煤层气瓦斯地震勘探技术

煤层气(瓦斯)地震勘探技术崔若飞中国矿业大学二零一零年十一月2020/7/15中国矿业大学2汇报提纲•煤层气(瓦斯)勘探的意义•煤层气(瓦斯)地震勘探的特点•地震属性技术•方位各向异性技术•弹性波阻抗反演技术2020/7/15中国矿业大学31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在煤层中的以甲烷为主的混合气体。•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。•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。•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。2020/7/15中国矿业大学41煤层气(瓦斯)勘探的意义•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。•影响煤层气(瓦斯)富集的主要地质因素包括煤层埋藏深度、煤层厚度、断层及其它构造分布、煤层中的软分层(构造煤的分布)、煤层顶底板的封闭程度(透气性)。2020/7/15中国矿业大学52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。2020/7/15中国矿业大学63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。2020/7/15中国矿业大学73.1瓦斯富集带的地震响应•煤层反射波中含有大量地震信息，但是很多信息(如频率)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，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。•地震属性参数种类很多，在构造煤发育区和瓦斯富集带识别过程中，它们变化特征是什么？哪些属性参数是有效的(贡献率高)？•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3—1。2020/7/15中国矿业大学8图3—1瓦斯富集带地质模型2020/7/15中国矿业大学93.1瓦斯富集带的地震响应•瓦斯富集带模型所用参数见表3—1，模型参数建立在实测数据的基础上。表3—1瓦斯富集带地质模型参数2020/7/15中国矿业大学103.1瓦斯富集带的地震响应•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3—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3—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，两种介质间有一过渡带，图3—4是模型3的理论地震记录。•从图3—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。2020/7/15中国矿业大学11图3—2模型1的理论地震记录2020/7/15中国矿业大学123.1瓦斯富集带的地震响应•图3—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。•从图3—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。2020/7/15中国矿业大学13图3—3模型2的理论地震记录2020/7/15中国矿业大学14图3—4模型3的理论地震记录2020/7/15中国矿业大学153.1瓦斯富集带的地震响应•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3—5至图3—8是地震属性图。图中，横坐标为CDP号，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pc代表模型1原生煤情况；红色线形sc代表模型2构造煤情况；绿色线形mc代表模型3原生煤和构造煤并存情况。2020/7/15中国矿业大学16图3—5煤层底板反射波的振幅2020/7/15中国矿业大学17图3—6煤层底板反射波的主频2020/7/15中国矿业大学18图3—7煤层底板反射波的低频带能量2020/7/15中国矿业大学19图3—8煤层底板反射波的相位2020/7/15中国矿业大学203.1瓦斯富集带的地震响应•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3—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3—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。2020/7/15中国矿业大学213.1瓦斯富集带的地震响应•(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3—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。•(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3—7。•(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3—8。2020/7/15中国矿业大学223.2应用实例——新景煤矿芦南二区•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3—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3—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。2020/7/15中国矿业大学23图3—9新景煤矿芦南二区3煤层瓦斯突出点位置(局部)2020/7/15中国矿业大学24图3—10新景煤矿芦南二区三维地震资料解释区域2020/7/15中国矿业大学253.2应用实例——新景煤矿芦南二区•图3—11是北三正巷(Inline2637线)的地震剖面，图3—12是北三副巷(Inline2642线)的地震剖面，图3—13是通过7202综采工作面瓦斯突出点(Inline2694线)的地震剖面，黄线代表T3波，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T3波有两个相位，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。2020/7/15中国矿业大学26图3—11新景煤矿芦南二区北三正巷(Inline2637线)地震剖面2020/7/15中国矿业大学27图3—12新景煤矿芦南二区北三副巷(Inline2642线)地震剖面2020/7/15中国矿业大学28图3—13新景煤矿芦南二区7202综采工作面瓦斯突出点(Inline2694线)地震剖面2020/7/15中国矿业大学293.2应用实例——新景煤矿芦南二区•提取了T3波的多个地震属性，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3—14。•从T3波地震属性图中可以看出3煤层的变薄缺失情况，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)，在相位切片上也存在较大差异。2020/7/15中国矿业大学30振幅图3—14新景煤矿芦南二区T3波地震属性主频带能量相似性相位主频2020/7/15中国矿业大学313.2应用实例——新景煤矿芦南二区•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3—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。2020/7/15中国矿业大学324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4—1。图4—1地震属性的方位各向异性2020/7/15中国矿业大学334.1方位各向异性技术•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；•(3)对6~12个方位角道集进行速度分析、NMO校正、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；2020/7/15中国矿业大学344.1方位各向异性技术•(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。2020/7/15中国矿业大学354.2应用实例——张集煤矿西三采区•从叠后P波地震资料中，提取13-1煤层主频、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。•图4—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4—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4—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。2020/7/15中国矿业大学36图4—2主频方位属性2020/7/15中国矿业大学37图4—3主频带能量方位属性2020/7/15中国矿业大学38图4—4时域平均能量方位属性2020/7/15中国矿业大学394.2应用实例——张集煤矿西三采区•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4—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。•张集煤矿西三采区13-1煤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。2020/7/15中国矿业大学40图4—5方位地震属性2020/7/15中国矿业大学415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