三維地震勘探對煤層頂底板巖性精細解釋技術研究與應用

韓 霞

(潞安化工集團 能源事業部地測部,山西 長治 046204)

三維地震物探是二維地震的擴展和延伸,通過面積測量技術獲得地質體的詳細信息[1]。歷經20多年的發展,雖然諸如小波分析、相干體技術及地震屬性技術等取得了長足進步,但是針對高精度地區的構造、巖性解譯仍然存在不確定性[2]。隨著煤礦采掘不斷延伸、集約高效礦井產能的不斷釋放,對煤礦高效安全生產的綜合能力要求也在不斷提升,煤礦的綜合防災抗災現狀也日趨嚴竣,三維地震勘探技術也被廣泛應用于煤礦安全生產的各個環境,如水、瓦斯、頂板等災害防治等。楊雙安等[3]系統分析了煤田三維地震技術的應用前景,指出結合CT掃描和三維地震技術可以實現地下數字化,為礦井異常構造提供高效地質保障;高遠等[4]系統分析了強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]用三維地震探測了內蒙古呼山煤田的多煤層地質結構;莊益明和吳奕峰[6]利用三維地震解釋了煤層地質隱伏構造發育特征;湯紅偉[7]探討了復雜地表條件下陡傾角煤層區三維地震勘探技術方法;針對薄煤層探測難題,胡朝元[8]利用交錯網格有限查分聯合高密度地震勘探技術大幅提高了薄煤層探測精度。在實際礦井生產中,地質災害類型與煤層及頂底板的賦存形態及巖性發育特征直接相關,如何有效探測煤層及頂底板的賦存形態及巖性發育特征成為煤礦防止或杜絕上述重大災害因素的關鍵技術。雖然近年來三維精細解釋技術取得了較快發展,但是對礦井煤層、頂底板賦存形態及巖性特征精確解釋還存在諸多問題。

基于此,論文通過不同礦井的三維地震勘探結果對比分析,利用三維地震勘探的高分辨率反演技術和相干體立體解譯方法,確定煤層底板賦存和發育狀態,為煤礦安全生產提供了可靠地質保障。

1 探測原理及思路

1.1 探測原理

利用三維地震勘探的高分辨率反演技術,基于相干體的立體解釋的方法,從線、道、相干切片交互驗證解釋,結合巖石物理分析結果,構建鉆孔與地震信息,建立三維地震數據與鉆孔數據的聯系,進而開展疊后反演工作,提高其精度和準確性。通過高分辨率反演預測煤層厚度,精細解釋煤層頂底板,消除地震的調諧效應對于煤層頂底板預測的影響,從而達到對煤層及頂底板賦存形態及巖性發育情況精細解釋之目的。

1.2 探測思路

在實際礦井生產過程中,煤層頂板類型及發育程度直接影響地質安全,并一定程度上決定了采掘和支護方式。為了準確掌握頂板發育特征,在充分考慮煤礦安全生產的基礎上,如下問題急需解決:

1) 煤層及頂底板賦存形態的研究。煤層頂底板巖層及形態直接影響礦井水、瓦斯災害的發生和發展,并決定了支護方式和采掘。因此,工作面布置前需以測井、地震、地質資料為基礎,聯合井、震等資料開展地震反演工作,包括井震標定、子波評價、低頻分析、屬性分析、疊后確定性反演和高分辨率疊后地質統計,獲得煤層、頂底板以及其他主要標志層位的賦存特征和形態。

2) 煤層破碎帶及裂縫發育帶預測。煤層破碎帶與地質構造相伴生,是礦井水、瓦斯災害的高發區,如何準確探測極為重要。按照有疑必探的原則,在采掘前利用曲率屬性、相干屬性以及構造精細解釋成果綜合分析預測煤層潛在破碎帶或者裂縫發育區是行之有效的方法和技術。

3) 煤層頂底板巖性及發育類型的精細解釋。煤層頂底板巖性及類型是礦井安全采掘的基礎,結合高分辨率反演預測煤層厚度,精細解釋煤層頂底板,消除地震的調諧效應對于煤層頂底板預測的影響能為煤礦安全生產提供可靠保證。

4) 微小構造的精細解釋。長期以來,井田中斷距小于5 m的小斷層預測和探測是行業性難題。基于相干體的斷層立體解釋的方法,從線、道、相干切片交互驗證解釋,精細解釋斷層及陷落柱可能是提升預測精度的有效途徑和技術。

2 應用實例

基于以上分析,研究區選擇在潞安壽陽長榆河煤業有限公司。長榆河煤礦目前采掘深度較大,地質條件比較復雜,煤層及頂底板賦存狀態復雜多變,由此引起礦井防治水、瓦斯及頂板的災害因素的不確定性較大,其中南六采區地質條件尤為典型,為三維地震勘探預測提供了良好靶區。

2.1 地質條件

南六采區為典型的黃土高原地貌,表現為強烈的切割梁、峁狀黃土丘陵的侵蝕形,沖溝密集而狹窄,谷底基巖出露,區內植被稀少,勘查區內第四系厚度及覆蓋層分布極不均勻,給地震激發層位的選擇帶來了很大的難度。另外,黃土層對地震波的吸收衰減極為強烈,對其向下傳播極為不利,如何有效區分、識別是難題。

根據區內鉆孔揭露的實際情況,4號煤層埋深209～543 m,8號煤層埋深302～699 m.太原組(C3t) 以K1砂巖為底連續沉積于本溪組之上,厚度78.60～109.92 m,平均92.49 m.含煤4層,其中8號、9號煤層厚度大,穩定可采。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.按旋回結構分三段:下段由碎屑巖組成,其上部發育1層厚煤層,即4(3+4)號煤層;中段以碎屑巖為主夾1層薄煤層(2號煤);上段為碎屑巖,夾不穩定層的煤層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,是一個較好的波阻抗界面,能產生較強的反射波,具備地震勘探的良好條件。

2.2 煤層及頂底板物性分析

三維地震勘探是地層對地震波的響應,本質上為上下界面的波阻抗等彈性參數的變化量,實際上反映的是上下界面的彈性參數-速度與密度,而巖石物理是聯系地震與煤層的橋梁,是應用地震及測井資料研究煤層的理論基礎。

1) 頂底板巖石體積模型。把巖石體積分成巖石骨架、泥質、孔隙(飽和含水)三部分(表1),作為頂底板巖性體積模型參數對測井響應的貢獻之和。

表1 體積模型解釋參數

2) 煤層體積模型。把煤層體積分成純煤(包括固定碳和揮發分)、灰分(包括泥質和其他礦物)、水分(孔隙中充滿水)三部分(表2),作為煤層體積模型參數對測井響應的貢獻之和。

表2 解釋參數

3) 煤層巖石物理分析技術。縱波阻抗可以很好地區分煤砂巖以及泥巖,為后續的煤系地層的巖性預測提供依據;部分煤層內夾矸與煤巖在縱波阻抗內僅有小部分疊置,造成這部分疊置的原因主要是炭質泥巖的巖石物理特性與煤巖相近。煤層(9+10)及頂底板主要由3種巖性組成,包括煤巖、泥巖、砂巖和砂質泥巖,在縱波阻抗范圍內具有很好的區分度;從對煤層(9+10)內夾矸的統計分析來看,除了部分泥巖(炭質泥巖)與煤巖有一定的疊置,總體上區分度仍然是較好的。煤層頂底板3種巖性的縱波阻抗的差異很大,通過高精度反演可以較好地區分煤層以及頂底板的巖性;該煤層的夾矸主要是泥巖(炭質泥巖),與煤巖的疊置較大,在預測該煤層夾矸時會存在一定的誤判。

2.3 研究技術流程

從測井、地震、地質資料出發,對各種資料進行質控;開展測井環境校正、一致性處理與解釋、巖石物理評價及巖性分析;同時,開展數據質控、優化,得到適合地震反演的地震疊后資料;應用井、震等資料開展地震反演工作,包括井震標定、子波評價、低頻分析、屬性分析、疊后確定性反演和高分辨率疊后地質統計學反演等工作;最后,綜合所有煤系地層預測成果和地質認識,客觀評價煤層頂底板的賦存形態以及潛在破碎帶或者裂隙發育規律。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)會引起AVO特征差異性變化的特點,開展瓦斯地層及含水區域解釋研究。由于本次研究沒有收集到地震道集數據,故潛在流體發育區的預測采用多種信息融合的方法,進行對煤層頂底板潛在賦存規律的預測,見圖1.

圖1 三維地震勘探流程圖

3 結果與討論

1) (9+10)號煤層起伏形態特征。(9+10)號煤層是本區深部的主采煤層,在時間剖面上反映為一復合波,反射波能量強、連續性好。探測結果發現煤層標高在160～315 m之間,(9+10)號煤層賦存最深處在勘探區的西南部,標高約為160 m,最淺處在勘探區東北部,標高約為315 m.勘探范圍內煤層褶曲發育較少,整體表現為一西南低、東北高的單斜構造,傾角平均4.5°.

2) 煤層厚度及夾矸厚度分析。根據鉆孔實際揭露(9+10)號煤層的資料,以地震開展高分辨率地質統計學反演成果為核心,參考時間剖面和(9+10)號煤層的反射波振幅屬性特征進行解釋,結合頻率相干等屬性對比,發現(9+10)煤層層位穩定,結構較簡單,探測厚度6.20～8.95 m,平均7.89 m.最厚處位于測區東南部,厚度達到8.95 m.

3) 煤層頂底板的巖性預測。煤層頂底板巖性直接關系到煤層的安全開采以及采動對于煤層頂底板的含水、含氣性。目前,常規方法無法精確預測煤層以及煤層頂底板巖性,而地震數據常規反演分辨能力大于26 m,采用地質統計學反演,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底板巖性的預測問題。結合FXS-06鉆孔數據,分析發現煤層頂板為細砂巖和砂質泥巖的組合,厚度介于0.69～4.35 m之間,底板為砂質泥巖、細砂巖、砂質泥巖組合,厚度介于2.63～4.05 m.

4) 煤層破碎帶預測。煤層破碎帶是原始煤層在構造作用下斷裂、破碎的結果,其實際暗示礦井構造帶。綜合現有的研究成果,逐級檢查,逐級驗證,逐級精細,從斷層到裂縫帶,最終確定易破碎帶的展布范圍。綜合分析結果顯示,研究區的主體構造主要分布在南部邊界,在礦井中部及北西部局部地區主要以斷層為主,陷落柱則呈現出與斷層疊加的狀態,與礦井勘探結果一致。

破碎帶是構造變形、斷裂的附屬產物,結合信息融合方法和破碎帶發育范圍和程度,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,與構造和斷裂系統密切相關;②二類易破碎帶:由于曲率體主要是反映裂縫的發育區,故結合構造特點,如果僅曲率具有異常相應,則認為是二類易破碎帶。研究區東部發育一類破碎帶,該發育帶范圍較廣,是受斷層和裂縫的雙重影響;而北部發育范圍較小,也是發育規模較小的一類破碎帶;在研究區西部與斷裂結合發育一類破碎帶;而二類破碎帶主要是發育研究區的中部,主要是受構造影響引起裂縫制約。

4 結 語

論文構建了三維地震勘探技術模型和思路,基于相干體的立體解譯方法,結合巖石物理分析、鉆孔揭露地質信息,確定并預測煤層頂底板巖性及構造特征。結果如下:

1) 三維地震的實質是探測地震波在不同反射界面的速度和密度差異,難點是消除地震的調諧效應。高分辨率地震反演在煤層頂底板精細解釋、煤層厚度和夾矸厚度預測方面預測精度遠大于常規解釋技術,從煤礦實際生產出發需準確預測煤層發育特征、頂底板巖性及厚度、隱伏構造、煤層破碎帶裂隙及規模等,為礦井安全生產提供地質保障。

2) 以壽陽長榆河煤業南六采區為例,基于煤層及頂底板巖性分析構建三維物探識別模型、分析技術及流程,探討了(9+10)號煤層發育特征、煤厚、頂底板巖性及煤層破碎帶規模等,發現其預測結果與實際揭露誤差較小,具有廣泛的推廣應用價值。