(中國地質大學北京能源學院，北京100083)
從地質-地球物理的角度來看，煤層孔隙或裂縫發育帶的存在必然會引起地震波速度或(和)密度的變化，因此波阻抗數據在很大程度上可以反映煤層氣儲層的孔隙度和滲透率特征。本文利用約束稀疏脈沖反演方法研究了樊莊-鄭莊區塊3號煤層的孔隙度和滲透率特征。研究區3#煤層孔隙度較小，分布範圍為1% ~ 7%，主要受煤變質程度控制。鄭莊區塊平均滲透率為0.12mD，樊莊區塊平均滲透率為0.49mD，高於鄭莊區塊。研究區滲透率非均質性強，受孔隙發育程度和埋深等因素影響較大。
關鍵詞:樊莊鄭莊煤儲層孔隙度滲透率波阻抗反演
基金項目:國家科技重大專項(2010ZX05034 -001+0)、國家重大基礎研究計劃項目(2009CB219604)、國家自然科學基金項目(40972107)、中國石油創新基金(2065438)資助
第壹作者:何，碩士研究生，石油與天然氣工程專業，主要從事煤層氣勘探開發研究。
郵箱:bqgcan@ 126。com電話:010 - 82320892
波阻抗反演在樊莊-鄭莊區塊孔隙度和滲透率特征中的應用
(何劉大猛姚張立鵬柏仁)
(中國地質大學能源學院，北京100083)
文摘:根據地質地球物理理論，煤層中孔隙裂隙帶的存在會引起地震波速度或(和)密度的變化。因此，波阻抗數據體很大程度上反映了煤儲層孔隙度和滲透率的特征。本文采用約束稀疏脈沖反演法(CSSI)對樊莊-鄭莊區塊3號煤層的孔隙度和滲透率特征進行了研究。研究區的3號煤孔隙度較小(範圍為65438±0 %~ 7 %),主要受煤變質程度控制。煤的平均滲透率值為0。鄭莊地塊為12 mD，樊莊地塊相對較高(0。49 mD)。研究區煤的滲透率具有很強的非均質性，主要受孔隙發育和埋藏深度等因素的影響。
關鍵詞:飯莊-正裝；波阻抗反演；煤儲層；孔隙度；彌漫
1前言
煤儲層既是產氣層又是氣藏，因此煤的儲氣性能在煤層氣評價中起著至關重要的作用(胡保林等，2003)。孔隙和裂縫直接受自身物質組成和結構特征控制，是煤層氣的儲存和滲流空間。煤儲層孔隙度和滲透率的發育直接影響煤層氣的開采效果，因此煤層氣儲層孔隙度和滲透率的研究具有重要意義。
沁水盆地是中國典型的高煤階含煤盆地。沁水盆地南部發現了壹個高煤階煤層氣田。雖然煤層氣資源豐富，但儲層非均質性強，儲層物性差異較大。趙賢正等(2011)發現沁水南部高煤級煤儲層的含氣性和滲透率在平面空間分布和縱向尺度分布上存在明顯差異。姚等(2008；2009年將煤基質孔隙分為吸附孔隙和滲透孔隙，認為吸附孔隙的非均質性對煤吸附甲烷有顯著影響，而滲透孔隙的非均質性對煤滲透率有顯著影響。前人通過壓汞實驗和低溫氮氣吸附實驗對煤樣進行分析，從而研究煤儲層的孔隙度和滲透率特征(唐書恒等，2008；趙興龍等，2010)，但由於煤儲層非均質性強，實驗結果在預測全區孔隙度和滲透率特征方面有壹定的局限性。為此，作者利用地震資料進行波阻抗反演，預測了樊莊鄭莊區塊的孔隙度和滲透率。
近年來，地震技術在儲層研究中得到了廣泛應用，但由於帶限地震子波的幹擾效應和地震剖面無法提供地層的巖性和物性特征，地震資料解釋面臨困難。為了克服這些困難，需要地震數據反演技術。崔若飛等(2008)指出波阻抗反演技術是巖性地震勘探的重要手段之壹。它能將已知的縱向分辨率高的測井資料與連續觀測的地震資料聯系起來，優勢互補，大大提高了地震資料的縱橫向分辨率和地下地質條件的勘探研究程度。張永生(2000)認為基於波阻抗的儲層參數(如孔隙度、滲透率)的估計比地震振幅法更可靠、更準確。因此，基於波阻抗反演研究煤儲層的孔隙度和滲透率特征是可行的。
二波阻抗反演技術
2.1波阻抗反演原理
裂縫的發育也會影響煤層的體積密度和速度。含氣裂縫降低了煤層的體積密度和速度，而充填裂縫提高了煤層的體積密度和速度。煤層波阻抗的變化程度(即波阻抗梯度)可以反映煤儲層的裂縫發育程度，從而反映煤儲層的滲透率。因此，沿煤層提取的波阻抗梯度數據可以反映煤層中含氣裂縫的發育和滲透性。
稀疏脈沖反演是基於壹種趨勢約束的脈沖反演算法，其基本出發點是地下強反射系數界面不是連續的而是稀疏的。約束稀疏脈沖反演的主要目的是利用約束井數據和地震反射系數建立聲阻抗數據體(王全峰等，2008)。稀疏脈沖反演認為地震反射系數是由壹系列大反射系數疊加在小反射系數的高斯分布背景上組成的，大反射系數相當於不整合界面或主要巖性界面。其目的是尋找壹個使目標函數最小的脈沖數，進而得到波阻抗數據。
2.2波阻抗反演步驟
2.2.1初始波阻抗模型
初始波阻抗模型是測井約束反演的基礎。為了減少最終結果的多重性，提高研究結果的可靠性，建立盡可能接近實際地質條件的波阻抗模型是關鍵。測井資料詳細揭示了波阻抗在垂直方向上的細節，而地震記錄則連續記錄波阻抗的橫向變化。兩者的結合為準確建立空間波阻抗模型提供了必要條件。波阻抗模型的建立過程實際上是將不斷變化的地震界面信息與高分辨率測井信息相結合的過程。地震層位是建模的基礎，根據測井曲線的標定結果，可以在地震剖面上自動或手動拾取目標層位。首先，通過井旁地震道與合成記錄的對比，對測井曲線進行縱向拉伸和壓縮。當相關系數達到壹定標準時，就可以得到井的初始波阻抗。然後在地震層位和地質模型的約束下，選擇合適的插值方法對井的初始波阻抗進行插值和外推，建立初始波阻抗模型。
2.2.2絕對波阻抗反演
經過大量的準備工作，得到了合理的時深關系曲線，利用校正測井資料和精細解釋層位建立了地質格架模型。通過調整模型的高低頻分量和相對波阻抗，將模型數據體與相對波阻抗數據體疊加，得到最終的絕對阻抗體。
反演處理的過程是壹個不斷修正和完善的過程。壹次反演結果完成後，處理解釋人員緊密結合，根據掌握的地質、測井、生產等資料，對反演結果進行仔細對比分析，反復循環處理，直至得到符合本區地質儲層變化規律的波阻抗剖面。
三波阻抗反演技術應用實例
3.1區域地質調查
本項目研究區位於沁水盆地南部(簡稱沁南)，主要分布在屯留-安澤線以南，西起寺頭斷層，東、南以煤層露頭為界，包括範莊和鄭莊。在構造上，研究區位於沁水盆地南部向斜的上翹端。該區的主要斷層是寺頭斷層。由南向北，走向由近NE向變為近SN向，傾向NWNWW，傾角70°，最大斷距約350m，性質為正斷層，在區域構造應力作用下表現為張扭性，斷層兩側有小型羽狀張性斷層。全區斷層數量少，規模小。只有寺頭斷層橫貫全區，其余均為小型正斷層。與鄭莊相比，樊莊小斷層更為發育(圖1)。研究區沁水盆地沈積地層包括下長城系、寒武系、中奧陶統、中上石炭統、二疊系、三疊系和新近系。含煤地層主要位於上石炭統太原組和下二疊統山西組，含煤層位* * * 6-11，其中太原組主要發育8#、9#和66 #。
3.2波阻抗反演結果
3.2.1孔隙度
孔隙度是煤儲層物性的重要參數。研究區探井顯示，3#煤儲層孔隙度範圍為3% ~ 6.49%，壹般低於5%。在波阻抗反演模型的基礎上，分析反演的波阻抗數據體與探井孔隙度數據的相關性，可以得到波阻抗與孔隙度的對應關系(表1)。
通過上述方法得到的孔隙度與波阻抗的對應關系，結合沒有探井數據的其他測線的波阻抗數據，可以得到每條測線的孔隙度，最後通過插值法得到全區孔隙度的平面圖(圖2)。
滲透性
試井表明，沁南地區3#煤層的滲透率大多在0.5~3.0mD之間，其次為0.1 ~ 0.5~3.0mD和3.0 ~ 10.0 MD，表明沁水盆地南部煤層具有相對較好的滲透率。
圖1鄭莊樊莊區域地質圖
表1波阻抗與孔隙度轉換關系數據表
本研究根據波阻抗數據，還制作了交會圖來表示波阻抗與滲透率的關系，得出了波阻抗與滲透率的換算關系(表2)。最後將插值方法應用於全區，預測全區滲透率分布。
表2波阻抗與滲透率轉換關系數據表
圖2 3 #煤層波阻抗預測孔隙度平面圖
孔隙度和滲透率發育的主控因素分析
4.1孔隙度
根據波阻抗反演預測結果和實測結果相結合，制作了秦南鄭莊樊莊區塊煤層孔隙度圖(圖4)。從圖中可以看出，研究區秦南孔隙度相對較小，分布範圍為1% ~ 7%。劉大猛等(劉大猛等，2010)發現華北晚古生代煤的孔隙發育主要與煤的變質程度有關。隨著煤鏡質組平均隨機反射率(Ro，R)的增加，煤的氦孔隙度由高變低。發現孔隙度大於3.75%的面積約占20%，孔隙度小於2.5%的面積約占35%。
4.2滲透性
鄭莊3號煤層滲透率普遍較低(圖3)，煤層平均滲透率約為0.12mD，樊莊區塊稍高，平均為0.49mD即使在同壹地區，煤層滲透率差異也很大。鄭莊區塊最大滲透率為2.96mD，最小滲透率為0.01mD。範莊區塊最大2.00mD，最小0.02 MD。
裂縫是煤層氣運移的通道，也是影響煤層氣滲透率的主要因素。根據Palmer等人(1998)的研究，煤儲層的滲透率是孔隙度的三次冪的函數，孔隙度對煤儲層的滲透率具有重要意義。對比圖2和圖3可以看出，孔隙度發育較好的區域滲透率相對較大，因此研究區的滲透率受孔隙度影響較大。
煤的結構與煤層的滲透性密切相關。總的來說，原生構造煤和裂隙煤是煤層氣開發的理想煤結構類型。而粒煤和糜棱煤由於煤體破碎，裂隙形態破壞，煤層滲透性差，被視為不透水煤層。寺頭斷層周圍地區，煤層因斷層而斷裂，滲透率低於其他地區(圖3)。
圖3 3 #煤層波阻抗預測滲透率平面圖
圖4鄭莊樊莊區塊煤層孔隙度
煤層埋深對滲透性的制約機制是應力。隨著煤層埋深的增加，煤層上的地應力增大，會導致煤層裂隙的閉合，降低煤層的滲透性。因此，隨著埋深的增加，煤層的滲透性有降低的趨勢。鄭莊樊莊區塊煤層埋深自東向西逐漸增大，鄭莊區塊3號煤層可達1200m以上(圖5)。但從鄭莊樊莊區塊3號煤層的實際情況來看，鄭莊的滲透性普遍好於樊莊，這可能是由於鄭莊區塊後期的斷層活動所致。斷層和其他構造的發育極大地改變了煤層的物理性質。
圖5鄭莊樊莊區塊煤層埋深圖
煤儲層不僅受上覆巖層壓力的影響，還受水平地應力的影響。垂直地應力對儲層壓力的影響主要是由煤層中覆蓋層厚度的增加引起的。另壹方面，在水平方向上，煤儲層處於區域性構造應力場中，受水平構造應力的影響。因此，水平主壓應力越大，儲層壓力越高。同時，煤層滲透率是壹個應力敏感的儲層參數，註入/壓降試井和研究表明，煤層滲透率與地應力負相關。由於煤層是典型的雙重介質和孔隙性儲層，裂縫孔隙度是決定煤層滲透率的關鍵因素，地應力增大帶來的直接後果是煤層裂縫寬度變小甚至閉合，從而降低煤層滲透率；另壹方面，煤層本身具有很強的可塑性，地應力的增大使煤體被壓縮，導致基質壓縮，基質滲透率降低。煤層地應力從研究區外圍向內部增大，其變化趨勢與煤層埋深等值線壹致。研究區東南部地應力普遍較低，大多在10MPa以下。西部和北部地應力較高，大多超過10MPa。鄭莊區塊的煤層地應力大於樊莊區塊(圖6)，這也合理地解釋了為什麽鄭莊的滲透率高於樊莊區塊。
5結論
秦南部鄭莊樊莊區塊3#煤層孔隙度相對較小，分布範圍為1% ~ 7%。煤的孔隙發育主要與變質程度有關。壹般來說，肥煤和焦煤的孔隙率最低，瘦煤以上有所增加。構造發育會影響煤的孔隙發育。
秦南鄭莊樊莊區塊3#煤層滲透性低，受多種因素影響。鄭莊區塊平均滲透率為0.12mD，樊莊區塊平均滲透率為0.49mD，滲透率具有較高的非均質性，即使在同壹個區域，滲透率變化也很大。影響滲透率的主要控制因素是孔隙發育程度，其他因素如埋深、地應力、介質結構等對滲透率也有壹定影響。
波阻抗反演在研究區的應用取得了良好的效果，表明約束稀疏脈沖反演技術能夠更好地結合測井和地震資料，準確預測低勘探程度地區煤儲層的孔隙度和滲透率特征。
圖6 3 #煤層地應力等值線圖
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