Question

煤层气地震勘探技术

Answer 1

崔若飞 陈同俊 钱进 赵虎 李仁海 毛欣荣

（中国矿业大学 徐州 221008）

作者简介：崔若飞，1954年生，男，河南洛阳人，中国矿业大学教授，博士生导师，长期从事应用地球物理的教学和科研工作。电子信箱：rfcui@cumt.edu.cn，通信地址：江苏省徐州市中国矿业大学资源与地球科学学院，邮编：221008。

摘要 三维P波地震勘探是煤层气勘探开发的关键技术之一，属于岩性地震勘探的范畴。利用国内外油气勘探的成功经验并结合煤层气勘探的特点，提出利用“两个理论、六项技术”来指导煤层气地震勘探。两个理论是双相介质理论和各向异性介质理论，六项技术是地震属性技术、地震反演技术、方位AVO技术、方位各向异性技术、煤层厚度非线性反演技术和基于MAPGIS的多源信息预测技术。利用煤层气地震勘探技术，并配合其他地质手段，建立煤层气（瓦斯）富集带预测模型，为煤层气的开发提供科学的地质依据。

关键词 煤层气勘探 岩性地震勘探 地震反演 方位AVO 方位各向异性

CBM Seismic Survey Technology

Cui Ruofei，Chen Tongjun，Qian Jin，Zhao Hu，Li Renhai，Mao Xinrong

（China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008）

Abstract：3D P-wave seismic survey is the lithological seismic method which is one of the key techniques for CBM survey.Based on domestic and overseas successful oil/gas survey experiences and the features of CBM survey，the paper pointed out that CBM seismic survey should be directed by the two theories and six techniques.The two theories mean both two-phase and anisotropic medium theories.Six techniques include seismic attribute，seismic inversion，azimuth AVO，azimuth anisotropy，non-linear inversion of coalbed thickness and multi-source information prediction based on MAPGIS.Using CBM seismic survey combined with other geological methods，the paper established the prediction model of CBM accumulation area which would provide scientific geological basis for CBM exploitation.

Keywords：CBM exploration；lithological seismic survey；seismic inversion；azimuth AVO；azimuth anisotropy

1 煤层气勘探的意义

煤层气（瓦斯）是由煤化作用形成的赋存在煤层中的以甲烷为主的混合气体。我国是一个能源消费大国，加速煤层气的勘探与开发具有重要意义。

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，2005年全国煤矿瓦斯事故死亡2157人，占全部煤矿事故死亡人数的36%。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%。事实上瓦斯已成为我国煤矿安全生产的“第一杀手”。造成这种局面的原因是多方面的，既有管理上的原因，也有技术上的原因。关键在于煤矿在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和开采过程中，无法根据瓦斯分布情况制定有针对性的措施。

目前，晋城矿区为了抽排瓦斯，只能以一定的密度均匀布置钻孔，希望通过这种方式将瓦斯在开采前抽放掉。但是这样做又会面临两难的选择，如果要将瓦斯尽可能地排放干净，就必须将钻孔布置得相当密集，成本就会增加；如果要控制成本，就要降低钻孔密度，可能无法保证瓦斯浓度在安全指标以下，即可能会导致瓦斯事故的发生。因此，只有依靠科技进步，采用新技术、新方法才能为煤矿查明煤层瓦斯富集区域，是当前煤矿生产中亟待解决的重要课题。

最后，利用煤层气可以有效保护生态环境。甲烷对红外线的吸收能力是二氧化碳的25～30倍，是造成温室效应的元凶之一。煤矿开采过程中的甲烷排放量占全球总排放量的一半，可见煤层气的开发利用可以有效降低温室效应。

总之，煤层气的勘探、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 煤层气勘探开发的关键技术

今天，三维地震勘探技术已经成为煤矿生产中必不可少的手段，在很大程度上替代了传统的地质勘探方法。

现行的煤田地震勘探技术主要是利用反射波的运动学特征来解决构造问题，而煤层气（瓦斯）地震勘探属于岩性地震勘探。在影响煤层气成藏的5个主要因素中，利用地震资料和其他地质资料可以查明煤层厚度、断层及其他构造分布、煤层埋藏深度、煤层的倾角与露头位置。但是，不能对煤层和围岩的透气性做出评价，即无法确定含裂隙裂缝介质（构造煤的分布与厚度）的性质。

瓦斯作为气体，如果要在煤层中储存和运移，那么煤层及其顶底板中就必须要有相互联通的裂隙裂缝。总之，裂隙裂缝的存在是瓦斯存在的必要条件，也是搞清煤层瓦斯富集带的关键。因此，对于煤矿开采而言，研究煤层及其顶底板裂隙裂缝的分布和连通情况极其重要。瓦斯突出及爆炸的罪魁祸首就是煤层及其顶底板中的裂隙裂缝。由于裂隙裂缝是瓦斯富集、存储、运移的场所，因此查明采区内断层、裂隙裂缝的分布便能够对煤层及其顶底板（围岩）的透气性做出正确评价。于是，煤层气（瓦斯）地震勘探的核心是查明煤层及顶板中裂隙裂缝发育的方向和密度。

早在20世纪90年代，利用地震资料研究裂隙裂缝发育的方向和密度便受到地球物理学家的高度重视。主要原因是碳酸盐岩是一个有利的高产油气层，世界上约有60%左右的油气来自碳酸盐岩储层，而碳酸盐岩储层与裂隙裂缝的关系极为密切。大量的研究工作和观测数据表明，含裂隙裂缝介质的性质可以用双相介质理论和各向异性介质理论进行解释。因此，国内外学者把重点放在利用地震资料研究双相介质的各向异性和检测裂隙裂缝方面，其主要方法有三类：①多波多分量裂隙裂缝检测技术；②S波裂隙裂缝检测技术；③P波裂隙裂缝检测技术。由于P波地震勘探成本低，从20世纪90年代起，地球物理学家把目光转向P波勘探，用P波代替S波/转换波检测裂隙裂缝已成为一个重要研究课题。

煤田地震勘探的情况也是如此，1993年P 波三维地震勘探技术开始得到应用，1998年三维三分量地震勘探技术引入煤田，并陆续在10余个煤矿进行试验工作，希望综合利用P波和转换波解决煤矿生产中的开采技术条件问题。但是，事与愿违，时至今日没有取得突破性成果。今天，回过头来分析煤田转换波地震勘探的得失时，不能忽略煤层埋藏浅、P波的信噪比高和分辨率高这一鲜明特点，而转换波的信噪比较P 波相差1～2个数量级。因此，煤层气勘探开发应该以三维P波地震技术为主，同时配合其他地质手段。

3 煤层气地震勘探技术的特点

利用P波进行煤层气地震勘探，目的是利用地震波运动学和动力学特征来研究小型压性与压扭性构造、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）、构造煤的厚度。

利用国内外油气勘探的成功经验并结合煤层气勘探的特点，提出利用“两个理论、六项技术”来指导煤层气地震勘探。

两个理论是双相介质理论和各向异性介质理论，六项技术是地震属性技术、地震反演技术、方位AVO技术、方位各向异性技术、煤层厚度非线性反演技术和基于MAPGIS的多源信息预测技术。

3.1 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。

煤层气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。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。杨双安博士利用数值模拟方法对该理论进行了验证。图1为六层介质模型，其中第四层中部为双相介质，代表瓦斯富集区。合成记录见图2。

图1 模型示意图

图2 合成地震记录

从图2 中看到有两组反射波，在100ms 附近的反射波是界面1 形成的反射波，在200ms附近的反射波是界面2、界面3、界面4和界面5形成的复合波。对200ms附近的复合反射波进行分频处理，得到不同频率成分的能量。在图3中，中间的双相介质区域表现出：①时间发生延迟、反射波连续性较好的运动学特征；②低频能量增强、高频能量衰减的频率特性；③与正常反射波相位相反的相位特征。总之，具有双相介质特征的瓦斯富集区与单相介质区域有明显的差异。

图3（a）标准低频成分（1～10Hz）的能量；（b）高频成分（35～45Hz）的能量（据杨双安）

图4 淮南张集煤矿西三采区13-1煤层的主频带能量百分比

图4是淮南张集煤矿西三采区13-1煤层的主频带能量百分比，可以发现主频带能量的变化规律。

3.2 地震反演技术

波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件，对井旁地震资料进行约束反演，并在此基础上对孔间地震资料进行反演，推断煤系地层岩性在平面上的变化情况，这样就把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来，实行优势互补，大大提高三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度。

通过波阻抗反演，可以预测煤层及顶底板的岩性特征。图5显示的是某区13-1煤常规地震剖面与波阻抗反演剖面的对比。通过对比，发现图5（b）不但能清楚地显示煤层，而且对煤层顶底板的岩性也有较清楚的显示。因此，可以对方位地震数据体进行反演，从方位反演数据体中提取有关剖面属性并进行各向异性分析。

图5 某区13-1煤常规地震剖面与波阻抗反演剖面的对比

3.3 方位AVO 技术

AVO（Amplitude Versus Offset）技术是利用反射系数随入射角变化的原理，在叠前道集上分析振幅随炮检距变化的规律，估求岩石的弹性参数并检测油气的重要技术。而方位AVO分析则是将宏面元按多方位等分，再在不同的方位上做AVO分析的一种技术。

影响反射振幅随炮检距变化的最主要因素是介质的泊松比，其次是速度。因此，AVO响应实际是地层泊松比异常的反映。通常，煤的泊松比值为0.37～0.45，含气砂岩的泊松比值可降到0.1。因此，可以根据CDP道集记录中的振幅随偏移距的变化关系来勘探气层。图6是方位AVO分析示意图，图6（a）是宏面元方位划分方法，图6（b）是宏面元方位AVO曲线。

图6 方位AVO分析示意图

由于AVO曲线可以下式进行近似：

A_P（θ）=P+G*sin（θ）

因此，对每个宏面元的每个方位AVO曲线用上式进行拟合，即可以得到每个方位的 P 属性值和G属性值。同样，可将每个宏面元内每个方位的 P 值和G值进行椭圆拟合，计算出方位各向异性（图7）。

图7 P波属性的方位各向异性

3.4 方位各向异性技术

含裂隙裂缝介质的性质可以用各向异性介质理论进行解释，而传统的地震理论仅研究各向同性介质。

目前，国内外学者通过大量的正演计算证明了反射P波在裂隙性地层中表现为方向各项异性。主要表现在叠前P波数据的振幅、速度和旅行时差随炮检距或方位角的变化。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，如图7所示。图8中显示的是某区4号宏面元的方位CDP道集。图8中将宏面元按等方位地划分为18个区，每个方位的道集依次排列，红色箭头的位置为目的层。从图8中可以发现宏面元的每个方位道集的振幅强弱是不同的，将它们提取并做椭圆拟合，将椭圆的长轴方向作为裂隙的主方向。这样就可以得到裂隙裂缝分布示意图，如图9所示。在图9中箭头方向表示裂隙裂缝的方向，箭头长度表示裂缝的密度，箭头越长表示裂隙裂缝越发育。另外，也可以通过对宏面元的各方位CDP道集做速度分析，得到层速度随方位的变化关系，同样也可以拟合出裂隙裂缝分布示意图。

图8 某区4号宏面元的方位CDP道集

图9 利用P波属性得到的裂隙裂缝分布示意图

把上述观点进行延伸，研究多个地震属性随入射角变化的规律，利用地震属性参数随方位角变化的特征提取裂隙属性，从而确定岩溶裂隙带的空间分布，这种技术称方位各向异性技术。

3.5 煤层厚度非线性反演技术

传统的煤层厚度计算是利用钻孔资料的对比、内插获得的。然而在任何勘探区内，钻孔的数目是有限的，所以其计算的煤厚值可信度很低。因此，国内外许多学者试图从连续观测的地震资料，特别是从数据密度很大的三维地震资料中获取煤层厚度信息。

人们提出了多种煤层厚度的定量解释方法，从理论上讨论了煤层反射波的形成机制，研究了它的地震特征（包括波形、振幅与频率）随煤层厚度的变化规律，为利用煤层反射波的地震属性参数进行煤层厚度预测提供了理论依据。但是，这些方法基本上只利用了一类地震属性参数，具有一定的局限性，它们都要求煤层厚度在一定范围内与煤层反射波属性参数呈线性变化关系，即它们都属于煤层厚度线性反演方法。然而，煤层反射波属性参数与煤层厚度是一种非线性关系。因此，迫切需要建立煤层厚度的非线性反演方法。

煤层厚度非线性反演技术属于统计分析方法，即利用某些地震属性参数与薄层厚度的统计关系来预测构造煤层的厚度变化。首先利用谱分解技术对地震剖面进行分解得到窄带频率剖面，然后从低频剖面中提取有关地震属性参数，最后利用人工神经网络对地震属性参数进行煤层厚度反演。

3.6 基于MAPGIS的多源信息预测技术

由于瓦斯富集与裂隙发育程度、煤层厚度、断层及其他构造分布、煤层埋藏深度、煤层的倾角与露头位置、煤化程度等因素有关。因此，要对煤层瓦斯富集带进行准确预测就必须将上述因素都要充分考虑。可以发现，提取了上述几种因素的有关属性后，上述因素的属性数据量将相当大，相互关系将相当复杂。为了有效、合理地利用上述因素的各种属性，选择了GI S作为平台，将各种属性和空间数据相融合，生成各种专题图件，最终确立合理的多源信息融合方法。在此基础上，建立服务于煤矿生产的瓦斯富集带预测模型。图10显示的是多源信息融合方法和综合分析过程。

图10 多源信息融合方法和综合分析

4 结论

煤层气地震勘探的总体目标是：将地球物理技术、基础地质勘探手段、数学地质分析手段与地理信息系统技术进行有机结合，应用于煤层气（瓦斯）富集带的预测与评价。

煤层气地震勘探的技术特点是：

（1）将双相介质理论和各向异性介质中弹性波传播理论与煤田地震资料的特点相结合；

（2）利用地震属性技术、地震反演技术、方位AVO技术、方位各向异性技术，提取地震P波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征，并从地震属性参数随方位角变化的特征中提取煤层和围岩的裂隙属性；

（3）利用煤层厚度非线性反演技术获取构造煤的厚度信息；

（4）利用GIS作为平台，把煤层和围岩的裂隙属性、煤层厚度、断层及其他构造分布、煤层埋藏深度、煤层的倾角与露头位置等多源信息进行融合和综合分析后，建立煤层气（瓦斯）富集带预测模型，为煤层气的开发提供科学的地质依据。

参考文献

[1]张子敏，张玉贵.2005.瓦斯地质规律与瓦斯预测，北京：煤炭工业出版杜，4～54

[2]董敏煜.2002.多波多分量地震勘探，北京：石油工业出版杜，31～53

[3]曲寿利，季玉新，王鑫.2003.泥岩裂缝油气藏地震检测方法，北京：石油工业出版杜

[4]杨双安.2006.双相介质中三维地震勘探技术预测瓦斯的研究.中国矿业大学博士论文

[5]王晓波.1997.地理信息系统在南屯煤矿瓦斯分布规律研究中的应用.中国矿业大学硕士论文

[6]Christopher Juhlin，Roger Young.1993.Implications of thin layers for amplitude variation with offset（AVO）studies，Geophysics，58（8）：1200～1204

[7]Antonio C.B.Ramos et al.1997.3-D AVO analysis and modeling applied to fracture detection in coalbed methane reservoirs，Geophysics，62（6）：1683～1695

[8]Perez MA，Gibson R L，Toks MN.1999.Detection of fracture orientation using azimuthal variation of P-wave AVO response，Geophysics，64（4）：1253～1265

[9]A.Grechka and J.Michelena.1999.Fracture detection in a carbonate reservoir using a variety of seismic methods，Geophysics，64（4）：1266～1276

[10]Willian L Soroka.2002.Successful production application of 3-D amplitude variation with offset：The lessons learened，Geophysics，67（2）：379～389