地震技術在煤層氣勘探開發中的應用現狀與發展趨勢

張留榮，曾維望

(1.晉中市煤田地質勘探隊，山西 晉中 030600; 2.山西山地物探技術有限公司，山西 晉中 030600)

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地震技術在煤層氣勘探開發中的應用現狀與發展趨勢

張留榮1，曾維望2

(1.晉中市煤田地質勘探隊，山西 晉中 030600; 2.山西山地物探技術有限公司，山西 晉中 030600)

地質研究程度欠佳是造成我國煤層氣開發投入/產出效率偏低的重要原因之一，當前大量的低產煤層氣井是對不利的地質因素認識不清引起的?；趯γ簩託飧患骺氐刭|因素的地球物理響應特征分析，認為構造、煤層厚度、煤體結構、裂隙系統等在地震彈性參數上均有明確的響應特征，但煤層含氣性響應微弱，地震預測難度大。依據當前地震勘探技術發展現狀，提出在三個層次上開展煤層氣地震技術的研究與攻關：1)充分發揮采集、處理、解釋等地震技術在構造勘探中的優勢，大幅提高煤層賦存形態及構造的控制精度；2)加強井震聯合反演、屬性分析等技術研究，開展煤層厚度、圍巖(巖性組合)、煤層宏觀結構等巖性預測；3)開展煤層含氣性、裂隙系統、煤體結構、地應力等煤層儲層物性的巖石物理測試及地震預測方法的研究。

煤層氣；煤層厚度；煤體結構；裂隙系統；屬性分析；井震聯合反演；地震勘探

0 引言

中國煤層氣勘探開發經歷了20多年的發展歷程，在資源綜合評價、成藏地質理論和勘探開發工程配套技術等方面取得了較為豐富的成果，地面煤層氣開發產量從2004年的0.1億m3增長到2016年的43.7億m3。但是，投入/產出效率低下、自我盈利能力差的行業現狀，嚴重制約煤層氣產業的快速發展。數據統計顯示[1]，截止到2012年底，全國已投產的7957口煤層氣地面直井的平均單井日產氣為902 m3，遠低于其它主要的煤層氣開發國家(美國平均單井日產氣量為3900 m3，澳大利亞為2300 m3，加拿大為2200 m3)。在平均日產<300m3的低產井中，鉆遇碎粒糜棱構造煤層和高礦化裂隙充填致密煤層造成低產的多達2000余口，部署在鄰近斷層、水動力條件活躍及高陡煤層部位造成低產的也有幾百口?？梢?，煤層氣開發地質研究薄弱是影響煤層氣開發效果的一個極為重要的因素。如能提前通過相關勘探技術查明這些地質因素，使得鉆井部署及開發技術應用做到有的放矢，必將大幅提高煤層氣投入/產出效率，降低勘探開發地質風險。

近年來，在常規油氣及煤田等資源勘探開發中發揮了重要作用的地震技術也逐步應用于煤層氣勘探開發，但是由于受煤層氣行業片面追求低成本投入的觀念限制、煤儲層物性本身的特殊性及地震工作部署網度普遍較大、資料研究深度不夠等多種因素的影響，在多數情況下，地震技術只是用于煤層賦存狀況及宏觀構造格局的控制，未能充分挖掘地震資料包含的豐富動力學信息，為煤層氣勘探開發部署提供更多的有效地質指導。為此，本文歸納總結了煤層氣富集的主控地質因素，對其地球物理響應及地震預測可能性與可行性進行了分析，結合地震技術的發展現狀與研究進展，提出了煤層氣地震技術的研究與攻關方向。

1 煤層氣富集主控地質因素及其地球物理響應分析

影響煤層氣富集的地質因素非常多，不同地區、不同煤層和不同構造部位對煤層氣富集主控因素是不相同的，即使是同一地質因素，其影響程度也不盡一致。大量的研究表明[2-8]，影響煤層氣富集的地質因素大致可以歸納為煤層形態、構造、溫壓、物性、封蓋、流體等六大類24項，表1簡要給出了這些因素與煤層氣富集的關系及其地震響應特征。

通過對這些影響煤層氣富集的地質因素(參數)分析可以發現，其中有21項參數具有或可能具有一定的地震響應特征，根據其地震響應的差異性，又大致可以將這些因素劃歸為構造勘探、巖性勘探及儲層描述三個層次的技術范疇(表2)。

表1 煤層氣富集影響因素及其地震響應(據李辛子[2]，并補充)

表2 煤層氣富集影響因數地震響應特征的分類

可以看出，研究不同技術范疇的煤層氣富集影響因素，需要利用不同的地震預測技術，鑒于地震技術的發展水平，地震技術對這些地質參數的預測能力與精度也不盡相同；同時也可以看出，地震技術在煤層氣勘探開發中應可以發揮更大的作用，尚有大量的信息有待進一步發掘。

2 煤層氣勘探開發中地震技術應用現狀及存在問題

現階段，煤層氣勘探開發工程實踐中主要以二維地震勘探應用為主，并以構造勘探為主要目的。我國在各煤層氣勘探區已累計投入二維地震勘探近萬公里，但基本上是參照煤田普查階段的網度部署，一般采按照(1～2)×(2～4)km、甚至更大的測網部署，基本沿用了煤炭系統勘探階段的淺井小藥量、小面元(5～10m)、低覆蓋(12～24次)的采集技術體系和常規疊后偏移成像處理技術，在控制煤層賦存形態及宏觀構造格局，為煤層氣區塊勘探初期的選區評價發揮了重要的作用，但隨著各探區逐步進入勘探后期，這種大網度的地震部署及以構造勘探為核心的技術應用已不能適應需求。近幾年，針對我國中高階煤層割理、裂隙發育，小斷層、局部微幅度小圈閉控制煤層氣高產富集的地質規律，為實現優化井位部署、提高探井成功率和單井產量、水平井開發等目的，一些煤層氣企業通過加密二維地震測網或在煤層氣開發區塊也陸續投入了部分三維地震工作，但受片面追求低成本投入要求，有些工程項目的采集技術參數(如30m×60m甚至更大的面元，30～36次的中低覆蓋次數)與地質目標不匹配，加之復雜的地震地質條件影響，在資料信噪比與分辨率不很高的條件下，使得對小斷層、微幅圈閉及陷落柱、煤層沖刷帶等地質現象的精細識別受到了限制。

我國多數煤層氣探區煤層厚度一般較小，相對于地震波長而言，煤層厚度一般小于λ/4，不能利用常規旅行時法進行厚度研究，工程實踐中常用于預測煤層厚度的方法主要有調諧法、譜距法、譜分解、屬性分析預測法、波阻抗反演等方法。但是由于受資料品質和預測技術適應性的限制，煤厚預測技術還處于定性、半定量預測階段；而針對煤層氣儲層描述，不少學者開展了預測方法技術的探索，并在一些探區的應用中取得了一些效果，但由于煤層氣賦存狀態的特殊性及煤與煤層含氣前后巖石物理研究相對薄弱，對利用地震信息開展煤層氣儲層描述的技術可行性仍存在大量的爭論與質疑。

3 煤層氣地震技術的研究進展與發展方向

依據煤層氣富集影響因數地震響應特征，結合地震技術發展水平及目前解決問題的能力，我們提出在當前提出應重視從三個層次開展煤層氣地震技術的研究與攻關：

(1)充分發揮地震技術優勢，利用采集處理解釋的技術新進展，大幅提高構造勘探能力

在突出地震波運動學特征的基礎上，盡量保護其動力學特征，實現對不同規模、不同性質構造的精細成像和準確識別是煤層氣勘探構造解釋的基本要求。以窄方位數據采集、水平疊加、疊后偏移處理技術為代表的常規地震技術系列已不能適應煤層氣勘探的精度要求。

基于市場營銷模式下，我國企業經濟管理存在的主要問題還包括企業組織結構和管理模式的問題。目前，我國很多企業的組織結構比較單一，而管理模式也不夠多樣化，缺少創新性。這其中很大原因是因為企業自身的管理制度不完善而導致的。

近年來隨著煤田及煤層氣地震勘探裝備和技術的迅速發展，以寬頻帶、高信噪比數據為目標的低頻或數字檢波器接收、大入射角、全(寬)方位三維觀測等采集技術，以高保幅、高分辨率、疊前時間或深度偏移成像等為核心的處理技術、面向復雜和精細構造解釋的三維多屬性聯合分析技術(方差、相干、譜分解、傾角、邊緣檢測、振幅、頻率、相位、曲率等)等正逐漸走向成熟與應用也趨于全面和深入。一方面大幅度提高了構造勘探能力，如河道沖刷，斷裂構造、陷落柱的解釋等，另一方面也為巖性和儲層預測打下了良好的數據基礎。圖1為小構造的疊前與疊后偏移處理效果對比，疊前處理后的資料擁有較高的分辨率，能很清楚地刻畫出了細小斷層及陷落柱。

2)加強井震聯合反演、屬性分析等技術的研究與應用，開展煤層厚度、圍巖及其巖性組合、煤層宏觀結構等巖性、物性的預測；

由于煤儲層的特殊性，直接利用地震波形變化信息對煤層厚度、圍巖及其巖性組合、煤層宏觀結構等巖性、物性的預測是非常困難的，需要利用高分辨率的鉆井資料、地震波的動力學屬性處理技術提高地震資料的分辨率，達到巖性解釋的目標。

煤層厚度在空間上往往是呈非線性變化的，通過鉆孔見煤數據內插獲得的煤厚，其預測精度較低，用于估算煤層及煤層氣儲量誤差較大。而井震聯合反演技術，一方面利用了地震數據的橫向變化信息，一方面又有井數據的約束，其煤厚預測結果一般要好于前者。如圖2所示的煤層厚度變化趨勢圖，僅利鉆孔資料是很難預測出來的，必須進行測井和地震聯合反演，利用非線性的地震數據，由井向外推算煤層橫向變化。

對于非均質性較強的煤層圍巖，就更需要通過地震反演才能將圍巖的巖性識別出來(圖3，圖4)，預測出煤層頂底板巖性，并利用頂底板巖性分析煤層的透氣性。

圖1 疊前偏移資料擁有較高的縱橫向分辨率Figure 1 Prestack migration data with higher vertical and lateral resolutions

圖2 地震反演預測某地區侏羅系目標煤層厚度Figure 2 Seismic inversion predicted Jurassic target coal thickness in an area

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

圖4 利用多屬性技術解釋煤層頂板砂巖發育區(河道砂體)Figure 4 Multi-attribute technology interpreted coal roof sandstone developed area (channel sand)

3)開展煤層含氣性、裂隙系統、煤體結構等煤層儲層物性的巖石物理測試及地震預測方法研究是一個值得探索的方向

當前針對煤儲層巖石物理研究主要集中在煤體結構變化引起的煤的巖石物理性質變化和煤儲層含氣變化引起的煤的巖石物理性質變化兩個方面：

對不同煤體結構煤的大量彈性參數測試和超聲波速測試表明[3-7]：隨著煤體破壞程度的增大，煤在聲波速度、彈性模量、泊松比、剪切模量、體積模量和拉梅常數等力學性質和彈性參數方面存在相當明顯的差異，以構造煤和原生結構煤為例，構造煤的超聲波速度、彈性模量、剪切模量和體積模量明顯降低，而泊松比和拉梅常數明顯增加，差異分布在21.6%～71.7%。含瓦斯煤的力學響應同時受到游離和吸附兩種狀態瓦斯的影響，在二者的共同作用下，煤體的強度和彈性模量隨著瓦斯壓力的增加而減低，且在圍壓較大時，彈性模量的降低與瓦斯壓力增加之間呈非線性關系等。這些研究成果為地震技術預測煤層氣儲層物性奠定了基礎。

由于測井曲線對煤體結構有較強的識別能力，可利用特征重構技術，構建既能反映煤體結構變化，又有聲波量綱的擬聲波曲線，這樣擬聲波阻抗反演出的巖性剖面就具備了識別煤體結構的能力(圖5)，圖5中的構造煤主要分布在小撓曲部位及轉折端，與研究區的構造發育特征密切相關。

由于煤易碎性及煤層氣賦存狀態特殊性，不少學者對測井資料與煤層瓦斯富集性的關系進行了研究。M J.繆倫[8]建立了圣胡安盆地煤層煤樣實測解吸甲烷含量與煤體積密度的線性相關經驗公式；高緒晨[9]采用中子、密度測井法計算煤層氣層含氣量；Hawkins、McLennan、潘和平等[10-12]都報道了用測井方法計算煤層氣含量的成果，并利用測井參數推導出了計算含氣量的方程。此外，劉盛東等[13]還通過對煤礦井下煤體瓦斯特征與震波參數關系的探測與分析后認為煤層中瓦斯含量增加將引起煤層的地震波速度減小，衰減系數增大、品質因子降低等變化。

在地震預測技術研究方面，Ramos等[14]利用AVO技術對美國錫達山煤礦區煤層的瓦斯富集情況進行了預測研究，David Gray[15]等利用AVO及方位AVO技術研究了加拿大Alberta煤礦區煤層的瓦斯富集性與煤的各向異性。 彭蘇萍[16-19]以淮南煤田為例提出了以煤層割理裂隙為探測目標的煤層瓦斯富集AVO技術預測理論。

圖5 擬聲波阻抗預測煤體結構Figure 5 Pseudo-acoustic impedance predicted coal mass structure

陳剛等[20-21]的研究認為，高含氣后振幅隨偏移距增大而減少產生AVO異常(亮點)。以沁水盆地實際地震資料為依托，常鎖亮等[22-24]在對地震資料強調保幅處理的基礎上，嘗試開展了利用疊后反演、疊前AVO及疊前EI反演等多種技術手段預測煤層含氣性的研究，取得了一些初步成果。

總體而言，由于煤層的含氣性等儲層特征與地球物理響應異常與煤層反射波的強反射異常相比很弱，目前成熟的地震儲層預測技術的理論基礎是否適合煤層氣儲層等基礎問題還未解決。因此，盡快研究并明確煤層含氣性的地球物理響應，探索適應薄煤層的能夠綜合利用振幅、衰減、頻率等地震波動力學特征的地震預測技術，是今后煤層氣地震勘探研究的發展趨勢。

4 結論與展望

煤層氣地震勘探技術的發展，大幅提高了構造勘探的能力。煤層厚度變化、煤體結構變化、裂隙系統等對煤的彈性力學參數存在明確的響應，地震技術預測的依據充分，是可行的。煤層含氣性對煤的彈性力學參數存在一定響應、但響應微弱，地震預測難度大，但多屬性分析、譜分解、AVO、EI、疊前同時反演等地震預測技術具有良好的研究潛力與應用前景。同時也要注意，單一地震預測技術研究煤層氣儲層物性目前還存在較強的多解性，應采取多方法聯合研究以提高可靠性。

煤層氣地震勘探技術研究和實踐表明，地震技術在煤層氣勘探與開發的不同階段都具有重要的作用，因而，充分發掘地震資料潛力，是降低煤層氣勘探開發風險，促進解決煤層氣產業投入/產出效益低的一個有效手段。

[1]趙慶波.煤層氣勘探開發進展及啟示[內部資料].煤層氣勘探技術專題講座,2013,7.

[2]李辛子，郭全仕.煤層氣地球物理技術研究綜述//2008年煤層氣學述研討會論文集[C ].北京：地質出版社，2008.

[3]梁冰,章夢濤,潘一山,等.瓦斯對煤的力學性質及力學響應影響的試驗研究[J].巖土工程學報,1995,17(5):12-18.

[4]孟召平, 張吉昌, Tiedemann J . 煤系巖石物理力學參數與聲波速度之間的關系[J ]. 地球物理學報.2006,49(5):1505-1510.

[5]漆旺生,金龍哲,楊忠敬.礦井煤與瓦斯突出彈性波特征評價及其應用[J].煤炭科學技術,2008, 36(8)：33～36.

[6]董守華.氣煤彈性各向異性系數實驗測試[J].地球物理學報,2008,51(3): 947～ 952.

[7]陳同俊,崔若飛,劉恩儒．構造煤AVO 特征及正演模擬研究[J].地球物理學進展, 2008,23(5):1606～1611.

[8]Mullen M J. Log evaluation in Well drilled for coalbed methane.Rocky Mountain association of Geologists,Denver,1989:P113-114.

[9]高緒晨. 密度和中子測井對煤層甲烷含氣量的響應及解釋 [J]. 煤田地質與勘探,1999 ,27 (3):25-29.

[10]Hawkins, J.M, Schraufnagel.R.A.,Olszewskia.J. Estimating Coalbed Gas Content and Sorption Isotherm Using Well Log Data.[A] SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 1992,SPE24905.

[11]McLennan, J.D., P.S. Schafer, and T.J. Pratt.A Guide to Determining Coalbed Gas Content. Gas Research InstituteReport No. GRI-94/0396, Chicago, Illinois, 1995.

[12]潘和平,黃智輝.煤層含氣量測井解釋方法探討[J].煤田地質與勘探.1998,22(2):58～60.

[13]劉盛東,趙秋芳,張平松,等.煤體瓦斯特征與震波參數關系的試驗研究[J].煤炭科學技術, 2005, 33(11):33-36.

[14]Ramos A C B,Davis T L. 3-D AVO analysis and modeling applied to fracture detection in coalbed methane reservoirs[ J]. Geophysics,1997,62(6):1683-1689.

[15]Gray David. Seismic anisotropy in coal beds[A]. 2005 SEG Annual Meeting [ C]. Houston, Society of Exploration Geophysicists.2005:549-552.

[16]彭蘇萍,杜文鳳,苑春方,等.不同結構類型煤體地球物理特征差異和縱橫波聯合識別與預測方法研究[J].地質學報，2008,83(10):1311～1322.

[17]彭蘇萍,高云峰,楊瑞召,等.AVO 探測煤層瓦斯富集的理論探討和初步實踐-以淮南煤田為例[J]. 地球物理學報,2005,48 (6):1475～1485.

[18]彭蘇萍,高云峰.含煤地層振幅隨偏移距變化正演模型研究[J].科學通報,2005,50(增刊Ⅰ)：131～137.

[19]彭曉波,彭蘇萍,詹閻,等. P 波方位AVO 在煤層裂縫探測中的應用[J] .巖石力學與工程學報,2005 ,24 (16) :2960～2965.

[20]陳剛,趙慶波,李五忠.大寧-吉縣地區地應力場對高滲區的控制[J]. 中國煤層氣.2009(3).15～20.

[21]陳勇，陳洪德，關達等.基于主控因素的煤層氣富集區地震預測技術應用研究[J].石油物探.52(4): 426～431.

[22]常鎖亮,李國發,劉洋.利用AVO 反演技術研究沁水盆地南部主力煤層的含氣性[A]//2008 年煤層氣學術研討會論文集,2008：65～72.

[23]常鎖亮,劉大錳,林玉成，等.頻譜分解技術在煤田精細構造解釋及煤含氣性預測中的應用.煤炭學報.2009,34(8):1009～1020.

[24]常鎖亮,劉大錳,王明壽.煤層氣勘探開發中地震勘探技術的作用及應用方法探討.中國煤層氣.2008,5(2):23～27.

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

張留榮(1968—)，男，山西靈石人，本科，工程師，從事煤礦瓦斯地質、瓦斯防治和煤礦水患防治等工作。

曾維望(1980—)，男，湖南邵陽人，碩士，工程師，從事地球物理勘探工作。E-mail:wang-158@163.com

2017-04-10

文獻標識碼：A

責任編輯：孫常長