调谐效应影响下的AVO属性在构造煤预测中的应用

调谐效应影响下的AVO属性在构造煤预测中的应用
师素珍;郭家成;谷剑英;刘中元;李玉莹;付荟颖
【摘要】针对构造煤分布范围预测难度大问题,分析了调谐效应影响下不同煤体结构的AVO属性特征,并利用该方法进行了鄂尔多斯盆地东缘某区块构造煤分布范围的预测.首先取典型的模型数据对原生煤、构造煤-Ⅰ和构造煤-Ⅱ进行了AVO曲线和属性分析,发现煤层顶板比底板更适合做AVO属性的分析,且随着煤体破坏程度的增加,截距的绝对值增大,梯度的绝对值也增大;分别取5m、7m、10m、12m和15m厚的煤层模型进行正演,发现煤层厚度变化时,虽然受到了调谐效应的影响,但仍然以煤体结构变化影响为主,并且AVO属性变化规律和无调谐效应影响时规律一致,即构造煤比原生煤截距绝对值更高、梯度绝对值更高,因而AVO属性能够用来进行构造煤的预测.将该技术应用于鄂尔多斯盆地东缘某工区8号煤层的构造煤分布区预测中,预测结果与井孔揭露结果一致.理论与实践证明,利用AVO属性进行构造煤分布区预测是可行的.
【期刊名称】《煤田地质与勘探》
【年(卷),期】2018(046)003
【总页数】6页(P133-138)
【关键词】AVO属性;构造煤;原生煤;调谐效应
【作者】师素珍;郭家成;谷剑英;刘中元;李玉莹;付荟颖
【作者单位】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;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;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;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;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;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
【正文语种】中文
【中图分类】P631.4
煤体结构历经构造应力作用和变质作用之后，发生成分、结构和构造变化，使得原生结构煤变成了构造煤。

按照破坏程度的不同构造煤可以分为碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤[1]。

构造煤具有强度低、渗透率低、应力敏感性强等特点。

研究表明，构造煤对煤与瓦斯突出影响重大[2-3]；同时构造煤对煤层气地面开采也有很大影响，经常导致出
粉煤、卡钻等事故，构造煤发育地区常常被视为煤层气开发的禁区[4-5]，因此，
构造煤是煤矿安全生产和煤层气抽采的重要影响因素之一。

中国大多数含煤盆地均具有复杂的构造演化背景，经历了多期次构造作用的叠加改造，不仅导致含煤盆地结构复杂、多变，也使煤层结构发生较强的挤压、揉皱变形，形成广泛分布的构造煤。

所以，如何识别构造煤以及如何进行构造煤分布区的预测对于煤矿安全生产与煤层气勘探开发至关重要。

牟全斌[6]对我国现有的煤与瓦斯突出区域预测方法进行了归纳总结，简要分析了
各类方法存在的主要问题，并对突出区域预测的发展趋势进行了展望。

王赟等[7]
针对淮南、平顶山、鹤壁和焦作 4个矿区采集的5种不同变质程度的碎粒与糜棱
构造煤样进行了走向方向的实验室超声测量，为构造煤的地震预测提供了岩石物理依据。

姚军朋等[8]利用测井资料定量判识构造煤并获取厚度信息，提出利用孔隙
结构指数m作为构造煤定量判识的指标。

杨春等[9]根据常温常压条件下超声测量
所揭示的原生结构煤与构造煤的弹性特征，建立了3种典型构造煤的煤层地震地
质模型，在不同频率下对比分析了构造煤所处位置及厚度大小对煤层反射的影响及其AVO特征。

陈同俊等[10]利用回归型支持向量机(Support Vector Regression，简称SVR)的非线性处理能力，将SVR和地震属性相结合，研究了采区构造煤厚度定量预测方法。

孙学凯等[11]利用弹性波阻抗反演和叠前同时反演的方法来确定构造煤的分布，并建立了定量判断标准。

任川等[12]提出了利用弹性波阻抗反演和常规叠后波阻抗反演的结果构成煤体结构比例因子来预测构造煤发育带的方法。

崔大蔚等[13]利用不同 Zoeppritz近似方程对三维模型数据体进行了AVO反演，并且利用Aki和Richard近似公式到的B值数据体、Shuey近似公式得到的G值和
Δσ值数据体进行AVO解释。

前人的工作为构造煤分布区预测的开展提供了丰富的依据，但是由于煤层厚度通常较小，地震反射波受顶底板干涉影响严重，许多预测方法在构造煤预测中效果欠佳。

本文将尝试采用容易获取的AVO属性分析的方法进行调谐效应影响下煤层的构造煤分布区预测，以期为煤层煤体结构预测提供经济可行的方法。

1 调谐效应影响下不同煤体结构AVO响应正演分析
1.1 构造煤的岩石物理特征
因受地应力破坏，使得煤质松软，孔隙度增加，易于瓦斯聚集。

因此可以根据煤的破坏程度、碎块粒级及形态特征从宏观上将煤体划分为不同类型，其中受过较强构造应力破坏所形成构造煤的宏观特征主要表现为三方面：一是煤的原生结构遭到不同程度的破坏，除碎裂煤可断续见到原生条带状结构外，大部分失去了原生结构；二是呈现出明显的改造特征，如碎裂状、砂糖状、鳞片状、土状等，还在不同程度上发育有摩擦镜面、揉皱镜面或定向排列构造；三是松软易碎，手拭强度低，可捻撮成厘米、毫米级碎粒或煤粉。

在地震波动力学上表现为纵波速度和横波速度显著下降[14]。

1.2 不同煤体结构AVO曲线分析
为了对比构造煤与原生结构煤的波阻抗差异，利用 AVO正演模拟交会图，建立了简单的正演模型。

模型1为原生结构煤，模型2为较完整构造煤(记为构造煤-)Ⅰ，模型3为破碎构造煤(记为构造煤-)Ⅱ。

3个模型中的煤层厚度均为5 m，顶底板
岩性均为泥岩，顶板厚度为200 m，底板厚度为190 m，模型具体物性参数如表
1所示(ρ为密度，Vp为纵波速度，Vs为横波速度)。

表1 模型参数表Table 1 Model parameters岩性ρ/ (g·cm-3) Vp/(m·s-1)
Vs/(m·s-1)原生煤(模型1) 1.500 2 400 1 259.40构造煤-I(模型2) 1.350 1 500 681.39构造煤-(Ⅱ模型3)1.250 650 195.98泥岩(顶板和底板) 2.360 3 170 1585 利用表1中的测井参数构建3个地质模型的测井曲线，分别取顶底板与煤层的反
射界面作AVO响应曲线(图 1)。

从图 1a可以看出，不同模型的煤层顶板AVO曲线中，当角度<60°时，总体表现为反射系数随着偏移距的增大而减小，且随着煤
层破碎程度的增加，AVO曲线与纵轴的截距绝对值增加。

从图1b可以看出，煤
层底板AVO曲线中都不同程度地发生了广角反射，且随着煤层破坏程度的增加，发生广角反射的角度减小，与纵轴截距的绝对值也逐渐增大。

综合顶板和底板反射分析得知，在0°～60°范围内，煤层的顶板入射角度与反射系数关系的规律性更强，更有利于构造煤AVO属性的分析。

1.3 不同煤体结构AVO属性特征分析
图1a中AVO曲线在0°～30°范围内可以用Aki-Rechard的两项AVO公式表示，即：
式中 P是截距属性，G是梯度属性，θ为入射角，Rp(θ)为纵波反射系数。

利用式(1)对3个模型的顶板和底板反射进行分析得知，随着煤体破坏程度的增加，截距
P的绝对值增大，梯度G的绝对值也增大。

图1 3种模型的顶底板AVO曲线Fig.1 AVO curves of roof and floor for the three models
图2 3种模型的AVO正演AVO道集Fig.2 AVO forward modeling gather of three models
上述 AVO属性是在没有子波影响情况下的结果，实际情况中 AVO属性往往受到
子波的影响很大。

为了进一步讨论子波对AVO响应的影响，利用40 Hz的ricker 子波和上述模型曲线进行褶积，得到不同煤体结构情况下的AVO道集响应(图2)。

从这些道集可以看出，煤层均为强反射，由于煤层厚度均为5 m，道集中煤层顶
板和底板复合在一起形成复合波，顶板和底板难以区分，并且煤层越破碎，煤层复合波发生广角反射的角度就越小。

将图2中煤层的负相位(0°～30°)取截距和梯度AVO属性，得到煤层负相位截距与梯度属性交会图(图3a)，将图2中煤层的正相位取截距和梯度AVO属性，得到煤层正相位截距和梯度属性交会图(图 3b)。

从图3可以看出，无论是负相位还是正相位，原生煤与构造煤截距和梯度 AVO属性变化规律与没有子波影响时是一致的，即随着煤层破坏程度的增加，截距绝对值增大，梯度绝对值增大。

图3 3种模型正负相位的AVO属性Fig.3 AVO attributes of positive phase for the three models
1.4 调谐效应影响下煤层的AVO属性特征分析
由于煤层通常厚度较小，其顶界面及薄层内部的反射会在地震反射上出现干涉叠加现象，在地震分辨的极限厚度处，地震波能量最强，即调谐厚度。

为了进一步讨论煤层调谐效应对 AVO属性的影响，绘制了截距和梯度属性随煤厚变化的曲线图(图 4)。

图 4a为煤厚–截距交会图，从图中可以看出，截距受煤厚调谐效应的影响非常大，但是在煤厚20 m之后截距值趋于稳定。

图4b为煤厚–梯度交会图，可
以看出梯度也表现出同样的规律。

由此可知，AVO属性变化不仅受煤体结构的影
响，还受到了煤层顶底板干涉的影响。

图4 煤层厚度与梯度、截距交会图Fig.4 The crossplot of coal thickness and gradient
图5 煤层厚度变化情况下正负相位AVO属性交会图Fig.5 AVO attributes of positive and negative phase in case of variation of coal thickness
为了进一步搞清煤层顶底板干涉对AVO属性的影响程度，分别计算了5 m、7 m、10 m、12 m和15 m厚时煤层负相位和正相位的截距–梯度属性(图5)，从图 5
可以看出，煤层厚度引起的调谐效应对 AVO属性影响有限，煤体结构破坏引起的AVO属性变化占主导，在5～15 m情况下，无论是煤层的负相位还是正相位，仍然存在随着煤体破坏程度的增大，截图和梯度的绝对值增大的规律。

由此可知，在调谐效应影响下，AVO属性同样具有判识构造煤的理论依据。

2 应用实例
研究区位于鄂尔多斯盆地东缘，断裂较为发育，岩层产状较陡，发育一系列北东向的压性或压扭性断层。

含煤地层为石炭–二叠系，该区主力煤层为8号煤，全区分布较稳定。

8号煤层厚度在5～15 m之间变化，平均厚度为9.42 m。

为了研究该主力煤层的构造煤分布范围，采用了AVO属性的方法对构造煤分布区进行了圈定。

在研究过程中首先获得了研究区的叠前道集数据(图6a)，为了提高数据的信噪比，生成了超道集(图6b)。

在此基础上，又利用该数据的叠加速度场将偏移距道集转
化为角道集(图6c)。

在该角道集上进行井震标定得到了8号煤层所对应的反射同
相轴，再将该同相轴进行连续追踪，得到了全区的8号煤层层位解释成果。

图6 8号煤层的CRP道集和角道集Fig.6 CRP and angle gather for seam 8
本次AVO属性计算依据是Aki-Rechard的两项AVO公式(式(1))，经模块计算之后得到整个三维数据体的AVO属性。

以8号煤层拾取层位为中心提取AVO属性，得到了适合AVO分析的8号煤层截距和梯度切片。

依据上述理论对这两张切片进
行交会图分析，得到了构造煤发育区和原生煤发育区的AVO属性值范围，再将这个圈定范围反投到 AVO属性平面切片上，得到了构造煤的分布区域。

图 7和图8分别是8号煤层AVO截距和梯度属性切片图，图中圈定的区域即为交会图中构造煤分布区的平面投影。

图7和图8中的井1揭露8号煤层厚度6.2 m，顶底板岩
性均为泥岩，岩心测试报告显示该井8号煤层为黑色，玻璃光泽，煤岩成分以亮
煤为主，煤体较疏松，为碎裂结构煤，并且井1位置处截距与梯度的平均值分别
是–0.96和0.63，也恰好落在图8中构造煤的区域范围内。

由此可见，该方法预
测结果和井孔揭露的情况吻合。

同时，井1也正好位于研究区北西向断层带上，
该处发育的构造煤可能与构造发育关系密切。

图7 8号煤层顶界面AVO截距属性切片Fig.7 AVO attribute slice of intercept for seam 8
图8 8号煤层顶界面AVO梯度属性切片Fig.8 AVO attribute slice of gradient
of the top interface of seam 8
3 结论
a.通过模型正演发现，无论是厚煤层还是薄煤层，随着煤体破坏程度的增大，AVO 属性均表现为截距绝对值增大和梯度绝对值增大的特征，因而可以作为构造煤预测的理论基础。

b.利用AVO交会图分析的方法可以圈定出薄煤层构造煤的AVO属性值分布范围，再将该圈定结果反投到平面图上，从而获得构造煤分布区。

通过在鄂尔多斯盆地东缘某区块的实际应用得知，构造煤分布区预测结果与实际钻孔揭露结果吻合，验证了利用 AVO属性进行薄煤层构造煤分布区预测的可行性。

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