煤层气多尺度裂缝预测技术在沁南东三维区的应用

刘 慧 冯小英 张 浩 王成泉 陈龙伟

(中国石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 062552)

1 裂缝的不同类型

煤系地层中的裂缝依据其成因可以分为割理和外生裂缝两大类：割理是煤层经过干缩作用、煤化作用、岩化作用和构造压力等各种过程形成的天然裂隙，其发育程度与地应力的强弱和变质作用的类型密切相关，好的割理能改善煤层渗透性；外生裂缝是经过地应力作用,在煤层中出现的没有显著错动或位移的破裂，它与褶皱构造或断裂构造等有着密切的成因联系。

裂缝尺度不同，对含气性保存、渗透性影响程度不同，大尺度裂缝和中尺度裂缝主要分布在断裂发育区，形成较大的渗透率，但不利于气体的保存，对煤层气生产不利。小尺度裂缝属于有利裂缝，但局部沟通顶底板，可能会影响含气性，微尺度裂缝为煤层气提供了最合适的渗透率，发育高渗区。因此精确识别不同尺度的裂缝，对煤层气开发的指导意义不同。

2 多尺度裂缝识别技术

2.1 大尺度裂缝识别

大尺度裂缝可以通力应力场数值模拟来识别，应力场数值模拟主要原理是从构造力学出发，利用地层的构造信息(构造面、断裂结构)、岩性信息(岩性、泥质含量、速度、密度、厚度)等影响裂缝发育的因素，基于弹性薄板理论，计算构造曲率基础上，模拟出地层的应力场，包括地层面的曲率张量、变形张量和应力场张量，由得到的主曲率、主应变和主应力，从而对储层裂缝的发育程度及展布关系进行分析预测。

应力场数值模拟预测结果(图1)应变高值区对应背斜、断层。断层方向主要为北东、北北西方向。背斜部位为局部张应力场，沿背斜长轴方向展布；向斜部位为局部压应力场，裂缝垂直向斜长轴方向。应力、应变较大地方对应大的断裂；相对较弱处对应小的断层或裂缝。

图1 3号煤层应变大小分布图

2.2 中尺度裂缝

中尺度裂缝可以通过组合相干技术来识别。我们通常认为地层是连续的，地震波是渐变的，因此相邻道线是相似的。当地层连续性遭到破坏发生变化时，如断层、裂缝、尖灭、侵入、相变等，导致地震波发生变化，表现边缘相似性的突变。通过相干运算，将地震数据体转化为相关系数数据体，在显示中强调不相关性，突出不连续性，从而达到识别断层、裂缝、尖灭、侵入等现象及划分岩相分布特征。

从沁南东三维区3号煤叠后地震资料普通相干平面图(图2)看出，大断裂比较清楚，但小断层与裂缝模糊不清，而进行频谱分解后，沁南东三维区3号煤地震资料50Hz分频相干平面图(图3)上，裂缝和断层刻画都比较清晰。因此，高频相位体相干能更好地反映小断层与裂缝。从图上可以看出本地区大断裂比较清晰，主要方向呈北东向展布，在大断裂附近也能发育微小的断层，西部地区微裂缝或割理缝发育。

2.3 小尺度裂缝

相对叠后地震料来说，叠前地震资料预测显示出较大优势，利用具有方位角、入射角等丰富的地震反射信息，提高了微裂缝或割理缝识别、预测能力。

研究表明：在相同孔隙度条件下，细小的裂缝比圆形的孔隙对速度的影响更大，在砂岩中小于0.01%裂缝孔隙度能导致纵波和横波速度降低10%以上。因此，裂缝的方向、密度和所含流体变化会对纵波和横波速度产生很大影响并产生较强的地震属性振幅、频率、波阻抗等各向异性，因此属性方位各向异性是预测微裂缝或割理缝有效方法之一。工业区的微裂缝主要集中在中西部地区，并且呈北东向展布。

图2 3号煤相干平面

图4 裂缝密度与声波时差、深浅电阻率差的交会图

2.4 微尺度裂缝

测井资料以其较高的纵向分辨率，在煤层气勘探开发中具有重要作用。煤层的测井响应特征明显，具有“三高二低”的特征，即高电阻率、高中子、高时差、低密度和低伽玛，可利用这些典型的测井响应特征来预测煤层的裂缝发育情况。

同一煤田同一煤层在相同变质程度情况下构造煤比原生结构煤破碎，物理化学性质有不同程度的变化。构造煤中自由基浓度高，小分子含量也会增加，大量的自由基和小分子与煤层中的水分子共同作用，使煤的电化学性质发生改变，煤中的导电网络变发达，导电离子在电场作用下更加自由地迁移，结果使电阻率减小，这使得构造煤和原生结构煤之间存在着明显的电学性质差异。电阻率下降幅度越大，反映破坏程度越高，裂缝越发育。

图5 3号煤层深浅电阻率差值反演预测裂缝发育程度图

通过主力煤层测井曲线响应特征，以及裂缝密度与声波时差、深浅电阻率差的交会图(图4)分析，发现深浅电阻率差值与裂缝发育程度有很好的相关性，故选择深浅电阻率差与声波时差进行曲线重构，调制拟合成一条具有声波时差量纲的拟声波曲线，进行拟声波和参数反演来预测裂缝发育情况。

从预测结果图来看(图5):q14-30、q17-27井区为割理缝及微裂缝发育区，与实际产气结果对比，该区域气井产气效果较好。

3 预测效果评价

应力场数值模拟、相干体属性、叠前属性方位各向异性、深浅侧向电阻率差值和声波拟合约束反演这四种方法预测断层、裂缝基本规律一致。应力场模拟、相干属性指示断层、小裂缝效果较好，但对微裂缝预测相对较粗。而叠前振幅方位各向异性、深浅侧向电阻率差值和声波拟合约束反演预测微裂缝或割理缝发育带效果相对精细准确。

此外，利用48口评价井、生产井日产气量对成果图进行标定后发现：微裂缝或割理缝发育带与富含气区对应较好，而断裂带附近区域含气性较差。表明煤层气赋存方式以吸附为主，微裂缝或割理缝孔隙小，比表面积大，有利于煤层气富集成藏，而断层、大裂缝比表面积小，不利于吸附型煤层气的保存。因此，微裂缝或割理缝发育程度是煤层气富集成藏的主要因素，叠前振幅方位各向异性、深浅侧向电阻率差值和声波拟合约束反演也可间接预测煤层富含气区。

4 结论

煤的裂缝系统发育程度决定了煤层渗透性的好坏，影响着煤层气井的产量及勘探后期井网设计。煤层割理发育、构造裂缝适中，有利于煤层气的富集高产。针对不同尺度的裂缝采用不同的预测方法，提高了裂缝预测精度，能进一步预测有利裂缝的分布范围。但是预测技术也有一定局限性，在实际运用过程中我们还需综合利用地质资料，构造资料来进一步精确预测结果。

参 考 文 献

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