三維地震波形差異屬性分析在預(yù)測(cè)巖溶裂隙發(fā)育帶中應(yīng)用

王瑞杰

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院 )

0 引言

淮北礦業(yè)桃園煤礦屬典型的石炭二疊紀(jì)沉積煤礦，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，是典型的水與瓦斯突出“雙?！钡V井。區(qū)內(nèi)地層出露較少，多為新近系、第四系松散層所覆蓋。發(fā)育的地層由老到新為青白口系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、新近系、第四系。

區(qū)內(nèi)含煤10～11層，主采煤層10煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組，直接底板為厚10～20m的砂泥巖；其下為厚60～70m太原組灰?guī)r。與太原組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，奧陶系灰?guī)r呈整合接觸。奧陶系陷落柱發(fā)育，其陷落柱與巖溶裂隙、斷層的存在導(dǎo)致10煤層底板突水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響上覆山西組10煤層的安全生產(chǎn)。通過(guò)井下防治水鉆探注漿工程雖在一定程度上對(duì)太原組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育帶導(dǎo)水進(jìn)行控制，但周期長(zhǎng)，成本高，滿足不了現(xiàn)階段煤礦高效、安全生產(chǎn)。

隨著采區(qū)三維地震屬性分析技術(shù)的發(fā)展，利用地震勘探手段解決水文地質(zhì)問(wèn)題成為可能，并廣泛得到實(shí)踐與運(yùn)用[1-10]。為確保山西組10煤層安全開(kāi)采，進(jìn)一步挖掘現(xiàn)有采區(qū)高精度三維地震資料的潛力，基于灰?guī)r內(nèi)部反射各向異性特征，分析太原組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育帶分布，并與井下鉆探防治水工程相結(jié)合，預(yù)測(cè)太原組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育帶，為10煤底板灰?guī)r水害防治及承壓水壓體上煤層安全開(kāi)采提供科學(xué)依據(jù)。

1 預(yù)測(cè)巖溶裂隙發(fā)育帶思路

地震屬性是指從地震數(shù)據(jù)中提取的地震波幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)特征和統(tǒng)計(jì)學(xué)特征等屬性值。通過(guò)在給定的地震數(shù)據(jù)體上提取屬性,即可得到表征構(gòu)造或異常地質(zhì)體特征值,進(jìn)而識(shí)別地質(zhì)構(gòu)造等信息,或使模糊的地質(zhì)構(gòu)造信息變得清晰。

眾所周知：煤礦采區(qū)三維地震勘探最終用于煤、巖層賦存狀態(tài)、斷裂構(gòu)造及地質(zhì)異常體解釋的數(shù)據(jù)體，是經(jīng)“保真”、“保幅”處理后的疊后(或疊前)偏移數(shù)據(jù)體。該數(shù)據(jù)體包含了豐富的巖石彈性特征信息，也即包含了巖石是否具有完整性的彈性特征信息。巖溶裂隙發(fā)育帶的地震響應(yīng)特征雖復(fù)雜,但同一時(shí)期的巖溶裂隙不發(fā)育的灰?guī)r具有各向同性的彈性特征(速度與密度的穩(wěn)定性)，表現(xiàn)在地震波形、振幅、能量等屬性特征上，具有同一性特征；而巖溶裂隙發(fā)育的灰?guī)r因其具有松散性(致密程度差異)、含水性、填充物的差異等異常，無(wú)論在橫向上還是縱向上均具有各向異性的彈性特征(速度與密度的差異性)，必然引起地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征的變化，即在地震波形、振幅、能量等屬性特征上具有各向差異性。這種差異有利于判斷灰?guī)r巖溶裂隙是否發(fā)育，根據(jù)波形、振幅、能量等屬性的穩(wěn)定性分析，可以達(dá)到識(shí)別、解釋灰?guī)r中巖溶裂隙發(fā)育及分布的目的。

在進(jìn)行地震屬性分析時(shí)，需要注意一下幾點(diǎn)：

①地震數(shù)據(jù)體必須是經(jīng)“保真”、“保幅”處理后的數(shù)據(jù)體。

②屬性參數(shù)分析時(shí)選取大小合適的時(shí)窗(一般為15～30ms)，即須保障其有一個(gè)完整的波形。

③選擇對(duì)巖溶裂隙發(fā)育帶識(shí)別貢獻(xiàn)率大的地震屬性作為分析屬性，體現(xiàn)在被分析屬性的準(zhǔn)確性與代表性，這可通過(guò)與已知井下鉆探工程成果對(duì)比獲得。

2 波形差異地震屬性

1.1 原理

地震波形差異體屬性屬地震相似類(lèi)屬性之一，它是計(jì)算時(shí)窗中心道和指定的相鄰道差異系數(shù)的數(shù)學(xué)方法。由于地震波在穿越地質(zhì)異常體時(shí)會(huì)出現(xiàn)地震波的散射產(chǎn)生明顯差異，能夠獲得比傳統(tǒng)屬性分析更清晰的成像，因此多用于描述地質(zhì)體異常，如陷落柱邊界、古河道沖刷邊界、巖漿巖侵入邊界、煤礦采空區(qū)邊界、斷層的破碎帶等。[6]

圖1 正交3道波形差異屬性計(jì)算示意Figure1 A Schematic diagram of orthogonal 3 channel waveform differential attribute computation

地震波形差異屬性分析以歸一化互相關(guān)差異性分析為基礎(chǔ)。在三維地震空間中給定的單元內(nèi)以固定間隔計(jì)算一個(gè)地震道的波形與其它地震道波形的相似性，即在設(shè)定的一個(gè)時(shí)窗內(nèi)計(jì)算中心道與相鄰道之間波形互相關(guān)差異系數(shù)，估算地震波的衰減。相鄰道選擇一般采用線性3道，正交3道及正交5道，并將其差異屬性值賦予中心道(圖1)。屬性的值在0(理論上，代表波形無(wú)差異)和1(理論上，代表波形完全不同)之間。波形差異分析常采用的算法：幾何平均值、算術(shù)平均值、最大差異值、最小差異值等。

震波形差異屬性分析的成果表現(xiàn)為：在正常地層沉積部位表現(xiàn)為連續(xù)/不間斷的波形相似層序(巖石完整具有各向同性彈性特征)(圖2)，而地質(zhì)體異常發(fā)育部位則表現(xiàn)出波形差異特征(破碎巖石各向異性彈性特征)

圖2 正常地層沉積序列地震時(shí)間剖面(左)、波形差異屬性剖面(右)對(duì)比Figure 2 Comparison of normal stratigraphic sedimentary sequence seismic time section (left) and waveform differential attribute section (right)

2.2 波形差異分析三維單元選擇

一般參與波形差異比較的道數(shù)愈多、時(shí)間分析窗口愈大、會(huì)因多個(gè)反射同相軸的出現(xiàn)，導(dǎo)致計(jì)算出的差異特征值有可能僅表現(xiàn)為同相軸的連續(xù)性。其平均效應(yīng)愈大，對(duì)地質(zhì)異常體的分辨率就越低，這時(shí)僅可突出大的地質(zhì)異常，比如大陷落柱、大的巖漿巖侵入?yún)^(qū)等異常。相反，參與波形差異比較的道數(shù)少，適宜的時(shí)間分析窗口、平均效應(yīng)小，就會(huì)提高地質(zhì)異常體的分辨率，對(duì)于較小的地質(zhì)異常體的識(shí)別有利。因此要在實(shí)際分析中根據(jù)地質(zhì)目的的不同來(lái)選擇參與計(jì)算波形比較的道數(shù)及時(shí)間分析窗口。

研究成果表明，在利用地震波形差異計(jì)算的道數(shù)采用正交3道、時(shí)間窗口選擇煤層反射視周期的1/2～1/3倍為宜[10]。

3 應(yīng)用實(shí)例

桃園礦南三采區(qū)位于礦區(qū)中部，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，區(qū)內(nèi)3#隱伏陷落柱位于采區(qū)西南邊界。本次分析目標(biāo)是利用三維地震資料對(duì)該采區(qū)太原組灰?guī)r頂界面下30m范圍內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育帶進(jìn)行分析與解釋?zhuān)蓞^(qū)范圍示意圖如圖3所示。

3.1 采區(qū)內(nèi)典型剖面波形差異屬性分析

圖4，為該采區(qū)Inline219典型波形變面積時(shí)間剖面。

可見(jiàn)，該地震線所處部位煤系地層反射波發(fā)育，基本代表了分析區(qū)煤巖層地震波反射特征：新生界底部反射Tq及各煤層反射波：6煤層(T6波)、7煤層(T7b波)、T10層(T10波)信噪比高，連續(xù)性強(qiáng)、煤層間波組特征明顯、波形穩(wěn)定，太灰頂界面反射(Tt波)受溶蝕作用的影響，連續(xù)性較差，但能對(duì)比追蹤。

對(duì)比該測(cè)線波形剖面(圖5)可見(jiàn)，在圖4、圖5中紅色框范圍代表了6煤層至太灰在分析區(qū)域內(nèi)的地震波形表現(xiàn)特征：即縱向上的連續(xù)性及橫向上的穩(wěn)定性、同一性。說(shuō)明了該部分巖石在縱向上及橫向上具有連續(xù)沉積巖石特征(即該區(qū)域煤巖石具備巖石完整性特征)。但如人工解釋剖面中太灰下30m范圍內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育部位難度較大。

圖3 南三采區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 3 Structural outline map of S3 winning district

圖4 Inline219線地震時(shí)間剖面圖Figure 4 Inline219 prospecting line seismic time section

圖5 Inline219線地震時(shí)間剖面Figure 5 Inline219 prospecting line seismic time section

圖6 Inline219線地震波形差異屬性異常剖面圖(藍(lán)色部分)Figure 6 Inline219 prospecting line seismic waveform differential attribute anomaly section (blue part)

圖6為Inline219線波形差異屬性異常圖。對(duì)比圖4～圖6紅色框內(nèi)各屬性可見(jiàn)，通過(guò)地震波形差異屬性分析后，波形差異屬性接近0值(紅色)，代表巖石完整。說(shuō)明該部位具有連續(xù)的地層沉積特征，在太灰界面下巖溶裂隙較不發(fā)育。其它藍(lán)色部位波形差異屬性大于0.16值，屬巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。

同理，對(duì)過(guò)采區(qū)2#隱伏陷落柱所在部位Inline284線進(jìn)行波形差異屬性分析，地震時(shí)間剖面見(jiàn)圖7，地震波形差異屬性分析成見(jiàn)圖8。

對(duì)比分析圖7、圖8可見(jiàn),波形差異屬性成果——太灰頂界面下藍(lán)色異常較為直觀地表現(xiàn)出灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育區(qū)的位置，2#陷落柱發(fā)育形態(tài)在波形差異屬性上反映更為清晰。

剖面上所分析的太灰頂界面下30m巖溶裂隙發(fā)育區(qū)及2#陷落柱發(fā)育部位，已被補(bǔ)10-3、注漿孔——堵1、堵2、堵3、堵4、堵5、堵6、堵7等防治水工作所證實(shí)。

圖7 Inline289線地震時(shí)間剖面圖Figure 7 Inline289 prospecting line seismic time section

圖8 Inline289線地震波形差異屬性異常剖面圖(藍(lán)色部分)Figure 8 Inline289 prospecting line seismic waveform differential attribute anomaly section (blue part)

3.2 采區(qū)波形差異屬性分析

經(jīng)過(guò)上述分析可見(jiàn)，波形差異屬性對(duì)分析太灰頂界面下灰?guī)r中發(fā)育的巖溶裂隙識(shí)別具有較大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)精細(xì)參數(shù)選擇，確定選取3道×3道×10ms計(jì)算窗口屬性參數(shù)對(duì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行波形差異屬性處理，然后通過(guò)24ms屬性窗口進(jìn)行屬性層段提取而得到的層段波形差異屬性異常分布，以達(dá)到分析、研究、劃分太灰頂界面下30m內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育帶的目地。

圖9為南三采區(qū)波形差異屬性識(shí)別太灰頂界面下30m內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育帶成果圖。

圖9 南三采區(qū)波形差異屬性異常分布平面分布圖Figure 9 S3 winning district waveform differential attribute anomalies distribution plan

經(jīng)分析表明：南三采區(qū)太灰頂界面下30m范圍內(nèi)，除西南部邊界外2#陷落柱部位巖溶裂隙發(fā)育外，還存在三個(gè)巖溶裂隙發(fā)育異常帶(區(qū))：一是西南1035、1033、1031工作面南部及中部背斜及其兩翼異常區(qū)(I異常區(qū))；北部7-12孔、S06孔連線附近異常區(qū)(II異常區(qū))，北部邊界補(bǔ)6-1孔、補(bǔ)6-8孔連線附近異常區(qū)(III異常區(qū))區(qū)域。但也應(yīng)該注意：分析區(qū)外西南部南五采區(qū)北部區(qū)域及東南部區(qū)域灰?guī)r破碎、巖溶裂隙也極為發(fā)育。

2015年5～11月，在開(kāi)采南三采區(qū)1035工作面時(shí)，在10煤層底板0.2km2范圍內(nèi)采用30m×30m孔距施工171口進(jìn)行井下防治水探測(cè)注漿孔，平均孔深約95m左右，終孔部位位于奧陶系灰?guī)r頂界面附近。有140個(gè)鉆孔位于本次分析區(qū)內(nèi)，其中70個(gè)鉆孔巖溶裂隙發(fā)育，另外70個(gè)孔巖溶裂隙不發(fā)育(或較不發(fā)育)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：

①分析區(qū)內(nèi)70個(gè)巖溶裂隙發(fā)育探查孔中，有62個(gè)探孔終孔位置位于地震波形差異屬性特征表現(xiàn)為巖石破碎、巖溶裂隙發(fā)育的異常范圍內(nèi)，吻合度達(dá)88.6%；

②分析區(qū)內(nèi)70個(gè)巖溶裂隙不發(fā)育探查孔中，有53個(gè)探孔終孔位置位于地震波形差異屬性特征表現(xiàn)為巖石完整性較好的范圍內(nèi)，吻合度達(dá)75.5%。

4 結(jié)論

以巖石彈性特征各向同性(或各向異性)思路為出發(fā)點(diǎn)，基于地震波形差異屬性處理、提取、分析為手段，對(duì)灰?guī)r內(nèi)部反射進(jìn)行精細(xì)分析研究，分析灰?guī)r的完整性(彈性特性各向同性)及破碎性(彈性特性各向異性)對(duì)地震波形差異的影響，繼而達(dá)到有效的分析、解釋巖溶裂隙發(fā)育帶/區(qū)的目的。

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