基于地震多屬性技術(shù)解釋煤層沖刷變薄

張 昭, 邱兆泰, 田錦瑞, 牛清華, 張曉盼, 張燈亮, 曹秀森, 臺立勛, 段 剛, 耿曉兵

(河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊(duì),河北邢臺 054000)

0 引言

當(dāng)前，煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中處于首要地位，這種狀況在短期內(nèi)不會改變。因此，煤炭開采生產(chǎn)在我國國民經(jīng)濟(jì)中作用巨大，而煤層厚度變化是煤礦開采的主要影響因數(shù)之一，其嚴(yán)重制約煤炭采掘工作的正常進(jìn)行，致使采掘比例失調(diào)，提高了生產(chǎn)成本，降低了工作效率[1-5]。煤層厚度計(jì)算方法一般分為地質(zhì)分析法、鉆探法和地球物理勘探法。其中地質(zhì)分析法主要收集前期勘查資料，著重分析斷層、褶曲等構(gòu)造和巖漿活動(dòng)對煤厚影響規(guī)律，能夠有效反應(yīng)區(qū)域信息，局部資料把握有限；鉆探法基于單個(gè)或多個(gè)鉆孔，煤厚數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但限于鉆孔數(shù)目限制，內(nèi)插后煤層厚度具有一定誤差；地球物理勘探法對煤層厚度具有方便、快捷的優(yōu)勢，但存在探測精度差異較大的特點(diǎn)[6-7]。針對此情況，迫切需要提出一種行之有效的預(yù)測煤層厚度變化的技術(shù)方法。

近年，隨著三維地震勘探水平的不斷提高，獲取的地震數(shù)據(jù)體中包含的信息更加豐富，地震資料中包含著豐富的地球物理信息(地震屬性)。地震屬性能夠刻畫、描述地層結(jié)構(gòu)，巖性特征，不同的地震屬性反映不同的地質(zhì)信息[8-14]。這為利用地震屬性開展儲層橫向預(yù)測研究煤層厚度變化提供了數(shù)據(jù)支撐。本文通過提取研究區(qū)內(nèi)均方根振幅、最大振幅、頻譜總能量和體反射譜四種屬性，對煤層沖刷變薄區(qū)進(jìn)行了圈定，效果良好，為礦方巷道布置，采掘工作節(jié)約了成本。

1 煤層沖刷變薄成因

沖刷帶的成因一般是由于古河流在泥炭層、含煤沉積中流過，使泥炭層或含煤沉積被疏導(dǎo)沖蝕[5,15-16]。沖蝕作用對煤層造成局部區(qū)域或全部的破壞，局部區(qū)域沖刷導(dǎo)致煤層變薄，全部沖刷則出現(xiàn)無煤帶。煤層沖刷一般分為同生沖刷和后生沖刷兩類[17-21]。

同生沖刷，沖刷作用是在泥炭層被上覆沉積物覆蓋之前進(jìn)行的，沖蝕的深度和面積都比較??；泥炭層在被覆蓋之前，泥炭沼澤受到海水入侵成為灰?guī)r頂板。遭受海水反復(fù)沖蝕，泥炭層和形成的煤層頂面呈現(xiàn)出凹凸不平的特征，致使其上覆灰?guī)r頂板底面同樣凹凸不平，此種情況俗稱“蛤蟆頂”，常出現(xiàn)在山西、山東部分煤田。

后生沖刷，沖刷作用多作用于泥炭層被上覆沉積物覆蓋之后，其形成時(shí)間一般為煤系沉積過程中，或煤系地層沉積完成之后，沉積完成之后的情況其沖蝕面積和切割深度較大。沖刷帶附近煤炭水分、灰分增加，色澤變暗，顯示出煤層被沖刷作用所破壞。

煤層沖刷給地質(zhì)勘探、構(gòu)造圈定、合理開采造成很大的困難，因此，在煤礦地質(zhì)工作與井田勘探中，需要查明煤層沖刷的范圍、大小和類型，研究其規(guī)律和特點(diǎn)，從中圈出無煤區(qū)[21-22]。

2 地震屬性分類及提取

2.1 地震屬性分類

隨著數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等領(lǐng)域新知識的飛速發(fā)展、引入和廣泛應(yīng)用，地震數(shù)據(jù)體中提取的地震屬性種類愈加豐富[9-10,19]，多種地震屬性體能夠反應(yīng)地下地質(zhì)體儲層的厚度、物性等參數(shù)，幫助指導(dǎo)對地下地質(zhì)體的精細(xì)解釋。常用提取方法有基于地震數(shù)據(jù)解釋層位提取的面屬性提取和基于整個(gè)或部分地震數(shù)據(jù)體做屬性計(jì)算的體屬性提取。即沿層地震屬性、體處理屬性。

通常依據(jù)地球物理屬性分類統(tǒng)計(jì)，一般分為振幅、相位和頻率三種類型：

振幅類：均方根振幅、瞬時(shí)振幅、最大能量、平均能量及其演變產(chǎn)生的一系列屬性。

相位類：瞬時(shí)相位等及其演變產(chǎn)生的一系列屬性[23]。

頻率類：主頻、瞬時(shí)頻率、帶寬、波數(shù)等及其演變產(chǎn)生的一系列屬性。

2.2 地震屬性優(yōu)選

地震地層學(xué)原理認(rèn)為，地震時(shí)間剖面上的反射波波組特征通常擁有年代分界面的意義，地層巖性和沉積相的研究主要依托于地震反射波組特征和其橫向變化。利用地震屬性分析技術(shù)開展儲層橫向預(yù)測一般存在多解性，表現(xiàn)為某種地震屬性其參數(shù)發(fā)生改變顯示出地質(zhì)因素的變化，而某種地質(zhì)現(xiàn)象變化會造成多種地震屬性的異常表現(xiàn)。于是，在預(yù)測分析地震屬性的過程中，在多種地球物理參數(shù)中如何選取能夠有效反映地質(zhì)特征變化的參數(shù)，是地震屬性預(yù)測的主要問題[23]。

各種地震屬性參數(shù)具有不同的數(shù)學(xué)含義和地球物理含義，反映的地質(zhì)規(guī)律也不一樣。如何科學(xué)合理地選擇能夠契合實(shí)際地質(zhì)因素變化的地震屬性，同時(shí)開展組合研究是利用地震屬性進(jìn)行儲層預(yù)測的難題。結(jié)合本次研究區(qū)開展的工作，選取振幅類屬性中的均方根振幅、最大振幅和頻率類屬性中的頻譜總能量、體反射譜進(jìn)行煤層厚度變化研究。

地震巖性解釋和儲層預(yù)測常用的動(dòng)力學(xué)屬性為反射波振幅和頻率，其中，振幅屬性特征分析可提取均方根振幅、最大振幅，頻率屬性特征分析可提取頻譜總能量、體反射譜。這些屬性能夠反映目標(biāo)層內(nèi)地層厚度、波阻抗、巖石成分、流體特征和孔隙度變化，開展地層學(xué)特征追蹤與研究。

均方根振幅(RMS)，是指振幅時(shí)間或深度窗口中的反射率?？勺R別暗點(diǎn)、亮點(diǎn)。儲層厚度變化、河道沖刷引起的巖性橫向變化均可造成RMS 振幅變化。煤層變薄、尖滅或斷層引起的錯(cuò)斷等也可引起RMS振幅變小。

最大振幅 (Max Amplitude)，是在給定的數(shù)據(jù)體(給定的時(shí)間或深度)中尋找每一道的最大振幅，并在相應(yīng)的網(wǎng)格單元中顯示。最大振幅屬性變化是由于含氣砂巖改變導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，一般用來檢測亮點(diǎn)變化，亦是地層序列和巖性變化比較敏感的屬性，常用于薄互層分析和微構(gòu)造分析。

頻譜總能量(Spectral Total Energy)，計(jì)算窗口內(nèi)某段頻譜的總能量，并在相應(yīng)的網(wǎng)格單元中顯示。頻譜總能量可以展現(xiàn)儲層的橫向頻譜變化。可以指示地層是否含烴或有空洞產(chǎn)生。對于煤層來說，頻譜變化能夠反映儲層厚度的變化，能量越高煤層厚度可能越大，反之，越薄或含有空洞。

體反射譜(VRS),常用于識別巖性的橫向變化，目的是將地震道分解成不同頻率、振幅的簡單諧波，通過分析不同頻率、振幅的簡單諧波研究不同規(guī)模、不同層次的地質(zhì)體的分布特征，從而對地質(zhì)體和儲層展布進(jìn)行研究[24]。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工作區(qū)概況

濟(jì)寧三號煤礦是兗州煤業(yè)股份有限公司下屬的大型煤炭企業(yè)?，F(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)對井下地質(zhì)構(gòu)造特征，煤層覆存情況變化等要求較高，為保障礦井安全開采和生產(chǎn)，進(jìn)一步查明工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況，濟(jì)寧三號煤礦對十采擴(kuò)大區(qū)進(jìn)行了三維地震勘探工作。

勘探區(qū)內(nèi)主要可采煤層為3上、3下、16上、17煤層，通過對區(qū)內(nèi)23個(gè)鉆孔的統(tǒng)計(jì)分析，各煤層的特征如表1所示。

表1 勘探區(qū)煤層特征表

通過對本次研究區(qū)內(nèi)已有地質(zhì)資料的分析，揭示出3上煤層整體由北向南變薄，局部存在煤層沖刷變薄區(qū)；3下煤的沖刷無煤變薄區(qū)分布在勘探區(qū)東南部和西北部；16上和17煤煤層厚度雖薄但基本全區(qū)賦存。

3.2 煤層沖刷變薄特征

研究區(qū)內(nèi)主采煤層3上煤和3下煤均受到不同程度的沖刷，煤層受到?jīng)_刷后會消失或者變薄，在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為煤層反射波的消失或能量變?nèi)鮗25-26]。資料解釋過程中，結(jié)合已知鉆孔的揭露情況將反射波消失或能量變?nèi)醯膮^(qū)域加以圈定，以初步確定煤層沖刷區(qū)的分布情況。本次研究工作以3上煤層為主要對象，其沖刷特征在地震時(shí)間剖面表現(xiàn)為3上煤層反射波變?nèi)趸蛳В砻?上煤層部分沖刷變薄或全部受到?jīng)_刷(圖1)，其中圖1(a)為煤層全部沖刷，顯示3上煤層反射波消失；圖1(b)為3上煤層部分受到?jīng)_刷，顯示3上煤層反射波變?nèi)酢?/p>

圖1 煤層沖刷變薄在時(shí)間剖面上的反應(yīng)Figure 1 Response of coal seam scouring thinning on time profile

3.3 屬性體技術(shù)確定煤層沖刷變薄區(qū)

為更好地確定煤層沖刷變薄區(qū)域，對3上煤層開展屬性體研究。通過對以上剖面的屬性分析可知，沖刷區(qū)域的均方根振幅、最大振幅變小、譜能量降低。因此利用地震屬性處理技術(shù)沿主要目的層(3上煤層)提取了相關(guān)的地震屬性，得到3上煤層的四種屬性(均方根振幅、最大振幅、頻譜總能量、體反射譜)結(jié)果(圖2)。

圖2(a)是研究區(qū)3上煤層的RMS(均方根振幅)沿層切片。從圖上可以看出均方根小于5 000的區(qū)域(黑色)，其與周邊振幅差異較明顯，推測為煤層變薄、沖刷區(qū)；圖2(b)是3上煤層最大振幅沿層切片，最大振幅小于10 000的區(qū)域(紅色、黃色)與相鄰及其他區(qū)域差異明細(xì)，推測為煤層變薄、沖刷區(qū)；圖2(c)是3上煤層上下10ms內(nèi)的0～100Hz中中心頻率為50Hz的頻譜總能量，頻譜能量低的區(qū)域往往是煤層較薄或不發(fā)育的區(qū)域；圖2(d)是研究區(qū)體反射譜沿層切片，能夠明顯看出橫向上巖性變化，推測圈定區(qū)域?yàn)槊簩邮艿經(jīng)_刷。從四種屬性體沿層切片看出，屬性體發(fā)生變化的區(qū)域位置相同，基本能夠圈定煤層沖刷變薄區(qū)。

為更好地確定煤層沖刷變薄的特征，選定三條時(shí)間剖面進(jìn)行具體分析(圖3)。圖3(a)為LJ-1線，經(jīng)過鉆孔S49、C7-12和S41,其中，S49與S41孔3上煤層缺失；圖3(b)和圖3(c)為垂直交叉經(jīng)過鉆孔S49的兩條剖面Crossline1125和Inline1448。從三條時(shí)間剖面圖中可以看出，3上煤反射波不發(fā)育或變?nèi)?，確定為煤層沖刷變薄。

資料提交礦方后，礦方進(jìn)行了補(bǔ)勘工作，布置三個(gè)鉆孔(補(bǔ)13、補(bǔ)16、補(bǔ)17)。補(bǔ)16位于LJ-1線西

圖2 地震屬性體分析圖Figure 2 Analysis diagram of seismic attribute volume

圖3 3上煤層沖刷在時(shí)間剖面圖上的反映Figure 3 Reflection of 3U coal seam scouring zone on time profile

南端地震預(yù)測煤層沖刷區(qū)內(nèi)，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證3上煤層缺失；補(bǔ)17孔位于Crossline1448線南部，鉆遇3上煤層，層厚1.82m；補(bǔ)13孔位于預(yù)測沖刷區(qū)外部，用于驗(yàn)證地震預(yù)測結(jié)果，鉆遇3上煤層，層厚2.0m。驗(yàn)證孔的實(shí)施，對于地震屬性預(yù)測煤層沖刷結(jié)果給予了肯定。

圖4 3上煤沖刷區(qū)分布Figure 4 Distribution map of 3U coal scouring zone

結(jié)合RMS均方根振幅、最大振幅、頻譜總能量和體反射譜屬性對于煤層沖刷變薄的研究，并與實(shí)際地質(zhì)資料和驗(yàn)證情況相結(jié)合，得到了 3上煤沖刷區(qū)分布情況(圖4)，從圖中看出，在3上煤底板上由南向北分布有三處連片且面積較大的沖刷區(qū)，另外還有一些零散的沖刷區(qū)，沖刷面積約為1.80km2。

4 結(jié)論

1)運(yùn)用地震屬性體技術(shù)，對煤層沖刷變薄開展研究。依據(jù)均方根振幅、最大振幅、頻譜總能量和體反射譜四種屬性得到了煤層橫向巖性的變化，推測了煤層沖刷變薄的范圍。

2)分析了已有地質(zhì)資料，結(jié)合三維地震數(shù)據(jù)體中煤層反射波在時(shí)間剖面反映特征和地震屬性解釋成果，圈定了3上煤層沖刷變薄區(qū)域，經(jīng)礦方補(bǔ)勘作業(yè)，驗(yàn)證了地震屬性體解釋的作用。

3)促進(jìn)了三維地震資料解釋的精細(xì)化，可以防止漏判、誤判儲層及其構(gòu)造狀況，提高地震數(shù)據(jù)對儲層的厚度、范圍、地質(zhì)狀況等地質(zhì)因素分析的準(zhǔn)確性和可信度，應(yīng)用地震屬性體處理，加強(qiáng)地震屬性分析，以指導(dǎo)礦方對煤層的采掘部署和生產(chǎn)計(jì)劃，提高煤炭回采率。