地震屬性技術在煤層氣抽采井井位優選中的應用

段天柱

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區，400039)

煤層氣是一種優質的新型潔凈非常規天然氣資源。我國煤層氣資源儲量大，發展潛力大。煤層氣的勘探開發對于緩解能源緊張狀況、優化能源結構、保障煤炭的安全高效開采等方面均具有重要的意義。煤層氣開發利用過程中，對煤層氣富集區進行預測是前期關鍵步驟。

地震勘探方法具有成本低、信息量大、分辨率高等優點，在煤層氣的勘探階段，地震勘探技術是最為重要的手段之一。在地震構造解釋階段，可以查明斷層等大的斷裂構造，使得煤層氣抽采孔能夠避開復雜地質帶；同時在地震巖性解釋階段，通過屬性技術可以對微裂縫的發育區進行預測，而斷裂系統的發育程度對于煤儲層的含氣量及煤層氣成藏具有重要的影響作用。因此，地震勘探能夠經濟、有效地圈定煤層氣富集區，指導煤層氣抽采孔的優化布置。

1 地震屬性技術優選及分析

地震屬性是指從地震數據體中提取出來的運動學、動力學和統計學地震特殊測量值，地震屬性技術則是指提取、顯示、分析和評價各種地震屬性的技術，包括在不同地震任務條件下對地震屬性進行優選及分析。地震屬性的分類目前還沒有統一的標準，從定義的角度可以分為幾何學、運動學、動力學等幾大類。地震屬性種類繁多，目前明確定義的達幾百余種，其中常用的有幾十種，包括振幅、頻率、相位、能量、波形、相關、吸收衰減等。對煤層氣富集區預測而言，相干屬性和曲率屬性有較好的應用。結合多屬性綜合運用及基于神經網絡運算的氣焰囪技術，可以從裂縫發育影響煤層儲集特征的角度進行分析，即裂縫發育區有利于煤層氣的富集，通過預測裂縫發育區來預測煤層氣的相對富集區域。

1.1 相干屬性

地震相干體技術是利用地震信號波形相似性的變化來描述地層、巖性在空間上的不連續性，進而研究小斷層和微斷裂的空間分布規律和延展形態以及異常地質構造及巖性的空間分布特征。相干技術經歷了由基于互相關的第一代相干體技術、基于相似的第二代相干體技術、基于本征結構的相干體技術，到基于幾何結構張量、高階統計量、曲波變換的新一代相干體技術的發展歷程。經過多年的發展，相干技術在油氣勘探領域得到了廣泛的應用。利用相干技術，可以突出相鄰地震道的不連續性，使得異常地質體現象更加清晰。相干體切片可更直觀地顯示微斷裂、裂縫的相對發育程度，間接預測煤層氣的相對富集區。

相干體應用過程中，時間孔徑、空間孔徑、傾角方位角參數的選取尤為重要。其中，時間孔徑是最為重要的參數，其建議范圍為：目標反射體最低頻率的一個波長到最高頻率波長的一半之間。一般來說，需要突出地層特征或低角度斷層時，使用較小時間孔徑；需要突出持續性地質特征時，應使用較長的時間孔徑。在空間維度上，相干體實際上是地震道的一種空間組合，每個相干數據體上空間點的屬性值反應原始地震數據體中的多道、多點信息，因此，相干數據體在識別地質異常體時具有更高的信噪比和分辨率。從斷層成像的清晰度和隨機噪聲壓制程度看，一般來說參與計算的地震道數越多，對斷層、小構造的分辨率越低，這種情況下突出的主要是較大的異常構造；相反，參與計算的地震道數越少，對小斷層的突出程度越高，對地質異常體邊界的識別程度越高。所以在計算地震相干性時，需要根據被探測目標地質體的大小和探測目的的不同來選擇參與計算的地震道數。

1.2 曲率屬性

曲率屬性是利用地層的彎曲程度來進行構造解釋和儲層分析的一種方法。曲率屬性對地層因構造變形引起的完全敏感度很高，因此其對復雜的斷層、裂縫等地質體刻畫能力強，近年來得到廣泛的應用。曲率屬性最早于20世紀90年代中期開始應用，第一代曲率屬性是利用層位數據計算的二維層面曲率，因沒有利用地震波信號的振幅信息與地震反射的幾何特征，在應用上容易引起構造假象。第二代曲率為體曲率，其直接利用了地震資料的振幅信息，其在一定程度上克服了二維層面曲率的局限性。

幾何學上曲率通常是用來表征層面上某點處變形彎曲程度，該點處變形彎曲程度越大，其曲率值越高。將地層構造形變如撓曲、褶皺等定量結果與常規的斷裂圖像結合，就能利用井控條件下構造變形模型來預測應力和裂縫發育區。第二代曲率屬性分析法，即體曲率屬性分析可以從曲率屬性上識別小的撓曲、褶皺、凸起及差異壓實等特征，這些小的異常地質構造在常規地震資料解釋時是無法識別的，在相干體上也通常呈現為連續高相干特征。

在實際應用過程中，曲率通常是沿在三維地震資料上追蹤的層面計算。實際曲率還包括最大曲率、最小曲率、最大正曲率、最大負曲率、傾向曲率、走向曲率、平均曲率、最小曲率方位和形態指數等。在斷層、裂隙刻畫應用中，最大正曲率和最大負曲率是最容易計算的曲率屬性，也是目前最為常用的曲率屬性。

1.3 螞蟻體屬性

螞蟻算法是一種用來尋找優化路徑的新型仿生類概率型算法。螞蟻體屬性追蹤技術就是基于螞蟻算法的原理，即利用仿生螞蟻覓食過程中群體間傳遞信息、優化路徑的原理，其總是選擇信息量最大的路徑，并通過信息量的不斷更新最終達到最佳路徑。在地震資料解釋中，螞蟻體追蹤技術基本原理是在地震數據體中散播大量的螞蟻，在地震屬性體中發現滿足預設條件的斷裂痕跡的螞蟻將釋放信號，召集其它螞蟻集中在該斷裂處并對其進行追蹤，直到完成該斷裂構造的識別和追蹤。

螞蟻體追蹤技術最大的優點在于通過調整追蹤參數，可以定性地描述地層中的小斷層和裂隙發育區，提高對斷裂構造的解釋精度，有利于細節的刻畫。

屬性技術的應用，一定程度上彌補了斷裂構造、裂隙發育區人工識別的主觀性，提高了地質構造的解釋精度，有利于地質細節的全面展示。實際應用過程中，各種屬性體都有各自的優缺點和適用范圍，每一種屬性所反映的特征形態有所不同，應用效果各不相同，且應用單一屬性也可能存在多解性的問題。在實際應用中，僅僅參考單一的某種屬性是不夠的，往往同時開展多屬性間的聯合應用分析。

2 試驗區應用效果分析

陽泉礦區位于沁水煤田東北隅，煤炭資源總量達225億t，煤層氣儲量豐富，總量達6448億m3。礦區屬于典型的高瓦斯、突出、碎軟、低滲難抽采煤層，煤層氣抽采困難。為提高礦區煤層氣開發利用率及煤層氣地面抽放效果，擬在礦區復雜地質構造帶開展煤層氣富集區預測，優選井位，為構造軟煤發育區低滲性煤層煤層氣順利抽采提供技術支持。

試驗區位于壽陽—陽泉構造堆積盆地、沁水煤田的北部，地貌形態屬中低山地貌。地表均被第四系松散層覆蓋，經長期風化剝蝕，溝谷縱橫、地形較復雜。試驗區面積1.5 km2，為獲取較好的勘探效果，數據采集采用12線6炮的寬方位觀測系統，勘探區內覆蓋次數為36次，有別于常規煤田地質勘探中的窄方位、低覆蓋次數勘探方式。經前期數據處理及資料解釋，解釋勘探區內主采3#煤層總體形態為褶曲，如圖1所示，自西向東依次為S1背斜、S2向斜、S3背斜。向背斜軸部基本成南北軸向，中部稍向東彎曲。煤層底板標高北部高南部低，東西高中間低。西北部發育X1陷落柱，全區共發育斷層5條。

圖1 3#煤層底板等高線圖

基于地震屬性，分析研究區內3#煤層的裂縫發育情況。裂縫發育區內，煤層孔滲性較好，研究區內無大斷層發育，利于瓦斯游離氣的存儲。因此，可根據裂縫發育區的分布情況，分析煤層孔滲性較好的儲氣層的分布情況，以及劃分煤層氣富集區域。針對地質任務，優選了相干、曲率、螞蟻體3種屬性進行屬性分析。3#煤層相干、曲率、螞蟻體屬性切片如圖2所示。

由圖2(a)沿層相干屬性圖可知，研究區內無明顯低相干區域，表面煤層發育良好，局部的不連續性可作為裂縫發育區的參考，未顯現出明顯裂縫發育區；圖2(b)、圖2(c)所示分別為沿層切片的最大正曲率、最小負曲率屬性圖，其中最大正曲率切片圖中，西北部、中北部及南部裂隙發育較明顯，最小負曲率切片圖中，裂隙發育區范圍與圖2(b)中基本一致，其中西部、中北部及南部區域裂隙發育較明顯；螞蟻體屬性中，裂隙發育范圍相對更為清晰，其中，陷落柱及斷層發育處螞蟻體屬性異常反應較為明顯。

圖2 3#煤層地震屬性分析圖

針對單一屬性分析適用范圍側重點各不相同的問題，可進行多屬性綜合分析。利用對于斷層、裂縫響應比較好的相干、最大正曲率、最小負曲率和螞蟻體等屬性進行疊加分析，依據多屬性疊合可劃分裂縫發育區域，如圖3所示，圖中黃色區域所示為裂隙相對發育區。

依據曲率、螞蟻體的走向代表著裂縫的發育走向的原則，可根據曲率和螞蟻體的走向進行統計生成走向玫瑰圖，研究裂縫的主要走向，裂縫的走向一般代表著最大主應力的走向，確定最大主應力的走向可為后期鉆井壓裂提供地質指導。分析最大正曲率、螞蟻體、多屬性疊合，以及多屬性融合分析裂縫發育方位角，從而確定區域構造主應力。

最大正曲率的方位角為北偏東5°～15°，螞蟻體的方位角為北偏東5°～15°，多屬性疊合的方位角為北偏東0°～15°，綜合可知，研究區內裂縫發育的走向為北偏東0°～15°。則研究區內的區域構造主應力方向應與裂縫發育的走向基本一致，即為北偏東0°～15°。在下一步壓裂抽采中，可根據區域構造主應力方向進行壓裂，更容易形成人工裂縫，改善增加煤層的孔隙度、滲透率等儲層條件，利于后期的煤層氣抽采開發。

圖3 3#煤層綜合屬性分析圖

3 結語

(1)地震屬性技術的應用，一定程度上彌補地震資料人工識別的主觀性，提高了地質構造的解釋精度，有利于地質細節的全面展示，特別是在諸如小斷層、裂隙發育區等小微構造的刻畫上具有一定的優勢。在煤層氣勘探領域，可根據裂縫發育區的分布情況，分析煤層孔滲較好的儲氣層的分布情況，進而劃分煤層氣富集區域。

(2)各種地震屬性體都有各自的優缺點和適用范圍，每一種屬性所反映的特征形態有所不同，應用效果各不相同，在實際應用中，同時開展多屬性間的聯合應用分析有利于提高解釋精度。

圖4 3#煤層裂縫走向玫瑰圖