地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (1): 355-361   PDF    
利用地震岩性信息研究煤层冲刷规律
崔大尉1,2, 于景邨2     
1. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室, 徐州 221008;
2. 中国矿业大学资源与地球科学学院, 徐州 221116
摘要:通过构建煤层冲刷带地质模型, 进行正演模拟计算, 利用正演模拟数据研究煤层冲刷规律.应用地震属性技术, 谱分解/地震相分析技术和地震反演技术获取多种地震岩性信息.利用这些信息, 结合钻孔资料和矿井地质资料, 对煤层冲刷规律进行综合分析研究.与传统解释方法相比, 地震岩性信息综合解释方法能够更准确地圈定煤层冲刷范围.
关键词煤层冲刷     三维地震     地震属性     地震反演    
Study on the coal erosion regularity using seismic liyhology information
CUI Da-wei1,2, YU Jing-cun2    
1. Key Laboratory of Ministry of Education of Gas Resources & Reservoir Formation Process, Xuzhou 221008, China;
2. College of Resource and Earth Sciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China
Abstract: In this paper, the coal erosion model is designed and simulated numerically. The coal erosion regularity is studied on synthetic data. Multiple seismic lithology information is obtained by use of seismic attribute technique, spectrum decomposition technique, seismic faces analysis and seismic inversion technique. The coal erosion regularity is comprehensively analyzed and studied by seismic lithology information with drilling and mining geology data. Comparison with conversion interpretation method, the multiple seismic lithology interpretation method can accurately locate the coal erosion range.
Key words: coal erosion     3D seismic     seismic attribute     seismic inversion    

0 引 言

煤层冲刷带一般是指水流对泥炭层或煤层的冲蚀,并通常由砂质沉积物充填而成的地质综合体,是一种常见的矿井地质现象(刘俊杰,2004).由于构成冲刷带的岩石较煤层的硬度大,给综合机械化采煤造成不利影响,且在某些高瓦斯矿区煤层冲刷区域易发生瓦斯突出,威胁安全生产,所以研究煤层冲刷的分布规律受到煤矿生产部门的高度重视.

在长期的生产实践过程中,形成了多种对煤层冲刷带定位及定量预测的有效方法.王宇林等(1998,2002)提出了煤层冲刷带的分类方案,并且利用煤层顶板砂体等厚图对煤层冲刷带进行了预测(王宇林等,1998王宇林等,2002);刘俊杰(2004)运用地质统计学方法预测了煤层冲刷带的发育与展布规律(刘俊杰,2004);李普涛等(2007)介绍了沉积分析法、矿井物探法和地质统计法等三种常用的煤层冲刷带预测方法(李普涛等,2007);郑岩等(2007)根据煤层冲刷带在地震时间剖面的响应特征(地震波同相轴中断或变弱)以及沿煤层振幅切片变弱的特点解释煤层冲刷带(郑岩等,2007);吴奕峰等(2010)利用地震属性解释煤层冲刷带(吴奕峰等,2010).这些方法基本上分为两类,一类是利用传统地质手段(钻探、巷探)获得信息,由于信息量小,故解释精度偏低;另一类是利用三维地震信息,主要是运动学信息和单一动力学信息(如振幅),对于深部开采条件下的多煤层组,地震信号的信噪比较低,提取的地震属性具有多解性,因此划分的煤层冲刷带范围与实际情况出入较大.

淮南矿业集团顾桥煤矿中央区二水平8煤层的开采深度为700~1050 m,受冲刷影响形成宽940~1200 m、面积6.6 km2的冲刷区(图9中红线范围),直接影响到开采工作面的布置.8煤层的平均厚度仅为2.65 m,由于埋藏较深,同时受上部13-1煤层(平均厚度为2.65 m)、11-2煤层(平均厚度为2.65 m)的强屏蔽作用,8煤层反射波信噪比较低,连续性较差.针对该区的具体情况,我们利用地震属性技术、谱分解/地震相分析技术和地震反演技术,从三维地震数据体中和波阻抗数据体中提取了反映8煤层冲刷带的多种动力学 (岩性)信息.利用地震属性切片和波阻抗切片,对8煤层冲刷范围进行综合解释,圈定冲刷范围和可采范围,为二水平8煤层开采巷道、工作面布置提供准确的地质资料.研究工作的特点是充分利用三维地震资料、地面钻孔和测井资料、二水平巷道8煤层实见矿井地质资料,综合分析研究8煤层的冲刷规律.

1 煤层冲刷带正演模拟

为研究8煤层冲刷带的地震响应规律,根据区域地质条件设计了煤层冲刷带模型,如图1所示.地质模型中,模型长度1000 m,模型深度1500 m,共有5个单斜煤层,分别是13-1煤层、11-2煤层、8煤层、6煤层和1煤层.煤层顶底板均为砂岩,8煤层中部为砂岩冲刷区,并包含两个冲刷变薄过渡区域.煤层冲刷带模型的几何与物性参数见表1.

图 1 煤层冲刷带模型 Fig.1 The coal erosion model

表1 煤层冲刷带模型的几何与物性参数 Table 1 Geometric and geophysical parameters of the coal erosion model

根据煤层冲刷带模型进行了正演模拟计算,放炮接收方式为“自激自收”,地震道为201道,道间距为5 m,选用50 Hz的零相位雷克子波,子波长度为100 ms,采样间隔为1 ms,得到煤层冲刷带模型的正演剖面,如图2所示.

图 2 煤层冲刷带模型的正演剖面 Fig.2 Synthetic section of the coal erosion model

图2中可清楚看到,8煤层反射波(T3)同相轴在冲刷区有明显异常.为了更加深入的研究煤层冲刷规律,对正演模拟数据和实际地震资料分别进行了岩性(动力学)信息的提取与分析.

2 地震属性
2.1 正演模拟数据的地震属性提取

地震属性是指从叠前和叠后地震数据中提取出来的运动学、动力学和统计学地震特殊测量值.地震属性技术是指提取、显示、分析和评价地震属性的技术(Rijks et al., 1991; 张延玲等,2005吕公河等,2006刘诚等,2007).针对煤层冲刷带模型的正演模拟数据,提取了T3波的21种地震属性,并择优选取了4种地震属性进行分析,如图3所示.

图 3 正演模拟数据T3波的地震属性
(a) 主频; (b) 平均振幅; (c) 主频相位; (d) 低频带能量.
Fig.3 3 Seismic attributes of T3 reflection in synthetic data
(a) Dominant frequency; (b) Average amplitude; (c) Phase corresponding to dominant frequency; (d) Low-band energy. argillaceous sandstone

图3(a)中,正常煤层反射波的主频在45 Hz左右,冲刷带的频率低于正常煤层;图3(b)中,冲刷区的主频振幅较正常煤层明显要弱,但在低频带范围,却表现为较高能量(图3(d)),且反射波相位在冲刷区内变化剧烈(图3(c)).综上所述,正演模拟数据的地震岩性(动力学)信息特征符合地质规律,为后续研究工作提供了理论依据.

2.2 实际地震资料的地震属性提取

基于正演模拟的结果,对实际地震资料的T3波进行了地震属性提取.根据8煤层反射波的波形特征,选择时窗长度为21 ms,主频为45 Hz,分别提取了平均振幅、主频、主频相位、低频带能量等四个地震属性,并择优选择平均振幅、主频属性进行分析,如图4所示.图4(a)平均振幅切片中,红色、黄色代表振幅较强,即煤层正常区域;蓝色代表振幅较弱,对应煤层冲刷变薄带.图4(b)低频带能量切片中,正常煤层的低频带能量集中较弱,表现为蓝色、绿色;煤层冲刷变薄带的低频带能量呈现高值,表现为黄色、红色.T3波地震属性的异常与正演模拟的结果基本吻合.

图 4 实际地震资料T3波地震属性切片
(a) 平均振幅; (b) 低频带能量.
Fig.4 Seismic attribute slices of T3 reflection in real seismic data
(a) Average amplitude; (b) Low-band energy.
3 谱分解

谱分解技术是一种新的叠后数据处理和解释技术,它通过时频分析方法将时间域的地震数据转换为频率域的地震数据.由于不同频率的地震信号对各种地质异常体的敏感度不同,在刻画地质异常体厚度变化及描述地质异常体横向不连续性等方面,谱分解技术已被证明为非常有效的方法(Partyka et al., 1999; 刘喜武等,2007路鹏飞等,2007杨培杰等,2007单娜琳等,2007Puryear et al., 2008; 刘喜武等,2008).砂体侵入煤层使得煤层岩性发生变化.因此,利用谱分解结果能有效地识别煤层冲刷变薄带.

图5(a)是正演模型数据T3波的能量谱,其中图5(a)为正常煤层反射波的能量谱,图5(b)为冲刷变薄带反射波的能量谱.通过对比,可以发现正常煤层的主频为46.9Hz,而冲刷区的主频仅为28.3Hz,两者差异明显.

图 5 正演模拟数据T3波的能量谱 Fig.5 Energy spectra of T3 reflection in synthetic data
(a) Normal coal bed; (b) Erosion and pinch-out coal bed.

对实际地震资料T3波进行了谱分解处理,并提取25 Hz和45 Hz谱分解切片进行分析,见图6.从谱分解切片中可以看出:在低频段(25 Hz),煤层冲刷变薄带能量占优势,呈现红色、黄色,正常煤层能量占劣势,呈现蓝色;但在高频段(45 Hz),情况正好相反,正常煤层能量占优势,呈现红色、黄色,煤层冲刷变薄能量带占劣势,呈现蓝色.T3波谱分解结果与正演模拟结果的规律相符.

图 6 实际地震资料T3波谱分解切片
(a) 25 Hz; (b) 45 Hz.
Fig.6 Spectrum decomposition slices of T3 reflection in real seismic data argillaceous sandstone
(a) 25 Hz; (b) 45 Hz.
4 地震相分析

地震相分析是建立在地震道波形特征识别和分类的基础上,地震道波形是地震响应参数的综合反映.地震相划分主要是依据波形分类法,将地层的横向变化通过地震波的波形变化体现出来(Linari et al., 2003; Coleou et al., 2003; Gao et al., 邓传伟等,2008).

图2中可以清楚地看出,与正常煤层相比,地震波形特征在煤层冲刷变薄区内发生明显改变.通过对实际地震资料进行波形分类处理,获得T3波的多个地震相分类图,结合区内钻孔资料可以发现,分类数为7的地震相分类图可信度较高,如图7所示.图中褐色、紫色区域为煤层冲刷变薄带;绿色、黄色、红色为正常煤层.

图 7 实际地震资料T3波地震相分类图 Fig.7 Seismic faces classification map of T3 reflection in real seismic data
5 地震反演

地震反演就 是利用观测数据恢复地下地质结构和岩石性质的方法, 狭义地说, 反演就是从有限频带宽度的地震数据中恢复出宽带波阻抗,因此地震反演通常特指波阻抗反演.波阻抗反演技术根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件,对井旁地震资料进行约束反演,并在此基础上对孔间地震资料进行反演,推断地层岩性在平面上的变化情况(马劲风,2003张宏兵等,2003张爱印等,2004杨光大等,2005).

通过对表1的分析可以看出,砂岩的纵波速度VP和密度ρ同正常煤层相比差异较大.因此,冲刷区(砂岩)的波阻抗值AI=VPρ高于正常煤层.

对实际地震数据进行波阻抗反演,并从波阻抗数据体中提取了8煤层底板的波阻抗切片,即获得8煤层底板的岩性信息,见图8(a).研究区域内8煤层厚度变化较大,平均厚度在3 m左右,因此又提取了8煤层底板至其上部2 ms (根据本区地层平均速度转换成3 m)的波阻抗平均值切片,它能够提供煤层厚度的变化信息,见图8(b).

图 8 实际地震资料8煤层波阻抗切片
(a) 煤层底板; (b) 平均值.
Fig.8Fig.8 Impedance slice of No.8 coal bed in real seismic data
(a) Coal bottom; (b) Average.

由于利用测井资料的约束,波阻抗切片的分辨率较地震属性切片有了大幅度提高,不但清晰的反应出异常区的位置,而且能够大致地反映煤层厚度的变化趋势,区分煤层冲刷带与变薄带.在图8中,色标由绿色变紫色,对应的波阻抗值由小变大.黑线范围内为煤层冲刷变薄区,煤层厚度小于0.7 m,波阻抗切片的色标为深红色;黑线范围内为煤层完全冲刷区,波阻抗切片的色标为蓝色.

6 煤层冲刷带的综合解释

本次研究工作中,从实际地震资料中提取了大量岩性信息.综合钻孔资料和二水平巷道8煤层实见矿井地质资料,可以看出地震反演成果的分辨率最高,更符合地质规律.故综合解释方案以地震反演成果为主,其他岩性信息(包括平均振幅、低频带能量、25 Hz谱分解和7类地震相)为辅,最终获得了煤层冲刷变薄带范围,见图9.

图 9 8煤层冲刷变薄带范围 Fig.9 Erosion and pinch-out range of No.8 coal bed

图9中,蓝色阴影区域为煤层完全冲刷区域,黑色阴影区域为8煤层冲刷变薄区域(<0.7 m),红线间区域内为利用钻孔资料确定的冲刷带范围,实见冲刷钻孔用红色圆点表示,煤层正常钻孔为黑色圆点.显而易见,不同方法确定的8煤层冲刷变薄范围相差很大,地震岩性信息综合解释方法的分辨能力和可靠程度远高于传统地质手段.

7 结 论
7.1

构建了煤层冲刷带地质模型,进行正演模拟计算,利用正演模拟数据研究煤层冲刷规律.

7.2

利用多种岩性处理手段对实际地震资料进行处理,包括地震属性技术、谱分解/地震相分析技术和地震反演技术,获得了多种地震岩性信息,煤层冲刷变薄带在多种地震岩性(地震属性和波阻抗)切片上均有反映.

7.3

利用多种地震岩性信息,结合钻孔资料和矿井地质资料,对煤层冲刷变薄带进行了综合解释,并且区分了煤层完全冲刷带和冲刷变薄带的分布范围.

7.4

利用地震岩性信息综合解释方法研究煤层冲刷规律,其分辨能力和可靠程度远高于传统地质手段,同时减少地球物理勘探结果多解性的影响,所提供的研究成果为煤层开采巷道、工作面布置提供准确的地质资料.

致 谢 感谢国家自然基金项目(u1261202)对研究工作的支持.

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