基于主控要素地震-地质一体化分析构造煤分布预测方法
阅读说明：本技术 基于主控要素地震-地质一体化分析构造煤分布预测方法 (Method for predicting distribution of tectonic coal based on master control element seismic-geological integrated analysis ) 是由 常锁亮 刘晶 张生 陈强 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于主控要素地震-地质一体化分析构造煤分布预测方法,属于构造煤分布预测技术领域；具体通过选取残差、倾角、倾角突变和倾向突变作为构造煤构造控制要素的量化指标；选取煤层所在四级层序范围内砂泥厚度比和砂泥厚度比突变系数作为构造煤围岩控制要素的量化指标；选取煤厚和煤厚突变系数作为构造煤煤层控制要素的量化指标；采用灰色关联法对井点处碎粒煤和糜棱煤厚度之和占煤层总厚之比和地质要素量化指标进行关联分析,构建煤分布预测模型；本发明对构造煤发育细节刻画更丰富,分辨程度更高,避免了常规地震直接预测手段的多解性。(The invention provides a tectonic coal distribution prediction method based on master control element seismic-geological integrated analysis, belonging to the technical field of tectonic coal distribution prediction; specifically, residual errors, dip angles, dip angle mutation and tendency mutation are selected as quantitative indexes of the structural coal structural control elements; selecting a sand-mud thickness ratio and a sand-mud thickness ratio mutation coefficient in a four-level sequence range of the coal seam as quantization indexes of the control elements of the tectonic coal wall rock; selecting the coal thickness and the coal thickness mutation coefficient as the quantitative indexes of the control elements of the structural coal seam; performing correlation analysis on the ratio of the sum of the thicknesses of the crushed coal and the minced ridge coal at the well point to the total thickness of the coal bed and the geological element quantitative index by adopting a gray correlation method to construct a coal distribution prediction model; the invention has richer description on the development details of the tectonic coal and higher resolution degree, and avoids the multi-solution of the conventional earthquake direct prediction means.)
技术领域
本发明属于构造煤分布预测技术领域，具体为一种基于主控要素地震-地质一体化分析构造煤分布预测方法。
背景技术
我国含煤盆地多形成于陆相或海陆过渡相沉积环境，后期经历了一期或多期构造运动改造，使得盆地中煤层厚度和结构空间分异性强，普遍发育构造煤。煤层中构造煤的发育不仅严重制约煤层气开发而且极易形成煤与瓦斯突出危险区影响煤炭开采，所以有效揭示开发尺度煤层中构造煤的分布情况对于提高煤层气开发效率，实现煤矿安全绿色开采具有重要意义。目前国内外构造煤分布预测研究主要集中在区域性地质推断和局部地球物理判识，这两种方法对于构造煤识别均有各自局限性，难以有效指导生产。地质推断法对构造煤的判识较为宏观，地球物理法对构造煤引起的物性差异可分辨程度较低，总的来说面向开发的构造煤分布预测缺乏系统的、多技术手段的精细表征和综合评价方法。
现有技术1的技术方案：不同地质要素控制了构造煤发育程度与空间展布形态，所以在一定条件下可以依据地质规律进行构造煤分布预测，形成基于构造煤地质分布规律的地质预测法。由于煤层是含煤地层中的软弱分层，一般认为构造应力作用下煤层中形成构造煤，同时构造应力作用下形成的地质构造以及与地层应力集中相关的沉积建造又直接控制了构造煤的展布。因此，构造煤的规律性分布是煤系地层组合特征及区域地质构造运动历史共同作用的结果，不同构造部位、煤层以及围岩组合部位构造煤呈不同规律性分布。
矿区中褶皱构造、断裂构造和层滑构造对煤体变形均有较为明显的控制作用，断裂复杂程度、褶皱变形程度和构造煤发育程度三者之间呈良好的正相关关系，即褶皱变形越强烈、断裂构造越复杂、层滑构造越发育，煤体变形越严重，构造煤越发育。煤层对构造煤的控制主要体现在厚度和结构两方面，煤层越厚或者厚度突然增大，煤层中夹矸越发育、结构变化越复杂，构造煤越发育。含煤地层中既包含灰岩、砂岩、粉砂岩等硬岩层，也包含砂质泥岩、泥岩、煤层等软弱岩层，通常含煤地层中煤层周围发育砂岩等硬岩的部位，构造煤相对比较发育。
现有技术1的缺点：地质推断法根据地质环境条件判断研究区的构造情况，进而推测煤体结构破坏程度，该方法受限于构造煤地质控制理论的研究尺度与地质资料的宏观性，仅可对区域性构造煤整体发育情况做定性评价，预测结果仅能对区域大尺度范围内的构造煤分布情况提供一定程度参考，无法精准刻画开发尺度下煤体破坏程度以及构造煤的分布范围。
现有技术2的技术方案：基于构造煤和原生煤在纵横波速度、密度、弹性模量、剪切模量、拉梅系数、以及泊松比等岩石弹性参数以及地震波频率、相位、振幅以及AVO等地震响应特征之间的差异，利用地震属性、叠后叠前反演等技术获取这些参数特征从而区分不同结构煤，逐渐形成了构造煤的地震预测方法。目前预测方法主要包括基于衰减属性、曲率属性和谱分解属性等构造煤地震属性预测技术、基于叠后特征参数反演的构造煤叠后反演预测技术、基于叠前弹性参数、AVO反演的构造煤叠前反演预测技术和构造煤多波反演、联合反演预测技术。
现有技术2的缺点：由于含煤地层非均质性强，煤层自身以及互层围岩的厚度、结构横向变化剧烈，使得煤层反射波中不仅包含煤体结构变化的响应，也包含煤厚以及围岩变等化的响应，通过地震资料预测构造煤时不论地震属性技术还是反演技术均受到多种变化因素影响的影响，总体来说预测精度较低。
现有技术3的技术方案：由于构造煤和原生煤在电性、密度、放射性、硬度、孔隙度等方面存在明显差异，通常使用电阻率、密度、自然伽马和声波等测井曲线为输入，人机交互识别构造煤，形成构造煤的测井预测法。目前众多学者在利用电阻率测井、自然伽玛测井、补偿密度测井、密度测井、声波时差测井、补偿中子测井等测井资料识别煤体结构方面作了相关研究并取得一定成果。
现有技术3的缺点：构造煤测井预测技术目前发展较为成熟，可以从垂向上识别出精度较高的构造煤及其厚度，但是测井技术判识结果仅为一孔之见，无法适用于强非均质性煤层的横向精准预测，当研究区钻井分布有限或者煤体结构横向变化较快时测井技术则远远无法满足面向开发的煤体结构判识需求。
目前构造煤地质预测方法主要基于区域地质资料从区域地质环境定性推断构造煤发育情况，难以指导矿区尺度下构造煤识别；测井方法预测范围有限，面对普遍存在的复杂地质条件，难以刻画全区构造煤分布；地震方法预测精度有限，预测结果多解性强。所以无论是基于地质间接预测方法还是基于地球物理直接预测方法，都难以实现对开发尺度范围内构造煤分布的有效预测。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种基于主控要素地震-地质一体化分析构造煤分布预测方法。针对面向开发尺度构造煤连续分布精细预测的现实需求，提出基于地质控制要素地震-地质一体化识别的构造煤分布预测思路，一方面从构造煤地质控制要素出发，探究构造煤不同类别的地质控制要素及其量化表征参数，为该思路奠定地质理论基础；另一方面从控制要素地震精细识别出发，研究各类要素的地震多技术、多手段精细提取方法，为该思路提供地震技术支持；同时研究构建基于地质控制要素地震精细识别下的构造煤分布预测模型方法，为该思路提供面向应用的终端接口，形成一套面向开发的基于地质和地球物理相结合的构造煤精细识别方法。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
S1：构造类控制要素地震-地质一体化识别
S1.1：构造类控制要素可分为褶皱和断层两种：褶皱是岩层在应力作用下形成的波状弯曲，煤层作为地层中的软弱夹层很容易在地层弯曲过程中发生层间滑动，滑动产生顺层剪切应力作用在煤层褶皱转折端与翼部最强，生产实践表明该部位一般煤体结构破碎严重；断层是岩层在构造应力作用下岩体沿断裂面两侧发生的显著位移，位移增大过程中断面产生强烈摩擦、变形，使得断层附近煤体变形严重。褶皱弯曲处地层起伏明显，可由趋势面分析得到地层残差来指示，褶皱转折端两翼地层倾向显著改变，褶皱翼部发生层滑时煤层倾角较大，断层发育处由于错断使得地层倾角较大同时倾角急剧变化，所以选取残差(A1)、倾角(A2)、倾角突变(A3)和倾向突变(A4)四个参数作为构造煤构造控制要素的量化指标。
A1：残差是用来表征地层褶皱发育的参数，残差绝对值越大，褶皱变形程度越大。残差计算方法分两步：1利用最小二乘法对煤层标高拟合得到趋势值(见式1)；2用原始地层标高减去趋势值得到残差(见式2)。
Zi＝p0+p1f1+p2f2+...+pnfn (1)
式中：Zi是趋势值(m)，pn是待定系数；fn是拟合函数；n是最大拟合度。
a1＝Z-Zi (2)
式中：a1是残差(m)，Zi是趋势值(m)，Z是原始地层标高。
A2：倾角是岩层与水平面的夹角(参见图1)，倾角越大，地层越陡。
A3：倾角突变系数是岩层中某一点相对于周围点的倾角变化的平均值(参见图2)，可由倾角值计算得到(见式3)。
式中：a3是倾角突变系数，D是倾角。
A4：倾向是岩层向下倾斜的方向(参见图1)。倾向突变系数是岩层中某一点相对于周围点的倾向变化的平均值(参见图2)，可由倾向值计算得到(见式4)。
式中：a4是倾向突变系数，I是倾向，具体位置见图1和图2。
S1.2：为获得以上四个参数，利用三维地震资料和钻、测井数据进行构造精细解释，得到煤层标高后计算残差，同时提取倾角和倾向属性，计算倾角突变和倾向突变系数，具体流程参见图3。
S2：围岩类控制要素地震-地质一体化识别
S2.1：围岩类控制要素可分为煤层所在四级层序范围内砂岩厚度和砂泥岩性变化两种：含煤地层中通常包括砂岩、灰岩等硬岩以及泥岩、煤层等软岩，煤层作为软岩容易在沉积过程中由围岩中硬岩厚度、以及软硬岩性不均衡引起对应位置煤层中应力集中，生产实践表明该位置构造煤发育。为定量表征含煤岩系砂泥岩性不均现象，选取煤层所在四级层序范围内砂泥厚度比(B1)和砂泥厚度比突变系数(B2)作为构造煤围岩控制要素的量化指标。
B1:砂泥比是指煤层所在四级层序范围内砂岩厚度和泥岩厚度之比。
B2:砂泥比突变系数是岩层中某一点相对于周围点的砂泥比变化的平均值，可由砂泥比值计算得到，计算方法同产状突变系数。
S2.2：为获得煤层所在四级层序范围内砂泥比，利用地震和钻测井资料通过地震沉积学相关技术进行煤层所在四级层序内砂泥比预测。得到砂泥比后计算砂泥比突变系数，具体流程参见图4。
S3：煤层类控制要素地震-地质一体化识别
S3.1：煤层类控制要素可分为煤厚和煤厚突变两种：煤层属于地层中的弱岩层，煤层越厚其所在位置强度越弱，应力容易在该部位集中，发育构造煤；层滑作用引起煤体蠕变，蠕变使得煤层产生空间上呈条带状、透镜状或串珠状的突然增厚减薄带，该区域煤体结构破坏严重。为定量表征厚煤带和煤层突然增厚减薄带对构造煤的控制，选取煤厚(C1)和煤厚突变系数(C2)作为构造煤煤层控制要素的量化指标。
C1:煤厚指煤层绝对厚度。
C2:煤厚突变系数是煤层中某一点相对于周围点的煤厚变化的平均值，可由煤厚值计算得到，计算方法同产状突变系数。
S3.2：为获得煤厚参数，利用地震和钻测井数据通过地震反演法进行煤厚预测，得到煤厚后计算煤厚突变系数，具体流程参见图5。
S4：构造煤分布预测模型构建
通过地震多手段、多技术得到构造煤各类控制要素的横向高密度展布数据，对于不同研究区的不同煤层，各类地质要素发育情况不同，对构造煤的控制作用程度也不相同。为综合各类要素预测构造煤发育程度，首先通过灰色关联分析筛选目标煤层中构造煤的主控地质要素，然后通过相关分析主控要素和构造煤占比之间关系建立构造煤预测模型。
S4.1：基于灰色关联分析的主控要素筛选
为筛选目的煤层构造煤发育的主控要素，剔除控制程度较低或者没有控制作用的地质要素，采用灰色关联法对井点处碎粒煤和糜棱煤厚度之和占煤层总厚之比(H)和地质要素量化指标(A1、A2、A3、A4、B1、B2、C1、C2)进行关联分析，计算各个因素关联度。关联度越高，表明该参数对构造煤发育的影响越大，一般关联度达到60％即可认为该要素的影响不可忽略，所以将关联度大于60％的地质要素做为构造煤发育主控要素。
S4.2：基于主控要素的构造煤分布预测模型构建
为定量预测全区构造煤发育程度，通过相关分析主控要素和构造煤占比建立构造煤预测模型，建模分为2步：
第一步计算综合系数K：将井点主控要素量化指标值和构造煤占比进行相关分析，得到拟合函数f(Xn)，将要素关联度作为该要素的控制权重ρn，最后计算综合系数K：
K＝K1×ρ1+K2×ρ2+...+Kn×ρn (5)
Kn＝f(Xn) (6)
其中K是综合系数，Kn由单个主控要素和拟合函数计算的构造煤占比；ρn是不同主控要素的权重系数；f(Xn)是主控要素量化参数和构造煤占比拟合函数；Xn是主控要素量化参数值(A1、A2、A3、A4、B1、B2、C1、C2)；gk是主控要素和构造煤占比之间灰色关联度.
第二步计算构造煤预测占比H：将综合系数K和井点构造煤占比进行相关分析，得到拟合函数f(K)，然后依据拟合函数和综合系数计算构造煤预测占比H：
H＝f(K) (8)
其中H是构造煤预测占比，f(K)是构造煤占比和综合系数K拟合函数。
最后利用基于主控要素的构造煤预测模型以及主控要素地震横向高密度数据即可计算全区构造煤发育程度。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明提出基于主控地质因素地震-地质一体化分析的构造煤预测方法，既全面考虑控制构造煤发育的地质要素，又充分利用三维地震技术在构造精细解释、煤层厚度预测、岩性预测等方面的优势，将地震直接识别构造煤转变为通过识别构造煤地质主控因素间接识别构造煤，为构造煤分布预测提供新的思路和尝试。方法从控制构造煤发育的地质因素量化出发，预测结果对构造煤发育细节刻画更丰富，分辨程度更高，避免了常规地震直接预测手段的多解性，有利于矿区开发尺度的构造煤发育程度精细化解释。
通过实例应用可以看出基于主控要素地震-地质一体化分析的构造煤分布预测法对于井点以及井间构造煤发育程度都具有良好的识别效果，同时可对构造煤高发育区找到对应的地质成因，进而可为该区域煤层气开发以及煤炭开采提供合理建议，证明方法具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1为地层产状图；图中α是倾角，CD是倾向。
图2为地层三维模型突变系数示意图；图中X和Y表示坐标轴线，Z代表倾角或者倾向，P代表计算点。
图3为构造要素参数提取流程图。
图4为砂泥比预测流程图。
图5为煤厚预测流程图。
图6为实施例沁水盆地南部某区块15煤构造煤分布预测图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
步骤1：对地震勘探工区三维地震数据进行构造解释，提取标高数据进行趋势面分析，得到残差(A1)属性，对地震数据提取倾角(A2)和倾向属性，计算得到倾角突变(A3)和倾向突变(A4)属性。
步骤2：利用地震沉积学方法预测煤层聚煤后砂泥厚度比(B1)属性，计算砂泥厚度比突变系数(B2)属性。
步骤3：利用波阻抗反演法预测煤层厚度，即煤厚(C1)，计算煤厚突变系数(C2)。
步骤4：通过灰色关联法计算井点处构造煤占比和要素参数之间关联度，筛选目标煤层构造煤发育的主控要素。
步骤5：相关分析各个主控要素量化参数和构造煤占比之间关系，构建主控要素综合预测模型。
步骤6：利用预测模型对全区构造煤占比进行预测。
利用现有方法与本发明对沁水盆地南部某区块15煤构造煤占比进行预测，可以看出：15号煤层大部分地区发育10％～20％的构造煤，30％以上的构造煤发育区主要分布在研究区中部和南部，构造煤发育区断层发育，煤层倾角大或砂岩厚度较大。通过M11和M12两口验证井对预测成果进行检验，其中井M11构造煤实测占比14％、预测占比13.95％，井M12构造煤实测占比24％、预测占比24.27％，预测误差均小于2％，证明本次预测方法的可行性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
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