应用高精度地震技术开展煤田地质勘探可行性研究报告

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前言
高精度地震技术为油气勘探提供可靠的地质成果，在油气勘探领域是得到公认的事实。

但是，应用于煤田地质勘探，特别是利用高精度地震技术开展煤层气的勘探，似乎也应该是比较成熟的技术。

其实不然，煤田地质勘探特别煤层气的勘探，对高精度地震技术提出了更高、更精确、更准确的要求。

因为许多煤层的单层厚度薄、断点落差很小、断点平面位置要求非常高，而且煤层多数是与泥岩、砂质泥岩和灰岩等岩性形成相互薄层，仅管煤层本身是一个良好物性界面，但夹杂在这些岩性之中，良好的物性界面也就显得不明显了。

因此，应用高精度地震技术，服务于煤田及煤层气勘探，应该讲是地震勘探技术深入发展的新课题。

本文通过胜利油田物探公司近几年来，为煤田及煤层气勘探服务的实践，通过实例，介绍几点体会和提出某些建议。

一、沁水盆地煤层气勘探
1、沁水盆地高精度二维地震勘探的主要地质任务
(1)、了解工区主要构造特征、形态、断裂分布规律及工区煤系分布特征，主要煤层深度，厚度变化，预测主要煤层厚度变化趋势及小断层分布特点，为部署参数试验井、提供依据；
(2)、结合煤层气参数井、试验井资料，整体评价工区煤层气地质条件，聚集规律，帮助选择富集区；
(3)、要求地震勘探的目标是得好3＃煤组反射和15＃煤组反射，得好10m以内小断层的分布规律，力争得到奥陶系顶面反射及煤系上部地层反射；
2、沁水盆地高精度二维地震勘探采集方法
工区内表层地震地质条件复杂，可以分为四类，即黄土覆盖区、岩石出露区、河谷漫滩区和山坡冲沟区，其中后两种地区打井困难。

根据大量试验结果，主要选择施工因素如下：使用多道大动态数字地震仪，lms采样；观测系统为1525-25-025-1525m，30次覆盖；不同地表条件做了大量的试验性工作，采用不同井深和药量，并采取了特殊的激发震源，确定了合适的激发与接收方式，为得
好野外采集资料奠定了坚实的基础。

3、沁水盆地高精度二维地震勘探处理思路及特点
根据地质任条要求及对野外资料的认真分析，围绕着切实解决好野外静较正问题、尽最大努力提高资料信噪比、展宽频谱提高分辨率的处理思路，主要抓住四个环节：
(1)、在野外静校正基础上进行折射波静校正，多次迭代消除剩余静校正的影响，迭后进行最终基准面校正四个步骤，切实解决复杂地表区的静校正问题。

(2)、针对本区地表复杂及施工因素不一致的实际情况，选择了地表一致性的处理方法，包括地表一致性振幅恢复、地表一致性反褶积、地表一致性剩余静校等。

(3)、采用迭前去噪与迭后去噪相结合的方式，解决本区资料的低信噪比问题。

(4)、考虑到本区频带范围的变化，充分利用零相位反褶识的时空变功能，在有效拓宽品质段资料频谱的同时，尽量保持低信噪比段资料的反射连续性。

经过反复试验，确定了适合本区的最终处理流程，从而得到了较为理想的处理剖面。

4、沁水盆地高精度二维地震勘探资料解释
沁水盆地高精度二维地震勘探资料解释首先需要解决的是速度分析。

速度是地震资料解释的关键，层位标定、时深转换均需要较为准确的速度，我们利用地震迭加速度和测井声波资料加以综合分析，确定了本区的基本速度参数。

(1)、平均速度特征
通过此次地震施工及资料处理，获取了迭加速度，利用迭加速度求取了地层的平均速度。

计算结果表明，工区内地层特别是煤系地层平均速度横向变化较大。

同时，利用声波测井资料，计算了这两口井的平均速度。

(2)、层速度特征
从声波时差曲线可以看出，煤层的层速度在2300-2500m/s之间，与上覆泥岩、下覆奥陶系泥灰岩速度二者存在较大速度差。

(3)、V0、β值的确定
利用制作的合成记录与地震剖面对比，吻合较好之后。

结合合成记录反求煤
层速度，可以看出合成记录反求速度和声波测井的平均速度也吻合较好，更适合
该工区的平均速度随深度变化的规律。

(4)、层位标定
首先进行了合成记录的制作，完成了不同频率的合成记录（见图1），通过
不同频率的合成记录对比可以看出，某频率范围內的波组特征与地震剖面波组特
征吻合较好。

从而得到较为合适的合成记录作为层位标定的依据。

从合成记录上
看，对比岩性柱状图和剖面，主要有五套明显反射，其波组特征更为清楚。

(5)、地震波组反射特征分析
对比全区高精度叠加剖面，反射波组有以下特征。

(见图1、图2)
T 2：相当于石千峰组底界反射，2－3个相位，反射能量较弱，但连续性较好，
可以全区追踪，反射时间为80－300ms 。

T 3：相当于上石盒子内部砂泥岩组合反射，2－3个相位，反射能量较强，可
断续追踪，反射时间为180－480ms 。

T 4：相当于上石盒子内部砂泥岩组合反射，2个相位，反射能量较弱，但连
续性较好，可全区追踪，反射时间为280－630ms 。

T 6：相当于二迭系山西组3＃煤层顶板反射，4－5个强相位的第二个相位，
反射能量强，波组特征明显，可以全区追踪，反射时间为380－770ms 。

T 8：相当于石炭系太原组15＃煤层顶板反射，4－5个强相位的最后一个相
位，反射能量较T6次之，连续性较好，反射能量较稳定，反射时间为440－860ms 。

T 10：相当于奥陶系底界反射，反射同相轴时断时续，反射能量较强但很不稳
定，不能全区对比追踪，反射时间在710－1090ms 左右。

T 12：：相当于寒武系底界反射，反射同相轴时断时续，反射能量较强但很不
图 1 利用声波合成记录层位标定 图 2 SY98-518测线反射特征图
稳定，不能全区对比追踪，反射时间在880－1270ms左右。

(6)、剖面的对比解释
统观全区四条高精度叠加剖面，研究几个主要波组的特征及相互关系，分析剖面的结构，选准基干剖面为主，运用合成记录进行层位标定，追踪解释反射能量稳定，连续性好的层位为主，严格注意闭合时差，形成一个总体概念。

严格把握好对比原则，完成全区层位追踪解释。

严格注意剖面上断层的解释，根据地质任务要求和剖面特征，为本区制定特殊的断层的识别方法，依据：(A)两侧地层产状发生明显变化。

这多是大断层的反映；(B)反射波同相轴错断。

这一般发育中、小型断层；(C)反射波同相轴增多，地层增厚。

这一般发育中、小型断层；(D)强相位突然中断或扭曲、消失。

这常是小断层的反映。

并结合本区区域地质特征，确定了断层在剖面上的组合形态：阶梯状、地垒式、地堑式、Y字式四种形式。

5、沁水盆地高精度二维地震勘探地震地质成果
(1)、构造发育特征
太行断块隶属于华北断块，沁水盆地是太行断块内部的次级构造单元，因此，沁水盆地的构造发展史与华北断块的构造发展史紧密相关，而又有自己的特点。

(2)、构造层的划分
通览全区高精度二维地震勘探剖面，本区在纵向上可划分为三个构造层。

即：①底构造层：系指奥陶系以老的地层，与上覆地层呈不整合关系。

②中构造层：包括古生界的石炭系、二叠系和中生界的三叠系，以3#煤和15#煤的强反射为识别标志。

③上构造层：该构造层包括侏罗系、白垩系和下第三系等地层，与下覆地层呈明显夹角。

(3)、构造特征
从3#煤和15#煤的顶板构造图分析，测区总体构造形态相对平稳，向西南方向加深，向北抬起，中间呈一北西西走向平稳过渡带。

本测区发现五个较明显的继承性隆起背斜，最大隆起幅度125m，水平宽度2600m。

最小隆起幅度30m，水平宽度900m。

(4)、断层特征及分布
工区内断层较为发育，按切割的地层不同，总体上可划分为三类：①深切奥
陶、寒武的大断层。

这类断层发生时间早，数量较少，但断距大。

②断至石炭系
的断层。

这类断层发生时间晚，断距较大，数量较多。

③煤系地层内部的层间断
层。

这类断层大都属同沉积断层，断距小，仅切割煤层，但数量多。

工区内大断层主要有五条：①东掉正断层，断距达380m ，是工区内最大的
一条断层，发育早活动期长，应属沁水盆地北部控制地层沉积厚度的Ⅱ级断层，
近南北走向。

②南掉正断层，断距在30－60m 之间，位于盆地北部地层抬升部位，
属拉张盆地较次一级断层，走向北西西，延伸长度约40公里，是工区内延伸较
长的一条断层。

③F 3和F 4两条断层是东掉正断层的分枝断层，其中F 3断距150m ，
F 4断距60m ，走向北西西。

两断层掉向相反，形成一地堑。

④位于500线桩号468300
处，断距120m 。

因测线太稀，平面图上无法组合。

本区还有四条逆断层存在： ①其中有两条掉向相反的逆断层，断距分别为
50m 和60m ，形成一地垒。

其中一条逆断层规模较大，是自古老地层中发育起来
的；而另一条规模较小，属伴生断层。

②另解释的两条逆断层，断距分别为30m
和52m ，是由煤系地层断至浅部。

剖面上地震反射有明显的逆推现象。

分析两条
逆断层形成原因，是由于煤系地层相对较软，而上覆地层相对较硬，在地层抬升
的作用下，上倾方向的地层受自身重力的影响而下滑，产生挤压力，从而产生逆
断层。

(见图3、图4)
6、煤系地层及煤层气研究
(1)、煤层的地震反射特征
前已述及，煤层的层速度较低，与围岩的速度差别在1500m/s 左右，因此煤
层与围岩存在较大波组抗差，能形成较强的波组抗界面，声波合成记录证明了这
一点。

从含煤和不含煤的合成记录可以看出，3＃煤和15＃
煤尽管较薄，却能形成
图3 SY98-390测线上的逆断层 图4 SY98-390测线上的小幅度隆起构造
独立的强轴反射。

为了较为细致的研究煤系地层的反射特征和分布规律，在高精度地震剖面常
规处理的基础上进行了高分辨率处理，经过频谱分析、对比结果表明，煤层反射
特征更为清楚。

但随着煤层厚度、煤质等特性在横向上的变化，煤层的这些特征
也随之发生变化，导致反射相位数目的变化。

因此，在煤层解释的过程中，要以
高分辨率处理剖面解释为主，利用多种资料和手段，仔细对比解释。

可以看出，
煤层特征明显，也易于识别。

(2)、煤层厚度描述方法
①振幅厚度相关法
由于煤层与围岩间存在较大层速度差，是一强反射系数界面，其反射能量的
大小应是煤层厚度的直接体现。

基于这一认识，首先读取井旁已知煤层相应的地
震道振幅值，然后建立厚度－振幅值数据对，运用最佳拟合算法，确定最佳关系
曲线和关系式。

利用人机联作技术提取煤层振幅值，按照确定的关系式进行转换，
求得煤层厚度。

参加拟合的已知井数越多，精度越高，效果更清楚。

②测井约束反演
测井约束反演技术，是在地质层位的约束下，充分发挥地震在横向上信息丰
富、测井在纵向上分辨率高的优势，把地震与钻井、地质紧密结合起来，将地震
剖面反演成岩性信息或速度信息更加丰富的波组抗剖面或速度剖面，大大提高了
解释精度。

将这种技术引入到研究煤层的厚度变化和速度变化特征中，也取得了
较好的效果。

充分运用多井约束反演的实现精确地求取煤层厚度，是测井约束反
演中的延续。

多井约束反演，主要包括以下几个过程：多井优化环境校正，井旁
道相关分析、非线性多级子波分析、地质控制模建立、多井空间反演。

(见图5)
(3)、反演剖面解释方法
图5 测井声波反演人工合成记录
常规的地震剖面上波峰、波谷代表地层分界面，是界面型剖面，而反演后的剖面其波峰、波谷对应岩层，是地层型剖面，因此，反演地震剖面的解释不同于常规地震剖面的解释。

由于解释系统本身的限制，还必须使用专门的软件将反演后的高频信息加强，突出强弱变化，便于追踪解释，以求取薄层厚度，同时，还可进行孔隙度反演或岩性体解释等。

(见图6)
图6 测井声波人工反演波阻抗剖面
(4)、效果分析
本次工作中，利用井的资料，对约19km进行了波阻抗反演试验，其解释结果效果良好。

用波阻抗剖面解释求得的3＃煤厚为3.2m，而实钻厚度3.08m；求得的3＃煤厚为2.8m，而实钻厚度2.58m，由此可见精度较高。

分析波阻抗剖面变化特征不难发现，当对应的波阻抗曲线值明显变小时，井所钻遇的3＃、15＃煤层厚度变薄。

当波阻抗值增大，这说明煤系地层厚度也增大，这和用振幅相关法求取的煤层厚度变化趋势是可靠的。

综上所述，在煤层纵、横向展布与围岩速度、密度差异较大，在钻孔资料较多的情况下，多井测井约束反演技术是求取煤层厚度有效方法，而且精度更高。

通过定量计算和定性分析，工区内煤层的分布有
如下特征：
①平面分布特征
从3＃煤厚度趋势图可以看出，3＃煤的总体分布趋势是北厚南薄。

北部煤层大都超过3m，尤以东北部最厚，厚度增大到5-6m；南部煤层相对较薄，以2m厚煤层为主。

15＃煤的分布特征不同于3＃煤，从15＃煤厚度趋势图可以看出，15＃煤的总体分布趋势是周边厚中部薄。

厚度在1－3m间变化，平均厚度小于3＃煤。

②厚煤层发育区
从3#煤厚度预测图上可以看出，工区范围内北部是厚煤层发育区。

SY-001井以南，煤层厚度以3m为主，最厚达4m；HG1和HG6井区的煤层厚度也都大于3m，而且往东逐渐加厚。

(5)、煤层气勘探目标评价
沁水盆地是我国重要的产煤地区，C-P系地层含煤面积达26000km2，分布范围广，且煤层相对较厚，煤质演化程度高，大部分演化到无烟煤或超无烟煤，并且在煤层气的勘探过程中，已发现有多口具有工业价值的煤层气井，因此，该地区有良好的煤层气勘探开发前景。

如何来评价一个地区是否具有工业价值的煤层气远景呢？据研究，煤层气主要以三种形式储存在煤层中：即吸附状态、游离状态和水溶状态，分别称之为吸附气、游离气和水溶气。

煤层气含量除与煤的形成环境和成煤物质有关外，还与煤层所受压力、温度、煤质、覆盖层的厚度等因素有关，同时在一定程度上也受煤层的渗透率、空隙度、裂隙大小及相邻地层渗透率的影响。

因此，煤层气勘探目标的评价涉及许多因素，主要综合考虑以下几方面：(A)煤层厚度大；(B)煤层顶、底板岩性好；(C)构造位置有利；(D)埋深适中；
(E)煤质演化程度高。

根据上述评价标准，结合沁水盆地的区域地质特征和高精度二维地震勘探取得的成果，对该地区煤层及煤层气进行了预测与评价：
① 3＃煤厚度趋势图已经指示了工区内厚煤层出现在北部和东北部；而且，从三口钻探井的实际资料情况来看，煤层的顶、底板岩性以泥岩为主，封闭条件良好；从构造位置上来说，工区北部地层抬升，是煤层气运移的指向方向，另一方面上倾方向的供水区被抬升，煤层可能出现超压现象，因此，有利于煤层气在这一区块聚集、成藏。

所以，工区北部应是煤层气的重点勘探地区。

②从测井约束反演的速度剖面、波组抗剖面和多参数分析剖面上分析，在
SY-001井区和HGl井区的南部，HG6井区的北部，都己显示出有利的地质特征。

因此，目前评价SY-001井区和HGl井区的南部和HG6井区的北部，预测应是下步煤层气勘探的有利区块。

③根据以上预测的煤层气重点勘探区块，后来据有关信息报道，在实践得到了充分的证明，己成为我国近几年发现面积最大、产量较高的工业性煤层气田。

二、孔庄煤矿深部煤层三维地震勘探
孔庄煤矿位于大运河水域，既有农田，又有鱼塘连片，大运河横贯工区，还有许多工农业设施，地形平坦但较复杂。

孔庄煤矿从地质上讲，处在华北盆地南端，沉积地层有第四系、下白垩统-上侏罗统、二迭系上、下统、石炭系上、中统、中奥陶系，由于地层剝蚀较多，形成多个不整合面。

最大埋藏深度在1500—2000m之间。

孔庄煤矿的煤层主要在石炭系上统太原组和二迭系下统山西组。

太原组为主要含煤层，共计13层，其中以21号煤层比较稳定，为可采煤层，平均厚度为1.54m，顶板为灰岩，底板为泥岩、细砂岩。

17号煤层由于受岩浆岩的侵入，大部分变为天然焦或被岩浆岩吞蚀，呈局部可采的不稳定煤层，
山西组含煤层4套，以7、8号煤层为主采煤层，埋藏深度为650—1200m。

山西组7号煤层平均厚度为4.3m，较稳定结构简单。

煤层顶板为砂质泥岩或泥岩，底板为泥岩，埋藏深度为500—1200m。

8号煤层平均厚度为3.25m，也较稳定结构简单。

煤层顶板为砂质泥岩或砂泥岩互层，底板为泥岩、细砂岩。

二迭系下石盒子组为一陆相含煤建造，仅有2-3层薄煤层，几乎无可采价值。

本区地质构造较简单，断裂发育也较简单，大于5m的断层较少，主要以正断层的小断层为主，断层走向呈北东向和北东向。

地层做倾角一般在250，局部可达270，呈北东向与北西西向。

1、孔庄煤矿深部煤层三维地震勘探地质任务
①查明探区内7、8号煤层≧5m断层落差、性质及产状，其平面误差小于20m。

②解释落差小于5m的断层及断点。

③查明探区内7、8号煤层的赋存状况及褶曲构造形态，要求煤层埋深误差小于1.5%。

④探查并解释测区岩浆岩、陷落度等其它地质构造发育情况。

⑤解释17、21号煤层的赋存情况。

2、孔庄煤矿深部煤层三维地震勘探野外采集方法
根据地质任务要求及测区内深层地震地质条件，针对本测区断层落差小、煤层厚度薄、地层倾角较大及地表条件复杂的特点，通过室内反复认证和采用计算机设计，结合现场的试验结果，确定本测区的野外采集方法为：
①观测系统：四线六炮；覆盖次数：3X8次；道距：20m；接收线距：80m；
② CDP网格：10m×10m；
③采样间隔：0.5ms；记录长度：1.5s；
④陆上采用AG-3高灵敏度检波器线性组合；运河、鱼塘和河流内采用压电检波器；
⑤采用特种炸药震源井中激发。

3、孔庄煤矿深部煤层三维地震勘探资料数据处理
孔庄煤矿深部煤层三维地震勘探资料数据处理主要还是应用了常规三维处理流程进行。

但由于地表特征比较复杂，野外采集中使用了两种检波器接收，工区干扰波严重，地质目标要求有较高的分辨率和信噪比，原始记录炮与炮之间能量差异较大。

因此在处理过程中特别注意了地表一致性振幅、相位校正和真振幅恢复，去掉了非地表一致性因素引起的振幅和相位差异。

同时加强了三维地表一致性反褶积和多道预测反褶积处理。

加强了精细速度分析和分频三维剩余静校正处理。

因地层倾角较大，应用了三维DMO叠加。

为保证高信噪比提高分辨率，应用了三维FXYNA去噪及叠后反Q滤波处理，提高垂向分辨率。

为了保证资料处理质量，开展了两项特殊处理手段。

①三维道内插技术，把CDP面元由10×10m细分为5×5m进行偏移处理。

②在精细建立偏移速度场的同时，进行了三维一步法偏移。

经过反复进行试验参数对比，精细地选择各项数据，使处理质量明显提高，有效波主频达到70Hz，目的层反射能量强，连续性好，大小断点清楚，构造特征明显，达到和满足了地质任务要求。

4、孔庄煤矿深部煤层三维地震勘探主要地质成果
孔庄煤矿深部煤层三维地震勘探的资料解释工作，其难度是比较大的，首先
是缺乏井的资料，给煤藏描述带来很大困难。

其次是地层倾角较大，无论如何精
细处理，偏移归位问题始终是个难点，何况断面倾向与地层倾向一致，对准确地
解释断层和断点的归位确实困难。

第三是主力可采煤埋深浅，平均厚度薄，要研
究10m 左右幅度小的构造和5m 级别的小断层，确有难度。

针对以上难点，在三
维地震资料解释过程中，采取了“地震地质相互结合，相互校验”的办法，充分
运用纵横剖面联合解释、任
意切剖面验证解释、水平切
片参证解释的办法。

及充分
使用三瞬剖面、层拉平解释
和地层倾析分法，综合应用
各种资料相互印证的手段，
取得了很好效果。

(见图7) (1)、构造形态
① 整体构造形态
本区构造形态相对简单，主要表现为一个走向NE 、倾向NW 的单斜构造，地
层倾角一般为25º左右，局部达27º。

整体构造具有从南向北由陡变缓的趋势。

② 局部构造
在地层整体北西倾斜的单斜构造背景上，本区沿13和15勘探线附近形成了
2个宽缓的微褶曲构造。

(见图8)
（2）、断层及断裂特点
本区断裂比较发育，近3km 2的范围内共解释大小断层75条，主要发育有NE 、
NW 向两组断层，以NE 向断层为主（近50条）
，以发育倾向断层为特征。

根据断
图7 横向剖面和水平切片联合解释褶曲
图8 T7拉平切片平面图
层形成规模、断层级别以及断层可靠程度等，该区落差大于5m的断层有21条，其中17条断层落差小于10m。

除3条大断层其延伸长度大于500m外，一般延伸长度在100—300m之间；其它断层一般落差小于5m，延伸长度小于100m。

工区内不同构造部位断裂发育程度存在一定差异，构造东南部和西北部断裂相对发育，中区断裂较少，西北部断裂作用比东南区断裂作用较强烈。

（3）、完成了8号、17号、21号三层煤的底板构造图，断层展布图
解释好的地震剖面和地质剖面，时间水平切片解释图，综合评价图以及相关分析图件。

（4）、总结了孔庄煤矿深部采区三维地震勘探野外采集总结了一套行之有效的复杂地表条件下的野外施工方法
通过艰苦努力密切配合，成功地取得了高质量、高密度的三维地震资料。

（5）、总结了资料处理在试验基础上形成了一套适于煤田勘探的处理流程体现了“三高”及全三维处理的技术特点。

地震剖面信噪比高，有效波突出，波组特征清楚；分辨率较高，目的层段主频在70Hz左右，提高了复杂构造解释尤其是小断层识别的可靠程度，为可靠的地质解释提供了良好的基础资料。

（6）、利用先进的人机联作解释系统
充分利用三维地震的特点，提供了多种显示功能、追踪方式和处理分析手段，使解释工作灵活多变，丰富多彩，成果更加可靠，构造解释深度误差小于1.5%，断层平面摆动基本控制在20m之内。

三、海域煤田三维地震勘探
1、概况
1.1地表条件
本勘探区隶属渤海湾南部，勘探范围从海水0-10m水深，从南至北包括陆、滩涂和极浅海地区，海底较为平坦，勘探区内有海产养殖区，陆上有建筑物。

1.2构造特征
从地质构造上看，为西北-东南向向斜的东翼，北半部走向近东西，倾向近南北，南半部走何近东北、西南向。

本区断裂系统走向近北东、西南走向，断距大于30m的有三条，其它的断距均小于30m，大多数断层的断距在20m以下。

所以说本区地质构造平缓，小断层较多，并经采煤坑道己有数十个小断点得到证实。