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，表示地震属性值没有变化；而绿色线形在原生煤和构造煤过渡带上起伏变化很大，这是模型计算算法带来的误差。

对理论地震记录与煤层底板反射波的地震属性进行定量分析，得到以下结论：(1) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上，煤层反射波具有波至时间发生延迟、但反射波连续性较好的运动学特征，见图4—4。

(2) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上，煤层反射波为强振幅，见图4—5。

与原生煤比较，构造煤与煤层顶、底板的波阻抗差异更大，故反射能量强于前者。

图4—5 煤层底板反射波的振幅(3) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上，煤层反射波的主频明显降低，见图4—6。

煤储层是典型的双相介质，固体颗粒与空隙中流体的相互作用产生了慢纵波，慢纵波的存在使得双相介质中波的能量分配发生了变化，使得地震波能量向低频方向移动。

图4—6 煤层底板反射波的主频(4) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上，煤层反射波具有低频带能量相对增强、高频能量相对衰减的频率特征，见图4—7。

图4—7 煤层底板反射波的低频带能量(5) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上，煤层反射波具有与正常反射波相位相反的相位特征，见图4—8。

图4—8 煤层底板反射波的相位4.2 应用实例——新景煤矿芦南二区阳泉新景煤矿芦南二区北三正、副巷在掘进过程中发生瓦斯突出，7202综采工作面在回采过程中也发生瓦斯突出，瓦斯突出点(红星)位置见图4—9。

对瓦斯突出地段的三维地震资料进行了解释，重点放在3煤层变薄冲刷缺失带范围内，见图4—10。

图中的红线范围是利用三维地震资料解释的3煤层变薄冲刷缺失带。

北三正、副巷瓦斯突出点正在这个范围内，7202综采工作面瓦斯突出点在这个范围的边缘。

显然，瓦斯突出与煤层的变薄缺失密切相关。

图4—9 新景煤矿芦南二区3煤层瓦斯突出点位置(局部)图4—10 新景煤矿芦南二区三维地震资料解释区域图4—11是北三正巷(Inline2637线)的地震剖面，图4—12是北三副巷(Inline 2642线)的地震剖面，图4—13是通过7202综采工作面瓦斯突出点(Inline2694线)的地震剖面，黄线代表T3波，瓦斯突出区域用红色箭头表示。

从地震剖面中可以看出，对应3煤层的T3波有两个相位，且信噪比较高。

原解释方案根据第一相位的振幅变弱，相位转移等波形特征确定了3煤层的变薄缺失带范围是基本可信的。

图4—11 新景煤矿芦南二区北三正巷(Inline2637线)地震剖面图4—12 新景煤矿芦南二区北三副巷(Inline2642线)地震剖面图4—13 新景煤矿芦南二区7202综采工作面瓦斯突出点(Inline2694线)地震剖面提取了T3波的多个地震属性，主要包括振幅、相似性、主频、主频带能量和平均频率相位，见图4—14。

从T3波地震属性图中可以看出3煤层的变薄缺失情况(用黑色圆圈表示)，在振幅切片上能量明显变弱(红色)，在相似性切片上异常突出(红色)，在主频切片上表现为高值(黑色)，在主频带能量切片上表现为低值(蓝色)，在平均频率相位切片上也存在较大差异。

相对于常规地震解释方法，利用地震属性能够更准确、更细致地划分3煤层的变薄缺失带。

在这个范围内，煤层是部分变薄、部分缺失，北三正、副巷瓦斯突出点(图4—14中异常)的所有地震属性值接近煤层，与7202综采工作面瓦斯突出点的地震属性值基本一致。

基于上述事实，本区的瓦斯富集带位于煤层变薄缺失带附近，更准确地说应该是3煤层的变薄可能会导致瓦斯突出。

(a) 振幅(b) 相似性(c) 主频(d) 主频带能量(e) 平均频率相位图4—14 新景煤矿芦南二区T3波的地震属性5 方位各向异性技术国内外的研究结果表明，反射P波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征很敏感，所有的P波属性分布函数均为椭圆，见图5—1。

图5—1 地震属性的方位各向异性5.1 方位各向异性技术方位各向异性技术是根据不同方位角P波振幅、速度、波阻抗等多个地震属性随入射角变化的规律，利用地震P波方位属性确定煤(岩)层裂隙发育带的空间分布，其基本步骤包括：(1) 为了增加有效覆盖次数，将4~9个面元(m1010 )的数据形成宏面元；(2) 然后按15~30°的方位角增量抽取6~12个方位角道集；(3) 对6~12个方位角道集进行速度分析、NMO校正、叠加和偏移，得到6~12个方位偏移数据体；(4) 对6~12个方位偏移数据体进行波阻抗反演，得到6~12个方位波阻抗数据体；(5) 从6~12个方位偏移数据体和方位波阻抗数据体中提取与岩溶裂隙密度有关的地震属性参数；(6) 对方位偏移数据体、方位波阻抗数据体中提取的方位地震属性(主要包括振幅、频率、波阻抗、速度)进行融合；(7) 利用融合后的方位地震属性对煤层裂隙发育带进行预测和解释，定量计算裂隙发育带的密度和方向。