煤层气(瓦斯)地震勘探技术
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煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室二零一二年七月1 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2.1 瓦斯富集的地质规律影响煤层气(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2.2煤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2.3构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3 煤层气(瓦斯)地震勘探3.1煤层气(瓦斯)地震勘探的目的现行的煤田地震勘探技术主要是利用反射波的运动学特征来解决构造问题，而煤层气(瓦斯)地震勘探属于岩性地震勘探的范畴在影响瓦斯突出的5个主要地质因素中，利用地震资料和其它地质资料可以查明落差大于5m的断层及其它构造分布、煤层埋藏深度、煤层的倾角和露头位置但是，不能对构造煤的分布、煤层和围岩的透气性做出评价瓦斯作为气体，如果要在煤层中储存和运移，那么煤层及其顶底板中就必须要有相互联通的裂隙裂缝总之，裂隙裂缝的存在是瓦斯存在的必要条件，也是搞清构造煤发育区、煤层瓦斯富集带的关键。
煤层气(瓦斯)地震勘探的目标是利用地震波运动学和动力学特征来研究煤岩层岩性，查明煤层及顶板中裂隙裂缝发育的方向和密度(煤体破坏程度)，查明与瓦斯突出相关的构造煤发育区和煤层瓦斯富集带，为煤层气开发和瓦斯治理提供地质依据3.2煤层气(瓦斯)地震勘探的特点利用国内外油气勘探的成功经验并结合煤层气(瓦斯)地震勘探的任务，提出利用“两个理论、四项技术”来指导煤层气(瓦斯)地震勘探两个理论是双相介质理论和各向异性介质理论，四项技术是地震属性技术、AVO技术、方位各向异性技术和地震反演技术4 煤层气(瓦斯)地震勘探理论4.1双相介质理论双相介质理论认为地下介质是由固体骨架和充填在骨架空隙中的流体(气体和液体)组成煤层与煤层瓦斯是一种典型的(固相+流相)双相介质今天，煤田地震勘探的基本理论和方法是建立在单相(固相)介质的基础上，已经不能完全解决煤层气(瓦斯)地震勘探中的弹性波传播问题与单相介质理论相比，双相介质理论更接近于实际因此，研究双相介质中弹性波的传播规律，对于指导煤层气地震勘探有着重要的意义煤储层是典型的双相介质，与单相介质相比，地震波在双相介质中传播后，各个频率成分的能量分布发生了变化，主要表现为地震波能量向低频方向移动。
产生这一现象的主要原因是：双相介质中固体颗粒与空隙中流体(气体)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，即地震波场的动力学特征发生了变化这种地震波场动力学特征的变化为预测瓦斯富集带提供了理论基础4.2各向异性介质理论各向异性现象在地球介质中是普遍存在的广义上讲，当介质的物理性质在同一点随方向发生变化时，则认为介质是各向异性介质弹性波在各向异性介质中的传播与在各向同性介质中的传播具有不同的规律，它们满足不同的传播方程，具有不同的波形、相速度、群速度、极化方向特征在地震勘探中，各向异性是指在地震波长的尺度下介质弹性特征随方向发生变化在各向异性介质中，P波速度随入射角与地层裂隙方位角而变化，界面上的反射系数随入射角、地层裂隙方位及各向异性有关，即地震属性(如速度、振幅)随波传播方向的变化而变化而在各向同性介质中，则不具有这一特点因此，通过研究P波方位地震属性特征，可以研究地层的各向异性系数及裂隙发育密度煤与瓦斯突出与地质因素密切相关，大多数瓦斯突出都发生在地质构造破坏带瓦斯作为气体在煤层中储存和运移，那么煤层及其顶底板中就必须要有相互联通的裂隙裂缝总之，裂隙裂缝的存在是瓦斯存在的必要条件，也是搞清构造煤发育区和煤层瓦斯富集带的关键。
裂隙裂缝介质的性质可以用各向异性介质理论进行解释，而传统的煤田地震勘探理论与方法只研究各向同性介质大量的研究工作和观测数据表明，含裂隙裂缝介质的性质可以用双相介质理论和各向异性介质理论进行解释5 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5.1瓦斯富集带的地震响应煤层反射波中含有大量地震信息，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5—1图5—1 瓦斯富集带地质模型瓦斯富集带模型所用参数见表5—1，模型参数建立在实测数据的基础上表5—1 瓦斯富集带地质模型参数Model岩性VpVshMedia 1泥岩317015852.360.333100Media 2砂岩360121722.5620.21450Media 3泥岩317015852.360.33320Media 4原生煤240012601.50.316Media 5构造煤6501961.250.456Media 6砂岩360121722.5620.21430Media 7灰岩420922732.380.294100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5—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5—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5—4是模型3的理论地震记录从图5—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5—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5—2 模型1的理论地震记录图5—3 模型2的理论地震记录图5—4 模型3的理论地震记录从图5—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5—5至图5—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5—42) 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5—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5—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5—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图5—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5—7图5—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5—8图5—8 煤层底板反射波的相位5.2 应用实例——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5—9。
图5—9 新景煤矿芦南二区3煤层瓦斯突出点位置(局部)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5—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5—10 新景煤矿芦南二区三维地震资料解释区域图5—11是北三正巷(Inline2637线)的地震剖面，图5—12是北三副巷(Inline 2642线)的地震剖面，图5—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图5—11 新景煤矿芦南二区北三正巷(Inline2637线)地震剖面图5—12 新景煤矿芦南二区北三副巷(Inline2642线)地震剖面图5—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5—14。
从T3波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5—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 (a) 振幅 (b) 相似性 (c) 主频 (d) 主频带能量(e) 平均频率相位图5—14 新景煤矿芦南二区T3波的地震属性6 AVO技术AVO是振幅随偏移距变化(Amplitude Variation with Offset)的英文缩写，AVO技术是利用反射系数随入射角变化的原理，在叠前道集上分析振幅随偏移距变化的规律，估求岩石的弹性参数、研究岩性、检测油气的重要技术。
该技术自20世纪80年代问世以来，在油气勘探中不断发展，特别是在提高天然气勘探成功率方面发挥了重要作用6.1 AVO技术的理论基础AVO技术的理论基础就是Zoeppritz方程及其简化的思路，Zoeppritz方程的矩阵乘积形式是(6-1)式中，RPP为纵波的反射系数，RPS为横波的反射系数，TPP为纵波的透射系数，TPS为横波的透射系数6.1.1 Aki和Rechards近似方程由于Zoeppritz方程的矩阵乘积形式不直观，Aki和Richards(1980)给出了其解析表达式 (6-2)令；；，即Aki和Richards三项公式 (6-3)式(6-3)中第一项中不包含横波，即令这就是垂直入射时的纵波反射系数，同波阻抗差成正比式(6-3)中第二项包含横波信息，称之为适中角入射项，即入射角在0°<30°时起主要作用式(6-4)中第三项称为广角入射项，即当入射角较大(30°)时，此时增加较快，不能忽视6.1.2 Shuey近似方程Shuey(1985)近似公式是在Aki和Richards近似公式的基础上发展出来的 (6-4)式中，为垂直入射时的纵波反射系数；为与岩石纵、横波速度和密度有关的项。
6-4)式表明，弹性界面上产生的反射纵波振幅与成线性关系由直线截距构成的P剖面表示法线入射的零炮检距剖面，由梯度或斜率构成的G剖面的物理意义不直观当时，，，把它们代入，得到 (6-5)(6-4)式表明，在界面两侧介质波阻抗不变条件下，泊松比差对反射振幅随入射角的变化影响很大，越大振幅随入射角的变化也越大当地层中含气时，明显地降低了岩石的纵波速度，而横波速度则相对保持不变，即其泊松比明显下降，从而导致界面两侧介质的泊松比差相应增加6.2 煤层模型的AVO反演6.2.1煤层模型根据表6—1中的煤层及其顶底板物性参数(张爱敏, 1997；郭德勇, 1998；吕少林, 1998)，设计了煤层模型，如图6—1所示表6—1 煤层及其顶底板岩性参数岩性Vp(m/s)Vs(m/s)r(g/cm3)s原生煤I24001259.41.5000.310原生煤II196010901.3900.276构造煤I1500681.391.3500.370构造煤II(软分层)650194.981.2500.450泥岩317015852.3600.333砂岩360121722.5620.214在煤层模型中，煤层埋深为500m，煤层厚度为5m，顶底板岩性均为砂岩，Inline线号为68~126，Crossline线号为34~165，CMP面元为5m*5m。
煤层中的四个区域分别为原生煤Ⅰ、原生煤Ⅱ、构造煤Ⅰ、构造煤Ⅱ(软分层)，其它区域均为原生煤Ⅰ 图6—1 三维煤层模型6.2.2 AVO正演计算根据煤层模型进行了AVO正演计算选用50Hz的零相位雷克子波，子波长度为100ms，采样间隔为1ms，最小偏移距为0m，最大偏移距为1000m，入射角与反射系数的关系利用Zoeppritz方程，根据射线追踪方法进行了AVO正演计算，得到三维AVO正演数据体图6—2为Inline110线的叠加剖面，煤层反射波为一复合波，煤层顶板表现为负相位，底板表现为正相位该线从左到右穿过原生煤Ⅰ和构造煤Ⅱ，由于构造煤Ⅱ的纵波速度很低，与围岩波阻抗差异变大，故原生煤的反射能量弱于构造煤的反射能量，原生煤的纵向分辨率也低于构造煤的纵向分辨率图6—2 Inline110线的叠加剖面6.2.3 基于Aki和Richards近似公式的AVO反演Aki和Richards近似公式(6-3)的反演参数是A值、B值和C值以三维AVO正演数据体作为输入进行AVO反演，可以得到A、B、C三个数据体在三个数据体中，分别沿着煤层反射波进行AVO属性提取，可以得到三个煤层岩性切片，见图6—3。
利用岩性切片，可以清楚地区别煤体结构类型a) A值切片 (b) B值切片 (c) C值切片图6—3 Aki和Richard近似公式的AVO反演结果定量分析表明，煤体结构破坏程度越高，A、B、C值的绝对值越大，特别是B值，在软分层处尤为明显6.2.4 基于Shuey近似公式的AVO反演Shuey近似公式建立在Aki和Richards近似方程的基础之上，只是更加突出了泊松比的影响，其P值与G值的物理意义基本上与Aki和Richards近似方程中的A值和B值相同以三维AVO正演数据体作为输入进行AVO反演，可以得到截距(P值)和梯度(G值)数据体 (a) P值切片 (b) G值切片 (c) P*G值切片 (d) 值切片图6—4 Shuey近似公式反演出的煤层顶板切片在P、G数据体中，沿煤层反射波进行AVO属性提取，得到P值切片和G值切片，如图6—4(a)、(b)所示通过对P、G数据体进行组合，还可以得到碳氢检测因子切片和泊松比变化率切片，如图6—4(c)、(d)所示。
定量分析表明，梯度和泊松比变化率是直接与煤体结构有关的AVO属性，特别是后者具有明确的物理意义，因此适合做AVO异常解释煤层模型的AVO反演研究表明，可以将Aki和Richards近似公式AVO反演得到的B值数据体、Shuey近似公式AVO反演得到的G值和值数据体，作为AVO解释的基础6.3应用实例——张集煤矿西三采区6.3.1 AVO反演流程张集煤矿西三采区三维地震资料经过相关的AVO处理后，对13-1煤层进行了AVO反演，其流程图见图6—5测井资料建立单井AVO记录AVO可行性分析预处理后的叠前共中心点AVO道集目标层位标定宏面元编辑剩余动校正抽取角度道集不符合要求计算AVO中的P、G等属性值AVO道集线性拟合调整拟合角度范围生成P、G或泊松比等各种剖面和数据体进行AVO分析解释预测煤层气富集情况建立时间速度模型图6—5 AVO反演流程6.3.2基于Aki和Richards近似公式的AVO反演利用Aki和Richards近似公式对叠前地震资料进行AVO反演，得到A值、B值和C值三个数据体图6—6为Inline115线的A值、B值和C值剖面A值反应了纵波阻抗反射系数，在煤层处表现为高值；B值加入了横波信息，对煤层岩性的反应变得更加敏感；C值为广角入射项的反应，通常煤田地质资料没有广角反射信息，因此C值较小，基本可以忽略。
由AVO正演结果可知，煤体结构破坏程度越高，A值、B值和C值得绝对值越大，特别是B值，在软分层处反应明显为了对比AVO反演结果，沿着煤层反射波向下开一个10ms的时窗，取时窗内的属性平均值，得到各个属性体的沿层切片，如图6—7所示 (a) A值剖面 (b) B值剖面(c) C值剖面图6—6 Inline115线AVO反演属性剖面 (a) A值切片 (b) B值切片 (c) C值切片图6—7 煤层反射波的AVO反演属性切片图6—7(a)为煤层反射波的A值切片，代表纵波反射情况，在大的断层处反应明显，对于煤层内部岩性变化则反应不佳图6—7(b)为煤层反射波的B值切片，由于B值加入横波信息，故能较好的突出煤层岩性的变化，黄色区域为高值，可以认为是煤体结构较为破碎的区域，即煤层气潜在富集区图6—7(c)为煤层反射波的C值切片6.3.3 基于Shuey近似公式的AVO反演利用Shuey近似公式对叠前地震资料进行AVO反演，得到P值和G值两个数据体P值剖面又称为截距剖面，可以近似的理解为零偏移距剖面，图6—8(a)为Inline115线的P值剖面，相对于围岩而言煤层的P值较大，在地震剖面上反应明显，这也是煤层与围岩的纵波阻抗差异较大的缘故。
G值剖面又称为梯度剖面，反应了振幅随偏移距的变化情况，由于综合考虑了纵横波速度的变化因素，对煤层岩性的横向变化反应突出图6—8(b)为Inline115线的G值剖面，相对于P值连续性变差，但对于局部异常反应明显，其中在井6-7-6附近表现为相对高值图6—8(c)为P*G值剖面，在煤层附近反应强于围岩，连续性较差，其中在井6-7-6附近表现为相对高值图6—8(d)为值剖面，相对于围岩而言，在煤层处局部反应明显，连续性较差，在绝对值高值处说明此处泊松比变化剧烈a) 截距(P值)剖面 (b) 梯度(G值)剖面 (c) P*G剖面 (d) 泊松比变化率剖面图6—8 Inline115线AVO反演属性剖面为了研究各个AVO属性在煤层的横向展布情况，对各个AVO反演属性数据体沿煤层反射波向下开10ms时窗，取其平均值做沿层切片，见图6—9煤层P值展布情况见图6—9(a)，横向变化并不明显，只在大断层处有较为突出的异常图6—9(b)为煤层G值切片，反应了煤层岩性的横向变化，煤体结构越破碎，G值就越大，图中可以明显的看到高值异常，黄色区域可以解释为煤层气潜在富集区，绿色则稍微次之。
图6—9(c)为P*G切片，没有明显的异常区域，部分高值大体分布在断层和工区边界，对于煤层气富集区域的解释作用不大图6—9(d)为值切片，由P值和G值组合而来，具有较为明显的物理意义，反应了煤层泊松比的变化情况图中对于破碎煤体有较为明显的高值异常，即黄色区域，其次为绿色区域 (a) P值切片 (b) G值切片 (c) P*G值切片 (d)值切片图6—9 煤层反射波的AVO反演属性切片综上所述，不同煤体结构煤的泊松比随煤的裂隙或破碎程度升高而增大，这又导致反射界面两侧泊松比差随煤的裂隙或破碎程度升高而增大，这些最终导致地震波振幅随偏移距增加而变化的梯度因此，梯度是比较直接与煤体结构有关的AVO属性另外泊松比的变化率也具有直接的物理意义，并且反应明显，也适合AVO异常解释因此，选择G值和值作为对瓦斯富集敏感的AVO属性，有充分的地球物理依据6.3.4 AVO异常综合解释煤层模型和实际地震资料的AVO反演研究表明，可以将Aki和Richards近似公式AVO反演得到的B值数据体、Shuey近似公式AVO反演得到的G值和值数据体，作为AVO解释的基础。
这三个值具有明显的AVO物理意义，对AVO异常的反应较为突出煤层中AVO异常对应了煤体结构的破坏程度，同时还需要结合地质资料，利用地质规律进行综合解释图6—10为13-1煤层的AVO异常综合解释结果，其中黄色区域为AVO异常图6—10 煤层的AVO异常解释7 方位各向异性技术7.1 基本原理目前，国内外学者对于利用反射P波进行裂隙发育密度预测做了大量的研究工作，并且通过裂缝介质中地震P波的波场特征物理模型研究和数学模拟计算，表明反射P波对于裂隙性地层所表现出的方位各向异性特征很敏感Manlike(1998)指出反射P波在通过裂隙性介质时，在固定炮检距的情况下，反射波的振幅、速度、频率等属性可表示为 (7-1)式中，是炮检方向相对于裂缝走向的取向角；A是与偏移距有关的偏置因子；B是与偏移距和裂隙特征有关的调制因子；是P波地震属性(振幅、速度、频率等)的方位各向异性特征通过研究发现：裂隙的密度越大，B/A值越高图7—1中A值固定、B值变化，观察地震属性与方位的变化关系可以发现当B/A较小时，方位属性特征不明显，基本上近似水平状态，如图7—1(a)所示；当B/A值大于0.1时，方位属性特征有明显变化，基本成余弦函数关系，如图7—1(b)、(c)所示。
在实际应用过程中，B值和A值有时取正有时取负，所以B/A值也有正负当B/A值为负时，方位属性特征同样产生变化，仅仅是变化方向不同，如图7—1(d)所示因此，通过计算B/A的值可以用来预测裂隙发育的相对密度检图7—1 B/A值与方位的关系7.2 实现方法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) 从6~12个方位偏移数据体中提取与岩溶裂隙密度有关的地震属性参数；(5) 对方位偏移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；(6) 根据(7-1)式，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预测裂隙发育带的方法流程如图7—2所示利用计算得到的B/A值和来描述裂隙的密度和方位角，当B/A处于高值时，认为该处裂隙发育较好；当B/A处于低值时，认为该处裂隙发育较差。
图7—2 裂缝发育带预测流程7.3 应用实例——新景煤矿佛洼区利用阳煤集团新景煤矿佛洼区的三维地震P波资料进行处理和解释，目的层为3煤该区资料采用的观测系统为8线5炮线束状观测系统，中点激发，CMP面元为5m×10m，覆盖次数20次(横4×纵5)，各方位的偏移距和覆盖次数不均匀，如图7—3所示因此，为使各方位角信息均匀化，抽取方位角道集时按照、、、抽取了4个方位角道集最后处理得到4个方位偏移数据体，图7—4给出4个偏移数据体的Inline170线剖面图7—3 观测系统的方位信息 (a) (b) (c) (d) 图7—4 不同方位偏移数据体的Inline170线剖面从4个方位偏移数据体中，提取了T3波(对应3煤层)的4种地震属性，包括主频、主频带能量、相似系数和振幅利用4种地震属性，根据式(5-1)得到四个方程组 (7-2)其中，表示第j个方位的第i种地震属性值，、分别表示第i种地震属性的A、B值；用各方位偏移数据体方位角范围的中值近似，分别为，，，。
解此方程组分别获得各属性的B/A值，得到煤层裂隙的发育密度结果，见图7—5其中，图7—5(a)为利用主频所得结果，图7—5(b)为利用主频带能量所得结果，图7—5(c)为利用相似系数所得结果，图7—5(d)为利用振幅所得结果然后针对各地震属性的可靠性与准确性，按照一定的权重对4种地震属性进行融合，即综合利用4种地震属性对煤层裂隙发育程度进行预测，并再次根据式(7-1)得到式(7-2)的方程组，解方程组获得最终预测成果B/A值，图7—5(e)为综合地震属性预测结果，其中红线表示煤层裂隙发育密度较高图7—5中统一利用紫色表示裂隙发育相对密度较高的区域 (a) 主频 (b) 主频带能量 (c) 相似系数 (d) 振幅(e) 综合地震属性图7—5 3煤层裂隙发育密度预测结果图7—6 T3波时间等值线新景煤矿佛洼区为接续采区，尚未开采，故缺少实际钻孔等地质资料验证，但将图7—5(e)与图7—6对比后可以发现，煤层裂隙发育密度较高的区域与褶曲轴部基本相同，符合地质规律，从另一方面验证了裂隙预测的可靠性。
8地震反演技术地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，是一门集地震、测井、地质、计算机等多学科的综合地球物理勘探技术地震反演技术是根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件，对井旁地震资料进行约束反演，并在此基础上对孔间地震资料进行反演，推断煤系地层岩性在平面上的变化情况，这样就把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来，实行优势互补，大大提高三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度，在煤矿深部安全开采中发挥重要作用煤田地震反演工作起步较晚，处在叠后地震反演的研究和初步应用阶段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8.1叠后(波阻抗)反演8.1.1 基于模型的地震反演方法基于模型地震反演的基本原理是建立在地震记录褶积模型基础上实质就是从测井资料出发，根据钻井分层数据及时深关系对井进行精细时深标定，建立一个初始波阻抗模型，用此模型合成地震剖面与实际地震剖面作比较，然后不断修改模型，使合成剖面最佳地逼近实际剖面，得到最终的地质模型基于模型的地震反演流程见图8 —1，其基本步骤为：图8—1 基于模型的地震反演流程(1) 模拟测井资料的处理对模拟测井资料其进行数字化处理。
由于每一口井的位置及其它干扰因素的存在，每条测井曲线的值存在较大的差异因此，要根据每口井的柱状图及实际物性参数对每口井进行归一化处理，再由测井资料计算出岩层的反射系数序列2) 层位解释将地震数据进行常规的处理以后，要进行精确的层位解释，层位是建立模型的基础，层位解释的精确与否直接影响着模型的精度3) 子波提取合成记录的制作以及下面的反演运算中都要用到子波，子波的提取是重要的一环4) 合成记录制作及层位标定将子波与反射系数序列进行褶积得出合成记录，然后将合成记录与地震记录进行精确的标定，标定的结果是拉伸或压缩了井曲线5) 模型建立与修正首先通过地震资料进行层位解释，制作合成记录，对每口井与井旁地震道做层位标定；并以层位解释为控制，从井点出发，将测井数据外推内插，在三维空间的每一个点建立初始模型这个过程实际上是把横向上连续变化的地震界面信息，与垂向上具有高分辨率的测井信息相结合的过程6) 地震反演利用子波和初始模型进行地震反演，通过不断地修改初始模型，使合成剖面最佳逼近实际地震剖面利用STRATA三维地震反演系统对新景煤矿三维地震数据体进行地震反演处理，获得波阻抗数据体7) 岩性解释利用岩性信息解释构造煤的分布与厚度。
8.1.2应用实例——新景煤矿保安区1. 构造煤的测井响应地震反演目的是圈定15煤层中构造煤发育范围，根据新景煤矿保安区的测井资料统计，构造煤的测井响应表现为：(1) 视电阻率明显低于正常煤；(2) 密度与正常煤相差无异或稍微小于正常煤；(3) 构造煤与正常煤在自然电位及自然伽马测井未表现出差异，或差异很小见图8—2构造煤 图8—2 3-155井15煤层的测井响应图8—2中红色曲线为视电阻率曲线，青色曲线为自然伽马曲线，蓝色曲线为密度曲线，洋红色曲线为自然电位曲线在3-155井附近，15煤层下部的密度曲线没有明显变化，而视电阻率却表现为低值，推断为构造煤发育区2. 测井曲线重构叠后地震反演主要应用基于测井约束的波阻抗反演技术，需要反演目标体的波阻抗存在差异但是，构造煤波阻抗与正常煤波阻抗无明显差异，而视电阻率存在差异因此，需要使用测井曲线重构方法，将视电阻率曲线与密度曲线相融合，把视电阻率曲线中的岩性信息融合到密度曲线中，形成拟密度曲线，并计算出拟速度曲线，然后进行拟波阻抗反演，识别与圈定构造煤发育带测井曲线重构前后的密度曲线如图8—3所示构造煤 (a) 实测密度曲线 (b) 重构后的拟密度曲线图8—3重构前后的密度曲线3．三维地震资料反演处理新景煤矿保安区共有41个钻孔，根据钻孔的分布位置及测井资料的可利用性，地震反演中选取了其中的23个钻孔，见图8—4。
测井曲线重构后，利用正常煤与构造煤在拟密度上具有较大的差异，选用拟密度测井曲线作为约束条件进行波阻抗反演，提高了构造煤——正常煤边界的分辨能力，较好地解决了构造煤发育的问题 图8—4 保安区钻孔分布图4. 典型地震反演剖面图8—5是3-155井的常规地震剖面和拟波阻抗反演剖面的对比图，图8—6是过3-174井和3-175井的连井地震剖面对比图常规地震剖面只能反映界面信息，对应15煤层的反射波(T15波)信噪比较高，能够连续追踪，但无法区分正常煤层与构造煤反演(拟波阻抗)剖面能够反映地层信息，具有更高的纵向分辨率，根据波阻抗值的大小可以分辨正常煤层(黄色和浅绿色)和构造煤(深绿色)8煤15煤3煤(a) 常规地震剖面8煤15煤3煤(b) 反演(拟波阻抗)剖面图8—5 3-155井的地震剖面对比8煤15煤3煤(a) 常规地震剖面15煤8煤3煤(b) 反演(拟波阻抗)剖面图8—6 连井地震剖面对比5. 三维地震反演结果解释构造煤发育带经测井曲线重构后，正常煤层与构造煤的拟波阻抗差异较大，正常煤层的拟波阻抗值在3500~5000之间，构造煤的拟波阻抗值在2000~3500之间。
因此，利用地震反演结果——拟波阻抗差异可以区分正常煤层与构造煤由新景煤矿保安区测井资料可知，15煤层的构造煤主要分布在煤层中的中下部位因此，以T15波上方3ms处为中心，选择时窗大小为3ms，利用均方根拟波阻抗值来划分构造煤发育范围，见图8—7图8—7 保安区15煤层拟波阻抗反演切片在15煤层拟波阻抗反演切片中，红色代表高波阻抗，其值大于5000，对应非煤层(主要是受构造影响)；黄色、浅绿色区域代表较高波阻抗，其值在3500~5000，对应正常煤层；绿色、深绿色区域代表较低波阻抗，其值小于3500，对应构造煤发育带；红线所圈定的深绿色区域推测为构造煤发育带同时，利用岩性反演方法获得了15煤层孔隙度反演切片，见图8—8图8—8中，浅绿色代表低孔隙度，对应正常煤层育；红色和黄色代表高孔隙度，对应构造煤发育；蓝线所圈定区域推测为构造煤发育带区从以上两图可以看出，孔隙度反演切片所圈定的高孔隙度区与拟波阻抗反演切片所圈定的低波阻抗区基本一致，从另一个角度验证了构造煤的发育范围利用测井资料所获得的构造煤厚度信息和地震反演资料所获取的构造煤(双程时间)厚度信息，可以计算出15煤层构造煤厚度图，见图8—9。
图8—8 保安区15煤层孔隙度反演切片图8—9 保安区15煤层构造煤厚度图8.2叠前(弹性波阻抗)反演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AI(Acoustic Impedance)，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AVO问题获得的叠加(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AI Connolly(1999)提出了弹性波阻抗反演方法，它是一种利用不同炮检距的AVO信息的叠前波阻抗反演方法为了充分利用AVO信息，构造了一种类似与声波波阻抗AI的弹性波阻抗EI(Elastic Impedance)，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EI，相对于声波波阻抗AI，弹性波阻抗EI更有利于岩性分析8.2.1 弹性波阻抗的数值模拟为了验证弹性波阻抗(EI)反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(EI)正演模拟研究，物性参数见表8—1表8—1 煤层及其顶底板物性参数岩 性(m/s)(m/s)(g/cm3)sσ(Gpa)(Gpa)(Gpa)(Gpa)原生煤I24001259.41.5000.3103.8822.3795.8233.569原生煤II196010901.3900.2762.0371.6512.8312.295构造煤I1500681.391.3500.3701.7850.6262.4100.939构造煤II650195.981.2500.4500.4410.4750.5510.594泥岩(煤层底板)317015852.3600.33311.8595.92813.99027.987砂岩(煤层顶板)360121722.5620.2149.04912.08630.96423.183模型1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II又称作软分层，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EI值归一化到AI范围之后，得到的四个模型的正演计算结果如图8—10所示从图8—10中可以获得以下结论：(1) 在煤层上非零入射角度的EI量值均比普通的AI值要低，即EI对煤层的反应更敏感；(2) 18°入射角的EI值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EI值逐渐变小，在模型4的上甚至出现负值 (a) (b) (c) (d)图8—10 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 (8-1)式中，EI为归一化之后的量值在7°时，煤层的EI量值与相应的AI量值相差不大，因此在确定P时，一般使用归一化之后的18°的EI值计算，即 (8-2)从模型1到模型4，P值依次为0.34，0.59，0.87，9.2。
由此可以看出P在指示构造煤(尤其是软分层)方面具有独特的优势8.2..2 应用实例——张集煤矿西三采区通过对淮南张集煤矿西三采区三维地震数据进行AI反演和EI反演，获得常规AI以及EI(18°)两种数据体，并对13-1煤层得构造煤分布进行了预测及解释1. 剖面分辨率的提高EI计算中融合了横波信息，而且加入了入射角度的影响，因此与AI相比，EI对岩性异常的探测能力更加灵敏以Inline115线的反演剖面为例，图8—11(a)为常规AI反演剖面；图8—11 (b)为18°入射角的EI反演剖面经对比不难发现，18°入射角EI反演剖面的分辨率比AI反演剖面有明显提高a) 常规AI反演剖面(b) 18°入射角的EI反演剖面图8—11 Inline115线反演剖面分辨率对比2. 切片解释图8—12为沿13-1煤层的波阻抗切片，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EI反演对高波阻抗岩性(如夹矸)探测更灵敏 (a) AI反演 (b)18°入射角EI反演图8—12 13-1煤层波阻抗切片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8—13为13-1煤层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图8—13 13-1煤层的P值切片8.3叠前(同步)反演同步反演(Simutaneous Inversion)方法是从叠前角度道集地震资料出发，借助密度与纵波阻抗ZP、纵波速度VP与横波速度VS之间的线性关系进行约束，最终能同时获得多种岩石物性参数的一种新型反演方法8.3.1解释方法同步反演能产生6种物性数据体，即纵波速度体、横波速度体、密度体、纵横波速比体、纵波阻抗体和横波阻抗体对这些物性数据体进行相应的数学变换可以建立对岩性反应更灵敏的指示因子，其中LMR变换就是最常见的变换之一LMR变换是Lamda-Mu-Rho(即)变换的简称，指的是通过输入纵波阻抗ZP体与横波阻抗ZS体获得与两个数据体的过程从VP与VS的定义公式出发，可得 (8-3) (8-4)体积模量与拉梅系数存在以下转换关系 (8-5)根据与，对(8-3)与(8-4)两式进一步化简整理，得到 (8-6) (8-7)其中与(简称LR和MR)对岩性的变化反应很灵敏，是岩性分析重要的岩性指示因子。
如表8—1数据所示，构造煤在岩性指示因子LR和MR上均呈现低值反应，与原生煤及煤层顶底板的岩性指示因子LR与MR值具有显著不同，这是利用岩性指示因子LR和MR解释构造煤的岩石物理基础8.3.2 应用实例——张集煤矿西三采区通过对淮南张集煤矿西三采区三维地震数据进行同步反演，并对13-1煤层的构造煤分布进行了预测及解释对同步反演成果进行LMR变换，得到13-1煤层的岩性指示因子LR切片和MR切片，见图8—14根据表8—1所示的物性参数，在构造煤的解释工作中可以将LR2Gpa与MR1Gpa作为构造煤II的判断标准图8—14(a)为LR切片，图8—14(b)为MR切片两种切片采用了相同的色标进行显示，绿色表示低值，因此构造煤发育区域应为绿色显示根据图8—13中P值信息确定的5个构造煤发育区域(A、B、C、D、E)，见图中红圈在LR切片与MR切片上，B、D、E三区具有LR2Gpa与MR1Gpa的特点，符合表8—1所示的构造煤II物性特征；而A、C两区为LR>2Gpa与MR>1Gpa，不具有构造煤II的物性特征a) LR切片 （b）MR切片图8—14 13-1煤层的LR切片与MR切片根据同步反演解释成果确认了B、D、E三区为构造煤发育区。
9 结论(1) 常规煤田地震勘探主要解决构造问题，其理论基础为均匀各项同性介质弹性波传播理论，主要技术为基于CMP道集的水平叠加技术2) 煤层气(瓦斯)地震勘探属于岩性地震勘探的范畴，根据煤层气(瓦斯)地震勘探的目标、任务和特点，提出了利用“两个理论、四项技术”来指导煤层气(瓦斯)地震勘探工作两个理论是双相介质理论和各。
