孟凡彬

煤礦采區(qū)高密度三維地震深度域資料解釋方法

孟凡彬

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

時間域地震資料解釋比較成熟，深度域處理技術已經(jīng)走向煤炭領域，但煤礦采區(qū)高密度三維地震深度域資料解釋實際應用還存在很多問題。通過煤炭地震深度域?qū)游粯硕ā⑸疃扔驍鄬咏忉?、深度域底板成圖的摸索應用，參考時間域解釋的流程，初步建立在煤炭高密度三維地震深度域資料中直接解釋煤田地質(zhì)成果的方法。以淮北祁南礦三維疊前深度偏移地震資料應用為例，通過深度域、時間域地震數(shù)據(jù)的對比剖析，斷層解釋、回采面地震屬性顯示及底板成圖，取得精度更高的結(jié)果，利于一線技術人員直接運用深度域地震資料來指導煤礦生產(chǎn)。

深度域解釋；高密度三維地震；深度域?qū)游粯硕ǎ簧疃扔驍鄬?；深度域傾角；祁南礦

隨著煤礦向深部開采，對構造精度的需求越來越迫切，常規(guī)疊前時間三維地震、高密度時間三維地震在以往的工作中發(fā)揮了巨大作用，但在實際的工作面采掘過程中也遇到一些問題，小構造的丟失、斷層的橫向擺動誤差等問題嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)，也給生產(chǎn)帶來一定隱患[1-4]。以往時間域三維地震資料在煤礦采區(qū)勘探存在一定缺陷，而疊前深度偏移是目前最先進的處理技術。當前，疊前深度偏移技術在石油系統(tǒng)應用比較廣泛，前人對深度域地震資料解釋存在的問題也做了分析研究[5]。張雪建等[6]認為在深度域進行層位標定與時間域的層位標定不同，提出了深度域?qū)游粯硕ǚ椒?；何惺華[7]從時間域和深度域的地震波場描述出發(fā)，分析得出時間域與深度域中的地球物理概念原理和方法是相互聯(lián)系的，其數(shù)學表達方式相似；郝曉紅等[8]進行了深度域地震資料解釋探討，提出一種在深度域進行解釋的方法，盡量適應目前解釋系統(tǒng)工作習慣、工作思路；周賞等[9]探索深度域地震資料的解釋方法和流程，利用波數(shù)類屬性進行了含油氣性檢測；韓必武等[10]利用提取的深度域方差屬性、傾角屬性體、曲率屬性體及相干屬性體進行主成分分析，將主成分分析后的成果與螞蟻體屬性融合，進行構造解釋。疊前深度偏移是煤炭地震資料處理中最近幾年發(fā)展的一項技術，在煤礦應用中尚未有成熟的深度域解釋方法，尤其是“透明工作面”技術的提出，更需一種深度域精準的高密度三維地震資料數(shù)據(jù)，使之更好地為煤礦安全開采服務[11-13]?；诖耍P者通過深度域?qū)游粯硕ǚ椒?、深度域斷層解釋方法和深度域底板成圖方法的研究，形成煤炭高密度三維地震深度域資料解釋的一套流程，并應用于淮北臨渙礦某巷道實際資料進行驗證，以期為煤礦一線技術人員提供直接地質(zhì)成果。

1 深度域數(shù)據(jù)層位標定

層位標定是開展含煤地層地質(zhì)異常解釋和屬性分析的關鍵環(huán)節(jié)，是連接物探、地質(zhì)和測井資料的紐帶[14-15]。與常規(guī)物探數(shù)據(jù)資料的差異在于常規(guī)物探資料是時間域的，需要通過合成記錄來建立時深關系，進而來進行層位標定[16-17]。深度域地震資料縱向刻度為深度，與測井數(shù)據(jù)的縱向刻度一致，可以直接實現(xiàn)井震聯(lián)合顯示，便于在深度域進行井震標定。時間域的合成地震記錄通過反射系數(shù)和子波褶積來實現(xiàn)[18-20]。深度域人工合成記錄是直接在深度域地震數(shù)據(jù)剖面上提取地震子波，然后利用褶積方法完成人工合成[21-23]。

與以往常規(guī)的人工合成記錄類似，深度域的地震數(shù)據(jù)層位標定，也需要人工合成記錄，也是通過輸入聲波、密度和井旁地震道數(shù)據(jù)[18]。值得注意的是，由于深度偏移是從零時刻和零深度起算，應選擇從零深度開始的測井數(shù)據(jù)制作合成記錄。

以鉆孔2016-7為例(圖1)，煤層在測井曲線上的異常總結(jié)起來主要為GGFR(人工伽馬)與AC(聲波時差)，根據(jù)這些特征可以用于識別巖性。煤層的測井曲線表現(xiàn)出：AC屬于高異常，GGFR 屬于低異常。根據(jù)經(jīng)驗公式可推算得到(密度值)，也可以得到P(縱波速度值)。根據(jù)測井曲線數(shù)據(jù)直接或間接得到地質(zhì)分層及密度和速度曲線。密度估計值由研究區(qū)域的測井數(shù)據(jù)得到，可以利用人工伽馬曲線使用經(jīng)驗公式計算得到密度曲線。同樣的，速度曲線是指各巖層的深度與巖層對應速度之間的關系，速度曲線縱坐標是深度，橫坐標是巖層的速度。可以根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)測井數(shù)據(jù)直接得到，鉆孔2016-7的速度曲線是根據(jù)聲波時差曲線計算得到。

圖1 鉆孔2016-7合成記錄在深度域地震剖面顯示

利用孔曲線中不同巖層位置和波形對比分層，速度采用層速度；每一個地質(zhì)分層都具有一定的厚度，在這段巖層中，其地球物理參數(shù)并不均一，所以取平均值來代表這一段巖層的特征；測井變化對應著層位參數(shù)的變化，而同一巖層并不具有均一性，所以同一巖層對應的測井曲線也是變化的，但測井曲線的變化是在一定范圍內(nèi)的，所以取同一巖層對應的測井曲線的中點位置和波形對地層進行分層，例如：該區(qū)煤層密度范圍為1.4~1.5 g/cm3，圍巖為泥巖，密度為2.3~2.4 g/cm3，進行分層時取1.4~1.5 g/cm3范圍的中點位置作為煤層位置。

在深度域地震數(shù)據(jù)體上提取深度域地震子波，地震子波是指一段具有確定的起始時間、能量有限且有一定延續(xù)長度的信號，是地震記錄中的基本單元，一般認為，地震震源激發(fā)所產(chǎn)生的地震波僅是一個延續(xù)時間極短的尖脈沖，隨著尖脈沖在黏彈性介質(zhì)中傳播，尖脈沖的高頻成分很快衰減，波形隨之增長，便形成了地震子波，一個地震子波一般有2~3個相位的延續(xù)長度，大約90 ms，然后以地震子波的形式在地下傳播。

根據(jù)鉆孔在地震數(shù)據(jù)體的位置，對比地震數(shù)據(jù)與深度域合成地震記錄，根據(jù)波形相似原則，將主要目的層的各反射界面從上到下逐層對齊，根據(jù)分層、合成地震記錄來對地震數(shù)據(jù)體進行層位標定，即完成深度域合成地震記錄的標定。

2 深度域斷層的解釋

斷層解釋是煤層構造解釋的重點，其在傳統(tǒng)時間域里面的解釋主要依據(jù)反射波同相軸波組錯斷、反射波結(jié)構突變、相位轉(zhuǎn)換、同相軸扭曲、分叉、合并等特征來識別斷層。斷層解釋要從平面、剖面、三維等不同角度進行解釋，在淮北構造復雜區(qū)，常借助多屬性沿層切片來輔助解釋。

2.1 斷層解釋方法

深度域斷層解釋的方法與時間域類似，主要包含以下內(nèi)容：

a.斷層斷點特征 傳統(tǒng)的時間域剖面里解釋斷層斷點是以同一煤層同相軸是否連續(xù)為主。一般層位的顯示形式是波形、變面積顯示，同時結(jié)合其他如變密度彩色剖面、灰度剖面識別斷點。在平面上借助于層拉平切片和部分屬性切片。

斷層斷點的主要標志為：同一煤層層位中斷(明顯的斷層)、層位錯開(小斷層)或?qū)游徽穹蛔?由強到弱、由弱到強，層位由多到少或由少變多)。對于落差很小的斷層，斷點煤層層位很難斷開，主要依據(jù)煤層層位同相軸變化來判斷(圖2)，如連續(xù)性(是否有扭曲)和形狀上(如“胖瘦”或由多變少)，表現(xiàn)在屬性剖面上就是振幅強弱、頻率高低的變化。小斷層很難用肉眼判斷，要借助其他手段，如放大鏡、多種數(shù)學屬性計算差異變化等來確定小斷點的存在。

b.斷層傾角解釋 與時間域類似，但本質(zhì)上不同。深度域無需速度轉(zhuǎn)化，和《構造地質(zhì)學》中提出的原理一樣，如果把連續(xù)斷開2個或2個以上煤層的反射波斷點連接起來(圖3)，這個連線即為斷層面，與水平面的夾角為斷層傾角，且為真傾角。

圖2 深度剖面斷點分布

圖3 深度剖面上斷層視傾角估算

c.斷層組合 這與時間域的解釋類似，首先，要依據(jù)區(qū)域特征及工作經(jīng)驗，把同一層位的連續(xù)剖面上斷點(其特征相似，斷點性質(zhì)一樣，落差接近)連起來。在地震資料分析過程中，傾向方向和走向方向得到的斷層線，其合理性可通過其平面投影與之相交的測線及屬性切片上來檢驗。如在平行斷層走向的剖面上可以檢查斷層走向；在垂直斷層走向的剖面上可以檢查其落差、斷面形態(tài)和水平斷距；而在方差、螞蟻、曲率屬性平面上，可以分析斷層的平面延展情況，最終來判斷斷層組合是否合理。

2.2 斷層傾角計算

與時間域地震剖面不同，深度域剖面的縱向為深度，因此，深度域地震剖面可當作“擬地質(zhì)剖面”，如圖3所示，直接根據(jù)斷層在垂直方向的距離Δ和水平方向的距離Δ之間的比值來估算斷層的視傾角：

當順著垂直斷層走向截取深度域數(shù)據(jù)剖面時，這樣計算出來的切斷煤層的斷層傾角為真傾角。

2.3 煤層層位傾角計算

與計算斷層的傾角類似，如圖4所示，圖中綠線追蹤的為下石盒子組下部地層72煤層的反射波，讀取一段層位上的水平距離Δ和垂直距離Δ，據(jù)此可計算層位的視傾角*，即：

圖4 深度剖面上煤層視傾角估算

Fig.4 Estimation of apparent dip angle of a coal seam in a depth profile

除斷層外，采空區(qū)、陷落柱、煤層沖刷帶及火成巖侵入?yún)^(qū)的深度域分析也是按照深度域?qū)游划惓砼袛?，借助剖面及屬性多手段?lián)合解釋，在此不再贅述，但深度域構造異常的解釋與時間域有著本質(zhì)不同，方法思路類似，但地震子波含義不一樣，這在以后的研究中會重點關注。

3 深度域煤層底板等高線成圖方法

完成上述層位追蹤和構造解釋工作后，解釋成果可以直接成圖，進行深度域網(wǎng)格化，得到初始深度域成果圖。

成圖過程中無需速度轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可直接形成煤層底板等高線，但個別地方存在誤差，與井巷揭露的煤層底板高程值不一致，需消除。部分專家學者認為疊前深度偏移獲得地震數(shù)據(jù)體，其剖面直接獲取的底板高程值和井巷揭露的底板高程值一致，各煤層可以在深度域剖面上直接標定；而部分學者則認為疊前深度偏移獲得地震數(shù)據(jù)體是相對準確的，只能盡量平移來減少地震層位與井分層之間的誤差，不能進行非平移操作。

從煤礦深度域地震資料與最新巷道見煤點的驗證情況來看，深度域煤層底板等高線還是有誤差的，見表1。

時間域解釋的底板等高線是通過速度誤差來修正，而疊前深度出現(xiàn)的誤差也需微調(diào)，最終實現(xiàn)深度域煤層底板等高線精度的提高。具體流程如圖5所示。

這種構造成圖方法避免了單層井震差異校正帶來的空間形態(tài)畸變問題，使上下地層的構造圖均趨向合理。圖6為祁南煤礦103采區(qū)10煤層深度誤差校正前后對比圖。

在得到深度誤差分布情況校正后獲得最終深度圖后，再使用研究區(qū)的基準面減去深度即可得到研究區(qū)目的層底板等高線圖。

表1 煤層底板等高線與最新巷道見煤點驗證情況

4 應用效果分析

通過疊前深度偏移處理技術獲取的高密度深度域三維地震成果，進行祁南礦深度域斷層解釋、回采區(qū)地震效果及底板等高線成果圖分析。

a.高密度深度域剖面與常規(guī)時間域剖面對比 由于上覆煤層的屏蔽作用，10煤層形成的反射波較7煤層、9煤層形成的反射波信噪比低，通過疊前深度偏移，10煤層形成的反射波較疊前時間偏移剖面連續(xù)性有了改善，使得在疊前深度剖面上更容易追蹤10煤層反射波。

圖5 深度誤差校正流程

圖6 祁南煤礦10煤深度誤差校正前后底板等高線

從圖7中可以看出，高密度深度域地震數(shù)據(jù)中10煤層的成像質(zhì)量較好，發(fā)育于煤層中的斷層斷點繞射波收斂干脆，能清晰解釋，煤層反射波連續(xù)性較好，成像質(zhì)量提高。

圖7 疊前時間偏移(上)與疊前深度偏移(下)剖面對比

b.深度域工作面回采地震屬性及剖面展示 本區(qū)使用的高精度三維地震數(shù)據(jù)采集時間為2015年7月31日至2015年8月7日，即在本次數(shù)據(jù)采集之前回采的工作面為采空區(qū)。

在本工區(qū)西南部有3個工作面回采，即10113工作面、10114工作面和10115工作面，如圖8所示。

圖8 采區(qū)工作面回采與10煤振幅屬性疊合

10113工作面是2007年3月至2009年4月回采，為采空區(qū)，由于該工作面位于工區(qū)勘探邊界以外，振幅屬性對該工作面的采空區(qū)反映不明顯；10114工作面是2011年1月至2012年5月31日回采，為采空區(qū)，在屬性切片上表現(xiàn)為低振幅區(qū)域，地震剖面如圖9所示；10115工作面是2015年4月至2016年2月23日回采，三維地震數(shù)據(jù)采集時回采到粉色區(qū)域(圖8粉色線圈定的區(qū)域)。

c.深度域斷點解釋分析 斷層SDF8在時間域(PSTM)剖面上的上下盤落差僅4 ms，與巷道實見斷層擺動誤差達25 m，在深度域(PSDM)剖面上的上下盤落差為12 m，巷道此處實見斷層為13 m，由此可知，深度域(PSDM)剖面與巷道實見斷層較為相符，如圖10所示。

圖9 10114工作面采空區(qū)PSDM地震剖面圖與屬性平面圖

圖10 斷層SDF8的PSTM、PSDM線對比ILN729

5 結(jié)論

a.通過煤礦采區(qū)高密度深度域地震資料的解釋流程的探索應用，初步建立深度域?qū)游粯硕ǚ椒?、斷層斷點、斷層傾角解釋及深度域成圖的方法步驟，初步形成煤礦采區(qū)深度域地震數(shù)據(jù)的解釋流程，為在煤炭領域推廣深度域解釋技術提供技術借鑒。

b.利用淮北祁南礦井巷資料的驗證對比分析，顯示高密度深度域地震資料還需更多的實踐，深度域地震資料解釋還需進一步完善。

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Interpretation method of high density 3D seismic depth domain data in coal mining districts

MENG Fanbin

(Research Institute of coal Geophysical Exploration, China National Administration of Coal Geology, Zhuozhou 072750, China)

Time domain seismic data interpretation is relatively mature, and depth domain processing technology has been moved into the field of coal, but there are still many problems in the practical application of high density 3D seismic depth domain data interpretation in coal mining area. Through the exploration and application of coal seismic depth domain horizon calibration, depth domain fault interpretation and depth domain floor mapping, and referring to the process of time domain interpretation, the method of directly interpreting coal geological results in high density 3D seismic depth domain data is preliminarily established. Taking the application of 3D prestack depth migration seismic data in Qinan Coal Mine of Huaibei as an example, through the comparative analysis of seismic data in depth domain and time domain, fault interpretation, seismic attribute display of mining face and floor mapping, higher precision results have been achieved. The results of depth domain are conducive to the technical personnel of the front line to directly use the depth domain seismic data to guide the coal mine production.

depth domain interpretation; high density 3D seismic exploration; depth domain horizon calibration; depth domain fault; dip angle; Qinan Coal Mine

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.011

1001-1986(2020)06-0080-07

2020-09-15；

2020-11-25

國家科技重大專項課題(2016ZX05041-002，2016ZX05043-001)

National Science and Technology Major Project of China(2016ZX05041-002，2016ZX05043-001)

孟凡彬. 1981年生，男，安徽靈璧人，碩士，正高級工程師，從事煤田地質(zhì)與地球物理綜合研究. E-mail：mfb2008@163.com

孟凡彬. 煤礦采區(qū)高密度三維地震深度域資料解釋方法[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：80–86.

MENG Fanbin. Interpretation method of high density 3D seismic depth domain data in coal mining districts[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：80–86.

(責任編輯 聶愛蘭 周建軍)