大同石炭系煤田三維地震精細(xì)化解釋及應(yīng)用

劉 銳 姜士鵬 孫殿宇

1 引言

近十余年，同煤集團(tuán)對(duì)深部石炭系煤層進(jìn)行開采，并建成數(shù)個(gè)千萬(wàn)噸礦井，為企業(yè)高效安全生產(chǎn)提供了有力保障。由于石炭系經(jīng)歷多期構(gòu)造應(yīng)力作用以及機(jī)械化開采程度對(duì)地質(zhì)構(gòu)造掌握程度要求越來(lái)越高，根據(jù)以往鉆孔和三維地震初期解析成果難以精確分析和預(yù)測(cè)礦井煤層地質(zhì)構(gòu)造，特別是工作面煤層標(biāo)高起伏狀態(tài)和斷裂構(gòu)造分布規(guī)律。因此，本次研究充分應(yīng)用同發(fā)東周窯和馬道頭井田三維地震資料，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化和應(yīng)力背景，建立了三維地震精細(xì)構(gòu)造解析方法流程，精細(xì)構(gòu)造解析成果不僅可提前預(yù)測(cè)構(gòu)造規(guī)模，并有效指導(dǎo)了工作面部署和巷道掘進(jìn)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

2 三維地震精細(xì)構(gòu)造解析流程

2.1 數(shù)據(jù)加載

首先將三維地震數(shù)據(jù)加載到Petrel或Geoframe地震解釋工作平臺(tái)上，然后把井口坐標(biāo)、鉆井分層、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)等分別進(jìn)行加載。

2.2 層位精細(xì)標(biāo)定

層位（煤層）精細(xì)標(biāo)定是構(gòu)造解析的基礎(chǔ)，是溝通地震信息與地質(zhì)研究的橋梁和紐帶，層位標(biāo)定的正確與否直接影響三維地震精細(xì)構(gòu)造解釋的精度。首先對(duì)地層對(duì)比成果、地震反射特征、目的層測(cè)井響應(yīng)進(jìn)行綜合研究，在此基礎(chǔ)上，選取地質(zhì)層位完整、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)較齊全、曲線特征明顯的鉆孔作為關(guān)鍵井，選取合適的子波和頻率合成地震記錄，與實(shí)際地震反射特征反復(fù)對(duì)比，不斷調(diào)整子波長(zhǎng)度，使兩者波組關(guān)系對(duì)應(yīng)良好，進(jìn)而確定研究區(qū)內(nèi)5（3+5）號(hào)和8號(hào)煤的地震反射特征及層位（圖1）。

圖1馬道頭井田5號(hào)煤合成記錄標(biāo)定特征

東周窯井田三維區(qū)發(fā)育太原組5（3+5）號(hào)、8號(hào)煤，T5波為5（3+5）號(hào)煤層形成的地震波，由于5號(hào)煤在區(qū)內(nèi)屬穩(wěn)定煤層，厚度大，平均厚度可達(dá)9.51 m，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，與上覆厚層砂巖存在較大的波阻抗差異，形成強(qiáng)振幅、高連續(xù)性，頻率穩(wěn)定的反射波，視周期16 ms～20 ms，頻率 50 Hz～ 60 Hz，在時(shí)間剖面上極易識(shí)別和對(duì)比追蹤，但局部受煌斑巖的侵入，地震反射軸發(fā)生不規(guī)則錯(cuò)段或雜亂反射（圖2）。T8波為8號(hào)（8-1+8-2）煤層形成的地震波，在內(nèi)屬于較穩(wěn)定煤層，厚度較薄，前者平均厚度為1.67 m，后者為1.93 m，與5號(hào)煤層近平行，間距穩(wěn)定，受上部5號(hào)煤強(qiáng)反射屏蔽的影響，形成弱-中等振幅，中等連續(xù)性，波形變化較大的反射波，全區(qū)基本可連續(xù)追蹤對(duì)比。

圖2東周窯井田5號(hào)和8號(hào)煤層地震發(fā)射特征

2.3 層位解釋

在鉆孔合成記錄制作的基礎(chǔ)上，通過(guò)井-震聯(lián)合對(duì)比，確定主力煤層地震響應(yīng)特征，并將其外推，首先沿著主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)測(cè)線和任意時(shí)間剖面，按50 m×50 m網(wǎng)格密度進(jìn)行粗框架精細(xì)解釋，逐步加密到5 m×5 m網(wǎng)格密度，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)到線，從線到面逐步控制，杜絕層位局部突然變化，最終實(shí)現(xiàn)5號(hào)和8號(hào)煤層地震同相軸全閉合，明確主采煤層時(shí)間域的起伏狀態(tài)（圖3）。

圖3東周窯井田二盤區(qū)5號(hào)煤層位解釋結(jié)果

圖4東周窯井田二盤區(qū)5號(hào)煤相干體切片

2.4 斷層解釋

斷層解釋是三維地震地質(zhì)構(gòu)造解析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是準(zhǔn)確的煤層底板等高線編制的依據(jù)。三維地震精細(xì)解析首先應(yīng)了解和掌握區(qū)域構(gòu)造期次、應(yīng)力場(chǎng)背景、斷裂褶皺幾何學(xué)特征和形成機(jī)制，指導(dǎo)三維區(qū)斷層解釋；其次在Geoframe或Petrel等地震解釋軟件中沿主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)測(cè)線，按“由粗到細(xì)的網(wǎng)格密度、先解釋大斷層后解釋小斷層”進(jìn)行解釋，然后將時(shí)間剖面解釋的斷點(diǎn)投影到平面上，進(jìn)行斷層平面組合。通常，經(jīng)歷多期構(gòu)造應(yīng)力作用，多期不同走向的斷層交錯(cuò)切割，就應(yīng)從平、剖面斷層切割關(guān)系、以及拉任意測(cè)線對(duì)斷層組合情況驗(yàn)證，以及應(yīng)用相干體、螞蟻體和方差體屬性切片等技術(shù)方法聯(lián)合識(shí)別和組合斷層（圖4），總體遵從“切片定走向，剖面定傾向，共同定產(chǎn)狀，任意線驗(yàn)證”的解釋原則，提高斷層解釋的精確度。

大同煤田石炭系較大中型斷層斷點(diǎn)常表現(xiàn)為煤層反射波同相軸突然錯(cuò)斷、產(chǎn)狀突變、反射零亂、強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換等特征，比較容易識(shí)別。落差小于5 m的小斷層也比較發(fā)育，但斷點(diǎn)識(shí)別比較困難，主要表現(xiàn)為反射波同相軸扭曲、振幅變?nèi)醯?，?yīng)結(jié)合方差體或螞蟻體進(jìn)行識(shí)別。

2.5 時(shí)深轉(zhuǎn)換

三維地震采集、處理后的數(shù)據(jù)體通常是時(shí)間域的，以至解釋的煤層和斷層均呈現(xiàn)時(shí)間域特征，其與實(shí)際情況還有一定差異性，必須經(jīng)時(shí)深轉(zhuǎn)換將時(shí)間域的煤層和斷層等地質(zhì)信息轉(zhuǎn)換為深度域，才可體現(xiàn)煤層或斷層地下的真實(shí)形態(tài)。而速度是聯(lián)系時(shí)間域和深度域的紐帶，因此，速度的求取和成圖方法的選擇對(duì)提高成圖精度至關(guān)重要。

由于煤田鉆孔多，且分布均勻，主要利用研究區(qū)內(nèi)鉆孔及巷道小孔信息，統(tǒng)計(jì)鉆孔的煤層標(biāo)高及埋藏時(shí)間深度，求取鉆孔位置煤層的平均速度，然后插值獲得煤層平均速度圖，再利用煤層平均速度圖與時(shí)間域構(gòu)造圖進(jìn)行乘法運(yùn)算，進(jìn)而獲得煤層深度域構(gòu)造圖（圖5）。

圖5三維區(qū)5號(hào)煤底板構(gòu)造圖與斷裂褶皺構(gòu)造樣式

3 東周窯井田二盤區(qū)的應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)東周窯井田二盤區(qū)三維地震精細(xì)解析，二盤區(qū)共揭露斷層400余條，均為正斷層，NW-NNW和NEE-NE向?yàn)閮?yōu)勢(shì)方向，通往基底的斷裂少，NWNNW向斷層多形成早中侏羅前，NE-NEE向斷層多形成于第四紀(jì)。垂向上，多組斷層呈平行或Y字形，與擠壓反轉(zhuǎn)構(gòu)造形成的褶皺相組合形成斷背斜、塹-壘相間、順向斷階、反向斷階等構(gòu)造樣式[2,5]。平面上，褶皺與斷裂構(gòu)造相互疊加切割，呈現(xiàn)“寬緩背斜、窄深向斜”，構(gòu)造形態(tài)凹凸相間，西北高、東南底，褶皺、向斜走向近NE-NEE和NW向，并被NW、NE-NEE向斷裂切割嚴(yán)重，導(dǎo)致褶皺局部發(fā)生扭轉(zhuǎn)，甚至錯(cuò)斷，形成網(wǎng)格狀構(gòu)造塊體（圖5），并根據(jù)構(gòu)造復(fù)雜程度將盤區(qū)劃分為北部斷裂構(gòu)造復(fù)雜區(qū)和南部褶皺斷裂疊加區(qū)，

3.1 北部斷裂構(gòu)造復(fù)雜區(qū)

該區(qū)構(gòu)造以大中型斷層為主，大中型斷層分布于中部，以NW向斷層為主，落差普遍大于20 m，最大可達(dá)50 m，垂向多為壘-塹構(gòu)造樣式，局部見小型Y字形構(gòu)造樣式，平面呈平行和雁列狀斜角組合，導(dǎo)致該區(qū)形成多個(gè)斜交和近平行斷塊，寬度小于120 m，長(zhǎng)度小于550 m，不規(guī)則分布（圖5），以至于西北部與東北部不易部署整裝的工作面，可順著地塹穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行部署。中小型及小型斷層多分布于本區(qū)西部和中東部，NW向?yàn)橹?，?duì)工作面部署整體影響不大。

3.2 南部褶皺斷裂疊加區(qū)

該區(qū)構(gòu)造以NEE-NE褶皺疊加NW-NWW及NE-NEE向斷裂，形成網(wǎng)格狀構(gòu)造塊體，導(dǎo)致褶皺和向斜發(fā)生扭動(dòng)，形成寬緩的背斜和窄深的向斜，而寬緩背斜區(qū)是該區(qū)構(gòu)造變形穩(wěn)定區(qū)，有利于沿背斜軸向部署工作面，窄深的向斜區(qū)幾乎不看部署整裝工作面。

3.3 在2203工作面掘進(jìn)應(yīng)用

在三維地震精細(xì)構(gòu)造解析的基礎(chǔ)上，順2203巷切取地震剖面和預(yù)想剖面，揭示 7條斷層，呈壘塹構(gòu)造樣式，煤層起伏大，并可見煌斑巖侵入異常反映（圖6），最終與巷道掘進(jìn)實(shí)測(cè)剖面對(duì)比，煤層起伏形態(tài)、斷層規(guī)模及煌斑巖異常體吻合率較高，進(jìn)一步驗(yàn)證了三維地震解析技術(shù)對(duì)井田工作面部署和巷道掘進(jìn)有重要的指導(dǎo)意義。

圖6 2203巷三維地震解析預(yù)想剖面與實(shí)測(cè)剖面對(duì)比

4 結(jié)論

（1）建立了以區(qū)域構(gòu)造演化和應(yīng)力場(chǎng)背景指導(dǎo)為基礎(chǔ)，采取動(dòng)靜結(jié)合，多方法、多資料印證的三維地震精細(xì)構(gòu)造解析流程，可精細(xì)刻畫和預(yù)測(cè)煤層幾何形態(tài)、斷裂、褶皺及陷落柱的規(guī)模和分布規(guī)律。

（2）本技術(shù)方法在同發(fā)東周窯和馬道頭井田進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)兩個(gè)井田三維區(qū)構(gòu)造規(guī)律和煤層賦存形態(tài)進(jìn)行研究，并指導(dǎo)了工作面部署和巷道掘進(jìn)，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造及異常體超前預(yù)測(cè)取得了一定成效。