煤层气富集区非地震综合物探技术及试验研究

【摘要】：地震勘探方法在常规油气勘探中发挥了重要作用，在煤层气的勘探中，地震勘探也还处于探索试验阶段。勘探实践证明，在地震勘探条件较差的地区，常规的地震勘探方法也遇到了不少挑战，而且大面积的地震勘探，特别是三维地震勘探，成本极高，与煤层气的经济勘探与开发不相适应。非地震勘探方法技术，种类多样，并且各具优势，是地球物理勘探技术体系中重要组成部分。包括重力、磁法、电法以及电磁法等，勘探成本低廉，容易形成多方法、多参数、多尺度综合勘探的技术优势，开展煤层气非地震勘探技术试验，实现煤层气的经济勘探开发具有重要意义。 为适应煤层气经济勘探和评价需求，在国家重大科技专项——大型油气田及煤层气开发项目的支持下，专门开展煤层气地球物理勘探技术研究，以期提出有效的勘探方法技术及其组合，实现煤层气富集区经济预测与评价。本文主要是开展煤层气富集区非地震综合物探方法技术的探索性研究。主要从以下几个方面开展研究工作，以期获得比较全面、系统性的认识。 首先，对前人关于煤层气勘探与开发相关地质理论和勘探实践成果进行总结，为开展煤层气综合物探技术机理研究提供了较好的地质理论基础。 根据煤层气藏的定义，总结了煤层气藏与常规天然气的显著差异，煤层气生成，运移、富集的一般规律，以及影响煤层气富集的多种因素；分析了区域构造、局部构造及地下水及其动力条件与煤层气富集之间的密切关系，总结了导致煤层气富集与贫化的地质结构模型。 其次，根据煤层气运移、渗漏一般规律与特点，开展了煤层气非地震勘探技术机理与探测模式研究。 详细分析了煤层气的渗漏特点，分析了渗漏过程中在上覆地层中产生的物理或化学变化，总结了煤层气藏上覆地层中特殊次生矿物形成过程，及其在上覆地层中的分布规律；结合煤层气藏的自身特点，对常规油气藏地电化学“烟囱效应”模型进行修正，获得了煤层气藏地电化学探测结构模型；根据地面高精度磁测和激发极化的方法原理，以及煤层气藏上覆地层中特殊次生矿物的特性，提出采用地面高精度磁测和激发极化相结合方法，通过探测煤层气富集区上覆地层中的特殊次生矿物引起的物探异常分布，间接开展煤层气富集区的勘探模式；根据获得的地电化学探测结构模型，详细分析了在煤层气藏上方可能形成的磁异常和激发极化异常特征，提出了异常处理与解释过程中需要注意的相关问题。 根据影响煤层气富集相关的区域和局部构造，地下水的分布及其动力学特征出发，提出采用可控源音频大地电磁测深法（Controlled Source Audio-frequencyMagnetoTellurics，CSAMT）进行煤层气有利富集区的勘探，并提出了几个典型CSAMT法勘探地质-地球物理模型；并提出通过探测地下水、构造等煤层气富集与逸散的外部条件，间接探测或推断煤层气的有利富集区；特别指出，在煤层气CSAMT探测中不仅要重视气藏的构造因素，也应重视地下水的分布因素，这是与采用CSAMT进行常规油气藏勘探的不同之处。 然后，根据煤层气勘探资料处理解释需要，针对时间域激发极化法和可控源音频大地电磁法，开展正演数值模拟与数据处理解释方法研究。 针对时间域激发极化法，根据复杂地电结构模型特点和二维有限单元法数值模拟需要，提出并实现了复杂计算区域非结构化三角网格自适应剖分方法；针对点源二维地电问题，利用有限单元法实现了带地形时间域激发极化2.5维正演模拟和反演方法研究；利用电位互换原理和电位线性叠加法分别实现快速正演和反演中偏导数的计算，有效提高了计算速度；根据提出的煤层气藏地电化学探测结构模型，开展激发极化异常特征研究，理论模型试验结果表明视极化率参数基本不受地形影响。 在偶极源一维CSAMT正演的基础上，利用电磁场叠加原理，完成了双极源CSAMT正演模拟和反演研究；详细比较了偶极源与双极源CSAMT视电阻率曲线特点；为提高反演的效率和精度，采用约束-优化地电参数作为初始模型，采用阻尼最小二乘法实现双极源一维CSAMT的反演，采用有限单元法完成了线源二维CSAMT正演模拟，为进一步开展二维反演奠定了基础。 第四，开展煤层气综合物探技术试验，总结勘探方法与技术的应用效果。 选择山西和顺煤层气勘探区，开展了综合物探技术试验。勘探试验证明，地面高精度磁测弱负异常“亮点”集中分布区与煤层气有利富集区有较好的对应关系；大面积的视极化率平面异常区与煤层气有利富集区有较好的对应关系，且不同地质条件表现相同，而视电阻率异常在不同的地质条件下有不同表现；“烟囱效应”在地面产生的面积性异常位置会受到局部开放性断裂和陷落柱影响；视极化率测深结果能较好地展示“烟囱效应”在地层中的垂向分布，结合极化率异常垂向分布特征，能较好推断面积性高极化异常与深部煤层气藏的对应关系；电阻率测深能较好反映地下含水层的位置及分布，但勘探深度和分辨率受较浅部低阻层影响较大；CSAMT方法能很好地给出地下深部电性结构分布，结合钻井和测井获得的地层电性特征，可较好推断地下地层展布特征，推断结果与已知地震剖面吻合良好；研究表明，可以根据剖面的电性分布特征推测地层含水及富水分布区，以及断裂、褶皱发育部位，推测煤层气相对富集区，也可以为煤层气排采井位的布设提供参考依据。 最后，根据煤层气综合物探技术试验效果，总结并提出了煤层气综合物探技术模式。 以地面高精度磁测为先导，利用区域磁异常获得区块大致构造分区，利用局部异常的正负弱磁异常集中区圈定大致有利区范围；以CSAMT长剖面测量验证和控制区块地层的宏观展布格局，以及地下水的整体分布特点，划分有利富集区段；在有利富集区段采用三维或拟三维CSAMT测量，获得地层平面展布特点和局部构造分布，推断煤层气有利富集范围；在有利富集范围内，以极化率面积测量确定高极化异常部位，辅以极化率测深，修正平面异常，综合三种方法的共同异常部位推测圈定煤层气有利富集部位；实现多方法、多参数、多尺度、多角度综合探测。 通过煤层气富集区非地震综合地球物理勘探试验研究，认为非地震方法在分辨率方面虽然与地震无法媲美，但可以利用多方法、多参数、多尺度的优势，从不同的侧面反映煤层气相对富集区的特征，由于非地震勘探具有成本优势，可实现煤层气富集区经济勘探与快速评价。或为地震精细勘探提供有利目标区，也可以作为煤层气地震勘探方法的有效补充和参考。