基于頻譜分析技術(shù)預(yù)測煤與瓦斯突出帶

左衛(wèi)華，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)

0　引言

煤與瓦斯突出是一種潛在并可能嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)的自然災(zāi)害。影響瓦斯富集和突出危險區(qū)分布的主控因素不一，不僅與礦井采動的影響、礦井通風(fēng)影響，而且與煤層埋藏條件、地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育、煤層及其頂?shù)装宓膸r石力學(xué)性質(zhì)、煤層瓦斯壓力及含量有關(guān)?；诘卣痤l譜技術(shù)預(yù)測煤與瓦斯突出是地震技術(shù)研究方向之一[1-3]。目前國內(nèi)外有多種煤層氣勘探方法，崔若飛，常鎖亮等多位學(xué)者利用方位各向異性技術(shù)和波阻抗反演技術(shù)等地震方法研究煤層裂隙發(fā)育程度及煤體破壞程度，為煤層氣富集區(qū)預(yù)測提供參考依據(jù)[4-8]。但受到地震主頻的限制，很多的地質(zhì)信息沒有充分利用，使得煤與瓦斯的地震響應(yīng)特征沒有充分刻畫。本文從煤與瓦斯突出區(qū)地震波響應(yīng)的正演特征，通過對某礦區(qū)8煤層在井約束下的反射波頻譜響應(yīng)特征進行分析，依此預(yù)測煤與瓦斯突出高危帶。

1　煤與瓦斯突出區(qū)地震響應(yīng)特征

學(xué)者一致認為受構(gòu)造應(yīng)力強烈作用的構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)域是煤與瓦斯突出的主要場所[9-12]。因而研究原生煤與構(gòu)造煤的地震波響應(yīng)正演特征，通過地震波響應(yīng)特征的屬性提取、分析，揭示其反射波的運動學(xué)、動力學(xué)、統(tǒng)計學(xué)特征等的變化，進而達到劃分構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)即煤與瓦斯突出高危帶的解釋的目的[13-14]。

依據(jù)地震勘探原理，未受到構(gòu)造應(yīng)力破壞的原生煤(或巖體)可以簡單表述均勻?qū)訝罡飨蛲詮椥越橘|(zhì)，主要特征表現(xiàn)其各層內(nèi)速度、密度的均一性與同一性；而受到構(gòu)造應(yīng)力破壞后形成的構(gòu)造煤(或構(gòu)造巖體)則可表述為層內(nèi)各向異性的非均勻彈性介質(zhì)，即黏-彈性介質(zhì)，其主要彈性特征表現(xiàn)為速度、密度的非均一性與非同一性[15-16]。

地震波在層狀各向同性彈性介質(zhì)中傳播，其運動學(xué)特征、動力學(xué)特征(包括頻率、振幅、相位、吸收和衰減等)具有均一性與同一性；而地震波在各向異性黏-彈性介質(zhì)中傳播，其運動學(xué)特征、動力學(xué)特征(尤其是在頻率、振幅、相位、吸收和衰減等特征方面)具有非均一性與非同一性。研究其同一性，區(qū)分出差異性，這正是本課題利用地震反射波特征研究構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，進而解釋煤與瓦斯突出高危帶的地球物理理論基礎(chǔ)[17]。

1.1　地質(zhì)建模

利用地震波在彈性介質(zhì)及黏-彈性介質(zhì)中傳播理論設(shè)計正演模型。模型長2 000m、深1 000m， 構(gòu)造煤發(fā)育位置為700m～1 300m，設(shè)計煤層厚度為10m、3m，表1、圖1為正演地質(zhì)模型參數(shù)及示意圖。

表1　正演地質(zhì)模型參數(shù)表

圖1　地質(zhì)-地球物理模型(第5層為煤層)Figure 1　Geological-geophysical model (the fifth layer is a coal seam)

1.2　地震正演模擬

采用射線追蹤原理，依據(jù)地震波在黏-彈性介質(zhì)中傳播地震波場吸收衰減理論進行模擬正演。檢波器道距10m、地震子波為40Hz雷克子波。通過對上述地質(zhì)模型進行正演，其正演成果見圖2和圖3所示。

圖2　模型正演地震時間剖面(波形變面積)—煤層厚度10mFigure 2　Model forward seismic time section (wiggle variable area)—coal thickness 10m

圖3　模型正演地震時間剖面(顏色填充)—煤層厚度10mFigure 3　Model forward seismic time section (color filled) —coal thickness 10m

如果將模型中的煤層厚度設(shè)計為3m，其他參數(shù)不變，同樣進行上述原理正演，并進行相關(guān)分析。圖4和5為模型正演獲得的地震記錄。

圖4　模型正演地震時間剖面(波形變面積)—煤層厚度3mFigure 4　Model forward seismic time section (wiggle variable area)—coal thickness

圖5　模型正演地震時間剖面(顏色填充)—煤層厚度3mFigure 5　Model forward seismic time section (color filled) —coal thickness 3m

1.3　地質(zhì)-地震正演模擬效果分析

1.3.110m煤層

通過對比分析圖2、圖3可知，各地層反射界面波場特征明顯，尤其是原生煤①部位與構(gòu)造煤②部位煤層反射波的發(fā)育特征發(fā)生了較大的變化，尤其是構(gòu)造煤②部位煤層反射波在波動運動學(xué)特征、動力學(xué)特征上易于與原生煤①部位煤層反射波相區(qū)別。

(1)構(gòu)造煤②部位煤層反射波時間比原生煤①部位煤層反射波時空域具有延時特征。

(2)構(gòu)造煤②部位煤層反射波振幅比原生煤①部位煤層反射波振幅具有衰減減弱特征，見圖6。

圖6　模型正演煤層反射波振幅最大值分析成果Figure 6　Model forward coal reflection maximum amplitude analyzed results

(3)通過頻譜分解，可發(fā)現(xiàn)原生煤①反射波頻率較寬可達50Hz以上，而構(gòu)造煤②反射波頻率超過40Hz，其高頻成份能量產(chǎn)生劇烈衰減，上下圍巖反射波頻率成份也受到構(gòu)造煤的影響，產(chǎn)生異?，F(xiàn)象，見圖7。

構(gòu)造煤②部位反射波頻率，高頻成分衰減強烈圖7　模型正演煤層反射波頻譜分解成果Figure 7　Model forward coal reflection spectral decomposition results

1.3.23m煤層

對圖4、圖5進行分析，并與圖2、圖3對比可以發(fā)現(xiàn)如下特點。

(1)波形變面積顯示構(gòu)造煤②反射波的發(fā)育特征沒有煤層厚度為10m時的波形特征明顯；但若利用顏色填充，不難發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤②反射波振幅能與原生煤反射波①振幅具有能量上的差異性。

圖8　模型正演煤層反射波振幅最大值屬性分析—煤層厚度3mFigure 8　Model forward coal reflection maximum amplitude attribute analysis —coal thickness 3m

(2)若將煤層厚度為3m的地震反射波正演成果進行振幅最大值屬性分析(圖8)，可易看出構(gòu)造煤②部位反射波屬性與原生煤①部位反射波屬性具有明顯的差異性，這些差異性與煤層厚度設(shè)計為10m的正演屬性分析成果具有相同特征。

(3)若將煤層厚度為3m的地震反射波正演成果進行頻譜分解，可發(fā)現(xiàn)原生煤①反射波頻率較寬可達70Hz，而構(gòu)造煤②反射波頻率超過60Hz。由于高頻成份能量的劇烈衰減，導(dǎo)致上下圍巖反射波頻率受到構(gòu)造煤的影響，產(chǎn)生異常現(xiàn)象，見圖9。

對比10m、3m煤層模型正演頻譜結(jié)果，無論是原生煤還是構(gòu)造煤其反射波頻率成份都得到拓寬，但其頻率的差異性明顯：構(gòu)造煤②部位反射波頻率，高頻成分衰減強烈。這種差異性也說明另一個事實：隨著煤層厚度的增大，其反射波的高頻成份減少，低頻成份增加。

圖9　模型正演煤層反射波頻譜分析—煤層厚度3mFigure 9　Model forward coal reflection spectral analysis—coal thickness 3m

2　煤與瓦斯突出帶頻譜分解技術(shù)

頻譜分析是利用傅里葉變換對地震反射信號進行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，進而在頻率域中對信號進行研究和處理的一種過程[18-19]。該方法利用更穩(wěn)健的振幅譜分析方法來檢測因巖石彈性特征、結(jié)構(gòu)特征等變化導(dǎo)致的頻率變化。由于通過頻譜分解可獲得地震道每個樣點的頻譜圖像，從而，可通過頻譜圖像的時間和空間的變化來研究儲層的變化規(guī)律[20-21]。煤層富含瓦斯氣體時會引起煤層地震信號的高頻衰減，從而產(chǎn)生異常特征。頻譜分解成像反映煤與瓦斯物理屬性要比其他地震屬性更加直觀。

頻譜分解的方法很多，通過高密度二次精細處理技術(shù)，獲得三維地震疊前時間偏移數(shù)據(jù)體，利用經(jīng)典的小波變換獲得不同頻率下的數(shù)據(jù)體，根據(jù)提取的頻率域振幅譜來分析煤與瓦斯屬性變化規(guī)律。其步驟如下：

(1)分析二次處理的疊前時間偏移數(shù)據(jù)資料品質(zhì)，進行頻段調(diào)查，了解目的層主頻的分布位置及有效頻帶分布范圍，確定頻譜分解參數(shù)。

(2)根據(jù)頻譜分解后的采樣需求，將空道位置沖零，做好數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換前準備工作；

(3)對疊前時間偏移數(shù)據(jù)體進行傅立葉變換，產(chǎn)生不同頻率下的數(shù)據(jù)體；

(4)對目的層進行精細化解釋，采用小面元網(wǎng)格成果，進行數(shù)據(jù)平滑處理；

(5)對數(shù)據(jù)體進行綜合分析，依據(jù)特定頻段能夠識別的厚度識別煤與瓦斯儲層。由于該頻段分頻能量屬性上具有較強的能量(把分頻得到的能量屬性體稱為調(diào)諧振幅體)，依據(jù)調(diào)諧能量屬性切片上能量的異常來識別煤與瓦斯。[22]

3　應(yīng)用實例

選取研究區(qū)過井99-1、2001-1、WLG05、L19 等鉆井連線(inline2177)地震成果對8煤層進行反射波主頻能量特征分析，時窗為±10ms(圖10)，可見，其規(guī)律性頻率特征的變化與構(gòu)造煤相關(guān)：紅色為非構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)；黃色為構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)。

對取過井99-1、2001-1、WLG05、L19 等孔連線(inline2177)地震成果對8煤層反射進行波頻譜分解，(圖11)，可見，當調(diào)諧頻率較低時(30Hz)，99-1孔處8煤層的振幅特征與2001-1孔、L19孔處的振幅特征具有明顯的能量強弱變化，表現(xiàn)出99-1孔處8煤層振幅能量弱，2001-1孔、L19孔處8煤層振幅能量強；當調(diào)諧頻率增加到40Hz時，各鉆孔處8煤層振幅能量都得到加強；隨著調(diào)諧頻率增加到50Hz時，99-1孔處8煤層的振幅能量增加，而2001-1、WLG05、L19等孔處的振幅值則表現(xiàn)出低、高頻能量急劇下降 ，形成明顯差異；當調(diào)諧頻率達到60～70Hz時，高、低振幅能量分布特征進一步加強。這表明構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)與構(gòu)造煤不發(fā)育區(qū)(或欠發(fā)育區(qū))在頻率特征上具有明顯的差異性特征。

圖10　過2001-1鉆孔8煤層反射波主頻能量特征分析(inline2177)Figure 10　Cross borehole No.2001-1 coal No.8 reflection master frequency energy feature analysis (Inline 2177)

圖11　過2001-1鉆孔8煤層反射波頻譜分析(inline2177)Figure 11　Cross borehole No.2001-1 coal No.8 reflection spectral analysis (Inline 2177)

通過inline2177線連井8煤層反射波振幅、頻率特征分析表明，構(gòu)造煤不發(fā)育區(qū)或欠發(fā)育區(qū)(99-1鉆孔區(qū)域)與構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)(2001-1、WLG05、L19等連線區(qū)域)，無論是振幅特征還是頻率特征都有明顯的分區(qū)，易于區(qū)別。這與前述正演結(jié)論相吻合，可見利用三維地震資料進行疊前地震資料數(shù)據(jù)的頻譜提取及分析，可以解釋煤與瓦斯突出高危帶。

基于前述二維模型正演及研究區(qū)8煤層反射波過井剖面頻譜分析成果：構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)與不發(fā)育區(qū)其頻率特征上的變化具有明顯的分帶性，據(jù)此，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)鉆孔構(gòu)造煤發(fā)育特點，在煤與瓦斯突出帶三維地震研究中，對8煤層反射波進行頻譜分解，時窗為±10ms，頻譜分解頻率窗口為20～100Hz，頻率間隔為10Hz。

頻譜分解成果見圖12， 可見， 隨著掃描頻率增加，高頻分量逐漸增加(紅色分布區(qū))，到60～70Hz，高頻分量分布基于穩(wěn)定， 大于70Hz，高頻分量又減少。對比構(gòu)造煤發(fā)育鉆孔與構(gòu)造煤不發(fā)育鉆孔的分布特征(白色——非構(gòu)造煤鉆孔，(綠色——構(gòu)造煤發(fā)育鉆孔)，在60～70Hz與其高低頻分布具有很好的吻合，表明，煤層彈性特征與煤結(jié)構(gòu)特征變化高度相關(guān)。

圖12　研究區(qū)8煤層反射波頻譜分解成果Figure 12　Study area coal No.8 reflection spectral decomposition results

圖13為研究區(qū)8煤層反射波最大頻率譜分解成果，即非構(gòu)造煤鉆孔(白色)與構(gòu)造煤鉆孔(綠色)分布與其高(紅色)低(黑色)頻分布具有很好的吻合。

圖13　研究區(qū)8煤層反射波最大頻率譜分解成果Figure 13　Study area coal No.8 reflection maximum spectral decomposition results

4　結(jié)論

從地質(zhì)建模和正演模擬技術(shù)分析及實際過井地震頻率特征分析，獲得煤層富含瓦斯氣體時會引起煤層地震信號的高頻衰減產(chǎn)生異常特征。通過分頻解釋技術(shù)，突破了以往地震分辨率的限制，獲得了煤與瓦斯突出帶區(qū)域內(nèi)的低頻反射信號，從而獲得了煤與瓦斯突出帶的范圍。拓寬了分頻解釋技術(shù)在煤田煤與瓦斯中的應(yīng)用，也為研究煤與瓦斯提供了新的思路。

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