级联反演在煤矿盾构机掘进路线优化中的应用

2022-10-12石贵飞师素珍时靖雪姚学君谢东山王坤明

中国煤炭地质 2022年9期

张新，石贵飞，师素珍，时靖雪，姚学君，谢东山，王坤明

(1.华阳新材料科技集团有限公司，山西阳泉 045000； 2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

煤层顶板及其上部的岩性预测对于煤层的安全、高效开采意义重大。煤层开采过程中，往往会遇到岩性比较复杂的岩层，影响盾构机在煤矿井下的安全掘进效率。对煤系地层进行精细刻画不仅可以直观地反映煤层及其围岩的地质构造和地质体特征，还能为后期煤炭的开采及巷道安全掘进路线的选择提供有力的地质依据。因此，深入开展煤层及其顶板上部岩层岩性的综合预测与精细刻画是十分必要的。

煤系地层精细刻画首先需要对岩层岩性进行预测，目前对于地层岩性的预测多采用地震反演技术。地震反演诞生于20世纪70年代。1983年，Cooke提出广义线性反演方法，开启了波阻抗反演方法的新篇章[1]；20世纪80年代后期，Martinez R D等提出了一种以地震、测井与地质数据为约束的模型反演技术，并将其用于岩层岩性描述，推动了反演技术在岩性预测中的发展[2]；20世纪90年代以后，地震反演发展迅速，各种用于岩性预测的反演方法层出不穷，Kane J等提出了基于测井约束的地质统计学反演[3]；Aamir Ali等将地震属性、叠后反演与测井分析相结合，对岩性进行了刻画[4]。以上在地震反演方面的研究为国内学者提供了借鉴。

国内研究动态：陈建业等利用波阻抗反演对煤层进行了横向的追踪与煤层空间分布的预测[5]；焦勇等利用波阻抗反演以及属性分析技术精细预测了沁水盆地郑庄区3#煤层的含气性[6]；邵林海等利用地质统计学反演技术，对主要煤层顶面构造和厚度特征进行了精细刻画[7]；宗杰等联合地震资料拓频技术与小波变换波阻抗反演对砂体进行了预测，并取得了较好的效果[8]；陈志刚等使用随机地震波阻抗反演结合遗传算法对煤系地层薄砂岩空间展布进行了刻画[9]；齐宇等通过正演模拟的方法确定煤层范围，最后采用分频反演技术完成了临兴区块煤系地层岩层岩性的预测[10]；曹绍贺针对薄煤层，采用地质统计学反演对其进行了预测，并使用波阻抗与中子云变换关系对煤系地层中薄砂体的空间分布特征进行了精细刻画[11]；杨雪等通过曲线对岩性的敏感性分析，利用中子、密度曲线共同构建拟声波曲线进行拟声波反演，对研究区煤层下部砂岩薄储层进行了预测[12]；刘宗宾等利用自然伽马曲线和电阻率曲线进行声波曲线重构，利用变差椭圆求取平面变差参数，并利用稀疏脉冲确定性反演作为约束条件，通过地质统计学反演技术对砂岩储层内部进行了三维预测及描述[13]；孙雄伟等针对鄂尔多斯东缘煤系地层岩性复杂以及储层较薄的特点，采用波形指示反演的相控反演方法预测了大宁-吉县区块煤系地层中薄砂岩储层[14]。

综上所述，井震联合反演已经得到广泛应用，并朝着多学科融合、小尺度精细刻画的方向发展[15]。这些技术在油气田的应用比较广泛，在煤系地层精细刻画方面的应用相对匮乏，并且对煤系地层的刻画研究往往是针对单一岩层或煤层进行刻画，缺乏对煤层及其顶板上部岩层多种岩性进行综合的预测。针对这个问题，本次研究将联合常规的波阻抗反演与拟声波阻抗反演对矿区15#煤层上部岩性进行综合预测与精细刻画。

1 煤系地层精细刻画原理

1.1 测井响应特征分析

灰岩在常规的波阻抗曲线上表现为异常高值，煤层表现为异常低值，上述两种岩性是可以区分的；砂泥岩波阻抗值比较接近，划分界线不明显，而自然伽马曲线对砂泥岩比较敏感。因此，可先利用常规的波阻抗反演对煤层和灰岩进行划分，再利用伽马拟声波阻抗反演对砂泥岩进行区分。

1.2 基于模型的波阻抗反演

基于模型波阻抗反演的理论基础是褶积模型。因此，反演有一定的假设前提，如假设地层为水平层状介质，假定相邻地层之间反射系数存在的差异很小，即

(1)

其中对于任意第n层的波阻抗，其对数可表示为

Ln=ln(In)

(2)

In表示一个包含N个反射系数序列的地质模型中第n层的波阻抗值，为了简化模型，这里假设数据已经消除噪声的影响，有

(3)

地震记录可由地层反射系数与子波计算得到，用矩阵表示为

(4)

S表示地震道，下标n表示采样点序号，R表示反射系数序列，由公式(2)与公式(4)，得到地震道的表达形式：

(5)

为了方便书写，将公式(5)简写为公式(6)，W为子波；D表示系数矩阵；L是由对数波阻抗值构成的矩阵。

(6)

已知地震子波和地震记录，便可计算出每一层的波阻抗，进而根据波阻抗值大小识别岩性。若实际地震记录为T，可设定一个目标函数J将模型地震道S与实际地震道T联系起来，即：

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

(7)

求解J最小值的过程相当于寻找一个最好的地层模型，使其与地震资料匹配度最好。

基于模型的波阻抗反演在纵向上使用测井作为约束，横向上通过地震解释层位控制，利用克里金等空间插值方法，从井点出发，建立符合真实地质情况的初始地层波阻抗模型。为了使地震数据与所建初始模型匹配，得到最佳解，需要不断地修改初始模型，以提升模型反演的准确性。

1.3 拟声波阻抗反演

基于模型的波阻抗反演通常是利用声波测井曲线与密度曲线。煤层和灰岩在声波曲线上与围岩有明显的差异，可以有效地进行区分。然而，真实的地质情况往往比较复杂，只靠声波曲线难以区分除煤层和灰岩以外的地层岩性。因此，可以挑选对岩性更为敏感的测井曲线代替声波曲线进行拟声波阻抗反演。

拟声波反演的流程主要如下：首先，选择出对目标岩性较为敏感的测井曲线，并对其进行标准化处理，以消除因测井年代不同、单位不同以及仪器误差带来的影响；其次，再利用拟声波曲线重构方法对自然伽马曲线进行重构，将准确的时深关系赋予该曲线，使其成为具备声波量纲的拟声波曲线。最后，分析研究区地震资料，提取合适的地震子波并构建符合真实情况与地质认知的拟声波阻抗模型，在此基础上进行与模型反演相同的流程，最后得到拟声波反演结果。

1.4 时深转换

时深转换是地震处理中比较重要的一个环节，其目的是将时间域的地震数据或地层层位数据转换到深度域，使其可以直观反映真实的地质情况。时深转换的主要原理及流程如下所述：

1)在反演结果上对目的层位进行追踪，得到时间域的解释成果，将其进行网格化处理得到目的层位时间平面图，提取井点处的时间记作t0。

(8)

3)将计算得到的速度从井点出发，进行网格化处理，可以得到目的层顶界面的速度平面图，最后由目的层速度与时间通过计算即可得到目的层顶界面深度平面图，上述方法同样可以应用于其它层位的深度计算。

将计算的各岩层顶界面深度平面进行叠合，得到目标层段岩层岩性预测剖面图，即可根据岩层的展布趋势与岩性信息对盾构机的工作路线进行优选。

2 应用实例

2.1 研究区概况

泊里矿区位于太行山西翼，区内沟谷发育，风化剥蚀较为严重导致基岩出露，研究区内多被黄土覆盖，属于剥蚀中低山地貌。井田总体构造为一走向北东，倾向北西的单斜构造，倾角8°～15°。研究区发育少量的褶曲、小断层及陷落柱，构造简单。

太原组煤层为矿区的主要含煤地层，主要煤层有3#煤、8#、9#及15#等煤层，由于3#煤层被局部冲刷，导致煤层变薄甚至缺失，8#煤层与9#煤层较薄，皆为局部可采煤层。15#煤层距K2灰岩20m左右，厚3.53～7.40m，含0～3层夹矸，夹矸厚度在0.5m以下，岩性主要为泥岩。15#煤层全区稳定可采，为本区主要勘查对象。

15#煤层上部主要为上石炭统太原组，主要的岩性分布为砂岩、泥岩、砂质泥岩、灰岩及煤层。泥岩及砂质泥岩较为发育，砂岩零星分布。太原组发育较为稳定的灰岩有三层：K2、K3与K4灰岩，灰岩厚度由北向南逐渐变厚。