基于高密度三維地震數(shù)據(jù)的煤層巖漿巖分布多屬性預(yù)測

單 蕊，聶榮花，王千遙

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

巖漿巖侵入煤層是巖漿沿著斷裂帶等通道，順著煤層或穿越煤層形成巖墻和巖床等，對煤系地層形成一定的破壞[1]，造成煤層分叉、吞蝕、煤層間距增大，嚴(yán)重影響煤礦的安全和高效生產(chǎn)。如何準(zhǔn)確劃分巖漿巖侵入范圍是急需解決的關(guān)鍵問題[2]。

目前，很多學(xué)者對地震資料預(yù)測巖漿巖探索了不同的方法。許永忠等[3-5]利用波阻抗反演和巖性反演方法反演預(yù)測火成巖侵入?yún)^(qū)；李仁海等[6]嘗試用地震反演和譜分解方法提高巖漿巖、煤層邊界分辨能力；Chen Tongjun等[7]通過譜分解、地震相和地震屬性交會(huì)圖解釋巖漿巖和煤層邊界總體趨勢面；吳斌等[8-12]利用屬性、波形聚類方法綜合圈定火成巖侵入范圍，均取得較好效果。

鑒于此，研究區(qū)位于淮北YL煤礦，巖漿巖侵入煤層層位多、范圍廣、構(gòu)造極其復(fù)雜[13]，常規(guī)三維地震勘探難以準(zhǔn)確查明小斷層和預(yù)測巖漿巖侵入范圍。較常規(guī)三維地震資料而言，全數(shù)字高密度地震資料具有全方位觀測較完整的波場，具有更高的屬性敏感度，反映的煤層信息更加真實(shí)可靠，為解決巖漿巖侵入問題提供了較好的基礎(chǔ)資料[14-16]。本文擬在全數(shù)字高密度三維地震數(shù)據(jù)采集及處理、解釋的基礎(chǔ)上，采用地震多屬性分析技術(shù)，輔助地震波形聚類分析，結(jié)合鉆孔地質(zhì)資料標(biāo)定，綜合解釋火成巖侵入范圍。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于淮北YL煤礦，區(qū)內(nèi)構(gòu)造極其復(fù)雜，小斷層極發(fā)育。區(qū)內(nèi)二疊系山西組、下石盒子組為主要含煤地層，共含10個(gè)煤層組，其中7、8、10煤層為本區(qū)主采煤層。7煤層厚0～4.11 m，平均厚1.11 m；8煤層厚0～5.14 m，平均厚1.69 m；10煤層厚0～7.97 m，平均厚2.74 m。

研究區(qū)巖漿巖侵入煤層層位多，范圍廣，巖漿巖薄厚懸殊，厚度為0.15～167.60 m。通過8煤和10煤巖漿巖侵入特征分析，巖漿巖多沿頂?shù)装屙槍忧秩耄家姶蝇F(xiàn)象。典型巖漿巖侵入煤層的連井剖面如圖1所示。

圖1 巖漿巖侵入煤層反射特征Fig.1 Characteristics of igneous irregular intrusion

剖面由左向右分別過5-6-5井和2017-9井，巖漿巖由8煤上部穿層到10煤的上部，8煤層和10煤層由于巖漿巖侵入煤層間距由70 m變?yōu)?10 m。根據(jù)常規(guī)地震剖面，巖漿巖侵蝕導(dǎo)致的煤層間距變化無反應(yīng)特征。而高密度三維地震時(shí)間剖面上，表現(xiàn)為同相軸的錯(cuò)斷或者增加，地層反射特征改變，反射波能量減弱，較常規(guī)三維地震剖面而言，能更有效地反映巖漿巖穿層侵入特征，作為此次分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 巖漿巖侵入體地震解釋方法研究

巖漿巖與煤層與的物性差異是地震方法區(qū)分巖漿巖侵入帶的理論基礎(chǔ)[8]。巖漿巖侵入煤層會(huì)改變煤系層的反射特征，波性、振幅、頻率、相位等屬性發(fā)生變化，為此，本文嘗試通過地震道波形聚類分析和地震屬性分析方法區(qū)分煤層和巖漿巖。

2.1 地震道波形聚類分析

地震道波形是地震信號的總體變化規(guī)律，包括幾何參數(shù)(反射結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài))、物理參數(shù)(振幅、連續(xù)性、頻率)等各地震響應(yīng)參數(shù)的綜合反映。地震道波形聚類分析技術(shù)要合理地建立層段，確定目標(biāo)區(qū)。在目標(biāo)層段中使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對地震道波形的橫向變化進(jìn)行對比分類，建立地震道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本數(shù)據(jù)。按照模型道對數(shù)據(jù)精細(xì)分類，形成平面離散的地震相，根據(jù)擬合度對地震道進(jìn)行分類。結(jié)合鉆井地質(zhì)信息，初步得出了與地質(zhì)相對應(yīng)的地震相圖，地震相是特定沉積相或地質(zhì)體的地震響應(yīng)。地震相劃分與反射結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)及連續(xù)性等波形的宏觀形態(tài)最為密切。

該區(qū)分別建立8煤和10煤層目標(biāo)層段，了解地震相變化規(guī)律，初步確定火成巖分布范圍。其中，10煤波形分類為6類時(shí)，地震數(shù)據(jù)波形與模型道標(biāo)準(zhǔn)波形有良好的相似性，最終得到地震相分類圖(圖2(a))。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，2017-13孔、2018-5孔、04-14孔巖漿巖侵入，與此波形類似區(qū)判定為巖漿巖侵入?yún)^(qū)，主要分布在勘探區(qū)東北部紅色區(qū)域，圖2中色標(biāo)不具有固定物性意義。8煤波形分類為7類時(shí)，得到最終地震相圖(圖2(b))。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)分析，5-5-6孔、2017-9孔、2018-5孔、2018-7孔巖漿巖侵入，與此波形類似區(qū)判定為巖漿巖侵入?yún)^(qū)，分布范圍較廣，主要分布在為暖色調(diào)區(qū)域。

波形聚類分析可以在大尺度規(guī)模了解地震相變化規(guī)律，但是對于巖漿巖穿層邊界的精細(xì)刻畫還有困難。為此，該區(qū)嘗試進(jìn)一步的地震多屬性聚類分析。

2.2 地震多屬性聚類分析

地震屬性是指地震資料提取或經(jīng)過數(shù)學(xué)變換而導(dǎo)出的，用于表征地震波幾何形態(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。當(dāng)?shù)叵聨r層的物理性質(zhì)發(fā)生變化，地震屬性發(fā)生變化。地震屬性分析技術(shù)通過提取地震數(shù)據(jù)層間屬性，對給定層位間的體屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果通過平面表現(xiàn)，可有效突出和刻畫層內(nèi)異常地質(zhì)體特征。

圖2 波形聚類分析平面Fig.2 Seismic facies classification

多屬性聚類分析是將地震屬性作為樣本數(shù)據(jù)，通過模式識別的方法識別巖漿巖。具體步驟為在精細(xì)解釋層位的基礎(chǔ)上，提取多種層間屬性，對地震屬性歸一化后，優(yōu)先出對巖漿巖比較敏感的屬性組合，通過聚類分析，確定巖漿分布(圖3)。

圖3 10煤層屬性Fig.3 Seismic attribute of No.10 coal seam

由于本區(qū)巖漿巖穿層現(xiàn)象，由下至上分為3個(gè)目標(biāo)層段分別提取運(yùn)算，10煤、8下煤、8上煤。以10煤層為例，優(yōu)選出瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率、平均反射強(qiáng)度，上述屬性進(jìn)行聚類分析。

各目標(biāo)層段煤層多屬性分析平面如圖4所示。

圖4 多屬性分析平面Fig.4 Multi-attribute attributes of coal seam

圖4中，綠色為正常煤層，黃色和紅色為巖漿巖巖侵入異常區(qū)域，正常煤層與巖漿巖存在明顯的差異(黑色虛線)，巖漿巖侵入?yún)^(qū)和煤層變焦區(qū)平面分布規(guī)律與地震相分析結(jié)果相符。

2.3 巖漿巖侵入體范圍和特征分析

通過多屬性分析和地震相分類技術(shù)綜合預(yù)測對巖漿巖侵入?yún)^(qū)和煤層變焦區(qū)范圍，結(jié)合鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究區(qū)巖漿巖侵入10煤層或煤層頂部向上運(yùn)移，由北部邊界斷層為界，向南向西延伸。8下煤層巖漿巖分布范圍和10煤巖漿巖分布范圍有繼承性，巖漿巖分布范圍縮小，集中在勘探區(qū)東北部。

8上煤層巖漿巖分布范圍主要集中在勘探區(qū)西部。整體來說侵入煤層或者穿透煤層頂?shù)装宓膸r漿巖，其厚度的區(qū)域分布呈現(xiàn)波動(dòng)性特征。自東向西巖漿巖厚度先是較大，向北向西變薄或者分岔變薄，而后又突然增厚。

以8下煤層為例，巖漿巖在2017-13孔、04-14孔附近有較厚區(qū)域，2017-10孔附近巖漿巖有缺失區(qū)，與鉆孔信息吻合較好。

3 結(jié)論

(1)通過多屬性分析和地震波形聚類分析技術(shù)綜合預(yù)測巖漿巖侵入?yún)^(qū)和煤層變焦區(qū)范圍是行之有效的方法。

(2)地震波形聚類分析和多屬性分析互相印證，提高了解釋的可靠性。

(3)研究區(qū)采用全數(shù)字高密度三維地震數(shù)據(jù)，全方位觀測地震波場，地震資料信噪比高，對于常規(guī)地震數(shù)據(jù)，該方法適應(yīng)性還需繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 陳同俊，王新，崔若飛，等.煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)的交會(huì)圖定量預(yù)測技術(shù)——以臥龍湖煤礦為例[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(12)：2070-2076.

Chen Tongjun，Wang Xin，Cui Ruofei，et al.Quantitative predicting of coalbed igneous intrusion by crossplot analysis：a case study from Wolonghu Coal Mine[J].Journal of China Coal Society，2012，37(12)：2070-2076.

[2] 張曉磊.巨厚巖漿巖下煤層瓦斯賦存特征及其動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 許永忠，崔若飛，潘冬明，等.煤田采區(qū)火成巖分布地震反演技術(shù)的應(yīng)用研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35(2)：265-268.

Xu Yongzhong，Cui Ruofei，Pan Dongming，et al.Application of seismic inversion based on model for igneous distributing in coalfield[J].Journal of China University of Mining & Technology，2006，35(2)：265-268.

[4] Xu Yongzhong，Cui Ruofei，Huang Weichuan，et al.Reflectivity for-ward modeling and a CSSI method seismic inversion study of igneous intrusive area，coked area，and gas-riched area located within a coal seam[J].Mining Science and Technology，2009，19(4)：457-462.

[5] 朱書階，陳清風(fēng)，何文欣.利用波阻抗反演技術(shù)確定巖漿巖侵入煤層范圍[J].煤田地質(zhì)與勘探，2003，31(1)：49-50.

Zhu Shujie，Chen Qingfeng，He Wenxin.Determination of magnetic rock intrusion range using acoustic impedance inversion[J].Coal Geology & Exploration，2003，31(1)：49-50.

[6] 李仁海，崔若飛，毛欣榮，等.利用巖性解釋方法圈定巖漿巖侵入?yún)^(qū)范圍[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23(1)：242-248.

Li Renhai，Cui Ruofei，Mao Xinrong，et al.Determination of magnetic rock intrusion using lithology interpretation method[J].Progress in Geophysics，2008，23(1)：242-248.

[7] Chen Tongjun，Cui Ruofei，Wang Xin.Method to locate igneous rock intrusion of coal bed using P-wave data[J].Procedia Earth and Planetary Science，2009(1)：963-969.

[8] 吳斌，孟凡彬.巖漿巖侵入煤層的地震屬性識別技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：64-71.

Wu Bin，Meng Fanbin.Seismic attribute recognition technology of magmatic rock intrusive coal seam[J].Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：64-71.

[9] 單蕊，張廣忠，王千遙，等.高密度三維地震數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)綜合解釋方法與應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：72-79.

Shan Rui，Zhang Guangzhong，Wang Qianyao，et al.Interpretation and application of coal seam magmatic intrusion zone driven by 3D seismic data in high density[J].Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：72-79.

[10] 吳海波，董守華，黃亞平，等.煤層火成巖侵入的反射波特征研究與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2014，29(6)：2779-2784.

Wu Haibo，Dong Shouhua，Huang Yaping，et al.Characteristics study and application of coal seam igneous intrusion zones reflected waves[J].Progress in Geophysics，2014，29(6)：2779-2784.

[11] 李強(qiáng)，劉建紅，張中平.應(yīng)用GeoEast解釋系統(tǒng)預(yù)測煤層中火成巖的侵入范圍[J].石油地球物理勘探，2014，49(S1)：192-197.

Li Qiang，Liu Jianhong，Zhang Zhongping.Prediction of igneous rock incursion in coal seam with GeoEast[J].Oil Geophysical Prospecting，2014，49(S1)：192-197.

[12] 孫學(xué)凱，崔若飛.地震相分析在探測煤層中火成巖侵入范圍的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(5)：58-60，66.

Sun Xuekai，Cui Ruofei.Application of seismic faces analysis in detecting the magmatic intrusion zones[J].Coal Geology & Exploration，2010，38(5)：58-60，66.

[13] 程先振，林東才.淮北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯災(zāi)害關(guān)系研究[J].能源與環(huán)保，2017，39(8)：217-220，226.

Cheng Xianzhen，Lin Dongcai.Study on relationship between geological structure and gas disaster in Huaibei Area[J].China Energy and Environmental Protection，2017，39(8)：217-220，226.

[14] 王樹威.全數(shù)字高密度三維地震勘探中地震屬性預(yù)測煤層厚度的應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2019，41(6)：51-56.

Wang Shuwei.Application on seismic attributes forecasting coal thickness of all digital high density 3D seismic exploration[J].China Energy and Environmental Protection，2019，41(6)：51-56.

[15] 趙立明，崔若飛.全數(shù)字高密度三維地震勘探在煤田精細(xì)構(gòu)造解釋中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2014，29(5)：2332-2336

Zhao Liming，Cui Ruofei.Application of digital high density seismic exploration in fine structural interpretation in coalfield[J].Progress in Geophysics，2014，29(5)：2332-2336.

[16] 楊臣明.煤礦采區(qū)高精度三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用研究[J].能源與環(huán)保，2017，39(11)：238-241，245.

Yang Chenming.Research and application of high precision 3D seismic prospecting technology in coal mining area[J].China Energy and Environmental Protection，2017，39(11)：238-241，245.