摘 要：煤层气“甜点区”系指煤层埋藏深度适中、厚度较大、热演化程度合适、含气量相对较高、孔渗性相对较好、单井产量高且稳产的煤层气富集区带。寻找和优选煤层气富集的“甜点”区带，对于煤层气开发井位的部署和优化、提高煤层气井产量、促进煤层气藏的有效开发都具有现实的经济价值。以往的研究成果表明，影响煤层气富集的7项关键地质要素为煤层厚度、煤层埋深、热演化程度、煤层含气量、断裂及裂缝、圈闭条件、煤层脆性。在试验分析的基础上，提出了一种利用地震资料来预测煤层气富集区的地球物理方法，即多种属性相结合的精细构造解释、AVO反演预测裂缝发育特征、多种反演方法相结合预测煤层厚度特征、叠前反演技术预测煤层含气性和脆性特征，然后进行综合评价，优选各要素均为有利的区域确定其为“甜点区”。应用这一技术思路预测出了HC地区煤层气的分布范围，“甜点区”面积达到21.64km2，在区内部署的2口开发井目前排采效果良好，产气量远高于“甜点区”外的井，预测结果与实钻结果相吻合，为类似“甜点区”的地震预测提供了技术参考。
关键词：煤层气 有利区 厚度 埋深 含气量 地震勘探 预测 产气量
Seismic prediction technologies of CBM sweet spots and their application
Abstract：CBM sweet spots are characterized by moderate burial depth of coal seams，relatively large thickness，appropriate thermal evolution degree，relatively high gas content，good porosity and permeability，high and stable single well production．The identification of CBM sweet spots is of great economic significance to the deployment and optimization of CBM well locations，enhancement of CBM well production，and the improvement of effective development of CBM reservoirs．Previous studies reveal that there are seven major parameters that influence the enrichment of CBM，including coal seam thickness，burial depth，thermal evolution，gas content，fault and fracture，trapping condition，and brittleness．Based on the analysis of experiment results，we proposed a geophysical method that can directly predict CBM sweet spots with seismic data,i．e．comprehensive identification of sweet spots based on fine structural interpretation with multiple seismic attributes，fracture mapping via AVO inversion，thickness estimation through the integration of multiple inversions．as well as gas storage and brittleness prediction of coal seams by pre-stack inversion．These technologies were successfully applied to the prediction of CBM sweet spots in the HC area．The two wells emplaced in the predicted sweet spot with an area of 21．64 km2 have a better production performance than those outside the sweet spot．
Keywords：CBM gas，play fairway，thickness，burial depth，gas content，seismic exploration，prediction，gas production volume
以吸附气为主要赋存方式的煤层气，属于典型的非常规天然气，中国陆上的煤层气勘探开发潜力很大。由于中国煤层气资源主要分布在地表地貌复杂、地下断裂破碎的中西部地区，煤层气赋存地质条件较差，含气量和单井产量普遍较低，开发效益远低于常规天然气。利用地球物理技术，寻找和优选煤层气富集的“甜点”区带，对于煤层气开发井位的部署和优化、提高煤层气井产量、促进煤层气藏的有效开发都具有现实的经济价值。多年来，在煤层气“甜点”区带的预测方面进行了一些研究与探索[1-4]，取得了一定的效果。
所谓煤层气“甜点区”，系指煤层埋藏深度适中、厚度较大、热演化程度合适、含气量相对较高、孔渗性相对较好、单井产量高且稳产的煤层气富集区带。找到了“甜点”区带也就相当于找到了有效的开发区带。我国含煤盆地地质构造各异，煤层气地质条件复杂多样，各区块地球物理工作程度不一，利用地震技术预测煤层气“甜点”区带的需求迫切，为此进行了专项研究。
1 煤层气富集关键地质要素
我国煤层气富集高产主控因素包括资源因素、储层因素及保存条件3个方面的多个地质参数，煤层气“甜点”区带的预测及评价需要综合考虑如下7个方面的关键要素[5]。
1．1 煤层厚度
煤层是煤层气生成和聚集的基础。煤层越发育，煤层厚度越大，其单位面积内的生气量和吸附量就越大，其勘探开发潜力也更大。根据国外经验和国内的实践认识到，单层煤厚大于3m具有高产的可能。
1．2 煤层埋深
煤层埋深对于煤层气勘探开发有两方面的主要影响：①煤层埋深影响煤层压力、孔渗性、煤层吸附气含量和是否逸散；②煤层埋深决定了钻井深度、开采成本和工业产量门槛值。只有埋深在合适范围的煤层气才有富集和开采的价值。埋深太浅，压力太小，煤层气自然解析附和逸散，煤层不含气或含气量极低；煤层埋深过大，压力随之增大，煤层孔渗性变差，吸附气含量和产量不随深度变化线性增加，而开采成本和难度则增加更快。根据国内外勘探开发实践，埋深大于1500m的煤层气在目前经济技术水平下不具有工业开采价值，这一点与常规天然气也是明显不同的。
1．3 热演化程度
随着聚煤盆地的沉降，煤层埋深增加，地温也逐渐升高。正常的地热增温是煤热变质的主要能量来源。煤系的热演化史和热演化程度，决定了煤系的生烃排烃史和煤岩煤阶，也直接影响煤层物性和含气性。代表不同热演化程度的不同煤阶的煤岩，其含气能力和含气方式也有不同。一般而言，构造位置相似、埋深相近、构造演化和热演化类似的区带，煤层热演化程度也相同或相似，煤阶亦大致相同。
1．4 煤层含气量
煤的含气量主要决定于吸附量。一般情况下煤阶越高微孔隙越发育，孔隙比表面积越大，且含氧官能团越少，吸附水越少，相应吸附甲烷越多。煤层气含气量的大小是评价煤层气是否富集的重要指标，含气量越高、产气及稳产的潜力越大。一般认为含气量达到10m3／t，且渗透率达到0.2mD的煤层分布区即达到煤层气有利勘探区的标准。统计资料表明，我国较高产煤层气井，煤层渗透率范围为0.05～0.5mD，含气量对生产能力的影响是显而易见的。
1．5 断裂及裂缝
构造运动形成的断裂对煤层气的保存起到一定的破坏作用，但伴生的微裂隙增加了煤层的渗透性，对煤层气的开发有一定的积极意义，同时煤岩割理的发育程度也决定着煤的渗透性。因此，对于煤层气的富集和产出，断及煤层之断裂和煤层中的裂缝的发育程度是必须考虑的重要地质因素。
1．6 圈闭条件
圈闭对于煤层气和常规天然气而言，同样是必要条件，但圈闭类型和机制完全不同。常规天然气聚集场所是由储层、非渗透层(盖层)和构造3因素相结合形成的构造圈闭、岩性圈闭、复合圈闭等，天然气以游离或水溶态储集于孔渗性储层之中；煤层气聚集成藏的圈闭主要是压力圈闭，即由煤层及其顶底板在一定构造与水动力条件下的压力平衡系统，地层压力大于煤层甲烷气吸附压力，煤层气以吸附态为主吸附于煤颗粒表面和煤岩微裂缝面，煤层裂缝和大孔隙主要被煤层水所充填。因此，煤层气的圈闭类型非常特殊，且不可以常规天然气的圈闭方式和类型加以评价。当然，以高孔渗的煤层作为储层、天然气以游离或溶解态储集其中的常规煤成气藏，需另当别论。
1．7 煤层脆性
煤层气开采过程中需要对煤层进行压裂。因此，脆性是一个非常重要的参数。脆性越大，越容易产生裂缝[6]，越利于煤层气开采。
2 “甜点区"地震预测思路与技术
2．1 “甜点区”地震预测思路
煤层气甜点区的地震预测就是以与煤层气富集关键要素相关联的地震信息和地震属性为主、多要素叠加、通过综合评价来预测甜点区。不同区块甜点区的含义是一致的，但综合预测所应用的地震信息和量化指标则是相对的，甜点区的预测结果也是相对的，是同区中煤层气富集条件和开发条件相对最好的区域。
在以往文献中，煤层气“甜点区”预测主要从煤岩的矿物成分、热演化程度、吨煤含气量、埋藏深度、地质条件、资源条件等方面进行，以地质分析为主[1-2]。近年来也有一些研究人员开始利用地震资料进行煤层埋深、厚度及含气性预测[3-4]，但分析着眼于单一或某几个要素，在多要素叠加综合评价方面有所欠缺。孙文卿等在综合评价方面做出了一些研究[4]，以准噶尔盆地砂沟井田为例，综合考虑煤层气资源特征、开采性能、煤层特征、构造特征等因素利用突变理论对煤层气储层进行评价。笔者主要是根据地震资料应用地球物理方法对煤层气富集关键要素进行预测，在此基础上进行多要素综合评价，优选各关键要素均为有利的区域确定为“甜点区”，重在对关键要素的信息集成和综合分析。其中，煤厚、埋深、断裂与裂缝、圈闭构造条件等4个是完全可以通过地震解释和反演等技术所提取的，是甜点区多信息地震预测的主要考虑因素。煤层热演化程度即煤阶，地震尚难以预测，且在小范围内变化可能不大，参与预测的实际意义也不大，通过钻井获得的信息即可；煤层气含气量是一个十分重要的要素，它与前面的6个要素密切相关。由于煤层气的吸附赋存特点，适用于常规气藏的油气地震检测方法对其不适用。目前也仅仅基于收集到的钻井的吨煤产气量来分析哪些弹性参数与之相关，如纵横波速度比、泊松比、AVO反演等，在含气性预测方面做了一些探索。
2．2 “甜点区”地震预测技术
本次研究中为确保煤层各关键地质参数特征描述的精度，采用了以下思路和技术。
2．2．1多种属性相结合的精细构造和断裂解释
精细的层位标定是确定煤层地震反射特征的基础。为提高标定精度，首先对目的层段地震数据进行频谱分析，选择合适主频的子波制作合成地震记录，然后精细调整时深关系来准确标定煤层。层位解释过程中除了采用加密解释提高精度之外，还充分利用多种属性信息，比如常规偏移剖面、瞬时频率、瞬时相位等进行层位解释(图1)，保证同一层位在不同属性上的一致性。笔者在研究中发现，瞬时相位属性与常规振幅剖面的应用可以有效地保证层位解释不串层。
在断裂解释方面，提取能够反映断裂的多种属性，包括相干体、方差体、蚂蚁体、边缘检测以及分频振幅、相位等属性，联合各种属性从各个方向(主测线、联络线、任意线、时间切片等)进行观察解释，并优选其中有利属性(相干、曲率、蚂蚁体及分频相位)进行断裂的辅助解释和平面组合。
精细的构造解释完成之后，准确的速度分析是落实构造形态的保证。对于三维数据成图来说，最好的速度模型应该是利用测井速度(或VSP测井速度)校正地震速度场后得到的平均速度场。应用该速度场可获得较为精确的主力煤层顶面埋深图，从而优选适宜煤层气开发的区域。
2．2．2 AVO反演预测裂缝发育特征
由于微裂隙增加了煤层的渗透性，对煤层气的开发有一定的积极意义，因此在避开大断裂分布区域的基础上，需寻找微裂缝发育的地区作为开发目标。
Gregory发现岩石的裂缝引起纵横波速度比和泊松比的增大[7]。Ramos and Davis实验测试表明新墨西哥州Cedar Hill Field的煤层样品泊松比和裂缝密度有关[8-9](图2)，可以看出煤层的泊松比随着裂缝密度由低到高增加了30％。当然实验室测量结果不等同于现场煤层的割理情况，但是图2所揭示的泊松比和煤层裂缝密度之间的关系是可靠的，可用于现场煤层泊松比和裂缝密度的预测，即煤层的泊松比和裂缝密度为正相关。在AVO理论中，假定vp/vs＝2，伪泊松比反射率(Ds/s)等于截距与梯度之和的一半[9]，反映的是反射界面两侧介质的泊松比差值，与泊松比是呈正相关的。因此，AVO反演得到的伪泊松比反射系数属性可以用于指示裂缝发育特征，伪泊松比值大，则裂缝发育程度高。
2．2．3多种反演方法预测煤层厚度特征
测井曲线分析表明，煤层纵波阻抗明显低于砂泥岩，因而可以应用声波阻抗反演方法预测煤层厚度。但由于该区煤层厚度薄、不同井间厚度变化大，为提高薄煤层分辨能力，在纵波阻抗反演基础上应用地质统计学反演得到了比较好的效果，从图3中可以看出地质统计学反演结果对薄煤层(蓝色为雕刻出的煤层)反映特别清晰，与井吻合性更好，由此获得的煤层厚度预测平面图精度更高。
2．2．4叠前反演技术预测煤层含气性特征
煤层含气性预测的基础是测井曲线分析。通过对研究区内所收集到的井的含气量与弹性参数交会分析(图4)得到，该区11号煤层的含气量随密度、纵波速度、纵横波速度比、lr值增大而减小，同时按线性关系拟合储层含气量与lr值之间的数学关系，相关系数为0.7292，认为两者的线性关系有一定的可靠性，可以用lr值来指示含气量的变化，lr小值对应含气量的大值。
因此，应用叠前AVO同时反演方法得到lr属性，利用lr值和含气量线性关系可以定性预测含气量。
2．2．5叠前反演技术预测煤层脆性特征
工程上通常使用杨氏模量(E)来表征岩石脆性。但在利用地震数据计算杨氏模量时需要预先知道密度项，而准确的密度信息又必须保证地震数据有足够大的偏移距，这在地震资料采集中通常是无法获得的。因此，Sharma和Chopra提出用一种新的属性——Er来表征脆性[10]，在脆性岩石中，杨氏模量(E)和密度(r)都大，Er值也大。Er属性可以应用叠前AVO同时反演方法计算得到。
3 在HC地区预测应用效果
HC地区地处鄂尔多斯盆地东南边缘的渭北冲断褶皱带上，受多期构造控制或影响，使区内含煤构造呈现北东—南西向展布，总体构造形态为北西倾向的单斜构造。该区已实施了满覆盖面积100km2的三维地震勘探，主力煤层为5号煤层和ll号煤层，5号煤层厚度较小，但区域上分布相对较稳定，厚度一般分布在1～9m之间，单层厚变化较大，W08井5号单层厚度可达9.9m；11号煤层在三维区内厚度分布不稳定，厚度相对较薄，最大单层厚度在10m左右。
为了推进该区煤层气勘探开发，亟须查清主力煤层分布和预测煤层气“甜点区”范围，为井位开发部署提供可靠的地质依据。笔者在该区三维地震资料解释基础上，利用上节中诸多地球物理技术对主力煤层开展“甜点区”预测，掌握了该区主力煤层厚度、埋深、断裂、渗透性、含气性及脆性等方面的特征，下面以ll号煤层为例进行描述。
3．1 构造和断裂特征
在11号煤层顶面埋深图(图5)上可以看到，该区煤层东浅西深，构造比较平缓，等深线总体走向为北东—南西方向。其中紫色加粗线为1200m埋深线，其东部煤层埋深都小于1200m，埋深合适；北部为近东西方向的较大断裂破碎带，在开发井位部署时应该予以避开；中部及西南部也发育近东西和北西西走向断裂，总体断裂发育程度一般。
3．2 裂缝发育特征
基于上述伪泊松比与煤的裂缝发育程度正相关的理论和实验研究，提取该区伪泊松比属性(图6)，图中红色代表伪泊松比值大，推测蓝色多边形圈定的区域裂缝发育。同时把ll号煤层伪泊松比属性和渗流曲线进行对比发现，渗流值较大的区域对应于伪泊松比值大的范围，因而可以推测这个区域为11号煤层渗透性较好的区域。
3．3 煤层厚度特征
在地质统计学反演基础上编制完成11号煤层厚度平面图(图7)，从图上可以看出11号煤层在工区西南部尖灭，东部和北部发育较厚，图中黄色和红色区域煤层厚度大于3m，是煤层气开采的有利区域。
3．4 煤层含气性特征
如前所述，lr值与含气量存在负相关。在11号煤层lr值平面图(图8)上红色代表lr值大，对应含气量高，因而工区中东部粉色多边形范围为11号煤层含气量高的区域(这里不考虑埋深大于1200m的西部区域)，为该层煤层气开采首选区域。
3．5 煤层脆性特征
在沿11号煤层提取的脆性预测平面图(图9)上可以看到：黑色多边形圈中的红色区域指示煤层脆性比较高，主要位于工区中东部，压裂时易产生裂缝；而西部地区岩石的脆性较低，不易于压裂。
3．6 “甜点区”综合评价
HC区块煤层主要发育在斜坡带，煤层未与风化壳直接接触，顶底板为泥岩或砂岩。由于煤层气的储存方式不同于常规天然气，它无须圈闭条件使气聚集，主要构造作用不会使煤层所生成的甲烷大量逸散，并且有足够的地层压力使煤层气吸附于煤层中。所以，该区这种简单的构造条件也是煤层气有利储集带。另外，考虑到整个三维区域内热演化程度一致，因此本次研究不再对热演化程度和圈闭类型单独进行评价，最终甜点区的综合评价主要评价煤层的埋深、厚度、渗透性、含气性及脆性等几个方面。
根据开发成本及钻井需求，针对11号煤层，把埋深小于1200m作为评价有利区的约束条件，结合其他多种信息制定如表1的评价标准，将各方面因素有利区域叠合得到甜点区范围(图10红色多边形圈中的区域)，图中紫色加粗线为1200m埋深线，颜色为厚度，黄色和红色为煤层厚度大于3m的区域。在这里，煤层埋深是首要因素，在煤层气开发中起着“一票否决制”的作用，煤层若埋藏过深，鉴于开采工艺和开发成本即使预测含气量高、渗透性好、脆性好也不予考虑。从图10可以看到该层甜点区面积达到21.64km2，根据预测结果在甜点区内部署的数十口开发井中，目前有2口井进入排采阶段，排采状况良好，其中yz1井日产气量达到1600m3，yz2日产气量达到2000m3，而同期位于甜点区外的井日产气量仅为200m3。
4 结论与建议
1)煤层气富集受控于多项关键地质因素。煤层气“甜点区”的地震预测，以与这些关键地质因素直接相关的三维地震解释成果和多信息为基础，以多要素综合预测为主要技术手段，可以比较准确地预测煤层气富集及开发条件相对较好的煤层气甜点区。
2)通过在鄂东缘HC地区煤层气甜点区预测的探索应用，取得较好预测成果。经后续钻井验证，甜点区预测吻合较好；解释及预测成果在优选评价开发区块、指导开发井位部署与调整中发挥了重要作用，有效降低了煤层气开发钻井风险和开发成本。
3)煤层气甜点区的地震预测，需要高精度的三维地震数据体来提高预测的可信度。建议在经济技术条件合适的煤层气勘探开发区带，部署和实施三维地震采集，将三维地震作为促进煤层气有效开发的主导技术。
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本文作者：霍丽娜 徐礼贵 邵林海 丁清香 王九拴
作者单位：中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司
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