大城游离气与吸附气AVO地震响应特征差异研究与应用

2021-11-05范立红唐钰童

中国煤层气 2021年4期

关键词：大城含气纵波

范立红韩晟宋鑫王刚郭炜唐钰童

(1.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院,河北 0625522；2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司华北物探处,河北 062552；3.中国石油天然气股份有限公司煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

1 工区概况

大城凸起位于沧县隆起的西部(图1)，西部以下第三系尖灭线为界与文安斜坡、杨村斜坡接壤，东南以大城东断层、静海断层为界与里坦凹陷相连。南北长120km，东西宽20km，面积约2400km2。

图1 冀中坳陷大城凸起位置图

大城凸起整体为NE走向的单斜构造，地层倾角一般2°～5°，凸起顶部石炭-二叠系地层被剥蚀，下倾方向保存较完整。区内发育静海和大城东两条区域性走滑断层，其两侧发育多条派生断层，使局部构造复杂化。

该区煤层气勘探起始于1991年DC1井的钻探，区内共煤层气井14口，其中10口井见气，日产平均约1600m3，多口井围岩(砂岩)见到了油气显示，气测异常也很活跃，最高单井日产气量可达1.1×104m3。

2 基础研究

大城地区煤层主要发育在石炭-二叠系，其下为海相奥陶系灰岩地层，厚度1500m，构造沉积均较稳定；其上为中生界三叠系至白垩系，顶部普遍遭受剥蚀，残余厚度0～960m。喜山早期断裂活动加剧，静海-大城东断层活动剧烈。上第三系地层向东超覆减薄尖灭，大城凸起继续抬升，处于剥蚀状态。喜山晚期随断陷活动的减弱，地壳再度整体下沉，接受河流平原相沉积，大城凸起形成现阶段构造。

大城煤层主要发育6个煤组，3煤组和6煤组全区分布稳定，是本区煤层气勘探主力层。其中3煤组厚度一般为5～8m，6煤组含煤层段多，厚度大，由1～5个煤层构成，单层厚0.5～7.73m，煤组平均厚5.53m。

由相邻的文安工区与大城工区地层对比发现，在大城地区标准层馆陶地层的岩性由区域性的砾岩相变成为粉砂岩至泥岩，而下伏地层也由新生界地层变为石炭-二叠系古生界地层，故而所对应的馆陶组底界面反射系数由区域性负反射系数变为正反射系数。

通常一个正反射系数界面，若其对应的是单峰，则为正极性地震剖面，若其对应的是双峰则为负极性地震剖面。而大城工区表现为双峰反射(图2)，因此该区地震剖面极性为负极性。

图2 大城工区CX90_X测线地震剖面图

3 吸附气与游离气地震响应差异研究

3.1 AVO技术的理论基础

AVO分析的实质是研究地震波振幅随偏移距或入射角变化的变化问题，它的理论基础是地震波反射和透射理论，求解Zoeppritz方程是AVO技术的核心。

通常实践中所用的是Zoeppritz方程Shuey简化式，即

R(θ)=P+Gsin2θ

(1)

其中θ为入射角，(°)；P为截距，即法线入射时的反射波系数Ro，

Ro=(ρ2V2-ρ1V1)/(ρ2V2+ρ1V1)

(2)

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；P与煤层厚度及围岩岩性有关；G为梯度，

G=(AoRo+Δσ/(1-σ)2)

(3)

Ao为法向入射反射振幅，

Δσ=σ2-σ1

(4)

σ=(σ2+σ1)/2

(5)

σ1与σ2为上、下介质的泊松比，G反映的是振幅随偏移距的变化率，与煤层泊松比或含气性有关。

从公式1～5可以看出，速度、密度与泊松比是影响AVO结果的最主要参数。

岩石物理实验表明，当砂岩不含气时，纵波速度为2675m/s，密度为 2.4g/cm3；当砂岩样品含气饱和度为 20% 时，纵波速度减小为 2620m/s，密度减小到2.28g/cm3；当砂层含气越接近饱和，纵波速度、密度变化越缓慢，与含气饱和度为 20% 时基本相同。横波速度对含气饱和度变化不敏感，变化很小。泊松比参数变化与纵波速度变化类似，随着含气饱和度增加，砂岩的泊松比参数减小，接近饱和气段，速度变化缓慢。

经实验测得的常温常压下的煤岩平均泊松比为0.34，实验测得的25MPa压力下的煤岩平均泊松比为0.35。实验所测得的煤岩泊松比为煤岩含空气下的泊松比，该数值(0.35)可以理解为地下煤岩含气的泊松比，而煤岩骨架泊松比通常大于0.42，故而认为煤岩含气后泊松比是降低的。

方朝强等经实验测得，干煤岩样(恒温箱中116℃烘干33h)平均弹性参数小于饱和煤岩样(饱和2000mg/L的NaCl溶液)，干岩样可以理解为含气煤岩，饱和岩样为不含气煤岩，煤岩含气时纵波速度小于不含气的煤岩，横波速度含气与不含气状态下变化十分小。另有实验测得含气5%时，煤岩纵波速度立即降低，降幅达323m/s，但当含气饱和度继续增大时，纵波速度变化不明显。

3.2 吸附气与游离气地震响应特征

如图3，煤岩的AVO响应特征与其它沉积岩不同。煤层不含气时，地震反射同相轴振幅随偏移距增大而减弱，含气后，振幅随偏移距增大不变或增强。砂岩不含气时，地震反射同相轴振幅随偏移距增大而减弱，含气后，振幅随偏移距增大明显增强。灰岩不含气时，地震反射同相轴振幅随偏移距增大而增强；含气后，振幅随偏移距增大而减弱。

图3 不同岩性在不同含气饱和度下的AVO反射特征(引用自冯小英等，2015)

DP7井最高日常气量超出1×104m3，从过井道集上看(图4a)，目的层所对应的地震反射随着偏移距增大，振幅明显增强，与正演模型(图3)对比，发现其与砂岩含气AVO响应相当，说明DP7井含游离气，该井吸附气与游离气共存。本区DC1井累计产气14×104m3，所对应的地震反射同相轴振幅随偏移距增大也明显增大(图4b)。而DT9井累计产气为0，与沁水盆地Q1井(产气0)对比，其所对应的地震反射同相轴特征相似，随偏移距增大而减小(图5,6)。