煤田巖性地震勘探技術(shù)進展

1、2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),1,煤田巖性地震勘探技術(shù)進展,崔若飛 中國礦業(yè)大學(xué) 二零一一年十月,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),2,匯報提綱,煤礦安全開采與巖性地震勘探 地震屬性技術(shù) 地震反演技術(shù) 地震相分析技術(shù) 譜分解技術(shù),2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),3,1 煤礦安全開采與巖性地震勘探,提高地質(zhì)成果的勘探精度、實現(xiàn)安全開采是我國煤炭行業(yè)今后的主要奮斗目標(biāo)。影響煤礦安全開采的地質(zhì)因素很多，如構(gòu)造、水文、瓦斯、煤層頂?shù)装鍡l件等。目前，主要成熟的勘探手段之一是三維地震勘探，但也僅限于解決構(gòu)造問題。而煤礦安全開采中的主要地質(zhì)問題，包括煤層頂?shù)装逅牡刭|(zhì)條件、瓦斯突出條件與力學(xué)性質(zhì)

2、均屬巖性勘探范疇。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),4,1 煤礦安全開采與巖性地震勘探,構(gòu)造地震勘探主要利用地震波的運動學(xué)特征，即利用地震波的旅行時和波速，計算出地層分界面上各點的埋藏深度，從而確定出地層的構(gòu)造形態(tài)。巖性地震勘探除了利用地震波的運動學(xué)特征外，還利用地震波的動力學(xué)特征來研究地層的巖性。地震屬性技術(shù)、相關(guān)/方差體技術(shù)、地震反演技術(shù)、地震相分析技術(shù)和譜分解技術(shù)是煤田巖性地震勘探的重要手段。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),5,2 地震屬性技術(shù)2.1 地震屬性,地震屬性是指從疊前和疊后地震數(shù)據(jù)中提取出來的運動學(xué)、動力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)地震特殊測量值。地震屬性技術(shù)是指提取、顯示、分析和評

3、價地震屬性的技術(shù)，在煤田地震勘探中包括地震屬性的提取、地震屬性的分析、利用地震屬性區(qū)分構(gòu)造、巖性并進行目的層預(yù)測。 地震屬性的分類沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合煤田地震勘探的特點，可以根據(jù)運動學(xué)/動力學(xué)特征把地震屬性分成八個類別：時間、振幅、頻率、相位、波形、相關(guān)、吸收衰減、速度。地震屬性的類型很多，要根據(jù)解決的地質(zhì)問題來選擇相應(yīng)的地震屬性。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),6,2.1 地震屬性,地震屬性技術(shù)的關(guān)鍵在于屬性提取，提取方式包括同相軸屬性提取和數(shù)據(jù)體屬性提取。同相軸屬性是與某個界面有關(guān)的地震屬性，具體提取方法包括瞬時提取法、單道分時窗提取法和多道分時窗提取法。基于數(shù)據(jù)體的地震屬性將產(chǎn)生一

4、個完整的屬性體，其最大優(yōu)點是能產(chǎn)生相關(guān)型的數(shù)據(jù)，從而提供逐道之間地震信號相似性和連續(xù)性的有用信息。將固定的三維數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)化為能反映一定地球物理特征的新三維數(shù)據(jù)體。最常見的是相干數(shù)據(jù)體和方差數(shù)據(jù)體。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),7,2.2 應(yīng)用實例1構(gòu)造解釋,陽煤集團新景煤礦保安區(qū)東部完成了三維地震勘探工作，對3煤層、8煤層和15煤層進行了構(gòu)造解釋。圖1是該區(qū)的典型地震剖面，可以看出地震剖面的信噪比較高，對應(yīng)三個煤層的T3波、T8波和T15波同相軸連續(xù)，可以連續(xù)追蹤。 圖2是3煤層構(gòu)造解釋方案，3煤層的構(gòu)造相對比較簡單，共解釋斷層18條，陷落柱8個。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),8

5、,圖1 典型地震剖面,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),9,圖2 3煤層構(gòu)造解釋方案,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),10,提取了T3波的多個地震屬性，根據(jù)本區(qū)煤層反射波的波形特征，選擇時窗長度為25ms；主頻為45Hz；主頻帶為4050Hz。圖3是T3波的地震屬性，分別是振幅、方差、相似性、主頻帶能量和相位。 從屬性切片中均可發(fā)現(xiàn)，在勘探區(qū)的東北部有一個構(gòu)造異常區(qū)域(用黑色圓圈表示)，在原構(gòu)造方案中均未進行解釋。圖4為異常區(qū)域內(nèi)的地震剖面。結(jié)合地質(zhì)資料進行綜合分析，該構(gòu)造異常區(qū)域為煤層變薄沖刷帶。,2.2 應(yīng)用實例1構(gòu)造解釋,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),11,振 幅,圖3 T3

6、波地震屬性,方 差,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),12,圖3 T3波地震屬性,主 頻 帶 能 量,相 位,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),13,圖4 3煤層構(gòu)造異常區(qū)域的地震剖面,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),14,圖5是8煤層構(gòu)造解釋方案，8煤層的構(gòu)造相對比較簡單，共解釋斷層16條，陷落柱8個。 圖6是T8波的地震屬性，分別是振幅、相似性、主頻帶能量和相位?？梢园l(fā)現(xiàn)，所有地震屬性在勘探區(qū)北部和南部差異明顯，而原構(gòu)造方案中均未進行解釋。結(jié)合地質(zhì)資料進行綜合分析，勘探區(qū)南部為煤層變薄區(qū)域(0.8m)。,2.2 應(yīng)用實例1構(gòu)造解釋,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),15,圖5 8

7、煤層構(gòu)造解釋方案,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),16,振 幅,圖6 T8波地震屬性,相 似 性,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),17,圖6 T8波地震屬性,主 頻 帶 能 量,相 位,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),18,新景煤礦蘆南二區(qū)北三正、副巷在掘進過程中發(fā)生瓦斯突出，7202綜采工作面在回采過程中也發(fā)生瓦斯突出，瓦斯突出點(紅星)位置見圖7。圖7中的紅線范圍是利用三維地震資料解釋的3煤層變薄沖刷缺失帶。北三正、副巷瓦斯突出點正在這個范圍內(nèi)，7202綜采工作面瓦斯突出點在這個范圍的邊緣。顯然，瓦斯突出與煤層的變薄缺失密切相關(guān)。,2.4應(yīng)用實例2巖性解釋,2020/11/18

8、,中國礦業(yè)大學(xué),19,圖7 3煤層瓦斯突出點位置,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),20,2.4應(yīng)用實例2巖性解釋,圖8是北三正巷的地震剖面，圖9是北三副巷的地震剖面，圖10是通過7202綜采工作面瓦斯突出點的地震剖面，黃線代表T3波，瓦斯突出區(qū)域用紅色箭頭表示。從地震剖面中可以看出，對應(yīng)3煤層的T3波有兩個相位，且信噪比較高。原解釋方案根據(jù)第一相位的振幅變?nèi)?，相位轉(zhuǎn)移等波形特征確定了3煤層的變薄缺失帶范圍是基本可信的。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),21,圖8 北三副巷地震剖面,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),22,圖9 北三正巷地震剖面,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),23

9、,圖10 7202綜采工作面瓦斯突出點地震剖面,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),24,2.4應(yīng)用實例2巖性解釋,提取了T3波的多個地震屬性，根據(jù)本區(qū)煤層反射波的波形特征，選擇時窗長度為17ms；主頻為65Hz；主頻帶為6070Hz。圖11是T3波的地震屬性，分別是振幅、相似性、主頻、主頻帶能量和平均頻率相位。 從T3波地震屬性圖中可以看出3煤層的變薄缺失情況，在振幅切片上能量明顯變?nèi)?紅色)，在相似性切片上異常突出(紅色)，在主頻切片上表現(xiàn)為高值(黑色)，在主頻帶能量切片上表現(xiàn)為低值(藍色)，在相位切片上也存在較大差異。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),25,振 幅,圖11 T3波地震

10、屬性,主 頻 帶 能 量,相 似 性,相 位,主頻,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),26,2.4應(yīng)用實例2巖性解釋,相對于常規(guī)地震解釋方法，利用地震屬性能夠更準(zhǔn)確、更細致地劃分3煤層的變薄缺失帶。在這個范圍內(nèi)，煤層是部分變薄、部分缺失，北三正、副巷瓦斯突出點(圖11中異常)的所有地震屬性值接近煤層，與7202綜采工作面瓦斯突出點的地震屬性值基本一致。 基于上述事實，本區(qū)的瓦斯富集帶位于煤層變薄缺失帶附近，更準(zhǔn)確地說應(yīng)該是3煤層的變薄可能會導(dǎo)致瓦斯突出。因此，準(zhǔn)確劃分3煤層的變薄缺失帶在就顯得十分重要。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),27,2.5 結(jié)論,地震屬性技術(shù)的主要特點是利用更多

11、的地震信息(主要是動力學(xué)信息)，并且借助計算機的高分辨能力對地震屬性參數(shù)定量化，進行綜合分析，避免了人為因素的影響。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),28,3 地震反演技術(shù)3.1 地震反演技術(shù),地震反演利用地表觀測地震資料，以已知地質(zhì)規(guī)律和鉆井、測井資料為約束，對地下巖層空間結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)進行成像(求解)的過程，是反演地層波阻抗(或速度)的地震特殊處理解釋技術(shù)。地震反演方法具有明確的物理意義，是預(yù)測巖性的確定性方法，在油氣勘探中取得了顯著的地質(zhì)效果。 煤田地震反演工作起步較晚，處在疊后地震反演的研究和初步應(yīng)用階段。近年來，我們把地震反演技術(shù)應(yīng)用于多家煤礦，其關(guān)注的重點是煤礦安全開采的有關(guān)地

12、質(zhì)問題，獲得了豐富的地質(zhì)成果，主要包括：,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),29,3.1 地震反演技術(shù),(1) 利用反演剖面提供的巖性信息來劃分地層，研究煤層頂板的穩(wěn)定性； (2) 確定奧陶系灰?guī)r頂部巖層中的含隔水性，查明含、隔水層的空間分布和厚度分布； (3) 圈定巖漿巖侵入煤層的范圍； (4) 預(yù)測煤層厚度； (5) 預(yù)測煤層瓦斯富集帶； (6) 劃分新生界下部地層巖性和含隔水性。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),30,3.2 應(yīng)用實例1確定奧陶系灰?guī)r頂部含、隔水層的空間分布和厚度分布,在臨沂礦業(yè)集團新驛煤礦下組煤水文地質(zhì)補充勘探工作中，利用地震反演技術(shù)查明部分水文地質(zhì)條件，主要包括

13、奧陶系頂部含、隔水層的空間分布和厚度分布。研究成果突破了傳統(tǒng)煤田地質(zhì)學(xué)理論，表明奧陶系灰?guī)r不完全是一個含水層，其頂部就有隔水層存在，可以為建立礦井突水的水量預(yù)測模型提供基礎(chǔ)資料。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),31,3.2 應(yīng)用實例1確定奧陶系灰?guī)r頂部含、隔水層的空間分布和厚度分布,在常規(guī)地震剖面上，無法對奧陶系內(nèi)部進行分層，原因是信噪比低和反射系數(shù)小(相對煤層而言)。但是利用地震反演剖面，借助相對波阻抗值的差異，便能夠確定奧陶系頂部灰?guī)r中的含、隔水層的空間分布和厚度分布。圖12是水1群2聯(lián)井反演地震剖面，從中可以看出奧陶系頂界面、隔水層和含水層的分層位置。圖13是隔水層底界面的沿層波阻

14、抗切片；圖14是含水層底界面的沿層波阻抗切片。沿層波阻抗切片能夠提供整個研究區(qū)域內(nèi)的含、隔水層巖性信息，隔水層的平均波阻抗明顯高于含水層的平均波阻抗，利用該信息能夠比較準(zhǔn)確地確定奧陶系灰?guī)r中的含、隔水層的空間分布。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),32,圖12 聯(lián)井反演地震剖面,16煤,奧陶系頂界面,隔水層底界面,含水層底界面,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),33,圖13 隔水層底界面沿層波阻抗切片,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),34,圖14 含水層底界面沿層波阻抗切片,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),35,3.2 應(yīng)用實例1確定奧陶系灰?guī)r頂部含、隔水層的空間分布和厚度分布,

15、奧陶系頂部隔水層時間間隔為15ms，換算為厚度30m；奧陶系頂部含水層時間間隔為5ms，換算為厚度10m；二者之間的過渡帶厚度是變化的。利用上述信息，可以確定奧陶系頂部的含、隔水層的空間分布和厚度分布。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),36,3.3 應(yīng)用實例2預(yù)測煤層厚度,彬長煤田大佛寺井田含煤4層，其中4煤層可采，厚度變化范圍為1.9317.04m，平均12.37m，屬特厚煤層。在常規(guī)地震剖面上，4煤層對應(yīng)的T4波振幅主要是由煤層頂、底板的反射系數(shù)決定的，無法辨別煤層厚度的變化。而反演地震剖面反映了地層的波阻抗變化，煤層在煤系地層中特征明顯，其波阻抗值很低，與圍巖存在巨大的阻抗值差異，因

16、此能夠比較準(zhǔn)確地分辨出4煤層厚度的變化。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),37,3.3 應(yīng)用實例2預(yù)測煤層厚度,圖15為D18井與D19井的聯(lián)井反演地震剖面，可以清楚地看出4煤層厚度與波阻抗的變化關(guān)系。表1為本區(qū)9個鉆孔處4煤層的預(yù)測厚度與實際揭露厚度對比結(jié)果。通過表1可以看出，4煤層預(yù)測的厚度與實際厚度基本吻合，根據(jù)該方法預(yù)測了全區(qū)4煤層厚度。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),38,圖15 聯(lián)井反演地震剖面,4煤,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),39,表1 4煤層實際厚度與預(yù)測厚度對比表,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),40,3.4 結(jié)論,地震反演技術(shù)是巖性地震勘探的重要手段

17、之一，是一門集地震、測井、地質(zhì)、計算機等多學(xué)科的綜合地球物理勘探技術(shù)。根據(jù)鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)縱向分辨率很高的有利條件，對井旁地震資料進行約束反演，并在此基礎(chǔ)上對孔間地震資料進行反演，推斷煤系地層巖性在平面上的變化情況，這樣就把具有高縱向分辨率的已知測井資料與連續(xù)觀測的地震資料聯(lián)系起來，實行優(yōu)勢互補，大大提高三維地震資料的縱、橫向分辨率和對地下地質(zhì)情況的勘探研究程度。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),41,4 地震相分析技術(shù)4.1 地震相分析技術(shù),在進行煤系地層巖性解釋過程中，普遍采用波阻抗反演和地震屬性技術(shù)。隨著煤礦開發(fā)對地層巖性信息的要求不斷增加，這兩種技術(shù)在某些程度上無法滿足實際生產(chǎn)的需要，

18、因為它們均無法評價地震信號的總體變化程度。 任何與地震波傳播有關(guān)的物理參數(shù)變化都反映在地震道波形的變化中，可以使用樣點值隨時間的變化來刻畫和衡量地震道波形變化，這就是基于波形的地震相分析技術(shù)。基于波形的地震相分析技術(shù)綜合利用了地震波的頻率、相位、速度、能量等各種信息，是基于地震信號整體差異的分類，克服了上述缺陷，具有獨特解決問題的能力。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),42,4.2 應(yīng)用實例確定煤層中沖刷帶范圍,恒源煤礦62采區(qū)三維地震資料動態(tài)解釋過程中，在6煤層發(fā)現(xiàn)了兩個沖刷變薄帶。時間剖面上的反射波形特征明顯，主要表現(xiàn)為振幅削弱、頻率增高、相位增多、反射波連性變差等特點；如果煤層缺失，

19、則表現(xiàn)為反射波的消失，見圖16中的紅圈。,中國礦業(yè)大學(xué),43,圖16 沖刷變薄帶在地震剖面上的顯示,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),44,4.2 應(yīng)用實例確定煤層中沖刷帶范圍,鑒于正常煤層和沖刷變薄帶的波形特征存在明顯差異，可以借助地震屬性和地震相分析技術(shù)確定沖刷變薄帶的范圍。沿6煤層位時間向上、向下各10ms創(chuàng)建一個21ms等厚層段，在這個層段上提取多個地震屬性并劃分了5類地震相，充分考慮了地震波的振幅、頻率、相位和波形特征。圖17是6煤層的地震屬性切片和分類數(shù)為5的地震相分布圖，利用這些地震屬性能夠準(zhǔn)確確定6煤層的沖刷變薄帶范圍。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),45,能 量,圖1

20、7 6煤層的地震屬性切片,5 類 地 震 相 分 布,相 似 性,相 位,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),46,4.3 結(jié)論,基于波形的地震相分析技術(shù)綜合利用了地震波的頻率、相位、速度、能量等各種信息，即基于地震信號的整體差異進行分類，因此可以作為彌補常規(guī)地震屬性技術(shù)無法把握地震信號總體變化的一種手段。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),47,5 譜分解技術(shù)5.1 譜分解技術(shù),譜分解技術(shù)的理論基礎(chǔ)是薄層反射系統(tǒng)可產(chǎn)生復(fù)雜的諧振反射，利用薄層反射的頻率屬性可指示時間厚度變化。譜分解技術(shù)就是利用薄層調(diào)諧體離散頻率特性，通過分析復(fù)雜巖層內(nèi)頻譜變化和局部相位的不穩(wěn)定性，識別薄地層的橫向分布特征。

21、,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),48,5.2 應(yīng)用實例圈定巖漿巖侵入煤層的范圍,皖北煤電集團公司臥龍湖煤礦巖漿巖侵入現(xiàn)象嚴(yán)重，利用利用譜分解技術(shù)和地震相分析技術(shù)解釋北一采區(qū)6煤層的巖漿巖侵入，確定了6煤層的巖漿巖侵入邊界。 對于6煤層反射波(T6波)，正常煤層與巖漿巖侵入煤層之間存在著明顯的頻率差異，見圖18。圖18(a)是正常煤層T6波的頻譜，其主頻為65Hz；圖18(b)是巖漿巖侵入T6波的頻譜，其主頻為89Hz。通過對比可知，當(dāng)煤層被巖漿巖侵入后其反射波的主頻增高，頻譜寬度明顯增加。因此，對T6波進行譜分解處理，選擇低頻、中頻和高頻譜分解切片作為解釋的依據(jù)，見圖19。,中國礦業(yè)大學(xué)

22、,49,圖18 T6波頻譜特征,漿巖侵入反射波頻譜征,正常煤層反射波頻譜,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),50,25 Hz,圖19 T6波譜分解切片,65 Hz,45 Hz,85 Hz,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),51,5.2 應(yīng)用實例圈定巖漿巖侵入煤層的范圍,通過對比T6波的譜分解處理結(jié)果，發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入6煤層在譜分解切片上有以下主要特征： (1) 在低頻段譜分解切片上表現(xiàn)為低能量，隨著頻率的提高，其能量越來越強。形成這一現(xiàn)象的主要原因在于煤層被巖漿巖侵入后，殘存的煤層較薄，反射波能量主要集中在高頻段。在25Hz切片上其能量極低；在45Hz切片上其能量有所提高，但明顯低于正常煤層的能量；在65Hz切片上其能量與正常煤層的能量同樣強；在85Hz切片上其能量略強于正常煤層的能量。,2020/11/18,中國礦業(yè)大學(xué),52,5.2 應(yīng)用實例圈定巖漿巖侵入煤層的范圍,(2) 在所有頻段的譜分解切片上都有一定的能