地震勘探技术在煤层气富集区预测中的探索性研究

汤红伟

（中煤科工集团西安研究院，陕西省西安市，710077）

地震勘探技术在煤层气富集区预测中的探索性研究

汤红伟

（中煤科工集团西安研究院，陕西省西安市，710077）

实际测试表明：煤层气富集区区域在物性特征及地震响应上与煤层气含量较低区域有显著不同，煤层气富集区的地震波速度约为正常煤层的4／5。地震正演模拟结果显示：煤层气富集区地段在地震资料上出现地震波至时间加长、振幅减弱、频率降低的特征。本文以此理论为基础，利用波阻抗反演、频谱分解技术，对某矿区煤层气富集区进行了尝试性预测，实际抽采资料表明：这些方法预测的煤层气富集区与实际抽采的结果基本吻合。这些方法的应用为后续的煤层气开发奠定了基础。

煤层气富集区 波阻抗反演 频谱分解

我国煤层气资源量相对丰富，居世界第三位，到目前为止已探明全国煤层埋深2000m以浅煤层气总资源量达36.8×1012m3，其中可采资源量10.9×1012m3，主要分布于华北地区，约占全国煤层气资源总量的56%以上。三维地震勘探技术作为煤矿采区构造勘探的主要手段，已获得广泛应用，而煤层气的地震勘探不同于现行的利用反射波的运动学特征来解决构造问题的油气勘探，它属于岩性地震勘探范畴，目前，应用地震勘探技术进行煤层气勘探尚处于探索阶段。

1 地震勘探煤层气富集区的前提与基础

1.1 煤层气富集区

煤层气主要以吸附态、游离态和溶解态存在于煤储层中。目前，对于煤层气的富集区概念还没有一个明确的定义，王兆丰从煤层开采过程中瓦斯突出的角度出发，对煤层气富集区进行了定义，并将以下3种情况称为煤层气的富集区：（1）同一煤层的某一采区的煤层气含量明显高于周边相邻采区的煤层气含量；（2）同一采区的某一工作面的煤层气含量明显高于毗邻工作面的煤层气含量；（3）同一工作面的某一块段的煤层气含量明显高于其它块段的煤层气含量。但是这种定义的适用性还存在争议。对于煤层气富集区的形成原因，国内外大量研究证实，“生、储、盖”条件的差异是造成煤层中出现煤层气富集区的根本原因。影响煤层气富集区的主要因素有沉积环境及煤田地质史、煤变质程度、埋藏深度（一般情况下，随着埋藏深度的增加，煤层的含气量也会增加，当深度不太大时，煤层气含量随埋深呈线性增加；当深度很大时，煤层气含量趋于常量）、煤层和围岩的透气性、煤层露头、地质构造、岩浆活动以及水文地质条件。

1.2 煤层气储层的物性及地震响应特征

煤层中含气量的多寡对煤层的物性参数有较大影响，也是实现煤层气地球物理勘探的基础。弹性模量的实际测试结果表明：煤中含气时，煤层的弹性模量有很大变化。一般情况下，随着煤体吸附的煤层气含量的增加，煤岩的弹性模量降低。煤层富集区的弹性模量基本上为不含气煤层的4／5，不含气煤层的超声波速度是煤层气富集区煤层的1.5倍以上。

为研究煤层因含气量的多寡导致在地震反射波的传播时间、能量和频率特征的差异，杨双安在双相介质波动方程理论的基础上，根据实际煤层赋存形态建立模型，进行了煤层气富集的地震波场的正演模拟。模拟结果表明，在已知模型的煤层气含量反射波区域的波形特征表现出了明显的传播时间延长、振幅减弱和主频降低的特征，与正常煤层的波场特征存在显著的差异。产生这一现象的主要原因是，双相介质中因固体骨架和流体或气体的共同作用，使地震纵波速度降低，波至时间加长，也使地震波不同频率成分的能量分布发生了变化，低频成分相对增强，高频成分相对减弱，地震波能量向低频方向移动。这种地震反射波场特征的变化，为利用地震资料的时间、振幅和频率变化等特征识别煤层气富集区提供了理论依据。

2 煤层气地震勘探的主要预测方法

煤层气储层的物性差异和地震响应特征为利用地震手段进行煤层气富集区及煤层瓦斯突出区的预测提供了理论基础和技术支持。从煤层气储层的差异特征出发，利用煤层气储层的地震响应特征对煤层气富集区进行尝试性预测。

2.1 根据煤层埋藏深度进行煤层气富集区预测

在地表相对平缓的勘探区，地震时间剖面上目的层T0值的大小基本反应了煤层的埋藏深度，因此可以结合实际煤层气抽采资料，根据解释的等T0平面图进行煤层气含量定性预测。

2.2 煤层气富集区的波阻抗反演技术预测

因煤储层中煤层气含量的不同，导致煤层的地震波速度和密度存在差异。煤层含气量相对富集区域地震波场速度和密度要比常规不含气的煤层低。排除煤层构造异常体对波阻抗值的影响，煤层中波阻抗低值区域则可视为煤层气相对富集区。因此，可通过钻孔资料约束，利用煤层的速度和密度的差异，即煤层波阻抗的差异进行煤层气富集区的预测。

2.3 煤层气富集区的频谱分解技术预测

频谱分解技术是一种频率域的解释方法，是地震属性分析中的重要组成部分。该技术可提取地震资料有效频带范围内所有离散频率对应的调谐振幅和调谐相位，通过在短时窗内频谱分解来研究薄层变化和地质体的不连续性，是最新发展起来的适用于三维地震解释和储层预测研究的地震属性解释技术。煤层含气时会引起地震反射信号的高频部分衰减加剧，产生频谱中的低频异常特征。这种频率响应的异常，为利用频谱分解技术进行煤层气相对富集区的预测提供了基础。

2.4 煤层气富集区的其他地震属性技术预测

AVO（amplitude versus offset）技术始于20世纪60年代后期的地震勘探亮点油气检测技术。在地震勘探中，作为烃类、岩性和裂隙的重要检测手段，AVO技术在石油与天然气研究领域内被广泛应用并有成熟的理论基础。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煤层气的目的。

3 实际应用

所选矿区为沁水盆地某矿，沁水盆地是我国北方石炭二叠纪煤炭资源最重要的分布区之一，该盆地含煤面积约42000km2，煤炭储量约2700×108t，具有形成煤层气藏的良好物质基础。本次试验研究中应用了煤层埋藏深度、波阻抗反演技术、频谱分解技术预测试验区的煤层气富集区。

实验区主要含气煤层的等T0平面图见图1，图1中黑色区域代表目的层T0值小，即埋藏深度小，灰色区域代表过度区域，白色区域代表目的层T0值大，即埋藏深度大，故推断黑色区域煤层气含量较低。而实际抽采数据见表1，将定性预测结果与实际抽采数据对比，情况基本吻合（图1中的等值线为实际抽采量等值线图）。

表1 研究区钻孔煤层气含量值

图1 煤层埋深的等T0值平面图

利用三维地震数据体、煤层反射波解释层位及断层数据、测井数据、岩性及柱状数据，结合地质资料，对勘探区进行了多井约束下的三维叠后反演。针对所得到的反演数据体，从反演的方法原理入手，结合已知测井数据进行地震属性解释，最终得到能够反映煤层厚度变化及煤层波阻抗差异情况的波阻抗数据体。根据含气煤层的速度和密度比常规煤层低，也即波阻抗值比常规煤层低的原则，提取煤层波阻抗值，在波阻抗值低的区域则可预测为煤层气富集的区域。

提取的煤层波阻抗平面图见图2，从图2中色标显示可以看出，在黑色区域波阻抗表现为低值，则可测为煤层气富集的区域。根据已知钻孔所测的气含量数据（见表1），位于波阻抗高值区的钻孔CZ－81的含气量为2.43m3／t、CZ－66的含气量为5.39m3／t、CZ－61的含气量为4.76m3／t，而位于波阻抗低值区的CZ－20的含气量为8.61m3／t、CZ－35的含气量为7.18m3／t，说明利用地震波阻抗反演的方法进行煤层气富集区的预测在方法上是可行的。

图2 波阻抗差异显示的煤层气富集区预测效果及含气量等值线图

通过不同频率下的能量切片变化，可以分析同一区域在不同的频率下的能量变化趋势，若此区域在低频时能量相对增强，高频时能量相对减弱，则可预测为煤层气相对富集的区域。沿煤层35Hz、55Hz及75Hz下的振幅谱切片见图3，从图中色标（黑色为高值、灰色为中间值、灰白色为低值）可以看到：当频率为35Hz时，黑色区域的范围明显大于灰白色区域范围，随着频率的增加，黑色区域的范围逐渐减弱，变为灰白色，而原来灰白色区域的部分能量逐渐增强，变为黑色；当频率增加调谐频率75Hz时，振幅值达到最大，因此推测35Hz振幅谱切片黑色区域的地方为煤层气相对富集区，而灰白色区域则为煤层气相对较少的区域。

图3 不同频率下振幅谱及含气量等值线图

4 结论

根据煤层气储层的物性及地震响应特征，利用煤层埋藏深度、波阻抗反演技术、频谱分解技术预测煤层气富集区域均能取得一定的效果，为利于地震资料预测煤层气富集区做了有益的尝试。但这些预测方法都只停留在定性预测的层面上，要做到准确的预测还需要物探工作者做更精细的研究工作。

［1］ 张新民.煤层甲烷－我国天然气的重要潜在领域［J］.天然气业，1991（3）

［2］ 崔若飞，陈同俊，钱进等.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（6）

［3］ 汤红伟，程健远.深层煤矿床的煤岩样物性测试结果与分析［J］.中国煤炭，2009（9）

［4］ 王兆丰，袁军伟，贾东旭.煤矿高瓦斯带超前判识技术研究［J］.河南理工大学学报，2005（1）

［5］ 李辛子，郭全仕.煤层气地球物理技术研究综述［A］.2008年煤层气学术研讨会论文集［C］.北京：地质出版社，2008

［6］ 程五一，张序明，吴福昌.煤与瓦斯突出区域预测理论及技术［M］.北京：煤炭工业出版杜，2005

［7］ 傅学海，秦勇.多项介质煤层气储层渗透率预测理论与方法［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003

［8］ 杨双安，宁书年，张会星.基于双相介质理论的煤层甲烷预测技术［J］.煤炭学报，2005（增刊）

［9］ 刘洪林等.中国高煤阶地区的煤层气勘探理论与实践石油实验地质［J］.石油实验地质，2004（5）

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

［11］ 徐丽英，徐鸣洁，陈振岩.利用谱分解技术进行薄储层预测［J］.石油地球物理勘探，2006（3）

［12］ 龚洪林，王振卿，李录明.利用地震分频技术预测碳酸盐岩储层［J］.地球物理学进展，2008（1）

［13］ 李劲松，李艳东，张盺.地震谱分解技术在岩性油气藏描述中的应用［J］.石油天然气学报，2008（2）

［14］ 孙鹏远.AVO技术新进展［J］.勘探地球物理进展，2005（6）

［15］ 郭建，宋玉龙.SEG第70届年会论文概要［C］.北京：石油工业出版社，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

＊资助项目：中国煤炭科工集团西安研究院技术创新资助（项目编号：2011XAYCX020）

汤红伟（1980－），女，博士，河南信阳人，现在中国煤炭科工集团西安研究院从事地震勘探技术研究工作。

（责任编辑 张艳华）