級聯(lián)反演在煤礦盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)路線優(yōu)化中的應(yīng)用

張 新， 石貴飛， 師素珍， 時靖雪， 姚學(xué)君， 謝東山， 王坤明

(1.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西陽泉 045000； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

煤層頂板及其上部的巖性預(yù)測對于煤層的安全、高效開采意義重大。煤層開采過程中，往往會遇到巖性比較復(fù)雜的巖層，影響盾構(gòu)機(jī)在煤礦井下的安全掘進(jìn)效率。對煤系地層進(jìn)行精細(xì)刻畫不僅可以直觀地反映煤層及其圍巖的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體特征，還能為后期煤炭的開采及巷道安全掘進(jìn)路線的選擇提供有力的地質(zhì)依據(jù)。因此，深入開展煤層及其頂板上部巖層巖性的綜合預(yù)測與精細(xì)刻畫是十分必要的。

煤系地層精細(xì)刻畫首先需要對巖層巖性進(jìn)行預(yù)測，目前對于地層巖性的預(yù)測多采用地震反演技術(shù)。地震反演誕生于20世紀(jì)70年代。1983年，Cooke提出廣義線性反演方法，開啟了波阻抗反演方法的新篇章[1]；20世紀(jì)80年代后期，Martinez R D等提出了一種以地震、測井與地質(zhì)數(shù)據(jù)為約束的模型反演技術(shù)，并將其用于巖層巖性描述，推動了反演技術(shù)在巖性預(yù)測中的發(fā)展[2]；20世紀(jì)90年代以后，地震反演發(fā)展迅速，各種用于巖性預(yù)測的反演方法層出不窮，Kane J等提出了基于測井約束的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演[3]；Aamir Ali等將地震屬性、疊后反演與測井分析相結(jié)合，對巖性進(jìn)行了刻畫[4]。以上在地震反演方面的研究為國內(nèi)學(xué)者提供了借鑒。

國內(nèi)研究動態(tài)：陳建業(yè)等利用波阻抗反演對煤層進(jìn)行了橫向的追蹤與煤層空間分布的預(yù)測[5]；焦勇等利用波阻抗反演以及屬性分析技術(shù)精細(xì)預(yù)測了沁水盆地鄭莊區(qū)3#煤層的含氣性[6]；邵林海等利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演技術(shù)，對主要煤層頂面構(gòu)造和厚度特征進(jìn)行了精細(xì)刻畫[7]；宗杰等聯(lián)合地震資料拓頻技術(shù)與小波變換波阻抗反演對砂體進(jìn)行了預(yù)測，并取得了較好的效果[8]；陳志剛等使用隨機(jī)地震波阻抗反演結(jié)合遺傳算法對煤系地層薄砂巖空間展布進(jìn)行了刻畫[9]；齊宇等通過正演模擬的方法確定煤層范圍，最后采用分頻反演技術(shù)完成了臨興區(qū)塊煤系地層巖層巖性的預(yù)測[10]；曹紹賀針對薄煤層，采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演對其進(jìn)行了預(yù)測，并使用波阻抗與中子云變換關(guān)系對煤系地層中薄砂體的空間分布特征進(jìn)行了精細(xì)刻畫[11]；楊雪等通過曲線對巖性的敏感性分析，利用中子、密度曲線共同構(gòu)建擬聲波曲線進(jìn)行擬聲波反演，對研究區(qū)煤層下部砂巖薄儲層進(jìn)行了預(yù)測[12]；劉宗賓等利用自然伽馬曲線和電阻率曲線進(jìn)行聲波曲線重構(gòu)，利用變差橢圓求取平面變差參數(shù)，并利用稀疏脈沖確定性反演作為約束條件，通過地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演技術(shù)對砂巖儲層內(nèi)部進(jìn)行了三維預(yù)測及描述[13]；孫雄偉等針對鄂爾多斯東緣煤系地層巖性復(fù)雜以及儲層較薄的特點，采用波形指示反演的相控反演方法預(yù)測了大寧-吉縣區(qū)塊煤系地層中薄砂巖儲層[14]。

綜上所述，井震聯(lián)合反演已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并朝著多學(xué)科融合、小尺度精細(xì)刻畫的方向發(fā)展[15]。這些技術(shù)在油氣田的應(yīng)用比較廣泛，在煤系地層精細(xì)刻畫方面的應(yīng)用相對匱乏，并且對煤系地層的刻畫研究往往是針對單一巖層或煤層進(jìn)行刻畫，缺乏對煤層及其頂板上部巖層多種巖性進(jìn)行綜合的預(yù)測。針對這個問題，本次研究將聯(lián)合常規(guī)的波阻抗反演與擬聲波阻抗反演對礦區(qū)15#煤層上部巖性進(jìn)行綜合預(yù)測與精細(xì)刻畫。

1 煤系地層精細(xì)刻畫原理

1.1 測井響應(yīng)特征分析

灰?guī)r在常規(guī)的波阻抗曲線上表現(xiàn)為異常高值，煤層表現(xiàn)為異常低值，上述兩種巖性是可以區(qū)分的；砂泥巖波阻抗值比較接近，劃分界線不明顯，而自然伽馬曲線對砂泥巖比較敏感。因此，可先利用常規(guī)的波阻抗反演對煤層和灰?guī)r進(jìn)行劃分，再利用伽馬擬聲波阻抗反演對砂泥巖進(jìn)行區(qū)分。

1.2 基于模型的波阻抗反演

基于模型波阻抗反演的理論基礎(chǔ)是褶積模型。因此，反演有一定的假設(shè)前提，如假設(shè)地層為水平層狀介質(zhì)，假定相鄰地層之間反射系數(shù)存在的差異很小，即

(1)

其中對于任意第n層的波阻抗，其對數(shù)可表示為

Ln=ln(In)

(2)

In表示一個包含N個反射系數(shù)序列的地質(zhì)模型中第n層的波阻抗值，為了簡化模型，這里假設(shè)數(shù)據(jù)已經(jīng)消除噪聲的影響，有

(3)

地震記錄可由地層反射系數(shù)與子波計算得到，用矩陣表示為

(4)

S表示地震道，下標(biāo)n表示采樣點序號，R表示反射系數(shù)序列，由公式(2)與公式(4)，得到地震道的表達(dá)形式：

(5)

為了方便書寫，將公式(5)簡寫為公式(6)，W為子波；D表示系數(shù)矩陣；L是由對數(shù)波阻抗值構(gòu)成的矩陣。

(6)

已知地震子波和地震記錄，便可計算出每一層的波阻抗，進(jìn)而根據(jù)波阻抗值大小識別巖性。若實際地震記錄為T，可設(shè)定一個目標(biāo)函數(shù)J將模型地震道S與實際地震道T聯(lián)系起來，即：

J=(T-S)T(T-S)

(7)

求解J最小值的過程相當(dāng)于尋找一個最好的地層模型，使其與地震資料匹配度最好。

基于模型的波阻抗反演在縱向上使用測井作為約束，橫向上通過地震解釋層位控制，利用克里金等空間插值方法，從井點出發(fā)，建立符合真實地質(zhì)情況的初始地層波阻抗模型。為了使地震數(shù)據(jù)與所建初始模型匹配，得到最佳解，需要不斷地修改初始模型，以提升模型反演的準(zhǔn)確性。

1.3 擬聲波阻抗反演

基于模型的波阻抗反演通常是利用聲波測井曲線與密度曲線。煤層和灰?guī)r在聲波曲線上與圍巖有明顯的差異，可以有效地進(jìn)行區(qū)分。然而，真實的地質(zhì)情況往往比較復(fù)雜，只靠聲波曲線難以區(qū)分除煤層和灰?guī)r以外的地層巖性。因此，可以挑選對巖性更為敏感的測井曲線代替聲波曲線進(jìn)行擬聲波阻抗反演。

擬聲波反演的流程主要如下：首先，選擇出對目標(biāo)巖性較為敏感的測井曲線，并對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除因測井年代不同、單位不同以及儀器誤差帶來的影響；其次，再利用擬聲波曲線重構(gòu)方法對自然伽馬曲線進(jìn)行重構(gòu)，將準(zhǔn)確的時深關(guān)系賦予該曲線，使其成為具備聲波量綱的擬聲波曲線。最后，分析研究區(qū)地震資料，提取合適的地震子波并構(gòu)建符合真實情況與地質(zhì)認(rèn)知的擬聲波阻抗模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行與模型反演相同的流程，最后得到擬聲波反演結(jié)果。

1.4 時深轉(zhuǎn)換

時深轉(zhuǎn)換是地震處理中比較重要的一個環(huán)節(jié)，其目的是將時間域的地震數(shù)據(jù)或地層層位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到深度域，使其可以直觀反映真實的地質(zhì)情況。時深轉(zhuǎn)換的主要原理及流程如下所述：

1)在反演結(jié)果上對目的層位進(jìn)行追蹤，得到時間域的解釋成果，將其進(jìn)行網(wǎng)格化處理得到目的層位時間平面圖，提取井點處的時間記作t0。

(8)

3)將計算得到的速度從井點出發(fā)，進(jìn)行網(wǎng)格化處理，可以得到目的層頂界面的速度平面圖，最后由目的層速度與時間通過計算即可得到目的層頂界面深度平面圖，上述方法同樣可以應(yīng)用于其它層位的深度計算。

將計算的各巖層頂界面深度平面進(jìn)行疊合，得到目標(biāo)層段巖層巖性預(yù)測剖面圖，即可根據(jù)巖層的展布趨勢與巖性信息對盾構(gòu)機(jī)的工作路線進(jìn)行優(yōu)選。

2 應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)概況

泊里礦區(qū)位于太行山西翼，區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，風(fēng)化剝蝕較為嚴(yán)重導(dǎo)致基巖出露，研究區(qū)內(nèi)多被黃土覆蓋，屬于剝蝕中低山地貌。井田總體構(gòu)造為一走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角8°～15°。研究區(qū)發(fā)育少量的褶曲、小斷層及陷落柱，構(gòu)造簡單。

太原組煤層為礦區(qū)的主要含煤地層，主要煤層有3#煤、8#、9#及15#等煤層，由于3#煤層被局部沖刷，導(dǎo)致煤層變薄甚至缺失，8#煤層與9#煤層較薄，皆為局部可采煤層。15#煤層距K2灰?guī)r20m左右，厚3.53～7.40m，含0～3層夾矸，夾矸厚度在0.5m以下，巖性主要為泥巖。15#煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，為本區(qū)主要勘查對象。

15#煤層上部主要為上石炭統(tǒng)太原組，主要的巖性分布為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r及煤層。泥巖及砂質(zhì)泥巖較為發(fā)育，砂巖零星分布。太原組發(fā)育較為穩(wěn)定的灰?guī)r有三層：K2、K3與K4灰?guī)r，灰?guī)r厚度由北向南逐漸變厚。

2.2 煤層及其上部灰?guī)r精細(xì)刻畫

研究區(qū)一共收集到44口測井解釋成果，首先對研究區(qū)密度、聲波以及自然伽馬測井曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，保證相同目標(biāo)層段的測井曲線值處于同一個范圍內(nèi)，能夠直接反映巖性的變化。

圖1 聲波曲線與自然伽馬曲線對比分析

對比研究區(qū)自然伽馬測井曲線與聲波曲線(圖1)可知，聲波曲線中煤層和灰?guī)r響應(yīng)特征明顯，砂泥巖在自然伽馬曲線上有明顯的差異，符合兩種反演方法聯(lián)合進(jìn)行巖性反演的要求。

對圖2中的反演結(jié)果進(jìn)行分析可知：綠色區(qū)域為煤層，反演剖面顯示8#煤層與9#煤層較薄，15#煤層較厚且厚度分布較為穩(wěn)定。紫色區(qū)域為灰?guī)r，煤層與灰?guī)r在剖面上具有很好的連續(xù)性。圖中展示的曲線是波阻抗曲線，曲線與反演結(jié)果吻合較好。

圖2 模型反演結(jié)果剖面

2.3 煤層上部砂泥巖精細(xì)刻畫

為了進(jìn)一步驗證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，對研究區(qū)連井柱狀圖進(jìn)行分析，15#煤層頂板巖性主要為泥巖，厚度在1.95～2.66 m，整體變化趨勢不大(圖3)。

圖3 過測線鉆孔巖性柱狀圖

圖中顯示15#煤層上部巖性從下到上依次為泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和灰?guī)r，Jing-1井顯示灰?guī)r下部泥巖間還局部發(fā)育有砂巖。依據(jù)地質(zhì)任務(wù)，將15#煤層上部30m作為擬聲波反演的目標(biāo)層段。

圖4中不同的顏色代表不同的波阻抗值，泥巖在自然伽馬曲線上表現(xiàn)為高值，因此在剖面中可以看到泥巖與其圍巖的阻抗值有明顯的差異，即圖中的紫色及深藍(lán)色區(qū)域。綠色區(qū)域即為擬聲波阻抗值較低的砂巖。介于綠色與紫色之間的區(qū)域為砂泥巖過渡巖性。

15#煤層頂板上部發(fā)育有一套砂巖，砂巖的展布形態(tài)與尖滅特征在反演剖面圖上清晰可見，驗證了擬聲波阻抗反演在砂泥巖精細(xì)刻畫方面有較好的效果。

圖4 擬聲波阻抗反演結(jié)果剖面

2.4 盾構(gòu)機(jī)路線選取

利用時深轉(zhuǎn)換得到15#煤層及其上部巖性綜合預(yù)測剖面圖(圖5)。

圖5 15#煤層頂板及上部巖性預(yù)測剖面

盾構(gòu)機(jī)可用于煤礦井下巖石巷道的掘進(jìn)。通常情況下，盾構(gòu)機(jī)在硬巖中掘進(jìn)效率較高，即盾構(gòu)機(jī)在砂巖中的掘進(jìn)速率最高，其次是泥質(zhì)砂巖，然后是砂質(zhì)泥巖，盾構(gòu)機(jī)在泥巖中掘進(jìn)效率較低。因此，砂巖發(fā)育層段為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的最佳區(qū)域。

由巖性綜合預(yù)測剖面圖可知，研究區(qū)15#煤層頂板上部的巖性分布中，砂質(zhì)泥巖發(fā)育，砂巖局部發(fā)育，可將砂質(zhì)泥巖作為研究區(qū)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的最佳選擇(圖中藍(lán)色區(qū)域)。

3 結(jié)論

1)利用基于模型的波阻抗反演可以有效地區(qū)分灰?guī)r與煤層，聯(lián)合自然伽馬擬聲波阻抗反演可以實現(xiàn)對煤層及其上部巖性分布的綜合預(yù)測。

2)利用時深轉(zhuǎn)換技術(shù)將地層層位數(shù)據(jù)從時間域轉(zhuǎn)換到深度域，得到的剖面結(jié)果可直觀反映地層的真實位置及空間分布狀態(tài)(包括厚度、起伏形態(tài)、地層的尖滅及巖性的分布等)。

3)級聯(lián)反演預(yù)測煤層及其圍巖的方法，實現(xiàn)了對研究區(qū)主要煤層及其頂板上部巖層的精細(xì)刻畫，為煤礦高效開采、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工提供了依據(jù)。