地震技术在煤层气勘探开发中的应用现状与发展趋势

张留荣，曾维望

(1.晋中市煤田地质勘探队，山西 晋中 030600; 2.山西山地物探技术有限公司，山西 晋中 030600)



地震技术在煤层气勘探开发中的应用现状与发展趋势

张留荣1，曾维望2

(1.晋中市煤田地质勘探队，山西 晋中 030600; 2.山西山地物探技术有限公司，山西 晋中 030600)

地质研究程度欠佳是造成我国煤层气开发投入/产出效率偏低的重要原因之一，当前大量的低产煤层气井是对不利的地质因素认识不清引起的。基于对煤层气富集主控地质因素的地球物理响应特征分析，认为构造、煤层厚度、煤体结构、裂隙系统等在地震弹性参数上均有明确的响应特征，但煤层含气性响应微弱，地震预测难度大。依据当前地震勘探技术发展现状，提出在三个层次上开展煤层气地震技术的研究与攻关：1)充分发挥采集、处理、解释等地震技术在构造勘探中的优势，大幅提高煤层赋存形态及构造的控制精度；2)加强井震联合反演、属性分析等技术研究，开展煤层厚度、围岩(岩性组合)、煤层宏观结构等岩性预测；3)开展煤层含气性、裂隙系统、煤体结构、地应力等煤层储层物性的岩石物理测试及地震预测方法的研究。

煤层气；煤层厚度；煤体结构；裂隙系统；属性分析；井震联合反演；地震勘探

0 引言

中国煤层气勘探开发经历了20多年的发展历程，在资源综合评价、成藏地质理论和勘探开发工程配套技术等方面取得了较为丰富的成果，地面煤层气开发产量从2004年的0.1亿m3增长到2016年的43.7亿m3。但是，投入/产出效率低下、自我盈利能力差的行业现状，严重制约煤层气产业的快速发展。数据统计显示[1]，截止到2012年底，全国已投产的7957口煤层气地面直井的平均单井日产气为902 m3，远低于其它主要的煤层气开发国家(美国平均单井日产气量为3900 m3，澳大利亚为2300 m3，加拿大为2200 m3)。在平均日产<300m3的低产井中，钻遇碎粒糜棱构造煤层和高矿化裂隙充填致密煤层造成低产的多达2000余口，部署在邻近断层、水动力条件活跃及高陡煤层部位造成低产的也有几百口。可见，煤层气开发地质研究薄弱是影响煤层气开发效果的一个极为重要的因素。如能提前通过相关勘探技术查明这些地质因素，使得钻井部署及开发技术应用做到有的放矢，必将大幅提高煤层气投入/产出效率，降低勘探开发地质风险。

近年来，在常规油气及煤田等资源勘探开发中发挥了重要作用的地震技术也逐步应用于煤层气勘探开发，但是由于受煤层气行业片面追求低成本投入的观念限制、煤储层物性本身的特殊性及地震工作部署网度普遍较大、资料研究深度不够等多种因素的影响，在多数情况下，地震技术只是用于煤层赋存状况及宏观构造格局的控制，未能充分挖掘地震资料包含的丰富动力学信息，为煤层气勘探开发部署提供更多的有效地质指导。为此，本文归纳总结了煤层气富集的主控地质因素，对其地球物理响应及地震预测可能性与可行性进行了分析，结合地震技术的发展现状与研究进展，提出了煤层气地震技术的研究与攻关方向。

1 煤层气富集主控地质因素及其地球物理响应分析

影响煤层气富集的地质因素非常多，不同地区、不同煤层和不同构造部位对煤层气富集主控因素是不相同的，即使是同一地质因素，其影响程度也不尽一致。大量的研究表明[2-8]，影响煤层气富集的地质因素大致可以归纳为煤层形态、构造、温压、物性、封盖、流体等六大类24项，表1简要给出了这些因素与煤层气富集的关系及其地震响应特征。

通过对这些影响煤层气富集的地质因素(参数)分析可以发现，其中有21项参数具有或可能具有一定的地震响应特征，根据其地震响应的差异性，又大致可以将这些因素划归为构造勘探、岩性勘探及储层描述三个层次的技术范畴(表2)。

表1 煤层气富集影响因素及其地震响应(据李辛子[2]，并补充)

表2 煤层气富集影响因数地震响应特征的分类

可以看出，研究不同技术范畴的煤层气富集影响因素，需要利用不同的地震预测技术，鉴于地震技术的发展水平，地震技术对这些地质参数的预测能力与精度也不尽相同；同时也可以看出，地震技术在煤层气勘探开发中应可以发挥更大的作用，尚有大量的信息有待进一步发掘。

2 煤层气勘探开发中地震技术应用现状及存在问题

现阶段，煤层气勘探开发工程实践中主要以二维地震勘探应用为主，并以构造勘探为主要目的。我国在各煤层气勘探区已累计投入二维地震勘探近万公里，但基本上是参照煤田普查阶段的网度部署，一般采按照(1～2)×(2～4)km、甚至更大的测网部署，基本沿用了煤炭系统勘探阶段的浅井小药量、小面元(5～10m)、低覆盖(12～24次)的采集技术体系和常规叠后偏移成像处理技术，在控制煤层赋存形态及宏观构造格局，为煤层气区块勘探初期的选区评价发挥了重要的作用，但随着各探区逐步进入勘探后期，这种大网度的地震部署及以构造勘探为核心的技术应用已不能适应需求。近几年，针对我国中高阶煤层割理、裂隙发育，小断层、局部微幅度小圈闭控制煤层气高产富集的地质规律，为实现优化井位部署、提高探井成功率和单井产量、水平井开发等目的，一些煤层气企业通过加密二维地震测网或在煤层气开发区块也陆续投入了部分三维地震工作，但受片面追求低成本投入要求，有些工程项目的采集技术参数(如30m×60m甚至更大的面元，30～36次的中低覆盖次数)与地质目标不匹配，加之复杂的地震地质条件影响，在资料信噪比与分辨率不很高的条件下，使得对小断层、微幅圈闭及陷落柱、煤层冲刷带等地质现象的精细识别受到了限制。

我国多数煤层气探区煤层厚度一般较小，相对于地震波长而言，煤层厚度一般小于λ/4，不能利用常规旅行时法进行厚度研究，工程实践中常用于预测煤层厚度的方法主要有调谐法、谱距法、谱分解、属性分析预测法、波阻抗反演等方法。但是由于受资料品质和预测技术适应性的限制，煤厚预测技术还处于定性、半定量预测阶段；而针对煤层气储层描述，不少学者开展了预测方法技术的探索，并在一些探区的应用中取得了一些效果，但由于煤层气赋存状态的特殊性及煤与煤层含气前后岩石物理研究相对薄弱，对利用地震信息开展煤层气储层描述的技术可行性仍存在大量的争论与质疑。

3 煤层气地震技术的研究进展与发展方向

依据煤层气富集影响因数地震响应特征，结合地震技术发展水平及目前解决问题的能力，我们提出在当前提出应重视从三个层次开展煤层气地震技术的研究与攻关：

(1)充分发挥地震技术优势，利用采集处理解释的技术新进展，大幅提高构造勘探能力

在突出地震波运动学特征的基础上，尽量保护其动力学特征，实现对不同规模、不同性质构造的精细成像和准确识别是煤层气勘探构造解释的基本要求。以窄方位数据采集、水平叠加、叠后偏移处理技术为代表的常规地震技术系列已不能适应煤层气勘探的精度要求。

基于市场营销模式下，我国企业经济管理存在的主要问题还包括企业组织结构和管理模式的问题。目前，我国很多企业的组织结构比较单一，而管理模式也不够多样化，缺少创新性。这其中很大原因是因为企业自身的管理制度不完善而导致的。

近年来随着煤田及煤层气地震勘探装备和技术的迅速发展，以宽频带、高信噪比数据为目标的低频或数字检波器接收、大入射角、全(宽)方位三维观测等采集技术，以高保幅、高分辨率、叠前时间或深度偏移成像等为核心的处理技术、面向复杂和精细构造解释的三维多属性联合分析技术(方差、相干、谱分解、倾角、边缘检测、振幅、频率、相位、曲率等)等正逐渐走向成熟与应用也趋于全面和深入。一方面大幅度提高了构造勘探能力，如河道冲刷，断裂构造、陷落柱的解释等，另一方面也为岩性和储层预测打下了良好的数据基础。图1为小构造的叠前与叠后偏移处理效果对比，叠前处理后的资料拥有较高的分辨率，能很清楚地刻画出了细小断层及陷落柱。

2)加强井震联合反演、属性分析等技术的研究与应用，开展煤层厚度、围岩及其岩性组合、煤层宏观结构等岩性、物性的预测；

由于煤储层的特殊性，直接利用地震波形变化信息对煤层厚度、围岩及其岩性组合、煤层宏观结构等岩性、物性的预测是非常困难的，需要利用高分辨率的钻井资料、地震波的动力学属性处理技术提高地震资料的分辨率，达到岩性解释的目标。

煤层厚度在空间上往往是呈非线性变化的，通过钻孔见煤数据内插获得的煤厚，其预测精度较低，用于估算煤层及煤层气储量误差较大。而井震联合反演技术，一方面利用了地震数据的横向变化信息，一方面又有井数据的约束，其煤厚预测结果一般要好于前者。如图2所示的煤层厚度变化趋势图，仅利钻孔资料是很难预测出来的，必须进行测井和地震联合反演，利用非线性的地震数据，由井向外推算煤层横向变化。

对于非均质性较强的煤层围岩，就更需要通过地震反演才能将围岩的岩性识别出来(图3，图4)，预测出煤层顶底板岩性，并利用顶底板岩性分析煤层的透气性。

图1 叠前偏移资料拥有较高的纵横向分辨率Figure 1 Prestack migration data with higher vertical and lateral resolutions

图2 地震反演预测某地区侏罗系目标煤层厚度Figure 2 Seismic inversion predicted Jurassic target coal thickness in an area

图3 上古生界煤系地震反演剖面Figure 3 Upper Paleozoic coal measures strata seismic inversion section

图4 利用多属性技术解释煤层顶板砂岩发育区(河道砂体)Figure 4 Multi-attribute technology interpreted coal roof sandstone developed area (channel sand)

3)开展煤层含气性、裂隙系统、煤体结构等煤层储层物性的岩石物理测试及地震预测方法研究是一个值得探索的方向

当前针对煤储层岩石物理研究主要集中在煤体结构变化引起的煤的岩石物理性质变化和煤储层含气变化引起的煤的岩石物理性质变化两个方面：

对不同煤体结构煤的大量弹性参数测试和超声波速测试表明[3-7]：随着煤体破坏程度的增大，煤在声波速度、弹性模量、泊松比、剪切模量、体积模量和拉梅常数等力学性质和弹性参数方面存在相当明显的差异，以构造煤和原生结构煤为例，构造煤的超声波速度、弹性模量、剪切模量和体积模量明显降低，而泊松比和拉梅常数明显增加，差异分布在21.6%～71.7%。含瓦斯煤的力学响应同时受到游离和吸附两种状态瓦斯的影响，在二者的共同作用下，煤体的强度和弹性模量随着瓦斯压力的增加而减低，且在围压较大时，弹性模量的降低与瓦斯压力增加之间呈非线性关系等。这些研究成果为地震技术预测煤层气储层物性奠定了基础。

由于测井曲线对煤体结构有较强的识别能力，可利用特征重构技术，构建既能反映煤体结构变化，又有声波量纲的拟声波曲线，这样拟声波阻抗反演出的岩性剖面就具备了识别煤体结构的能力(图5)，图5中的构造煤主要分布在小挠曲部位及转折端，与研究区的构造发育特征密切相关。

由于煤易碎性及煤层气赋存状态特殊性，不少学者对测井资料与煤层瓦斯富集性的关系进行了研究。M J.缪伦[8]建立了圣胡安盆地煤层煤样实测解吸甲烷含量与煤体积密度的线性相关经验公式；高绪晨[9]采用中子、密度测井法计算煤层气层含气量；Hawkins、McLennan、潘和平等[10-12]都报道了用测井方法计算煤层气含量的成果，并利用测井参数推导出了计算含气量的方程。此外，刘盛东等[13]还通过对煤矿井下煤体瓦斯特征与震波参数关系的探测与分析后认为煤层中瓦斯含量增加将引起煤层的地震波速度减小，衰减系数增大、品质因子降低等变化。

在地震预测技术研究方面，Ramos等[14]利用AVO技术对美国锡达山煤矿区煤层的瓦斯富集情况进行了预测研究，David Gray[15]等利用AVO及方位AVO技术研究了加拿大Alberta煤矿区煤层的瓦斯富集性与煤的各向异性。 彭苏萍[16-19]以淮南煤田为例提出了以煤层割理裂隙为探测目标的煤层瓦斯富集AVO技术预测理论。

图5 拟声波阻抗预测煤体结构Figure 5 Pseudo-acoustic impedance predicted coal mass structure

陈刚等[20-21]的研究认为，高含气后振幅随偏移距增大而减少产生AVO异常(亮点)。以沁水盆地实际地震资料为依托，常锁亮等[22-24]在对地震资料强调保幅处理的基础上，尝试开展了利用叠后反演、叠前AVO及叠前EI反演等多种技术手段预测煤层含气性的研究，取得了一些初步成果。

总体而言，由于煤层的含气性等储层特征与地球物理响应异常与煤层反射波的强反射异常相比很弱，目前成熟的地震储层预测技术的理论基础是否适合煤层气储层等基础问题还未解决。因此，尽快研究并明确煤层含气性的地球物理响应，探索适应薄煤层的能够综合利用振幅、衰减、频率等地震波动力学特征的地震预测技术，是今后煤层气地震勘探研究的发展趋势。

4 结论与展望

煤层气地震勘探技术的发展，大幅提高了构造勘探的能力。煤层厚度变化、煤体结构变化、裂隙系统等对煤的弹性力学参数存在明确的响应，地震技术预测的依据充分，是可行的。煤层含气性对煤的弹性力学参数存在一定响应、但响应微弱，地震预测难度大，但多属性分析、谱分解、AVO、EI、叠前同时反演等地震预测技术具有良好的研究潜力与应用前景。同时也要注意，单一地震预测技术研究煤层气储层物性目前还存在较强的多解性，应采取多方法联合研究以提高可靠性。

煤层气地震勘探技术研究和实践表明，地震技术在煤层气勘探与开发的不同阶段都具有重要的作用，因而，充分发掘地震资料潜力，是降低煤层气勘探开发风险，促进解决煤层气产业投入/产出效益低的一个有效手段。

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Application Status Quo and Development Trendof Seismic Prospecting Technology in CBM Exploitation

Zhang Liurong1, Zeng Weiwang2

(1. Jinzhong City Coal Geological Exploration Team, Jinzhong, Shanxi 030600;2. Shanxi Shandi Geophysical Prospecting Technological Co. Ltd., Jinzhong, Shanxi 030600)

The degree of geological research deficiency is one of major causes in the country’s CBM exploitation investment/output efficiency low. At present, a large number of low yield CBM wells are resulted from understanding not clear on unfavorable geological factors. Based on CBM enrichment main geological factor geophysical response features analysis, have considered that on the seismic elastic parameters, the geological structure, coal thickness, coal mass structure and fissure system all have unambiguous response features; but coal seam gas-bearing property response is weak, caused difficulties in seismic prospecting prediction. On the basis of seismic prospecting technology status quo, has put forward three levels CBM seismic technological research and key problems tackling: 1) Give full play of advantages of uptodate seismic techniques including data acquisition, processing and interpretation, substantial increase in accuracy of coal seam hosting pattern and structural control; 2) Strengthen technical researches on well logging and seismic prospecting cooperative inversion and attributive analysis, carry out lithological prediction of coal thickness, country rock (lithologic assemblage), macrolithotype of coal; 3) Carry out studies on coal reservoir physical property lithological tests of coal gas-bearing property, fissure system, coal mass structure and ground stress etc., as well as seismic prediction methods.

CBM; coal thickness; coal mass structure; fissure system; attributive analysis; well logging and seismic prospecting cooperative inversion; seismic prospecting

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.14

1674-1803(2017)06-0068-06

张留荣(1968—)，男，山西灵石人，本科，工程师，从事煤矿瓦斯地质、瓦斯防治和煤矿水患防治等工作。

曾维望(1980—)，男，湖南邵阳人，硕士，工程师，从事地球物理勘探工作。E-mail:wang-158@163.com

2017-04-10

文献标识码：A

责任编辑：孙常长