高密度三维地震数据驱动的煤层岩浆岩侵入区综合解释方法与应用

单 蕊，张广忠，王千遥，杨光明

高密度三维地震数据驱动的煤层岩浆岩侵入区综合解释方法与应用

单 蕊，张广忠，王千遥，杨光明

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

淮北矿区主采煤层多存在岩浆岩侵入现象，且具有侵入煤层多、分布面积广、侵入方式复杂等特点，常规地震勘探无法保证其解释精度。针对该问题，以全数字高密度三维地震勘探数据体为基础，对比分析不同岩浆岩侵入状态的地震响应特征；综合利用基于地层物性差异的地震多属性分析技术、基于波形差异的地震相分析技术和基于阻抗差异的测井约束波阻抗反演技术，进行煤层岩浆岩侵入区的识别与解释，精细雕刻其空间分布规律。研究表明：薄层岩浆岩侵入区以测井约束的波阻抗反演解释精度高，厚层岩浆岩侵入区预测则综合地震属性分析与地震相分析结果。因此，根据矿区的煤层分布和岩浆岩侵入特征，综合运用地震属性技术、地震相技术与波阻抗反演技术，能有效刻画出岩浆岩侵入煤层的分布范围。

岩浆岩；高密度三维地震勘探；波阻抗反演；地震属性；地震相

岩浆岩侵入破坏煤层结构，降低顶板强度，严重影响煤矿安全开采和井巷布设。国内外众多学者研究发现岩浆岩侵入区是煤与瓦斯突出重点区域之一，准确圈定岩浆岩侵入不规则边界，利于掌握岩浆岩侵入规律，有效防治岩浆岩侵入区附近煤与瓦斯突出[1-5]。诸多学者尝试利用地震资料进行岩浆岩侵入范围圈定。孙学凯等[5]尝试利用地震相分析技术预测岩浆岩分布范围，取得一定成果。吴海波等[4]利用正演模拟对煤层岩浆岩侵入区反射波特征进行系统分析，计算岩浆岩侵入区反射波特征变化规律，研究发现岩浆岩侵入厚度的变化引起侵入区地震振幅和频率的变化。吴海波等[6]提出利用多种地震属性进行岩浆岩侵入区划分，提高预测精度。戴方尧等[7]分别尝试用双测井曲线融合法得到拟密度曲线，实现多参数岩性反演，取得初步成果。刘鹏[8]、李江等[9]分别利用对岩浆岩敏感的电阻率曲线和伽马曲线，重构密度曲线和声波曲线进行反演，实现岩浆岩预测。崔大尉等[10]、赵立明等[11-12]综合利用地震反演、地震相分析和谱分解3种方法解释岩浆岩，取得了一定的成果。但是限于常规三维地震勘探获取的地震数据分辨率限制，煤层下伏地层中异常地质体不能有效分辨，解释成果不能完全满足安全高效生产需求。

淮北矿区地震地质条件较复杂，主采煤层层数多，煤层厚度不稳定且部分煤层受岩浆岩侵蚀，为提高勘探精度，矿区开展多次全数字高密度三维地震勘探，获得良好的构造解释效果[13-15]。全数字高密度地震数据具有宽频带、宽方位和高密度采样的优势，包含有利于岩性解释的低频信息和利于构造解释的高频信息，为岩浆岩识别、预测奠定基础[16-19]，如何利用这些信息研究岩浆岩不规则边界、煤层顶底板岩性识别等方面需要做更深层次工作[13]。

本文在淮北矿区全数字高密度三维地震数据采集、处理及解释基础上，针对岩浆岩侵入煤层问题，首先对比分析岩浆岩侵入煤层地震剖面特征差异；利用基于岩石物理性质差异的地震多属性分析技术和基于波形差异的地震相分析技术、基于波阻抗差异的测井约束反演方法，分别圈定了岩浆岩侵入煤层的范围，并对比分析3种解释方法，尝试进行综合应用。

1 研究区概况与煤层岩浆岩侵入特征分析

1.1 研究区地质概况

研究区位于淮北矿区，含煤地层为石炭–二叠系，可采煤层7层，主采煤层为上石盒子组下部32煤层、下石盒子组下部7、8煤层和山西组中段10煤层(图1)。在赋存范围内8煤厚度0~5.14 m，平均1.69 m。10煤层厚度1.00~7.97 m，绝大部分厚度稳定在2~3 m，上距8煤层58~107 m。研究区煤层走向变化较大，构造较复杂，断层较发育。

图1 研究区煤矿煤系地层综合柱状图

1.2 岩浆岩侵入地震响应特征分析

研究区内主采煤层原生沉积稳定，但均有不同程度岩浆岩侵入，其中7、8和10煤层受影响程度最大，范围最广。岩浆岩沿着煤层内、煤层顶底板围岩软弱界面侵入，破坏了正常煤层结构，在煤层及围岩内形成岩浆岩侵入体，对煤层厚度、结构、稳定性、连续性有一定影响。物性特征的改变，引起地震反射波变化，如反射波缺失、错乱[20]。矿区内煤层岩浆岩侵入方式复杂多变，不规则岩浆岩侵入在实际地震剖面中反映特征各异，同时岩浆岩厚度会影响时间剖面形态和相位识别。

a. 岩浆岩纵向穿煤层侵蚀 淮北YL区，燕山期早期岩浆岩活动强烈，岩浆岩厚度从数米至近百米变化，平均厚度30~40 m，侵入范围广、穿越煤层数多，其中侵入8煤面积最广。岩浆岩产状多为岩床和岩墙，其中岩床以沿煤层顶底板侵入为主，煤层出现分叉、变薄甚至全部被吞蚀，地震时间剖面反射波特征变化明显，主要表现为：

① 当岩浆岩穿过煤层时，会引起煤层同相轴发生明显中断，反射波相位反转，并伴随有微弱“假”牵引作用，形成构造假象(图2a)。对应地质剖面图2b，YA孔8煤顶板钻遇岩浆岩，YB孔8煤底板钻遇岩浆岩，厚度42 m，两钻孔处同相轴错断一个相位。

② 厚层岩床存在于两层煤层之间时，影响地层间距，地震时间剖面主要表现为煤层同相轴时差的逐渐增大。

b. 岩浆岩横向顺煤层侵蚀 淮北QN区，燕山期晚期岩浆岩活动强烈，岩浆岩对10煤层侵入最严重，呈小型岩床状产出，多为横向顺层侵蚀，煤层为岩浆岩主要侵入通道，岩浆岩平均厚度2 m。B孔钻遇岩浆岩，厚度1.04 m，地震剖面表现为振幅相对弱，同相轴凌乱(图2b)，而局部地区岩浆岩侵入之后没有引起煤层反射波变化，如E孔岩浆岩厚度2.72 m，岩浆岩地震剖面识别多解性强。

图2 岩浆岩不规则侵入区煤层反射波特征

2 全数字高密度三维地震勘探数据体分析

常规三维数据体是以窄方位角、常规检波器和低覆盖次数采集为基础，全数字高密度三维地震采用宽方位角、数字检波器全频带接收、小面元、高覆盖次数采集为基础[14]，因此，高密度地震地质资料有更高成像质量。对比地震时间剖面分析，如图3a、图3b中箭头指示位置，常规资料同相轴小断点错动微弱，不易识别。高密度地震数据同相轴扭曲明显，断点清晰，位置明确。由频谱分析曲线(图3c)可知，高密度资料较常规资料频谱能量有差异，频率小于50 Hz和大于100 Hz时，高密度资料能量更强，能更大限度保留低频和高频信息。高密度资料采集到有效波较常规资料强，干扰波相差不大，且有效波值远大于干扰波，高密度资料信噪比高于常规资料(图3d)。全数字高密度资料既含有利用岩性解释的低频信息，又含有利用构造解释的高频信息，提高地震资料的信噪比和分辨率，更具有优势解决精细构造解释和岩性分析。因此，为提高煤层岩浆岩侵入的解释精度，并充分挖掘三维地震数据蕴含的信息。本文将基于研究区高密度三维地震数据体，综合运用多属性分析技术、地震相分析技术和测井约束波阻抗反演技术，开展煤层岩浆岩侵入的综合解释研究。

图3 研究区全数字高密度与常规地震时间剖面对比

3 岩浆岩侵入区综合对比解释

由于岩浆岩侵入不确定性，常规岩浆岩解释方法均有一定适应性和针对性[16]。岩浆岩与煤层物性差异是地震方法区分岩浆岩侵入带的理论基础，地震反演是岩性预测的核心技术，地震相分析技术和属性分析技术可以作为辅助手段，但由于岩浆岩侵入方式多变，综合运用上述技术能够提高解释的可信度。

3.1 地震属性解释与分析

地震属性是目的层各种地质因素的综合反映[6]。当岩浆岩侵入煤层，地震反射波的振幅，频率等属性发生不同程度变化。地震属性分析技术通过提取地震数据层间属性，对给定层位间的体属性进行统计，计算结果通过平面表现，可有效突出和刻画层内异常地质体特征[21-22]。多属性聚类分析以地震属性作为样本数据，通过模式识别方法识别岩浆岩。

以YL区8煤底板为例，先在层位精细解释基础上，从高密度三维地震数据体提取振幅、频率、相位等多种层间属性，对地震属性归一化处理后优选出对岩浆岩比较敏感的属性组合，通过聚类分析，确定岩浆分布。图4a为分频振幅属性，岩浆岩能量高于正常煤层，以绿色–红色–紫色表示，正常煤层以蓝色表示。图4b为多属性分析平面图，绿色为正常煤层，红色–黄色为岩浆岩侵入区域，正常煤层与岩浆岩存在明显的差异。图中黑色线为岩浆岩穿8煤层顶底板边界线，与钻孔信息吻合较好。

3.2 地震相分析

地震相分析主要是以波形变化特征进行统计分析和模式识别，直接利用地震波波形属性研究岩性是最理想的岩性预测方法[23]。地震道波形是地震信号的总体变化规律，包括几何参数(反射结构、几何形态)、物理参数(振幅、连续性、频率)等各地震响应参数的综合反映。地震相划分与反射结构、几何形态及连续性等波形宏观形态最为密切。高密度数据采样可以识别波形的细微差别，提高横向分辨率，在细节上更加清晰，因此，更有利于识别煤层岩浆岩侵入引起的波形细微变化。

以YL区8煤底板为例，首先建立合理的层段，在目标层段中使用神经网络技术对地震道波形的横向变化进行对比分类，建立地震道神经网络样本数据。按照模型道对数据精细分类，形成平面离散的地震相，并根据拟合度对地震道进行分类，分类结果如图5所示。结合钻井地质信息，初步得出与地质相对应的地震相图，地震相是特定沉积相或地质体的地震响应(图5a)。通过与钻孔资料标定分析，图5中红色为岩浆岩侵入区，蓝色为正常煤层，岩浆岩侵入面积占煤层赋存面积的38%，岩浆岩侵入造成YL区内可采煤炭资源量降低。图中白色线为岩浆岩穿8煤层顶底板边界线，与属性分析结果互相印证。

图4 属性解释岩浆岩不规则侵入区边界

图5 地震相分析分类结果

QN研究区层状岩浆岩侵入体或侵入体边缘地段，岩浆岩厚度较薄，岩浆岩反射波与煤层反射波完全重叠，地震信号总体变化程度可靠性受限。通过上述方法未能实现有效的分析，分类结果不可信，采用地震波阻抗反演技术能够有效地克服该问题。

3.3 测井约束反演与岩浆岩侵入预测

地震反演是岩性预测的核心技术，利用反演结果可以更精细研究各煤层中岩浆岩侵入范围和厚度变化规律[20,24]。首先对比分析正常煤层、岩浆岩(天然焦)及煤层顶底板物性差异，通过钻孔和剖面对比识别岩浆岩，分析岩浆岩测井响应特征。针对常规声波曲线不能明显区分岩浆岩和围岩问题，进行测井曲线融合，计算出能反映岩浆岩和围岩测井曲线。以测井曲线作为约束和先验信息进行反演，通过波阻抗反演将地震信息转化为岩性信息；在岩性数据体上识别岩浆岩的顶底界面，在钻孔数据约束下进行厚度校正，得到岩浆岩厚度预测值。

a. 厚层岩浆岩侵入区范围预测 利用该方法研究YL区8煤层岩浆岩侵入范围和厚度变化规律。图6a为过井地震反演波阻抗剖面，红色为阻抗高值，代表岩浆岩侵入区，蓝绿色为阻抗低值，T8层位附近为8煤层，反演剖面能清晰刻画穿8煤层岩浆岩空间分布特征。结合钻孔资料，同时以地震属性分析和地震相分析结果综合解释，区内8煤下部岩浆岩厚度在2~50 m，平均厚度25 m，岩浆岩主要侵入研究区东北部，以层状岩床展布(图6b)。

b.薄层岩浆岩侵入区范围预测 QN研究区薄层岩浆岩，测井约束反演亦能有效刻画岩浆岩分布规律。图7a为过井地震反演波阻抗剖面，红色为阻抗高值，代表岩浆岩侵入区，蓝绿色为阻抗低值，T10层位附近为10煤层，反演剖面能清晰刻画10煤岩浆岩空间分布特征。图7b为反演数据计算岩浆岩厚度平面分布，勘探区内10煤60%以上区域为不可采区，岩浆岩平面呈片状或树枝状展布，侵蚀厚度0.6~3.2 m，平均厚度1.9 m，中间向四周逐渐变薄趋势，最厚处位于C孔附近，反演结果与测井吻合较好。

3.4 讨论

上述研究可以发现，地震相分析和地震多属性分析方法均可以大尺度规模了解地震波形变化规律，二者强调某一层段内地震道总体形态变化，对厚层严重侵入体分类结果可信，能有效识别岩浆岩穿煤层边界。而薄层层状侵入体或侵入体边缘地段，岩浆岩厚度较薄，反射波能量较弱，且岩浆岩反射波与煤层反射波完全重叠，地震信号总体变化程度可靠性受限。通过上述方法未能实现有效的分析，多解性较强，分类结果不可信，采用地震波阻抗反演技术能够有效地克服该问题。

岩浆岩与煤层物性差异较大，阻抗差异明显，测井约束反演能为厚层纵向穿层和薄层横向顺层侵蚀岩浆岩解释提供更精细的预测，适用性广，但是反演精度同样受地震资料分辨率限制。

图6 YL区岩浆岩厚度预测

4 结论

a.岩浆岩结构空间变化大，对地震反射波影响复杂，同相轴特征差异识别困难。全数字高密度资料信噪比和分辨率较高，高精度地震成像资料是正确识别岩浆岩反射波特征的基础，为多属性分析和地震相分析方法提供数据支撑。全数字高密度资料含有更丰富的高频和低频信息，更具有优势解决精细构造解释和岩性分析，是测井约束反演预测的有效保证。

b.多属性分析和地震相分析技术在厚层岩浆岩侵入区是行之有效的方法，两者相互印证，增加解释的可靠性。测井约束反演适应性更广，亦能够精细雕刻薄层岩浆岩横向分布规律，有效预测岩浆岩厚度。以测井约束反演结果为主，辅助属性分析、地震相分析结果，并综合钻孔地质资料，能有效分析预测岩浆岩空间展布特征。

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High density 3D seismic data-driven comprehensive interpretation method of magmatic intrusion zones in coal seams and its application

SHAN Rui, ZHANG Guangzhong, WANG Qianyao, YANG Guangming

(Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077, China)

Magmatic rock intrusion is present in most of the main coal seams in Huaibei mining area, is characterized by multi-layer intrusion, wide spatial distribution and complex intrusion modes, etc. Conventional seismic exploration can’t guarantee the interpretation accuracy. Focused on the problem, the seismic response characteristics of different magmatic intrusive modes are compared and analyzed based on the high density 3D seismic exploration. The seismic multi-attributes analysis technology based on rock physical property difference, the seismic facies analysis technology based on waveform difference and the log constrained impedance inversion technology based on impedance difference are comprehensively utilized to identify and interpret the magmatic intrusive area, and the spatial distribution are carved in detail. The results show that the log constrained impedance inversion has high precision in thin layered magmatic intrusive area, and the prediction of thick layered magmatic intrusive area can rely on seismic attribute analysis and seismic facie analysis.Therefore, according to the coal seam distribution and the characteristics of intrusive magmatic rock, the seismic attribute technology, seismic facies technology and seismic impedance inversion technology can be used comprehensively to effectively depict the distribution of magmatic rock in coal seam.

magmatic rocks; high density 3D seismic exploration; impedance inversion; seismic attributes; seismic facies

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P315.8；P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.010

1001-1986(2020)06-0072-08

2020-11-04；

2020-11-16

国家重点研发计划课题(2018YFC0807804，2018YFC0807806)

National Key R&D Program of China (2018YFC0807804，2018YFC0807806)

单蕊，1984年生，女，山东单县人，副研究员，从事地震资料解释研究工作. E-mail：shanrui@cctegxian.com

张广忠，1967年生，男，山东曹县人，研究员，从事地震资料解释研究工作. E-mail：zhangguangzhong@cctegxian.com

单蕊，张广忠，王千遥，等. 高密度三维地震数据驱动的煤层岩浆岩侵入区综合解释方法与应用[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：72–79.

SHAN Rui，ZHANG Guangzhong，WANG Qianyao，et al. High density 3D seismic data-driven comprehensive interpretation method of magmatic intrusion zones in coal seams and its application[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：72–79.

(责任编辑 聂爱兰)