基于裂縫預(yù)測與流體預(yù)測技術(shù)的煤層頂板富水性研究
——以葛泉礦2煤層為例

亞東菊,田錦瑞,殷全增,齊亮亮,張燈亮

(河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊,邢臺 054000)

0 引言

隨著煤礦開采的發(fā)展和構(gòu)造復(fù)雜礦井的相繼投產(chǎn),礦井頂板水害問題影響煤礦建設(shè)和安全高效生產(chǎn)的問題日益凸顯。如何有效防止頂板水害發(fā)生是各礦井亟需解決的問題。近年來,前人采用不同方法對頂板富水性進行研究和勘探開采實踐,建立了多種相對成熟的方法體系。

崔江偉等[1]采用瞬變電磁數(shù)據(jù)精細處理技術(shù)對煤層頂板富水區(qū)進行探測研究。張國恩等[2]利用音頻電穿透法準確查明了松散含水層下回采工作面內(nèi)部復(fù)雜的導(dǎo)水異常構(gòu)造。梁向陽[3]在瞬變電磁法和音頻電透視法的基礎(chǔ)上,再通過布置鉆孔掌握涌水量和水壓分布情況,綜合分析頂板富水性。武強等[4]運用基于GIS信息融合的富水指數(shù)法實現(xiàn)了對充水含水層的富水性評價。劉景等[5]利用層析分析法對大南湖頂板突水危險性進行了評價。孫潔[6]和劉基等[7]通過陸相古地理沉積演化對煤層頂板砂巖富水性進行了研究。近年地震預(yù)測技術(shù)在煤層頂?shù)装搴苑矫嬉舶l(fā)揮了作用。汪洋[8]通過地震多屬性與測井聯(lián)合反演獲取擬測井參數(shù)體進行賦水性分析。李雪梅和陸大華等[9-10]通過地震屬性預(yù)測巖性參數(shù)進行反演,從獲得的波阻抗體、視電阻率體和孔隙度體來預(yù)測煤層頂?shù)装甯凰浴Ｌ飩サ萚11]利用AVO技術(shù)與偽泊松比屬性聯(lián)合預(yù)測灰?guī)r富水性。陳占海等[12]利用地震資料不同巖體的頻譜差異對煤層頂?shù)装迳皫r富水性進行預(yù)測。韓璐[13]利用多屬性融合研究了頂板砂巖含水層富水性及突水危險性。郎玉泉等[14]通過Gassmann方程和AVO(Amplitude Variation with Offset)技術(shù)探討煤層頂板砂巖富水性的預(yù)測方法。目前地震預(yù)測技術(shù)對含水性的研究主要是利用地震屬性對巖性參數(shù)進行反演,以上研究成果均有助于頂板水害防治工作,方法體系日趨成熟,但利用已知地震資料預(yù)測煤層頂板富水性有待進一步深入研究。本次在已知構(gòu)造特征和高物性巖層展布的基礎(chǔ)上,開展裂縫預(yù)測與流體預(yù)測,對富水區(qū)域進行圈定,對礦井后期水害防治提供參考。

目前,煤層裂縫預(yù)測主要利用露頭、巖心、測井資料、和地震資料等進行分析。利用地震資料是根據(jù)地震波在裂縫介質(zhì)中傳播過程中方位各向異性特征變化來預(yù)測裂縫發(fā)育方位和發(fā)育強度的,如疊后地震屬性和OVT域疊前方位AVO反演等方法[15-19]。本文利用應(yīng)力場模擬和局部構(gòu)造非連續(xù)性進行裂縫預(yù)測,提高了計算效率和抗噪能力。與致密的單相地質(zhì)體相比,當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中含流體如油、氣或水時,會引起地震波的散射和地震能量的衰減,通過衰減屬性來檢測儲層中流體發(fā)育特征。流體預(yù)測主要應(yīng)用于油氣和煤層氣研究方面,在煤層含水性方面尚未應(yīng)用。在研究過程中,地震資料信噪比良好是基礎(chǔ),處理中做好中深層目標區(qū)有效反射的能量恢復(fù)是關(guān)鍵點。利用裂縫和流體預(yù)測相結(jié)合研究煤層頂?shù)装搴?前人尚未進行相關(guān)研究。本次嘗試采用這兩種方法用于研究煤層頂板富水性預(yù)測,在以往突水區(qū)域吻合度較高,取得了一定效果。

1 地質(zhì)背景

本次以葛泉礦五六七采區(qū)和葛泉東井2煤為例進行研究,2煤層位于山西組中部,為葛泉井田主要可采煤層之一,平均煤厚2.67 m,厚度變化不大,其頂部發(fā)育以灰色-灰黑色中細砂巖、粉砂巖為主的砂巖層,屬高物性地層。葛泉礦歷經(jīng)多次勘探,均將其確定為水文地質(zhì)條件復(fù)雜井田,自1989年投產(chǎn)以來,巷道開拓和回采過程中發(fā)生過多次突水。其中包括奧陶系灰?guī)r水、野青灰?guī)r水和煤層頂、底板砂巖水突出。

1.1 構(gòu)造特征

葛泉礦在區(qū)域構(gòu)造上位于太行山斷褶帶東部邊緣上,隔太行山山前大斷裂與冀東南沉降帶毗鄰,燕山期的局部應(yīng)力場為NW-SE擠壓。繼燕山運動之后,以太行山山前斷裂為界,以東拉伸下沉,以西拉伸上隆。葛泉礦所屬的邢臺礦區(qū)位于上隆區(qū)邊緣,受NW-SE方向拉伸應(yīng)力。因此,研究區(qū)構(gòu)造因受主要的北東和次要的北西兩種方向作用力控制,使之構(gòu)造形態(tài)比較復(fù)雜。斷層和褶皺平面分布,既有北東向,又有北西向。

1.2 水文特征

葛泉礦位于百泉水文地質(zhì)單元中部徑流區(qū),地表水系有六條季節(jié)性河流。含水層可粗分為新生界含水體和基巖含水體。新生界含水體主要為第三、四含水層,與煤礦生產(chǎn)關(guān)系密切的是第四系含水層。第四系含水層共有底部礫石含水層、中部砂層含水層和上部礫石含水層三層。層與層之間均有良好的隔水層存在,基巖含水體則相對較為復(fù)雜。

區(qū)域內(nèi)地下水的主要補給來源是大氣降水和局部地區(qū)溝谷河床滲漏。由于區(qū)域內(nèi)裂隙巖溶含水層均為厚層含水層,且裂隙巖溶發(fā)育,各含水層通過導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)生水力聯(lián)系,使山區(qū)裂隙巖溶含水層與奧陶系裂隙巖溶含水層構(gòu)成了統(tǒng)一的含水層。

1.3 地震地質(zhì)概況

本區(qū)采集的地震資料質(zhì)量較好,在地震解釋剖面上,新生界內(nèi)及其底界面與下伏煤系地層間形成的一組反射波,全區(qū)能量較強,能連續(xù)追蹤(圖1)。在實際開采中發(fā)現(xiàn),本區(qū)以灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖為主的直接頂以中等穩(wěn)定-穩(wěn)定頂板為主,裂隙不很發(fā)育;在斷層破碎帶附近,頂板裂隙較發(fā)育,綜合分析,煤層頂?shù)装迤秸?裂隙不很發(fā)育。

圖1 研究區(qū)地震解釋剖面Fig.1 Seismic interpretation profile of study area

2 裂縫預(yù)測

裂縫是致密、脆性巖石地層流體通道的決定性因素,是油、氣、水的運移和聚集通道,影響和控制著其動態(tài)變化,在以往的研究中,裂縫預(yù)測主要應(yīng)用于油氣藏研究。對于研究的區(qū)域帶來說,構(gòu)造發(fā)展是裂縫產(chǎn)生的直接原因,在構(gòu)造發(fā)展過程中,構(gòu)造變形運動在構(gòu)造內(nèi)部引起了一連串的應(yīng)力重新分布,從而相應(yīng)伴隨出現(xiàn)了各種不同的裂縫組系,因此,本次通過裂縫預(yù)測,從大尺度和中小尺度兩個方面進行。

2.1 應(yīng)力場模擬—大尺度裂縫檢測

隨著地質(zhì)演化,一個地區(qū)常常經(jīng)受多次不同方式的地殼運動,導(dǎo)致同一地區(qū)內(nèi),呈現(xiàn)出受不同時期不同形式地應(yīng)力場作用所形成的各種構(gòu)造及其疊加或改造的復(fù)雜景觀。因此,只有最近一期地質(zhì)構(gòu)造,未經(jīng)破壞或改造,才能確切地反映這個時期的地應(yīng)力場。

本研究區(qū)在構(gòu)造演化過程中,經(jīng)歷多次不同方式的地殼運動,在不同時期的地應(yīng)力場是不同的,所形成的各種構(gòu)造及其疊加或改造的微構(gòu)造也不盡相同。煤層、砂巖在構(gòu)造運動作用下,會產(chǎn)生大量的構(gòu)造縫,主要分布在地層頂面,反應(yīng)大尺度裂縫特征。

其原理:通過應(yīng)力場模擬進行裂縫預(yù)測,其理論基礎(chǔ)為構(gòu)造力學(xué)。從構(gòu)造力學(xué)出發(fā),利用地層的幾何信息(構(gòu)造面)、巖性信息(速度、密度),估算出地層的應(yīng)力場,包括地層面的曲率張量,變形張量和應(yīng)力場張量,從而得到主曲率、主應(yīng)變和主應(yīng)力(圖2)。

圖2 應(yīng)力場模擬原理及思路Fig.2 Principle and thought of stress field simulation

通過把三維地震數(shù)據(jù)體變換為LSE數(shù)據(jù)體,解釋人員可以揭示在地震數(shù)據(jù)體中不易察覺的細微的地質(zhì)特征,這種方法與其它不連續(xù)性檢測方法相比具有計算效率高,抗噪能力強等特點,是最新一代不連續(xù)性檢測算法。

選擇一個3D矩形數(shù)據(jù)窗口,當(dāng)探測大尺度的不連續(xù)特征時,應(yīng)采用較大的數(shù)據(jù)窗口;而當(dāng)對小尺度特征或細微特征感興趣時,應(yīng)采用較小的數(shù)據(jù)窗口。將這窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)分成四個子數(shù)據(jù)體,并計算相應(yīng)的互相關(guān)矩陣。由此互相關(guān)矩陣定義其局部結(jié)構(gòu)熵值。其局部結(jié)構(gòu)熵值可表征儲層的相關(guān)性。

以2煤層為例,底面大尺度裂縫方向全局統(tǒng)計結(jié)果顯示(圖3),裂縫方向有兩組:東南-西北、西南-東北,網(wǎng)狀縫特點明顯。煤層脆、受構(gòu)造易于碎裂,推測2煤層經(jīng)過兩次大的構(gòu)造運動,應(yīng)變強度比較均勻,對于煤層保存不利。

圖3 2煤層底面大尺度裂縫方向全局統(tǒng)計Fig.3 Global statistics oflarge scale fracture direction of 2 coal seam bottom

圖4為2煤層大尺度裂縫模擬結(jié)果(最大主應(yīng)力方向+最大主應(yīng)變)表明裂縫發(fā)育及方向呈條塊分布明顯,該模擬結(jié)果與研究區(qū)所經(jīng)歷構(gòu)造運動一致。

圖4 2煤層底面大尺度裂縫預(yù)測結(jié)果(應(yīng)變強度+應(yīng)力方向)Fig.4 Prediction results of large scale cracks in 2 coal seam bottom(strain intensity+stress direction)

2.2 非連續(xù)性檢測-中小尺度裂縫預(yù)測

本次裂縫預(yù)測采用局部構(gòu)造熵分析方法[20],指示地震數(shù)據(jù)中給定子體內(nèi)的不連續(xù)程度,周艷輝等[21]將該方法用于地層橫向不連續(xù)性結(jié)構(gòu)檢測。地震不連續(xù)性檢測技術(shù)一直是地震數(shù)據(jù)裂縫分布預(yù)測的有力工具,判別疏導(dǎo)體系的存在,為水分活躍流動的原因提供依據(jù)。

局部結(jié)構(gòu)熵基本方法:設(shè)選擇一個分析數(shù)據(jù)體,沿Inline取2L1個數(shù)據(jù)點,沿Crossline取2L2個數(shù)據(jù)體,沿travel time取N樣本點。 不妨設(shè)這些數(shù)據(jù)均已是歸一化后的值。將這個數(shù)據(jù)體劃分成L1×L2×N的四個子數(shù)據(jù)體,每個子數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)表示為{ai,i=1,2,3,4},構(gòu)造其互相關(guān)矩陣:

(1)

這是一個對稱矩陣。

局部結(jié)構(gòu)熵的定義,點P(x,y,t)處的局部結(jié)構(gòu)熵:

(2)

這里x,y,t分別表示沿Inline,Crossline和travel time的方向的值。

顯然當(dāng)四個子數(shù)據(jù)體完全相關(guān)時,即四個子數(shù)據(jù)體完全相同時,有tr(S)=‖S‖,并ε=0;一般地,有tr(S)≤2‖S‖,并ε≤1。而ε=1則表示子數(shù)據(jù)體完全不相關(guān)。

局部結(jié)構(gòu)熵是一個歸一化的數(shù)據(jù),其大小表示了該點處前后左右的地質(zhì)特征變化關(guān)系。其值越小,表示其相關(guān)性越大;反之,相關(guān)性越小。

通過中小尺度裂縫(非連續(xù)性)檢測剖面(圖5和圖6),分析其剖面特征,可知五六七采區(qū)中小尺度裂縫發(fā)育程度橫向變化較大(圖5),葛泉東井比較穩(wěn)定(圖6),利于煤層保存。

圖5 五六七采區(qū)中小尺度裂縫檢測剖面(非連續(xù)性)Fig.5 Small and medium scale fracture detection profile (discontinuous) inWuliuqi Mining Area

圖6 葛泉東井中小尺度裂縫檢測剖面(非連續(xù)性)Fig.6 Small and medium scale fracture detection profile (discontinuous) in Gequan East Well Mining Area

2煤頂板中小尺度裂縫(非連續(xù)性)檢測平面(圖7)。五六七采區(qū)在南部和北部中小尺度裂縫較發(fā)育,發(fā)育較均勻,葛泉東井地層裂縫不發(fā)育。

圖7 2煤頂板中小尺度裂縫發(fā)育檢測平面(暖色:非連續(xù)性檢測)Fig.7 Small and medium-sized crack development detection plane of 2 coal roof(warm color:discontinuous detection)

3 流體預(yù)測

當(dāng)儲層中孔隙比較發(fā)育而且飽含流體時,地震波中高頻能量衰減要比低頻能量衰減要大。通過提取高頻端的衰減梯度屬性,可以間接地檢測儲層含流體發(fā)育特征。對研究區(qū)內(nèi)鉆孔進行多屬性提取測試(圖8),通過分析可知,大部分井透水性強的顯示段,吸收衰減較強;透水性強的巖性主要為物性好、裂縫發(fā)育;但同時發(fā)現(xiàn)煤層段吸收衰減強。需要進行煤層過濾,消除煤層引起的高衰減。

圖8 鉆孔屬性優(yōu)選(暖色:吸收衰減強,暗色:吸收衰減弱)Fig.8 Optimization of drilling properties(warm color:strong absorption attenuation,dark color:weak absorption attenuation)

在圖8中,自左向右屬性分別為總能量、最大能量、低頻屬性、全頻屬性、能量比、高頻衰減梯度、衰減頻率、部分能量。其中對最為敏感的為高頻衰減梯度,越紅,顏色越暖,吸收衰減越強;越綠,顏色越暗,吸收衰減越弱。因此,優(yōu)選高頻衰減梯度屬性,預(yù)測地層含流體性。

計算原理:

與致密的單相地質(zhì)體相比,當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中含流體如油、氣或水時,會引起地震波的散射和地震能量的衰減;斷層、裂縫等的存在也會引起地震波的散射,造成地震能量的衰減,因此,可以通過衰減屬性分析來進行預(yù)測。衰減屬性分析是通過計算反應(yīng)地震波衰減快慢的屬性體來指示孔隙度的大小和分布范圍(圖9)。當(dāng)孔隙比較發(fā)育而且飽含流體時,地震波中高頻能量衰減要比低頻能量衰減要大。通過提取高頻端的衰減梯度屬性,可以間接地檢測儲層含流體發(fā)育特征。圖10為基于高頻衰減梯度屬性的含水性預(yù)測連井剖面圖,其中暖色紅色代表含水性強的部分,藍色代表含水性弱的部分。

圖9 衰減梯度屬性用于流體檢測原理圖Fig.9 Schematic of the attenuation gradient property for fluid detection

圖10 煤層預(yù)測剖面(上)與流體預(yù)測剖面(下)(濾除煤層后)Fig.10 Coal seam prediction profile (top) and fluid prediction profile (bottom) (after filtering coal seam)

圖11為第四系底-2煤間地層流體分布預(yù)測厚度平面分布圖,暖色為流體發(fā)育,其中五六七采區(qū)中西部地區(qū)流體較發(fā)育,發(fā)育較均勻,葛泉東井流體不發(fā)育。

圖11 第四系底-2煤間地層流體分布預(yù)測厚度平面分布圖Fig.11 The plane distribution diagram of fluid distribution prediction thickness in Quaternary bottom-2 coal strata

4 富水性預(yù)測

利用多種地球物理信息,通過信息融合獲得地質(zhì)目標的精確信息,可以避免單一屬性的局限性和不確定性,提高勘探成功率。對經(jīng)過標準后的地球物理數(shù)據(jù)進行變換,在相同分辨率下進行信息融合,采用區(qū)域選擇法并結(jié)合加權(quán)方法,選擇代表各原始數(shù)據(jù)的明顯特征的系數(shù),構(gòu)成融合數(shù)據(jù)的金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),然后重構(gòu)融合信息。

1)原始地球物理數(shù)據(jù)的小波多分辨分解。

2)計算數(shù)據(jù)體對應(yīng)區(qū)域的匹配度。

3)計算權(quán)系數(shù)。

(3)

若

M(j)(x,y)>Mmin,則

(4)

若M(j)(x,y)≤Mmin,則

(5)

該權(quán)系數(shù)即為在各分辨率的分量中代表原始數(shù)據(jù)的明顯特征的系數(shù)。

4)信息融合。

5)融合數(shù)據(jù)的重構(gòu)。

融合數(shù)據(jù)中綜合了多種地球物理數(shù)據(jù)的有用信息,是多種地球物理數(shù)據(jù)的有用信息的總代表。

本次優(yōu)選流體(高頻衰減頻率)厚度、尺度裂縫(應(yīng)變強大)、小尺度裂縫(非連續(xù)性)特征,研究富水情況。

從頂板富水性分布圖(圖12)可知,五六七采區(qū)頂板富水區(qū)主要集中在中西部地區(qū),葛泉東井整體富水性差。

圖12 2煤層頂板富水性分布圖Fig.12 Water-rich distribution map of 2 coal seam roof

5 結(jié)論

1)通過應(yīng)力場分析和非連續(xù)性技術(shù)預(yù)測裂縫發(fā)育,研究區(qū)主要發(fā)育東南-西北、西南-東北兩個方向裂縫,五六七采區(qū)裂縫較發(fā)育,發(fā)育較均勻,葛泉東井地層裂縫不發(fā)育。

2)通過融合信息重構(gòu)進行流體預(yù)測,可發(fā)現(xiàn)五六七采區(qū)中西部地區(qū)流體較發(fā)育,發(fā)育較均勻,葛泉東井流體不發(fā)育。

3)利用消除煤層影響的高衰減預(yù)測砂巖的含水性,應(yīng)力分析裂縫發(fā)育特征,融合多屬性提取技術(shù)對應(yīng)的流體檢測結(jié)果預(yù)測煤層頂?shù)装搴?得到地層富水區(qū)結(jié)果:五六七采區(qū)中西部地區(qū)富水性好,葛泉東井富水性差。該結(jié)果為煤層開采過程中可能出現(xiàn)的漏水提供預(yù)警,可靠性待礦方進一步驗證。