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煤层气地球物理技术研究综述 李辛子 , 郭全仕 中国石化石油勘探开发研究院 , 北京 汉 中国石化石油勘探开发 研究院南京石油物探研究所 , 江苏南京 摘要根据煤矿区瓦斯和地面区域煤层气开发实践的调研资料 , 从个方面评述了煤层气 地球物理技术研究成果① 煤层气岩石物理 , 包括煤密度与煤化作用的关系 、 煤层气对煤岩 力学特性的影响 、 含气煤层电性参数特征 、 含气煤层的电磁辐射等②煤层气测井技术 , 包 括含气煤层的测井响应 、 煤层含气性测井解释 、 测并对煤层气可采性的描述等③煤层气地 展技术 , 包括煤层地展波特征 、 技术 、 益后地展属性技术等④其他煤层气地球物理技 术 , 包括非展勘探技术 、 综合地球物理技术等 。 研究表明 , 形成针对中国煤层气勘探开发地 质情况的地球物理技术系列是主要研究趋势 。 关健词煤层气地球物理岩石物理测井地展非震技术 加 ’, 印 刁 眼 玩 ,, 七 ,,, 滋 , 伴飞①伴 ,,一 , 脚 一 吐 , 卿 ② 骊 , 颐 印 脚 一, 脚 一 ③ ,,, 卯 一 ④ 罗 , 而 , 户 卯 , , 脚 罗 第一作者简介李辛子 , 男 , 年生 , 高级工程师 , 从事煤层气勘探研究 。 通讯地址北京市海淀区学院 路号 , 一二 而拱 。嗒 ’ 年煤层气学术研讨会论文集 ’ 价 八如 , 晓叩 , 肋 , 函 , 而 , 而 国外主要工业国家不把煤作为主要能源 , 对煤田勘探地球物理技术研发投人有限 , 利 用地球物理技术研究煤层气资源分布和富集规律的工作进展较慢 。 在美国 , 由于煤层气井 较浅 , 钻探发现煤层气的成本较地球物理勘探发现成本低 , 故大多数煤层气公司都采用大 的钻井来进行勘探 。 世纪年代以来 , 随着煤层气井增产措施的应用 , 服务于开发 的煤层气地球物理技术才得到了重视 。 但由于地球物理技术尤其是三维地震的工作成本高 和技术难点多 , 在煤层气勘探方面 , 地球物理技术并未推广应用 。 我国是以煤炭为主要能 源的国家 , 煤矿煤层气瓦斯是重要的安全问题 , 积极应用地球物理技术研究煤与瓦 斯的固气栩合特征及其规律一直是国家重大科技攻关项目的组成部分 , 其研究成果具有一 定的借鉴意义 。 近年来 , 地面煤层气勘探开发的实践表明 , 我国地质条件复杂 , 勘探开发 成本较大 , 需要寻找一套适合我国地质情况的技术系列 。 本文初步总结了近年来我国包括 煤矿区在内的煤层气地球物理技术研究成果 , 以期将这种技术推广到区域上的煤层气勘探 开发中 。 煤层气岩石物理 侧试并确定富气和不富气煤层的岩性和物性特征 , 以及这些与测井曲线和地震波场等 特征之间的响应关系是煤层气岩石物理研究的重要内容 。 这方面的工作以煤矿煤层气研究 较深人 。 煤密度与煤化作用的关系 从低煤化度开始 , 随煤化程度的提高 , 煤的真密度缓慢减小 , 到碳含量为 一 之间的中等煤化程度时 , 煤的真密度最低 , 约为岁扩左右 , 此后 , 煤化 程度再提高 。 对同一煤样 , 煤的真密度数值大于视密度 人 。 根据煤的真密度和视密 度还可算出煤的孔隙度 。 煤中矿物质组成与含量对煤的密度影响较大 , 可以粗略地认为 煤的灰分每增加 , 煤的密度增加 。 煤真密度随煤化程度的变化是煤分子结构变化的宏观表现 , 反映了煤分子结构的紧密 程度和化学组成的特点 。 其中 , 分子结构紧密程度是影响煤真密度的关键因素 。 年轻的褐 煤分子结构上有较多的侧链和官能团 , 在空间形成较大孔隙 , 难以形成致密的结构 , 所以 密度较低随煤化程度的提高 , 分子上的侧链和官能团呈减少趋势 , 与此同时 , 分子上的 氧元素则迅速减少 , 虽然侧链和官能团的减少有利于密度的提高 , 但氧的原子量较碳大 , 氧的减少造成密度下降占优势 , 总体上使煤的真密度有所下降到无烟煤阶段后 , 煤分子 结构上的侧链和官能团迅速减少 , 使煤分子缩聚成为非常致密的芳香结构 , 从而煤的真密 度也随之迅速增大赵跃民 , 仪“ 谢克昌 ,。 煤层气地球物理技术研究综述 煤层气对煤岩力学特性的影响 煤层气时煤体强度的影响 根据大量试验结果表明 , 煤体吸附煤层气的含量对煤的力学性能的影响是显著的 。 一 般来说 , 煤层气含量越高煤体强度越低 , 向呈塑性变形转化 , 出现体积膨胀煤层气含量 越低煤体强度越高 , 煤体压缩性减小 , 向呈脆性破坏转化 。 煤层 气对煤岩体弹性模量的影响 弹性模量的测试结果表明 , 煤中含煤层气时 , 其弹性模量变化很大 。 在单轴情况下 , 弹性模量依赖于孔隙压力 , 并随孔隙压力的增加呈直线关系衰减而在有围压作用的情况 下 , 衰减变缓 。 严格地讲 , 弹性模量与孔隙压力和围压都有关系 。 一般情况下 , 弹性模量 与孔隙压力之间的变化关系不按直线规律衰减 , 而与围压有关 。 但在孔隙压力不太高的情 况下可用直线规律来表示弹性模量与孔隙压力之间的关系 。 煤体由于吸附煤层气含量增 加 , 弹性模量降低 。 其原因是煤层气分子受煤岩固体颗粒吸引 , 附着于颗粒表面 , 联结力 小于原来联结力 , 而且煤层气分子还将被吸引而挤人两个相接触很近的固体颗粒间使其间 距增加 , 也使联结力减小 , 煤岩体宏观上抵抗变形的能力降低 。 煤对煤层气吸附量是随孔 隙压力增加呈非线性增加的 。 因此 , 总体上说 , 弹性模量及强度都将随孔隙压力增加而降 低 , 随孔隙压力减小而增加 。 煤层 气对煤岩体力学响应的影响 通过刚性试验机试验得到的煤在煤层气孔隙压力作用下的应力一应变曲线表明 , 煤的 初始变形阶段就受孔隙煤层气的影响 , 其应力 一应变之间就不再呈线性关系 , 孔隙压力不 同 , 其初始弹性模量也不相同 , 这是由于煤对煤层气具有强烈的吸附和解吸作用造成的 。 含煤层气煤在整个变形过程中力学特性发生了变化 , 除孔隙压力的力学作用 , 还有煤层气 的物理作用 。 孔隙压力增加 , 煤体的煤层气含量也增加 , 使煤体吸附煤层气的能力增加 章梦涛等 ,。 含气煤层电性参数 国内外对煤层电性参数做了大量测定 , 并研究得 出了其与突出影响因素之间的关系 程五一等 , 赵跃民 , 抖 变质程度 。 褐煤的电阻率较低 , 随着煤化程度加深 , 电阻率增加 , 到长焰煤时 达到最大 , 此后煤化程度加深 , 煤的电阻率呈缓慢下降趋势 , 到碳含量达到 以上的 无烟煤时 , 电阻率迅速下降 。 煤化程度是影响煤的介电常数的主要因素 , 随煤化程度的加 深 , 煤的介电常数减小 , 在含碳左右达到最小 , 然后又急剧增大 。 因为年轻煤的极 性含氧官能团多 , 极性大 , 所以介电常数较大随煤化程度的加深 , 含氧官能团减少 , 介 电常数也减小而年老煤的介电常数增大是因为其导电性增大之故 。 含水性 。 煤含水分增加 , 其电阻率下降 。 褐煤和长焰煤下降幅度较大 , 烟煤次 之 , 贫煤 、 无烟煤和岩石下降甚微 。 介电常数对不同煤种变化较大 。 煤层湿度越大 , 对电 磁波的反射和吸收越强 , 较大面积含水区在电磁波透视探测时反应异常 。 而在一般情况 年煤层气学术研讨会论文集 下 , 煤层含水较多的区域 , 其突出危险性相对小一些 。 破坏类型 。 据有关资料 , 一般未破坏煤层的电阻率平均为 一 以〕 , 靠 近断层带逐渐下降到 一 。 炭质泥岩和粉砂岩的电阻率一般不超过 一 。 同一变质程度的煤 , 突出煤和非突出煤的介电常数相差较小 , 特别是烟煤 , 不同 结构类型的介电常数在同一频率条件下相差无几 。 煤的破坏程度越高 , 突出危险性越大 。 煤层气 。 煤层气压力和含量增加 , 煤的极化能力增强 , 导电性能增大 , 电阻率 降低 。 煤层气压力和含量增加 , 突出危险性增大 。 地应力 。 岩石的孔隙度 、 渗透性和导电率在加大载荷时减少 , 除去载荷后就复 原 , 在大气条件下达到最大值 。 压力的增加 , 突出危险性增大 。 温度 。 煤岩电阻率随温度变化比较复杂 。 测试频率 。 电阻率与测试频率成反比 。 测试频率越低 , 测出的电阻率越高测 试频率越高 , 测出的电阻率越低 。 大部分煤种和岩石的介电常数随测试频率的升高而 减小 。 电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响的研究表明刘保县等 , 仪巧静电场对煤瓦斯 吸附特性的影响关键在于静电场的焦耳热效应使煤瓦斯系统温度升高和静电场增加煤表面 吸附势阱的深度两种因素竞争的结果 , 当静电场增加煤表面吸附势阱深度占主导地位时 , 静电场使煤对煤层气的吸附量增加 , 当静电场的焦耳热效应逐渐占主导地位时 , 静电场使 煤对煤层气的吸附量减少 。 交变电场的研究表明王恩元等 , 阵 煤体煤层气渗透率 对电场有明显的响应 。 施加电场后 , 煤体煤层气的渗透率提高 , 并且随着电场作用频率和 强度的增加而提高 。 其作用机理是外加电场作用使煤层气分子热运动加剧 , 吸附势阱降 低 , 吸附量降低 , 活性提高 , 增强了煤层气的解吸和扩散 , 使煤体煤层气的有效渗透通道 增大 , 促使煤层气的渗流 。 含气煤层的电磁辐射 由于煤层要素的相互作用形成塑性带 , 其中包括超分子结构水平 , 由分裂的固态煤体 煤层气溶液中涌出大量煤层气 。 煤层气涌出有助于卸压裂隙的形成 , 卸压裂隙由于煤层中 弹性应力释放而出现 。 煤层新表面的发展伴有由附着和内聚相互作用破坏引起的一系列物 理现象马雷舍夫 ,。 首先在扩张裂隙的两边出现电荷 。 只有当从形成的煤 层表面的煤层气涌出滞后于裂隙推进速度时 , 单个裂隙的扩展才伴有高电位达 的出现 。 在这种情况下记录到能量达 一 的摩擦电子析出 。 突出危险煤层危 险带的煤层的特征是摩擦电子放射降低 , 随着向突出危险煤层危险带的推进 , 摩擦电子放 射减少 , 在突出危险带和突出的煤体中震荡电荷几乎没有 。 这是因为在突出危险带一突出 的中心 , 在准备阶段煤体的完整性就破坏了 , 其表现在煤的破碎 , 沿超级糜棱煤某些晶粒 的边界裂隙强烈发展 , 并伴有煤层气急剧涌出 。 当沿含气煤体裂隙扩展时和当个节理面 摩擦时 , 沿垂直于裂晾传播方向发生偏振 , 产生射电辐射 , 脉冲信号的频带为 一 。 含气煤层的电磁辐射震荡值是关于含气煤层工作面附近煤层破坏和煤层气排放过程的 可靠的信息来源 。 煤体中煤层气成分存在形式的变化煤层气转为自由状态 、 煤层气萎 煤层气地球物理技术研究综述 缩现象等决定了电磁辐射的特征 。 煤层气测井技术 煤层气储层测井评价技术是煤层气勘探开发中的重要手段 , 具有分辨率高 、 识别效果 好 、 快速直观 、 费用低廉等特点 , 可弥补取心 、 试井及煤心分析等方面的不足 , 因此 , 使 测井技术成为煤层气勘探开发中的重要手段 。 煤层气测井响应 实践中 , 常用的测井有补偿中子 、 补偿密度 、 补偿声波 、 深侧向 、 浅侧向 、 微侧向 、 自然伽马 、 自然电位 、 井径等条 。 在煤层的性质及变质程度确定后 , 常用测井曲线的内 容在煤层气解释中可以判断岩性 、 建立岩性剖面 、 划分煤层 、 确定煤厚 、 处理解释煤层水 分和灰分及 固定碳等矿物成分 、 计算煤层气含量及判断裂缝等 。 为了解决一些特殊地质问 题 , 有时需加测一些项目 。 煤层气储层测井评价系列包括如下方面①划分煤层 、 夹层 、 岩性 , 自然伽马 、 补偿密度 、 补偿中子 、 补偿声波等②煤质参数计算 , 如声波时差 、 密度 、 中子等③计 算孔隙度 、 渗透率 、 饱和度 、 含水性等参数 , 如声波时差 、 密度 、 中子 、 侧向 、 微电极 、 核磁共振等④机械强度指数 、 地层压力 、 井眼状况等 , 如声波时差及全波列 、 密度 、 井 径 、 微电极等⑤计算煤层含气量 , 如声波 、 密度 、 中子 、 侧向等⑥煤层对比 、 沉积环 境分析 , 如侧向感应 、 自然伽马 、 自然电位等⑦煤层裂缝发育分析 , 如声成像 、 电 成像 、 侧向 、 微电极等⑧固井质量检测 , 如声幅注水泥后 一 小时测试 、 自然 伽马 、 磁性定位测井潘和平 , 周尚忠 , 拓 。 不同评价阶段的测井系列 ①参数井及区域探井阶段 , 除了上述常规的条曲 线外 , 根据地质任务 , 应该取比较全的加测项目 , 以丰富的测井信息研究该地区的地质规 律 , 加测项 目包括地层倾角测井 、 自然伽马能谱测井 、 核磁共振测井 、 井周声波成像 、 微 电阻率扫描测井 、 多极阵列声波测井及光电有效界面测井等②预探井及评价井 , 除了上 述常规的条曲线外 , 加测项目包括地层倾角测井 、 多极阵列声波测井及光电有效界面测 井等③开发井 , 一般仅测上述常规的条曲线 , 必要时加测多极阵列声波测井和地层倾 角测井赵庆波 , 拓 。 煤层的电性特征在煤系地层 , 煤层与周围砂岩 、 泥岩的电性特征有明显的不 同 。 煤层具有 “ 四高大 ” 电性特征电阻率高 、 且变化范围大 , 声波时差大 、 传播速 度慢 , 补偿中子大 , 井径扩径大 , 以及 “ 四低小 ” 电性特征自然伽马低 , 补偿密 度低 , 光电俘获截面低 , 声阻抗小 、 电视图像呈深色 , 并因煤的变质程度不同 , 测井响 应值有所不同赵庆波等 , 拓 。 煤层含气性测井解释 煤层含气量是煤层气勘探和开发中的一个关键参数 。 分别将煤层含气量与它对应的测 井曲线进行相关性分析 , 包括煤层含气量与深侧向电阻率 、 声波时差 、 补偿中子 、 体积密 年煤层气学术研讨会论文集 度 、 自然伽马等进行交会图分析 , 其中 , 体积密度 、 自然伽马相对值与含气相关性良好 中联煤 ,。 在煤层测井解释中除煤层含气量外 , 还要进行煤质分析 , 提供水分 、 灰分 、 挥发分 、 固定碳等参数 。 通常 , 采用体积模型概念来定性确定煤层含气量 。 煤层含气量用体积模型 概念分析是依据孔隙度 、 泥质含量 、 电阻率数值并结合气侧井综合分析的 。 如果泥质含量 低 , 电阻率相对较高 , 气测显示好 , 则解释为煤层气层 , 否则解释为含气层 。 另一个定性 确定含气量的方法是纵 、 横波时差值法 。 在含气地层 , 纵 、 横波的传播速度明显减慢 , 时 差增大 , 有别于水层和油层 。 利用纵 、 横波比值可以分析煤层含气性的好与差 。 一般以 纵 、 横波比值作为含气性好与差的界限纵 、 横波比值小于 , 有较好的气显示 , 如果煤层泥质含量低 , 电阻率较高则可解释为煤层气层如果煤层泥质含量较高或电阻率 较低 , 则可解释为含气层 。 利用测井资料计算煤层含气量的方法有两种密度测井计算法和朗格缪尔公式计算 法 。 工作中常用密度测井法进行含气量计算 。 应用斯伦贝谢研发的程序调试解释参 数 , 求出地层孔隙度和含气饱和度 , 再与密度曲线组合 , 即可建立煤层含气量测井解释剖 面图李小明等 ,。 测井对煤层气可采性的描述 渗透性 由于中国煤层气渗透率低 , 大都需要经过增产措施来提高渗透率 , 因而裂缝的描述则 成了煤层气地球物理测井的重要内容之一 。 煤层的裂缝有天然裂缝 、 构造裂缝和人工压裂 缝 。 天然裂缝又称割理是煤化作用和构造应力影响的结果 , 它通常发育大致相互垂 直的两组 。 割理有方向性 , 是控制煤层方向性渗透的主要因素 。 构造裂缝和人工压裂缝的 发育规律要复杂些 。 研究煤层裂缝的侧井方法主要有微侧向 、 双侧向和成像测井等方法 。 徽侧向侧井在裂缝不发育处为基质电阻率值相对较高 , 曲线呈锯齿形变化 。 微侧向的探测 深度约左右 , 它与井径曲线结合 , 能反映井壁附近裂缝发育程度 。 煤层发育垂直裂 缝 , 电阻率又比较高 , 双侧向曲线上出现正幅度差 , 差异大小取决于钻井液滤液电阻率与 地层水电阻率的大小 , 以及裂缝发育程度 。 井周声波成像和微电阻率扫描成像均是具有高 分辨环井壁印 。全方位和随深度变化的二维侧井 图像 , 对后期构造裂缝反映很灵敏 , 可 以直观显示地层中裂缝的存在 , 并可分析裂缝的倾向 、 倾角 、 连通及充填情况高瑞棋 等 ,。 谋体结构的识别 原生结构的煤渗透性最好 , 构造煤尤其是糜梭煤的渗透性则极低 , 煤层气勘探开发中 应充分发掘测井信息 , 加强煤体结构的识别 , 尽量避免在构造煤发育区勘探 。 同一煤层 中 , 构造煤与原生煤 、 夹歼的测井响应有明显区别构造煤表现为视电阻率明显下降的低 幅值 , 伽马伽马曲线和声波时差曲线则为较明显的高幅值 , 自然伽马曲线为明显上升的中 等幅值煤层中泥岩夹研的视电阻率曲线 、 伽马伽马曲线和声波时差曲线均呈低幅值 , 自 然伽马曲线为明显高幅值原生煤视电阻率曲线为明显高幅值 , 自然伽马曲线为明显低幅 煤层气地球物理技术研究综述 值 , 伽马伽马曲线和声波时差曲线的幅值介于构造煤与泥岩夹研之间 。 根据统计分析的结 果 , 构造煤与原生煤的密度和纵波速度也有较大的分布范围 。 同一煤层中的构造煤物性参 数明显低于原生煤 , 构造煤的密度降低幅度为 一 , 平均约纵波速度降低 幅度为 一 , 平均约 。 这些变化反映了构造煤和原生煤结构特征的差异 彭苏萍等 , 碎 。 测井曲线划分煤体结构的步骤和方法如下傅雪海等 , ①建立基本物性参数 数据库②对照生产矿井岩心与测井曲线 , 寻找煤体结构类型与测井参数幅值变化之间的 关系③选择的精测曲线 , 对煤层按或的间隔采集一组测井响应值 , 模 拟测井资料采集视电阻率 、 自然伽马 、 伽马伽马种测井参数 , 数字测井采集电阻率 、 密 度伽马伽马 、 自然伽马和声波时差种参数 , 在采集煤层物性参数的同时 , 采集标志 层相对应的物性参数值及各种参数剔除风化层 、 氧化层后的最大值 、 最小值④归一化处 理采集的数据 , 并利用聚类分析方法划分煤体结构类型⑤参考钻孔煤心的煤体结构描 述 , 确定测井曲线有无变化及变化的部位和程度是否与划分的煤体结构类型相符⑥验证 将要分析的层点测井曲线 , 分析该点测井曲线幅值和基本形态是否符合区域上的变化规 律 , 保证资料解释的一致性 。 总的来看 , 国内外在煤层气储层测井评价技术及其理论方面开展了不少研究工作 , 取 得了一定成果王敦则等 , ①根据煤的测井响应特征值已经可以较为准确地识别 出煤和煤层气储层②煤层厚度的测井确定精度越来越高 , 美国的分辨率已达 , 中国可达巧③利用测井方法进行煤的工业分析也取得了重要进展 , 在一些试验区已 可以用测井计算值代替化验分析值④测井方法可以间接计算煤层含气量 , 但具有一定的 地区性限制⑤煤储层渗透率的测井评价目前主要是定性分析 , 定量评价方法的研究已有 所进展 , 但受地区性限制的制约较为严重⑥现代非线性处理技术神经网络 、 小波等 已被引人煤层气测井评价领域并处于发展态势 , 已有一些成功的应用实例 ⑦已研制开发 出进行煤储层标定和评价的测井技术系列和相应的计算处理程序软件 , 对含气量 、 封盖 层 、 工业分析 、 岩石力学等参数进行定量解释 。 但还没有形成系统且实用的煤层气评价体 系 , 尤其是含气量 、 渗透率的直接测定和相关处理解释与评价软件系统的研制开发方面 。 因此 , 全面系统地开展煤层气储层测井评价技术及相关理论的研究是必要的 。 煤层气地震技术 。 煤层地屁波特征 物性参数 根据岩石实验测试数据和测井资料 , 利用交会图技术和统计分析方法 , 对含煤地层中 各类岩石的密度以及纵 、 横波速度等物性参数进行了系统研究表明各类岩石的密度以及 纵 、 横波速度等物性参数变化范围都较大埋藏深度对岩石物性参数的变化和各类岩石之 间的物性参数差异有明显影响岩石的物性参数之间具有很好的相关性 , 但碎屑岩与煤相 应物性参数关系式的系数有很大差别与岩石实验测试数据相比 , 测井分析数据更接近于 年煤层气学术研讨会论文集 地层状态下岩石的物性参数 , 而且分布范围较大 , 回归分析结果更具实用性彭苏萍等 , 抖 。 煤层厚度 除新获 、 内蒙古外 , 我国多数地区单层煤层厚度小于一般为 一 , 从煤 田地展勘探的角度来看 , 与煤层反射主波长左右相比 , 煤层厚度小于 , 顶底板反射不能分离 , 形成复合波 , 属于薄层范畴 。 对煤层厚度与振幅 、 频率等地展属性 的正演模拟研究表明①时窗宽度对讨论煤层厚度与煤层反射波振幅 、 频率等地震属性关 系影响很大 , 对厚煤层预测的影响尤为明显②煤层厚度在 一 时 , 这些地震属性与 煤层厚度之间存在一单调非线性关系 , 煤层厚度在 一 时 , 最大振幅随煤层厚度急剧 变大 , 也就是说最大振幅对煤层厚度反映较灵敏 , 煤层厚度在 一 时 , 煤层反射波 能能较好地分辨出煤厚的变化 , 可以以一种或几种地震属性参数 , 采用非线性方法预测 煤层厚度 , 当煤层厚度在某一范围内变化不大时宜选用灵敏度较高的某一地展属性参数作 为唯一的预测参数③当煤层厚度在 一 厚层时 , 由于煤层在理论上形成顶 、 底 板反射波 , 此时如时窗不变 , 提取的地展属性反射波能量 、 最大振幅 、 主频 、 频带的变化 仅仅反映煤层底板反射波的性质 , 已无法反映煤层厚度的变化 ④当煤层厚度大于 时 , 对煤层反射波作分频处理 , 根据煤层顶 、 底板反射波旅行时与速度计算煤层厚度 董守华等 , 抖 。 另外 , 多煤层在地震剖面上的表现形式是复杂的 , 层内微层多次波 及层间多次波的发育使得地震剖面的表现形式十分活跃 , 解释时应注意去伪存真 。 煤层厚度可以通过地展属性预测模型求取孟召平等 , 拓 。 通过对众多地震属性 的分析 , 优选出平均峰值振幅 、 振幅的峰态 、 最大绝对振幅 、 瞬时频率斜率等种地震属 性作为煤层厚度预测模型基本参数 , 结合已知钻孔资料 , 利用多元多项式回归以及人 工神经网络方法 , 求出了各属性与煤厚之间的多元多项式回归模型及人工神经 网络模型 , 并对模型进行了误差分析和应用结果对比分析 , 表明人工神经网络模型在煤厚预测中具有 好的应用效果 。 煤层地展波动力学参数还受非煤厚因素影响郭联合等 ,, 如夹研的存在 , 会 影响煤层的连续性 , 导致煤层分叉 、 合并①夹研变厚的地震波响应 , 在煤层中含有夹 歼 , 对煤层反射波有很大影响 , 夹歼越厚 , 反射能量越小 , 两者成线性反比关系 ②夹研 变厚与纯煤变厚的地展响应的区别 , 在煤层中含有夹歼的厚度和煤层总厚的增减 , 都会引 起反射波幅的增减 , 若排除其他影响因素 , 那么 , 对一定的人射波来说 , 反射波主频不变 的为夹歼所致 , 反射主频变化的为煤层厚度变化所致 ③夹歼分层与夹歼在煤层中位置变 化的地展波反映 , 在煤层中的夹歼对反射波的影响只与夹研的总厚度有关 , 与夹歼分层和 在煤层中的位置无关 。 构造解释 主要包括褶曲解释 、 断层解释 , 解释过程中以波形变面积的时间剖面为主 , 配合其他 彩色显示识别小构造 。 断层的主要标志为反射波同相轴错断 、 强相位转换 、 相位突变 、 分叉合并 、 绕射波的出现等 。 地震波上还可以解释特殊构造如陷落柱等 。 陷落柱是块度大 小不均 、 排列杂乱无章的上部地层塌陷物胶结而成的 。 与正常赋存地层相比 , 在地层的连 煤层气地球物理技术研究综述 续性 、 产状 、 岩性等方面 , 均有很大差别 。 陷落柱与围岩存在的物性差异是形成异常地震 波的基础 。 这些异常为地震方法识别和判定陷落柱提供了依据 。 陷落柱在水平叠加时间剖 面上的表现特征为反射波同相轴在小范围内消失或错断 , 并伴生一些小断层 , 在断层点处 产生绕射波及延迟绕射波 , 断陷点之间波形杂乱 , 在柱顶处 , 可产生柱顶绕射波 。 技术 近年来 , 地球物理界已开始将地震资料的波速成像构造成像和弹性参数纵波 速度 、 横波速度 、 密度 、 各向异性及流体等更多参数成像综合研究 。 技术是一项直 接探测天然气的地震勘探技术 , 它主要利用地震波振幅随偏移距变化人射角的变化 , 预测天然气富集部位 , 已经成为天然气勘探不可缺少的常规勘探技术 。 美国年前后 开始探索技术 , 科罗拉多矿业学院最先进行了煤层气技术研究 , 此后 , 中国矿 业大学在淮南煤矿进行了较成功的探索 。 含煤地层正演模型 通过建立正演模型 , 对煤层顶 、 底界面特征及其影响因素的研究表明彭苏萍 等 , ①煤层顶界面的反射振幅先是随着随炮检距 人射角的增大而减小 , 然 后再逐渐增大 , 在小人射角 。 时 , 反射系数随人射角的变化不明显 , 但人射角变 化范围在 一 “之间时, 反射系数随入射角的变化而变化明显 , 具有分析意义②煤 层底界面的反射波振幅最初也是随着随炮检距人射角的增大而减小 , 但容易发生 全 反射 , 不利于分析③不同结构煤体在响应上存在明显的差异 , 随着煤体结构 破坏程度的增强 , 煤层顶界面反射波的截距和梯度都会增大④煤体结构相同时 , 与泥岩顶板相比 , 以砂岩为顶板的煤层顶面表现为较大的反射振幅绝对值和变化梯度 ⑤ 煤层厚度的调谐作用对其属性也有明显的影响 。 探浏煤层气富集区 使用探测煤层气主要是利用振幅信息寻找煤层中的节理裂隙密集带 。 这是因为 ①相同条件下 , 表面积越大 , 吸附态的煤层气富集的可能性越大 , 即节理裂隙密集带是煤 层气富集的部位②节理裂隙发育的煤层的横波速度降低的程度比纵波速度降低的程度 大 , 因此 , 泊松比增大 , 煤层与顶板 、 底板的泊松比差发生变化 , 这种泊松比差的变化有 可能引起可观测到的振幅随偏移距的变化③一般说来 , 裂隙具有方向性 , 因此 , 有可能 出现垂直裂隙方向的横波速度低于平行裂隙方向的横波速度 , 也即垂直裂隙方向的泊松比 高于平行裂隙方向的泊松比 , 这种泊松比差别有可能引起不同方位上振幅随偏移距的变 化 。 综合煤层的地质和地球物理条件 、 响应特征以及瓦斯富集机理 , 与砂岩含气储 层检测相比较 , 可以看出使用技术探测瓦斯富集既有有利条件 , 也有不利条 件 。 有利条件是①煤层与围岩的波阻抗差大 , 反射信号强 , 信噪比高 , 在强反射背景下 提取异常相对容易②煤层气富集部位的异常特征相对简单③煤层的空间展 布地质构造特征相对稳定 。 使用探测煤层气 , 关键是能否看到道集上的异 常 。 这是探测煤层气最有利的条件 只需要研究一直特定反射同相轴 。 不利条件是 ① 煤层气富集部位煤层与围岩的泊松比差相对较小②煤层的顶板岩性和厚度的变化③煤 年煤层气学术研讨会论文集 层气局部富集 , 煤层低而变化大的渗透率彭苏萍等 ,。 总体上来说 , 煤层气富集部位煤的波阻抗总是低于围岩 , 泊松比一般高于围岩 。 这使 煤层气富集部位的属性具有顶板反射为负截距 、 正梯度 , 底板反射为正截距 、 负梯 度的简单特征 。 例外的情况是当煤层围岩是成岩程度很低的泥岩或疏松砂岩 , 围岩的泊 松比很大时 , 煤层气富集部位煤的泊松比可能小于或近似等于围岩的泊松比 。 与常规天然 气在圈闭顶部富集的特性比较 , 煤层气的局部富集特性增加了使用技术的必要性 , 然而 , 当煤层的厚度和顶板岩性变化时 , 也增大了解释异常的困难程度 。 对淮南煤 田播三煤矿实际三维地展资料 处理获得了可靠的属性数据体 。 彭苏萍等通过 属性异常分布与研究区内钻孔资料以及小褶曲 、 断层 、 煤体结构和煤层厚度等瓦斯 富集控制因素的综合分析 , 为研究区内瓦斯富集预测提供了重要依据 。 在该研究区内 , 存 在三个属性异常区 。 根据瓦斯 、 地质和构造研究结果 , 这些异常区均属于瓦斯突出 危险区 , 从而为煤矿瓦斯防治提供了依据 , 同时也初步证明利用技术探测煤层瓦斯 富集的可行性 。 裂陈预浏 方位反演用于预测裂隙和非均质性方面的岩性信息 , 多波联合反演以探测裂隙 方向和密度 、 压力 、 流体性质为主 。 地下裂隙的存在导致地震波场呈现方位各向异性 的特征 , 地展波反射振幅随炮检距和方位角的变换而变化 。 在弱各向异性假设下 , 随炮检 距和方位角变化的纵波反射系数可以简明地表示为裂像参数的解析函数 。 为了利用地展波 反射振幅与炮检距和方位角的变化规律预测地下裂隙分布情况 , 通过对淮南煤田全方位三 维地展资料的精细分析和处理 , 主力煤层附近的地展波场呈现明显的方位各向异性特征 , 反射振幅随方位角的变换规律与方位各向异性理论预测结果吻合良好 , 表明纵波方位 理论可以用于该煤田裂隙方位和裂晾密度的预测李国发等 ,。 对圣胡安盆地 的面组的裂缝性煤层应用分析和模拟作裂缝探测的研究表明 , 用分析进 行煤裂隙密度描述是可行的 , 但必须进行精细的数据处理和优化采集方案 。 在该勘探区中 都检侧到的一个大泊松比反射系数异常 , 可以认为该异常对应于煤的大裂隙密度区域 习勿苗 ,。 。 后地屁月性技术 多属性分析技术 在常规油气勘探中 , 地展属性技术广泛应用于岩性和构造解释等方面 。 但是 , 由于煤 层具有吸附性 、 低孔隙度 、 低渗透率 、 易变形等特点 , 导致煤储层比常规油气储层更为复 杂 。 煤层与围岩间大的地展波阻抗差异将掩盖煤层物性变化引起的细小波阻抗差异 , 煤储 层的高非均质性以及饱和煤与无气煤密度差异极小的特征 , 使得地展信号响应微弱 , 利用 登后地震属性识别煤储层含气性和裂隙特征国内外研究并不多 , 目前初步认为 , 需要多属 性综合分析才能有效预测煤储层特征 。 叫 。 等在研究圣胡安盆地的煤层地展属性预测煤层厚度和裂 隙密度时 , 主要利用了测井资料和波地展资料 。 煤层厚度用三维地震资料和测井资料 煤层气地球物理技术研究综述 预测 , 而一些微小的隐伏构造往往与高渗透带相关 。 利用基于多属性的分析方法 , 可以得 到煤层厚度和地震属性之间的经验关系式 , 发现最大绝对振幅 、 道积分和总能量等个地 震属性与煤层厚度关系密切 , 适用于煤层厚度的预测 。 利用正演模拟结果 , 结合地质统计 学 、 地球物理学和地质等因素验证了上述预测结果 。 根据多属性分析 , 还可以解释原来单 属性无法揭示的地震波形的细微变化 。 在此基础上 , 利用地震层位曲率属性来揭示常规地 震剖面上无法观察到的微细构造特征 。 将曲率属性与预测的煤层厚度资料结合 , 可以确定 煤层沉积后和同沉积的构造特征 。 结果表明 , 煤层气高产带与厚煤层 、 邻近微细构造带之 间关系密切杨瑞召等 ,。 煤层气富集的一个关键因素是储层压力 , 一般情况下 , 压力越大煤层的吸附能力就越 强 , 煤层气就可能富集成藏 。 因此 , 利用多属性预测煤储层压力技术至关重要 , 其中 , 关 键是如何准确地求取层速度和获得有效的经验公式 。 拾取反映煤储层压力层速度需要处理 好两方面的关系①常规处理层速度拾取与压力预测速度拾取的关系 , 压力预测速度拾取 要反映压力对速度的影响 , 而常规处理速度的拾取是为了突出地层信息 , 常规处理速度与 地层压力预测速度拾取存在区别 , 不能正确地理解这一差别将导致压力出现偏差甚至错 误②非压力因素造成的速度异常与异常压力造成的速度异常差别 , 要精确地预测储层压 力 , 速度拾取时必须排除压力因素造成的速度异常 , 主要的等效因素有岩性变化和气体填 充造成的速度异常 , 它们与异常压力造成的速度异常非常相似 , 气体填充造成的速度异常 可通过纵横波分析加以识别 , 岩性造成的速度异常可通过测井资料解决 。 目前 , 反演的方 法和地震处理一体化可获得满足地质预测的速度资料 , 进而可预测煤层压力 。 另外结合成 因分析的地展资料预测压力方法能排除非压力因素造成的异常压力假象 , 提高压力预测 精度 。 地震属性预测的测井响应 将横向上稳定分布的地震多属性分析技术与纵向上高分辨率的测井资料结合 , 有可能 预测煤层气的富集带 , 可 以有两种方法杨瑞召等 , ①定量预测方法 , 具体做法 是将钻孔测井资料 、 煤样分析结果结合多地展属性人工神经网络技术 , 定量预测目的层的 煤层气含盆 , 即将计算的目的层煤层气含量曲线与井旁道地震属性进行相关性分析筛选 , 利用地展多属性神经网络分析技术直接预测煤层气含量 , 得到煤层气含量三维数据体 , 进 而预测煤层气富集带 , 另外 , 层位曲率属性也可用于煤层气富集带预测②定性预测方 法 , 主要是对煤层附近的地震道进行波形分类 , 并与已知钻孔煤层气含量数据对比 , 分析 煤层气富集带的地展响应特征及两者变化关系 , 进而将这种关系沿相同波形特征区外推 , 预测煤层气富集带 。 其他煤层气地球物理技术 非屁勘探技术 作为地震勘探的补充手段 , 综合物探 , 尤其是电法勘探在煤层气储层预测评价和制定 开发方案中能够发挥重要作用 。 研究表明无烟煤煤矿瓦斯突出煤体的电阻率是非突出煤 年煤层气学术研讨会论文集 体电阻率倍以上 , 烟煤 、 气肥煤则与之相反 , 同一频率条件无烟煤的介电常数是烟煤 的倍 , 以及自嫩煤层的顶 、 底板围岩中铁磁性矿物含量增加等事实 , 说明煤层中煤层气 富集的程度 , 对煤层自身及煤层顶 、 底板围岩的电性 、 磁性参数的改变 , 产生较大的影 响 , 从而能在电 、 磁场上产生一定的异常效应 。 对滇东思洪 、 老厂地区进行了次高精度 电磁频谱探测试验表明周仁安等 , 以抖 ①煤层在相对电阻率曲线上呈现高电阻率值 , 其围岩砂 、 泥岩等表现为相对 低电阻率值 , 二者具有明显的物性差异 , 低含水砂岩 、 灰岩及炭质页岩有较高电阻率值 , 结合地质 、 钻井和其他物探资料予以区分② 高精度电磁频谱探测曲线与测井曲线对比表 明 , 大于的煤层绝大部分都有明显显示 , 个别层反映较差是由于观测次数不足引起 的③高精度电磁频谱探测曲线与测井曲线既有可比性又有区别 , 因为前者是地下原状地 层的反映 , 且反映数米至数十米探测半径内地质体的状况 , 而测井曲线探测半径仅为数十 厘米到 , 且受井内流体浸人的影响 , 不能完全真实地反映地层情况 , 还需要作一定的 解释和推断 。 煤矿区研究表明程五一等 ,, 突出危险区域和非突出危险区域的电磁波衰减 存在着明显的差异 , 电磁波衰减指标综合反映了煤体的结构 、 煤层气富集和地质构造破坏 带特征 。 煤的破坏类型 、 煤层气和承受的地应力是决定煤层突出危险性的主要因素 。 煤的 电阻率随煤的破坏类型和煤层气的增高而降低 。 煤层电阻率越低 , 电磁波衰减越厉害 , 电 磁波穿过煤层后损失越严重 。 同时 , 突出危险区域地质构造的界面也会对电磁波产生反 射 、 折射现象 , 造成电磁波能量的损耗 , 当电磁波穿越原生结构受到严重破坏的煤层时 , 煤层中存在的各种规则和不规则界面对电磁波吸收造成更大的损失 , 电磁波能量就会明显 减弱或者屏蔽掉而形成阴影 , 阴影区域就是突出危险性较大的区域 。 对一具体煤层的某一 区域 , 其变质程度和温度变化不大 , 对电磁波衰减场影响很小 。 选用一定的测试频率 , 在 资料解释时区分煤层高含水异常区 , 避开水的影响 , 就可以测定由煤的破坏类型 、 煤层气 和承受的地应力综合作用下煤电性参数的变化引起的电磁波衰减异常 。 电磁波衰减异常正 好反映了煤层危险性 , 这就是煤层突出危险区域电磁波透视的理论基础 。 利用地面高精度磁测 、 电磁频率测深法 、 可控源音频大地电磁法 、 瞬变电 磁测深法 、 激发极化法等勘探方法 , 对判断 、 预测煤层气富集情况将有重 要的应用价值 , 再与其他方法结合 , 就可有效地对煤层气富集做出评价 、 预测 。 与