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高丰度煤层气富集区地球物理识别_彭苏萍_杜文凤_殷裁云

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高丰度 煤层气 富集 地球物理 识别 彭苏萍 杜文凤 殷裁云
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 第 39卷第 8期 煤炭学报 Vol.39 No.8 2014年 8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY  Aug.  2014 彭 苏 萍 ,杜文凤 ,殷裁云 ,等 .高丰度煤层气富集区地球物理识别 [J].煤炭学报 ,2014,39(8):1398-1403.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.9010Peng Suping,Du Wenfeng,Yin Caiyun,et al.High abundance coalbed methane rich region geophysical identification[J].Journal ofChina Coal Society,2014,39(8):1398-1403.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.9010高丰度煤层气富集区地球物理识别彭 苏 萍 ,杜文凤 ,殷裁云 ,邹冠贵(中 国 矿业大学 (北京 )煤炭资源与安全开采国家重点实验室 ,北京100083)摘要 :为预 测煤层气富集区 ,通过地震反演和地震属性分析 ,获得了煤层含气量 、地质构造 、煤层厚度 、煤层结构 、煤层顶 、底板岩性和裂隙等地震地质参数 ,基于地球物理信息融合方法对煤层气富集区进行了预测 。研究结果表明 :随着埋藏深度增加 ,煤层厚度增加 ,煤层含气量呈增加趋势 ;向斜轴部隆起带煤层含气量大 ,背斜轴部凹陷区煤层含气量相对较多 ;构造煤分布区一般煤层气较富集 ;煤层直接顶底板为泥岩 ,则煤层含气量一般较高 ;裂隙的存在会对煤层气含量有一定影响 。研究认为 ,煤层埋深 、煤层厚度 、结构 、构造和顶底板岩性等参数是控制研究区煤层气富集的主要地震地质因素 ,基于地球物理信息融合对煤层气富集区进行预测 ,可以避免单一地震地质因素预测的局限性 ,有助于提高预测精度 。关键词 :煤层气 ;富集区 ;地球物理识别 ;地质参数中图分类号 :P618.11   文献 标志码 :A   文章 编号 :0253-9993(2014)08-1398-06收 稿 日期 :2014-03-31责任 编辑 :韩晋平基金项目 :国家科技支撑计划课题资助项目 (2012BAB13B01);国家重大科学仪器设备开发专项 基金资助项目 (2012YQ030126);国家 自然基金煤炭联合基金资助项目 (U1261203)作者简介 :彭苏萍 (1959—),男 ,江西 萍乡人 ,中国工程院院士 。Tel:010-62331305,E-mail:psp@cumtb.edu.cnGeophysical identification of high abundance coalbed methane rich regionPENG Su-ping,DU Wen-feng,YIN Cai-yun,ZOU Guan-gui(State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)Abstract:In order to predict the coalbed methane(CBM)rich region,CBM content,geologic structure,coalseam thickness,coal seam texture,roof and floor lithology,fracture as wel as other seismic and geologic pa-rameters were obtained through seismic inversion and seismic attribute analysis,and the prediction for CBMrich region was made based on the geophysical information fusion methods.The research results indicate thatthe CBM content increases with the increase of burial depth and the coal seam thickness;the CBM content ishigh in the uplift zones near the syncline axis,and also is relativelyhigh in the depression zones near the anti-cline axis;zones where tectonicalydeformed coals distribute are usualyveryrich in CBM;the CBM content isoften relativelyhigh where the immediate roof and floor of the coal seam are mudstones;the existence of frac-tures has some effects on the CBM content.It can be concluded from the research that the burial depth,coalseam thickness,structure,texture and roof and floor lithology,etc.are the major seismic and geologic factorsthat control the enrichment of CBM in the zone of interest,and the prediction for CBM rich region based onthe geophysical information fusion methods can avoid the limitations of predictions with single seismic geo-logic factor,and wil improve the accuracyof the prediction.Keywords:coalbed methane;rich region;geophysical identification;geological parameters第 8期 彭 苏萍等 :高丰度煤层气富集区地球物理识别煤层 气是一种新型洁净能源 ,其勘探开发对于我国国民经济可持续发展 、改善我国能源结构有着重大的意义 。目前 ,国内煤层气勘探开发 、井位布设主要依靠地质和钻探研究成果 ,尽管地质和钻探资料可靠性很高 ,但由于其成本高 ,因此用高密度的地质和钻探资料预测煤层气不太现实 。地震勘探作为一种面积勘探 ,可以提供煤层的空间分布形态 、断裂体系 、厚度和岩性等地质信息 ,因其密度高 、成本低 ,已被煤田地质勘探广泛应用 。如何将稀疏的地质和钻探资料与密集的地震资料有机的结合起来 ,利用地球物理特征进行煤层气富集区识别 ,为煤层气开发选择井位 、布设井网提供可靠的地质依据 ,成为煤层气勘探开发急需解决的问题 。近几年来 ,地球物理技术在煤层气勘探领域得到了很大的发展 。在煤层气AVO技术 研究方面 ,彭苏萍等[1-2]分析了 煤层顶底界面的反射振幅特征 ,认为底界面不利于AVO分析 ,不 同结构煤体在AVO响应 上存在明显的差异 ;彭晓波等[3]将P波方 位AVO应用 于煤层裂缝探测中 ;孙斌等[4]研究了 煤储层含气性与地震AVO属性 之间的关系 ,获得煤层参数与地震波弹性参数之间的关系式及其AVO响应 特征 ;杜文凤等[5]基于Zoeppritz方程 ,分析了振 幅与偏移距的关系 ,利用瓦斯突出煤与非突出煤的物性参数 ,进行数值正演模拟 ,分析了瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应 差异 ;胡朝元等[6]研究 了利用地震AVO反演 预测煤与瓦斯突出区 ;崔大尉等[7]利用AVO属性 研究构造煤的分布规律 ;彭苏萍等[8]研究 了HTI煤层AVO响应特 征及其影响因素 。地震资料在煤层气研究中受到了极大重视 。杨双安等[9]利用三维 地震勘探技术进行瓦斯预测研究 ;焦勇等[10]进行 了煤层气地震精细解释及储层预测技术探讨 ;何志勇等[11]提出了利用地震属 性预测煤层气储层孔隙度方法 ;祁雪梅等[12]研究 了地震相技术在煤层气勘探中的应用 ;彭刘亚等[13]利用 岩性地震反演信息进行煤体结构划分 。在构造煤研究方面 ,测井资料发挥了重要作用 。毛志强等[14]研究 了利用地球物理测井资料识别煤阶类型 ;姚军朋等[15]进行了构造煤地球物 理测井定量判识研究 ;陈跃等[16]基于测井信息对韩 城地区煤体结构的分布规律进行了研究 。在煤层气富集区预测方面 ,闫宝珍等[17]基于 控制沁水盆地煤层气富集特征分异的关键地质因素 (如构造 、热力场和水动力等 )进行了综合分析 ,对该盆地煤层气的富集类型划分进行了研究 ;常锁亮等[18]基于煤 层气 (瓦斯 )富集引起的高频吸收衰减特性 ,利用不同频率的调谐振幅变化 ,对研究区煤层含气性进行了预测 ;汤红伟[19]对地震勘探技术在煤层 气富集区预测中的研究进行了探讨 ;陈勇等[20]进行 了基于主控因素的煤层气富集区地震预测技术应用研究 。上述应用研究表明 ,将地球物理技术应用于瓦斯富集分布预测是可行的 。为此 ,笔者结合地质和钻探信息 ,利用地震资料研究控制煤层气富集的地震地质因素 ,如煤层厚度 、结构 、构造 、岩性和裂隙等参数 ,从而实现煤层气富集区地球物理识别 。1 煤层含气性分析研究 区山西寺河煤矿位于山西省晋城市西北约60km,地震勘探范围为4km2,主要 可采煤层为山西组3号煤和太原组15号煤 。3号煤是三维地震勘探的主要目的煤层 ,埋深为350m左右 ,平 均厚度为4.72m,顶板和底板岩性 主要是泥岩 、砂质泥岩 。对研究区已知30个钻孔的含气量进行统计分析后发现 ,最小含气量为15.50m3/t,最大 含气量为27.61m3/t,平均 含气量为21.06m3/t。通过 分析钻孔含气量与煤层厚度 、煤层埋深的关系 (图1)发现 ,3号煤含气量有与煤层厚度 、埋藏深度具有正相关性 ,也就是说3号煤含气量随煤层厚度增大 、煤层埋深增加而增加 。图 1钻孔含气量分布 (3号 煤 层 )Fig.1 Gas content distribution of driling(No.3coal seam)图2是根 据叠前AVO属性 反演得到的研究区含气量分布 。从图2可以看出 ,研究区中部含气量高 ,一般在21.06m3/t以上 ,向东西两侧变低 ,由 此9931煤炭学报 2014年第 39卷可以 推断该研究区煤层气丰度是较高的 ,可初步确定其为高丰度煤层气区 。图 23号煤层含气量分布Fig.2 Gas content distribution of No.3coal seam2 煤层气富集的地震地质特征基于 地震反演和地震属性分析 ,可以获得煤层含气量 、地质构造 、煤层厚度 、煤层结构 、煤层顶 、底板岩性和裂隙等地质参数 。这些地震地质因素与煤层含气量的相关程度 ,将会对煤层气富集区预测产生一定的影响 。2.1 地质 构造根据研究区三维地震数据 ,可以获得主要目的煤层的构造分布 。图3(a)为3号煤层底板等高线 ,研究区发育了一系列NNE向分 布的背 、向斜和断层 。受褶曲构造影响 ,3号煤层底板波状起伏 ,倾角一般小于10°。图 33号煤层地质构造Fig.3 Geological structure of No.3coal seam图3(b)为3号煤 层构造与含气量的叠合立体显示 ,由图可知 ,浅部煤层气含量低 ,随着埋藏深度增加 ,煤层含气量呈增加趋势 。在向斜轴部 ,其隆起带煤层含气量大 ,即红色区域 。就背斜来看 ,其轴部的凹陷区煤层含气量相对较多 ,在研究区的边界处仍可较清楚地看到 。总体上 ,向斜复合构造部位煤层含气量比背斜位置的大 ,在向斜复合构造上 ,背斜位置的含气量最大 。出现这种情况的主要原因是背斜的轴部地层剥蚀强烈 ,存在大量张性裂隙 ,上覆地层的厚度改变较大 ,煤层气封存能力变弱 ,煤层含气量变小 ,而在两翼下部 ,尤其是在向斜轴部位置 ,地层破坏不严重 ,煤层气保存条件较好 ,煤层含气量大 。在向斜复合构造位置上 ,发育有背斜的位置 ,较向斜的其他位置发育有大量的裂隙 ,具有较多的煤层气存储空间 ,因此在向斜复合构造的背斜位置 ,煤层含气量最高 。2.2 煤层 厚度传统的煤层厚度预测是利用钻孔资料内插或由薄层理论中的振幅参数与煤厚的近似关系获得 。但由于钻孔数量有限以及钻孔间距较大 (数百米以上 ),由此获得的煤层厚度具有一定的误差 。根据地质统计分析 ,通过优选与煤层厚度相关系数较高的地震属性 ,可以建立地震属性与煤层厚度之间的关系[21],利用协 克利金法 ,预测远离钻孔位置的煤层厚度 ,可以大大提高煤层厚度预测的精度 。图4(a)为利用叠后反演得到的波阻抗信息 ,与已知钻孔煤厚进行相关分析后 ,预测的研究区3号煤厚度分布情况 。图4(b)为3号煤厚与煤层含气量叠合平面分布 ,从图4(b)看 ,煤层含气量与煤层厚度存在正相关性 ,图4(b)所示的分布面积较大的紫色部分 ,其厚度在6m以上 ,该区域的煤层含气量也较大 ,说明煤层越厚 ,煤层含气量越高 。2.3 构造 煤和原生结构煤相比 ,构造煤密度较小 ,速度较小 ,其波阻抗也较小 ,因此导致构造煤与原生煤存在明显的物性差异 ,这为利用波阻抗预测构造煤提供了可行性 。利用叠后波阻抗反演可以获得构造煤发育情况 ,图5为构造煤与煤层含气量叠合立体显示 ,依据测井资料分析 ,将波阻抗<3×106kg/(m2·s)的区 域 ,预测为构造煤发育区 ,如图5中的绿色区域 。就其与煤层含气量关系来看 ,虽然构造煤分布区的煤层含气量不是最高的 ,但也与高煤层含气量区域是吻合的 ,由此可以推断 ,构造煤分布区应是煤层气富集区 。0041第 8期 彭 苏萍等 :高丰度煤层气富集区地球物理识别图 43号煤层厚度分布Fig.4 Thickness distribution of No.3coal seam图 53号煤层构造煤分布Fig.5 Deformed coal of No.3coal seam2.4 煤层 顶底板岩性3号煤层的直接顶板和底板岩性主要是以含砂泥岩 、泥岩 、粉砂岩等小颗粒为主的沉积岩类 ,具有较好的封堵效果 ;泥质含量的多少 ,影响煤层围岩隔气性和透气性 ,煤层含气量与顶底板岩性的泥质含量关系密切 ,直接顶底板为泥岩 ,则煤层含气量一般较高 。根据波阻抗反演 ,预测了研究区煤层顶底板的岩性分布 (图6(a),(b)),将岩 性分为五大类 ,分别是泥岩 、砂质泥岩 、粉砂岩 、泥质砂岩 、砂岩 。图6(c),(d)分别 是顶板岩性 、底板岩性与煤层含气量叠合立体显示 ,其与煤层含气量分布虽未完全一致 ,但泥岩为主的区域煤层含气量也不低 。这也说明煤层气富集不是一个因素所决定的 ,是多因素综合耦合作用的结果 ,其中可能有一个因素作为主要控制因素 。同时 ,也要针对不同部位进行具体分析 。2.5 煤层 裂隙蚂蚁体技术是利用蚂蚁算法计算地震数据不连图 63号煤层顶板底板岩性Fig.6 Lithologyof the roof and floor of No.3coal seam续性 的一种方法 。蚂蚁算法是模拟自然界中蚂蚁的觅食行为而产生 ,即蚂蚁总是偏向于选择信息素浓的路径 ,通过信息量的不断更新最终收敛于最优路径上 。蚂蚁体可以用于分析勘探区内的断裂构造 、裂缝分布等 。图7是基于蚂蚁体属性得到的3号煤层裂隙分布 ,勘探区内主要发育有两组裂隙 (图7(a)),一组 裂隙的走向大致为NNE向 ,另一 组裂隙的走向大致为NWW向 ,两组 裂隙为近似正交 ,在勘探区的背斜轴部 (图7(b))发育有大量的裂隙 ,走向为NNE向 ,在背斜 的两翼 ,东侧 (较陡的那一侧 )发育裂隙比西侧要多 ,且裂隙走向主要是NNE向 ,在向 斜位置 ,NWW向的裂隙较为明显 ,表明 了勘探区内的两组裂隙分别受到不同的构造作用形成 。从裂隙与煤层含气量叠合立体显示上看到 ,翼部的断裂带发育可能是导致其1041煤炭学报 2014年第 39卷煤层 含气量较小的原因之一 ,而在轴部的裂隙发育带与煤层含气量并没有明显的关系 。图 73号煤层裂隙分布Fig.7 Fracture distribution of No.3coal seam3 煤层气富集区地球物理识别图8为3号煤 层底板等高线图 ,其上显示了不同地震地质因素预测得到的煤层气富集区域 ,根据煤层含气量预测得到的富集区域为红色边界 ,根据煤层厚度预测得到的富集区域为粉色边界 ,根据煤层顶板岩性预测得到的富集区域为绿色边界 。分析可以发现 ,由于不同地震地质因素对煤层气富集的影响程度不同 ,所以 ,据此圈定的煤层气富集边界也不同 ,这说明由单一地震地质因素预测的煤层气富集区 ,具有一定的局限性 。图 8煤 层 气富集区Fig.8 Coalbed methane rich region为了 提高煤层气富集区预测的精度 ,可采用多种地震地质因素通过信息融合进行预测 。由图8可知 ,多种地震地质参数所预测得到的区域具有重叠性 ,因此通过交集运算 ,将各地震地质信息有机地融合起来 ,可进一步预测出煤层气富集区 ,即图中A,B,C对应的白色网格区域 ,所预测出的煤层气富集区 ,可为煤层气开发选择井位 、布设井网提供地质依据 。4 结论(1)地质 构造 、煤层厚度 、煤层结构 、煤层顶 、底板岩性以及裂隙等地质因素对煤层含气量具有影响 。煤层厚度 、结构 、构造和顶底板岩性等参数是控制研究区煤层气富集的主要地震地质因素 ,这为进一步开展基于主控地质因素的煤层气富集区综合预测提供了基础依据 。(2)随着埋藏深度增加 ,煤层含气量呈增加趋势 ;向斜轴部隆起带煤层含气量大 ,背斜轴部的凹陷区煤层含气量相对较多 ;煤层越厚 ,煤层含气量越高 ;构造煤分布区一般是煤层气富集区 ;煤层含气量与顶底板岩性的泥质含量关系密切 ,直接顶底板为泥岩 ,则煤层含气量一般较高 ;裂隙的存在会对煤层气含量有一定影响 。(3)不同地震地质因素对煤层气富集的影响程度不同 ,由单一地震地质因素预测的煤层气富集区 ,具有一定的局限性 。采用多种地震地质因素通过信息融合进行煤层气富集区预测 ,可以提高预测精度 。(4)和钻探资料相比 ,利用地震资料开展高丰度煤层气富集区预测 ,其成本较低 ,效率较高 ,因此可以推广使用 。但由于地震资料存在多解性 ,所以在实际应用中要加以分析 。参考文献 :[1]彭 苏 萍 ,高云峰 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