基于测井约束反演的阳泉新景矿区K_2下灰岩精细刻画_张新.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0240引言在煤炭开采过程中合理有效的巷道支护工作是实现煤炭安全生产的重要环节，也是影响煤炭采掘效率的重要因素。准确地掌握采掘巷道顶板的岩性、厚度以及起伏形态是进行巷道支护工作的基础。波基于测井约束反演的阳泉新景矿区 K2下灰岩精细刻画*张新1，段培飞2，师素珍3，刘最亮1，常威明2，时靖雪2（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）摘要：为了提高阳泉新景矿区15#煤顶板岩性预测精度，采用测井约束的波阻抗反演方法展开研究。在测井曲线精细预处理的基础上，进行了准确的时深标定，并建立了高分辨的反演模型，优化了反演参数，得到了K2下灰岩波阻抗体。经过K2灰岩顶底层位追踪，并辅以精确的时深转换，最终实现对K2下灰岩的精细刻画，为采掘巷道的支护工作提供有效指导。研究结果表明：波阻抗反演方法是一种高效、经济的岩性预测方法，其能够有效实现对目的层厚度、地层起伏形态等地质问题的预测，精确的时深转换结合钻孔数据等地质信息能够进一步提高反演方法的预测精度。预测得到的灰岩厚度以及其起伏形态与已探明的地质情况基本吻合，表明该预测结果能够为采掘巷道支撑点位置的选择和优化提供可靠依据，从而实现提高矿区煤层采掘效率的目的。关键词：测井约束反演；K2下灰岩；精细刻画；时深转换中图分类号：P631.8;P618.11文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 128 05Fine Characterization of K2Lower Limestone in Xinjing Mining Area ofYangquan Based on Logging Constrainted InversionZHANG Xin1，DUAN Peifei2，SHI Suzhen3，LIU Zuiliang1，CHANG Weiming2，SHI Jingxue2（1.Huayang New Material Technology Group Co.,Ltd.,Yangquan 045000;2.School of Geoscience and SurveyingEngineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;3.State Key Laboratory of CoalResources and Safe Mining,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China）Abstract:In order to improve the prediction accuracy of roof lithology of No.15 coal seam in YangquanXinjing mining area,the wave impedance inversion method constrained by well logging is used forresearch.Based on the fine preprocessing of logging curves,the accurate time-depth calibration wascarried out,and the high-resolution inversion model was established.The inversion parameters wereoptimized.Finally,the limestone wave impedance under K2is obtained.Through the top and bottomhorizon tracking of K2limestone and accurate time-depth conversion,the fine characterization of K2limestone is finally realized,which provides effective guidance for the support work of mining roadway.The research results show that the wave impedance inversion method is an efficient and economiclithology prediction method,which can effectively predict the geological problems such as the thicknessof the target layer and the fluctuation morphology of the formation.Accurate time-depth conversioncombined with geological information such as borehole data can further improve the prediction accuracyof the inversion method.The predicted limestone thickness and its fluctuation pattern are basicallyconsistent with the proven geological conditions,which proves the accuracy of the prediction results,indicating that the prediction results can provide a reliable basis for the selection and optimization ofthe support point position of the mining roadway,so as to improve the mining efficiency of the coalseam in the mining area.Key words:logging constrained inversion;K2lower limestone;fine characterization;time-depthconversion*煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京高等学校卓越青年科学家计划项目联合基金资助（BJJWZYJH01201911413037）；“煤炭资源与安全开采”国家重点实验室开放基金资助（SKLCRSM19ZZ02）；高等学校学科创新引智计划资助（B18052）128阻抗反演利用不同岩层波阻抗差异的特征，能够实现对岩层岩性、岩层起伏形态等地层特征的预测，是一种重要的岩性预测反演方法。提高反演精度和效率是波阻抗反演研究相关的重要课题，众多学者为此开展了大量工作：在波阻抗反演算法方面，随着机器学习相关技术的成熟和完善，诸如卷积神经网络、遗传算法、萤火虫算法等相关网格算法被应用到波阻抗反演中，深度学习与传统反演算法的有效结合大幅降低了人工成本，提高了反演预测的精度和效率；在波阻抗反演实际工程应用方面，测井曲线是影响波阻抗反演精度的重要因素，然而受到时间因素、经济因素、人为因素等多方面的影响，测井曲线往往出现曲线缺失等问题，因此，需要对缺少的测井曲线进行处理、补全或者重构工作，以提高波阻抗反演的精度，利用地质信息、传统算法或者机器学习方法实现的测井曲线补全与重构能够有效解决因测井数据异常而导致的预测精度问题，在一些特定的情况下利用重构曲线进行反演，其得到的预测结果要比常规方法更为精确。波阻抗反演方法发展至今已成为一种经济、高效、准确、完善的重要岩性识别手段。本文以新景矿区15#煤层顶板K2下灰岩精细刻画为例，在已有测井数据的基础上结合地质资料以及钻孔信息，对煤层顶板灰岩展开预测，为采掘巷道的支护工作提供有效指导。1研究区位置以及沉积环境认识新景矿位于阳泉市市区西部，矿区东北相邻阳泉三矿，西邻七元矿，周边还有旧街、坡头、神堂、马家坡、保安矿5个小煤矿，如图1所示，矿区位于阳泉矿区大单斜构造的西部，褶曲构造比较发育且以波状起伏的褶曲为主，呈向背斜相间、斜列式、平列式组合现象。图1新景矿四邻关系研究目的层为新景矿区15#煤顶板灰岩，研究区测井数据丰富，测井曲线上目的层与围岩差异明显。新景矿区煤系地层是1套海陆交互过渡相产物，矿区在成岩阶段发生过数次海进与海退现象。K2下灰岩所处地层为石炭系太原组，太原组沉积相呈滨岸与碳酸盐台地三角洲交互沉积。海侵作用是K2下灰岩形成的重要因素，15#煤层沉积后受海侵作用的影响，使得成岩环境由泥炭沼泽变为覆水深度较深的湖泊，此后海侵作用进一步加剧，形成浅水碳酸盐台地并最终沉积形成太原组K2下灰岩。K2下灰岩成岩示意图如图2所示。图2K2下灰岩成岩示意图2波阻抗反演原理波阻抗反演利用不同岩层波阻抗的差异特性作为识别岩性的重要依据，速度与波阻抗关系密切，两者呈正相关关系，利用波阻抗得到的不同层位的反射系数是波阻抗反演重要参数，其可以表示为界面上下波阻抗之差与波阻抗之和的比值，如式（1）所示。根据地震反射波理论可知，地震反射记录是地下反射系数序列与地震子波的褶积（式（2）。由此便可以建立地震反射记录叠加剖面与地震波阻抗剖面的联系。第i层界面的反射系数Ri=i+1vi+1-ivii+1vi+1+ivi（1）式中i第i层的密度，g/cm3；vi第i层的速度，m/s；i+1第i1层的密度，g/cm3；vi+1第i1层的速度，m/s。地震道S（t）=R（t）W（t）+N（t）（2）式中R（t）反射系数；W（t）地震子波；N（t）噪音。波阻抗正演过程即式（1）推导式（2）的过程，波阻抗反演则为式（2）推导式（1），对反演过程进行整理最终可以得到：第j+1层的波阻抗Zj+1=Z0ji=11+Ri1-Ri（3）第42卷第03期Vol.42 No.03基于测井约束反演的阳泉新景矿区K2下灰岩精细刻画张新，等七元矿保安煤矿新景公司井田三矿井田坡头煤矿旧街煤矿N（a）海相沉积1（b）海陆交互相沉积1（c）海陆互相沉积2（d）海相沉积2海平面沙坝沙坝海平面煤沙坝海平面煤沙坝海平面沙坝煤灰岩129式中Z0初始波阻抗。通过式（3）可知，若初始波阻抗已知，就可以依据式（3）逐层计算出各层的波阻抗，得到反演数据体。基于模型的波阻抗反演方法可以将垂向分辨率高的测井资料和横向连续性较好的地震数据结合，测井约束反演可以对中频带地震资料进行高频和低频恢复，实现扩展带宽，进而将具有界面性质的地震资料转换为岩性阻抗剖面，转化后的剖面拥有较高垂向分辨率的同时又具有较好横向连续性，并且剖面能够表征具体的地质意义。利用该剖面可以直接与钻孔资料等地质数据进行厚度分析。基于模型的反演具体流程图如图3所示。图3基于模型的反演流程vp.纵波速度.密度基于模型的波阻抗反演方法，一般从地质模型出发，采用模型优选迭代扰动算法，通过不断修改更新模型的方式，使模型正演合成的地震资料与实际地震数据不断吻合，当数据吻合最佳时模型数据便是反演结果。3测井岩石物理分析不同地层间波阻抗的差异是进行岩性精细刻画的基础，地层间波阻抗差异越明显，其反演的效果就越好。因此在进行波阻抗反演之前，需要对目的层附近的波阻抗进行交汇分析，通过交汇分析可以归纳出目的层的波阻抗特征，为后续的反演工作提供基础。研究目的层为K2下灰岩，其附近主要的岩层为15#煤，15#煤与K2下灰岩的波阻