不同厚度煤層AVO特征分析?

滑玉琎董守華程 彥劉 黎劉 玉吳海波

(1.云南航天工程物探檢測(cè)股份有限公司,云南省昆明市,650217; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 3.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院,河北省涿州市,072750; 4.長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院,湖北省武漢市,430100; 5.武漢市工程科學(xué)技術(shù)研究院地球物理與空間信息技術(shù)研究室,湖北省武漢市,430019)

不同厚度煤層AVO特征分析?

滑玉琎1董守華2程 彥3劉 黎4劉 玉5吳海波2

(1.云南航天工程物探檢測(cè)股份有限公司,云南省昆明市,650217; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 3.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院,河北省涿州市,072750; 4.長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院,湖北省武漢市,430100; 5.武漢市工程科學(xué)技術(shù)研究院地球物理與空間信息技術(shù)研究室,湖北省武漢市,430019)

我國(guó)煤田的煤層厚度大都在2～10 m之間,用地震波的波長(zhǎng)來(lái)衡量屬于薄層。煤層厚度變化對(duì)振幅的影響很大,是AVO技術(shù)應(yīng)用的一大障礙。介紹了利用射線追蹤法對(duì)不同厚度煤層進(jìn)行AVO正演模擬,分析了AVO特征曲線的截距P值和梯度G值隨煤層厚度變化的規(guī)律,并且討論了利用AVO特性預(yù)測(cè)煤層厚度的方法。

煤層厚度 預(yù)測(cè) AVO技術(shù) 射線追蹤 正演

AVO(Amplitude Versus Offset)技術(shù)最早應(yīng)用于石油地震勘探,是檢測(cè)油氣的重要手段。AVO技術(shù)利用地震疊前CDP道集分析反射振幅隨偏移距(或入射角)的變化規(guī)律,研究反射界面上覆介質(zhì)和下伏介質(zhì)的巖性特征和物性參數(shù),達(dá)到利用地震波反射振幅信息預(yù)測(cè)油氣的目的。近年來(lái),AVO技術(shù)在煤田勘探中也得到了廣泛應(yīng)用。

AVO技術(shù)的核心理論是Zoeppritz方程,但Zoeppritz方程反映的是單層反射界面上地震波振幅隨偏移距的變化。煤層厚度大都在2～10 m之間,用地震波的波長(zhǎng)來(lái)衡量屬于薄層,薄層的地震響應(yīng)并不是單一界面產(chǎn)生,而是薄層頂、底反射界面反射波以及層間多次波的疊加復(fù)合。因此在對(duì)煤層進(jìn)行勘探時(shí)必須考慮薄層對(duì)地震波響應(yīng)的影響。如果要在煤田勘探中運(yùn)用AVO技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行評(píng)價(jià),就必須考慮薄層調(diào)諧效應(yīng)這一問(wèn)題。

目前,煤田地球物理測(cè)井是煤田勘探中確定煤層厚度的主要手段,但鉆孔費(fèi)用高昂,無(wú)法滿足實(shí)際需要。本文利用射線追蹤法分析了煤層厚度與AVO響應(yīng)之間的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上提出了一種利用AVO特征來(lái)定量預(yù)測(cè)煤層厚度的方法,并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

1 射線追蹤法原理

利用射線追蹤法進(jìn)行正演,單層反射界面的反射系數(shù)通過(guò)Snell定律和Zoeppritz方程得到。在各向同性介質(zhì)中,入射波、反射波和透射波的關(guān)系見(jiàn)圖1,反射縱波、反射橫波、透射縱波、透射橫波服從Snell定律:

圖1 入射波、反射波和透射波的關(guān)系

式中:θ1——P波入射角;

θ2——P波透射角;

φ1——S波反射角;

φ2——S波透射角;

υP1——上半空間介質(zhì)P波速度;

υP2——下半空間介質(zhì)P波速度;

υS1——上半空間介質(zhì)S波速度;

υS2——下半空間介質(zhì)S波速度。

Zoeppritz在彈性波動(dòng)力學(xué)的假設(shè)基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)物理推導(dǎo),得到了能夠計(jì)算反射系數(shù)和透射系數(shù)的方程,即Zoeppritz方程:

式中:RPP——P波反射系數(shù);

RPS——S波反射系數(shù);

TPP——P波透射系數(shù);

TPS——S波透射系數(shù);

ρ1——反射界面上部介質(zhì)密度;

ρ2——反射界面下部介質(zhì)密度。

由式(1)和式(2)可以得到煤層頂、底板不同入射角的縱波反射系數(shù)RPP,然后經(jīng)過(guò)和子波進(jìn)行褶積運(yùn)算得到合成地震記錄。

2 正演模擬分析

2.1 煤層調(diào)諧效應(yīng)

為了對(duì)煤層的薄層調(diào)諧效應(yīng)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí),設(shè)計(jì)了楔形地質(zhì)模型,如圖2所示。模型物性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 楔形地質(zhì)模型

表1 楔形地質(zhì)模型參數(shù)

正演模擬所用子波為峰值頻率?p為60 Hz的零相位Ricker子波,由于零相位Ricker子波的主頻?b與峰值頻率?p的關(guān)系為?p≈0.77?b,所以子波的主頻?b約為78 Hz。在這種情況下,子波波長(zhǎng)λ＝30.1 m,λ/4為7.5 m。在不考慮多次波的情況下,利用射線追蹤法,采用自激自收的方式,正演得到合成地震記錄,如圖3所示。

圖3 合成地震記錄

煤層頂板縱波反射振幅(絕對(duì)值)隨煤層厚度的變化情況見(jiàn)圖4,可以看到薄層調(diào)諧作用的規(guī)律:在(0,λ/4)范圍內(nèi),反射振幅近似線性增加,并在λ/4處達(dá)到最大值;在(λ/4,λ/2)范圍內(nèi),振幅由最大值緩慢減小,最后趨于一個(gè)穩(wěn)定的值,這個(gè)值是單層反射的振幅值;在(λ/2,∞)范圍內(nèi),振幅值基本不變。

圖4 振幅隨厚度變化曲線

2.2 不同厚度煤層AVO分析

利用楔形地質(zhì)模型在零偏移距(或零入射角)情況下得到的反射振幅隨煤層厚度變化曲線,揭示了薄層調(diào)諧作用對(duì)反射振幅的影響。而AVO技術(shù)描述的是在相同煤層厚度下,不同偏移距(或入射角)的振幅變化情況,為此設(shè)計(jì)了上層為泥巖、中層為煤層、下層為泥巖的3層水平層狀介質(zhì)模型,來(lái)對(duì)不同厚度煤層的AVO特征進(jìn)行分析。其中,上下層泥巖厚度均為100 m,煤層厚度是變化的,分別為λ/16,λ/8,3λ/16,λ/4,5λ/16,3λ/8, 7λ/16,λ/2以及λ,物性參數(shù)見(jiàn)表1。正演模擬所用子波依舊是峰值頻率?p為60 Hz的零相位Ricker子波。

在不考慮多次波的情況下,利用射線追蹤法,對(duì)不同厚度煤層進(jìn)行AVO正演模擬。對(duì)于同一厚度煤層,通過(guò)入射角的變化正演得到AVO道集,從AVO道集中提取最大反射振幅生成AVO特征曲線,根據(jù)9種不同煤層厚度共生成9條特征曲線,如圖5所示。

圖5 不同厚度煤層AVO響應(yīng)特征

Zoeppritz方程的解非常復(fù)雜,并且難以給出清楚的物理概念,因此,人們提出了不同形式的近似方程,使其更加容易理解,有較明顯的物理意義。這些近似方程也就成為當(dāng)前AVO分析的基礎(chǔ)表達(dá)式。目前,在AVO分析中常用的是Shuey (1985)近似方程:

式中:A——縱波反射系數(shù);

P——截距(垂直入射時(shí)的縱波反射系數(shù));

G——梯度或斜率(與巖石縱、橫波速度和密度有關(guān));

θ——入射角。

利用Shuey近似方程來(lái)描述不同厚度煤層的AVO特征。式(3)中P值表示垂直入射時(shí)縱波的反射系數(shù),在圖5中對(duì)應(yīng)0°入射角的振幅值。由圖5可以看到煤層厚度為λ/16時(shí)P值最小,然后隨著煤層厚度的增加,P值增大,當(dāng)煤層厚度為λ/4時(shí)P值最大,隨后P值隨著煤層厚度的增大而減小,在煤層厚度大于λ/2時(shí)P值趨于穩(wěn)定,這個(gè)結(jié)論符合圖4中的曲線特征;至于G值,圖5表現(xiàn)不明顯。為了能夠更直觀地觀察P值變化規(guī)律以及描述G值變化規(guī)律,利用圖5中的曲線,擬合得到不同厚度煤層P值和G值,取其絕對(duì)值,并在同一坐標(biāo)系內(nèi)單獨(dú)成圖,如圖6所示。由圖6可以看到|P|值和|G|值變化曲線與圖4中反射振幅隨厚度變化曲線的趨勢(shì)基本相同。在(0,λ/4)范圍內(nèi),|P|值開(kāi)始近似線性快速變大,但在厚度接近λ/4時(shí),P值增速變小,并在λ/4處達(dá)到最大值,同時(shí)|G|值以相同趨勢(shì)變大,在λ/4處同樣達(dá)到最大值;在(λ/4,λ/2)范圍內(nèi),|P|值逐漸變小,|G|值先是逐漸變小,從7λ/16處開(kāi)始略微變大;在(λ/2,λ)范圍內(nèi),|P|值和|G|值基本上沒(méi)有變化。

圖6 不同厚度煤層|P|值和|G|值變化曲線

再用|P|－|G|交匯圖表示|P|值和|G|值隨煤層厚度的變化規(guī)律,如圖7所示:在(0,3λ/16)范圍內(nèi),|P|－|G|曲線近似直線變化;在(3λ/16,λ)范圍內(nèi),|P|－|G|曲線近似為橢圓形的一部分。相比于圖5和圖6,圖7對(duì)煤層厚度的分辨能力大大提高。

圖7 不同厚度煤層|P|－|G|交匯圖

由于|P|值和|G|值具有特殊的變化特征,因此可以根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)判斷煤層厚度。這里給出兩種方法:

(1)在有鉆孔的情況下,依據(jù)鉆孔巖心得到煤和地層的物性參數(shù),然后建立模型正演模擬AVO特性,繪出|P|－|G|交匯圖,并以此為量板,對(duì)比由實(shí)際地震資料得到的|P|值和|G|值,最終定量確定煤層厚度。

(2)在沒(méi)有鉆孔的情況下,通過(guò)若干個(gè)相鄰面元的|P|值和|G|值變化趨勢(shì),判斷不同面元煤層的相對(duì)厚度變化;需要注意的是采用該方法有個(gè)前提,即煤層的彈性參數(shù)在相鄰面元范圍內(nèi)變化很小或者不變。通常情況下,兩種方法結(jié)合使用效果會(huì)更好。

利用AVO特征來(lái)判斷煤層厚度與傳統(tǒng)振幅法的不同之處在于AVO特性通過(guò)統(tǒng)計(jì)擬合得到,減小了個(gè)別不正常振幅對(duì)結(jié)果的影響。

3 應(yīng)用實(shí)例

利用上文提出的第一種方法來(lái)預(yù)測(cè)淮北礦業(yè)(集團(tuán))公司孫疃煤礦首采區(qū)7＃煤層厚度。該區(qū)鉆孔較多,有利于驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.1 數(shù)據(jù)提取

該區(qū)三維地震觀測(cè)系統(tǒng)為8線8炮束狀觀測(cè)系統(tǒng),24次疊加,CDP網(wǎng)格為10 m×10 m。由于束狀觀測(cè)系統(tǒng)存在偏移距分布不均勻的問(wèn)題,所以為了保證有足夠多的偏移距分布,需要建立宏面元。宏面元是指由鄰近多個(gè)CDP面元組成的一個(gè)較大面元,是AVO分析的最小單位,本文建立30 m ×30 m宏面元。

以宏面元為最小單位,利用疊前地震資料提取AVO道集。由于煤層埋深不同,相同偏移距對(duì)應(yīng)的入射角不相同,所以需要把偏移距轉(zhuǎn)化為入射角。由偏移距確定入射角,一般根據(jù)目的層的深度與偏移距用直線法估算,即

式中:L——偏移距;

Z——目的層深度。

最后,以宏面元為單位,將AVO道集中目的層的最大反射振幅和對(duì)應(yīng)的入射角提取出來(lái),為接下來(lái)的數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

3.2 數(shù)據(jù)處理及厚度預(yù)測(cè)

一個(gè)宏面元內(nèi)同一入射角如果具有多個(gè)反射振幅值,那么取其平均值,然后以入射角為橫軸,振幅值為縱軸,將入射角對(duì)應(yīng)的振幅值顯示在圖上,并通過(guò)擬合得到AVO特征曲線,提取各個(gè)宏面元的|P|值和|G|值。

利用地震子波、鉆孔提供的煤層及其上下巖層物性參數(shù),通過(guò)第二節(jié)的方法正演得到不同厚度煤層的|P|－|G|交匯圖。

以|P|－|G|交匯圖作為量板,將各個(gè)宏面元的|P|值和|G|值與量板對(duì)比以確定煤層厚度。將預(yù)測(cè)的煤層厚度與鉆孔顯示的煤層厚度作對(duì)比,如表2所示。通過(guò)誤差分析認(rèn)為在煤層厚度小于1 m時(shí),由于煤層反射振幅較弱,地震波中的干擾成分對(duì)其影響較大,預(yù)測(cè)誤差較高;煤層厚度大于1 m時(shí),煤層反射振幅較強(qiáng),預(yù)測(cè)誤差較小?？傮w來(lái)說(shuō),采用此方法預(yù)測(cè)煤層厚度準(zhǔn)確率較高。

表2 預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆孔驗(yàn)證情況

圖8為總體的煤層厚度預(yù)測(cè)效果。圖中顯示了煤層厚度的變化情況以及鉆孔位置。煤層厚度變化范圍為0～3.5 m,顏色從淺到深代表煤層厚度從薄到厚。

圖8 煤層厚度預(yù)測(cè)

4 結(jié)論

(1)煤層的厚度變化對(duì)AVO特性影響很大,在煤層彈性參數(shù)不變的情況下,AVO特性曲線的截距P和梯度G都有顯著的改變,并且這種變化與單純的振幅隨厚度變化的趨勢(shì)基本相同。

(2)通過(guò)觀察分析不同厚度煤層對(duì)AVO特性的影響,利用不同厚度煤層的AVO響應(yīng)特征來(lái)預(yù)測(cè)煤層厚度。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn),利用AVO特征預(yù)測(cè)煤層厚度具有較高準(zhǔn)確率。

(3)正演模擬沒(méi)有考慮多次波的影響,在以后的研究工作中需要進(jìn)一步改進(jìn)。

(4)研究了單層煤層的AVO響應(yīng)情況,但我國(guó)的煤層分布經(jīng)常以薄互層的形式出現(xiàn),所以需要進(jìn)一步討論薄互層煤層的AVO響應(yīng)特征。

[1] 湯紅偉.地震勘探技術(shù)在煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)中的探索性研究[J].中國(guó)煤炭,2012(2)

[2] 趙偉,陳小宏,李景葉.薄互層調(diào)諧效應(yīng)對(duì)AVO的影響[J].石油物探,2006(6)

[3] 張愛(ài)敏,汪洋,趙世尊.不同厚度煤層AVO特征及模型研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1997(3)

[4] 吳超凡,郭新強(qiáng),邱占林.利用干測(cè)井曲線確定煤層厚度方法研究[J].中國(guó)煤炭,2014(8)

[5] Fred J.Hilterman.地震振幅解釋[M].北京.石油工業(yè)出版社,2006

[6] 云美厚,丁偉.地震子波頻率淺析[J].石油物探, 2005(6)

[7] 崔大尉,王遠(yuǎn),于景邨.利用AVO屬性研究構(gòu)造煤的分布規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2013(10)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

2014年全國(guó)煤及褐煤進(jìn)口量為29122萬(wàn)t

據(jù)海關(guān)總署統(tǒng)計(jì),2014年12月份,全國(guó)煤及褐煤進(jìn)口量為2722萬(wàn)t;2014年1～12月份,全國(guó)煤及褐煤進(jìn)口量為29122萬(wàn)t,同比減少3580萬(wàn)t、下降10.9%。

2014年12月份,全國(guó)煤及褐煤出口量為43萬(wàn)t;2014年1～12月份,全國(guó)煤及褐煤出口量為574萬(wàn)t,同比減少177萬(wàn)t、下降23.6%。2014年12月份,全國(guó)焦炭及半焦炭出口量為102萬(wàn)t; 2014年1～12月份,全國(guó)焦炭及半焦炭出口量為851萬(wàn)t,同比增加384萬(wàn)t、增長(zhǎng)82.2%。

Analysis on the AVO characteristics of coal seam with different thickness

Hua Yujin1,Dong Shouhua2,Cheng Yan3,Liu Li4,Liu Yu5,Wu Haibo2
(1.Yunnan Aerospace Engineering Geophysical Detecting Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650217,China; 2.School of Resources and Geosciences,China University of Minning and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.Research Institute of Coal Geophysical Exploration,China National Administration of Coal Geology, Zhuozhou,Hebei 072750,China; 4.Geophysics and Oil Resource Institute,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China; 5.Geophysics and Space Information Technology Research Room,Wuhan Engineering Science and Technology Institute,Wuhan,Hubei 430019,China)

The thickness of coalfield in China is usually between 2～10 m,which belongs to thin layer measured by seismic wave length.The variation in thickness of coal seam has great influence on amplitude,which is a major obstacle to the application of AVO technology.This research conducted the AVO forward modeling for coal seam with different thickness by the ray tracing method,and analyzed the variety law on the intercept P and gradient G of the AVO characteristic curve with the variation of coal seam thickness,and discussed the method to predict the coal seam thickness with AVO characteristics.

coal seam thickness,prediction,AVO technology,ray tracing,forward modeling

P631

A

滑玉琎(1986－),男,碩士,河南偃師人,主要從事煤田地震勘探和工程物探研究。

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2014M551703),江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130201)