沁水盆地煤层含气后的AVO响应特征

冯小英，秦凤启，唐钰童，刘　慧，王　亚（.中国石油华北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘0655；.中国石油华北油田分公司煤层气勘探开发分公司，山西晋城048000）

沁水盆地煤层含气后的AVO响应特征

冯小英1，秦凤启1，唐钰童2，刘慧1，王亚1
（1.中国石油华北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘062552；2.中国石油华北油田分公司煤层气勘探开发分公司，山西晋城048000）

近年来，沁水盆地煤层气勘探开发不断深入，煤层气富集规律是制约其勘探开发成效的关键因素之一，而AVO技术对煤层气富集规律的预测至关重要。煤层的AVO响应特征是什么样的？煤层含气后的AVO响应特征又是什么样的？其与常规砂岩含气后的AVO响应特征是否一致？对此，在沁水盆地开展了不同岩性流体替换及其在不同含气饱和度下的AVO响应特征研究。结果表明，煤层的AVO响应特征与煤层含气后的AVO响应特征不同，煤层为“暗点”反射特征，而煤层含气后为“相对亮点”反射特征。该研究成果可为煤层气勘探开发提供技术支撑与服务。

煤层气；CRP道集；AVO响应特征；流体替换

0　引言

AVO理论指出：叠前地震道集中振幅随偏移距的变化包含了能反映气藏的信息，通过一定的技术处理可以检测出储层的含气性特征；AVO技术是当前含气性检测的主要技术［1］。沁水盆地煤层气作为一种气藏，是华北探区新兴的重要能源矿藏之一。AVO相关技术的研究及应用尚属初级阶段，煤层的AVO响应特征是什么样的？煤层含气后的AVO响应特征又是什么样的？其与常规砂岩含气后的AVO响应特征是否一致？这些问题的答案尚不清楚或不确定。笔者以沁水盆地二叠系山西组3号煤层为例，开展不同岩性流体替换及其在不同含气饱和度下的AVO响应特征研究，以期充分发挥地震资料横向分辨率高的优势，描述煤层气富集区发育规律，为煤层气勘探开发提供可靠依据。

1　基本概况

1.1地质条件

二叠系山西组沉积中期，沁水盆地滨海湖泊或泻湖海湾经海水淡化后，演变为沼泽或泥灰沼泽沉积，形成稳定发育的3号煤层。区内的3号煤层一般埋深为500～850 m，厚度为4～7 m；煤质好，变质程度较高，镜质组质量分数为66%～97%，灰分质量分数为8%～15%，属高煤阶无烟煤；煤层孔隙以微孔为主，发育少量中孔和大孔，孔隙中值半径为0.02～63.57 μm，有效孔隙度为3.8%～4.3%，渗透率为0.136～3.420 mD，煤层内正交或斜交割理呈网状组合，微裂缝发育，渗透性变好，为特低孔、特低渗裂缝型储层；煤层吸附能力强，煤层气质量体积一般为12～23 m3/t，最高近40 m3/t，含气饱和度为90%～98%，属高饱和、高含气吸附型自生自储式非常规气藏［2-4］。

1.2测井曲线特征

沁水盆地3号煤层具有“两高两低”的测井曲线特征（图1），即电阻率高（几百至上万Ω·m）、声波时差高（380～430 μs/m）、密度低（1.3～1.7 g/cm3）、自然伽马低（22 API左右）。此外，3号煤层上下致密砂岩及泥岩均表现为纵波速度高与密度高，较为致密，为3号煤层构成了良好的盖层条件和顶底板条件。

1.3CRP道集资料品质

沁水盆地现有多块三维地震资料（图2），其中，郑庄三维地震资料CRP道集经过了振幅的保真处理，目的层段满覆盖次数为45次，最大入射角达到60°，资料品质较好；沁南东三维地震资料满覆盖次数仅为31次左右，最大入射角约为45°，没有经过振幅的保真处理，资料品质相对较差，需要先进行振幅的保真处理后才能开展AVO响应特征研究。

图1　zs34井3号煤地层测井曲线Fig.1The logs of No.3 coalbed of zs34 well

图2　沁水盆地勘探示意图Fig.2Sketch map showing the exploration of Qinshui Basin

2　煤层含气后的AVO响应特征

2.1AVO技术的理论基础

AVO技术是研究地震波振幅随偏移距或入射角变化而变化的一门技术［1］。据文献［5］报道，其理论基础来自于Zoeppritz理论。Zoeppritz在给定两相邻介质的P波及S波速度和密度的情况下，得出了作为入射角函数的平面波反射振幅方程，其精确数学表达式特别长，难以看出岩石特性的细微变化对地震波振幅所造成的影响。Shuey在Zoeppritz理论基础上，简化了Zoeppritz方程，Shuey公式强调在不同入射角上的岩石特性。

式中：Rc为反射系数；VP为通过介质的纵波速度，m/s；θ为入射角，（°）；φ为入射角与透射角的平均值，（°）；RO为法向入射反射系数；AO为法向入射反射振幅；σ为泊松比；ρ1和ρ2分别为上、下介质的密度，g/cm3；V1和V2分别为上、下介质的速度，m/s。

式（1）由3项的和组成，第一项为法向入射的反射系数，它对任意入射角都是一个常量；第二项只有在入射角大于15°时才可能有明显的作用；对于第三项，Shuey认为在入射角小于30°时，它的贡献非常小，可以忽略，并且此时的φ近似等于θ，因此，出现了Shuey线性近似公式［5］，即

式中：P为截距，即法线入射时的反射波系数，与煤层厚度及围岩岩性有关；G为梯度，反映振幅随炮检距的变化率，与煤层泊松比或含气性有关。

式（1）～（3）均是目前广泛采用的AVO反演基本公式，它们均有入射角度范围的限制条件，式（2）和式（3）均仅适用于入射角小于30°的情况。沁水盆地三维地震资料入射角偏大，为45°～60°，故应当采用式（1）来进行AVO反演。

通过AVO反演，可得到梯度、截距、伪泊松比（P+G）、流体因子（P×G）、横波反射率（P-G）等AVO派生属性参数。

2.2煤层含气后的AVO响应特征

为了更好地开展流体替换，优选了测井曲线质量好，并具有横波测井资料的q11-24井来进行测试。3号煤层、厚砂层及厚灰岩层的流体替换及不同饱和度下的AVO响应特征对比结果如图3所示，3个目标层均较厚，并且间距均约为50 m，避免了彼此之间较大的地震干涉影响，以保证流体替换结果更加真实可靠［6-8］。

从图3可以看出：当3号煤层不含气时，表现为声波时差高、密度低及泊松比高，纵波时差为380～400 μs/m，横波时差为1 050～1 100 μs/m，密度为1.5～1.7 g/cm3，泊松比为0.41；当3号煤层含气饱和度为5%时，横波时差无变化，纵波时差增大为400～420 μs/m，密度减小为1.3～1.5 g/cm3，泊松比减小为0.35；当3号煤层含气饱和度为20%时，横波时差仍然无变化，纵波时差增大为410～430 μs/m，密度与含气饱和度为5%时相比变化不大，仍为1.3～1.5 g/cm3，泊松比减小为0.32；当3号煤层含气饱和度为80%时，纵、横波时差、密度和泊松比均与含气饱和度为20%时基本相同。

图3　q11-24井不同岩性流体替换及其在不同含气饱和度下的AVO响应特征Fig.3Results of fluid substitution of different lithologies and its AVO response characteristics under different gas saturation of q11-24 well

当砂层不含气时，表现为声波时差低、密度高及泊松比相对低，纵波时差为220～230 μs/m，横波时差为620～660 μs/m，密度为2.5～2.6 g/cm3，泊松比为0.39（由于古生界地层经长期压实作用，砂岩较致密，泊松比相对古近系砂岩较高）；当砂层含气饱和度为5%时，横波时差无变化，纵波时差增大为290～310 μs/m，密度减小为2.3～2.4 g/cm3，泊松比降为0.32；当砂层含气饱和度为20%时，横波时差仍然无变化，纵波时差增大为310～330 μs/m，密度减小为2.2～2.3 g/cm3，泊松比减小为0.28；当砂层含气饱和度为80%时，纵、横波时差、密度和泊松比均与含气饱和度为20%时基本相同。

当灰岩不含气时，表现为声波时差低、密度高及泊松比高，纵波时差为180～200 μs/m，横波时差为450～500μs/m，密度为2.6～2.7g/cm3，泊松比为0.43；当灰岩含气饱和度为5%时，横波时差无变化，纵波时差增大为230～250μs/m，密度减小为2.3～2.5 g/cm3，泊松比减小为0.34；当灰岩层含气饱和度为20%时，横波时差仍然无变化，纵波时差增大为240～260μs/m，密度减小为2.3～2.4 g/cm3，泊松比减小为0.29；当灰岩层含气饱和度为80%时，纵、横波时差、密度和泊松比均与含气饱和度为20%时基本相同。

利用以上流体替换得到的纵、横波时差、密度及泊松比曲线进行AVO正演模拟地震响应［9］，得到不同流体饱和的AVO反射特征（图4）。

煤层不含气时，地震反射同相轴振幅随偏移距增大而减弱，叠后为“暗点”反射；含气后，振幅随偏移距增大不变或增强，叠后为“平点”或“亮点”反射，即“相对亮点”。

图4　q11-24井不同流体饱和度的AVO反射特征Fig.4AVO reflection characteristics under different fluid saturation of q11-24 well

致密砂岩不含气时，地震反射同相轴振幅随偏移距增大而减弱，叠后为“暗点”反射；含气后，振幅随偏移距增大明显增强，叠后为典型的“亮点”反射。

灰岩不含气时，地震反射同相轴振幅随偏移距增大而增强，叠后为“亮点”反射；含气后，振幅随偏移距增大而减弱并反转，叠后为“暗点”反射。

含气饱和度由5%至80%变化时，对地震AVO响应特征的影响不大，故AVO技术仅能定性预测含气性，定量预测存在困难［10］。

分析认为，煤层含气后的AVO效应之所以较明显，主要原因是煤层气富集区往往是割理缝密集区，比表面积大，吸附能力强，具有方向性，使得纵波速度下降快，泊松比变化特征明显，AVO效应增强。

2.3实例分析

从实际过井CRP道集（图5）上看，沁水盆地3号煤层含气时，所对应的地震反射常常表现为振幅随偏移距增大而增大或保持不变，而不含气时，则常常表现为振幅随偏移距增大而减小的趋势，与AVO正演模拟结果一致（参见图4）。q15-24井3号煤层累计产气73 238 m3，所对应的地震反射同相轴（0.73 s）振幅随偏移距增大而略有增大；q17-27井3号煤层累计产气56 379 m3，所对应的地震反射同相轴（0.79 s）振幅随偏移距增大而明显增大；q16-31井3号煤层累计产气0 m3，所对应的地震反射同相轴（0.67 s）振幅随偏移距增大而减小。此外，从CRP道集上看：3号煤层上、下均难以找到随偏移距增大而增大的砂岩含气AVO反射特征；同样，3号煤层下的第二相位所对应的奥陶系峰峰组灰岩顶反射，也难以找到随偏移距增大而减小并反转的灰岩含气AVO反射特征，这与沁水盆地致密砂岩和灰岩勘探均无突破相吻合［11］。

从叠后地震剖面（图6）上看：含气井表现为强反射“亮点”特征，如q15-24井；不含气或含气极少的井表现为弱反射“暗点”特征，如q19-25井，该井3号煤层累计产气仅9 m3。这表明，在地震剖面上，只要3号煤层不是弱反射，就可能高含气。

从郑庄三维地震区AVO流体因子（P×G）属性剖面（图7）上看，zs33井3号煤层测试煤层气质量体积为30.86 m3/t，为工业气井，表现出明显的AVO异常，而zs35井3号煤层测试煤层气质量体积为3.56 m3/t，为干井，无AVO含气异常。从郑庄三维地震区3号煤层AVO流体因子（P×G）属性平面图（图8）上看，含气异常区与实钻井3号煤层测试煤层气质量体积（表1）吻合较好。

图5　过井CRP道集剖面Fig.5CRP section across q15-24 well，q17-27 well and q16-31 well

图6　过q15-24—q19-25连井线叠后地震剖面Fig.6The poststack seismic section across q15-24-q19-25 well

图7　过zs33-zs35连井线AVO流体因子属性剖面Fig.7The AVO fluid factor attribute section across zs33-zs35 well

图8　郑庄三维地震区3号煤层AVO流体因子属性平面图Fig.8The fluid factor attributes of No.3 coalbed in Zhenzhuang block

表1　郑庄三维地震区各井3号煤层测试煤层气质量体积Table 1The volume of coalbed methane of No.3 coalbed in Zhenzhuang block

3　结束语

（1）煤层的AVO响应特征与煤层含气后的AVO响应特征不同，煤层为“暗点”反射特征，而煤层含气后为“相对亮点”特征。

（2）煤层、砂岩与灰岩不含气时，其AVO响应特征各不相同；含气后，其AVO响应特征又各有不同的变化。实践中，不是所有的亮点都与含气有关，也可能是灰岩不含气时的反射。

（3）大量工作实践表明，符合AVO条件的野外地震资料是进行AVO分析的基础。因此，建议今后野外地震资料采集时，应把影响AVO的因素考虑进去，增大覆盖次数，加大偏移距，以便从近道与远道的差异中看到更为清晰的AVO现象。

（References）：

［1］赵政璋，赵贤正，王英民，等.储层地震预测理论与实践［M］.北京：科学出版社，2005：234-278. Zhao Zhengzhang，Zhao Xianzheng，Wang Yingmin，et al.Reservoir seismic prediction theory and practice［M］.Beijing：Science Press，2005：234-278.

［2］孙万禄.中国煤层气盆地［M］.北京：地质出版社，2005：181-194. Sun Wanlu.China coalbed methane basins［M］.Beijing：Geology Press，2005：181-194.

［3］李传亮，彭朝阳，朱苏阳.煤层气其实是吸附气［J］.岩性油气藏，2013，25（2）：112-115. Li Chuanliang，Peng Chaoyang，Zhu Suyang.Coalbed methane is adsorption gas underground［J］.Lithologic Reservoir，2013，25（2）：112-115.

［4］焦勇，汪剑，曹成友，等.煤层气地震精细解释及储层预测技术探讨［J］.中国煤层气，2011，8（6）：13-17. Jiao Yong，Wang Jian，Cao Chengyou，et al.Discussion on CBM seismic fine interpretation and reservoir prediction technology［J］. China Coalbed Methane，2011，8（6）：13-17.

［5］Hilterman F J.地震振幅解释［M］.孙夕平，赵良武，译.北京：石油工业出版社，2006：5-65. Hilterman F J.Seismic amplitude interpretation［M］.Translated by Sun Xipeng，Zhao Liangwu.Beijing：Petroleum Industry Press，2006：5-65.

［6］杨午阳，杨文采，刘全新，等.三维F-X域粘弹性波动方程保幅偏移方法［J］.岩性油气藏，2007，19（1）：86-91. Yang Wuyang，Yang Wencai，Liu Quanxin，et al.3D frequency and space domain amplitude-preserved migration with viscoelastic wave equations［J］.Lithologic Reservoir，2007，19（1）：86-91.

［7］凌云研究组.地震分辨率极限问题的研究［J］.石油地球物理勘探，2004，39（4）：435-442. Ling Yun Research Group.Study of seismic resolution limit［J］. Oil Geophysical Prospecting，2004，39（4）：435-442.

［8］王捷.油藏描述技术——勘探阶段［M］.北京：石油工业出版社，1996：160-165. Wang Jie.Reservoir description technology—The exploration stage［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，1996：160-165.

［9］刘军迎，雍学善，高建虎.模型正演技术在碳酸盐岩油气藏地震资料解释中的应用［J］.岩性油气藏，2007，19（1）：109-112. Liu Junying，Yong Xueshan，Gao Jianhua.The application of forward modeling for interpretation of seismic data of carbonatite reservoir［J］.Lithologic Reservoir，2007，19（1）：109-112.

［10］王述江，雍学善，王宇超，等.利用从地震资料切除区提取的被动地震信息预测油气藏［J］.岩性油气藏，2013，25（4）：73-77. Wang Shujiang，Yong Xueshan，Wang Yuchao，et al.Reservoir prediction based on passive seismic data extracted from seismic removal zone［J］.Lithologic Reservoir，2013，25（4）：73-77.

［11］冯小英，秦凤启，焦勇，等.沁水盆地煤层气地震储层预测技术方法研究［J］.中国煤层气，2011，8（6）：8-12. Feng Xiaoying，Qin Fengqi，Jiao Yong，et al.Study of seismic method for forecasting of CBM reservoir in Qinshui Basin［J］.China Coalbed Methane，2011，8（6）：8-12.

（本文编辑：李在光）

AVO response characteristics of coalbed methane stratum in Qinshui Basin

Feng Xiaoying1，Qin Fengqi1，Tang Yutong2，Liu Hui1，Wang Ya1
（1.Research Institute of Geophysical Exploration，PetroChina Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，Hebei，China；2.Coalbed Gas Exploration and Development Company，PetroChina Huabei Oilfield Company，Jincheng 048000，Shanxi，China）

With the deepening of exploration and development of coalbed methane in Qinshui Basin，It was found that the enrichment rule of coalbed methane is one of the key factors influencing the development efficiency，and AVO technique is important to predict the enrichment rule of coalbed methane.What are the AVO response characteristics of coalbed and coalbed methane？Are they as the same as sand bed gas？For these questions，this paper studied the fluid substitution of different lithologies and its AVO response characteristics under different gas saturation in Qinshui Basin.The result shows that the AVO response characteristic of coalbed is different from coalbed methane，the AVO characteristic of coalbed is“dim spot”，and the AVO characteristic of coalbed methane is“relatively bright spot”.This study can provide reliable technical support for the exploration and development of coalbed methane.

coalbed methane；CRP gather；AVOresponse characteristics；fluid substitution

P631.4

A

1673-8926（2015）04-0103-06

2014-08-21；

2015-02-20

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“煤层气地球物理综合评价技术研究”（编号：2013E-2202）资助

冯小英（1969-），女，硕士，高级工程师，主要从事地震地质综合解释及储层预测方面的研究工作。地址：（062552）河北省任丘市华北油田地球物理勘探研究院。E-mail：wty_fengxy@petrochina.com.cn。