煤层气地震勘探技术
(中国矿业大学徐州221008)
作者简介:崔若飞，1954出生，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学的教学和科研工作。电子邮箱:rfcui@cumt.edu.cn，邮寄地址:江苏省徐州市中国矿业大学资源与地球科学学院，邮政编码:221008。
三维纵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。基于国内外油气勘探的成功经验和煤层气勘探的特点，提出用“两论六技术”指导煤层气地震勘探。两项理论为两相介质理论和各向异性介质理论，六项技术为地震属性技术、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等地质手段，建立了煤层气(气)富集带预测模型，为煤层气开发提供了科学的地质依据。
煤层气勘探；岩性；地震勘探；地震反演方位AVO方位各向异性
煤层气地震勘探技术
崔若飞、陈、、、李仁海、毛欣荣
(中国矿业大学，徐州221008)
文摘:三维纵波地震勘探是岩性地震方法，是煤层气勘探的关键技术之一。根据国内外成功的油气勘探经验和煤层气勘探的特点，指出煤层气地震勘探应以两大理论和六大技术为指导。这两种理论是指两相和各向异性介质理论。六项技术包括地震属性、地震反演、方位AVO、方位各向异性、煤层厚度非线性反演和基于MAPGIS的多源信息预测。利用煤层气地震勘探结合其他地质方法，建立了煤层气富集区预测模型，为煤层气开发提供了科学的地质依据。
关键词:煤层气勘探；岩性地震勘测；地震反演；方位AVO方位各向异性
1煤层气勘探的意义
煤层气(瓦斯)是以甲烷为主的混合气体，由煤化作用形成，存在于煤层中。中国是能源消费大国，加快煤层气勘探开发意义重大。
首先，作为一种新型清洁能源，煤层气的开发利用可以弥补我国常规能源的不足。中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、储层特征、赋存状态和成藏理论进行了系统研究，取得了大量成果。但相应的勘探开发技术相对落后。今天，地质学家和地球物理学家已经将他们的研究集中在勘探和开发技术领域。
其次，瓦斯突出问题是长期困扰煤矿安全生产的灾难性问题。据国家安监总局统计，2005年，全国共发生煤矿瓦斯事故2157起，占全部煤矿事故的36%。在一次死亡10人以上的特大煤矿事故中，瓦斯事故占69%。事实上，瓦斯已经成为我国煤矿安全生产的“第一杀手”。造成这种情况的原因很多，既有管理方面的原因，也有技术方面的原因。关键是煤矿在开采前和开采过程中对地下瓦斯富集一无所知。这样就无法根据煤矿生产和开采过程中的瓦斯分布情况制定有针对性的措施。
目前晋城矿区要想抽采瓦斯，只能按照一定的密度均匀布置钻孔，希望通过这种方式在开采前将瓦斯抽采出来。然而，这将面临一个困境。如果要尽可能干净地排放气体，钻孔必须布置得相当密集，成本就会增加。如果要控制成本，就必须降低钻孔密度，这样可能无法保证瓦斯浓度低于安全指标，容易导致瓦斯事故。因此，只有依靠科技进步，采用新的技术和方法，才能为煤矿找到煤层中的瓦斯富集区，这是当前煤矿生产中亟待解决的重要课题。
最后，煤层气的利用可以有效地保护生态环境。甲烷对红外线的吸收能力是二氧化碳的25 ~ 30倍，是温室效应的元凶之一。煤炭开采过程中的甲烷排放量占全球总排放量的一半，这表明煤层气的开发利用可以有效降低温室效应。
总之，煤层气勘探开发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，是一件利国利民的大事。
2煤层气勘探开发的关键技术
如今，三维地震勘探技术已经成为煤矿生产中不可或缺的手段，在很大程度上取代了传统的地质勘探方法。
目前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(气)地震勘探属于岩性地震勘探。在影响煤层气成藏的五个主要因素中，煤层厚度、断层等构造的分布、煤层埋深、煤层倾角、露头位置等，可以利用地震资料和其他地质资料查明。但无法评价煤层和围岩的渗透性，即无法确定裂隙介质的性质(构造煤的分布和厚度)。
瓦斯作为一种气体，如果要在煤层中储存和输送，煤层及其顶底板中必然存在相互连通的裂隙。总之，裂隙的存在是瓦斯存在的必要条件，也是查明煤层瓦斯富集带的关键。因此，对于煤矿开采来说，研究煤层及其顶底板中裂隙的分布和连通性是极其重要的。瓦斯突出爆炸的罪魁祸首是煤层及其顶底板的裂缝。由于裂缝和裂隙是瓦斯富集、储存和运移的场所，查明矿区内断层和裂隙的分布情况，可以对煤层及其顶底板(围岩)的透气性做出正确的评价。因此，煤层气(瓦斯)地震勘探的核心是查明煤层和顶板中裂隙的发育方向和密度。
早在20世纪90年代，地球物理学家就非常重视利用地震资料研究裂缝发育的方向和密度。主要原因是碳酸盐岩是一个有利的高产油气藏，全球约60%的油气来自碳酸盐岩储层，而碳酸盐岩储层又与裂缝密切相关。大量的研究工作和观测数据表明，裂隙介质的特性可以用两相介质理论和各向异性介质理论来解释。因此，利用地震资料研究两相介质的各向异性和检测裂缝成为国内外学者关注的焦点。主要有三种方法:①多波多分量裂纹检测技术；②横波探伤技术；③纵波裂缝检测技术。由于纵波地震勘探成本低，地球物理学家从20世纪90年代开始将目光转向纵波勘探，用纵波代替横波/转换波检测裂缝成为一个重要的研究课题。
煤田地震勘探也是如此。纵波三维地震勘探技术在1993开始应用，三维三分量地震勘探技术在198引入煤田，陆续在10多个煤矿进行实验，希望综合利用纵波和转换波解决煤矿生产中的开采技术条件。然而，事与愿违，至今没有取得突破。今天回过头来分析煤田转换波地震勘探的得失时，不能忽视煤层浅、信噪比高、P波分辨率高的显著特点，转换波的信噪比与P波相差1 ~ 2个数量级。因此，煤层气勘探开发应以三维纵波地震技术等地质手段为主。
3煤层气地震勘探技术的特点
煤层气纵波地震勘探的目的是利用地震波的运动学和动力学特征，研究煤层小尺度的压性和压扭性构造及岩性，特别是查明煤层和顶板中裂隙的方向和密度(煤体的构造破坏程度)以及构造煤的厚度。
基于国内外油气勘探的成功经验和煤层气勘探的特点，提出用“两论六技术”指导煤层气地震勘探。
两项理论为两相介质理论和各向异性介质理论，六项技术为地震属性技术、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
地震属性是指由叠前或叠后地震数据通过数学变换得到的地震波的几何、运动学、动力学和统计特征。地震属性技术是指提取、显示、分析和评价地震属性的技术，包括地震属性的提取和分析，利用地震属性区分构造和岩性，预测目的层。
煤层气储层是典型的两相介质。与单相介质相比，地震波在两相介质中传播后，各频率分量的能量分布发生变化，主要表现为地震波能量向低频方向移动。地震波场动态特征的这种变化为预测富气层提供了理论依据。杨爽安博士通过数值模拟验证了这一理论。图1为六层介质模型，其中第四层中间为两相介质，代表富气区。合成记录如图2所示。
图1模型示意图
图2合成地震记录
从图2可以看出，有两组反射波。100ms附近的反射波是1界面形成的反射波，200ms附近的反射波是2界面、3界面、4界面、5界面形成的合成波。将200ms左右的复合反射波分成不同的频率，得到不同频率成分的能量。在图3中，中间两相介质区表现出以下运动学特征:①反射波的时间延迟和良好的连续性；②低频能量增强、高频能量衰减的频率特征；(3)与正常反射波相反的相位特征。总之，两相介质特征的富气区与单相介质区有明显的区别。
图3(a)标准低频分量能量(1 ~ 10Hz)；(b)高频成分(35 ~ 45 Hz)的能量(根据杨爽安)
淮南张集煤矿西三采区13-1煤层主频带能量百分比。
图4显示了淮南张集煤矿西三采区13-1煤层主频区能量的百分比，可以发现主频区能量的变化规律。
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。根据钻孔测井资料垂向分辨率高的有利条件，对钻孔附近的地震资料进行约束反演，在此基础上，对钻孔间的地震资料进行反演，推断出煤系地层在平面上的岩性变化。这样，将已知的垂向分辨率高的测井资料与连续观测的地震资料联系起来，取长补短，大大提高了三维地震资料的纵横向分辨率和地下地质条件的勘探研究程度。
通过波阻抗反演，可以预测煤层和顶底板的岩性特征。图5为某地区13-1煤常规地震剖面与波阻抗反演剖面对比图。通过对比发现，图5(b)不仅能清楚地显示煤层，还能清楚地显示煤层顶底板的岩性。因此，我们可以反演方位地震数据体，从方位反演数据体中提取相关剖面属性，分析各向异性。
图5某地区13-1煤常规地震剖面与波阻抗反演剖面对比。
3.3方位AVO技术
AVO(振幅随炮检距)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，估计岩石弹性参数和检测油气的重要技术。方位AVO分析是将宏观面元在多个方向上分成相等的部分，然后在不同方向上进行AVO分析的技术。
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响应实际上是地层中异常泊松比的反映。通常煤的泊松比在0.37 ~ 0.45，含气砂岩的泊松比可降为0.1。因此，可以根据CDP道集振幅与炮检距的关系来勘探气藏。图6是方位AVO分析示意图，图6(a)是宏观面元方位划分方法，图6(b)是宏观面元方位AVO曲线。
图6方位AVO分析示意图
因为AVO曲线可以用下面的公式来近似:
AP(θ)=P+G*sin(θ)
因此，用上述公式拟合每个宏观面元的每个方位的AVO曲线，即可以得到每个方位的P属性值和G属性值。类似地，可以对每个宏面元中每个方向的P值和G值进行椭圆拟合，以计算方向各向异性(图7)。
图7纵波属性的方位各向异性
3.4方位各向异性技术
各向异性介质理论可以解释含有裂缝的裂隙介质的性质，而传统的地震理论只研究各向同性介质。
目前，国内外学者通过大量的正演计算，证明了反射纵波在裂隙地层中表现出方向各向异性。主要表现在叠前纵波资料的振幅、速度和旅行时差随炮检距或方位角的变化。研究结果表明，反射纵波对裂缝地层的方位各向异性非常敏感，所有纵波属性分布函数都是椭圆形的，如图7所示。图8显示了某个区域中宏仓4的方位CDP道集。在图8中，宏面元被等方向划分为18个区域，每个方向的道集依次排列，红色箭头的位置就是目的层。从图8中可以发现，宏观面元的各个方位道集的振幅不同，所以用椭圆对它们进行提取和拟合，把椭圆的长轴方向作为裂缝的主方向。这样就可以得到裂纹分布示意图，如图9所示。在图9中，箭头方向表示裂纹的方向，箭头长度表示裂纹的密度，箭头越长，裂纹越发达。另外，通过分析宏观面元各个方向的CDP道集速度，还可以得到层速度与方位角的关系，也可以拟合出裂缝分布示意图。
图8某地区4号宏观面元方位CDP道集。
图9利用纵波属性得到的裂缝分布示意图。
扩展上述观点，研究多种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点提取裂隙属性，从而确定岩溶裂隙带的空间分布。这种技术被称为方位各向异性技术。
3.5煤层厚度非线性反演技术
传统的煤层厚度计算是通过钻孔数据的对比和插值得到的。然而，在任何勘探区域，钻孔的数量都是有限的，因此计算出的煤厚的可靠性很低。因此，国内外许多学者试图从连续观测的地震数据，尤其是高数据密度的三维地震数据中获取煤层厚度信息。
提出了多种煤层厚度定量解释方法，从理论上探讨了煤层反射波的形成机理，研究了其地震特征(包括波形、振幅和频率)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预测煤层厚度提供了理论依据。但是，这些方法基本上只使用一种地震属性参数，具有一定的局限性。它们都要求煤层厚度与煤层反射波属性参数在一定范围内呈线性变化关系，即都属于煤层厚度线性反演方法。然而，煤层反射波的属性参数与煤层厚度之间存在非线性关系。因此，迫切需要建立一种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之间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地震属性参数，最后利用人工神经网络反演煤层厚度。
3.6基于MAPGIS的多源信息预测技术
因为瓦斯富集与裂隙发育程度、煤层厚度、断层等构造分布、煤层埋深、煤层倾角及露头位置、煤化程度等因素有关。因此，要准确预测煤层中的瓦斯富集带，必须充分考虑上述所有因素。可以发现，提取上述因素的相关属性后，上述因素的属性数据会相当大，关系会相当复杂。为了有效合理地利用上述因素的各种属性，选择GI S作为平台，融合各种属性和空间数据，生成各种专题地图，最终建立合理的多源信息融合方法。在此基础上，建立了服务于煤矿生产的瓦斯富集带预测模型。图10显示了多源信息融合方法和综合分析过程。
图10多源信息融合方法及综合分析
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、数学地质分析手段和地理信息系统技术有机结合起来，应用于煤层气(气)富集带的预测和评价。
煤层气地震勘探的技术特点如下:
(1)将两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技术和方位各向异性技术，提取地震P波对裂隙地层的方位各向异性特征，从地震属性参数随方位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)以GIS为平台，对煤层及围岩的断裂性质、煤层厚度、断层及其他构造的分布、煤层埋深、煤层倾角、露头位置等多源信息进行融合和综合分析后，建立了煤层气(瓦斯)富集区预测模型，为煤层气开发提供了科学的地质依据。
参考
【1】张自民，张玉贵。2005.《瓦斯地质规律与瓦斯预测》，北京:煤炭工业出版社，4 ~ 54。
董。2002.多波多分量地震勘探，北京:石油工业出版社，31 ~ 53。
曲守礼，纪玉新，王新。2003.泥岩裂缝储层地震检测方法，北京:石油工业出版社。
杨爽安。2006.双相介质三维地震勘探技术预测天然气研究。中国矿业大学博士论文。
王小波。1997.GIS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]克里斯托弗·朱林，罗杰·杨。薄层对振幅随炮检距变化(AVO)研究的影响，地球物理学，58(8):1200~1204
[7]Antonio C.B.Ramos等. 1997.3-D AVO分析和建模在煤层气储层裂缝检测中的应用.地球物理，62(6):1683~1695
[8]佩雷斯·马，吉布森，托克斯，MN.1999。利用纵波AVO响应的方位角变化检测裂缝方位，地球物理，64(4):1253~1265
[9]A .格雷奇卡和J .米凯莱纳。利用多种地震方法检测碳酸盐岩储层中的裂缝，地球物理学，64(4):1266~1276
威利安·索罗卡. 2002 .三维振幅随炮检距变化的成功生产应用:经验教训.地球物理学，67(2):379~389