利用三維地震資料預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)域

田 峰

（山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院，山西 晉中 030600）

煤層氣是指賦存在煤層中，以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源。

目前，國(guó)內(nèi)利用三維地震資料預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)域主要有兩種方法：一是基于雙相介質(zhì)理論預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)；二是利用地震屬性技術(shù)探測(cè)煤層氣富集區(qū)。

1 基于雙相介質(zhì)理論技術(shù)預(yù)測(cè)煤層氣的富集區(qū)域

地下介質(zhì)媒體主要是由固體和流體兩種介質(zhì)組成的，巖石就是固體，充斥在巖石的裂隙、裂縫中的液體或氣體就是流體。煤層氣的富集區(qū)域就是一種非常典型的（流相＋固相）雙相介質(zhì)，裂隙、裂縫中的煤層氣是流體，煤層是固體。雙相介質(zhì)中存在有兩類縱波，就是常說(shuō)的快縱波和慢縱波。流相位移及固相位移在快縱波中是同相的，而它們?cè)诼v波中卻是反相的；快縱波的性質(zhì)類似于單相介質(zhì)中縱波所具有的性質(zhì)，而慢縱波的傳播性質(zhì)與熱能傳導(dǎo)現(xiàn)象及流體擴(kuò)散現(xiàn)象有很多相似的地方，它們都具有比較強(qiáng)的衰弱及頻散性質(zhì)，所以在雙相介質(zhì)中，流體所特有的縱波就是慢縱波。在雙相介質(zhì)中，地震波在傳播過(guò)程中的每個(gè)頻率成分所具有的能量分布都會(huì)有一定的變化，高頻成分所具有的能量相對(duì)比較弱，低頻成分所具有的能量比較強(qiáng)，反映為地震波的能量由高頻向低頻方向發(fā)生了移動(dòng)，即“高頻衰弱、低頻增強(qiáng)”的特性。這也就說(shuō)明了在雙相介質(zhì)中，特有的慢縱波不但改變了波場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，還改變了波場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特性。

在煤層氣與煤層所組成的雙相介質(zhì)中，每個(gè)頻率成分所具有的能量形式表現(xiàn)為“相對(duì)衰弱的高頻成分和相對(duì)增強(qiáng)的低頻成分”，這就為我們利用三維地震資料間接地預(yù)測(cè)煤層氣提供了依據(jù)。采用三角濾波器對(duì)雙相介質(zhì)中地震波能量的“高頻衰弱、低頻增強(qiáng)”特性進(jìn)行提取，能量會(huì)隨著地震波主頻的變化，相應(yīng)地改變能量相對(duì)減弱和相對(duì)增強(qiáng)的臨界點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算給定的低、高頻范圍內(nèi)地震波能量的最大值，即可由地震資料直接圈定出煤層氣富集區(qū)。

三維地震勘探技術(shù)中，反射波的時(shí)差、振幅和相位的明顯變化不完全是構(gòu)造引起，其中一部分是由于煤層氣富集區(qū)和巖性變化引起的，這說(shuō)明實(shí)際地震資料上已經(jīng)包含了豐富的地質(zhì)信息，可以用于預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)。地震波在煤層氣富集區(qū)具有特殊的地球物理響應(yīng)特征，這種特殊性主要表現(xiàn)在反射、透射、衰減、吸收、頻散以及能量的重新分配等方面。其中，地震波穿過(guò)煤層氣富集區(qū)后表現(xiàn)出的能量再分配特性是其最典型的特征之一。采用合適的數(shù)學(xué)工具提取出這種特征，便可用于煤層氣預(yù)測(cè)。

我們選擇青海地區(qū)進(jìn)行煤層氣富集區(qū)的預(yù)測(cè)。圖1是利用基于雙相介質(zhì)理論的方法對(duì)青海某工區(qū)進(jìn)行反演得到的結(jié)果。其中，圖1（a）為低頻計(jì)算結(jié)果，圖1（b）為高頻計(jì)算結(jié)果。由圖1可見(jiàn)，圖中用白線和灰線圈出的區(qū)域?yàn)轭A(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)。

2 利用地震屬性技術(shù)探測(cè)煤層氣富集區(qū)

圖1 青海某工區(qū)煤層氣富集區(qū)反演結(jié)果

利用地震屬性技術(shù)查明與煤層氣富集區(qū)有關(guān)的主要地質(zhì)因素，包括地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造煤的分布、煤層頂?shù)装逯辛严读芽p的發(fā)育方向和密度（圍巖的透氣性），最終查明煤層氣富集帶。

地震屬性指的是利用疊前或疊后的三維地震數(shù)據(jù)體，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)方法的計(jì)算，變換而得的關(guān)于地震波的幾何學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)特征。以波的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征可以將地震屬性分為波形、相位、時(shí)間、振幅、相關(guān)、吸收衰減、頻率、速度8個(gè)大類。地震屬性的種類很多，不同地震屬性的選擇要根據(jù)所需解決的不同地質(zhì)問(wèn)題來(lái)確定。地震屬性技術(shù)最重要的工作是對(duì)包括數(shù)據(jù)體屬性及同相軸屬性進(jìn)行屬性提取工作。

地震屬性技術(shù)是對(duì)三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行研究，而三維數(shù)據(jù)體最重要的成分就是煤層反射波。在煤層反射波中包含有大量的地震、地質(zhì)信息，它們都是可變的，其變化主要取決于煤層的巖性變化和構(gòu)造變化。煤層的巖性及構(gòu)造變化造成了速度、密度和其他相關(guān)彈性參量的變化，這些變化又進(jìn)一步引起了地震波在傳播時(shí)間、相位、振幅、頻率等方面的變化。當(dāng)煤層發(fā)生比較大的巖性及構(gòu)造變化時(shí)，在三維地震時(shí)間剖面上能夠發(fā)現(xiàn)煤層反射波同相軸也有了明顯的變化，主要有走時(shí)、振幅及相位的變化；但是有一部分信息，比如頻率特征比較難以簡(jiǎn)明直觀地顯現(xiàn)。在對(duì)煤層氣富集區(qū)域的分析過(guò)程中，首先分析它們引起地震屬性信息變化的特征，然后反過(guò)來(lái)提取地震屬性信息的變化特征，這樣就能夠?qū)γ簩託飧患瘏^(qū)進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)。

對(duì)三維地震記錄與煤層反射波的地震屬性特征進(jìn)行分析，可以得出在煤層氣富集區(qū)的煤層反射波具有以下特征：波至?xí)r間發(fā)生延遲，但反射波連續(xù)性較好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征；煤層反射波為強(qiáng)振幅的特征；煤層反射波的主頻明顯降低的特征；煤層反射波具有低頻帶能量相對(duì)增強(qiáng)、高頻能量相對(duì)衰減的頻率特征；煤層反射波具有與正常反射波相位相反的相位特征。這些特征，就是煤層氣富集區(qū)識(shí)別的依據(jù)。

由于入射角變化時(shí)，P波的速度、相位、波阻抗、振幅等多個(gè)地震屬性也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，所以利用P波的方位屬性可以預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)的空間分布。假定M是由偏移距決定的相關(guān)因子，N是由裂隙裂縫特性及偏移距決定的相關(guān)因子，利用計(jì)算得到的N/M值來(lái)描述裂隙、裂縫的發(fā)育程度。當(dāng)N/M值較高時(shí)，認(rèn)為此處發(fā)育有裂隙、裂縫；當(dāng)N/M值較低時(shí)，認(rèn)為此處的裂隙、裂縫發(fā)育不明顯。N/M值的絕對(duì)值越大，方位屬性特征變化越明顯。而地震屬性隨方位角變化的劇烈程度，間接地反映了裂隙的密度情況。因此，N/M值越高，裂隙密度越大，而裂隙、裂縫正是煤層氣高度富集的區(qū)域，所以N/M值可以作為一種預(yù)測(cè)煤層氣富集區(qū)域的方法。

選擇山西某地區(qū)進(jìn)行煤層氣富集區(qū)的預(yù)測(cè)，利用煤礦地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋系統(tǒng)對(duì)三維地震資料進(jìn)行解釋，主要是通過(guò)主頻帶能量屬性和低頻帶能量屬性進(jìn)行分析。從地震屬性切片中可以得出結(jié)論，煤層氣富集區(qū)通常位于褶曲構(gòu)造附近，因?yàn)轳耷膬梢硎菓?yīng)力聚集區(qū)，通常也就是煤層氣富集區(qū)。大斷層構(gòu)造的能量集中在低頻段，而小斷層、褶曲構(gòu)造的能量大多集中在高頻地段。

3 結(jié)束語(yǔ)

在這兩項(xiàng)技術(shù)中，主要利用三維地震勘探資料進(jìn)行地震解釋和反演，所以解釋的準(zhǔn)確程度受到原始地震資料、處理方法及解釋人員主觀臆想判斷等因素的影響。因此，在三維地震野外采集中保證質(zhì)量，在資料處理上選用方法科學(xué)，并對(duì)工區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行深入了解，這樣就能夠更有效地提高煤層氣富集區(qū)的預(yù)測(cè)精度。

將雙相介質(zhì)理論技術(shù)和地震屬性技術(shù)相結(jié)合，利用三維地震資料對(duì)煤層氣富集區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠更準(zhǔn)確地指導(dǎo)煤層氣開(kāi)發(fā)階段的井位布置，也可用于確定瓦斯地質(zhì)研究的靶區(qū)，為礦方提供可靠的地質(zhì)成果。

[1]楊雙安，張會(huì)星.三維地震資料預(yù)測(cè)瓦斯富集區(qū)的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（8）：108-110.

[2]劉最亮，張少青.利用地震屬性劃分瓦斯富集帶[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2011，23（7）：52-55.