基于三维RVSP多孔联合技术煤矿采空区的探测

尹奇峰,潘冬明,于景邨,刘盛东

(1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116)

基于三维RVSP多孔联合技术煤矿采空区的探测

尹奇峰1,2,潘冬明1,2,于景邨1,2,刘盛东1,2

(1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116)

RVSP是一种高精度井中探测技术,在油气勘探领域已得到有效应用,为了实现其在煤矿采空区探测中的技术突破,利用高阶有限差分算法进行层状介质RVSP正演数值模拟,研究其波场传播特征及其在煤矿采空区探测的可行性。针对单孔RVSP深部盲区难题,提出一种三维RVSP多孔联合勘探技术,并结合SIRT反演算法还原模型速度场,实现异常体准确定位。将三维RVSP多孔联合技术应用于煤矿采空区探测,经过层析反演得到勘探区内速度信息,准确划定采空区,结果表明:该方法能够提供精细地震成像。

RVSP;采空区;多孔联合勘探技术;层析成像

煤矿采空区分布往往是孤立、不连续、无规律可寻的,长期以来严重威胁着煤矿的安全生产[1],由于其形成年代、埋藏深度、空间结构、围岩条件、冒落、充填和积水情况都存在较大差异,因此不同采空区的物性差异也较大,给探测工作带来困难[2]。目前国内外对于采空区的探测技术手段较多,各探测手段具有一定的效果但也存在局限性,如地质雷达探测分辨能力强但深度有限且易受金属物干扰[3];直流电法受接地条件和地形起伏影响较大[2];浅层地震在对多层发育的采空区探测时,能量衰减严重探测分辨率有限等[4-5]。针对不同煤矿采空区的物性特征,研究适合其具体条件的有效探测技术迫在眉睫。

RVSP(reverse vertical seismic profiling)地震勘探是在传统地面地震勘探方法和现已成熟的VSP(vertical seismic profiling)基础上结合钻井工程发展起来的新技术,包括随钻RVSP与爆震RVSP[6]。随着地震勘探进入复杂地区和精细构造阶段,煤矿采空区探测难度不断加大,常规勘探技术很难达到勘探目的,爆震RVSP是应运而生的一种精细地震勘探方法[7-8]。RVSP采用井中激发、地面接收观测方式,地震波穿过地层一次,大大降低了能量衰减[9-11],且井中激发避免了面波及其他干扰波的影响,相比于地面地震而言提高了勘探分辨率[12-13]。其检波器可在地面沿线或面组合展开,提高建模和成像精度,弥补了常规VSP的不足[14-17]。除此之外,RVSP技术受地表条件影响小,同时能够提供区域内钻井信息,有利于采空区综合解释。

RVSP技术起源于国外,1990年美国Texas Friendwood成功采集了RVSP数据,井深只有340 m; 1998年Michigan Tech应用P/GSI公司的井下液压轴向震源进行了RVSP采集工作,井深达1 000 m,但地面排列较短,只有268 m;目前发达国家一些大公司,如Schlumberger,IFP等RVSP装置已投入市场,并取得了一定的社会经济效益,但这些公司只提供现场服务,不出售其产品[7-9]。国内RVSP研究较晚,还处在理论研究和方法试验阶段,与国外水平相差甚远,1999年西安石油学院张绍槐、韩继勇等研究的“随钻地震技术理论及工程应用”是国内较早进行相关基础方面的研究,2002年东方地球物理公司在塔里木盆地也进行了RVSP试验工作,2003年又在吐哈盆地红台地区进行了第2口井的试验采集[6,8,12]。国内外RVSP勘探成功实例很少,阻碍其发展的最大难题是研制一种具备足够大能量又不破坏井壁的井中震源,且尚未形成有效的处理技术[7]。目前,RVSP技术在油气勘探领域取得了一定的成果,但在煤矿采空区方面应用较少[15,18]。笔者在前人研究基础上,提出三维RVSP多孔联合勘探技术,结合层析成像方法[19-25],获得井中炮点与地面检波点之间的速度场信息,成功解释了复杂地区煤矿采空区范围。

1 RVSP观测系统

图1为RVSP二维观测示意,井中激发地震波,地面布置检波器观测。其优点在于地面大量布设的检波器可以面积组合,不仅提高了信噪比,而且最大限度地降低了面元数据体的缺失,获得丰富的数据信息以提高解释精度[8-9,26]。

图1 二维RVSP观测系统示意Fig.1 Schematic diagram of 2D RVSP observation system

三维RVSP同样是在井中激发、地面接收地震波,与二维观测系统的区别主要在于地面测线及检波点的布置,根据不同的测线及检波点布置情况可以将3D RVSP观测系统分为线性观测系统、环形观测系统及放射状观测系统[14-15]。

(1)线性观测系统。线性观测系统在地面横向或纵向布置多条检波器,即检波点横、纵向变化,面积接收地震波,如图2(a)所示。

图2 3D RVSP观测系统Fig.2 3D RVSP observation system

(2)环形观测系统。环形观测系统是检波点在地面围绕井移动,每次保持检波点离开井口的距离变化,但相对于井处于不同的方位,如图2(b)所示。

(3)放射状观测系统。该观测方式检波点为线状观测,每条线为直线,炮点等间隔变化,并且过井口,线与线成一定的角度变化,如图2(c)所示。

2 RVSP正演数值模拟及层析反演

地震波模拟技术能够再现地震波在介质中的传播过程,有助于我们研究地震波传播规律与地下介质参数之间的定量和定性关系,减少地质解释的多解性,对地震采集处理提供技术支持[27-28]。在RVSP观测系统中,由于震源放置在地下,更加靠近地下构造,产生的波场比地面地震更加复杂。因此,有必要通过数值模拟对RVSP波场特征进行分析[2,10]。有限差分法是一种最常用的数值模拟方法,它是将波动方程中波场函数的空间导数和时间导数用相应的空间、时间的差分代替[27,29-30],笔者采用高阶有限差分声波方程进行RVSP二维数值模拟。

首先设计如图3所示的层状地质模型,模型大小为1 000 m×600 m,各地层参数见表1。检波点沿地表布设,道间距为5 m,排列长度为1 000 m,全排列接收,井孔位于500 m处,井深600 m,炮间距10 m,从井深50 m开始由浅至深放炮,共放56炮。数值模拟中,模型网格大小1m×1m,采样间隔为0.5 ms,震源主频60 Hz。

图3 层状地质模型Fig.3 Layered geologicalmodel

表1 层状地质模型参数Table 1 Layered geologicalmodel param eters

图4为模拟产生的井深120 m时的单炮记录, RVSP地震记录同样存在直达波、反射波(图中为煤层顶、底板反射波)以及多次波等,但相比于一般的地面地震,其记录形态以及能量有很大差别,目的层反射波旅行时较短,当炮点深度变化时,RVSP的高频成分保留完好,这正是RVSP勘探的优势所在。

图4 RVSP单炮记录及初至拾取Fig.4 RVSP single shot seismic record and first break time picking

在对模拟记录初至进行反复多次拾取以保证精度后(图4),以800 m/s作为层析反演初始梯度速度模型的起始值,速度扫描范围为800～5 000 m/s,采用5 m×1 m网格进行层析反演,获得图5的速度场。图中色标以蓝—黄—红顺序表示速度值(m/s)递增,可以看到层析反演结果纵向分层较好,横向上具有连续性,与正演模型吻合较好。由于RVSP观测方式的改变导致勘探区域底部两侧穿过射线较少,深部信息缺失,形成了勘探盲区,使得剖面成倒三角形状。

图5 反演速度模型Fig.5 Inversion velocitymodel

为了解决RVSP深部盲区问题,获得准确高效的RVSP勘探成果,进一步优化观测系统,设计图6的多孔联合RVSP勘探观测地质模型,同时嵌入采空区以进一步验证该方法的可行性。模型参数同图3的简单地质模型,采空区坐标范围横向580～620 m,纵向标高380～480 m,设计规格为40 m(横)×100 m (纵),纵波速度1 500 m/s,横波速度为866 m/s,密度为1 900 kg/m3,井孔K1,K2,K3位置分别在300, 500,700 m,每口井深均为600 m,炮点间距10 m,均从井深50 m开始由浅至深放炮,每口井放56炮。

图6 多孔联合RVSP观测地质模型Fig.6 Geologicalmodel ofmuti-hole joint RVSP observation

图7为多孔联合RVSP正演模拟的单炮记录,由于存在采空区异常,直达波出现下滑和扭曲(黄色圈出),相比于简单地质模型,除了直达波、反射波及多次波外,在采空区处产生明显的绕射波异常。

图7 多孔联合RVSP单炮记录及初至拾取Fig.7 Single shot seismic record and firstbreak time picking ofmuti-hole joint RVSP observation

以相同的方法对多孔联合RVSP数据拾取初至(图8),以800 m/s作为层析反演初始梯度速度模型的起始值,速度约束范围为800～5 000 m/s,网格采用5 m×1 m进行反演成像得到图8所示的速度模型,图中色谱以蓝—黄—红顺序表示速度值(m/s)递增,反演结果纵向分层性优于图5,横向上在采空区位置速度场不连续,出现低速异常,其速度值和范围与正演模型吻合。因此,多孔联合RVSP观测方式在提高成像精度的同时,有效解决了单孔激发时深部盲区问题,使有效勘探范围有了成倍增加,深部信息更加丰富。

3 实际应用

图8 多孔联合RVSP反演速度模型Fig.8 Inversion velocitymodel ofmuti-hole joint RVSP observation

某矿区大部分被黄土覆盖,地形起伏较大,井田内沟谷纵横交错,地形切割严重。地方小窑无序滥采滥挖形成采空区,形状不规则,分布无规律,为了减少老窑采空区对矿山安全生产的威胁,需探明采空区位置以便进行有效治理。该矿区煤层埋深浅,老空区破坏严重,常规的物探手段很难达到探测要求,RVSP技术具备高效、高精度勘探特征且适应复杂地区勘探,决定采用RVSP多孔联合初至层析成像方法解决该地区采空区探测问题。

3.1 RVSP野外施工

本次RVSP勘探施工钻孔7个,编号为K1～K7,深度平均为120 m,本区主采煤层埋深100 m,采空区分布无规律,为了获得较高信噪比的地震数据,同时考虑到施工范围及成本,钻孔沿探测区边界地势较低处设计(图9),红色为钻孔位置。钻孔及测线平面布置如图10所示,蓝色点表示地面检波器,采用3个10 Hz低频检波器蹲点组合接收,采样间隔0.25 ms。施工过程中逐孔进行炸药激发,炮距为5 m,由井底逐炮往上提升至井深20 m处停止激发,每孔放20炮,每个孔地面接收排列网格为20 m×20 m,布设600道检波器,具体探测方式如图11所示。进行下一个孔放炮采集时,地面排列整体滚动至该孔最佳采集范围内,部分道与前一排列重合,确保满覆盖探测。

图9 地形及钻孔布置Fig.9 Diagram of terrain and drilling plan

图10 钻孔及测线平面布置Fig.10 Layout chart of drilling and survey line

图11 三维RVSP实际观测示意Fig.11 Schematic diagram of3D RVSPpractical observing

图12 单炮记录及初至拾取Fig.12 Single shot seismic record and first break time picking

3.2 资料处理解释

图12为不同测线上采集的单炮记录,从图12可以看到记录初至清晰,没有出现地面勘探时的面波等干扰,信噪比较高。

在对资料初至进行反复拾取以保证精度后,结合实际地质资料,确定800 m/s作为本区层析反演的初始速度模型,速度约束范围为800～3 000 m/s,网格采用5 m×5 m×5 m进行层析反演得到整个工区三维速度场,提取三维数据体任意方向切片来实现对采空异常体的定位。图13为沿煤层深度方向提取的水平切片,同样色谱以蓝—黄—红顺序表示速度值(m/s)递增,图中低速异常区明显且精度较高(粉色线划定区),共解释采空区8个,经后期打钻验证5个为采空区,2个为自然塌陷区,1个为正常区域。同样,可以沿任意方向提取速度剖面,过K7孔沿南北向进行速度提取,并对有效勘探范围之外的数据进行白化处理得到图14所示速度剖面,纵向上速度递变明显,成层性较好,符合该区地层规律,横向速度不连续,出现异常区域(粉色区域),解释为采空区,与水平切片以及钻孔验证资料相吻合。勘探成果经验证表明:三维RVSP联合勘探技术达到了较好的效果,解决了该区域采空区探测问题。

图13 沿煤层速度场水平切片Fig.13 Horizontal section of velocity field along coal seam

图14 过K7速度剖面Fig.14 Vertical section of velocity field across K7

4 结 语

将三维RVSP多孔联合探测技术应用于煤矿采矿区探测,解决了单孔激发深部盲区问题,结合层析成像技术,取得了较好的探测效果。实际施工认识到RVSP勘探受地形影响小,地面布设检波器使采集数据成倍增加,提高了勘探精度,适合复杂地区勘探。本次勘探区目的层埋深较浅,目前的井中震源技术仍能取得较好的效果,对于深部勘探需要研制更先进的井中震源,RVSP震源激发深度不断变化,其接收能量存在差异,纵向能量均衡工作需进一步研究。RVSP能够为复杂构造解释以及非常规能源勘探提供更高精度的地震数据,因此,对RVSP技术的深入研究意义重大。

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3D RVSPmultihole united exp loration technology in coalm ine goaf detection

YIN Qi-feng1,2,PAN Dong-ming1,2,YU Jing-cun1,2,LIU Sheng-dong1,2

(1.State Key Laboratory forGeoMechanicsand Deep Underground Engineering,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.School of Resource and Earth Science,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221116,China)

RVSP,a borehole detection technology of high precision,has been effectively used in the field of oil and gas exploration.In order to make a technological breakthrough in coalmine goaf detection by RVSP,a layered medium RVSP forward numerical simulation was performed by high-order finite differencemethod to figure out the propagation mechanism of seismic wave and to study the feasibility of coalmine goaf detection.A 3D RVSPmultihole united exploration technology was put forward for the problem of blind spot in deep area by single hole RVSP,and combined with SIRT inversion algorithm to restore the velocity field of forwardmodel and then to fix the position of abnormal body accurately.3D RVSPmultihole united exploration technology was applied to coalmine goaf detection.The velocity information of exploration area was obtained through tomographic inversion and the goaf was accurately delimited.It turns out that thismethod could provide accurate seismic imaging.

RVSP;goaf;multihole united exploration technology;tomography

煤矿科技规范名词与废弃名词比对(15)

P631.4

A

0253-9993(2014)07-1338-07

尹奇峰,潘冬明,于景邨,等.基于三维RVSP多孔联合技术煤矿采空区的探测[J].煤炭学报,2014,39(7):1338-1344.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1158

Yin Qifeng,Pan Dongm ing,Yu Jingcun,et al.3D RVSP multihole united exploration technology in coalmine goaf detection[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1338-1344.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1158

2013-08-13 责任编辑:韩晋平

国家科技专项资助项目(2011ZX05035)

尹奇峰(1986—),男,江苏丹阳人,讲师。E-mail:yinqifeng2005@163.com。通讯作者:潘冬明(1964—),男,江苏泰州人,教授,博士生导师。E-mail:pdm3816@163.com