煤层气富集区的地球物理勘探技术概述

煤层气富集区地震勘探技术概述
前言
煤层气，是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。

长期以来，煤层气一直被当做是煤矿生产过程中的重大安全隐患，往往直接被排放到大气，利用率极低，这不仅造成了严重的资源浪费，还对全球变暖产生了重要作用。

自美国煤层气实现规模化商业生产以来，煤层气越来越被视为一种清洁的能源，我国煤层气资源丰富，若能够实现煤层气资源大规模的开发必将对我国国民经济可持续发展、改善我国能源结构有着重大的意义。

目前，国内煤层气勘探开发、井位布设主要依靠地质和钻探研究成果，尽管地质和钻探资料可靠性很高，但由于其成本高，因此用高密度的地质和钻探资料预测煤层气不太现实。

地震勘探作为一种面积勘探，可以提供煤层的空间分布形态、断裂体系、厚度和岩性等地质信息，因其密度高、成本低，已被煤田地质勘探广泛应用。

如何将稀疏的地质和钻探资料与密集的地震资料有机的结合起来，利用地球物理特征进行煤层气富集区识别，为煤层气开发选择井位、布设井网提供可靠的地质依据，成为煤层气勘探开发急需解决的问题。

一地球物理技术在煤层气勘探领域的研究现状
随着煤层气勘探开发的持续升温，地球物理技术在煤层气勘探的运用也得到了迅速的发展。

杨双安等利用三维地震勘探技术进行瓦斯预测研究；焦勇等进行了煤层气地震精细解释及储层预测技术探讨；何志勇等提出了利用地震属性预测煤层气储层孔隙度方法；祁雪梅等研究了地震相技术在煤层气勘探中的应用；彭刘亚等利用岩性地震反演信息进行煤体结构划分。

在煤层气AVO技术研究方面，彭苏萍等分析了煤层顶底界面的反射振幅特征，认为底界面不利于AVO分析，不同结构煤体在AVO响应上存在明显的差异；彭晓波等将Ｐ波方位AVO应用于煤层裂缝探测中；孙斌等研究了煤储层含气性与地震AVO属性之间的关系，获得煤层参数与地震波弹性参数之间的关系式及其AVO响应特征；杜文凤等基于zoeppritz方程，分析了振幅与偏移距的关系，
利用瓦斯突出煤与非突出煤的物性参数，进行数值正演模拟，分析了瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应差异；胡朝元等研究了利用地震AVO反演预测煤与瓦斯突出区；崔大尉等利用AVO属性研究构造煤的分布规律；在煤层气富集区预测方面，闫宝珍等基于控制沁水盆地煤层气富集特征分异的关键地质因素（如构造、热力场和水动力等）进行了综合分析，对该盆地煤层气的富集类型划分进行了研究；常锁亮等基于煤层气（瓦斯）富集引起的高频吸收衰减特性，利用不同频率的调谐振幅变化，对研究区煤层含气性进行了预测；汤红伟对地震勘探技术在煤层气富集区预测中的研究进行了探讨；陈勇等进行了基于主控因素的煤层气富集区地震预测技术应用研究。

崔若飞等提出了利用“两个理论、四项技术”来指导煤层气(瓦斯)地震勘探工作。

其中两个理论是双相介质理论和各向异性介质理论，四项技术是地震属性技术、AVO技术、方位各向异性技术和弹性波阻抗反演技术。

二煤层气地震勘探理论
（1）双向介质理论
当今煤田地质地震勘探是建立在均匀各向同性纯固体基础上的岩石弹性理论和波动传播理论的单相（固相）介质基础上的，而煤储层非均质性很强，在各向上存在异性，而且煤储层属于双相介质—煤基质和流体（气、液），因此传统的建立在单相介质理论基础上的地震勘探技术，在煤层气勘探领域是不使用的。

而双相介质理论认为地下介质是由固体骨架和充
填在骨架空隙中的流体(气体和液体)组成。

煤层与煤层瓦斯是一种典型的(固相+流相)双相介质，与单相介质理论相比，双相介质理论更接近于实际。

因此，研究双相介质中弹性波的传播规律，对于指导煤层气地震勘探有着重要的意义。

煤储层是典型的双相介质，与单相介质相比，地震波在双相介质中传播后，各个频率成分的能量分布发生了变化，主要表现为地震波能量向低频方向移动。

产生这一现象的主要原因是：双相介质中固体颗粒与空隙中流体(气体) 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，即地震波场的动力学特征发生了变化。

这种地震波场动力学特征的变化为预测瓦斯富集带提供了理论基础。

（2）各向异性介质中弹性波传播理论
在地震勘探中，各向异性是指在地震波长的尺度下介质弹性特征随方向发生变化。

煤储层是各向异性（不同方向可能煤储层的厚度、孔裂隙发育、煤体结
构、含气量、含水等等）的储层，研究地震波在煤储层中的传播特征是进行地震勘探的基础。

在各向异性介质中，P 波速度随入射角与地层裂隙方位角而变化，界面上的反射系数随入射角、地层裂隙方位及各向异性有关，即地震属性(如速度、振幅)随波传播方向的变化而变化。

而在各向同性介质中，则不具有这一特点。

因此，通过研究P 波方位地震属性特征，可以研究地层的各向异性系数及裂隙发育密度。

而煤储层裂隙发育区往往是煤层气聚集带。

三几种煤层气地震勘探技术
（1）煤层气地震勘探的地震反演技术——储层厚度及精细构造
地震反演技术是综合运用地震、测井、地质等资料以揭示地下目标层（储层、油气层、煤层等）的空间几何形态（包括目标层厚度、顶底板构造形态、延伸方向、延伸范围、尖灭位置等）和目标层微观特征，它是将大面积的连续分布的地震资料与具有很高分辨率的测井资料进行匹配、转换和结合的过程。

波阻抗反演是指利用地震资料反演地层波阻抗（或速度）
的地震特殊处理技术。

是储集层岩性预测、油藏特征描述的确定性方法，在实际应用中取得了显著的地质效果，因此，地震反演通常指波阻抗反演。

波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，利用波阻抗反演计算煤层气储层厚度是煤层气地震勘探技术的重要用途。

将时间域的地震数据转换位深度域的地震数据，与测井数据联合反演，得到深度域的波阻抗数据体。

储层的波阻抗值介于一定振幅之间，以此区间作为某储层的波阻抗的最小值，再对全区进行追踪，得到储层的顶板数据，二者之差即为该储层的初始厚度值。

利用克拉克法预测的结果与实际钻井结果进行匹配，可得到采区该储层的厚度。

另外，利用地震、测井数据采用稀疏脉冲反演的方法可反演出储层和顶板岩性的精细构造。

储层厚度和结构的精细反演为圈定煤层气富集区提供了地质基础。

（2）煤层气地震勘探的AVO 技术——烃类、岩性和裂隙的重要检测手段AVO 技术是以弹性波理论为基础，利用叠前CDP 道集对地震反射振幅随炮检距（或入射角）的变化特征进行研究、分析振幅随炮检距的变化规律，得到反射系数与炮检距之间的关系，并对地下反射界面上覆、下伏介质的岩性特征和物性参数做出分析，达到利用地震反射振幅信息检测油气的目的。

从国内外的油气勘探的理论和实践来看，利用振幅随炮检距变化的AVO技术（包括多分量
AVO技术），能够有效获取油气储层的孔隙大小、地层压力、裂缝密度与分布、流体、气体充填量等重要的储集层参数信息。

这也是最近几年AVO 技术所取得的最大的进步。

但作为一门不断发展的技术，AVO本身也存在局限性，如：建立在测井资料分析基础上的弹性参数与储层物性线性统计关系的相关系数都不高，难以得到可靠的岩石物理结果，地震处理中真振幅难以保持。

但AVO 技术作为油气勘探中最为有效的储层参数反演技术和发展最快的技术之一，为煤层厚度和瓦斯富集部位预测提供了一种间接的探测手段。

（3）煤层气地震勘探的三维三分量地震探测技术——准确预测煤层中的裂隙发育部位
三维三分量地震探测技术源于理论研究和实践观测，与常规三维地震勘探的区别是，在除了原来的纵波技术的基础上，还利用了地震波横波技术，其理论基础是介质的弹性各向异性，即地层的弹性性质是有方向性的，垂向的各向异性对应于地层的层状构造，水平向的各向异性对应于地层的微观断裂构造，如裂隙等。

根据实际矿区实验室测定的瓦斯含量可知：瓦斯含量低时，快慢波时差较小，瓦斯含量高时，快慢波时差较大，这说明快慢波时差与实验室测定的瓦斯含量之间具有较好的对应关系，即快慢波时差越大，表明煤层的裂隙越发育。

通过拾取快波和慢波数据体上煤层的时间值，便可求得煤层的快慢波时差。

这说明，当一个横波入射到近于平行的垂直裂隙体系后，快横波在平行于裂隙平面方向上偏振，慢横波在垂直于裂隙平面方向偏振。

当地震波中的横波在遇到裂隙、气体等地质异常时，其快慢波至的延迟时间加大，因此，可以利用这种方法，准确预测煤层中的裂隙发育部位，进而准确预测煤层气富集部位。

三维三分量地震勘探提供的时间、速度、振幅、波阻抗等信息同单一纵波勘探相比，会有成倍的增加，并能衍生出差值、比值、几何平均值、弹性系数等参数。

利用这些参数能有效估算出地层岩性、孔隙度、裂隙、含气性等。

而三维三分量纵横波速度比、传播时间比、振幅比、泊松比等可用来研究岩石孔隙度的变化、孔隙流体性质、裂隙发育区、岩性变化等参数。

这些参数的预测对含气储层的研究具有直接的物理意义。

四煤层气富集区寻找的基本思路
煤层气的富集受到多种因素的影响，包括煤储层厚度、煤热演化程度、构造、埋深、沉积环境、顶底板岩性、煤体结构等等。

煤层是煤层气生成和聚集的基础。

煤层越发育，煤层厚度越大，其单位面积内的生气量和吸附量就越大，其勘探开
发潜力也更大；煤层埋深太浅，压力太小，煤层气自然解析附和逸散，煤层不含气或含气量极低；煤层埋深过大，压力随之增大，煤层孔渗性变差，吸附气含量和产量不随深度变化线性增加，而开采成本和难度则增加更快，埋深适中的煤层才可兼顾；煤系的热演化史和热演化程度，决定了煤系的生烃排烃史和煤岩煤阶，也直接影响煤层物性和含气性。

代表不同热演化程度的不同煤阶的煤岩，其含气能力和含气方式也有不同，煤层甲烷含量随着煤变质程度的呈现出急剧增高（Ro,max<1.3%）—缓慢增加（1.3%<Ro,max<2.8%）—急剧增高（2.8%<Ro,max<3.5%）—急剧降低（Ro,max>3.5%）的特征，可见煤热演化程度，对煤层气富集的重要影响；不同的构造及构造组合对煤层气的保存影响不同。

在上述几个较为重要的影响因素中，煤厚、埋深、构造、裂缝、煤体结构完全可以由地震勘探技术获取。

因此，在进行煤层气富集区的预测时，多利用地震勘探获取某一主控或多个控制因素进行评价。

例如崔若飞教授认为煤层裂隙富集区域一般为瓦斯富集带，并以此为基础利用地震P波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征,根据地震属性随方位角变化可以预测裂隙发育方向和密度的基本原理,应用多种地震P波方位属性预测裂隙发育带，并据此划分瓦斯富集带；彭苏萍教授认为煤层埋深、煤层厚度、结构、构造和顶底板岩性等参数是控制研究区煤层气富集的主要地震地质因素，并据此通过地震反演和地震属性分析，获得了这些地质参数，基于地球物理信息融合方法对煤层气富集区进行了预测，取得了较好的效果。

五存在的问题
（1）煤层气地震响应微弱
常规天然气储集空间较大,含气后地震响应加强,通过地震反射异常区可预测常规天然气聚集区。

而煤层气储集空间多为微孔、微裂缝,地震响应微弱,并且受煤界面地震强反射的屏蔽影响,也加大了预测难度。

（2）含气与否的煤层岩石物理差异小
对于常规天然气而言,储层的声波时差低,密度较大,波阻抗相对较高。

含气后声波时差增大,密度降低,波阻抗明显降低,通过对波阻抗“高中找低”技术可以容易预测常规天然气。

而煤层本身声波时差大,密度低,波阻抗较低。

含气后,声波时差有所增大,密度有所降低,但煤层气波阻抗与煤层低阻抗两者差别小,难以区分,含气与非含气煤层的波阻抗门槛值难以确定。

而且由于煤储层的特殊性,即使是
同一变质程度煤岩,也很难区分是煤层物性还是含气性造成的波阻抗低,使预测难度加大。

（3）裂缝性煤层气储层预测难度大
针对常规裂缝性气藏而言,气体为二次运移游离气,由于重力分异,有明显的气水分界面,通过频率异常衰减,可判断气藏的存在。

而煤层吸附气与微孔、割理中的水没有明显分界面,在地震上都有频率衰减现象,因此单通过地震上频率衰减大难以判断是割理含气还是裂缝含水,使煤层气的预测难度进一步加大。

参考文献
[1]杨双安, 宁书年, 张会星等. 三维地震勘探技术预测瓦斯的研究成果[J]. 煤炭学报, 2006, (3):334-336.
[2]焦勇, 汪剑, 曹成友等. 煤层气地震精细解释及储层预测技术探讨[J]. 中国煤层气, 2011, (6).
[3]何志勇, 刘海涛, 汪铖等. 利用地震属性预测煤层气储层孔隙度方法[J]. 煤炭技术, 2011,
(4):132-134.
[4]祁雪梅, 董守华. 地震相技术在煤层气勘探中的应用[J]. 物探与化探, 2012, (2).
[5]彭刘亚, 崔若飞, 任川等. 利用岩性地震反演信息划分煤体结构[J]. 煤炭学报, 2013.
[6] 彭苏萍, 高云峰. 含煤地层振幅随偏移距变化正演模型研究[J]. 科学通报, 2005.
[7]彭苏萍, 高云峰, 杨瑞召等. AVO探测煤层瓦斯富集的理论探讨和初步实践——以淮南煤田为例[J]. 地球物理学报, 2005, (6):1475-1486.
[8] 彭晓波, 彭苏萍, 詹阁等. P波方位AVO在煤层裂缝探测中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, (16).
[9]孙斌, 杨敏芳, 孙霞等. 基于地震AVO属性的煤层气富集区预测[J]. 天然气工业, 2010, 30(6).
[10] 杜文凤, 彭苏萍, 王珂等. 瓦斯突出煤和非突出煤AVO响应的比较[J]. 中国煤炭地质, 2010, (6):45-48.
[11] 崔大尉, 王远, 于景邨. 利用AVO属性研究构造煤的分布规律[J]. 煤炭学报, 2013, (10):1842-1849.
[12] 常锁亮, 刘大锰, 林玉成等. 频谱分解技术在煤田精细构造解释及煤含气性预测中的应用[J]. 煤炭学报, 2009, (8).
[13] 陈勇, 陈洪德, 关达等. 基于主控因素的煤层气富集区地震预测技术应用研究[J]. 石油物探, 2013, (4):426-431.
[14] 闫宝珍, 王延斌, 丰庆泰等. 基于地质主控因素的沁水盆地煤层气富集划分[J]. 煤炭学报, 2008, (10).
[15] 崔若飞, 陈同俊, 钱进等. 煤层气(瓦斯)地震勘探技术[J]. 中国煤炭地质, 2012, (6).
[16] 彭苏萍, 高云峰, 彭晓波等. 淮南煤田含煤地层岩石物性参数研究[J]. 煤炭学报, 2004, (2):177-181.
[17] 王永刚, 李振春, 邵雨. 利用地震资料预测储层裂隙发育带[J]. 中国石油大学学报：自然科学版, 2000, (4).
[18] 卢占武, 韩立国. 波阻抗反演技术研究进展[J]. 世界地质, 2002, (4):372-377.
[19] 崔若飞, 李晋平, 庞留彦等. 地震属性技术在煤田地震勘探中的应用研究[J]. 中国矿业大学学报, 2002, (3):267-270.
[20] 彭苏萍, 杜文凤, 殷裁云等. 高丰度煤层气富集区地球物理识别[J]. 煤炭学报, 2014, (8). [22]崔若飞,钱进,陈同俊等利用地震P波确定煤层瓦斯富集带的分布[J]. 煤田地质与勘探,2007,06:54-57.。