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5煤田岩性地震勘探技术进展

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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煤田岩性地震勘探技术进展1 煤矿安全开采与岩性地震勘探提高地质成果的勘探精度、实现安全开采是我国煤炭行业今后的主要奋斗目标。影响煤矿安全开采的地质因素很多,如构造、水文、瓦斯、煤层顶底板条件等。目前,主要成熟的勘探手段之一是三维地震勘探,但也仅限于解决构造问题。而煤矿安全开采中的主要地质问题,包括煤层顶底板水文地质条件、瓦斯突出条件与力学性质均属岩性勘探范畴。构造地震勘探主要利用地震波的运动学特征,即利用地震波的旅行时和波速,计算出地层分界面上各点的埋藏深度,从而确定出地层的构造形态。岩性地震勘探除了利用地震波的运动学特征外,还利用地震波的动力学特征来研究地层的岩性。地震属性技术、相关/方差体技术、地震反演技术、地震相分析技术和谱分解技术是煤田岩性地震勘探的重要手段。2 震属性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,在煤田地震勘探中包括地震属性的提取、地震属性的分析、利用地震属性区分构造、岩性并进行目的层预测。地震属性的分类没有统一的标准,结合煤田地震勘探的特点,可以根据运动学/动力学特征把地震属性分成八个类别:时间、振幅、频率、相位、波形、相关、吸收衰减、速度。地震属性的类型很多,要根据解决的地质问题来选择相应的地震属性。地震属性技术的关键在于属性提取,提取方式包括同相轴属性提取和数据体属性提取。同相轴属性是与某个界面有关的地震属性,具体提取方法包括瞬时提取法、单道分时窗提取法和多道分时窗提取法。基于数据体的地震属性将产生一个完整的属性体,其最大优点是能产生相关型的数据,从而提供逐道之间地震信号相似性和连续性的有用信息。将固定的三维数据体转化为能反映一定地球物理特征的新三维数据体。最常见的是相干数据体和方差数据体。用实例 1——构造解释阳煤集团新景煤矿保安区东部完成了三维地震勘探工作,对 3 煤层、8 煤层和 15煤层进行了构造解释。图 1 是该区的典型地震剖面,可以看出地震剖面的信噪比较高,对应三个煤层的 、和 同相轴连续,可以连续追踪。图 2 是 3 煤层构造解释方案,3 煤层的构造相对比较简单,共解释断层 18 条,陷落柱 8 个。图 1 新景煤矿保安区东部典型地震剖面图 2 新景煤矿保安区东部 3 煤层构造解释方案提取了 的多个地震属性,根据本区煤层反射波的波形特征,选择时窗长度为25频为 45频带为 40~50 3 是 的地震属性,分别是振幅、方差、相似性、主频带能量和相位。 (a) 振幅 (b) 方差(c) 主频带能量 (d) 相位图 3 新景煤矿保安区东部 地震属性从属性切片中均可发现,在勘探区的东北部有一个构造异常区域(用黑色圆圈表示),在原构造方案中未进行解释。图 4 为异常区域内的地震剖面。结合地质资料进行综合分析,该构造异常区域为煤层变薄冲刷带。图 4 新景煤矿保安区东部 3 煤层构造异常区域的地震剖面图 5 是 8 煤层构造解释方案,8 煤层的构造相对比较简单,共解释断层 16 条,陷落柱 8 个。图 5 新景煤矿保安区东部 8 煤层的构造解释方案图 6 是 的地震属性,分别是振幅、相似性、主频带能量和相位。可以发现,所有地震属性在勘探区北部和南部差异明显,而原构造方案中未进行说明。结合地质资料进行综合分析,勘探区南部为煤层变薄区域(< (a) 振幅 (b) 相似性(c) 主频带能量 (d)相位图 6 新景煤矿保安区东部 用实例 2——岩性解释新景煤矿芦南二区北三正、副巷在掘进过程中发生瓦斯突出,7202 综采工作面在回采过程中也发生瓦斯突出,瓦斯突出点(红星)位置见图 7。图 7 中的红线范围是利用三维地震资料解释的 3 煤层变薄冲刷缺失带。北三正、副巷瓦斯突出点正在这个范围内,7202 综采工作面瓦斯突出点在这个范围的边缘。显然,瓦斯突出与煤层的变薄缺失密切相关。图 7 新景煤矿芦南二区 3 煤层瓦斯突出点位置图 8 是北三正巷的地震剖面,图 9 是北三副巷的地震剖面,图 10 是通过 7202 综采工作面瓦斯突出点的地震剖面,黄线代表 ,瓦斯突出区域用红色箭头表示。从地震剖面中可以看出,对应 3 煤层的 有两个相位,且信噪比较高。原解释方案根据第一相位的振幅变弱,相位转移等波形特征确定了 3 煤层的变薄缺失带范围是基本可信的。图 8 新景煤矿芦南二区北三正巷地震剖面图 9 新景煤矿芦南二区北三副巷地震剖面图 10 新景煤矿芦南二区 7202 综采工作面瓦斯突出点地震剖面提取了 的多个地震属性,根据本区煤层反射波的波形特征,选择时窗长度为17频为 65频带为 60~70 11 是 的地震属性,分别是振幅、相似性、主频、主频带能量和平均频率相位。从 地震属性图中可以看出 3 煤层的变薄缺失情况 (用黑色圆圈表示),在振幅切片上能量明显变弱(红色),在相似性切片上异常突出(红色),在主频切片上表现为高值(黑色 ),在主频带能量切片上表现为低值(蓝色) ,在相位切片上也存在较大差异。(a) 振幅 (b) 相似性 (c) 主频 (d) 主频带能量(e) 平均频率相位图 11 新景煤矿芦南二区 的地震属性相对于常规地震解释方法,利用地震属性能够更准确、更细致地划分 3 煤层的变薄缺失带。在这个范围内,煤层是部分变薄、部分缺失,北三正、副巷瓦斯突出点(图11 中异常) 的所有地震属性值接近煤层,与 7202 综采工作面瓦斯突出点的地震属性值基本一致。基于上述事实,本区的瓦斯富集带位于煤层变薄缺失带附近,更准确地说应该是3 煤层的变薄可能会导致瓦斯突出。因此,准确划分 3 煤层的变薄缺失带在就显得十分重要。论地震属性技术的主要特点是利用更多的地震信息(主要是动力学信息),并且借助计算机的高分辨能力对地震属性参数定量化,进行综合分析,避免了人为因素的影响。3 震反演技术地震反演利用地表观测地震资料,以已知地质规律和钻井、测井资料为约束,对地下岩层空间结构和物理性质进行成像(求解)的过程,是反演地层波阻抗(或速度)的地震特殊处理解释技术。地震反演方法具有明确的物理意义,是预测岩性的确定性方法,在油气勘探中取得了显著的地质效果。煤田地震反演工作起步较晚,处在叠后地震反演的研究和初步应用阶段。近年来,我们把地震反演技术应 用 于 多 家 煤 矿 , 其关注的重点是煤矿安全开采的有关地质问题,获 得 了 丰 富 的 地 质 成 果 ,主要包括:(1) 利 用 反演剖面提供的岩性信息来划分地层,研究煤 层 顶 板 的 稳 定 性 ;(2) 确定奥陶系灰岩顶部岩层中的含隔水性,查明含、隔水层的空间分布和厚度分布; (3) 圈 定 岩 浆 岩 侵 入 煤 层 的 范 围 ;(4) 预 测 煤 层 厚 度 ;(5) 预 测 煤 层 瓦 斯 富 集 带 ;(6) 划 分 新 生 界 下 部 地 层 岩 性 和 含 隔 水 性 。用实例 1——确定奥陶系灰岩顶部含、隔水层的空间分布和厚度分布在临沂矿业集团新驿煤矿下组煤水文地质补充勘探工作中,利用地 震 反演技术查明部分水文地质条件,主要包括奥陶系顶部含、隔水层的空间分布和厚度分布。研究成果突破了传统煤田地质学理论,表明奥陶系灰岩不完全是一个含水层,其顶部就有隔水层存在,可以为建立矿井突水的水量预测模型提供基础资料。在常规地震剖面上,无法对奥陶系内部进行分层,原因是信噪比低和反射系数小(相对煤层而言) 。但是利用地震反演剖面,借助相对波阻抗值的差异,便能够确定奥陶系顶部灰岩中的含、隔水层的空间分布和厚度分布。图 12 是水 1—群 2 联井反演地震剖面,从中可以看出奥陶系顶界面、隔水层和含水层的分层位置。图 13 是隔水层底界面的沿层波阻抗切片;图 14 是含水层底界面的沿层波阻抗切片。沿层波阻抗切片能够提供整个研究区域内的含、隔水层岩性信息,隔水层的平均波阻抗明显高于含水层的平均波阻抗,利用该信息能够比较准确地确定奥陶系灰岩中的含、隔水层的空间分布。图 12 联井反演地震剖面图 13 隔水层底界面沿层波阻抗切片图 14 含水层底界面沿层波阻抗切片16 煤奥陶系顶界面隔水层底界面含水层底界面奥陶系顶部隔水层时间间隔为 15算为厚度 30m;奥陶系顶部含水层时间间隔为 5算为厚度 10m;二者之间的过渡带厚度是变化的。利用上述信息,可以确定奥陶系顶部的含、隔水层的空间分布和厚度分布。用实例 2——预测煤层厚度彬长煤田大佛寺井田含煤 4 层,其中 4 煤层可采,均 特厚煤层。在常规地震剖面上,4 煤层对应的 振幅主要是由煤层顶、底板的反射系数决定的,无法辨别煤层厚度的变化。而反演地震剖面反映了地层的波阻抗变化,煤层在煤系地层中特征明显,其波阻抗值很低,与围岩存在巨大的阻抗值差异,因此能够比较准确地分辨出 4 煤层厚度的变化。图 15 为 与 的联井反演地震剖面,可以清楚地看出 4 煤层厚度与波阻抗的变化关系。表 1 为本区 9 个钻孔处 4 煤层的预测厚度与实际揭露厚度对比结果。通过表 1 可以看出,4 煤层预测的厚度与实际厚度基本吻合,根据该方法预测了全区 4煤层厚度。图 15 联井反演地震剖面表 1 4 煤层实际厚度与预测厚度对比表孔 号 实际揭露厚度(m) 预测厚度(m) 绝对误差(m) 论地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一,是一门集地震、测井、地质、计算机等多学科的综合地球物理勘探技术。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,推断煤系地层岩性在平面上的变化情况,这样就把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来,实行优势互补,大大提高三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度。4 震相分析技术在进行煤系地层岩性解释过程中,普遍采用波阻抗反演和地震属性技术。随着煤矿开发对地层岩性信息的要求不断增加,这两种技术在某些程度上无法满足实际生产的需要,因为它们均无法评价地震信号的总体变化程度。任何与地震波传播有关的物理参数变化都反映在地震道波形的变化中,可以使用样点值随时间的变化来刻画和衡量地震道波形变化,这就是基于波形的地震相分析技术。基于波形的地震相分析技术综合利用了地震波的频率、相位、速度、能量等各种信息,是基于地震信号整体差异的分类,克服了上述缺陷,具有独特解决问题的能力。用实例——确定煤层中冲刷带范围恒源煤矿Ⅱ62 采区三维地震资料动态解释过程中,在 6 煤层发现了两个冲刷变薄带。时间剖面上的反射波形特征明显,主要表现为振幅削弱、频率增高、相位增多、反射波连性变差等特点;如果煤层缺失,则表现为反射波的消失,见图 16 中的红圈。图 16 冲刷变薄带在地震剖面上的显示鉴于正常煤层和冲刷变薄带的波形特征存在明显差异,可以借助地震属性和地震相分析技术确定冲刷变薄带的范围。沿 6 煤层位时间向上、向下各 10建一个21厚层段,在这个层段上提取多个地震属性并划分了 5 类地震相,充分考虑了地震波的振幅、频率、相位和波形特征。图 17 是 6 煤层的地震属性切片和分类数为 5 的地震相分布图,利用这些地震属性能够准确确定 6 煤层的冲刷变薄带范围。(a) 能量 (b) 相位(c) 相似性 (d) 5 类地震相分布图 17 6 论基于波形的地震相分析技术综合利用了地震波的频率、相位、速度、能量等各种信息,即基于地震信号的整体差异进行分类,因此可以作为弥补常规地震属性技术无法把握地震信号总体变化的一种手段。5 分解技术谱分解技术的理论基础是薄层反射系统可产生复杂的谐振反射,利用薄层反射的频率属性可指示时间厚度变化。谱分解技术就是利用薄层调谐体离散频率特性,通过分析复杂岩层内频谱变化和局部相位的不稳定性,识别薄地层的横向分布特征。用实例——圈定岩浆岩侵入煤层的范围皖北煤电集团公司卧龙湖煤矿岩浆岩侵入现象严重,利用利用谱分解技术和地震相分析技术解释北一采区 6 煤层的岩浆岩侵入,确定了 6 煤层的岩浆岩侵入边界。对于 6 煤层反射波( ),正常煤层与岩浆岩侵入煤层之间存在着明显的频率差异,见图 18。图 18(a)是正常煤层 的频谱,其主频为 65 18(b)是岩浆岩侵入 的频谱,其主频为 89过对比可知,当煤层被岩浆岩侵入后其反射波的主频增高,频谱宽度明显增加。因此,对 进行谱分解处理,选择低频、中频和高频谱分解切片作为解释的依据,见图 19。(a) 正常煤层反射波频谱 (b) 浆岩侵入反射波频谱图 18 频谱特征(a) 25分解切片 (b) 45分解切片(c) 65分解切片 (d) 85分解切片图 19 谱分解切片通过对比 的谱分解处理结果,发现岩浆岩侵入 6 煤层在谱分解切片上有以下主要特征:(1) 在低频段谱分解切片上表现为低能量,随着频率的提高,其能量越来越强。形成这一现象的主要原因在于煤层被岩浆岩侵入后,残存的煤层较薄,反射波能量主要集中在高频段。在 25片上其能量极低;在 45片上其能量有所提高,但明显低于正常煤层的能量;在 65片上其能量与正常煤层的能量同样强;在 85片上其能量略强于正常煤层的能量。(2) 在所有频段的谱分解切片上都有一定的能量,有时与正常煤层的反射能量相当。但是,在频率为正常煤层主频(65的谱分解切片上,其能量明显小于正常煤层的反射。根据这一认识,利用谱分解技术可以划分出 6 煤层的岩浆岩侵入区,见图 19 中的黑线范围。对于 6 煤层,当煤层的岩性不同时 的波形间存在着一定的差异。利用这一特点可对 进行地震相分析,对比不同时窗长度和分类数的地震相分类图,发现时窗选 15 5 类时的地震相图与实际钻孔揭露的情况最为符合,见图 20。因此,利用地震相分类结果划分出 6 煤层岩浆岩侵入区(黑线范围)。在图 20 中,绿色和青色区域基本对应正常煤层,红色和紫色区域基本对应岩浆岩侵入区。图 20 地震相图利用谱分解技术和地震相分析分别对 6 煤层的岩浆岩侵入区进行了解释,将两种解释结果进行数据融合后得到最终解释成果,见图 21。在图 21 中,粉色线范围为地震相分析所解释的岩浆岩侵入区,绿色线范围为谱分解技术所解释的岩浆岩侵入区。对比这两个区域,发现在大部分范围内两条线几乎重合,仅在个别地区两种方法所解释的岩浆岩侵入范围存在一定差异。1 6 论通过对三维地震数据进行谱分解处理能够加强煤层构造、煤层厚度的定量分析。谱分解技术可以预测薄煤层厚度,并且可以提高小构造的解释精度。
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