地震勘探技術在煤層氣富集區預測中的探索性研究

湯紅偉

（中煤科工集團西安研究院，陜西省西安市，710077）

地震勘探技術在煤層氣富集區預測中的探索性研究

湯紅偉

（中煤科工集團西安研究院，陜西省西安市，710077）

實際測試表明：煤層氣富集區區域在物性特征及地震響應上與煤層氣含量較低區域有顯著不同，煤層氣富集區的地震波速度約為正常煤層的4／5。地震正演模擬結果顯示：煤層氣富集區地段在地震資料上出現地震波至時間加長、振幅減弱、頻率降低的特征。本文以此理論為基礎，利用波阻抗反演、頻譜分解技術，對某礦區煤層氣富集區進行了嘗試性預測，實際抽采資料表明：這些方法預測的煤層氣富集區與實際抽采的結果基本吻合。這些方法的應用為后續的煤層氣開發奠定了基礎。

煤層氣富集區 波阻抗反演 頻譜分解

我國煤層氣資源量相對豐富，居世界第三位，到目前為止已探明全國煤層埋深2000m以淺煤層氣總資源量達36.8×1012m3，其中可采資源量10.9×1012m3，主要分布于華北地區，約占全國煤層氣資源總量的56%以上。三維地震勘探技術作為煤礦采區構造勘探的主要手段，已獲得廣泛應用，而煤層氣的地震勘探不同于現行的利用反射波的運動學特征來解決構造問題的油氣勘探，它屬于巖性地震勘探范疇，目前，應用地震勘探技術進行煤層氣勘探尚處于探索階段。

1 地震勘探煤層氣富集區的前提與基礎

1.1 煤層氣富集區

煤層氣主要以吸附態、游離態和溶解態存在于煤儲層中。目前，對于煤層氣的富集區概念還沒有一個明確的定義，王兆豐從煤層開采過程中瓦斯突出的角度出發，對煤層氣富集區進行了定義，并將以下3種情況稱為煤層氣的富集區：（1）同一煤層的某一采區的煤層氣含量明顯高于周邊相鄰采區的煤層氣含量；（2）同一采區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議。對于煤層氣富集區的形成原因，國內外大量研究證實，“生、儲、蓋”條件的差異是造成煤層中出現煤層氣富集區的根本原因。影響煤層氣富集區的主要因素有沉積環境及煤田地質史、煤變質程度、埋藏深度（一般情況下，隨著埋藏深度的增加，煤層的含氣量也會增加，當深度不太大時，煤層氣含量隨埋深呈線性增加；當深度很大時，煤層氣含量趨于常量）、煤層和圍巖的透氣性、煤層露頭、地質構造、巖漿活動以及水文地質條件。

1.2 煤層氣儲層的物性及地震響應特征

煤層中含氣量的多寡對煤層的物性參數有較大影響，也是實現煤層氣地球物理勘探的基礎。彈性模量的實際測試結果表明：煤中含氣時，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煤層的1.5倍以上。

為研究煤層因含氣量的多寡導致在地震反射波的傳播時間、能量和頻率特征的差異，楊雙安在雙相介質波動方程理論的基礎上，根據實際煤層賦存形態建立模型，進行了煤層氣富集的地震波場的正演模擬。模擬結果表明，在已知模型的煤層氣含量反射波區域的波形特征表現出了明顯的傳播時間延長、振幅減弱和主頻降低的特征，與正常煤層的波場特征存在顯著的差異。產生這一現象的主要原因是，雙相介質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，波至時間加長，也使地震波不同頻率成分的能量分布發生了變化，低頻成分相對增強，高頻成分相對減弱，地震波能量向低頻方向移動。這種地震反射波場特征的變化，為利用地震資料的時間、振幅和頻率變化等特征識別煤層氣富集區提供了理論依據。

2 煤層氣地震勘探的主要預測方法

煤層氣儲層的物性差異和地震響應特征為利用地震手段進行煤層氣富集區及煤層瓦斯突出區的預測提供了理論基礎和技術支持。從煤層氣儲層的差異特征出發，利用煤層氣儲層的地震響應特征對煤層氣富集區進行嘗試性預測。

2.1 根據煤層埋藏深度進行煤層氣富集區預測

在地表相對平緩的勘探區，地震時間剖面上目的層T0值的大小基本反應了煤層的埋藏深度，因此可以結合實際煤層氣抽采資料，根據解釋的等T0平面圖進行煤層氣含量定性預測。

2.2 煤層氣富集區的波阻抗反演技術預測

因煤儲層中煤層氣含量的不同，導致煤層的地震波速度和密度存在差異。煤層含氣量相對富集區域地震波場速度和密度要比常規不含氣的煤層低。排除煤層構造異常體對波阻抗值的影響，煤層中波阻抗低值區域則可視為煤層氣相對富集區。因此，可通過鉆孔資料約束，利用煤層的速度和密度的差異，即煤層波阻抗的差異進行煤層氣富集區的預測。

2.3 煤層氣富集區的頻譜分解技術預測

頻譜分解技術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。該技術可提取地震資料有效頻帶范圍內所有離散頻率對應的調諧振幅和調諧相位，通過在短時窗內頻譜分解來研究薄層變化和地質體的不連續性，是最新發展起來的適用于三維地震解釋和儲層預測研究的地震屬性解釋技術。煤層含氣時會引起地震反射信號的高頻部分衰減加劇，產生頻譜中的低頻異常特征。這種頻率響應的異常，為利用頻譜分解技術進行煤層氣相對富集區的預測提供了基礎。

2.4 煤層氣富集區的其他地震屬性技術預測

AVO（amplitude versus offset）技術始于20世紀60年代后期的地震勘探亮點油氣檢測技術。在地震勘探中，作為烴類、巖性和裂隙的重要檢測手段，AVO技術在石油與天然氣研究領域內被廣泛應用并有成熟的理論基礎。AVO技術是以彈性波理論為基礎，利用疊前CDP道集對地震反射振幅隨炮檢距（或入射角）的變化特征進行研究、分析振幅隨炮檢距的變化規律，得到反射系數與炮檢距之間的關系，并對地下反射界面上覆、下伏介質的巖性特征和物性參數做出分析，達到利用地震反射振幅信息檢測煤層氣的目的。

3 實際應用

所選礦區為沁水盆地某礦，沁水盆地是我國北方石炭二疊紀煤炭資源最重要的分布區之一，該盆地含煤面積約42000km2，煤炭儲量約2700×108t，具有形成煤層氣藏的良好物質基礎。本次試驗研究中應用了煤層埋藏深度、波阻抗反演技術、頻譜分解技術預測試驗區的煤層氣富集區。

實驗區主要含氣煤層的等T0平面圖見圖1，圖1中黑色區域代表目的層T0值小，即埋藏深度小，灰色區域代表過度區域，白色區域代表目的層T0值大，即埋藏深度大，故推斷黑色區域煤層氣含量較低。而實際抽采數據見表1，將定性預測結果與實際抽采數據對比，情況基本吻合（圖1中的等值線為實際抽采量等值線圖）。

表1 研究區鉆孔煤層氣含量值

圖1 煤層埋深的等T0值平面圖

利用三維地震數據體、煤層反射波解釋層位及斷層數據、測井數據、巖性及柱狀數據，結合地質資料，對勘探區進行了多井約束下的三維疊后反演。針對所得到的反演數據體，從反演的方法原理入手，結合已知測井數據進行地震屬性解釋，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據體。根據含氣煤層的速度和密度比常規煤層低，也即波阻抗值比常規煤層低的原則，提取煤層波阻抗值，在波阻抗值低的區域則可預測為煤層氣富集的區域。

提取的煤層波阻抗平面圖見圖2，從圖2中色標顯示可以看出，在黑色區域波阻抗表現為低值，則可測為煤層氣富集的區域。根據已知鉆孔所測的氣含量數據（見表1），位于波阻抗高值區的鉆孔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的CZ－20的含氣量為8.61m3／t、CZ－35的含氣量為7.18m3／t，說明利用地震波阻抗反演的方法進行煤層氣富集區的預測在方法上是可行的。

圖2 波阻抗差異顯示的煤層氣富集區預測效果及含氣量等值線圖

通過不同頻率下的能量切片變化，可以分析同一區域在不同的頻率下的能量變化趨勢，若此區域在低頻時能量相對增強，高頻時能量相對減弱，則可預測為煤層氣相對富集的區域。沿煤層35Hz、55Hz及75Hz下的振幅譜切片見圖3，從圖中色標（黑色為高值、灰色為中間值、灰白色為低值）可以看到：當頻率為35Hz時，黑色區域的范圍明顯大于灰白色區域范圍，隨著頻率的增加，黑色區域的范圍逐漸減弱，變為灰白色，而原來灰白色區域的部分能量逐漸增強，變為黑色；當頻率增加調諧頻率75Hz時，振幅值達到最大，因此推測35Hz振幅譜切片黑色區域的地方為煤層氣相對富集區，而灰白色區域則為煤層氣相對較少的區域。

圖3 不同頻率下振幅譜及含氣量等值線圖

4 結論

根據煤層氣儲層的物性及地震響應特征，利用煤層埋藏深度、波阻抗反演技術、頻譜分解技術預測煤層氣富集區域均能取得一定的效果，為利于地震資料預測煤層氣富集區做了有益的嘗試。但這些預測方法都只停留在定性預測的層面上，要做到準確的預測還需要物探工作者做更精細的研究工作。

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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

＊資助項目：中國煤炭科工集團西安研究院技術創新資助（項目編號：2011XAYCX020）

湯紅偉（1980－），女，博士，河南信陽人，現在中國煤炭科工集團西安研究院從事地震勘探技術研究工作。

（責任編輯 張艷華）