淮北矿区岩浆岩侵入区三维地震属性响应与模式识别

白 瑜

(中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077)

0 引言

矿产资源综合勘查评价规范(GB/T 25283—2010)要求天然焦应随煤一起进行综合勘查评价工作[1]。侵入煤层的岩浆岩,不仅破坏了煤层的原生结构,其周边还形成了能够焦化煤层的高温高压环境。岩浆岩侵入区内,岩浆岩、天然焦和原生煤层组合后形成局部混合层,其组合形式多种多样[2-8]。开采揭露岩浆岩侵入目的层时,若目的层稳定程度达不到地质报告要求的稳定程度,则无法实施矿井设计开拓方案,进而导致矿井生产无法达到建井设计预计产能[9]。

关于岩浆岩侵入煤资源的赋存影响的研究在国内有一定程度的开展。刘胜军等[10]利用煤厚变异系数评价岩浆对目的层的影响程度,该研究基于钻探,相比三维地震勘探,无法对主采煤层进行连续勘探;介伟[11]用四类混合层模型正演模拟研究岩侵入区,侧重于介绍地震属性侵入岩浆岩范围的方法手段,缺少对岩浆侵入区地震属性响应特征的总结。

本次研究采用三维地震资料对研究区岩浆岩侵入区进行连续追踪与识别,结合钻孔处岩浆岩侵入情况分析岩浆岩侵入区地震属性响应特征,首次建立岩浆岩侵入区地震属性模式识别岩浆岩侵入区,评价岩浆岩侵蚀原生煤层情况。本文正演模拟了岩浆岩侵入区模型,分析了正演结果,总结出了岩浆岩侵入区地震属性响应特征。以淮北矿区BZ采区三维地震勘探工程为例,根据总结出的地震属性响应特征,分析研究区钻孔处地震属性响应特征,利用地震属性模式识别方法解释了岩浆岩侵入区,为建井设计和产能预计提供技术支持。

1 岩浆岩侵入煤层区正演模拟模型建立

岩浆侵入区煤层,破坏了煤层原生结构,形成了岩墙、岩床、岩柱等侵入体[12]。侵入体周围煤层自燃,经过干馏作用后生成天然焦[13]。侵入岩浆岩的波阻抗值明显高于原生煤层波阻抗值,而天然焦的波阻抗值略高于原生煤层波阻抗值[14]。

通过测试淮北矿区BZ采区岩样后采用表1中岩性参数进行了正演模拟。分别模拟原生煤层、没有岩浆岩侵入的天然焦、上部或下部有岩浆岩侵入的天然焦、上下部同时被侵入的天然焦、岩浆岩完全侵蚀、上部为正常煤层而下部为天然焦煤层的共八种区段反射波引起的地震响应。对模型中的煤层按原比例局部放大,见图1。

图1 岩浆岩侵入煤层后多种局部混合层模型图

表1 正演模型物性参数

2 岩浆岩侵入煤层区正演模拟结果分析

对上述模型进行正演模拟(图2),并提取了该剖面瞬时振幅属性,分析发现:

图2 多种局部混合层模型正演模拟成果图(红色振幅值偏大,黄色振幅值居中,蓝色振幅值最低)

(1)常规的叠加偏移时间剖面上,在含有岩浆岩侵入的区段与岩浆岩未侵入区段(原生煤层和焦化煤层)的交界处,目的层反射波会明显错断,产生“假断层”。这是由于侵入的岩浆岩使所在区段目的层纵波速度显著提升,远高于原生煤层纵波速度(图2a)。

(2)常规的叠加偏移时间剖面上,无法分析岩浆岩侵入情况,岩浆岩侵入区段的目的层反射波无明显差异(图2a)。

(3)提取常规剖面的瞬时振幅属性后,岩浆岩侵入区段的振幅随岩浆岩的侵入情况产生差异:岩浆岩区段目的层反射波能量最强,原生煤层区段反射波次之,焦化煤层区段较弱。上述变化规律与目的层反射波区段与顶、底板围岩的波阻抗差异大小一致(图2b)。

(4)焦化煤层和原生煤层组合区段目的层反射波能量弱于原生煤层区段目的层反射波能量,强于焦化煤层区段目的层反射波能量(图2b)。

(5)焦化煤层和岩浆岩组合区段目的层反射波能量均强于焦化煤层区段目的层反射波能量。焦化煤层比重高时,其目的层反射波能量均弱于原生煤层组合区段目的层反射波能量。侵入岩浆位于目的层底板区段目的层反射波能量强于侵入岩浆位于目的层顶板区段目的层反射波能量(图2b)。

3 岩浆岩侵入煤层区地震特征

分析正演模拟岩浆岩侵入煤层区正演结果,岩浆岩侵入煤层区地震属性特征表现如下:

(1)常规剖面上,岩浆岩侵入区边界处目的层反射波同相轴断开,这是由于侵蚀后的目的层与相邻焦化目的层的波阻抗差异较大所致。岩浆岩侵入区内目的层反射波同相轴连续,随煤层的焦化程度和岩浆岩侵入程度发生轻微扭动,需借助地震属性分析评价岩浆岩的侵入程度。

(2)原生煤层被岩浆侵蚀后形成煤、天然焦和岩浆岩的混合目的层,不同混合目的层反射波的能量属性差异较大,具有一定的规律。主要以岩浆岩侵入目的层反射波能量明显高于原生煤层反射波的能量;含有天然焦的混合目的层产生的反射波能量低于原生煤层反射波能量。岩浆岩含量越高,煤层反射波的能量越强;天然焦含量越高,煤层反射波的能量越弱。

4 BZ采区概况

以淮北矿区BZ采区10号煤层作为研究对象,对燕山期第四次侵入岩浆岩进行识别。该区地震资料具有断点归位准确、地层产状协调、地质现象清楚等优点,有利于进行精细解释。

BZ采区内3、7、9煤组较稳定,厚度一般在3 m左右,煤层的顶底板均为泥岩、砂岩互层,煤层与顶底板地层的密度、速度、岩性上的差异较大,能够产生良好的地震反射波。10号煤层受岩浆岩侵蚀面积较大。

BZ采区岩浆岩直接侵入10号煤层,被侵蚀的10号煤层变薄,局部甚至缺失。岩浆岩侵入区内及其周边形成了由岩浆岩、焦化煤层和原生煤层的多种混合层。图3为采区内典型岩浆岩侵入10号煤层顶板的三维地震响应图。常规的叠加偏移时间剖面上不能直观地识别出岩浆岩侵入区,瞬时振幅属性(图3b)比常规的叠加偏移时间剖面(图3a)更加直观地反映岩浆岩侵入区上方煤层焦化情况。图3b中红圈内区域为解释的天然焦范围,天然焦下部红色区段是来自于天然焦下部岩浆岩顶界面的强反射波。

图3 典型岩浆岩侵入区上方煤层焦化区段三维地震响应图(红色振幅值偏大,黄色振幅值居中,蓝色振幅值最低)

岩浆岩侵入10号煤层,该区域内混合层多以上部岩浆岩、中部天然焦、下部为原生煤组合。图4为BZ采区内1号测线瞬时振幅属性与钻孔岩性柱状的对比图。该测线上ZKX35孔和ZKX3B2孔处10号煤层上部被岩浆岩侵入后,形成岩浆岩、天然焦和原生煤层组成的局部混合层。该组合层岩浆岩侵入含量较少,组合层的反射波能量主要受原生煤层和天然焦的波阻抗值影响,局部混合层的反射波能量弱于钻孔ZKB21处原生煤层处的反射波能量;钻孔ZKX35混合层中岩浆岩含量高于钻孔ZKX3B2处岩浆岩含量,因与上部岩层波阻抗差异较小,故ZKX35混合层反射波能量弱于ZKX3B2混合层反射波能量。

图4 1号线连续小波变换前后连井剖面对比(红色反射波振幅能量大,黄色反射波振幅能量小)

5 BZ采区岩浆岩侵入区识别

常规的偏移时间剖面无法直观地反映岩浆岩侵入区内反射波的能量变化[15]。为了解决这一问题,提取原始地震资料多种振幅属性进行了振幅类属性重构。通过已知测井资料检验钻孔处振幅变化情况符合正演模型总结出的岩浆岩侵入区地震响应规律,建立瞬时振幅值和岩浆岩侵入区内原生煤层、岩浆岩侵入区的对应关系。

通过钻孔分析可知,BZ采区内原生煤层区域和岩浆岩侵入区域反射波能量强,结合岩浆岩侵入规律易于识别。岩浆岩通过岩柱通道上升至10号煤层顶部,进一步侵蚀10号煤层顶部形成侵入岩床。该区域内混合层多以上部岩浆岩、中部焦化煤层、下部原生煤层组合。根据正演模拟和总结出的地震属性响应特征和分析钻孔处岩浆岩侵入10号煤层的规律,最终将BZ采区划分为如下三类模式:

(1)原生煤层模式:该区域10号煤层未受岩浆岩侵蚀、未发生焦化。该模式下反射波能量较强。

(2)岩浆侵入区模式:岩浆岩顺着岩溶通道进入10号煤层,侵蚀10号煤层后形成岩床和岩墙。目的层段混合层内岩浆岩含量较高,天然焦和原生煤含量较少。该模式下反射波能量强于原生煤层模式。

(3)天然焦区模式:为岩浆岩侵入区和原生煤层的过渡区域,多与10号煤层原生煤层伴生。目的层段混合层内天然焦和原生煤含量较高,岩浆岩含量较少。该模式下反射波能量反射波能量最弱。

采用岩浆岩侵入区地震多属性模式识别流程(图5)对10号煤层反射波进行地震多属性模式识别,取得BZ采区内岩浆岩侵入区解释结果(图6)。

图5 岩浆岩侵入区地震多属性模式识别流程图

图6 10号煤层岩浆岩侵入区地震属性模式识别结果

岩浆岩顺着岩溶通道进入10号煤层,侵蚀煤层后形成岩床和岩墙,岩床和岩墙周边煤层焦化形成天然焦。岩浆岩侵蚀煤层的过程在时间和空间上是连续的,所以侵入区在平面上呈圈闭状。10号煤层受岩浆岩侵蚀严重,未受侵蚀的原生煤层零星分布在区内局部目的层高程高的地方。天然焦伴生与岩浆岩侵入区和原生煤层之间(图6)。

6 结论

本次研究获得如下研究成果:

(1)通过采集勘探区的岩性参数后,进行地震正演模拟,用八类混合层模拟岩浆岩侵入区,分析并总结了岩浆侵入区常见原生煤层、天然焦和岩浆岩的地震属性响应特征。

(2)利用钻孔资料揭示岩浆岩侵入区内原生煤层、岩浆岩和天然焦目的层反射波瞬时振幅属性分布规律,建立瞬时振幅值和岩浆岩侵入区内原生煤层、岩浆岩侵入区的对应关系。

(3)对研究区内目的层划分3种模式,采用多属性模式识别方法对岩浆侵入区进行识别,预测了岩浆岩侵蚀10号煤层的情况。

基于属性模式识别的三维震勘探解释方法能够探明淮北矿区原生煤层与岩浆岩侵入区内混合层的空间产状形态。岩浆岩侵入区内,由岩浆岩、焦化煤层和原生煤层的组合而成的混合层结构形式多种多样,需在现有识别结果的基础上,选取有针对性的点位进行钻探,结合钻探结果对岩浆岩侵入区进一步分类识别。这有助揭示BZ采区10号煤层被岩浆岩侵蚀机理和地质演变史。