AVO反演技術(shù)在煤層頂板砂巖水預(yù)測中的應(yīng)用

王瑞杰

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

AVO反演技術(shù)在煤層頂板砂巖水預(yù)測中的應(yīng)用

王瑞杰

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

礦區(qū)煤層上覆砂巖水是制約煤礦高效、安全生產(chǎn)的重要因素。某井田3#煤層頂板110m范圍內(nèi)主要發(fā)育3套砂巖，其中K10砂巖賦存厚度較大，形態(tài)較為復(fù)雜，查明其賦水狀態(tài)對開采下伏煤層極為必要。依據(jù)AVO技術(shù)對流體信息敏感的理論，對該煤礦K10砂巖的含水性進(jìn)行研究：首先抽取宏面元道集進(jìn)行疊加，進(jìn)而提取截距(P)、梯度(G)、橫波反射率、偽泊松比等AVO反演屬性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：由于宏面元內(nèi)砂巖信噪比較低，同時又缺少大炮檢距數(shù)據(jù)，致使反演的P值和G值數(shù)據(jù)體的信噪比也較低；相反橫波反射率及偽泊松比則對含水異常反映明顯。依據(jù)該結(jié)論對礦區(qū)煤層上覆砂巖含水性進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果顯示其上覆砂巖K10主要分布2個富水區(qū)域：一是研究區(qū)中部LACxxx井附近，另一個為研究區(qū)西北角C-xx井附近。

AVO反演；砂巖含水性；偽泊松比；橫波反射率；常村煤礦

0 引言

我國煤礦水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜，水害是僅次于煤礦瓦斯的危害，因此在煤礦開采過程中，水害事故嚴(yán)重制約著煤礦安全開采。砂巖含水層往往以靜儲量的形式賦存于不同級別、不同規(guī)模的裂隙內(nèi)。所以頂板砂巖水會對巷道和工作面的開采造成巨大影響，是煤礦安全生產(chǎn)的制約因素，隨著煤礦開采深度的不斷增加，頂板突水災(zāi)害越來越多，所以頂板砂巖水越來越受到重視。本文依據(jù)AVO技術(shù)對流體信息敏感的理論，對該煤礦K10砂巖的含水性進(jìn)行研究。AVO技術(shù)是一種根據(jù)振幅隨偏移距的變化規(guī)律所反映出的巖性、彈性參數(shù)及其孔隙流體的性質(zhì)來直接進(jìn)行巖性解釋和了解流體信息的地震勘探技術(shù)。巖石中的流體是影響AVO的重要因素，利用Gassmann方程對砂巖層進(jìn)行流體替換，計算含水砂巖和含氣砂巖的縱橫波速度，分析其變化規(guī)律，然后利用實際資料建立正演模型，并提取相應(yīng)的橫波反射率和偽泊松比進(jìn)行砂巖含水性分析，從而為頂板砂巖水的預(yù)測提供技術(shù)支持，為煤礦安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)意見。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層大區(qū)，山西地層分區(qū)，晉東南地層亞區(qū)。本文研究的煤層為二疊系下統(tǒng)山西組中下部的3#煤層，為全區(qū)可采煤層，厚度4.70～7.30m，平均為6.08m。

研究區(qū)內(nèi)3#煤層頂板110m范圍內(nèi)主要發(fā)育頂板砂巖、K8砂巖和K10砂巖，頂板砂巖厚度為0～7.5m，K8砂巖厚度為0～19.68m，K10砂巖為4.4～12m。3#煤層上覆砂巖尤其是K10砂巖的賦存狀態(tài)較為復(fù)雜，雖然砂巖在研究區(qū)內(nèi)較穩(wěn)定分布，但其橫向上的厚度變化仍然很劇烈。下面以K10砂巖為主進(jìn)行研究。

2 不同砂巖孔隙流體的巖石物理特征

建立砂巖層骨架正演模型，利用Gassmann方程對砂巖層進(jìn)行流體替換，然后對不同的孔隙流體即含氣砂巖、含油砂巖與含水砂巖的聲阻抗與彈性阻抗進(jìn)行交會分析(圖1)，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)砂巖孔隙流體不同時，聲阻抗值與彈性阻抗值有明顯的區(qū)別，孔隙流體不同時，在交會圖中我們可以很好的分辨出來。當(dāng)孔隙流體為氣時，聲阻抗值與彈性阻抗值最小，當(dāng)孔隙流體為水時，聲阻抗值與彈性阻抗值最大，而孔隙流體為油時，聲阻抗值與彈性阻抗值介于水與氣之間。由此可見聲阻抗值與彈性阻抗隨砂巖孔隙流體密度的增加而增大。

圖1 含水砂巖和含氣砂巖聲波阻抗與彈性阻抗交會圖Figure 1 Cross-plot of water-bearing, gas-bearing sandstone acoustic and elastic impedances

對含水砂巖和含氣砂巖的縱橫波速度進(jìn)行交會分析(圖2)?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂巖的骨架巖性一定時，砂巖中傳播的橫波速度即可以確定為定值。與橫波不同，當(dāng)砂巖中富含水時，其縱波速度較大；相反當(dāng)砂巖中含氣時，其縱波速度較小。由此可以計算得出，含氣砂巖的泊松比較小，而含水砂巖的泊松比較大。當(dāng)目的層圍巖是泥巖時，可以形成良好的反射界面，可以通過Zoeppritz方程和Shuey近似方程正演模擬含水砂巖和含氣砂巖的AVO特征。

3 3#煤層上覆砂巖含水性分析正演模擬

為了正演模擬含氣砂巖和含水砂巖的AVO特征，根據(jù)上文含氣砂巖和含水砂巖的巖石物理特征，建立如圖3所示的正演模型。

通Zoeppritz方程和Shuey近似方程，正演獲得如圖4所示的AVO曲線。圖中橫坐標(biāo)為P波入射角， 縱坐標(biāo)為P反射系數(shù)。對于含水砂巖來說， 其AVO為II類AVO(梯度為負(fù)，振幅隨偏移距的增加而增大或減小，且可改變極性)；對于含氣砂巖來說，其AVO為III類AVO(截距與梯度均為負(fù)，振幅隨偏移距的增加而增大)，兩者之間存在著明顯的差異。通過對比，不論砂巖是否含水，Shuey近似方程模擬AVO時的精度都較高。因此，可以利用由Shuey方程推導(dǎo)出的偽泊松比和橫波反射率等屬性預(yù)測砂巖的含水性。

圖2 含水砂巖和含氣砂巖縱橫波速度交會圖Figure 2 Cross-plot of water-bearing, gas-bearing sandstone P-wave and S-wave velocities

(a)含水砂巖 (b)含氣砂巖圖3 含水砂巖和含氣砂巖模型Figure 3 Water-bearing and gas-bearing sandstone models

(a)水飽和砂巖 (b)氣飽和砂巖圖4 含水砂巖和含氣砂巖模型Figure 4 Water-bearing and gas-bearing sandstone models

4 原始資料分析

在本研究區(qū)內(nèi)由于每層砂巖的厚度分布橫向上很不均勻。因此，砂巖反射波的能量都較弱，并且信噪比都較低，如圖5a所示。為了提高砂巖反射波的強度和信噪比，抽取宏面元道集，如圖5b所示。通過對比，發(fā)現(xiàn)宏面元道集的信噪比明顯高于原始道集，有利于AVO分析和反演。雖然宏面元的信噪比明顯高與原始道集，但在宏面元道集中，煤層上部砂巖層的反射波仍然較弱，不利于砂巖含水性的AVO分析。另一方面，由于觀測系統(tǒng)的影響，宏面元道集中淺部砂巖的最大炮檢距仍然較小，也不利于利用AVO信息預(yù)測砂巖含水性。

為了較宏觀地了解宏面元數(shù)據(jù)體中砂巖反射波的穩(wěn)定性，將宏面元道集進(jìn)行疊加，獲得如圖6所示的疊加數(shù)據(jù)體。通過提取K10砂巖的沿層反射波振幅，獲得如圖7所示的砂巖層反射波振幅平面分布。通過分析，K10砂巖在平面上的分布極不均勻。

5 反演預(yù)測砂巖含水性

對宏面元道集進(jìn)行AVO屬性分析，獲得如圖8所示的AVO截距P和AVO梯度G屬性數(shù)據(jù)體。由于在宏面元中，砂巖的信噪比比較低，并且缺少大炮檢距數(shù)據(jù)。因此，反演的P值和G值數(shù)據(jù)體的信噪比也較低。

為了分析K10砂巖段的含水性，提取對應(yīng)的AVO屬性進(jìn)行分析。對于K10砂巖來說，提取其相應(yīng)的AVO屬性，如圖9所示。對于富水性砂巖來說，其截距值較小，在圖9(a)中呈藍(lán)色的區(qū)域；其梯度較大，在圖9(b)中呈紅色的區(qū)域；其橫波反射率較小，在圖9(c)中呈藍(lán)色的區(qū)域；其偽泊松比較大，在圖9(d)中呈黃色區(qū)域。這些區(qū)域均可能是頂板砂巖水富集的異常區(qū)域。通過區(qū)內(nèi)鉆井LACXXX和井C-XX驗證了異常區(qū)域的頂板砂巖的富水性。而其它富含水區(qū)域位于工區(qū)邊界，地震數(shù)據(jù)的信噪比非常低，準(zhǔn)確度較低，所以不予考慮。

(a)原始道集 (b)宏面元道集圖5 原始道集與宏面元道集對比Figure 5 Comparison of original gather and macro surface element gather

圖6 50m×50m宏面元疊加剖面Figure 6 50m×50m macro surface element stacking section

圖7 3#煤頂板K10砂巖振幅平面分布Figure 7 Coal No.3 roof sandstone K10 amplitude plane distributions

(a)AVO截距P

(b)AVO梯度G圖8 AVO反演獲得的P值和G值數(shù)據(jù)體Figure 8 P and G data volumes from AVO inversion

(a) 截距P (b)梯度G圖9 K10砂巖AVO反演屬性圖Figure 9 Sandstone K10 AVO inversion attributes

(c) 橫波反射率 (d) 偽泊松比圖9 K10砂巖AVO反演屬性圖(續(xù))Figure 9 Sandstone K10 AVO inversion attributes

6 結(jié)論

通過建立AVO正演模型，本文發(fā)現(xiàn)可以利用由Shuey方程推導(dǎo)出的偽泊松比和橫波反射率等屬性預(yù)測砂巖的含水性，并通過有針對性的處理手段得到了可用的數(shù)據(jù)體，在此基礎(chǔ)上分析了研究區(qū)3#煤層上覆砂巖的含水性，得到了研究區(qū)頂板砂巖水的富集區(qū)域，并通過研究區(qū)中部井LACXXX和西北角井C-XX的驗證，評價結(jié)果可靠性較好。利用AVO反演技術(shù)預(yù)測煤層頂板砂巖水為煤礦頂板砂巖水的富集提供了立體物探預(yù)測手段，能客觀的反映了煤層頂板砂巖水層在空間上的變化規(guī)律及特點，為煤礦開采預(yù)防煤層頂板砂巖水提供強有力的技術(shù)手段。

[1]彭蘇萍,杜文鳳,苑春方,等.不同結(jié)構(gòu)類型煤體地球物理特征差異分析和縱橫波聯(lián)合識別與預(yù)測方法研究[J].地質(zhì)學(xué)報,2008,82(10).

[2]陳同俊,崔若飛,劉恩儒.構(gòu)造煤AVO特征及正演模擬研究[J].地球物理進(jìn)展,2008,23(5).

[3]張興平.高、低產(chǎn)煤層氣井AVO正演特征及其識別[J].中國煤炭地質(zhì),2011,23(6).

[4]李紅梅.AVO技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].油氣地質(zhì)與采收率,2002(6).

[5]鄭曉東. AVO理論和方法的一些新進(jìn)展[J].石油地球物理勘探,1992.

[6]毛洪章. AVO分析在碳酸巖地層中的應(yīng)用[J].石油物探,1998(4).

[7]李國林，等.AVO技術(shù)在濟陽坳陷淺層氣勘探中的應(yīng)用[J].石油物探,1996(2).

[8彭蘇萍.含煤地層振幅隨偏移距變化正演模型研究[J].科學(xué)通報,2005，50(增刊):1～7.

[9]竇龑，杜志先，高剛等.基于Gassmann方程流體替換的影響因素分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2015，30(5)：2150-2156.

[10]應(yīng)倩，鄧?yán)^新，劉建英.基于地震巖石物理的致密砂巖流體預(yù)測及研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2013，15(1).

ApplicationofAVOInversiononCoalRoofSandstoneWaterPrediction

Wang Ruijie

(Geophysical Prospecting Research Institute, CNACG, Zhuozhou, Hebei 072750)

The mine area coal overlying sandstone water is an important constraint factor impacting coalmine efficient and safe production. In a minefield, within 110m range from the coal No.3 roof has developed 3 sandstone layers, in which, the sandstone K10 has larger thickness with complicated configuration, thus to identify its water hosting status is extremely necessary during the mining of underlying coal seams. Based on the theory of AVO is sensitive to fluid information, carried out study on water-bearing property of sandstone K10 in the coalmine. Firstly pick up macro surface element gather carried out stacking, then extract AVO inversional attributes including intercept (P), gradient (G), S-wave reflectance, pseudo Poisson’s ratio etc. and carried out analysis. The result has shown that since the SNR of sandstone in macro surface element is rather low and lack of large offset data, result in inversional P and G data volumes lower SNR; contrary, S-wave reflectance and pseudo Poisson's ratio have obviously reflected water-bearing anomalies. According to the conclusion carried out mine area overlying sandstone water-bearing property prediction. The result has displayed that overlying sandstone K10 has 2 water-rich areas; one is near the central part well LACxxx, another near the northwest corner well C-xx in study area.

AVO inversion; sandstone water-bearing property; pseudo Poisson's ratio; S-wave reflectance; Changcun coalmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.13

1674-1803(2017)11-0065-06

A

國家“十三五”科技重大專項經(jīng)費資助項目(2016ZX05041002)、(2016ZX05043001)。

王瑞杰(1966—)，男，高級工程師，1987年畢業(yè)于西安長安大學(xué)(原西安地質(zhì)學(xué)院)。

2017-09-10

孫常長