三維地震勘探對(duì)煤層頂?shù)装鍘r性精細(xì)解釋技術(shù)研究與應(yīng)用

韓 霞

(潞安化工集團(tuán) 能源事業(yè)部地測(cè)部,山西 長(zhǎng)治 046204)

三維地震物探是二維地震的擴(kuò)展和延伸,通過(guò)面積測(cè)量技術(shù)獲得地質(zhì)體的詳細(xì)信息[1]。歷經(jīng)20多年的發(fā)展,雖然諸如小波分析、相干體技術(shù)及地震屬性技術(shù)等取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,但是針對(duì)高精度地區(qū)的構(gòu)造、巖性解譯仍然存在不確定性[2]。隨著煤礦采掘不斷延伸、集約高效礦井產(chǎn)能的不斷釋放,對(duì)煤礦高效安全生產(chǎn)的綜合能力要求也在不斷提升,煤礦的綜合防災(zāi)抗災(zāi)現(xiàn)狀也日趨嚴(yán)竣,三維地震勘探技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)境,如水、瓦斯、頂板等災(zāi)害防治等。楊雙安等[3]系統(tǒng)分析了煤田三維地震技術(shù)的應(yīng)用前景,指出結(jié)合CT掃描和三維地震技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)地下數(shù)字化,為礦井異常構(gòu)造提供高效地質(zhì)保障;高遠(yuǎn)等[4]系統(tǒng)分析了強(qiáng)反射層屏蔽條件下薄煤層的三維地震勘探研究;王先超等[5]用三維地震探測(cè)了內(nèi)蒙古呼山煤田的多煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu);莊益明和吳奕峰[6]利用三維地震解釋了煤層地質(zhì)隱伏構(gòu)造發(fā)育特征;湯紅偉[7]探討了復(fù)雜地表?xiàng)l件下陡傾角煤層區(qū)三維地震勘探技術(shù)方法;針對(duì)薄煤層探測(cè)難題,胡朝元[8]利用交錯(cuò)網(wǎng)格有限查分聯(lián)合高密度地震勘探技術(shù)大幅提高了薄煤層探測(cè)精度。在實(shí)際礦井生產(chǎn)中,地質(zhì)災(zāi)害類型與煤層及頂?shù)装宓馁x存形態(tài)及巖性發(fā)育特征直接相關(guān),如何有效探測(cè)煤層及頂?shù)装宓馁x存形態(tài)及巖性發(fā)育特征成為煤礦防止或杜絕上述重大災(zāi)害因素的關(guān)鍵技術(shù)。雖然近年來(lái)三維精細(xì)解釋技術(shù)取得了較快發(fā)展,但是對(duì)礦井煤層、頂?shù)装遒x存形態(tài)及巖性特征精確解釋還存在諸多問(wèn)題。

基于此,論文通過(guò)不同礦井的三維地震勘探結(jié)果對(duì)比分析,利用三維地震勘探的高分辨率反演技術(shù)和相干體立體解譯方法,確定煤層底板賦存和發(fā)育狀態(tài),為煤礦安全生產(chǎn)提供了可靠地質(zhì)保障。

1 探測(cè)原理及思路

1.1 探測(cè)原理

利用三維地震勘探的高分辨率反演技術(shù),基于相干體的立體解釋的方法,從線、道、相干切片交互驗(yàn)證解釋,結(jié)合巖石物理分析結(jié)果,構(gòu)建鉆孔與地震信息,建立三維地震數(shù)據(jù)與鉆孔數(shù)據(jù)的聯(lián)系,進(jìn)而開(kāi)展疊后反演工作,提高其精度和準(zhǔn)確性。通過(guò)高分辨率反演預(yù)測(cè)煤層厚度,精細(xì)解釋煤層頂?shù)装?消除地震的調(diào)諧效應(yīng)對(duì)于煤層頂?shù)装孱A(yù)測(cè)的影響,從而達(dá)到對(duì)煤層及頂?shù)装遒x存形態(tài)及巖性發(fā)育情況精細(xì)解釋之目的。

1.2 探測(cè)思路

在實(shí)際礦井生產(chǎn)過(guò)程中,煤層頂板類型及發(fā)育程度直接影響地質(zhì)安全,并一定程度上決定了采掘和支護(hù)方式。為了準(zhǔn)確掌握頂板發(fā)育特征,在充分考慮煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,如下問(wèn)題急需解決:

1) 煤層及頂?shù)装遒x存形態(tài)的研究。煤層頂?shù)装鍘r層及形態(tài)直接影響礦井水、瓦斯災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展,并決定了支護(hù)方式和采掘。因此,工作面布置前需以測(cè)井、地震、地質(zhì)資料為基礎(chǔ),聯(lián)合井、震等資料開(kāi)展地震反演工作,包括井震標(biāo)定、子波評(píng)價(jià)、低頻分析、屬性分析、疊后確定性反演和高分辨率疊后地質(zhì)統(tǒng)計(jì),獲得煤層、頂?shù)装逡约捌渌饕獦?biāo)志層位的賦存特征和形態(tài)。

2) 煤層破碎帶及裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)。煤層破碎帶與地質(zhì)構(gòu)造相伴生,是礦井水、瓦斯災(zāi)害的高發(fā)區(qū),如何準(zhǔn)確探測(cè)極為重要。按照有疑必探的原則,在采掘前利用曲率屬性、相干屬性以及構(gòu)造精細(xì)解釋成果綜合分析預(yù)測(cè)煤層潛在破碎帶或者裂縫發(fā)育區(qū)是行之有效的方法和技術(shù)。

3) 煤層頂?shù)装鍘r性及發(fā)育類型的精細(xì)解釋。煤層頂?shù)装鍘r性及類型是礦井安全采掘的基礎(chǔ),結(jié)合高分辨率反演預(yù)測(cè)煤層厚度,精細(xì)解釋煤層頂?shù)装?消除地震的調(diào)諧效應(yīng)對(duì)于煤層頂?shù)装孱A(yù)測(cè)的影響能為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠保證。

4) 微小構(gòu)造的精細(xì)解釋。長(zhǎng)期以來(lái),井田中斷距小于5 m的小斷層預(yù)測(cè)和探測(cè)是行業(yè)性難題?；谙喔审w的斷層立體解釋的方法,從線、道、相干切片交互驗(yàn)證解釋,精細(xì)解釋斷層及陷落柱可能是提升預(yù)測(cè)精度的有效途徑和技術(shù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

基于以上分析,研究區(qū)選擇在潞安壽陽(yáng)長(zhǎng)榆河煤業(yè)有限公司。長(zhǎng)榆河煤礦目前采掘深度較大,地質(zhì)條件比較復(fù)雜,煤層及頂?shù)装遒x存狀態(tài)復(fù)雜多變,由此引起礦井防治水、瓦斯及頂板的災(zāi)害因素的不確定性較大,其中南六采區(qū)地質(zhì)條件尤為典型,為三維地震勘探預(yù)測(cè)提供了良好靶區(qū)。

2.1 地質(zhì)條件

南六采區(qū)為典型的黃土高原地貌,表現(xiàn)為強(qiáng)烈的切割梁、峁?fàn)铧S土丘陵的侵蝕形,沖溝密集而狹窄,谷底基巖出露,區(qū)內(nèi)植被稀少,勘查區(qū)內(nèi)第四系厚度及覆蓋層分布極不均勻,給地震激發(fā)層位的選擇帶來(lái)了很大的難度。另外,黃土層對(duì)地震波的吸收衰減極為強(qiáng)烈,對(duì)其向下傳播極為不利,如何有效區(qū)分、識(shí)別是難題。

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔揭露的實(shí)際情況,4號(hào)煤層埋深209～543 m,8號(hào)煤層埋深302～699 m.太原組(C3t) 以K1砂巖為底連續(xù)沉積于本溪組之上,厚度78.60～109.92 m,平均92.49 m.含煤4層,其中8號(hào)、9號(hào)煤層厚度大,穩(wěn)定可采。山西組(P1s)與下伏地層太原組呈整合接觸,以K3砂巖為底,厚56.00～84.75 m,平均73.85 m.按旋回結(jié)構(gòu)分三段:下段由碎屑巖組成,其上部發(fā)育1層厚煤層,即4(3+4)號(hào)煤層;中段以碎屑巖為主夾1層薄煤層(2號(hào)煤);上段為碎屑巖,夾不穩(wěn)定層的煤層3～4層(1、03、02)。由此可以分析得出煤層與圍巖之間有較大的物性差異,是一個(gè)較好的波阻抗界面,能產(chǎn)生較強(qiáng)的反射波,具備地震勘探的良好條件。

2.2 煤層及頂?shù)装逦镄苑治?/h3>

三維地震勘探是地層對(duì)地震波的響應(yīng),本質(zhì)上為上下界面的波阻抗等彈性參數(shù)的變化量,實(shí)際上反映的是上下界面的彈性參數(shù)-速度與密度,而巖石物理是聯(lián)系地震與煤層的橋梁,是應(yīng)用地震及測(cè)井資料研究煤層的理論基礎(chǔ)。

1) 頂?shù)装鍘r石體積模型。把巖石體積分成巖石骨架、泥質(zhì)、孔隙(飽和含水)三部分(表1),作為頂?shù)装鍘r性體積模型參數(shù)對(duì)測(cè)井響應(yīng)的貢獻(xiàn)之和。

表1 體積模型解釋參數(shù)

2) 煤層體積模型。把煤層體積分成純煤(包括固定碳和揮發(fā)分)、灰分(包括泥質(zhì)和其他礦物)、水分(孔隙中充滿水)三部分(表2),作為煤層體積模型參數(shù)對(duì)測(cè)井響應(yīng)的貢獻(xiàn)之和。

表2 解釋參數(shù)

3) 煤層巖石物理分析技術(shù)?？v波阻抗可以很好地區(qū)分煤砂巖以及泥巖,為后續(xù)的煤系地層的巖性預(yù)測(cè)提供依據(jù);部分煤層內(nèi)夾矸與煤巖在縱波阻抗內(nèi)僅有小部分疊置,造成這部分疊置的原因主要是炭質(zhì)泥巖的巖石物理特性與煤巖相近。煤層(9+10)及頂?shù)装逯饕?種巖性組成,包括煤巖、泥巖、砂巖和砂質(zhì)泥巖,在縱波阻抗范圍內(nèi)具有很好的區(qū)分度;從對(duì)煤層(9+10)內(nèi)夾矸的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看,除了部分泥巖(炭質(zhì)泥巖)與煤巖有一定的疊置,總體上區(qū)分度仍然是較好的。煤層頂?shù)装?種巖性的縱波阻抗的差異很大,通過(guò)高精度反演可以較好地區(qū)分煤層以及頂?shù)装宓膸r性;該煤層的夾矸主要是泥巖(炭質(zhì)泥巖),與煤巖的疊置較大,在預(yù)測(cè)該煤層夾矸時(shí)會(huì)存在一定的誤判。

2.3 研究技術(shù)流程

從測(cè)井、地震、地質(zhì)資料出發(fā),對(duì)各種資料進(jìn)行質(zhì)控;開(kāi)展測(cè)井環(huán)境校正、一致性處理與解釋、巖石物理評(píng)價(jià)及巖性分析;同時(shí),開(kāi)展數(shù)據(jù)質(zhì)控、優(yōu)化,得到適合地震反演的地震疊后資料;應(yīng)用井、震等資料開(kāi)展地震反演工作,包括井震標(biāo)定、子波評(píng)價(jià)、低頻分析、屬性分析、疊后確定性反演和高分辨率疊后地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演等工作;最后,綜合所有煤系地層預(yù)測(cè)成果和地質(zhì)認(rèn)識(shí),客觀評(píng)價(jià)煤層頂?shù)装宓馁x存形態(tài)以及潛在破碎帶或者裂隙發(fā)育規(guī)律。利用曲率等屬性和基于CRP道集的AVO(振幅隨偏移距變化)反演,煤層含有異常流體(瓦斯、水等流體介質(zhì))會(huì)引起AVO特征差異性變化的特點(diǎn),開(kāi)展瓦斯地層及含水區(qū)域解釋研究。由于本次研究沒(méi)有收集到地震道集數(shù)據(jù),故潛在流體發(fā)育區(qū)的預(yù)測(cè)采用多種信息融合的方法,進(jìn)行對(duì)煤層頂?shù)装鍧撛谫x存規(guī)律的預(yù)測(cè),見(jiàn)圖1.

圖1 三維地震勘探流程圖

3 結(jié)果與討論

1) (9+10)號(hào)煤層起伏形態(tài)特征。(9+10)號(hào)煤層是本區(qū)深部的主采煤層,在時(shí)間剖面上反映為一復(fù)合波,反射波能量強(qiáng)、連續(xù)性好。探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤層標(biāo)高在160～315 m之間,(9+10)號(hào)煤層賦存最深處在勘探區(qū)的西南部,標(biāo)高約為160 m,最淺處在勘探區(qū)東北部,標(biāo)高約為315 m.勘探范圍內(nèi)煤層褶曲發(fā)育較少,整體表現(xiàn)為一西南低、東北高的單斜構(gòu)造,傾角平均4.5°.

2) 煤層厚度及夾矸厚度分析。根據(jù)鉆孔實(shí)際揭露(9+10)號(hào)煤層的資料,以地震開(kāi)展高分辨率地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演成果為核心,參考時(shí)間剖面和(9+10)號(hào)煤層的反射波振幅屬性特征進(jìn)行解釋,結(jié)合頻率相干等屬性對(duì)比,發(fā)現(xiàn)(9+10)煤層層位穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,探測(cè)厚度6.20～8.95 m,平均7.89 m.最厚處位于測(cè)區(qū)東南部,厚度達(dá)到8.95 m.

3) 煤層頂?shù)装宓膸r性預(yù)測(cè)。煤層頂?shù)装鍘r性直接關(guān)系到煤層的安全開(kāi)采以及采動(dòng)對(duì)于煤層頂?shù)装宓暮?、含氣性。目?常規(guī)方法無(wú)法精確預(yù)測(cè)煤層以及煤層頂?shù)装鍘r性,而地震數(shù)據(jù)常規(guī)反演分辨能力大于26 m,采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演,可將煤層分辨能力提升至1 m左右,能有效解決煤層厚度以及頂?shù)装鍘r性的預(yù)測(cè)問(wèn)題。結(jié)合FXS-06鉆孔數(shù)據(jù),分析發(fā)現(xiàn)煤層頂板為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖的組合,厚度介于0.69～4.35 m之間,底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖組合,厚度介于2.63～4.05 m.

4) 煤層破碎帶預(yù)測(cè)。煤層破碎帶是原始煤層在構(gòu)造作用下斷裂、破碎的結(jié)果,其實(shí)際暗示礦井構(gòu)造帶。綜合現(xiàn)有的研究成果,逐級(jí)檢查,逐級(jí)驗(yàn)證,逐級(jí)精細(xì),從斷層到裂縫帶,最終確定易破碎帶的展布范圍。綜合分析結(jié)果顯示,研究區(qū)的主體構(gòu)造主要分布在南部邊界,在礦井中部及北西部局部地區(qū)主要以斷層為主,陷落柱則呈現(xiàn)出與斷層疊加的狀態(tài),與礦井勘探結(jié)果一致。

破碎帶是構(gòu)造變形、斷裂的附屬產(chǎn)物,結(jié)合信息融合方法和破碎帶發(fā)育范圍和程度,將破碎帶分成兩類:①一類易破碎帶:主要在相干屬性和曲率屬性上都有異常相應(yīng),與構(gòu)造和斷裂系統(tǒng)密切相關(guān);②二類易破碎帶:由于曲率體主要是反映裂縫的發(fā)育區(qū),故結(jié)合構(gòu)造特點(diǎn),如果僅曲率具有異常相應(yīng),則認(rèn)為是二類易破碎帶。研究區(qū)東部發(fā)育一類破碎帶,該發(fā)育帶范圍較廣,是受斷層和裂縫的雙重影響;而北部發(fā)育范圍較小,也是發(fā)育規(guī)模較小的一類破碎帶;在研究區(qū)西部與斷裂結(jié)合發(fā)育一類破碎帶;而二類破碎帶主要是發(fā)育研究區(qū)的中部,主要是受構(gòu)造影響引起裂縫制約。

4 結(jié) 語(yǔ)

論文構(gòu)建了三維地震勘探技術(shù)模型和思路,基于相干體的立體解譯方法,結(jié)合巖石物理分析、鉆孔揭露地質(zhì)信息,確定并預(yù)測(cè)煤層頂?shù)装鍘r性及構(gòu)造特征。結(jié)果如下:

1) 三維地震的實(shí)質(zhì)是探測(cè)地震波在不同反射界面的速度和密度差異,難點(diǎn)是消除地震的調(diào)諧效應(yīng)。高分辨率地震反演在煤層頂?shù)装寰?xì)解釋、煤層厚度和夾矸厚度預(yù)測(cè)方面預(yù)測(cè)精度遠(yuǎn)大于常規(guī)解釋技術(shù),從煤礦實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)需準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層發(fā)育特征、頂?shù)装鍘r性及厚度、隱伏構(gòu)造、煤層破碎帶裂隙及規(guī)模等,為礦井安全生產(chǎn)提供地質(zhì)保障。

2) 以壽陽(yáng)長(zhǎng)榆河煤業(yè)南六采區(qū)為例,基于煤層及頂?shù)装鍘r性分析構(gòu)建三維物探識(shí)別模型、分析技術(shù)及流程,探討了(9+10)號(hào)煤層發(fā)育特征、煤厚、頂?shù)装鍘r性及煤層破碎帶規(guī)模等,發(fā)現(xiàn)其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際揭露誤差較小,具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。