各向异性 , 因此用波的反褶积 处 理 , 将 地 震 数 据 转 换 为 近 似 的 反 射系数 序 列 , 然 后 再 由 反 射 系 数 序 列 得 到 波 阻 抗 剖面 。所谓波阻抗 (A I) 是指岩石密度和 P速度的乘 积 , 这说明波阻抗所反映的是一种岩石特性 , 而非 界面特性 。按照其定义可知 , 随着煤层含气量的增 大 , 煤层体积密度和层速度会降低 , 从而导致波阻 抗值减小 , 因此 , 沿煤层拾取的煤层波阻抗数据有 可能反映煤储层的含气性 。总而言之 , 波阻抗高值 区代表高密 度 或 速 度 , 可 能 与 煤 层 宏 观 结 构 (夹 矸 ) 有关 ; 低值区代表密度或低值区 , 可能与煤层 含气性有关 。因此 , 可以利用叠后波阻抗反演来预 测煤储层的含气性 。另外 , 利用煤层波阻抗变化程度 (即波阻抗梯 度 ) 可以反映煤储层的裂隙发育程度 , 从而反映出 煤储层的渗透性 。因此沿煤层拾取的波阻抗梯度数 据 , 有可能提供一种煤层含气裂隙发育情况以及渗 透性的有用信息 , 即波阻抗梯度数据绝对值的高值 区代表煤层含气裂隙的发育区 , 据此可识别出裂隙 发育带及煤层气高渗富集区 。31313 叠前弹性阻抗反演技术及应用随着 Conno lly 12 提出了弹性阻抗的概念和反演 方法 , 叠前弹性阻抗反演技术不断得到发展 , 其不 仅具有叠后波阻抗反演的优点 , 而且还弥补了叠前各向异性介质理论研究煤层的裂隙系统 ,究煤层的渗透性 。 由于方位各向异性在煤层中的存在 ,反射点道集中反射振幅随方位角的变化 ,也即是研导致了共因此 , 可以利用地震反射振幅随方位角的变化预测煤层的裂隙分布特征 , 这即是方位 AVO 反演技术预测煤层 渗透性的 理论 基础 。应用 方 位 AVO 反 演 技 术 13 , 不仅可以研究煤层中裂隙系统的发育 , 而且也可以 对岩石骨架性质和孔隙流体性质做出判断 , 对于煤 层气富集区域的研究也有一定帮助 。31412 地震反射层的曲率属性分析技术及应用 煤储层裂隙是地质历史时期中构造运动作用的结果 , 在变形过程中 , 应变和转动同时存在 , 甚至 转动效应相当明显 。因此 , 构造形变分析的关键就技术 , 2005 ( 3 ) : 56 258刘贻军 , 娄建青 1 中国煤层气储层特征及开发技术探讨 J 1天然气工业 , 2004 , 24 ( 1 ) : 68 271常锁亮 , 刘大锰 , 王明寿 1 煤层气勘探开发中地震勘探技术的 作用及应用方法探讨 J 1 中国煤层气 , 2008 , 5 ( 2 ) : 23 227 常锁亮 1 沁水盆地南部煤层气储层物性预测的地震技术研究 与应用 D 1 北京 : 中国地质大学 , 2008琚易文 , 候泉林 , 姜波 ,等 1 构造煤结构与储层物性 R 1 2006第六届国际煤层气研讨会 , 2006: 32 227彭苏萍 , 杜文凤 , 苑春方 ,等 1 不同结构类型煤体地球物理特 征差异分析和纵横波联合识别与预测方法研究 J 1 地质学 报 , 2008 , 82 ( 10 ) : 1311 21321孙渊 , 张良 , 朱军 ,等 1 地震属性参数在煤层厚度预测中的应 用 J 1 煤田地质与勘探 , 2008 , 36 ( 4 ) : 58 260胡宗正 , 郭良红 , 林建东 1 三维地震属性参数在煤层厚度预测 中的应用 J 1 中国煤炭地质 , 2008 , 20 ( 6 ) : 56 258董守华 1 煤弹性各向异性系数测试与 P 波方位各向异性裂缝 评价技术 D 1 徐州 : 中国矿业大学 , 2004及断裂面的两侧等一些高曲率部位往往是裂隙的发育区 。寻找这样一些高曲率带 , 可以对煤层高渗区 进行预测 。而在煤层气储层中 , 对煤层气的渗流起 主导作 用 的 主 要 是 一 些 规 模 相 对 较 大 的 裂 隙 , 因 2 3 此 , 研究煤储层的渗透性 ,进行研究 。就是对其裂隙发育系统 4 5 4 结语 6 本文主要论述了几种常用地震技术的一些基本理论及其在煤层气储层研究中的一般应用 。主要包 括以下几个方面的内容 : 利用地震技术解释煤储层 构造 ; 地震属性分析的方法研究薄煤层厚度 ; 叠前 AVO 反演技术 、叠前弹性阻抗 ( E I) 反 演 技术 和 叠后波 阻 抗 ( A I) 反演 技 术对 煤 储 层 含 气 性 的 预 测 ; 叠前方位 AVO 反演技术和地震反射层的曲率 属性分析技术对煤储层渗透性的预测 。经研究及实 践表明 , 这 些 地 震 技 术 在 煤 储 层 研 究 中 的 效 果 明 显 , 在煤储层含气性和渗透性预测方面已取得显著 成果 。但每一种地震技术都有其局限性和适用性 , 因此 , 需要我们对这些地震技术进行改进 , 使其携 带更多的有用信息 , 能够更真实的反映煤储层的内 部特征 , 达到精细描述煤层气储层的目的 。 7 8 9 10 常锁亮 , 杨起 , 刘大锰 , 等 1煤层气储层物性预测的 AVO 技术对地震纵波资料品质要求的探讨 J 1 地球物理学进展 , 2008 ,23 ( 4 ) : 7320 23421 11 彭苏萍 , 高云峰 , 杨瑞召 ,等 1 AVO 探测煤层瓦斯富集的理论 探讨和初步实践 :以淮南煤田为例 J 1 地球物理学报 , 2005 ,48 ( 16 ) : 1475 21485 12 Conno lly P1 E la stic imp edance J 1 The L ead ing Edge, 1999 , 18 ( 4 ) : 438 2452 13 彭晓波 , 彭苏萍 , 詹阁 1 P 波方位 AVO 在煤层裂缝探测中的应用 J 1 岩石力学与工程学报 , 2005 , 24 ( 16 ) : 2960 22965 14 刘咸卫 , 曹运兴 , 刘瑞 ,等 1 正断层两盘的瓦斯突出分布特征 及其地质成因浅析 J 1 煤炭学报 , 2000 , 25 ( 6 ) : 571 2575参考文献 1 王磊 , 何伟 1 地震在煤层气勘探开发中的应用 J 1 勘探科学