煤层气(瓦斯)地震勘探技术

煤层气(瓦斯)地震勘探技术

中国矿业大学资源与地球科学学院

二零一零年十月

1 煤层气(瓦斯)勘探的意义

煤层气(瓦斯)是由煤化作用形成的赋存于煤层中以甲烷为主的混合气体。

首先，煤层气作为一种新型洁净能源，其开发利用可弥补我国常规能源的不足。我国是煤层气资源大国，居世界第二位。近年来，对煤层气的成因、储层特性、赋存状态、成藏理论进行系统研究，取得了一大批成果。但是，相应的勘探与开发技术相对滞后。今天，地质学家和地球物理学家已经把研究重点放在勘探与开发技术领域。

其次，瓦斯突出问题是长期以来困扰煤矿安全生产的一个灾害性问题。据国家安监总局统计，在一次死亡10人以上的特大煤矿事故中，瓦斯事故起数占69%。问题关键在于煤矿开采前和开采过程中，对地下瓦斯富集的情况一无所知。这样就使煤矿在生产过程中，无法根据瓦斯分布情况制定有针对性的措施。

总之，煤层气(瓦斯)的勘探、开发与利用可以改善我国能源结构、促进煤矿安全生产、有效保护生态环境，是一举多得利国利民的大事。

2瓦斯地质理论

影响煤层气(瓦斯)富集的主要地质因素包括煤层埋藏深度、断层及其它构造分布、构造煤(煤层中的软分层)的分布、煤层顶底板的封闭程度(透气性)。瓦斯富集和突出有以下基本规律：

(1) 瓦斯随着煤层埋藏深度增加而增加；

(2) 构造煤是典型的瓦斯地质体，所有发生煤与瓦斯突出的煤层都发育一定厚度的构造煤；

(3) 大多数瓦斯突出都发生在构造破坏带，主要与压性、压扭性断裂有关；

(4) 瓦斯突出与褶皱构造关系密切，在向斜、背斜轴部及其附近有利于瓦斯聚集，易于发生瓦斯突出。

2.1煤体结构类型和构造煤

瓦斯地质学从地质角度出发，根据煤体宏观和微观结构特征，把煤体结构分为四种类型，即原生结构煤、破碎煤、碎粒煤和糜棱煤，后三种类型是煤层中的软煤，统称为“构造煤”，是煤层层间滑动构造的产物。

当地应力和瓦斯压力达到一定值时，突出与否的关键取决于地压和瓦斯膨胀

对煤壁的侧向压力于煤体抵抗能力的对比关系。如煤壁的煤体结构完好，强度较大，煤体抵抗能力大于侧向压力，突出便不会发生；如煤体结构遭构造应力破坏，煤壁强度变小，侧向压力大于煤体抵抗能力，突出则是必然的。

由于构造煤的力学强度降低，减小发生瓦斯突出的阻力；由于构造煤的孔隙增加，有力于瓦斯的富集。因此，构造煤的发育程度是瓦斯突出危险区域预测的重要内容，构造煤的厚度是瓦斯突出危险区域预测的重要指标。

2.2构造煤发育程度与厚度预测

传统的预测方法是依据瓦斯地质规律，获得构造煤赋存和分布的主要资料室井下实际编录和钻孔取芯。该方法的缺点是井巷编录对未采区的资料无法获得，钻孔取芯常因构造煤松软，取芯率低而难以获得。

从20世纪90年代起，地质学家利用测井曲线判识构造煤厚度，取得了良好的地质效果。构造煤是原生结构煤遭受构造运动破坏的煤体，其孔隙和裂隙均较发育，含水性相对增加，与原生结构煤相比存在着明显的物性差异，在不同类型的测井曲线上有以下反映：

(1) 电阻率相对减小，在视电阻率曲线上表现为幅值降低；

(2) 密度相对减小，在伽玛伽玛曲线上表现为幅值增高；

(3) 单位体积内放射性物质的含量减少，自然伽玛曲线上表现为负异常。

中国矿业大学提出利用地震反演技术预测煤体结构的设想，利用测井数据对井旁地震资料进行约束，推断构造煤的平面分布和厚度变化，从而达到预测瓦斯突出的目标。

3 煤层气(瓦斯)地震勘探的特点

煤层气(瓦斯)地震勘探的目的是利用地震波运动学和动力学特征来研究煤岩层岩性，特别是查明煤层及顶板中裂隙裂缝发育的方向和密度(煤体结构破坏程度)、构造煤的分布和厚度。

煤层气(瓦斯)地震勘探将油气勘探中的储层预测理论、双相介质理论、各向异性介质理论与煤田地震资料的特点相结合，把地震属性技术、方位各向异性技术、弹性波阻抗反演技术等作为主要手段。

4 地震属性技术

地震属性指的是由叠前或叠后的地震数据，经过数学变换而导出的有关地震波的几何形态、运动学特征、动力学特征和统计学特征。地震属性技术是指提取、显示、分析和评价地震属性的技术，在煤层气(瓦斯)地震勘探中包括地震属性的提取、地震属性的分析、利用地震属性区分构造、岩性并进行目的层预测。4.1瓦斯富集带的地震响应

煤层反射波中含有大量地震信息，无论是煤层的构造变化或岩性变化都会引起它们的变化。煤层的构造或岩性变化主要反映在密度、速度及其它弹性参量的差异上，这些差异导致了地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面的变化或异常。当煤层产生大的构造变化时，在地震剖面上可以看到地震波同相轴明显的走时变化及振幅、相位的变化，而有些信息如频率等的变化却难以直观地分析。对于构造煤发育区和瓦斯富集带异常，用常规的人工识别方法往往是无能为力的。如果首先仔细地研究它们引起地震信息变化的特征，反过来提取这些特征，就可以作为构造煤发育区和瓦斯富集带识别的依据。

根据阳煤集团的地层态特征，设计了六层介质模型，其中第四层中部为构造煤，代表瓦斯富集区，见图4—1。

图4—1 瓦斯富集带地质模型

瓦斯富集带模型所用参数见表4—1，模型参数建立在实测数据的基础上。

共制作了3个模型。模型1中介质4和介质5均为原生煤，图4—2是模型1的理论地震记录；模型2中介质4和介质5均为构造煤，图4—3是模型2的理论地震记录；模型3中介质4为原生煤，而介质5为构造煤，两种介质间有一过渡带，图4—4是模型3的理论地震记录。

表4—1 瓦斯富集带地质模型参数

图4—2 模型1的理论地震记录

图4—3 模型2的理论地震记录

从图4—2中可以看出五个界面的反射波，由于煤层顶板和底板的岩性不同，分别为泥岩和砂岩，即煤层底板的波阻抗差大于煤层顶板的波阻抗差，故煤层底板的反射能量强于煤层顶板的反射强度。

图4—3中仍然有五个反射波，但是第二个反射波(砂岩/泥岩界面)和第五个反射波(砂岩/灰岩界面)的强度明显低于模型1的对应反射波。由于模型2中的煤层是构造煤，而煤层顶、底板的岩性不变，于是煤层顶、底板的波阻抗差均变大，故模型2的煤层反射能量强于模型1的煤层反射能量。地震剖面显示时进行了归一化处理，致使反射波2和反射波5的强度相对变低。

图4—4 模型3的理论地震记录

从图4—4中只能发现四个界面的反射波，第二个反射波(砂岩/泥岩界面)无法看到。由于煤层是从原生煤——构造煤——原生煤变化的，故煤层顶板反射波没有变化，而煤层底板反射波发生很大变化。

从理论地震剖面中提取煤层底板反射波的多个地震属性，挑选出4个对构造煤响应灵敏的地震属性(分别是振幅、主频、低频带能量和相位)进行对比分析，为瓦斯富集带预测提供理论依据。

图4—5至图4—8是地震属性图。图中，横坐标为CDP号，纵坐标为地震属性值，把原生煤和构造煤的同一属性用不同线型表示，其中蓝色线形pc代表模型1原生煤情况；红色线形sc代表模型2构造煤情况；绿色线形mc代表模型3原生煤和构造煤并存情况。

从地震属性图中可以看出，蓝色线形和红色线形均为直线，表示地震属性值