沁水盆地煤層含氣后的AVO響應特征

馮小英，秦鳳啟，唐鈺童，劉　慧，王　亞（.中國石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘0655；.中國石油華北油田分公司煤層氣勘探開發分公司，山西晉城048000）

沁水盆地煤層含氣后的AVO響應特征

馮小英1，秦鳳啟1，唐鈺童2，劉慧1，王亞1
（1.中國石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘062552；2.中國石油華北油田分公司煤層氣勘探開發分公司，山西晉城048000）

近年來，沁水盆地煤層氣勘探開發不斷深入，煤層氣富集規律是制約其勘探開發成效的關鍵因素之一，而AVO技術對煤層氣富集規律的預測至關重要。煤層的AVO響應特征是什么樣的？煤層含氣后的AVO響應特征又是什么樣的？其與常規砂巖含氣后的AVO響應特征是否一致？對此，在沁水盆地開展了不同巖性流體替換及其在不同含氣飽和度下的AVO響應特征研究。結果表明，煤層的AVO響應特征與煤層含氣后的AVO響應特征不同，煤層為“暗點”反射特征，而煤層含氣后為“相對亮點”反射特征。該研究成果可為煤層氣勘探開發提供技術支撐與服務。

煤層氣；CRP道集；AVO響應特征；流體替換

0　引言

AVO理論指出：疊前地震道集中振幅隨偏移距的變化包含了能反映氣藏的信息，通過一定的技術處理可以檢測出儲層的含氣性特征；AVO技術是當前含氣性檢測的主要技術［1］。沁水盆地煤層氣作為一種氣藏，是華北探區新興的重要能源礦藏之一。AVO相關技術的研究及應用尚屬初級階段，煤層的AVO響應特征是什么樣的？煤層含氣后的AVO響應特征又是什么樣的？其與常規砂巖含氣后的AVO響應特征是否一致？這些問題的答案尚不清楚或不確定。筆者以沁水盆地二疊系山西組3號煤層為例，開展不同巖性流體替換及其在不同含氣飽和度下的AVO響應特征研究，以期充分發揮地震資料橫向分辨率高的優勢，描述煤層氣富集區發育規律，為煤層氣勘探開發提供可靠依據。

1　基本概況

1.1地質條件

二疊系山西組沉積中期，沁水盆地濱海湖泊或瀉湖海灣經海水淡化后，演變為沼澤或泥灰沼澤沉積，形成穩定發育的3號煤層。區內的3號煤層一般埋深為500～850 m，厚度為4～7 m；煤質好，變質程度較高，鏡質組質量分數為66%～97%，灰分質量分數為8%～15%，屬高煤階無煙煤；煤層孔隙以微孔為主，發育少量中孔和大孔，孔隙中值半徑為0.02～63.57 μm，有效孔隙度為3.8%～4.3%，滲透率為0.136～3.420 mD，煤層內正交或斜交割理呈網狀組合，微裂縫發育，滲透性變好，為特低孔、特低滲裂縫型儲層；煤層吸附能力強，煤層氣質量體積一般為12～23 m3/t，最高近40 m3/t，含氣飽和度為90%～98%，屬高飽和、高含氣吸附型自生自儲式非常規氣藏［2-4］。

1.2測井曲線特征

沁水盆地3號煤層具有“兩高兩低”的測井曲線特征（圖1），即電阻率高（幾百至上萬Ω·m）、聲波時差高（380～430 μs/m）、密度低（1.3～1.7 g/cm3）、自然伽馬低（22 API左右）。此外，3號煤層上下致密砂巖及泥巖均表現為縱波速度高與密度高，較為致密，為3號煤層構成了良好的蓋層條件和頂底板條件。

1.3CRP道集資料品質

沁水盆地現有多塊三維地震資料（圖2），其中，鄭莊三維地震資料CRP道集經過了振幅的保真處理，目的層段滿覆蓋次數為45次，最大入射角達到60°，資料品質較好；沁南東三維地震資料滿覆蓋次數僅為31次左右，最大入射角約為45°，沒有經過振幅的保真處理，資料品質相對較差，需要先進行振幅的保真處理后才能開展AVO響應特征研究。

圖1　zs34井3號煤地層測井曲線Fig.1The logs of No.3 coalbed of zs34 well

圖2　沁水盆地勘探示意圖Fig.2Sketch map showing the exploration of Qinshui Basin

2　煤層含氣后的AVO響應特征

2.1AVO技術的理論基礎

AVO技術是研究地震波振幅隨偏移距或入射角變化而變化的一門技術［1］。據文獻［5］報道，其理論基礎來自于Zoeppritz理論。Zoeppritz在給定兩相鄰介質的P波及S波速度和密度的情況下，得出了作為入射角函數的平面波反射振幅方程，其精確數學表達式特別長，難以看出巖石特性的細微變化對地震波振幅所造成的影響。Shuey在Zoeppritz理論基礎上，簡化了Zoeppritz方程，Shuey公式強調在不同入射角上的巖石特性。

式中：Rc為反射系數；VP為通過介質的縱波速度，m/s；θ為入射角，（°）；φ為入射角與透射角的平均值，（°）；RO為法向入射反射系數；AO為法向入射反射振幅；σ為泊松比；ρ1和ρ2分別為上、下介質的密度，g/cm3；V1和V2分別為上、下介質的速度，m/s。

式（1）由3項的和組成，第一項為法向入射的反射系數，它對任意入射角都是一個常量；第二項只有在入射角大于15°時才可能有明顯的作用；對于第三項，Shuey認為在入射角小于30°時，它的貢獻非常小，可以忽略，并且此時的φ近似等于θ，因此，出現了Shuey線性近似公式［5］，即

式中：P為截距，即法線入射時的反射波系數，與煤層厚度及圍巖巖性有關；G為梯度，反映振幅隨炮檢距的變化率，與煤層泊松比或含氣性有關。

式（1）～（3）均是目前廣泛采用的AVO反演基本公式，它們均有入射角度范圍的限制條件，式（2）和式（3）均僅適用于入射角小于30°的情況。沁水盆地三維地震資料入射角偏大，為45°～60°，故應當采用式（1）來進行AVO反演。

通過AVO反演，可得到梯度、截距、偽泊松比（P+G）、流體因子（P×G）、橫波反射率（P-G）等AVO派生屬性參數。

2.2煤層含氣后的AVO響應特征

為了更好地開展流體替換，優選了測井曲線質量好，并具有橫波測井資料的q11-24井來進行測試。3號煤層、厚砂層及厚灰巖層的流體替換及不同飽和度下的AVO響應特征對比結果如圖3所示，3個目標層均較厚，并且間距均約為50 m，避免了彼此之間較大的地震干涉影響，以保證流體替換結果更加真實可靠［6-8］。

從圖3可以看出：當3號煤層不含氣時，表現為聲波時差高、密度低及泊松比高，縱波時差為380～400 μs/m，橫波時差為1 050～1 100 μs/m，密度為1.5～1.7 g/cm3，泊松比為0.41；當3號煤層含氣飽和度為5%時，橫波時差無變化，縱波時差增大為400～420 μs/m，密度減小為1.3～1.5 g/cm3，泊松比減小為0.35；當3號煤層含氣飽和度為20%時，橫波時差仍然無變化，縱波時差增大為410～430 μs/m，密度與含氣飽和度為5%時相比變化不大，仍為1.3～1.5 g/cm3，泊松比減小為0.32；當3號煤層含氣飽和度為80%時，縱、橫波時差、密度和泊松比均與含氣飽和度為20%時基本相同。

圖3　q11-24井不同巖性流體替換及其在不同含氣飽和度下的AVO響應特征Fig.3Results of fluid substitution of different lithologies and its AVO response characteristics under different gas saturation of q11-24 well

當砂層不含氣時，表現為聲波時差低、密度高及泊松比相對低，縱波時差為220～230 μs/m，橫波時差為620～660 μs/m，密度為2.5～2.6 g/cm3，泊松比為0.39（由于古生界地層經長期壓實作用，砂巖較致密，泊松比相對古近系砂巖較高）；當砂層含氣飽和度為5%時，橫波時差無變化，縱波時差增大為290～310 μs/m，密度減小為2.3～2.4 g/cm3，泊松比降為0.32；當砂層含氣飽和度為20%時，橫波時差仍然無變化，縱波時差增大為310～330 μs/m，密度減小為2.2～2.3 g/cm3，泊松比減小為0.28；當砂層含氣飽和度為80%時，縱、橫波時差、密度和泊松比均與含氣飽和度為20%時基本相同。

當灰巖不含氣時，表現為聲波時差低、密度高及泊松比高，縱波時差為180～200 μs/m，橫波時差為450～500μs/m，密度為2.6～2.7g/cm3，泊松比為0.43；當灰巖含氣飽和度為5%時，橫波時差無變化，縱波時差增大為230～250μs/m，密度減小為2.3～2.5 g/cm3，泊松比減小為0.34；當灰巖層含氣飽和度為20%時，橫波時差仍然無變化，縱波時差增大為240～260μs/m，密度減小為2.3～2.4 g/cm3，泊松比減小為0.29；當灰巖層含氣飽和度為80%時，縱、橫波時差、密度和泊松比均與含氣飽和度為20%時基本相同。

利用以上流體替換得到的縱、橫波時差、密度及泊松比曲線進行AVO正演模擬地震響應［9］，得到不同流體飽和的AVO反射特征（圖4）。

煤層不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而減弱，疊后為“暗點”反射；含氣后，振幅隨偏移距增大不變或增強，疊后為“平點”或“亮點”反射，即“相對亮點”。

圖4　q11-24井不同流體飽和度的AVO反射特征Fig.4AVO reflection characteristics under different fluid saturation of q11-24 well

致密砂巖不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而減弱，疊后為“暗點”反射；含氣后，振幅隨偏移距增大明顯增強，疊后為典型的“亮點”反射。

灰巖不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而增強，疊后為“亮點”反射；含氣后，振幅隨偏移距增大而減弱并反轉，疊后為“暗點”反射。

含氣飽和度由5%至80%變化時，對地震AVO響應特征的影響不大，故AVO技術僅能定性預測含氣性，定量預測存在困難［10］。

分析認為，煤層含氣后的AVO效應之所以較明顯，主要原因是煤層氣富集區往往是割理縫密集區，比表面積大，吸附能力強，具有方向性，使得縱波速度下降快，泊松比變化特征明顯，AVO效應增強。

2.3實例分析

從實際過井CRP道集（圖5）上看，沁水盆地3號煤層含氣時，所對應的地震反射常常表現為振幅隨偏移距增大而增大或保持不變，而不含氣時，則常常表現為振幅隨偏移距增大而減小的趨勢，與AVO正演模擬結果一致（參見圖4）。q15-24井3號煤層累計產氣73 238 m3，所對應的地震反射同相軸（0.73 s）振幅隨偏移距增大而略有增大；q17-27井3號煤層累計產氣56 379 m3，所對應的地震反射同相軸（0.79 s）振幅隨偏移距增大而明顯增大；q16-31井3號煤層累計產氣0 m3，所對應的地震反射同相軸（0.67 s）振幅隨偏移距增大而減小。此外，從CRP道集上看：3號煤層上、下均難以找到隨偏移距增大而增大的砂巖含氣AVO反射特征；同樣，3號煤層下的第二相位所對應的奧陶系峰峰組灰巖頂反射，也難以找到隨偏移距增大而減小并反轉的灰巖含氣AVO反射特征，這與沁水盆地致密砂巖和灰巖勘探均無突破相吻合［11］。

從疊后地震剖面（圖6）上看：含氣井表現為強反射“亮點”特征，如q15-24井；不含氣或含氣極少的井表現為弱反射“暗點”特征，如q19-25井，該井3號煤層累計產氣僅9 m3。這表明，在地震剖面上，只要3號煤層不是弱反射，就可能高含氣。

從鄭莊三維地震區AVO流體因子（P×G）屬性剖面（圖7）上看，zs33井3號煤層測試煤層氣質量體積為30.86 m3/t，為工業氣井，表現出明顯的AVO異常，而zs35井3號煤層測試煤層氣質量體積為3.56 m3/t，為干井，無AVO含氣異常。從鄭莊三維地震區3號煤層AVO流體因子（P×G）屬性平面圖（圖8）上看，含氣異常區與實鉆井3號煤層測試煤層氣質量體積（表1）吻合較好。

圖5　過井CRP道集剖面Fig.5CRP section across q15-24 well，q17-27 well and q16-31 well

圖6　過q15-24—q19-25連井線疊后地震剖面Fig.6The poststack seismic section across q15-24-q19-25 well

圖7　過zs33-zs35連井線AVO流體因子屬性剖面Fig.7The AVO fluid factor attribute section across zs33-zs35 well

圖8　鄭莊三維地震區3號煤層AVO流體因子屬性平面圖Fig.8The fluid factor attributes of No.3 coalbed in Zhenzhuang block

表1　鄭莊三維地震區各井3號煤層測試煤層氣質量體積Table 1The volume of coalbed methane of No.3 coalbed in Zhenzhuang block

3　結束語

（1）煤層的AVO響應特征與煤層含氣后的AVO響應特征不同，煤層為“暗點”反射特征，而煤層含氣后為“相對亮點”特征。

（2）煤層、砂巖與灰巖不含氣時，其AVO響應特征各不相同；含氣后，其AVO響應特征又各有不同的變化。實踐中，不是所有的亮點都與含氣有關，也可能是灰巖不含氣時的反射。

（3）大量工作實踐表明，符合AVO條件的野外地震資料是進行AVO分析的基礎。因此，建議今后野外地震資料采集時，應把影響AVO的因素考慮進去，增大覆蓋次數，加大偏移距，以便從近道與遠道的差異中看到更為清晰的AVO現象。

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（本文編輯：李在光）

AVO response characteristics of coalbed methane stratum in Qinshui Basin

Feng Xiaoying1，Qin Fengqi1，Tang Yutong2，Liu Hui1，Wang Ya1
（1.Research Institute of Geophysical Exploration，PetroChina Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，Hebei，China；2.Coalbed Gas Exploration and Development Company，PetroChina Huabei Oilfield Company，Jincheng 048000，Shanxi，China）

With the deepening of exploration and development of coalbed methane in Qinshui Basin，It was found that the enrichment rule of coalbed methane is one of the key factors influencing the development efficiency，and AVO technique is important to predict the enrichment rule of coalbed methane.What are the AVO response characteristics of coalbed and coalbed methane？Are they as the same as sand bed gas？For these questions，this paper studied the fluid substitution of different lithologies and its AVO response characteristics under different gas saturation in Qinshui Basin.The result shows that the AVO response characteristic of coalbed is different from coalbed methane，the AVO characteristic of coalbed is“dim spot”，and the AVO characteristic of coalbed methane is“relatively bright spot”.This study can provide reliable technical support for the exploration and development of coalbed methane.

coalbed methane；CRP gather；AVOresponse characteristics；fluid substitution

P631.4

A

1673-8926（2015）04-0103-06

2014-08-21；

2015-02-20

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“煤層氣地球物理綜合評價技術研究”（編號：2013E-2202）資助

馮小英（1969-），女，碩士，高級工程師，主要從事地震地質綜合解釋及儲層預測方面的研究工作。地址：（062552）河北省任丘市華北油田地球物理勘探研究院。E-mail：wty_fengxy@petrochina.com.cn。