准噶尔盆地是西北地区主要聚煤盆地，煤层厚度大、层数多、煤阶低，具有典型低煤阶煤层气盆地特征。该盆地煤层气资源量大，其南缘煤层气显示活跃^[1]。针对准噶尔盆地南缘煤层气勘探目标优选和煤层气富集成藏规律等方面的研究，近年来开展了不少工作。王安民等^[2]提出了运用初步定性判断—定量评价研究—定性评价验证的思路进行煤层气选区评价方法；许婷等^[3]从资源条件、储层条件与保存条件出发，建立了适用于准噶尔盆地东南缘煤层气选区评价的数学模型；陈振宏等^[4]研究了准噶尔东南缘中低煤阶煤层气富集规律及成藏模式；李勇等^[5]基于对准南地区构造、沉积、水文、物性和含气量分布的精细解剖，总结了煤层气富集成藏规律；孙斌等^[6]提出了准噶尔盆地深部煤层气综合勘探新思路，即煤层气与常规气相结合，以游离气为主、吸附气为辅，寻找保存条件好的圈闭进行勘探；汪新伟等^[7]研究了准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带的构造变换带特征；孙自明等^[8]在对准噶尔盆地南缘及邻区构造演化和对地震等地球物理资料分析的基础上，研究了该区中新生界构造样式。这些研究成果为深入开展准噶尔盆地南缘煤层气富集区预测提供了重要参考依据。

国内有关学者还开展了煤层气富集区预测研究。彭苏萍等^[9]提出了基于地球物理信息融合进行高丰度煤层气富集区预测的方法；陈贵武等^[10]研究了高丰度煤层气富集区地球物理定量识别技术；李玉莹等^[11]开展了基于双模式反演方法的煤系地层顶底板岩性识别；陈勇等^[12]研究了基于主控因素的煤层气富集区地震预测技术及其应用。但是，有关准噶尔盆地南缘低煤阶煤层气富集区三维地震预测的研究鲜有报道。

为深化准噶尔盆地南缘煤层气资源潜力调查与评价，开展了三维地震勘探野外采集、山地地貌地震数据处理、地震资料解释、叠后波阻抗反演、自然伽马拟声波反演和叠前AVO反演，研究煤层埋深、断层特征、煤层厚度、煤层顶板岩性和煤层含气量等影响煤层气富集的主要地质因素，实现对低煤阶煤层气富集区预测。

1.   概况

1.1   勘探区位置

准噶尔盆地南缘呼图壁三维地震勘探区位于新疆呼图壁县城西南70 km，北距大丰镇50 km，东距乌鲁木齐市95 km。勘探区东西长3.0 km，南北宽1.34 km，满覆盖面积4.02 km²。

勘探区位于天山北麓，海拔高度为1 190~ 1 790 m，最高海拔1 952 m，属于高山区。勘探区总体上为南高北低。

根据地貌和实际探勘情况，将表层划分为黄土覆盖区和基岩出露区两个主要类型，前者占勘探区60 %，后者占40 %，表层地震地质条件一般。

1.2   区域地质概况

准噶尔盆地南缘位于准噶尔盆地与天山造山带结合部。区域出露地层由老至新依次为：石炭系中统前峡组(C₂qx)、侏罗系下统八道湾组(J₁b)、三工河组(J₁s)侏罗系中统西山窑组(J₂x)、头屯河组(J₂t)、侏罗系上统齐古组(J₃q)、喀拉扎组(J₃k)、白垩系下统吐谷鲁第一亚群(k₁tg^a)、第四系全新统冲洪积层(Q₄^al+pl)、坡积层(Q₄^dl)。

地层总体为一南倾单斜构造，走向近东西，地层倾角45°~53°。含煤地层为中侏罗统西山窑组，含可采及局部可采煤层7层，煤层编号自下而上依次为B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆和B₇煤层。煤层变质程度普遍较低，R_o≤0.7 %，以长焰煤、不黏煤和气煤为主，属于低煤阶类。

1.3   煤层

勘探区有钻井1口，即新呼参1井，位于测区中部偏西，钻探揭露的西山窑组煤层有7层，即B₁到B₇煤层，其中B₄煤层最厚，为19.50 m，如图 1所示。从图 1可以看出，煤层在测井曲线上表现为低伽马、低密度、低速度、高电阻率和低自然电位的特征。

图  1  西山窑组钻井综合柱状图

Figure  1.  Comprehensive columnar of Xishanyao formation well

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2.   三维地震数据采集、处理与解释

2.1   三维地震数据采集

为实现基于三维地震预测煤层气富集区的目的，数据采集按照宽方位、小道距和高覆盖次数目标设计，采用16L×6S×160R观测系统，2个HT-5 Hz低频检波器组合接收，以提高目的煤层反射波的信噪比和分辨率。该区典型单炮记录如图 2所示，图中矩形框内为目的煤层反射波。该数据采集为后续地震资料处理奠定了良好基础。

图  2  典型单炮记录

Figure  2.  Typical seismic single shot recording

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2.2   三维地震数据处理

通过对原始地震资料分析，结合煤层气富集资源条件，认为该区地震数据处理主要有2个难点：

(1) 静校正问题。本区大部分属于山地地貌，地表起伏剧烈，低降速带变化快，野外静校正问题突出。能否准确地计算低速带模型参数，进而求取精确的野外静校正量，是影响处理质量的关键。

(2) 陡倾角煤层成像精度问题。本区主要目的煤层倾角陡，如何获取准确的速度，选取合理的偏移方法、确保煤层偏移成像效果，是数据处理的另一关键。

针对本区地震资料特点和数据处理难点，建立三维地震资料处理流程。针对静校正问题，处理前对常用的高程静校正、折射波静校正和层析静校正进行对比试验。为了保证测试的准确性，每种静校正都拾取了各自的叠加速度。通过对比，最终选用层析静校正方法。针对陡倾角煤层成像问题，采用克希霍夫三维叠前时间偏移方法，使用均方根速度模型计算三维旅行时间，具有偏移运算快、成像精度高的特点。该区叠前偏移地震剖面如图 3所示，可见目的煤层反射波归位准确，剖面构造形态清晰，断点和断块清楚。

图  3  叠前时间偏移剖面

Figure  3.  Pre-stack migration inline section

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2.3   三维地震资料解释

层位标定是资料解释的基础。根据已知钻井合成记录，确定主要煤层B₁、B₂、B₄和B₆底板对应的标准反射波，自下而上分别用T₁、T₂、T₄和T₆表示，如图 4所示。值得一提的是，由于B₆和B₇层间距小，实际上T₆是B₆和B₇煤层的复合波，制作合成记录时将其视为B₆煤层底板。

图  4  典型地震反射波剖面

Figure  4.  Standard reflection wave of main coal seam floor

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在层位追踪的基础上，结合地震属性分析，可以获得主要煤层的断层展布特征。图 5为B₄煤层沿层最大波峰振幅属性与断层叠合，稳定煤层通常表现为强振幅(红色到绿色)，而断层则表现为弱振幅条带(紫色到蓝色)。值得一提的是，矩形框为勘探区满覆盖范围。

图  5  B₄煤层沿层最大波峰振幅属性与断层叠合图

Figure  5.  Maximum wave peak amplitude horizon attribute and fault overlapping graph of B₄ coal seam

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本区共解释断层9条，其中正断层3条，逆断层6条；落差小于3 m的断层1条，落差大于10 m的断层8条。区内逆断层以NEE向为主，西侧断层落差小、延展短，东侧断层落差大、延展长。

3.   煤层气富集的关键地质因素反演

3.1   煤层埋深与构造展布

已知钻井主要煤层分布特征，利用叠加速度体，以解释层位为约束条件，得到煤层速度平面分布，实现时深转换。

本区主要煤层产状为一单斜构造。以B₄煤层为例(图 6)，已知钻井处埋深为991.5 m，满覆盖范围内埋深925~1 350 m，煤层倾角45°~60°。主要煤层埋深适中，位于煤层气运移指向区，且远离煤层甲烷风化带，有利于煤层气富集。西部及中部断层不发育，对煤层气富集有利。

图  6  B₄煤层深度等值线

Figure  6.  Depth contour of B₄ coal seam floor

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3.2   煤层厚度

根据叠后稀疏脉冲反演得到的波阻抗数据体，利用煤层低阻抗(图中蓝色)的特征，可以预测主要煤层厚度分布(图 7)。

图  7  基于叠后波阻抗反演预测煤层厚度

Figure  7.  Prediction of coal seam thickness based on post stack impedance inversion

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已知钻井处煤层厚度为19.50 m，满覆盖范围内煤厚在14~22 m之间，总体上看北部厚、南部薄，西部厚、东部薄。B₄煤层厚度(图 7)与B₄振幅属性(图 5)具有一定的相关性，煤层越厚振幅越强，进而验证了B₄煤层厚度反演预测的可靠性。

3.3   煤层顶板岩性

针对砂岩、砂质泥岩和泥岩波阻抗差异小，使用叠后反演波阻抗数据难以进行岩性划分，利用数学方法将自然伽马曲线转换为具有声波量纲的自然伽马拟声波曲线，满足常规叠后反演应用条件。通过自然伽马拟声波反演方法^[13]，发挥自然伽马曲线能够灵敏划分砂岩、泥岩和砂质泥岩的优势，可实现对煤层顶板岩性的预测。

图 8(a)为自然伽马拟声波反演B4煤层顶板波阻抗切片图，图 8(b)为B₄煤层顶板岩性分布图。已知钻井处B₄煤层顶板为泥岩和砂质泥岩，厚度为5.50 m，本区北部主要为砂岩，对煤层气保存不利，南部主要为砂质泥岩和泥岩，有利于煤层气保存。

图  8  基于自然伽马拟声波反演的B4煤层顶板岩性分布

Figure  8.  Roof lithology distribution of B₄ coal seam based on natural gamma pseudo acoustic inversion

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3.4   煤层含气量

叠前振幅随炮检距变化(AVO)反演是预测煤层含气量的重要方法^[14-16]。基于叠前AVO反演得到的截距和梯度属性，如图 9(a)所示，与煤层含气量建立相关关系，可以进行煤层含气量预测。已知钻井处B₄煤层含气量为13.72 m³/t，根据叠前AVO反演预测的B₄煤层含气量分布在8.57~ 15 m³/t之间，如图 9(b)所示，可见B₄煤层含气量总体较高。

图  9  基于叠前AVO反演的B₄煤层含气量预测

Figure  9.  Gas content prediction of B₄ coal seam based on pre-stack AVO inversion

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3.5   研究区煤层气富集区划分原则

综合分析，煤层埋藏深、断层不发育、煤层厚度大以及煤层顶板泥岩厚，有利于煤层气的富集。根据煤层埋深、断层特征、煤层厚度、煤层顶板岩性和煤层含气量等影响煤层气富集的主要地质因素资料，确立研究区煤层气富集区划分原则为：同时满足煤层厚度大于5 m、煤层含气量大于10 m³/t、煤层埋深分布在700~1 600 m之间、顶板岩性为砂质泥岩或泥岩以及具有强地震振幅属性的区域，为煤层气富集区。

根据此划分原则，可将煤层气富集区按不同模式进行有利区定性分类：煤层埋深相对较浅、面积较大以及断层较少的区域，定义为Ⅰ类煤层气有利区；煤层埋深较大、面积较小以及断层较多的区域，定义为Ⅱ类煤层气有利区。

4.   煤层气富集区预测

依据煤层气富集区划分原则和有利区分类模式，对本区煤层气富集区进行了预测。B₄煤层煤层气富集区分布如图 10所示，可见西侧和东侧各分布1个煤层气富集区。

图  10  B₄煤层煤层气富集区

Figure  10.  Coalbed methane enrichment area in B₄ coal seam

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西侧煤层气富集区面积为0.89 km²，煤层厚度在18~24 m之间，含气量大于12 m³/t，煤层埋深在760~1 310 m之间，煤层顶板为砂质泥岩。这一区域为Ⅰ类煤层气有利区。

东侧煤层气富集区面积为0.34 km²，煤层厚度在16~20 m之间，煤层含气量为大于12 m³/t，煤层埋深为960~1 360 m之间，其顶板为砂质泥岩。这一区域为Ⅱ类煤层气有利区。

煤层气开发生产井建议部署在煤层气富集区内，Ⅰ类煤层气有利区是井位部署首选，Ⅱ类煤层气有利区作为备选。

5.   结论

本文基于三维地震法，根据影响煤层气富集的主要地质因素，对研究区B4煤层气富集区开展预测研究。结论如下：

(1) 野外数据采集采用16L×6S×160R观测系统，通过宽方位、小道距和高覆盖次数采集，提高了地震资料采集质量。针对山地地貌静校正严重和陡倾角煤层成像精度要求高的技术难点，开展了高分辨率三维地震资料处理，目的煤层反射波归位准确、断点和断块清晰，满足煤层气富集区预测需求。

(2) 在地震资料解释的基础上，开展了叠后波阻抗反演、自然伽马拟声波反演和叠前AVO反演，基于反演结果，预测出煤层厚度、煤层顶板岩性和煤层含气量等影响煤层气富集的主要地质因素。

(3) 利用主要地震地质因素，确立了研究区煤层气富集区划分原则。将同时满足煤层厚度大于5 m、煤层含气量大于10 m³/t、煤层埋深分布在700~1 600 m之间、顶板岩性为砂质泥岩或泥岩以及具有强地震振幅属性的区域，确定为煤层气富集区。

(4) 根据煤层气富集区划分原则和有利区分类模式，对研究区B₄煤层进行了煤层气富集区预测和煤层气有利区圈定。提出了将Ⅰ类煤层气有利区作为井位部署首选的建议，为煤层气开发提供了技术支撑。