基于地震属性优选技术的煤层气开发单元划分

李 俊 ，张 聪 ，张武昌 ，李可心 ，张 慧 ，任智剑 ，乔茂坡

（华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 长治 046000）

沁水盆地南部煤层气田于2006 年开始规模开发。通过开发实践表明，煤层气储层非均质性强，呈现出井间产量差异大的现象，主要体现在不同井组之间产量差异大、同一井组内不同单井产量差异也比较大。而这些井基本上采用了相同的压裂改造工艺、排采管控方法，分析认为造成开发效果差异性的主要原因为储层因素。而开发单元的划分在储层评价及井位部署方面具有重要作用，精细的开发单元，能够有效避免低产井的比例。不同专家学者也对煤层气开发单元划分进行了较为详细、深入的研究。主要是基于钻探、测井、地震等资料，通过对煤储层厚度、含气量、煤体结构、地应力等储层参数进行预测，进而通过一定的数学方法，建立综合评价指标体系，利用该指标的分布特征，划分开发单元与有利区带[1-4]。倪小明等[5]提出了利用“多层次模糊综合评价+多参数叠加”的开发单元的划分方法；陈博等[6]通过建立煤层气藏地质模型，厘清煤储层在空间上的展布特征，进而得出了煤层气选区、布井的依据。通过长期的开发实践，认为该类方法主要存在以下3 个难点：①储层参数的平面非均质性较强，利用仅有的测井参数无法反映出储层的平面连续变化；②综合评价指标的建立主要依赖于各项储层参数与开发效果的相关性，然而，在实际开发中，产量受控因素复杂，选定的单一储层参数与产量之间难于建立较准确的定量关系；③在生产过程中，煤层气开发一般遵循低成本开发的理念，部分储层参数并不易获取，如渗透率、含气量等，只是少量评价井有详细参数，但对于非均质性较强的煤储层而言，是无法满足预测需求的。而地震资料可以反映地层在平面上的连续变化，地震属性参数可反映出地层的岩性或物性的变化，利用地震属性来预测煤储层性质的重要手段[7]。目前利用地震属性技术指导煤层气勘探开发的主要目标还是预测储层的某单一参数，例如预测煤层厚度、含气量、煤体结构等。然而，煤层气井的产气量影响因素较为复杂，往往是多因素共同影响的结果，通过地震属性预测某单一参数的分布可能对煤层气井的高效开发指导性仍然较弱。为此，基于前期的生产数据与地震资料的结合，直接建立了地震属性与开发井产量的关系，通过地震属性优选来划分开发单元，为有利区的预测提供可靠支撑；该方法充分利用了地震数据在平面上的连续性，实现研究区的全覆盖，并结合了大量的生产数据，可较好的指导实际生产。

1 研究方法及内容

1.1 主要思路及流程

利用地震属性划分开发单元流程图如图1。

图1 利用地震属性划分开发单元流程图Fig.1 Flow chart of development units division by seismic attributes

首先针对目标煤层进行层位解释，为提取地震层属性提供基础；然后选择合适的时窗，提取地震层属性，将提取的多种地震属性与产量样本进行计算，优选出与产量相关性最强的地震属性，对优选的地震属性与产量分别进行相关性拟合，计算出与产量的相关系数；最后对优选的属性进行融合，形成一个综合属性，利用综合属性进行开发单元的划分，优选甜点区。

1.2 数据准备——建立样本与提取属性

样本是指产量样本，通过在研究区内优选具有代表性的产气量样本（所选择的单井均为直井，且压裂改造工艺及参数、排采方式均相同），可以剔除压裂、排采等影响产量差异的外在因素；因此造成样本中产量的差异主要影响因素为储层参数，以最大程度的反应地震属性与产量的相关关系。

地震属性能够有效挖掘隐藏于地下的有用信息，并将其转化为与储层相关的参数，直接为储层描述服务。沿解释的层位，选择适当的时窗范围，将地震属性提取出来，可以较好地反映出地层的变化特征。但可提取的地震属性多达上百种，常见的主要包括相干、曲率、蚂蚁体、振幅类等，其中每一类又包含若干子类，例如曲率包含平均曲率、高斯曲率、正大正曲率、最小负曲率等。

1.3 地震属性优选

不同的地震属性是对原始地震资料进行不同的算法计算得出的结果，可反映不同的地层信息。

相干体技术是用于描述断裂和地层特征的一种解释性处理技术，相干性是地震道之间相似性的度量，主要分析以目标点为中心的时窗内相邻地震道波形的相似性，可判断地层的连续性，即利用波形之间的相似性反映地层的连续性特征，以此指示断裂、地层岩性突变和特殊地质体的发育区[8]。相似性越弱，相干属性值越小，表示可能发育断层、裂缝等。

曲率属性是描述曲线上任一点的弯曲程度，构造曲率是根据解释的层位计算得到的地层的曲率。曲率属性值越大，表明地层弯曲程度越大。

煤层在地震剖面上一般表现为强振幅。振幅类属性一般包含均方根振幅、平均绝对值振幅、最大峰值振幅等。不同类的振幅属性均是以地震波形的振幅值为基础，通过不同的算法求得的。储层含气量、煤体结构、厚度等参数与振幅具有一定的相关性[9-10]，一般来说，振幅与储层参数呈现正相关性，能够反映储层的综合性信息，振幅越强，储层越有利。例如均方根振幅是以一定的采样间隔在波形上取点，计算各个点的振幅平方，然后，将所有采样点的振幅平方值叠加后求平均值，最后开平方得到均方根振幅，是常用的振幅属性之一。

在分析时，并不需要将所有属性进行分析，从繁多的属性中优选出有效的属性信息便显得尤为重要[11]，地震属性优选的目的就是从1 组维数为D的地震属性中选择出维数为d（D>d）的1 组最优地震属性。地震属性优选有多种算法[12]，包括搜索算法和指标权重法；但最优搜索算法（穷举法）往往计算量过大，本次利用指标权重法进行地震属性的优选。

指标权重法其主要原理是根据建立的类别样本，定量地对各属性按权重大小排序，然后保留权重大的属性，去掉权重小的属性。主要计算方法如下：

设类别样本{xn}有J个地震属性，xn可表示为xn=（xn1，···，xnJ），样本分为K类C1、C2、···、CK，其中K≥2。计算方法如下：

第1 步：计算各类的类中心mk，式中：nk为属于第k类的样本个数。

把权重 ωj按照从大到小排列，定义累计权重达到85%以上对应的属性个数即为选择的属性数d。

通过地震属性优选后，可以得出累计权重达到85%以上的若干属性。为进一步强化地震属性与产量的关系，需要运用多属性联合预测，可有效提高有利区的预测精度[13]。以优选的地震属性为基础，通过对属性与产量的交会拟合，计算出每个属性与产量的相关系数。通过归一化处理后，将优化后的若干属性进行计算融合，形成新的“综合属性”，来进行开发单元的划分，并预测有利区。

2 地震属性优选技术在樊庄区块的应用

樊庄区块位于沁水盆地南部，以寺头断层为界，断层东侧为樊庄区块，西侧为郑庄区块。区内主力煤层气层为二叠系山西组3 号煤层，最大镜质组反射率一般在3.1%～3.9%之间，平均3.6%，属于高煤阶；3 号煤稳定分布，厚度一般在5～7 m，平均6 m；埋深一般在400～1 000 m，平均含气量达20 m3/t，整体较高。渗透率普遍低于1×10-15m，属于低渗煤层气储层。区内受多期构造运动影响，构造较复杂，局部褶曲、小断层较发育。因此，煤层在平面和纵向上均呈现出非均质性强的特征，进而影响了开发效果[14-18]。开发实践来看，樊庄区块取得了较好的开发效果，但是仍然呈现井间差异大、低产井比例高的特征。

2.1 樊庄区块数据准备——建立样本与提取属性

按照上述建立样本的原则，建立了3 号煤的产量样本。通过整理单井产量，形成单井产量的散点样本，并降散点样本表示在平面图上。研究区产量样本分布如图2。

图2 研究区产量样本分布Fig.2 Distribution of production samples in the study area

样本数为115 个，可将样本分为4 类：①日产气量<500 m3的井定义为低产气类；②日产气量介于500～1 500 m3定义为中产气类；③日产气量介于1 500～3 000 m3井定义为较高产气类；④日产气量>3 000 m3井定义为最高产气类。

在对研究区3 号煤层位精细解释的基础上，沿煤层提取3 号煤的地震属性，提取原则：①选择具有物理意义的属性：即该属性在现有条件下要能够反映储层的特征及变化；②能反映相同物理意义的属性不要同时出现在一个敏感属性集中[19]：主要包括相干、构造曲率、振幅曲率、方差、能量梯度、均方根振幅、平均绝对值振幅、倾角、瞬时频率、瞬时相位等，共计10 种。

2.2 地震属性优选

在本次计算过程中，按照指标权重法计算方式，J=10，K=4，n1= 2，n2=17，n3=55，n4=48。利用Geoeast 软件属性分析模块中的指标权重法，进行了属性优选计算。最终累积贡献率大于85%对应的属性个数为2 个，分别为均方根振幅、相干，贡献率分别为58.91%、29.51%，累积贡献率达到88.42%。地震属性相关性计算结果如图3（图中：Ⅰ—均方根振幅；Ⅱ—相干；Ⅲ—曲率；Ⅳ—平均反射强度；Ⅴ—瞬时频率；Ⅵ—品质因子；Ⅶ—平均能量强度；Ⅷ—瞬时相位；Ⅸ—方差；Ⅹ—中间频率响应）。

图3 地震属性相关性计算结果Fig.3 Calculation results of seismic attribute correlation

为进一步分析各种属性与产量的关系，对各单井的产量分别与均方根振幅、相干2 种属性进行了拟合；进而得出优选的地震属性，优选的地震属性分布图如图4。

图4 优选的地震属性分布图Fig.4 Distribution of preferred seismic attributes

可以看出：①由于相干属性主要反映了断层及微断裂的空间分布特征，在断层或微断裂附近，煤层甲烷逸散严重，含气量显著下降，导致低产（图4（a）），然而，目前对不同规模断层的影响距离仍无法做出定量的表征，通过本次相干属性与产量的关系，可以较好的解决这一问题，即通过研究区的相干属性低值与产量低值的重叠区，来确定断层影响区，该区域内受断层影响，含气量降低，为低产区；②均方根振幅值与产量呈现明显的正相关性，尤其对于相干属性值>125 的较高值区，利用相干属性难于反应储层微小差异，与产量相关性也变弱，便可以利用均方根振幅来区分，在地震属性平面分布图上也可以看出（图4（a）与图4（b）中圈中部分）。

因此认为，相干属性可以很好地判识断层影响范围内的低产区，均方根振幅属性还可以较好地区分出中高产区。

2.3 多属性联合预测有利区

优选属性与日产量关联度统计表见表1。

表1 优选属性与日产量关联度统计表Table 1 Statistical table of correlation degree between preferred attributes and daily output

通过优选属性与日产量关联度统计表（表1），均方根振幅和相干属性与日产气量的拟合相关系数分别为0.196 9、0.239 9，归一化处理后，对应的权重系数分别为0.451、0.549。再利用Min～Max 标准化方法对地震属性值进行标准化处理。最终，得出综合属性U的计算公式：

式中：U为综合属性；U1为均方根振幅属性值；U2为相干属性值。

通过对地震属性进行计算，并等值线处理后，形成了综合属性分布图。再通过综合属性与日产气量进行交会分析，建立了日产气量与综合属性的计算公式，得到综合属性与日产气量交会图。综合属性分布图如图5，综合属性与日产气量交会图如图6。

图5 综合属性分布图Fig.5 Distribution of comprehensive attribute

图6 综合属性与日产气量交会图Fig.6 Intersection diagram of comprehensive attributes and daily gas production

可以看出：综合属性与日产气量的相关性得到了加强，关联度提高至0.506 2。可以将研究区分为不产气区、低产区、中产区、高产区4 个区域：①图5 中蓝色区域（U值小于0.5）为不产气区；②图5 中绿色区域（U值介于0.5～0.6）为低产气区，日产气量一般在100～800 m3；③图5 中黄色区域（U值介于0.6～0.8）为中产区，日产气量一般在500～2 500 m3；④图5 中红色区域（U值大于0.8）为高产区，日产气量一般在1 500 m3以上。

通过有利区划分，可以实现高效的井位部署，提高研究区的整体开发效果：红色区域是甜点区，是井位部署的首选区；其次，黄色区域为开发较好区域，也是井位部署的考虑区域；绿色和蓝色区域为低产区域，不利于开发，应避免将井位部署在该类区域。

3 结 语

对于已开发区的煤层气区块，为进一步精确预测有利区，指导后期井位优化部署和高效开发，将地震属性资料与开发资料相结合分析的方法是十分必要的。

1）煤层气井间产气效果差异性大，储层平面非均质性较强，利用测井参数无法连续地描述储层的平面特征，不能满足储层强烈非均质性的分析要求。

2）利用地震资料在平面上具有连续分布的优势，结合大量的生产开发数据，建立了地震属性与产量的关系。通过相干属性分析显示：相干属性低值与产量低值区重叠，可更精细的描述断层及微断裂的空间分布特征，为定量描述断层的影响范围提供了一种较好的解决方法。均方根振幅与产气量拟合显示：均方根振幅值与产量呈现明显的正相关性，可以较好地区分中高产区的储层差异性。

3）通过指标权重法，优选了与产量相关性较强的均方根振幅属性与相干属性，并通过多属性联合预测方法，形成综合属性图，较客观、准确地划分了开发单元，可以有效指导后期井位的优化部署。