大城游離氣與吸附氣AVO地震響應特征差異研究與應用

范立紅 韓 晟 宋 鑫 王 剛 郭 煒 唐鈺童

(1.中國石油華北油田分公司勘探開發研究院,河北 0625522；2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司華北物探處,河北 062552；3.中國石油天然氣股份有限公司煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

1 工區概況

大城凸起位于滄縣隆起的西部(圖1)，西部以下第三系尖滅線為界與文安斜坡、楊村斜坡接壤，東南以大城東斷層、靜海斷層為界與里坦凹陷相連。南北長120km，東西寬20km，面積約2400km2。

圖1 冀中坳陷大城凸起位置圖

大城凸起整體為NE走向的單斜構造，地層傾角一般2°～5°，凸起頂部石炭-二疊系地層被剝蝕，下傾方向保存較完整。區內發育靜海和大城東兩條區域性走滑斷層，其兩側發育多條派生斷層，使局部構造復雜化。

該區煤層氣勘探起始于1991年DC1井的鉆探，區內共煤層氣井14口，其中10口井見氣，日產平均約1600m3，多口井圍巖(砂巖)見到了油氣顯示，氣測異常也很活躍，最高單井日產氣量可達1.1×104m3。

2 基礎研究

大城地區煤層主要發育在石炭-二疊系，其下為海相奧陶系灰巖地層，厚度1500m，構造沉積均較穩定；其上為中生界三疊系至白堊系，頂部普遍遭受剝蝕，殘余厚度0～960m。喜山早期斷裂活動加劇，靜海-大城東斷層活動劇烈。上第三系地層向東超覆減薄尖滅，大城凸起繼續抬升，處于剝蝕狀態。喜山晚期隨斷陷活動的減弱，地殼再度整體下沉，接受河流平原相沉積，大城凸起形成現階段構造。

大城煤層主要發育6個煤組，3煤組和6煤組全區分布穩定，是本區煤層氣勘探主力層。其中3煤組厚度一般為5～8m，6煤組含煤層段多，厚度大，由1～5個煤層構成，單層厚0.5～7.73m，煤組平均厚5.53m。

由相鄰的文安工區與大城工區地層對比發現，在大城地區標準層館陶地層的巖性由區域性的礫巖相變成為粉砂巖至泥巖，而下伏地層也由新生界地層變為石炭-二疊系古生界地層，故而所對應的館陶組底界面反射系數由區域性負反射系數變為正反射系數。

通常一個正反射系數界面，若其對應的是單峰，則為正極性地震剖面，若其對應的是雙峰則為負極性地震剖面。而大城工區表現為雙峰反射(圖2)，因此該區地震剖面極性為負極性。

圖2 大城工區CX90_X測線地震剖面圖

3 吸附氣與游離氣地震響應差異研究

3.1 AVO技術的理論基礎

AVO分析的實質是研究地震波振幅隨偏移距或入射角變化的變化問題，它的理論基礎是地震波反射和透射理論，求解Zoeppritz方程是AVO技術的核心。

通常實踐中所用的是Zoeppritz方程Shuey簡化式，即

R(θ)=P+Gsin2θ

(1)

其中θ為入射角，(°)；P為截距，即法線入射時的反射波系數Ro，

Ro=(ρ2V2-ρ1V1)/(ρ2V2+ρ1V1)

(2)

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；P與煤層厚度及圍巖巖性有關；G為梯度，

G=(AoRo+Δσ/(1-σ)2)

(3)

Ao為法向入射反射振幅，

Δσ=σ2-σ1

(4)

σ=(σ2+σ1)/2

(5)

σ1與σ2為上、下介質的泊松比，G反映的是振幅隨偏移距的變化率，與煤層泊松比或含氣性有關。

從公式1～5可以看出，速度、密度與泊松比是影響AVO結果的最主要參數。

巖石物理實驗表明，當砂巖不含氣時，縱波速度為2675m/s，密度為 2.4g/cm3；當砂巖樣品含氣飽和度為 20% 時，縱波速度減小為 2620m/s，密度減小到2.28g/cm3；當砂層含氣越接近飽和，縱波速度、密度變化越緩慢，與含氣飽和度為 20% 時基本相同。橫波速度對含氣飽和度變化不敏感，變化很小。泊松比參數變化與縱波速度變化類似，隨著含氣飽和度增加，砂巖的泊松比參數減小，接近飽和氣段，速度變化緩慢。

經實驗測得的常溫常壓下的煤巖平均泊松比為0.34，實驗測得的25MPa壓力下的煤巖平均泊松比為0.35。實驗所測得的煤巖泊松比為煤巖含空氣下的泊松比，該數值(0.35)可以理解為地下煤巖含氣的泊松比，而煤巖骨架泊松比通常大于0.42，故而認為煤巖含氣后泊松比是降低的。

方朝強等經實驗測得，干煤巖樣(恒溫箱中116℃烘干33h)平均彈性參數小于飽和煤巖樣(飽和2000mg/L的NaCl溶液)，干巖樣可以理解為含氣煤巖，飽和巖樣為不含氣煤巖，煤巖含氣時縱波速度小于不含氣的煤巖，橫波速度含氣與不含氣狀態下變化十分小。另有實驗測得含氣5%時，煤巖縱波速度立即降低，降幅達323m/s，但當含氣飽和度繼續增大時，縱波速度變化不明顯。

3.2 吸附氣與游離氣地震響應特征

如圖3，煤巖的AVO響應特征與其它沉積巖不同。煤層不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而減弱，含氣后，振幅隨偏移距增大不變或增強。砂巖不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而減弱，含氣后，振幅隨偏移距增大明顯增強。灰巖不含氣時，地震反射同相軸振幅隨偏移距增大而增強；含氣后，振幅隨偏移距增大而減弱。

圖3 不同巖性在不同含氣飽和度下的AVO反射特征(引用自馮小英等，2015)

DP7井最高日常氣量超出1×104m3，從過井道集上看(圖4a)，目的層所對應的地震反射隨著偏移距增大，振幅明顯增強，與正演模型(圖3)對比，發現其與砂巖含氣AVO響應相當，說明DP7井含游離氣，該井吸附氣與游離氣共存。本區DC1井累計產氣14×104m3，所對應的地震反射同相軸振幅隨偏移距增大也明顯增大(圖4b)。而DT9井累計產氣為0，與沁水盆地Q1井(產氣0)對比，其所對應的地震反射同相軸特征相似，隨偏移距增大而減小(圖5,6)。

圖4 大城工區過井道集剖面圖

圖5 過DT9井道集剖面

圖6 過Q1井道集剖面

綜上錄井、氣測成果，該區多口井的砂巖具備含氣異常顯示，這也證實了大城凸起煤系地層含游離氣，為吸附氣與游離氣共存的特征。

從該區AVO流體因子屬性預測結果看，該區北部AVO異常，并且埋藏相對較淺，為復合氣共存的有利區，可作為下步部署的重點區域。針對該區吸附氣與游離氣共存的復合氣藏的特點，建議調整井位部署思路，將構造條件、圍巖砂巖分布考慮進去，綜合部署，劃分區帶，來探索煤層氣。