基于三维地震底板标高模拟方法预测非洲卡鲁盆地煤层气含气量

李金珊，朱维耀

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083; 2.中国中钢股份有限公司，北京 100080)

煤层气是一种与煤同生共储的非常规天然气，主要成分为甲烷(CH4)，其吸附或游离在煤层孔隙中。煤是一种对温度、压力和构造应力都十分敏感的有机岩石，随着煤层埋藏深度的增加，煤储层压力增大，而且同一地区、不同煤层中也有规律可循，这种现象在各煤层气井储层压力的测试结果中普遍存在。因此，煤层厚度是评价煤层气资源富集程度的主要参数之一[1]。

煤层的性质。泥岩层的杨氏模量、体积模量、剪切模量、抗剪强度比砂岩、灰岩低，但泊松比较大，说明泥岩塑性大，易形变。砂岩和灰岩杨氏模量、体积模量、剪切模量、抗剪强度较大，泊松比较低，岩石弹性较大，机械强度高。

例如，美国煤层气地面开发取得成功的重要地质原因是其含煤盆地具有稳定的区域构造背景。美国的含煤盆地主要集中在构造相对活动的地区，美国黑勇士盆地的基底为地台，构造位置处于北美中部地台与东南缘阿巴拉契亚褶皱带的过渡地带，与其位置相同的中阿巴拉契亚亦有煤层气开发潜力。

再如，圣胡安盆地有着与黑勇士盆地相同的构造背景，属于中部地台与克迪勒拉造山带的过渡区域。显然，从美国含煤盆地构造背景分析可知，以稳定地台为基底，位于地台与褶皱带过渡区域的含煤盆地可能具有煤层气开发潜力。

构造活动相对稳定的地台内部或构造活动相对强烈的造山地带之上的含煤盆地尚无煤层气成功开发的先例，说明构造过于稳定或过于活动区域的含煤盆地很有可能不利于煤层气开发。

近年来，国内外许多专家学者对煤层构造含气量进行了大量的经济评价研究工作，取得了丰富的研究成果。

LANGENBERG等[2]、BOYER等[3]、BEATON等[4]、NOLDE等[5]利用地质参数、GIS对煤层气潜力进行综合评价[2-5]。CAI等[6]、YAO等[7]利用模糊数学方法、多层次模糊数学方法等[8-10]预测了煤层气靶区含气量。

近几年，学者们利用灰色系统理论评价预测煤层含气量，主要是对没有煤芯取样点或者极少煤层岩芯取样的地区进行煤层气含量评价预测[11]。地震勘探技术也广泛应用于煤层气勘探评价，目的是探测煤层赋存状态、构造形态、断层特征和煤层厚度。在国内煤层气勘探中，地震勘探成为重要一部分。

1 地质特征

1.1 地质背景

非洲卡鲁盆地位于非洲南部早前寒武纪地层，其轴部地区沉积地层厚度达到6 000 m。南部地层岩性一般为海相砂页岩，陆相沉积的地层厚度很大，是世界上早前寒武纪地质保存最好的地区。

著名的津巴布韦大岩墙是同时期的产物，长距大约480 km，宽距5～9 km，主要由蛇纹岩、橄榄岩、方辉橄榄岩等岩石构造组成。

1.2 地震资料

地震勘探技术主要应用于探测煤层赋存状态、构造形态、断层特征和煤层厚度，成为勘探重要一部分，勘探区大规模部署二维地震，开发区部署三维地震以指导开发方案设计。根据储层地震预测技术在煤层气勘探中对煤层气本身的检测，可分为间接检测法和直接检测法两种类型。间接检测法主要是通过对含煤层构造、裂缝发育带等特性的分析，依据地质特点，寻找煤层气富集；直接检测法则是通过地震属性分析与烃类检测技术对煤层含气性、厚度、孔隙度等储层参数进行定量或半定量评价。

在煤层气地震勘探中，特殊构造主要指构造煤和陷落柱。构造煤是指煤体原生结构遭受构造作用破坏的煤，其主要是以薄层状分布于煤层顶板、底板及夹矸附近，或以条带状分布于构造形迹附近。构造煤不仅使煤层渗透性降低，而且经常导致煤层瓦斯突出。

以三维地震为基础，利用地震波的动力学参数及属性分析等多种技术则可以有效地预测构造煤发育带。陷落柱是块度大小不均、排列杂乱无章的上部地层塌陷物胶结而成。陷落柱与围岩存在的物性差异为地震方识别陷落柱提供了依据。陷落柱在水平叠加时间剖面上的表现特征为反射波同相轴在小范围内消失或错断并伴生一些小断层，在断层点处产生绕射波及延迟绕射波，断陷点之间波形杂乱，在柱顶处可产生柱顶绕射波。

如图1所示，煤层含气性预测可以通过叠前AVO反演、叠后波阻抗反演和叠前弹性阻抗反演等技术实现。利用叠前AVO反演技术，可有效地获取煤层各种含气性参数。

在煤层中，煤层气的富集导致煤的体积密度减小，同时杨氏弹性模量、泊松比、弹性波速度、频谱特征、衰减系数、品质因子等弹性力学参数及弹性波特征受到明显的影响。这为利用AVO反演技术研究煤层各种含气性参数奠定了理论基础。

常规AVO技术是根据叠前CDP道集中反射振幅随炮检距的变化，提取相关的地震属性，进而反演与泊松比、裂隙密度等储层特性有关的物性参数并预测储层有利区。地震波振幅随炮检距的变化有这样一个规律：当煤层不含气或含气很少时，CDP道集上煤层反射振幅随炮检距增大而减小；而煤层气富集时则表现为反射振幅随炮检距增大而增大的规律。

图1 三维地震有声波时差的曲线图

为了更准确地预测非洲卡鲁盆地地区煤层气资源量，借助地震、煤层资料对煤层的含气量进行了预测[12]。对分析收集到的煤层资料和钻井的含气量数据研究发现，煤层的含气量与煤层底板标高存在一定的线性关系，因此只要预测出煤层底板标高，就可以对煤层气资源量进行计算。

非洲卡鲁盆地已有的资料中主要有三维地震资料,其中包括前期进行的3口勘探钻井，有声波时差的曲线资料。新的煤层钻井位有9口,没有声波时差的曲线资料，其中2口钻井在三维区地震之中。

通过建立地层与地震之间的关系，然后经过地震资料以及精细构造解释，再通过钻井的层位标定，从而进一步获得卡鲁盆地煤层底板和标高的数据。

2 煤层构造

2.1 煤层特征

在煤层中，煤层气是以游离状态和吸附状态存在于煤的孔隙和裂缝中，游离煤层气显示煤层气压力，当煤层埋藏在一定深度时，孔隙、裂缝及其中的煤层气均承受地应力的作用，因而受到压力的影响。

水文地质条件也是重要的因素。封闭的水动力系统和水动力受阻形成的高压是煤层气吸附和富集的有利条件，如果封闭的水动力系统被打破，将破坏煤层的压力平衡，使得吸附气减少，溶解气和游离气发生散失。

在煤层压力方面，通常的煤层评价方法，经常以用压力梯度测量煤层压力的大小。在实际工作中，对煤层进行排水降压是采气的常规措施之一。煤储层压力表明地层能量的大小，对煤层含气性、气含量、吸附能力与气体赋存状态，都具有非常大的影响和作用，决定了水和气体从煤层中的裂缝之间流向井筒的压力，它与临界解吸压力之间的相对关系，直接影响采气过程中排水降压的难易程度。

煤储层地应力、渗透率的研究对煤层气富集成藏尤为重要，地应力的大小不仅会影响上述储层压力，还严重制约着煤层渗透率。

煤层气压力是煤层气体流动特性和赋存状态的一个重要参数。在研究煤岩性质和煤层气富集状态时，煤层气赋存、流动和涌出，以及煤层气抽放时，煤层气压力都是要考虑的基本参数。煤层地应力的大小与埋深、地质构造等有关，煤层埋藏深度越大，上覆地层的压力越大，地应力越高。

煤层气富集成藏地质特征的研究证明，煤层气与常规天然气有很大的差别[13]，影响煤层气富集的主要因素包括煤层渗透率、煤层地应力的大小、埋深、地质构造与水文地质特征等。

2.2 煤层控制因素

从已有的资料可知，非洲卡鲁盆地的煤层特征随着地层变化，呈起伏形状，并且富有一定的规律，煤层的厚度一般在30 m以上，局部厚度达到50 m，中间有含水层，有两个煤层的聚气带，一个煤层为北部煤层的局部厚度达到30～50 m;另一个煤层的局部厚度达到20～30 m，平均含气量都在6～10 m3/t以上。

1) 煤层的生气和保存条件。取煤芯实验结果表明，该地区的煤层类型以半亮煤和光亮煤为主，有机显微组分以镜质组含量高，同时煤中夹有沥青等物质，都有利于煤层生气，为煤层气的富集奠定了物质的基础。

2) 煤层组合及盖封条件。首先，煤层的顶底板以泥岩为主，为煤层气的保存提供了良好的保存条件；其次，煤层的演化程度高，由于煤层断层决定了煤层气的聚集或散失，非洲卡鲁盆地没有发现煤层断层，煤层的封盖性较好，为煤层气的富集提供了保存条件。这些地质特征证明该地区的煤层含气量较富集。

3) 非洲卡鲁盆地有机显微组分以镜质组含量为主，煤层的生气基础条件良好，煤层的有机显微组分镜质组含量35.4%～50.9%。

4) 煤层渗透率。例如，我国地质构造背景复杂，地应力对于煤储层渗透率的影响十分显著[14]，这样的储层一般位于向斜或背斜部位，煤储层含气量与埋深之间是线性关系[15]。

5) 水文地质条件。静水水位的高低与区域水文地质条件有关，当煤储层所处地表低于区域内静水水位，在承压水力作用下，该地煤储层属超压储层，当煤储层处在一个相互作用、相互影响的水动力系统中，煤层的地下水动力条件影响着煤储层压力的分布。另外，非洲卡鲁盆地煤层气的富集受水文地质特征的影响，在煤层中间有含水层。

因此，从构造演化、构造结构、断层特征，以及煤层结构的角度分析非洲卡鲁盆地煤层地质属于构造复杂区。

综上所述，该区煤层含气量高，成煤条件好，煤层厚度较大，对非洲卡鲁盆地煤层预测评价，煤层地质的演化程度高，整体处于气肥煤阶段，煤变质主要为深成变质作用，受沉积影响。在其他地质条件有保障的基础上，非洲卡鲁盆地煤层会具备很高的产气量，煤层气资源属于比较丰富的勘探开发区块。

3 含气量预测

3.1 预测含气量

煤层层位标定是建立地质与地震响应关系的桥梁。在非洲卡鲁盆煤层合成记录结果的基础上，对资料进行了分析,最终利用地震资料对煤层进行了评价。

如图2所示，利用层位标定结果，对地震资料进行了精细构造解释，对8号目标煤层的底板进行了精细追踪，从而得到了8号煤组的底板标高图。

本文采用了线性方程拟合公式对8号煤层的含气量进行预测。选取离断层较远井的8号煤层，含气量与底板标高进行二次方关系拟合，见下式，并经过实测井解析含气量数据校正，获得本区煤层含气量分布。

y=-1E-05x2-0.017x+13.4

式中：y为煤层含气量，m3/t；x为煤层底板标高，m。

8号煤层含气量预测为6～13 m3/t，煤层含气量平均在11 m3/t以上。

3.2 预测精度分析

通过分析收集到的煤田瓦斯资料和新钻井的含气量数据发现，煤层的含气量与煤层底板标高存在一定的线性关系，预测出煤层底板标高，可以对8号煤层气资源量进行计算，有三维地震资料102 km2，煤层气钻孔2口(有声波时差曲线)，新钻井位11口(无声波时差曲线，其中8口在三维工区内)。

本文通过煤层气井的层位标定，建立地层与地震的关系，然后经过地震资料的精细构造解释获得煤层底板标高数据。

对非洲卡鲁盆地煤层进行钻井的实测，然后与含气量数据资料的预测数值对比，即利用含气量与底板标高的关系预测，通过再次的验证证明，其预测含气量精度为75.5%～95.6%，平均得到的预测含气量值精确度一般在85%以上。

通过表1可知，实测含气量与预测含气量的吻合度较高。8号煤层含气量预测为5～18 m3/t，平均在10 m3/t以上，随着地层的起伏有规律的变化。有聚气带，为呈北东向展布条带的地区，其煤层含气量都在10 m3/t以上。

地区煤层含气量高，煤层气资源丰富，将成为外围煤层气勘探开发的接替区块。

实验结果可以说明，利用含气量与底板标高的关系预测煤层气含量是可行的。

从预测结果(表1)以及煤层含气量实测结果和预测结果比较可以发现，误差值相对较小，煤层含气量精确度较高。从表1的数值对比可知，在实测的12口钻井中，只有C1和C3井的煤层含气量数值预测的精确度较低，其预测含气量精确度分别为64.5%和68.4%,剩余的10口钻井中精确度数值都在85%以上。

综上所述，利用已有的钻井勘探资料，通过地震资料获得煤层底板标高，建立煤层气含量预测模型，预测结果与实际测量结果误差较小。此方法主要是在实际钻井工程量较少的情况下，预测煤层气含量的一种比较经济实用的方法。

图2 煤层底板标高及含气量预测图

表1 煤层含气量实测结果和预测结果比较表

4 结 论

1) 非洲卡鲁盆地煤层地质的演化程度高，煤层生气能力强，能够富集形成大量的煤层气。盆地煤层的封盖性也较好，为煤层气富集提供了保存条件。受沉积影响，煤变质主要为深成变质作用。

2) 从构造演化、构造结构、断层特征，以及煤层结构角度分析非洲卡鲁盆地构造区的成煤条件，煤层的厚度较大，属于煤层气资源比较丰富的勘探开发区块，为下一步勘探开发工作提供依据。

3) 利用已知的地震资料获得煤层底板标高，建立煤层气含量预测模型，对非洲卡鲁盆地8号煤层进行模拟预测，将煤层含气量的预测结果与实际实测结果比较，精确度在85%以上，采用此模拟方法预测煤层含气量的方法可行。