波阻抗反演在樊庄郑庄区块煤孔渗特征研究中的应用

1. 波阻抗反演在樊庄郑庄区块煤孔渗特征研究中的应用

何灵芳刘大锰姚艳斌李鹏张百忍
(中国地质大学北京能源学院北京100083)
摘要:从地质—地球物理角度看，煤层孔隙或裂缝发育带的存在势必引起地震波速度或(和)密度的变化，因此波阻抗数据体能很大程度上反映煤层气储层孔渗特征。文章利用约束稀疏脉冲反演对樊庄－郑庄区块3#煤层进行了孔渗特征的研究。研究区3#煤层孔隙度相对较小，分布范围1%～7%，主要受煤变质程度控制;郑庄区块的渗透率均值为0.12mD，而樊庄区块渗透率均值则为0.49mD，相对郑庄区块要高一些。研究区渗透率非均质性较强，受孔隙发育影响较大，同时也受埋深等其他因素的影响。
关键词:樊庄郑庄波阻抗反演煤储层孔隙度渗透率
基金项目: 国家科技重大专项课题 ( 2010ZX05034 －001) ，国家重大基础研究计划课题 ( 2009CB219604) ，国家自然科学基金项目 ( 40972107) ，中石油创新基金资助 ( 2010D －5006 －0101) 。
第一作者: 何灵芳，硕士研究生，石油与天然气工程专业，主要从事煤层气勘探与开发研究。
Email: bqgcan@ 126. com; Tel: 010 － 82320892
Application of Wave Impedance Inversion on Porosity and Permeability Characteristics in Fanzhuang-Zhengzhuang Block
( HE Lingfang Liu Dameng YAO Yanbin LI Peng ZHANG Bairen)
( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，china)
Abstract: According to geological-geophysical theories，the existence of pore-fracture belt in coal seam can cause the changes in speed or ( and) density of seismic wave. Thus，the wave impedance data cube largely re- flects the characteristics of coal reservoir porosity and permeability. In the paper，the constrained sparse spike in- version ( CSSI) was used to study porosity and permeability characteristics of No. 3 coal seam in Fanzhuang- Zhengzhuang block. The No. 3 coal porosity in the study area is small ( ranging from 1% to 7% ) and mainly con- trolled by the coal metamorphism grade. The averaging permeability value of coals is 0. 12 mD in Zhengzhuang block and is relatively higher in Fanzhuang ( 0. 49 mD) . The coal permeability in the study area is intensely het- erogeneous，and is mainly influenced by the pore development and burial depth etc.
Keywords: Fanzhuang-Zhengzhaung; wave impedance inversion; coal reservoir; porosity; permeability
1 前言
煤储层既是生气层又是储气层，因而煤的储气性能在煤层气评价中起着至关重要的作用(胡宝林等，2003)。孔隙、裂隙性质直接受控于自身的物质组成和结构特征，是煤层气的储存和渗流空间，煤储层孔渗发育好坏直接影响煤层气开采效果，因此煤层气储层孔隙度、渗透率的研究有着重大意义。
沁水盆地是我国典型的高煤阶含煤盆地，在沁水盆地南部发现了沁水高煤阶煤层气田，虽然煤层气资源丰富，但储层非均质性强，储层物性差异大。赵贤正等(2011)研究发现沁水南部高煤级煤储层含气性、渗透率在水平空间展布及垂向尺度分布上均具有明显的差异。Yao等(2008;2009)将煤基质孔隙可分为吸附孔和渗流孔，认为吸附孔的非均质性对煤吸附甲烷具有显著影响，而渗流孔的非均质性能显著影响煤的渗透性。前人都是通过压汞实验和低温氮吸附等实验对煤样进行分析，从而研究煤储层的孔渗特征(唐书恒等，2008;赵兴龙等，2010)，但是由于煤储层的强非均质性，实验的研究结果对于全区的孔渗特征预测有一定的局限性。因此，笔者运用地震资料进行波阻抗反演对樊庄郑庄区块的孔渗性进行预测。
近年来，地震技术在储层研究中应用较多，但是由于带限地震子波的干涉效应以及地震剖面无法提供地层的岩性特征和物性特征，地震资料解释面临困难，为了克服上述困难，需要利用地震资料反演技术。崔若飞等(2008)指出波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，它能把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来，实行优势互补，大大提高地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度。张永升(2000)认为以波阻抗为基础进行的油藏参数估计(如孔隙度、渗透率等)比用地震振幅方法得到的更可靠、更准确。因此，基于波阻抗反演的煤储层孔渗特征研究是可行的。
2 波阻抗反演技术
2.1 波阻抗反演原理
裂隙的发育也会对煤层的体积密度和速度造成影响，含气裂隙使得体积密度和层速度降低，而充填裂隙使得体积密度和层速度增加。煤层波阻抗的变化程度(即波阻抗梯度)可以反映煤储层的裂隙发育程度，从而反映出煤储层的渗透性。因此，沿煤层提取的煤层波阻抗梯度数据可以反映煤层含气裂隙发育情况及渗透性。
稀疏脉冲反演建立在一个趋势约束的脉冲反演算法上，其基本出发点是地下的强反射系数界面不是连续分布的而是稀疏分布的。约束稀疏脉冲反演的主要目的是利用约束井资料及地震反射系数建立声波阻抗数据体(王权锋等，2008)。稀疏脉冲反演认为地震反射系数是由一系列大的反射系数叠加在高斯分布的小反射系数的背景上构成的，大的反射系数相当于不整合界面或主要的岩性界面。它的目的是寻找一个使目标函数最小的脉冲数目，然后得到波阻抗数据。
2.2 波阻抗反演步骤
2.2.1 初始波阻抗模型
初始波阻抗模型是测井约束反演的基础，为了减少其最终结果的多解性，提高研究成果的可靠性，建立尽可能接近实际地质条件的波阻抗模型是关键。测井资料在纵向上详细揭示了岩层的波阻抗细节，地震记录则连续记录了波阻抗的横向变化，二者的结合，为精确地建立空间波阻抗模型提供了必要的条件。建立波阻抗模型的过程实际上是将横向上连续变化的地震界面信息与高分辨率测井信息相结合的过程。地震层位是建模的基础，可以根据测井曲线标定的结果，在地震剖面上自动或手动拾取目的层位。首先通过井旁地震道与合成记录的相关性对测井曲线进行纵向的拉伸和压缩，当相关系数达到一定的标准时，就可以获得井的初始波阻抗。然后在地震层位和地质模式的约束下，选取适当的插值方法，对井的初始波阻抗进行内插和外推，建立初始波阻抗模型。
2.2.2 绝对波阻抗反演
经过前期大量的准备工作，处理获得合理的时深关系曲线，运用校正过的测井数据及精细的解释层位，建立地质框架模型，通过调整模型与相对波阻抗高低频分量，使模型数据体与相对波阻抗数据体进行叠加，得到最终的绝对阻抗体。
反演处理的过程是不断修正完善的过程，当反演出一次结果后，处理、解释人员就紧密结合在一起，根据掌握的地质、测井、生产等资料对反演效果进行仔细的对比分析，反复循环处理，直到获得符合本区地质储层变化规律的波阻抗剖面为止。
3 波阻抗反演技术应用实例
3.1 区域地质概况
本项目研究区域位于沁水盆地的南部(简称为沁南)，主要分布在屯留—安泽一线以南地区，西起寺头断层，东、南以煤层露头为界，包括樊庄和郑庄两个区域。构造上，研究区位于沁水盆地复向斜南部的翘起端。区内主要断裂为寺头断层，自南向北，走向由近NE向转为近SN向，倾向NWNWW，倾角70°，断距最大350m左右，性质为正断层，受区域构造应力的作用，该断层具有张扭性特征，断裂两侧伴有羽状张性小断裂。全区断层数量较少，规模小。只有寺头断裂横穿整个区域，其余均为小型的正断裂。与郑庄相比，樊庄小断层较发育(图1)。研究区内沁水盆地沉积地层有长城系下部、寒武系、奥陶系中统、石炭系中上统、二叠系、三叠系和新近系地层，含煤层系主要位于上石炭统的太原组和下二叠统的山西组，共含煤6～11层，其中太原组主要发育8#、9#和15#煤层，山西组主要为2#和3#煤层，本次研究的目标层位为3#煤层。
3.2 波阻抗反演结果
3.2.1 孔隙度
孔隙度是煤储层物性的重要参数，研究区探井显示3#煤储层孔隙度最低为3%，最高为6.49%，一般在5%以下。在波阻抗反演模型的基础上，将反演波阻抗数据体与探井上的孔隙度数据做交汇图进行相关性分析，可以得到波阻抗与孔隙度的对应关系(表1)。
通过以上方法得到的孔隙度与波阻抗的对应关系，结合其他没有探井资料的测线上的波阻抗数据，可以得到每个测线的孔隙度，最后通过插值法得到整个区域的孔隙度的平面图(图2)。
3.2.2 渗透率
试井显示沁南地区3#煤层的渗透率，大多分布在0.5～3.0mD之间，其次在0.1～0.5mD和3.0～10.0mD之间，表明沁水盆地南部煤层具有相对较好的渗透性。

图1 樊庄郑庄区域地质图

表1 波阻抗和孔隙度转换关系数据表


本次研究同样根据波阻抗数据，制作交汇图显示其与渗透率的相互关系，并得到波阻抗与渗透率的转换关系(表2)。最终通过插值法运用到全区，预测全区的渗透率分布情况。
表2 波阻抗和渗透率转换关系数据表



图2 3#煤层波阻抗预测孔隙度平面图

4 孔渗发育主控因素分析
4.1 孔隙度
依据波阻抗反演预测结果与实测结果相结合，做出沁南郑庄樊庄区块煤层孔隙度图(图4)。图中可以看出研究区沁南孔隙度相对较小，分布范围1%～7%。刘大锰等(刘大锰等，2010)统计发现，华北晚古生代煤的孔隙发育主要与煤的变质程度有关。随着煤的镜质组平均随机反射率(Ro，r)的增高，煤的氦测孔隙度呈高—低—高的变化规律。分析全区的预测结果发现，孔隙度大于3.75%的区域约占全区面积的20%，孔隙度低于2.5%的区域约占全区面积的35%。
4.2 渗透率
郑庄3#煤层渗透率普遍较低(图3)，煤层渗透率平均约为0.12mD，樊庄区块的煤层渗透率稍高，平均为0.49mD，即使在同一地区，煤层渗透率差别也比较大，郑庄区块，最大渗透率为2.96mD，最小为0.01mD;樊庄区块最大为2.00mD，最小为0.02mD。
裂隙是煤层气运移的通道，是煤层渗透性的主要影响因素。据Palmer等(1998)的研究，煤储层渗透率是孔隙度的三次幂的函数，孔隙度的大小对煤储层的渗透性意义重大。对比图2和图3可以看出，孔隙度发育良好的区域对应的渗透率也比较大，因此，研究区渗透率受孔隙度影响很大。
煤体结构与煤层的渗透性密切相关，一般认为，原生结构煤和碎裂煤是煤层气开发比较理想的煤体结构类型;而碎粒煤和糜棱煤由于煤体破碎，裂隙形态破坏，煤层渗透性差，而被视为非渗透性煤层。寺头断层周边地区由于断层使得煤层破裂，渗透率较其他地区更低(图3)。

图3 3#煤层波阻抗预测渗透率平面图


图4 郑庄樊庄区块煤层孔隙度

煤层埋藏深度对渗透率的制约机理是应力问题。随着煤层埋藏深度的增大，煤层所承受的地应力增大，地应力增大会导致煤层裂隙闭合，使得煤层渗透率降低。因此煤层渗透率具有随埋藏深度增大而逐渐减小的趋势。郑庄樊庄区块煤层埋深由东向西逐渐增加，郑庄区块3#煤层可达1200m以上(图5)。但从郑庄樊庄区块3#煤层的实际情况来看，郑庄的渗透率要普遍好于樊庄，可能的原因是郑庄区块后期的断裂活动。断层等构造的发育使得煤层的物性发生了较大改变。

图5 郑庄樊庄区块煤层埋深图

煤储层不仅受上覆岩层的压力作用，而且还受水平地应力的作用。垂向地应力对储层压力的影响主要是由煤层上覆岩层厚度的增加引起的。而在水平方向上，煤储层处在区域性的构造应力场中，受水平构造应力的作用，因此，水平主压应力越大，储层压力也就越高。同时，煤层渗透率是一种应力敏感性储层参数，注入/压降试井测试以及研究表明，煤层渗透率与地应力呈负相关关系。由于煤层是一种典型的双重介质、双孔隙度的储层，裂隙孔隙度是决定煤层渗透性的关键因素，地应力增大带来的直接后果就是煤层裂隙宽度变小甚至闭合，从而降低煤层的渗透性;另一方面，煤层本身塑性较强，地应力增大使煤体被压缩，导致基质压缩，基质渗透率降低。煤层地应力自研究区四周向内部增大，其变化趋势与煤层埋深等值线一致。在研究区东南部煤层埋藏较浅的地区，地应力也普遍较低，多在10MPa以下，在西部及北部，煤层埋藏深，地应力高，多超过10MPa。郑庄区块煤层地应力要大于樊庄区块(图6)，这也合理的解释了郑庄渗透率高于樊庄的原因。
5 结论
沁南郑庄樊庄区块3#煤层孔隙度相对较小，分布范围1%～7%。煤的孔隙度发育主要与变质程度有关，一般肥煤和焦煤的孔隙度最低，瘦煤以上有所增高。构造发育会影响煤的孔隙度发育。
沁南郑庄樊庄区块3#煤层渗透率较低，并且受到多种因素的影响。郑庄区块渗透率平均值为0.12mD，而樊庄区块渗透率均值则为0.49mD。渗透率具有较高非均质性，即使在同一地区，渗透率差异也很大。影响渗透率的主控因素以孔隙度发育程度最为显著，其他因素如埋深，地应力以及媒体结构对渗透率也有一定的影响。
波阻抗反演在研究区内的应用取得的较好的成果，说明在勘探程度比较低的地区，约束稀疏脉冲反演技术能较好的将测井、地震资料相结合，较准确的预测煤储层的孔渗特征。

图6 3#煤层地应力等值线图

参 考 文 献
崔若飞，孙学凯，崔大尉 . 2008. 地震反演—煤田地震勘探的新进展 . 中国煤炭地质，20 ( 6) ，49 ～52
胡宝林，车遥，杨起等 . 2003. 吐哈盆地煤储层物性特征研究及煤层气资源前景 . 煤炭科学技术，31 ( 4) ，50 ～ 53
刘大锰，姚艳斌，蔡益栋等. 2010. 华北石炭—二叠系煤的孔渗特征及主控因素. 现代地质，24 ( 6) ，1198 ～1203
唐书恒，蔡超，朱宝存等 . 2008. 煤变质程度对煤储层物性的控制作用 . 天然气工业，28 ( 12) ，30 ～33
王权锋，郭科 . 2008. 约束稀疏脉冲反演在储层预测中的应用 . 测井技术，32 ( 1) ，33 ～37
张永升 . 2000. 新疆塔里木盆地沙雅隆起兰尕地区三维地震 . 勘探成果报告
赵贤正，桑树勋，张建国等 . 2011. 沁南煤层气开发区块煤储层特征分析及意义 . 中国煤层气，8 ( 2) ，3 ～7
赵兴龙，汤达祯，许浩等 . 2010. 煤变质作用对煤储层孔隙系统发育的影响 . 煤炭学报，35 ( 9) ，1506 ～1511
Palmer I. ，Mansoori J. 1998. How permeability depends on stress and pore pressure in coalbeds: a new model. SPE Reser- voir Evaluation ＆ Engineering，539 ～ 544
Yao Y B，Liu D M，Tang D Z，et al. 2008. Fractal characterization of adsorption-pores of coals from North China: An in- vestigation on CH4adsorption capacity of coals. International Journal of CoalGeology，73，27 ～ 42
Yao Y B，Liu D M，Tang D Z，et al. 2009. Fractal characterization of seepage-pores of coals from China: an investigation on permeability of coals. Computer＆Geosciences，35，1159 ～ 1166