地震勘探技術(shù)在煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)中的探索性研究

湯紅偉

（中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西省西安市，710077）

地震勘探技術(shù)在煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)中的探索性研究

湯紅偉

（中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西省西安市，710077）

實(shí)際測(cè)試表明：煤層氣富集區(qū)區(qū)域在物性特征及地震響應(yīng)上與煤層氣含量較低區(qū)域有顯著不同，煤層氣富集區(qū)的地震波速度約為正常煤層的4／5。地震正演模擬結(jié)果顯示：煤層氣富集區(qū)地段在地震資料上出現(xiàn)地震波至?xí)r間加長(zhǎng)、振幅減弱、頻率降低的特征。本文以此理論為基礎(chǔ)，利用波阻抗反演、頻譜分解技術(shù)，對(duì)某礦區(qū)煤層氣富集區(qū)進(jìn)行了嘗試性預(yù)測(cè)，實(shí)際抽采資料表明：這些方法預(yù)測(cè)的煤層氣富集區(qū)與實(shí)際抽采的結(jié)果基本吻合。這些方法的應(yīng)用為后續(xù)的煤層氣開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

煤層氣富集區(qū) 波阻抗反演 頻譜分解

我國(guó)煤層氣資源量相對(duì)豐富，居世界第三位，到目前為止已探明全國(guó)煤層埋深2000m以淺煤層氣總資源量達(dá)36.8×1012m3，其中可采資源量10.9×1012m3，主要分布于華北地區(qū)，約占全國(guó)煤層氣資源總量的56%以上。三維地震勘探技術(shù)作為煤礦采區(qū)構(gòu)造勘探的主要手段，已獲得廣泛應(yīng)用，而煤層氣的地震勘探不同于現(xiàn)行的利用反射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征來(lái)解決構(gòu)造問(wèn)題的油氣勘探，它屬于巖性地震勘探范疇，目前，應(yīng)用地震勘探技術(shù)進(jìn)行煤層氣勘探尚處于探索階段。

1 地震勘探煤層氣富集區(qū)的前提與基礎(chǔ)

1.1 煤層氣富集區(qū)

煤層氣主要以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)存在于煤儲(chǔ)層中。目前，對(duì)于煤層氣的富集區(qū)概念還沒(méi)有一個(gè)明確的定義，王兆豐從煤層開(kāi)采過(guò)程中瓦斯突出的角度出發(fā)，對(duì)煤層氣富集區(qū)進(jìn)行了定義，并將以下3種情況稱為煤層氣的富集區(qū)：（1）同一煤層的某一采區(qū)的煤層氣含量明顯高于周邊相鄰采區(qū)的煤層氣含量；（2）同一采區(qū)的某一工作面的煤層氣含量明顯高于毗鄰工作面的煤層氣含量；（3）同一工作面的某一塊段的煤層氣含量明顯高于其它塊段的煤層氣含量。但是這種定義的適用性還存在爭(zhēng)議。對(duì)于煤層氣富集區(qū)的形成原因，國(guó)內(nèi)外大量研究證實(shí)，“生、儲(chǔ)、蓋”條件的差異是造成煤層中出現(xiàn)煤層氣富集區(qū)的根本原因。影響煤層氣富集區(qū)的主要因素有沉積環(huán)境及煤田地質(zhì)史、煤變質(zhì)程度、埋藏深度（一般情況下，隨著埋藏深度的增加，煤層的含氣量也會(huì)增加，當(dāng)深度不太大時(shí)，煤層氣含量隨埋深呈線性增加；當(dāng)深度很大時(shí)，煤層氣含量趨于常量）、煤層和圍巖的透氣性、煤層露頭、地質(zhì)構(gòu)造、巖漿活動(dòng)以及水文地質(zhì)條件。

1.2 煤層氣儲(chǔ)層的物性及地震響應(yīng)特征

煤層中含氣量的多寡對(duì)煤層的物性參數(shù)有較大影響，也是實(shí)現(xiàn)煤層氣地球物理勘探的基礎(chǔ)。彈性模量的實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：煤中含氣時(shí)，煤層的彈性模量有很大變化。一般情況下，隨著煤體吸附的煤層氣含量的增加，煤巖的彈性模量降低。煤層富集區(qū)的彈性模量基本上為不含氣煤層的4／5，不含氣煤層的超聲波速度是煤層氣富集區(qū)煤層的1.5倍以上。

為研究煤層因含氣量的多寡導(dǎo)致在地震反射波的傳播時(shí)間、能量和頻率特征的差異，楊雙安在雙相介質(zhì)波動(dòng)方程理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際煤層賦存形態(tài)建立模型，進(jìn)行了煤層氣富集的地震波場(chǎng)的正演模擬。模擬結(jié)果表明，在已知模型的煤層氣含量反射波區(qū)域的波形特征表現(xiàn)出了明顯的傳播時(shí)間延長(zhǎng)、振幅減弱和主頻降低的特征，與正常煤層的波場(chǎng)特征存在顯著的差異。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是，雙相介質(zhì)中因固體骨架和流體或氣體的共同作用，使地震縱波速度降低，波至?xí)r間加長(zhǎng)，也使地震波不同頻率成分的能量分布發(fā)生了變化，低頻成分相對(duì)增強(qiáng)，高頻成分相對(duì)減弱，地震波能量向低頻方向移動(dòng)。這種地震反射波場(chǎng)特征的變化，為利用地震資料的時(shí)間、振幅和頻率變化等特征識(shí)別煤層氣富集區(qū)提供了理論依據(jù)。

2 煤層氣地震勘探的主要預(yù)測(cè)方法

煤層氣儲(chǔ)層的物性差異和地震響應(yīng)特征為利用地震手段進(jìn)行煤層氣富集區(qū)及煤層瓦斯突出區(qū)的預(yù)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。從煤層氣儲(chǔ)層的差異特征出發(fā)，利用煤層氣儲(chǔ)層的地震響應(yīng)特征對(duì)煤層氣富集區(qū)進(jìn)行嘗試性預(yù)測(cè)。

2.1 根據(jù)煤層埋藏深度進(jìn)行煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)

在地表相對(duì)平緩的勘探區(qū)，地震時(shí)間剖面上目的層T0值的大小基本反應(yīng)了煤層的埋藏深度，因此可以結(jié)合實(shí)際煤層氣抽采資料，根據(jù)解釋的等T0平面圖進(jìn)行煤層氣含量定性預(yù)測(cè)。

2.2 煤層氣富集區(qū)的波阻抗反演技術(shù)預(yù)測(cè)

因煤儲(chǔ)層中煤層氣含量的不同，導(dǎo)致煤層的地震波速度和密度存在差異。煤層含氣量相對(duì)富集區(qū)域地震波場(chǎng)速度和密度要比常規(guī)不含氣的煤層低。排除煤層構(gòu)造異常體對(duì)波阻抗值的影響，煤層中波阻抗低值區(qū)域則可視為煤層氣相對(duì)富集區(qū)。因此，可通過(guò)鉆孔資料約束，利用煤層的速度和密度的差異，即煤層波阻抗的差異進(jìn)行煤層氣富集區(qū)的預(yù)測(cè)。

2.3 煤層氣富集區(qū)的頻譜分解技術(shù)預(yù)測(cè)

頻譜分解技術(shù)是一種頻率域的解釋方法，是地震屬性分析中的重要組成部分。該技術(shù)可提取地震資料有效頻帶范圍內(nèi)所有離散頻率對(duì)應(yīng)的調(diào)諧振幅和調(diào)諧相位，通過(guò)在短時(shí)窗內(nèi)頻譜分解來(lái)研究薄層變化和地質(zhì)體的不連續(xù)性，是最新發(fā)展起來(lái)的適用于三維地震解釋和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究的地震屬性解釋技術(shù)。煤層含氣時(shí)會(huì)引起地震反射信號(hào)的高頻部分衰減加劇，產(chǎn)生頻譜中的低頻異常特征。這種頻率響應(yīng)的異常，為利用頻譜分解技術(shù)進(jìn)行煤層氣相對(duì)富集區(qū)的預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)。

2.4 煤層氣富集區(qū)的其他地震屬性技術(shù)預(yù)測(cè)

AVO（amplitude versus offset）技術(shù)始于20世紀(jì)60年代后期的地震勘探亮點(diǎn)油氣檢測(cè)技術(shù)。在地震勘探中，作為烴類、巖性和裂隙的重要檢測(cè)手段，AVO技術(shù)在石油與天然氣研究領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用并有成熟的理論基礎(chǔ)。AVO技術(shù)是以彈性波理論為基礎(chǔ)，利用疊前CDP道集對(duì)地震反射振幅隨炮檢距（或入射角）的變化特征進(jìn)行研究、分析振幅隨炮檢距的變化規(guī)律，得到反射系數(shù)與炮檢距之間的關(guān)系，并對(duì)地下反射界面上覆、下伏介質(zhì)的巖性特征和物性參數(shù)做出分析，達(dá)到利用地震反射振幅信息檢測(cè)煤層氣的目的。

3 實(shí)際應(yīng)用

所選礦區(qū)為沁水盆地某礦，沁水盆地是我國(guó)北方石炭二疊紀(jì)煤炭資源最重要的分布區(qū)之一，該盆地含煤面積約42000km2，煤炭?jī)?chǔ)量約2700×108t，具有形成煤層氣藏的良好物質(zhì)基礎(chǔ)。本次試驗(yàn)研究中應(yīng)用了煤層埋藏深度、波阻抗反演技術(shù)、頻譜分解技術(shù)預(yù)測(cè)試驗(yàn)區(qū)的煤層氣富集區(qū)。

實(shí)驗(yàn)區(qū)主要含氣煤層的等T0平面圖見(jiàn)圖1，圖1中黑色區(qū)域代表目的層T0值小，即埋藏深度小，灰色區(qū)域代表過(guò)度區(qū)域，白色區(qū)域代表目的層T0值大，即埋藏深度大，故推斷黑色區(qū)域煤層氣含量較低。而實(shí)際抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，將定性預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際抽采數(shù)據(jù)對(duì)比，情況基本吻合（圖1中的等值線為實(shí)際抽采量等值線圖）。

表1 研究區(qū)鉆孔煤層氣含量值

圖1 煤層埋深的等T0值平面圖

利用三維地震數(shù)據(jù)體、煤層反射波解釋層位及斷層數(shù)據(jù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、巖性及柱狀數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)資料，對(duì)勘探區(qū)進(jìn)行了多井約束下的三維疊后反演。針對(duì)所得到的反演數(shù)據(jù)體，從反演的方法原理入手，結(jié)合已知測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行地震屬性解釋，最終得到能夠反映煤層厚度變化及煤層波阻抗差異情況的波阻抗數(shù)據(jù)體。根據(jù)含氣煤層的速度和密度比常規(guī)煤層低，也即波阻抗值比常規(guī)煤層低的原則，提取煤層波阻抗值，在波阻抗值低的區(qū)域則可預(yù)測(cè)為煤層氣富集的區(qū)域。

提取的煤層波阻抗平面圖見(jiàn)圖2，從圖2中色標(biāo)顯示可以看出，在黑色區(qū)域波阻抗表現(xiàn)為低值，則可測(cè)為煤層氣富集的區(qū)域。根據(jù)已知鉆孔所測(cè)的氣含量數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），位于波阻抗高值區(qū)的鉆孔CZ－81的含氣量為2.43m3／t、CZ－66的含氣量為5.39m3／t、CZ－61的含氣量為4.76m3／t，而位于波阻抗低值區(qū)的CZ－20的含氣量為8.61m3／t、CZ－35的含氣量為7.18m3／t，說(shuō)明利用地震波阻抗反演的方法進(jìn)行煤層氣富集區(qū)的預(yù)測(cè)在方法上是可行的。

圖2 波阻抗差異顯示的煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)效果及含氣量等值線圖

通過(guò)不同頻率下的能量切片變化，可以分析同一區(qū)域在不同的頻率下的能量變化趨勢(shì)，若此區(qū)域在低頻時(shí)能量相對(duì)增強(qiáng)，高頻時(shí)能量相對(duì)減弱，則可預(yù)測(cè)為煤層氣相對(duì)富集的區(qū)域。沿煤層35Hz、55Hz及75Hz下的振幅譜切片見(jiàn)圖3，從圖中色標(biāo)（黑色為高值、灰色為中間值、灰白色為低值）可以看到：當(dāng)頻率為35Hz時(shí)，黑色區(qū)域的范圍明顯大于灰白色區(qū)域范圍，隨著頻率的增加，黑色區(qū)域的范圍逐漸減弱，變?yōu)榛野咨?，而原?lái)灰白色區(qū)域的部分能量逐漸增強(qiáng)，變?yōu)楹谏?；?dāng)頻率增加調(diào)諧頻率75Hz時(shí)，振幅值達(dá)到最大，因此推測(cè)35Hz振幅譜切片黑色區(qū)域的地方為煤層氣相對(duì)富集區(qū)，而灰白色區(qū)域則為煤層氣相對(duì)較少的區(qū)域。

圖3 不同頻率下振幅譜及含氣量等值線圖

4 結(jié)論

根據(jù)煤層氣儲(chǔ)層的物性及地震響應(yīng)特征，利用煤層埋藏深度、波阻抗反演技術(shù)、頻譜分解技術(shù)預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)域均能取得一定的效果，為利于地震資料預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)做了有益的嘗試。但這些預(yù)測(cè)方法都只停留在定性預(yù)測(cè)的層面上，要做到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)還需要物探工作者做更精細(xì)的研究工作。

［1］ 張新民.煤層甲烷－我國(guó)天然氣的重要潛在領(lǐng)域［J］.天然氣業(yè)，1991（3）

［2］ 崔若飛，陳同俊，錢(qián)進(jìn)等.利用地震P波確定煤層瓦斯富集帶的分布［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2007（6）

［3］ 湯紅偉，程健遠(yuǎn).深層煤礦床的煤巖樣物性測(cè)試結(jié)果與分析［J］.中國(guó)煤炭，2009（9）

［4］ 王兆豐，袁軍偉，賈東旭.煤礦高瓦斯帶超前判識(shí)技術(shù)研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（1）

［5］ 李辛子，郭全仕.煤層氣地球物理技術(shù)研究綜述［A］.2008年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［C］.北京：地質(zhì)出版社，2008

［6］ 程五一，張序明，吳福昌.煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測(cè)理論及技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版杜，2005

［7］ 傅學(xué)海，秦勇.多項(xiàng)介質(zhì)煤層氣儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)理論與方法［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［8］ 楊雙安，寧書(shū)年，張會(huì)星.基于雙相介質(zhì)理論的煤層甲烷預(yù)測(cè)技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005（增刊）

［9］ 劉洪林等.中國(guó)高煤階地區(qū)的煤層氣勘探理論與實(shí)踐石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2004（5）

［10］ Yanghua Wang.Seismic time 2frequency spectral decomposition by matching pursuit［J］.Geophysics，2007（1）

［11］ 徐麗英，徐鳴潔，陳振巖.利用譜分解技術(shù)進(jìn)行薄儲(chǔ)層預(yù)測(cè)［J］.石油地球物理勘探，2006（3）

［12］ 龔洪林，王振卿，李錄明.利用地震分頻技術(shù)預(yù)測(cè)碳酸鹽巖儲(chǔ)層［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2008（1）

［13］ 李勁松，李艷東，張盺.地震譜分解技術(shù)在巖性油氣藏描述中的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2008（2）

［14］ 孫鵬遠(yuǎn).AVO技術(shù)新進(jìn)展［J］.勘探地球物理進(jìn)展，2005（6）

［15］ 郭建，宋玉龍.SEG第70屆年會(huì)論文概要［C］.北京：石油工業(yè)出版社，2000

Study on seismic exploration technology applied to forecast of CBM－riched regions

Tang Hongwei
（Xi＇an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp.，Xi＇an，Shaanxi 710077，China）

It is proved that there are significantly differences in physical characteristics and seismic response between CBM－riched regions and low CBM regions，and the velocity of seismic wave in the former is about 4／5of that in the latter.The seismic forward modeling showed that the seismic wave arrival time was delayed，the seismic amplitude was weakened and the seismic frequency was reduced in CBM－riched regions.Based on these characteristics，the CBM－riched region in some coal mine was forecast by using wave impedance inversion and spectral decomposition.The prediction of CBM－riched region was consistency with the results from the actual extraction.The applications of these methods could provide a foundation for the development of CBM.

CBM－riched region，wave impedance inversion，spectral decomposition

P631

A

＊資助項(xiàng)目：中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院技術(shù)創(chuàng)新資助（項(xiàng)目編號(hào)：2011XAYCX020）

湯紅偉（1980－），女，博士，河南信陽(yáng)人，現(xiàn)在中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院從事地震勘探技術(shù)研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）