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2煤层气(瓦斯)地震勘探技术

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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煤层气( 瓦斯)地震勘探技术中国矿业大学资源与地球科学学院二零一零年十月煤层气地震勘探技术11 煤层气(瓦斯) 勘探的意义煤层气(瓦斯)是由煤化作用形成的赋存于煤层中以甲烷为主的混合气体。首先,煤层气作为一种新型洁净能源,其开发利用可弥补我国常规能源的不足。我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、储层特性、赋存状态、成藏理论进行系统研究,取得了一大批成果。但是,相应的勘探与开发技术相对滞后。今天,地质学家和地球物理学家已经把研究重点放在勘探与开发技术领域。其次,瓦斯突出问题是长期以来困扰煤矿安全生产的一个灾害性问题。据国家安监总局统计,在一次死亡 10 人以上的特大煤矿事故中,瓦斯事故起数占69%。问题关键在于煤矿开采前和开采过程中,对地下瓦斯富集的情况一无所知。这样就使煤矿在生产过程中,无法根据瓦斯分布情况制定有针对性的措施。总之,煤层气(瓦斯) 的勘探、开发与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,是一举多得利国利民的大事。2 瓦斯地质理论影响煤层气(瓦斯) 富集的主要地质因素包括煤层埋藏深度、断层及其它构造分布、构造煤( 煤层中的软分层)的分布、煤层顶底板的封闭程度(透气性)。瓦斯富集和突出有以下基本规律:(1) 瓦斯随着煤层埋藏深度增加而增加;(2) 构造煤是典型的瓦斯地质体,所有发生煤与瓦斯突出的煤层都发育一定厚度的构造煤;(3) 大多数瓦斯突出都发生在构造破坏带,主要与压性、压扭性断裂有关;(4) 瓦斯突出与褶皱构造关系密切,在向斜、背斜轴部及其附近有利于瓦斯聚集,易于发生瓦斯突出。体结构类型和构造煤瓦斯地质学从地质角度出发,根据煤体宏观和微观结构特征,把煤体结构分为四种类型,即原生结构煤、破碎煤、碎粒煤和糜棱煤,后三种类型是煤层煤层气地震勘探技术2中的软煤,统称为“构造煤” ,是煤层层间滑动构造的产物。当地应力和瓦斯压力达到一定值时,突出与否的关键取决于地压和瓦斯膨胀对煤壁的侧向压力于煤体抵抗能力的对比关系。如煤壁的煤体结构完好,强度较大,煤体抵抗能力大于侧向压力,突出便不会发生;如煤体结构遭构造应力破坏,煤壁强度变小,侧向压力大于煤体抵抗能力,突出则是必然的。由于构造煤的力学强度降低,减小发生瓦斯突出的阻力;由于构造煤的孔隙增加,有力于瓦斯的富集。因此,构造煤的发育程度是瓦斯突出危险区域预测的重要内容,构造煤的厚度是瓦斯突出危险区域预测的重要指标。造煤发育程度与厚度预测传统的预测方法是依据瓦斯地质规律,获得构造煤赋存和分布的主要资料室井下实际编录和钻孔取芯。该方法的缺点是井巷编录对未采区的资料无法获得,钻孔取芯常因构造煤松软,取芯率低而难以获得。从 20 世纪 90 年代起,地质学家利用测井曲线判识构造煤厚度,取得了良好的地质效果。构造煤是原生结构煤遭受构造运动破坏的煤体,其孔隙和裂隙均较发育,含水性相对增加,与原生结构煤相比存在着明显的物性差异,在不同类型的测井曲线上有以下反映:(1) 电阻率相对减小,在视电阻率曲线上表现为幅值降低;(2) 密度相对减小,在 伽玛伽玛曲线上表现为幅值增高;(3) 单位体积内放射性物质的含量减少,自然伽玛曲线上表现为负异常。中国矿业大学提出利用地震反演技术预测煤体结构的设想,利 用 测 井 数 据对 井 旁 地 震 资 料 进 行 约 束 , 推 断 构造煤的 平 面 分 布 和 厚 度 变 化 , 从 而 达 到 预测 瓦 斯 突 出 的 目 标 。3 煤层气(瓦斯) 地震勘探的特点煤层气(瓦斯)地震勘探的目的是利 用 地 震 波 运 动 学 和 动 力 学 特 征 来 研 究 煤岩 层 岩 性 , 特 别 是 查明煤层及顶板中 裂隙裂缝发育的方向和密度(煤体结构破坏程度) 、构造煤的分布和厚度。煤层气(瓦斯)地震勘探将油气勘探中的储层预测理论、双相介质理论、各向异性介质理论与煤田地震资料的特点相结合,把地震属性技术、方位各向异性技术、弹性波阻抗反演技术等作为主要手段。煤层气地震勘探技术34 地震属性技术地震属性指的是由叠前或叠后的地震数据,经过数学变换而导出的有关地震波的几何形态、运动学特征、动力学特征和统计学特征。地震属性技术是指提取、显示、分析和评价地震属性的技术,在煤层气(瓦斯)地震勘探中包括地震属性的提取、地震属性的分析、利用地震属性区分构造、岩性并进行目的层预测。斯富集带的地震响应煤层反射波中含有大量地震信息,无论是煤层的构造变化或岩性变化都会引起它们的变化。煤层的构造或岩性变化主要反映在密度、速度及其它弹性参量的差异上,这些差异导致了地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面的变化或异常。当煤层产生大的构造变化时,在地震剖面上可以看到地震波同相轴明显的走时变化及振幅、相位的变化,而有些信息如频率等的变化却难以直观地分析。对于构造煤发育区和瓦斯富集带异常,用常规的人工识别方法往往是无能为力的。如果首先仔细地研究它们引起地震信息变化的特征,反过来提取这些特征,就可以作为构造煤发育区和瓦斯富集带识别的依据。根据阳煤集团的地层态特征,设计了六层介质模型,其中第四层中部为构造煤,代表瓦斯富集区,见图 4—1。图 4—1 瓦斯富集带地质模型瓦斯富集带模型所用参数见表 4—1,模型参数建立在实测数据的基础上。共制作了 3 个模型。模型 1 中介质 4 和介质 5 均为原生煤,图 4—2 是模型1 的理论地震记录;模型 2 中介质 4 和介质 5 均为构造煤,图 4—3 是模型 2 的理论地震记录;模型 3 中介质 4 为原生煤,而介质 5 为构造煤,两种介质间有煤层气地震勘探技术4一过渡带,图 4—4 是模型 3 的理论地震记录。表 4—1 瓦斯富集带地质模型参数性 s  泥岩 3170 1585 00 砂岩 3601 2172 0 泥岩 3170 1585 0 原生煤 2400 1260 构造煤 650 196 砂岩 3601 2172 0 灰岩 4209 2273 00图 4—2 模型 1 的理论地震记录煤层气地震勘探技术5图 4—3 模型 2 的理论地震记录从图 4—2 中可以看出五个界面的反射波,由于煤层顶板和底板的岩性不同,分别为泥岩和砂岩,即煤层底板的波阻抗差大于煤层顶板的波阻抗差,故煤层底板的反射能量强于煤层顶板的反射强度。图 4—3 中仍然有五个反射波,但是第二个反射波(砂岩/ 泥岩界面)和第五个反射波( 砂岩/ 灰岩界面) 的强度明显低于模型 1 的对应反射波。由于模型 2 中的煤层是构造煤,而煤层顶、底板的岩性不变,于是煤层顶、底板的波阻抗差均变大,故模型 2 的煤层反射能量强于模型 1 的煤层反射能量。地震剖面显示时进行了归一化处理,致使反射波 2 和反射波 5 的强度相对变低。图 4—4 模型 3 的理论地震记录从图 4—4 中只能发现四个界面的反射波,第二个反射波(砂岩/ 泥岩界面)无煤层气地震勘探技术6法看到。由于煤层是从原生煤——构造煤——原生煤变化的,故煤层顶板反射波没有变化,而煤层底板反射波发生很大变化。从理论地震剖面中提取煤层底板反射波的多个地震属性,挑选出 4 个对构造煤响应灵敏的地震属性(分别是振幅、主频、低频带能量和相位)进行对比分析,为瓦斯富集带预测提供理论依据。图 4—5 至图 4—8 是地震属性图。图中,横坐标为 ,纵坐标为地震属性值,把原生煤和构造煤的同一属性用不同线型表示,其中蓝色线形 表模型 1 原生煤情况;红色线形 表模型 2 构造煤情况;绿色线形 表模型 3 原生煤和构造煤并存情况。从地震属性图中可以看出,蓝色线形和红色线形均为直线,表示地震属性值没有变化;而绿色线形在原生煤和构造煤过渡带上起伏变化很大,这是模型计算算法带来的误差。对理论地震记录与煤层底板反射波的地震属性进行定量分析,得到以下结论:(1) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上,煤层反射波具有波至时间发生延迟、但反射波连续性较好的运动学特征,见图 4—4。(2) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上,煤层反射波为强振幅,见图 4—5。与原生煤比较,构造煤与煤层顶、底板的波阻抗差异更大,故反射能量强于前者。图 4—5 煤层底板反射波的振幅(3) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上,煤层反射波的主频明显降低,见图4—6。煤储层是典型的双相介质,固体颗粒与空隙中流体的相互作用产生了慢煤层气地震勘探技术7纵波,慢纵波的存在使得双相介质中波的能量分配发生了变化,使得地震波能量向低频方向移动。图 4—6 煤层底板反射波的主频(4) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上,煤层反射波具有低频带能量相对增强、高频能量相对衰减的频率特征,见图 4—7。图 4—7 煤层底板反射波的低频带能量(5) 在构造煤发育区和瓦斯富集带上,煤层反射波具有与正常反射波相位相反的相位特征,见图 4—8。煤层气地震勘探技术8图 4—8 用实例——新景煤矿芦南二区阳泉新景煤矿芦南二区北三正、副巷在掘进过程中发生瓦斯突出,7202 综采工作面在回采过程中也发生瓦斯突出,瓦斯突出点(红星)位置见图 4—9。对瓦斯突出地段的三维地震资料进行了解释,重点放在 3 煤层变薄冲刷缺失带范围内,见图 4—10。图中的红线范围是利用三维地震资料解释的 3 煤层变薄冲刷缺失带。北三正、副巷瓦斯突出点正在这个范围内,7202 综采工作面瓦斯突出点在这个范围的边缘。显然,瓦斯突出与煤层的变薄缺失密切相关。图 4—9 新景煤矿芦南二区 3 煤层瓦斯突出点位置(局部)煤层气地震勘探技术9图 4—10 新景煤矿芦南二区三维地震资料解释区域图 4—11 是北三正巷()的地震剖面,图 4—12 是北三副巷(642 线)的地震剖面,图 4—13 是通过 7202 综采工作面瓦斯突出点() 的地震剖面,黄线代表 ,瓦斯突出区域用红色箭头表示。从地震剖面中可以看出,对应 3 煤层的 有两个相位,且信噪比较高。原解释方案根据第一相位的振幅变弱,相位转移等波形特征确定了 3 煤层的变薄缺失带范围是基本可信的。图 4—11 新景煤矿芦南二区北三正巷()地震剖面煤层气地震勘探技术10图 4—12 新景煤矿芦南二区北三副巷()地震剖面图 4—13 新景煤矿芦南二区 7202 综采工作面瓦斯突出点 ()地震剖面提取了 的多个地震属性,主要包括振幅、相似性、主频、主频带能量和平均频率相位,见图 4—14。从 地震属性图中可以看出 3 煤层的变薄缺失情况 (用黑色圆圈表示),在振幅切片上能量明显变弱(红色),在相似性切片上异常突出(红色),在主频切片上表现为高值( 黑色) ,在主频带能量切片上表现为低值(蓝色),在平均频率相位切片上也存在较大差异。相对于常规地震解释方法,利用地震属性能够更准确、更细致地划分 3 煤层的变薄缺失带。在这个范围内,煤层是部分变薄、部分缺失,北三正、副巷瓦斯突出点(图 4—14 中异常)的所有地震属性值接近煤层,与 7202 综采工作面瓦斯突出点的地震属性值基本一致。基于上述事实,本区的瓦斯富集带位于煤层变薄缺失带附近,更准确地说应该是 3 煤层的变薄可能会导致瓦斯突出。煤层气地震勘探技术11(a) 振幅 (b) 相似性(c) 主频 (d) 主频带能量煤层气地震勘探技术12(e) 平均频率相位图 4—14 新景煤矿芦南二区 的地震属性5 方位各向异性技术国内外的研究结果表明,反射 P 波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征很敏感,所有的 P 波属性分布函数均为椭圆,见图 5—1。图 5—1 位各向异性技术方位各向异性技术是根据不同方 位 角 P 波 振 幅 、 速 度 、 波阻抗等多个地震属性随 入 射 角 变 化 的 规 律 , 利 用 地 震 P 波 方 位 属 性 确定煤(岩) 层裂隙发育带的空间分布,其基本步骤包括:(1) 为了增加有效覆盖次数,将 4~9 个面元( )的数据形成宏面元;2) 然后按 15~30°的方位角增量抽取 6~12 个方位角道集;煤层气地震勘探技术13(3) 对 6~12 个方位角道集进行速度分析、正、叠加和偏移,得到6~12 个方位偏移数据体;(4) 对 6~12 个方位偏移数据体进行波阻抗反 演 ,得到 6~12 个方位波阻抗数 据 体 ;(5) 从 6~12 个方位偏移数据体和方位波阻抗数 据 体 中提取与岩溶裂隙密度有关的地震属性参数;(6) 对方位偏移数据体、方位波阻抗数 据 体 中 提 取 的 方位地震属性(主要包括振幅、频率、波阻抗、速度)进行融合;(7) 利用融合后的方位地震属性对煤 层 裂隙发育带进行预测和解释,定 量计 算 裂 隙发 育 带 的 密 度 和 方 向 。用实例——张集煤矿西三采区从叠后 P 波地震资料中,提取 13层主频、主频带能量、时域平均能量、波峰相位时间等 5 个地震属性,对比分析后选择 3 个最佳地震属性进行融合,用于煤层裂隙发育带预测。1.主频图 5—2 为主频平面图,大断层附近伴生裂隙发育带,圈定了两处裂隙发育带。图 5—2 主频方位属性2.主频带能量煤层气地震勘探技术14图 5—3 为主频带能量平面图,大断层处裂隙发育不明显,确定了两个裂隙发育带。图 5—3 主频带能量方位属性3.时域平均能量图 5—4 为时域平均能量平面图,除大断层附近外,确定三处裂隙发育带。图 5—4 时域平均能量方位属性选用主频、主频带能量和时域平均能量作为地震属性融合的三个因素,即利用融合后的方位地震属性来预测煤层裂隙发育带的存在。图 5—5 是融合后的方位地震属性平面图,确定了三处裂隙发育带。煤层气地震勘探技术15图 5—5 方位地震属性张集煤矿西三采区 13层裂隙发育带预测工作中,应用地 震 方 位 属 性 技术 和多 源 信 息 融合技术,提取地震 P 波对裂缝性地层所表现出的方位各向异性特征,并 从 地震属性参数随 方 位 角 变 化 的 特 征 中 提 取 煤 层 的 裂 隙属 性 , 通 过信 息 融合后获得方位地震属性平面图,从中确定了三处裂隙发育带。6 弹性波阻抗反演技术常 规 (叠 后 )波阻抗反演方法将反映构造信息的地震剖面转换为反映岩性信息的波阻抗剖面。但是,该方法建立在地震波垂直入射假设的基础之上。如果共中心点道集的各道炮 检 距 变 化 范 围 不 大 时 , 地 震 波 近 似 垂 直 反 射 界 面 , 获 得的 叠 加 (偏 移 )剖 面 可 近 似 视 为 零 炮 检 距 剖 面 。 对 零 炮 检 距 (或 小 炮 检 距 )剖 面进 行 反 演 , 可 以 得 到 声 波 波 阻抗 它仅与岩石纵波速度和密度有关。如果共中心点道集的各道炮 检 距 变 化 范 围 较 大 时 , 地震波垂直入射假设的基础不成立,理论(垂直入射)反射系数与实际获得的反射系数大相径庭,即存在 题。获 得 的 叠 加 (偏 移 )剖 面 也 并 非 零 炮 检 距 剖 面 , 而 是 共中心点道集的各道反射波振幅平均叠 加 结 果 。 对 叠 加 (偏 移 )剖 面 进 行 反 演 , 获 得 的 波 阻抗不是声 波 波 阻抗 999)提 出 了 弹性波阻抗反演方法,它是一种利用不同炮 检 距 的 息 的 叠 前 波阻抗反 演 方 法 。 为了充分利用 息 , 构 造 了 一 种 类煤层气地震勘探技术16似 与 声 波 波 阻抗 弹性波阻抗 它是岩石纵波速度、横波速度、密度和入射角的函数。通过弹性波阻抗反演可以求得不同入射角的弹性波阻抗值 对于 声 波 波 阻抗 性波阻抗 有利于岩性分析。性波阻抗的数值模拟为了验证弹性波阻抗(演在煤田上的可行性,根据淮南张集煤矿的煤层和煤层顶/底板岩性的实测数据,建立了四个煤层模型进行弹性波阻抗 (演模拟研究,物性参数见表 6—1。表 6—1 煤层及其顶底板物性参数岩 性 Vp(m/s) Vs(m/s) (g/σ原生煤 I (模型 1) 2400 I(模型 2) 1960 1090 (模型 3) 1500 I(模型 4) 650 层底板) 3170 1585 层顶板) 3601 2172 到模型 4 的变化,基本上体现了煤体破坏程度由小到大的趋势。其中模型 4 中的构造煤 称作软分层,其煤体结构发生了严重破坏,是预防瓦斯突出的重点防范区域。利用上述方法分别对四个模型中的 7°与 18°入射角的 归一化到 围之后,得到的四个模型的正演计算结果如图 6—1 所示。从图 6—1 中可以获得以下结论:(1) 在煤层上非零入射角度的 值均比普通的 要低,即 煤层的反应更敏感;(2) 18°入射角的 是三种波阻抗值中最小的,对煤层岩性反应最灵敏;(3) 随着煤体破坏程度的逐渐增大(即由模型 1 到模型 4 的过渡),18°入射角的 逐渐变小,在模型 4 的上甚至出现负值。煤层气地震勘探技术17(a) (b)(c) (d)图 6—1 四个模型的正演结果为了进一步突出煤体的破坏程度,定义一个简单的煤体破坏程度预测因子(6P式中,归一化之后的量值。在 7°时,煤层的 值与相应的 值相差不大,因此在确定 P 时,一般使用归一化之后的 18°的 计算,即(68(P从模型 1 到模型 4,P 值依次为 此可以看出 P 在指示构造煤(尤其是软分层)方面具有独特的优势。用实例——张集煤矿西三采区1. 剖面分辨率的提高煤层气地震勘探技术18算中融合了横波信息,而且加入了入射角度的影响,因此与 比,岩性异常的探测能力更加灵敏。以 的反演剖面为例,图 6—2(a)为常规 演剖面;图 6—2 (b)为 18°入射角的 演剖面。经对比不难发现,18°入射角 演剖面的分辨率比 演剖面有明显提高。(a) 常规 演剖面(b) 18°入射角的 演剖面图 6—2 反演剖面分辨率对比煤层气地震勘探技术192. 切片解释图 6—3 为沿 13层的波阻抗切片,它们提供了煤层的岩性信息。图中,黄绿色部分代表正常煤层的范围,红蓝色部分代表高波阻抗区域。通过对比后发现 演对高波阻抗岩性(如夹矸) 探测更灵敏。(a) 演 (b)18°入射角 演图 6—3 13层波阻抗切片3. 构造煤的预测弹性波阻抗数值模拟表明,煤体破坏程度预测因子 P 在指示构造煤方面具有优势,对于构造煤的响应(P 值高)明显不同于原生煤的响应 (P 值低)。图 6—4为 13层 P 值切片,其中黑线是 P 值为 5 的等值线,等值线所圈定的部分为P 值大于 5 的区域,共有五个区域。根据弹性波阻抗数值模拟结果,这些区域可以认为是构造煤发育的区域。煤层气地震勘探技术20图 6—4 13层 P 值切片
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