淮北礦區(qū)巖漿巖侵入?yún)^(qū)三維地震屬性響應與模式識別

白 瑜

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077)

0 引言

礦產(chǎn)資源綜合勘查評價規(guī)范(GB/T 25283—2010)要求天然焦應隨煤一起進行綜合勘查評價工作[1]。侵入煤層的巖漿巖,不僅破壞了煤層的原生結(jié)構(gòu),其周邊還形成了能夠焦化煤層的高溫高壓環(huán)境。巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi),巖漿巖、天然焦和原生煤層組合后形成局部混合層,其組合形式多種多樣[2-8]。開采揭露巖漿巖侵入目的層時,若目的層穩(wěn)定程度達不到地質(zhì)報告要求的穩(wěn)定程度,則無法實施礦井設計開拓方案,進而導致礦井生產(chǎn)無法達到建井設計預計產(chǎn)能[9]。

關(guān)于巖漿巖侵入煤資源的賦存影響的研究在國內(nèi)有一定程度的開展。劉勝軍等[10]利用煤厚變異系數(shù)評價巖漿對目的層的影響程度,該研究基于鉆探,相比三維地震勘探,無法對主采煤層進行連續(xù)勘探;介偉[11]用四類混合層模型正演模擬研究巖侵入?yún)^(qū),側(cè)重于介紹地震屬性侵入巖漿巖范圍的方法手段,缺少對巖漿侵入?yún)^(qū)地震屬性響應特征的總結(jié)。

本次研究采用三維地震資料對研究區(qū)巖漿巖侵入?yún)^(qū)進行連續(xù)追蹤與識別,結(jié)合鉆孔處巖漿巖侵入情況分析巖漿巖侵入?yún)^(qū)地震屬性響應特征,首次建立巖漿巖侵入?yún)^(qū)地震屬性模式識別巖漿巖侵入?yún)^(qū),評價巖漿巖侵蝕原生煤層情況。本文正演模擬了巖漿巖侵入?yún)^(qū)模型,分析了正演結(jié)果,總結(jié)出了巖漿巖侵入?yún)^(qū)地震屬性響應特征。以淮北礦區(qū)BZ采區(qū)三維地震勘探工程為例,根據(jù)總結(jié)出的地震屬性響應特征,分析研究區(qū)鉆孔處地震屬性響應特征,利用地震屬性模式識別方法解釋了巖漿巖侵入?yún)^(qū),為建井設計和產(chǎn)能預計提供技術(shù)支持。

1 巖漿巖侵入煤層區(qū)正演模擬模型建立

巖漿侵入?yún)^(qū)煤層,破壞了煤層原生結(jié)構(gòu),形成了巖墻、巖床、巖柱等侵入體[12]。侵入體周圍煤層自燃,經(jīng)過干餾作用后生成天然焦[13]。侵入巖漿巖的波阻抗值明顯高于原生煤層波阻抗值,而天然焦的波阻抗值略高于原生煤層波阻抗值[14]。

通過測試淮北礦區(qū)BZ采區(qū)巖樣后采用表1中巖性參數(shù)進行了正演模擬。分別模擬原生煤層、沒有巖漿巖侵入的天然焦、上部或下部有巖漿巖侵入的天然焦、上下部同時被侵入的天然焦、巖漿巖完全侵蝕、上部為正常煤層而下部為天然焦煤層的共八種區(qū)段反射波引起的地震響應。對模型中的煤層按原比例局部放大,見圖1。

圖1 巖漿巖侵入煤層后多種局部混合層模型圖

表1 正演模型物性參數(shù)

2 巖漿巖侵入煤層區(qū)正演模擬結(jié)果分析

對上述模型進行正演模擬(圖2),并提取了該剖面瞬時振幅屬性,分析發(fā)現(xiàn):

圖2 多種局部混合層模型正演模擬成果圖(紅色振幅值偏大,黃色振幅值居中,藍色振幅值最低)

(1)常規(guī)的疊加偏移時間剖面上,在含有巖漿巖侵入的區(qū)段與巖漿巖未侵入?yún)^(qū)段(原生煤層和焦化煤層)的交界處,目的層反射波會明顯錯斷,產(chǎn)生“假斷層”。這是由于侵入的巖漿巖使所在區(qū)段目的層縱波速度顯著提升,遠高于原生煤層縱波速度(圖2a)。

(2)常規(guī)的疊加偏移時間剖面上,無法分析巖漿巖侵入情況,巖漿巖侵入?yún)^(qū)段的目的層反射波無明顯差異(圖2a)。

(3)提取常規(guī)剖面的瞬時振幅屬性后,巖漿巖侵入?yún)^(qū)段的振幅隨巖漿巖的侵入情況產(chǎn)生差異:巖漿巖區(qū)段目的層反射波能量最強,原生煤層區(qū)段反射波次之,焦化煤層區(qū)段較弱。上述變化規(guī)律與目的層反射波區(qū)段與頂、底板圍巖的波阻抗差異大小一致(圖2b)。

(4)焦化煤層和原生煤層組合區(qū)段目的層反射波能量弱于原生煤層區(qū)段目的層反射波能量,強于焦化煤層區(qū)段目的層反射波能量(圖2b)。

(5)焦化煤層和巖漿巖組合區(qū)段目的層反射波能量均強于焦化煤層區(qū)段目的層反射波能量。焦化煤層比重高時,其目的層反射波能量均弱于原生煤層組合區(qū)段目的層反射波能量。侵入巖漿位于目的層底板區(qū)段目的層反射波能量強于侵入巖漿位于目的層頂板區(qū)段目的層反射波能量(圖2b)。

3 巖漿巖侵入煤層區(qū)地震特征

分析正演模擬巖漿巖侵入煤層區(qū)正演結(jié)果,巖漿巖侵入煤層區(qū)地震屬性特征表現(xiàn)如下:

(1)常規(guī)剖面上,巖漿巖侵入?yún)^(qū)邊界處目的層反射波同相軸斷開,這是由于侵蝕后的目的層與相鄰焦化目的層的波阻抗差異較大所致。巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)目的層反射波同相軸連續(xù),隨煤層的焦化程度和巖漿巖侵入程度發(fā)生輕微扭動,需借助地震屬性分析評價巖漿巖的侵入程度。

(2)原生煤層被巖漿侵蝕后形成煤、天然焦和巖漿巖的混合目的層,不同混合目的層反射波的能量屬性差異較大,具有一定的規(guī)律。主要以巖漿巖侵入目的層反射波能量明顯高于原生煤層反射波的能量;含有天然焦的混合目的層產(chǎn)生的反射波能量低于原生煤層反射波能量。巖漿巖含量越高,煤層反射波的能量越強;天然焦含量越高,煤層反射波的能量越弱。

4 BZ采區(qū)概況

以淮北礦區(qū)BZ采區(qū)10號煤層作為研究對象,對燕山期第四次侵入巖漿巖進行識別。該區(qū)地震資料具有斷點歸位準確、地層產(chǎn)狀協(xié)調(diào)、地質(zhì)現(xiàn)象清楚等優(yōu)點,有利于進行精細解釋。

BZ采區(qū)內(nèi)3、7、9煤組較穩(wěn)定,厚度一般在3 m左右,煤層的頂?shù)装寰鶠槟鄮r、砂巖互層,煤層與頂?shù)装宓貙拥拿芏?、速度、巖性上的差異較大,能夠產(chǎn)生良好的地震反射波。10號煤層受巖漿巖侵蝕面積較大。

BZ采區(qū)巖漿巖直接侵入10號煤層,被侵蝕的10號煤層變薄,局部甚至缺失。巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)及其周邊形成了由巖漿巖、焦化煤層和原生煤層的多種混合層。圖3為采區(qū)內(nèi)典型巖漿巖侵入10號煤層頂板的三維地震響應圖。常規(guī)的疊加偏移時間剖面上不能直觀地識別出巖漿巖侵入?yún)^(qū),瞬時振幅屬性(圖3b)比常規(guī)的疊加偏移時間剖面(圖3a)更加直觀地反映巖漿巖侵入?yún)^(qū)上方煤層焦化情況。圖3b中紅圈內(nèi)區(qū)域為解釋的天然焦范圍,天然焦下部紅色區(qū)段是來自于天然焦下部巖漿巖頂界面的強反射波。

圖3 典型巖漿巖侵入?yún)^(qū)上方煤層焦化區(qū)段三維地震響應圖(紅色振幅值偏大,黃色振幅值居中,藍色振幅值最低)

巖漿巖侵入10號煤層,該區(qū)域內(nèi)混合層多以上部巖漿巖、中部天然焦、下部為原生煤組合。圖4為BZ采區(qū)內(nèi)1號測線瞬時振幅屬性與鉆孔巖性柱狀的對比圖。該測線上ZKX35孔和ZKX3B2孔處10號煤層上部被巖漿巖侵入后,形成巖漿巖、天然焦和原生煤層組成的局部混合層。該組合層巖漿巖侵入含量較少,組合層的反射波能量主要受原生煤層和天然焦的波阻抗值影響,局部混合層的反射波能量弱于鉆孔ZKB21處原生煤層處的反射波能量;鉆孔ZKX35混合層中巖漿巖含量高于鉆孔ZKX3B2處巖漿巖含量,因與上部巖層波阻抗差異較小,故ZKX35混合層反射波能量弱于ZKX3B2混合層反射波能量。

圖4 1號線連續(xù)小波變換前后連井剖面對比(紅色反射波振幅能量大,黃色反射波振幅能量小)

5 BZ采區(qū)巖漿巖侵入?yún)^(qū)識別

常規(guī)的偏移時間剖面無法直觀地反映巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)反射波的能量變化[15]。為了解決這一問題,提取原始地震資料多種振幅屬性進行了振幅類屬性重構(gòu)。通過已知測井資料檢驗鉆孔處振幅變化情況符合正演模型總結(jié)出的巖漿巖侵入?yún)^(qū)地震響應規(guī)律,建立瞬時振幅值和巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)原生煤層、巖漿巖侵入?yún)^(qū)的對應關(guān)系。

通過鉆孔分析可知,BZ采區(qū)內(nèi)原生煤層區(qū)域和巖漿巖侵入?yún)^(qū)域反射波能量強,結(jié)合巖漿巖侵入規(guī)律易于識別。巖漿巖通過巖柱通道上升至10號煤層頂部,進一步侵蝕10號煤層頂部形成侵入巖床。該區(qū)域內(nèi)混合層多以上部巖漿巖、中部焦化煤層、下部原生煤層組合。根據(jù)正演模擬和總結(jié)出的地震屬性響應特征和分析鉆孔處巖漿巖侵入10號煤層的規(guī)律,最終將BZ采區(qū)劃分為如下三類模式:

(1)原生煤層模式:該區(qū)域10號煤層未受巖漿巖侵蝕、未發(fā)生焦化。該模式下反射波能量較強。

(2)巖漿侵入?yún)^(qū)模式:巖漿巖順著巖溶通道進入10號煤層,侵蝕10號煤層后形成巖床和巖墻。目的層段混合層內(nèi)巖漿巖含量較高,天然焦和原生煤含量較少。該模式下反射波能量強于原生煤層模式。

(3)天然焦區(qū)模式:為巖漿巖侵入?yún)^(qū)和原生煤層的過渡區(qū)域,多與10號煤層原生煤層伴生。目的層段混合層內(nèi)天然焦和原生煤含量較高,巖漿巖含量較少。該模式下反射波能量反射波能量最弱。

采用巖漿巖侵入?yún)^(qū)地震多屬性模式識別流程(圖5)對10號煤層反射波進行地震多屬性模式識別,取得BZ采區(qū)內(nèi)巖漿巖侵入?yún)^(qū)解釋結(jié)果(圖6)。

圖5 巖漿巖侵入?yún)^(qū)地震多屬性模式識別流程圖

圖6 10號煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)地震屬性模式識別結(jié)果

巖漿巖順著巖溶通道進入10號煤層,侵蝕煤層后形成巖床和巖墻,巖床和巖墻周邊煤層焦化形成天然焦。巖漿巖侵蝕煤層的過程在時間和空間上是連續(xù)的,所以侵入?yún)^(qū)在平面上呈圈閉狀。10號煤層受巖漿巖侵蝕嚴重,未受侵蝕的原生煤層零星分布在區(qū)內(nèi)局部目的層高程高的地方。天然焦伴生與巖漿巖侵入?yún)^(qū)和原生煤層之間(圖6)。

6 結(jié)論

本次研究獲得如下研究成果:

(1)通過采集勘探區(qū)的巖性參數(shù)后,進行地震正演模擬,用八類混合層模擬巖漿巖侵入?yún)^(qū),分析并總結(jié)了巖漿侵入?yún)^(qū)常見原生煤層、天然焦和巖漿巖的地震屬性響應特征。

(2)利用鉆孔資料揭示巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)原生煤層、巖漿巖和天然焦目的層反射波瞬時振幅屬性分布規(guī)律,建立瞬時振幅值和巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)原生煤層、巖漿巖侵入?yún)^(qū)的對應關(guān)系。

(3)對研究區(qū)內(nèi)目的層劃分3種模式,采用多屬性模式識別方法對巖漿侵入?yún)^(qū)進行識別,預測了巖漿巖侵蝕10號煤層的情況。

基于屬性模式識別的三維震勘探解釋方法能夠探明淮北礦區(qū)原生煤層與巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi)混合層的空間產(chǎn)狀形態(tài)。巖漿巖侵入?yún)^(qū)內(nèi),由巖漿巖、焦化煤層和原生煤層的組合而成的混合層結(jié)構(gòu)形式多種多樣,需在現(xiàn)有識別結(jié)果的基礎(chǔ)上,選取有針對性的點位進行鉆探,結(jié)合鉆探結(jié)果對巖漿巖侵入?yún)^(qū)進一步分類識別。這有助揭示BZ采區(qū)10號煤層被巖漿巖侵蝕機理和地質(zhì)演變史。