地震属性技术在煤层气抽采井井位优选中的应用

2019-04-12段天柱

中国煤炭 2019年3期

段天柱

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市九龙坡区，400039)

煤层气是一种优质的新型洁净非常规天然气资源。我国煤层气资源储量大，发展潜力大。煤层气的勘探开发对于缓解能源紧张状况、优化能源结构、保障煤炭的安全高效开采等方面均具有重要的意义。煤层气开发利用过程中，对煤层气富集区进行预测是前期关键步骤。

地震勘探方法具有成本低、信息量大、分辨率高等优点，在煤层气的勘探阶段，地震勘探技术是最为重要的手段之一。在地震构造解释阶段，可以查明断层等大的断裂构造，使得煤层气抽采孔能够避开复杂地质带；同时在地震岩性解释阶段，通过属性技术可以对微裂缝的发育区进行预测，而断裂系统的发育程度对于煤储层的含气量及煤层气成藏具有重要的影响作用。因此，地震勘探能够经济、有效地圈定煤层气富集区，指导煤层气抽采孔的优化布置。

1 地震属性技术优选及分析

地震属性是指从地震数据体中提取出来的运动学、动力学和统计学地震特殊测量值，地震属性技术则是指提取、显示、分析和评价各种地震属性的技术，包括在不同地震任务条件下对地震属性进行优选及分析。地震属性的分类目前还没有统一的标准，从定义的角度可以分为几何学、运动学、动力学等几大类。地震属性种类繁多，目前明确定义的达几百余种，其中常用的有几十种，包括振幅、频率、相位、能量、波形、相关、吸收衰减等。对煤层气富集区预测而言，相干属性和曲率属性有较好的应用。结合多属性综合运用及基于神经网络运算的气焰囱技术，可以从裂缝发育影响煤层储集特征的角度进行分析，即裂缝发育区有利于煤层气的富集，通过预测裂缝发育区来预测煤层气的相对富集区域。

1.1 相干属性

地震相干体技术是利用地震信号波形相似性的变化来描述地层、岩性在空间上的不连续性，进而研究小断层和微断裂的空间分布规律和延展形态以及异常地质构造及岩性的空间分布特征。相干技术经历了由基于互相关的第一代相干体技术、基于相似的第二代相干体技术、基于本征结构的相干体技术，到基于几何结构张量、高阶统计量、曲波变换的新一代相干体技术的发展历程。经过多年的发展，相干技术在油气勘探领域得到了广泛的应用。利用相干技术，可以突出相邻地震道的不连续性，使得异常地质体现象更加清晰。相干体切片可更直观地显示微断裂、裂缝的相对发育程度，间接预测煤层气的相对富集区。

相干体应用过程中，时间孔径、空间孔径、倾角方位角参数的选取尤为重要。其中，时间孔径是最为重要的参数，其建议范围为：目标反射体最低频率的一个波长到最高频率波长的一半之间。一般来说，需要突出地层特征或低角度断层时，使用较小时间孔径；需要突出持续性地质特征时，应使用较长的时间孔径。在空间维度上，相干体实际上是地震道的一种空间组合，每个相干数据体上空间点的属性值反应原始地震数据体中的多道、多点信息，因此，相干数据体在识别地质异常体时具有更高的信噪比和分辨率。从断层成像的清晰度和随机噪声压制程度看，一般来说参与计算的地震道数越多，对断层、小构造的分辨率越低，这种情况下突出的主要是较大的异常构造；相反，参与计算的地震道数越少，对小断层的突出程度越高，对地质异常体边界的识别程度越高。所以在计算地震相干性时，需要根据被探测目标地质体的大小和探测目的的不同来选择参与计算的地震道数。

1.2 曲率属性

曲率属性是利用地层的弯曲程度来进行构造解释和储层分析的一种方法。曲率属性对地层因构造变形引起的完全敏感度很高，因此其对复杂的断层、裂缝等地质体刻画能力强，近年来得到广泛的应用。曲率属性最早于20世纪90年代中期开始应用，第一代曲率属性是利用层位数据计算的二维层面曲率，因没有利用地震波信号的振幅信息与地震反射的几何特征，在应用上容易引起构造假象。第二代曲率为体曲率，其直接利用了地震资料的振幅信息，其在一定程度上克服了二维层面曲率的局限性。

几何学上曲率通常是用来表征层面上某点处变形弯曲程度，该点处变形弯曲程度越大，其曲率值越高。将地层构造形变如挠曲、褶皱等定量结果与常规的断裂图像结合，就能利用井控条件下构造变形模型来预测应力和裂缝发育区。第二代曲率属性分析法，即体曲率属性分析可以从曲率属性上识别小的挠曲、褶皱、凸起及差异压实等特征，这些小的异常地质构造在常规地震资料解释时是无法识别的，在相干体上也通常呈现为连续高相干特征。

在实际应用过程中，曲率通常是沿在三维地震资料上追踪的层面计算。实际曲率还包括最大曲率、最小曲率、最大正曲率、最大负曲率、倾向曲率、走向曲率、平均曲率、最小曲率方位和形态指数等。在断层、裂隙刻画应用中，最大正曲率和最大负曲率是最容易计算的曲率属性，也是目前最为常用的曲率属性。

1.3 蚂蚁体属性

蚂蚁算法是一种用来寻找优化路径的新型仿生类概率型算法。蚂蚁体属性追踪技术就是基于蚂蚁算法的原理，即利用仿生蚂蚁觅食过程中群体间传递信息、优化路径的原理，其总是选择信息量最大的路径，并通过信息量的不断更新最终达到最佳路径。在地震资料解释中，蚂蚁体追踪技术基本原理是在地震数据体中散播大量的蚂蚁，在地震属性体中发现满足预设条件的断裂痕迹的蚂蚁将释放信号，召集其它蚂蚁集中在该断裂处并对其进行追踪，直到完成该断裂构造的识别和追踪。

蚂蚁体追踪技术最大的优点在于通过调整追踪参数，可以定性地描述地层中的小断层和裂隙发育区，提高对断裂构造的解释精度，有利于细节的刻画。

属性技术的应用，一定程度上弥补了断裂构造、裂隙发育区人工识别的主观性，提高了地质构造的解释精度，有利于地质细节的全面展示。实际应用过程中，各种属性体都有各自的优缺点和适用范围，每一种属性所反映的特征形态有所不同，应用效果各不相同，且应用单一属性也可能存在多解性的问题。在实际应用中，仅仅参考单一的某种属性是不够的，往往同时开展多属性间的联合应用分析。

2 试验区应用效果分析

阳泉矿区位于沁水煤田东北隅，煤炭资源总量达225亿t，煤层气储量丰富，总量达6448亿m3。矿区属于典型的高瓦斯、突出、碎软、低渗难抽采煤层，煤层气抽采困难。为提高矿区煤层气开发利用率及煤层气地面抽放效果，拟在矿区复杂地质构造带开展煤层气富集区预测，优选井位，为构造软煤发育区低渗性煤层煤层气顺利抽采提供技术支持。

试验区位于寿阳—阳泉构造堆积盆地、沁水煤田的北部，地貌形态属中低山地貌。地表均被第四系松散层覆盖，经长期风化剥蚀，沟谷纵横、地形较复杂。试验区面积1.5 km2，为获取较好的勘探效果，数据采集采用12线6炮的宽方位观测系统，勘探区内覆盖次数为36次，有别于常规煤田地质勘探中的窄方位、低覆盖次数勘探方式。经前期数据处理及资料解释，解释勘探区内主采3#煤层总体形态为褶曲，如图1所示，自西向东依次为S1背斜、S2向斜、S3背斜。向背斜轴部基本成南北轴向，中部稍向东弯曲。煤层底板标高北部高南部低，东西高中间低。西北部发育X1陷落柱，全区共发育断层5条。

图1 3#煤层底板等高线图

基于地震属性，分析研究区内3#煤层的裂缝发育情况。裂缝发育区内，煤层孔渗性较好，研究区内无大断层发育，利于瓦斯游离气的存储。因此，可根据裂缝发育区的分布情况，分析煤层孔渗性较好的储气层的分布情况，以及划分煤层气富集区域。针对地质任务，优选了相干、曲率、蚂蚁体3种属性进行属性分析。3#煤层相干、曲率、蚂蚁体属性切片如图2所示。

由图2(a)沿层相干属性图可知，研究区内无明显低相干区域，表面煤层发育良好，局部的不连续性可作为裂缝发育区的参考，未显现出明显裂缝发育区；图2(b)、图2(c)所示分别为沿层切片的最大正曲率、最小负曲率属性图，其中最大正曲率切片图中，西北部、中北部及南部裂隙发育较明显，最小负曲率切片图中，裂隙发育区范围与图2(b)中基本一致，其中西部、中北部及南部区域裂隙发育较明显；蚂蚁体属性中，裂隙发育范围相对更为清晰，其中，陷落柱及断层发育处蚂蚁体属性异常反应较为明显。

图2 3#煤层地震属性分析图

针对单一属性分析适用范围侧重点各不相同的问题，可进行多属性综合分析。利用对于断层、裂缝响应比较好的相干、最大正曲率、最小负曲率和蚂蚁体等属性进行叠加分析，依据多属性叠合可划分裂缝发育区域，如图3所示，图中黄色区域所示为裂隙相对发育区。

依据曲率、蚂蚁体的走向代表着裂缝的发育走向的原则，可根据曲率和蚂蚁体的走向进行统计生成走向玫瑰图，研究裂缝的主要走向，裂缝的走向一般代表着最大主应力的走向，确定最大主应力的走向可为后期钻井压裂提供地质指导。分析最大正曲率、蚂蚁体、多属性叠合，以及多属性融合分析裂缝发育方位角，从而确定区域构造主应力。

最大正曲率的方位角为北偏东5°～15°，蚂蚁体的方位角为北偏东5°～15°，多属性叠合的方位角为北偏东0°～15°，综合可知，研究区内裂缝发育的走向为北偏东0°～15°。则研究区内的区域构造主应力方向应与裂缝发育的走向基本一致，即为北偏东0°～15°。在下一步压裂抽采中，可根据区域构造主应力方向进行压裂，更容易形成人工裂缝，改善增加煤层的孔隙度、渗透率等储层条件，利于后期的煤层气抽采开发。