基于三維地震頻率衰減屬性預測煤層瓦斯富集區(qū)
——以淮北蘆嶺煤礦Ⅲ102、Ⅲ106采區(qū)為例

田拴來

(中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

煤礦瓦斯突出致災是影響煤礦安全生產的主要問題之一，相關地質成果表明，在高瓦斯煤礦瓦斯涌出量隨著礦井生產煤量和開采深度的增加而增加，成為制約礦井安全、穩(wěn)產、高效的主要因素。

長期以來，業(yè)內專家、學者及煤礦技術工程人員，對煤體自身特征通過煤礦采區(qū)斷裂構造分布特征、不同煤體類型區(qū)域分布、發(fā)育特征、地應力分布特征、地球物理測井響應特征及煤樣實驗室分析等方面進行多方位、多角度的研究和認識煤體、特別是受構造破壞和影響的構造煤的研究取得豐富研究成果[1-14]，表明構造煤的存在是煤層瓦斯富集及瓦斯突出的一個必要條件，在此基礎上，相關地球物理專家、學者基于地震屬性多分析、反演技術對構造煤發(fā)育區(qū)地震波動彈特征進行了大量研究，并取得了可喜的成果，實踐證明，煤層瓦斯富集區(qū)與地震波的振幅、頻率、相位等基本屬性具有特殊的聯(lián)系，并以低頻共振、高頻衰減為特征，通過地震振幅強度、主頻能量、低頻帶能量、相位特征、波阻抗反演、AVO反演等手段進行構造煤識別的同時，綜合判斷分析作為瓦斯富集帶預測的依據[15-21]。

“低頻震蕩、高頻衰減”地震頻率衰減特征，往往用于典型的石油、天然氣(固相+流相)雙相儲層介質——規(guī)天然氣富集區(qū)檢測，效果顯著[22-23]，而煤層瓦斯富集區(qū)與固態(tài)煤系地層是一種典型的(固相+流相)雙相介質，能否通過煤層瓦斯富集區(qū)具有“低頻震蕩、高頻衰減”地震頻率衰減變化特征，預測煤層瓦斯富集區(qū)，這就是本文探索的目地。

1 頻率衰減屬性分析基礎

常規(guī)油氣富集區(qū)地震分析成果表明，地震波穿過雙相介質時，在固相和流向之間產生相對位移并發(fā)生相互作用，即地震波的振幅和相位發(fā)生變化，同時，地震記錄上具有更為明顯的 “低頻共振、高頻衰減”動力學特征；地震波在含氣儲層中傳播時往往導致地震波信號及能量的衰減，同時也伴隨頻率向低端偏移，地震波衰減的越大頻率向低端方向偏移也明顯，該技術往往用于烴類檢測。

煤層瓦斯富集與固態(tài)煤系地層也是一種典型的(固相+流相) 雙相介質，同理也應符合上述分析原則

2 頻率衰減屬性分析流程

①在研究分析區(qū)地震資料的主頻及頻寬的基礎上，基于目標儲層設定分析時窗，通過DFT離散傅立葉變換，生成頻率屬性體。

②基于頻率屬性體，計算目標層(或段)給定是時窗內道集頻率變化特征(頻率從低到高/或頻率從高到低)，計算時窗內道集頻率衰減斜率。

③提取目標層段頻率衰減斜率，生成頻率衰減斜率屬性圖。

④預測煤層瓦斯富集區(qū)。

分析流程詳見圖1。

圖1 三維地震頻率衰減分析流程Figure 1 Analysis flow of 3D seismic frequency attenuation

3 實例分析

3.1 分析區(qū)地質概況

淮北蘆嶺煤礦屬煤與瓦斯突出礦井，構造煤極為發(fā)育，一直制約礦井安全、穩(wěn)產、高效生產。根據瓦斯抽放井及生產區(qū)、掘進區(qū)、采空區(qū)瓦斯涌出量統(tǒng)計分析，瓦斯主要來源于主采8煤層。

蘆嶺煤礦地處淮北煤田東南緣宿東礦區(qū)，屬典型石炭—二疊系含煤地層。在地層區(qū)域劃分上，屬于華北地層區(qū)、魯西分區(qū)、徐宿小區(qū)，其巖性及厚度相對穩(wěn)定。在古老變質基底上，沉積有青白口系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系和第四系。

分析區(qū)主要含煤地層為二疊系的石盒子組和山西組。主要可采煤層為下石盒子組的7煤層、8煤層、9煤層和山西組的10煤層。

本次分析采區(qū)為Ⅲ102、Ⅲ106采區(qū)，面積約4.6km2。研究目地層8煤層平均厚度9.67m，屬穩(wěn)定煤層。8煤頂板主要為泥巖，細砂巖次之，底板為薄層狀砂質泥巖或泥巖，局部為細砂巖；受西寺坡滑動構造控制，構造煤極為發(fā)育,在8煤層中滑動構造形成的薄煤區(qū)或增厚帶，往往都是瓦斯高富集區(qū)，同時8煤薄化區(qū)因煤體強度降低，瓦斯富集而易引發(fā)煤、巖與瓦斯突出。對采區(qū)采掘所揭露的大量小斷層資料分析，蘆嶺煤礦8煤層中小斷層發(fā)育主要有如下特征:

①小斷層以正斷層為主;

②在中厚煤層中以落差小于煤厚的小斷層為主，在特厚的8煤層中滑動斷裂占主導地位;

③斷層面(帶)的力學性質均帶有扭的性質。斷層面上存在有多組擦痕和一層厚5～10mm的軟泥膜，光亮滑膩，封閉性較好;

④滑動構造面兩側多為瓦斯富集區(qū)[24]。

圖2蘆嶺煤礦某采區(qū)8煤層地質構造與瓦斯富集特征成果，佐證了上述成果。

3.2 分析區(qū)瓦斯突出特征

①淺部已發(fā)生的瓦斯突出或動力現(xiàn)象主要在溜煤眼揭煤時，以小型壓出或傾出為主，但隨著深度的增加，瓦斯壓力的增大，逐漸轉變?yōu)榈刭|應力為主導因素引發(fā)的大、中型煤、巖與瓦斯突出。

②突出多發(fā)生在地質構造較為復雜地帶，有1/3的突出點附近有小型構造存在。

③突出點均與構造煤相關聯(lián)即有軟煤分層存在，煤層的硬度系數(shù)較小。

④突出多發(fā)生在煤厚變化處，及因層滑引起的煤層變薄處。

⑤煤層厚度及變化對煤與瓦斯突出具有較大的影響。煤層厚度的大小與生成的瓦斯量多少有關。此外，厚煤帶還為瓦斯的儲集提供了場所。煤層厚度變化時，瓦斯絕對涌出量也呈明顯的正比例變化。

圖2 蘆嶺煤礦某采區(qū)8煤層地質構造及瓦斯突出特征Figure 2 Geological structure and gas outburst features of coal No.8 in a winning district, Luling coalmine

綜上所述，地質及構造特征的綜合作用主控了蘆嶺煤礦8煤層瓦斯富集與突出：

①滑動構造控制了分析區(qū)構造煤的發(fā)育，導致煤層急劇增厚與變薄，形成瓦斯高富集區(qū)場所；

②斷裂封閉性較好，導致滑動構造面兩側多為瓦斯富集區(qū)；

③煤層頂?shù)装鍘r性組合有利于煤層瓦斯的賦存。

3.3 分析區(qū)8煤層反射波動力學特征

分析區(qū)三維地震成果表明，主采煤層反射波頻率豐富、分辨率高，見圖3典型地震時間剖面圖，經三維地震多屬性分析，分析區(qū)8煤層反射波具有如下主要特征。

3.3.1 構造煤與非構造煤反射波主振幅差異性

圖4 為分析區(qū)內過構造煤不發(fā)育鉆孔(99-1)與構造煤發(fā)育鉆孔(2001-1、WLG05、L19)連井三維地震主振幅屬性分析剖面成果(分析時窗選取±8ms)，可見，構造煤不發(fā)育鉆孔部位具有高主振幅屬性特征，而構造煤發(fā)育鉆孔部位具有低主振幅屬性特征。

3.3.2 構造煤與非構造煤反射波主頻能量具有明顯差異性

圖5為分析區(qū)內過構造煤不發(fā)育鉆孔(99-1)與構造煤發(fā)育鉆孔(2001-1、WLG05、L19)連井三維地震主頻率屬性分析剖面成果(分析時窗選取±8ms)，可見，構造煤不發(fā)育鉆孔部位具有高主頻率屬性特征，而構造煤發(fā)育鉆孔部位具有低主頻率屬性特征。

大量分析成果表明：構造煤與非構造煤反射波不僅在煤層反射波主振幅、主頻能量地震屬性方面具有差異性，而且在其他動力學特征方面——反射波最大振幅屬性、波阻抗屬性等等也具有明顯的差異性[17]。

3.4 分析區(qū)構造煤發(fā)育區(qū)分析成果

圖6為基于地震PCA主成分屬性分析預測的Ⅲ102、Ⅲ106采區(qū)8煤層構造煤發(fā)育分布平面圖(參與PCA主成分分析地震屬性有5種：8煤層反射波振幅最大值， 8煤層主頻能量，8煤層反射波主振幅，8煤層反射波均方根振幅，8煤層反射波疊后波組抗反演屬性)。

圖3 分析區(qū)地震時間剖面Figure 3 Analyzing area seismic time section

圖5 分析區(qū)構造煤與非構造煤發(fā)育區(qū)8煤層反射波主頻率屬性特征Figure 5 Analyzing area tectonoclastic coal and non-tectonoclastic coal developed zones coalNo.8 reflection predominant frequency attribute features

圖6 分析區(qū)8煤層疊后多屬性融合主成分分析構造煤發(fā)育區(qū)成果圖Figure 6 Analyzing area coal No.8 poststack multi-attribute fusion tectonoclastic coal developed zone PCA results

圖7 過構造煤不發(fā)育區(qū)、構造煤發(fā)育區(qū)孔連井地震反射波頻譜分析Figure 7 Non-tectonoclastic coal developed, tectonoclastic developed zones cross well seismic reflection frequency spectral analysis

可見，構造煤不發(fā)育區(qū)(紅-黃色分布區(qū))，主要分布在PCA屬性高屬性值區(qū)域(即分析區(qū)北部)，構造煤發(fā)育區(qū)(黑-灰色分布區(qū))主要分布在PCA屬性低屬性值區(qū)域(即分析區(qū)南部及東部)，與區(qū)內8煤層構造煤發(fā)育鉆孔(綠色)及構造煤不發(fā)育鉆孔(白色)的分布特征吻合度較高，同時可見構造煤發(fā)育區(qū)與斷層發(fā)育分布特征具有較好的關聯(lián)性。

3.5 分析區(qū)頻率屬性分析

若對前述構造煤不發(fā)育孔(99-1)及構造煤發(fā)育孔(2001-1、WLG05、L19)連井地震反射波進行波頻譜分解，(見圖7)，可見，當調諧頻率較低時(30Hz)，構造煤不發(fā)育孔(99-1)處8煤層的能量特征與構造煤發(fā)育孔(2001-1、WLG05、L19)處的能量特征具有明顯的能量強弱變化，表現(xiàn)出構造煤不發(fā)育孔處8煤層能量弱，構造煤不發(fā)育孔處8煤層能量強；當調諧頻率增加到40Hz時，各鉆孔處8煤層振幅能量都得到加強；隨著調諧頻率增加到50Hz時，構造煤不發(fā)育孔處8煤層的能量增加，而構造煤不發(fā)育孔處的振幅值則表現(xiàn)出低、高頻能量聚烈下降 ，形成明顯的分區(qū)，當調諧頻率達到60Hz時及以上，高、低能量分布特征進一步加強。這表明構造煤發(fā)育區(qū)與構造煤不發(fā)育區(qū)在頻率特征上具有明顯的差異性特征。

上述分析特征表明：構造煤發(fā)育區(qū)煤層反射波具有低頻共振、高頻衰減特征，符合雙相介質含氣頻率衰減特征。這有利于在分析區(qū)開展基于頻率衰減特征預測煤層瓦斯富集區(qū)的分析與研究。

3.6 分析區(qū)頻率衰減屬性分析

圖8為利用三維地震數(shù)據體基于頻率衰減屬性(分析時窗選取±8ms)預測的8煤層瓦斯富集區(qū)成果圖，分析圖8可見，構造煤不發(fā)育孔主要分布在正值斜率分布區(qū)(即圖中紅黃色分布區(qū))，構造煤發(fā)育孔主要分布在負值斜率分布區(qū)(即圖中黑色色分布區(qū))，依據雙相介質因常規(guī)氣富集地震頻率衰減斜率分析原則：正值斜率往往表示缺乏烴類富集，負值斜率往往表示烴類富集，進而，預測出分析區(qū)煤層瓦斯富集區(qū)及圖中黑色色分布區(qū)—分析區(qū)南部及東部區(qū)域。

對比圖6分析區(qū)8煤層構造煤發(fā)育區(qū)分布圖可見：煤層瓦斯富集區(qū)與構造煤發(fā)育區(qū)成正相關，同時表明，分析區(qū)8煤層頂?shù)装鍘r性組合及斷層帶具有強的封閉性特征，為煤層瓦斯富集創(chuàng)造了有利條件，也因此加大了分析區(qū)煤與瓦斯突出致災危險因素。

2012年中國煤炭科工集團西安研究院在分析區(qū)東部構造煤發(fā)育區(qū)——頻率衰減負值斜率分布區(qū)(見圖8白色箭頭位置)對8煤層施工煤層瓦斯地面排采井組，進行煤層瓦斯排采：WLG-01、WLG-02、WLG-03、WLG-04、WLG-05井組，各單井日排采煤層瓦斯最高可達3 000m3/d，平均日產氣達1 541m3/d?？梢姡豪妙l率衰減屬性預測煤層瓦斯富集區(qū)方法技術的可行性。

4 結論

通過實際煤礦采區(qū)三維地震頻率衰減屬性分析預測煤層瓦斯富集區(qū)成果表明：

①構造煤的存在是煤層瓦斯富集及瓦斯突出的一個必要條件，當蓋層巖性組合及斷裂構造封閉性有利于煤層瓦斯富集時，煤層瓦斯富集區(qū)與構造煤發(fā)育區(qū)成正相關關系。

②依據雙相介質因常規(guī)氣富集地震頻率衰減斜率分析原則：正值斜率往往表示缺乏烴類富集，負值斜率往往表示烴類富集，煤層瓦斯富集與固態(tài)煤系地層也是一種典型的(固相+流相)雙相介質，符合上述分析原則，可以推廣運用到煤層瓦斯富集三維地震預測中去。

③在充分分析地質、構造分布特征的前提下，利用地震頻率衰減屬性分析預測煤層瓦斯富集區(qū)是一種較為行之有效的技術分析方法，易于推廣運用。

圖8 頻率衰減斜率預測8煤層瓦斯富集區(qū)圖 Figure 8 Diagram of coal No.8 gas enrichment zone frequency attenuation slope prediction