三種聲波測井曲線預(yù)測方法對比分析

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦地震檢測技術(shù)也在不斷的完善中。為了能夠提高檢測的準(zhǔn)確性，通過大量的實踐經(jīng)驗總結(jié)，當(dāng)前主要的檢測方法包括經(jīng)驗公式法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、地震屬性分析法。這三種方法的作用以及優(yōu)勢都各不相同，檢測結(jié)果也不同，文章就從預(yù)測方法方面來闡述這三種檢測手段的應(yīng)用特點，以及檢測結(jié)果的精確程度，希望能夠給相關(guān)人士一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：聲波測井曲線；預(yù)測方法；分析

以某煤田研究區(qū)為例，對比研究上述三種預(yù)測方法。某煤田采區(qū)勘探面積為23.325km2。主要研究煤層為13-1，11-2，8，6-2，1煤，其埋藏深度大致分布于500～900m之間，并作為此次研究的分析窗口。研究區(qū)內(nèi)共有64口測井，且均勻分布于研究區(qū)的各個位置。經(jīng)統(tǒng)計，每口井都有密度曲線，但只有29口井包含速度曲線，可以作為此次研究的訓(xùn)練樣本和目標(biāo)。

1 預(yù)測方法的應(yīng)用

1.1 經(jīng)驗公式法的應(yīng)用

因為所有的礦井都能夠形成一定的密度曲線，而這種曲線能夠反映出地層的狀態(tài)，所以我們可以通過觀察這些曲線了解地層的變化，預(yù)測出地震的情況。我們可以對這二十個礦井通過Gardner公式法來計算出具體的密度曲線，并通過計算機的計算得到相應(yīng)的預(yù)測值。任意選擇一口礦井，通過經(jīng)驗公式法來預(yù)測出聲波曲線，把曲線的結(jié)果和原始的測算曲線放在一個窗口下進(jìn)行分析，主要是看兩個測算結(jié)果中速度的交匯點。通過計算機來測量兩個曲線之間的相關(guān)性，得出的系數(shù)為0.336。從這個數(shù)值中我們可以看到二者之間的相關(guān)性是非常小的，可見這種測量方法的曲線精確度不高。不過這種方法的優(yōu)勢就是操作比較簡單，可以在一些地形比較復(fù)雜，誤差可以在一定范圍內(nèi)的情況下使用。

1.2 地震屬性分析法的應(yīng)用

利用地震屬性預(yù)測聲波曲線，首先需要導(dǎo)人三維地震數(shù)據(jù)體。在本例中，地震數(shù)據(jù)體共包含1109條inline線和1819條crossline線，間隔為5m。然后，建立好幾何網(wǎng)格，使得地震數(shù)據(jù)和測井曲線能位置統(tǒng)一。以已知的29口井作為訓(xùn)練樣本，抽取復(fù)合地震道，并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換運算，得到多種體屬性值。同時利用基于模型反演獲得的波阻抗體，提取出外部屬性值（外部屬性用ex-attr來表示）。最后建立地震屬性與井?dāng)?shù)據(jù)的線形關(guān)系，其中部分關(guān)系如表1所示。分析窗口為13煤和1煤之間的區(qū)域。

從表1中可以看出，最佳的屬性表達(dá)式為Log（ex-attr），屬性運算的誤差率最低，且相關(guān)系數(shù)大約為0.50，相對比較高。因此選取其作為單屬性分析的結(jié)果。10-8井、10n-17井、11-10井，三口井單屬性分析預(yù)測結(jié)果：相關(guān)系數(shù)=0.500134；平均誤差=602.441。多屬性分析是在單屬性分析的基礎(chǔ)上，利用逐步回歸法進(jìn)行分析與計算。在本例中，使用的最優(yōu)褶積算子長度為10，獲得的分析結(jié)果如表2所示。

在表2中，每一行代表一個多屬性變換，且此變換包含了上面所有行的屬性變換。多屬性分析預(yù)測結(jié)果顯示：相關(guān)系數(shù)=0 658744；平均誤差=523.422。在采用地震屬性分析法的時候，由于需要的訓(xùn)練時間比較長，則可能產(chǎn)生訓(xùn)練過度的問題，這就需要通過訓(xùn)練來減少誤差的產(chǎn)生。通過表2我們也可以看出，過度訓(xùn)練只是該種測量方法中的一種情況，也就是說增加測量屬性能夠簡單的測量出曲線中的一些細(xì)節(jié)，不過也可能適得其反，產(chǎn)生一些不好的結(jié)果。當(dāng)前已經(jīng)產(chǎn)生了針對解決這一問題的方法，就是交叉驗證。

1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的應(yīng)用

這種方法主要就是對預(yù)測結(jié)果的多屬性轉(zhuǎn)換進(jìn)行更加深入的測量和分析。在上述例子中，可以把表2中的前七種屬性直接輸入到電腦中，并通過聲波曲線對照后再輸出，這樣就能夠建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)。通過輸入值和輸出值之間的對比，我們可以看到二者之間存在著一定的誤差，不過這種誤差和上述兩種方法比已經(jīng)是最小值了。在網(wǎng)絡(luò)的方差達(dá)到一定的精度時，就結(jié)束整個網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。本例中對于MLFN，根據(jù)誤差最小原則，確定出隱含層節(jié)點數(shù)為46，共軛梯度迭代次數(shù)為100，總的迭代次數(shù)為10。對于PNN，確定出σ因子數(shù)量為25，σ因子取值范圍為0.1～3.0，共軛梯度迭代次數(shù)為20。最后利用訓(xùn)練好的兩種網(wǎng)絡(luò)，對非目標(biāo)聲波曲線分別進(jìn)行預(yù)測，得到的預(yù)測結(jié)果：MLFN的相關(guān)系數(shù)=0.730526；平均誤差=495.072。PNN的相關(guān)系數(shù)=0.787698；平均誤差=449.863。

2 結(jié)果對比分析

利用三種預(yù)測方法對整個研究區(qū)內(nèi)的聲波速度曲線進(jìn)行了預(yù)測，并得到了不同精度的預(yù)測結(jié)果，隨機挑選其中一口井作對比，采樣率選為2ms，其預(yù)測結(jié)果：經(jīng)驗公式法相關(guān)系數(shù)為：0.355；單屬性分析法相關(guān)系數(shù)為：0.783；多屬性分析法相關(guān)系數(shù)：0.838；MLFN相關(guān)系數(shù)為：0.891；PNN相關(guān)系數(shù)為：0.912。

通過對原始聲波曲線和通過上述方法測測量得出的預(yù)測曲線之間的對比，我們可以看到二者之間的精度比呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，相關(guān)系數(shù)也趨于1。不過相比其他的測量方法來說PNN測量方法在精度上更加準(zhǔn)確，預(yù)測的結(jié)果也更好。我們還可以采用一種方法對PNN測量方法的精確度進(jìn)行檢測，也就是三維速度體。這種方法主要就是把預(yù)測的結(jié)果直接運用到地震預(yù)測數(shù)據(jù)當(dāng)中所獲得的。因為使用經(jīng)驗法獲得的預(yù)測結(jié)果并不準(zhǔn)確，而且這種方法只能用在單一測量當(dāng)中。而且在具體的預(yù)測當(dāng)中只能用插值法，這種情況下所獲得的速度數(shù)值并不精準(zhǔn)。所以我們可以直接忽略掉這種方法所獲得的速度數(shù)值。通常來說，圍巖的速度要比煤層的速度高，所以單一屬性分析獲得的數(shù)據(jù)所顯示的顏色比較明顯，這樣對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析也比較容易。采用多種屬性分析的數(shù)值變化度比較高，特別是對于煤層來說，這種方式得到的結(jié)果會比單屬性分析的結(jié)果更加精準(zhǔn)一些。MLFN方法預(yù)測層數(shù)連續(xù)性不高，不過速度值的變化還是非常明顯的。相比上面三種測量方法，PNN方法明顯更好一些。不僅能夠清晰的體現(xiàn)出煤層的變化而且還能夠?qū)Σ煌瑢訑?shù)的速度值變化平均化。

3 實驗結(jié)論

（1）采用經(jīng)驗法來測量聲波曲線，這種方法只能用于一種或者多種的曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，速度上更加快而且整個操作的過程容易操作，不過缺點是結(jié)果準(zhǔn)確度不高。這種方法一般用在地形比較復(fù)雜的地區(qū)。（2）采用地震屬性分析法來預(yù)測地震發(fā)生的具體數(shù)據(jù)，這種方法主要是通過橫縱向上的線性數(shù)據(jù)來模擬出地震屬性的曲線，這種方法的精確度高于經(jīng)驗法測量。（3）采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來建立地震屬性和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從而預(yù)測出地震。這種方法前期訓(xùn)練的時間比前兩種都長，不過在煤田中使用這種方法進(jìn)行測量精度上高于上兩種方法，這種方法也是目前來說最好的一種。（4）在采用第三種方法測量之前，應(yīng)該對整個地震聲波曲線的屬性進(jìn)行細(xì)致地分析，屬性和測量方法之間存在著某種繼承關(guān)系，通過改善預(yù)測的精度，就能夠提高整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度，進(jìn)而能夠為以后的地震預(yù)防提供更高精準(zhǔn)的曲線。

總之，煤礦企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自身的情況選擇合適的預(yù)測方法，提高測量的精度，能夠很好的預(yù)防煤層地震。在未來煤炭事業(yè)的發(fā)展中，科學(xué)技術(shù)的提高一定會促進(jìn)煤層地震測量技術(shù)，進(jìn)而促進(jìn)整個煤炭事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]彭蘇萍，鄒冠貴，李巧靈.測井約束地震反演在煤厚預(yù)測中的應(yīng)用研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，37（6）.