地震波形分類技術(shù)在煤層分叉解釋中的應(yīng)用

秦永軍，馬　麗，2，薛海軍，2，孫文華

（1.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，西安710005；2.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710026）

地震波形分類技術(shù)在煤層分叉解釋中的應(yīng)用

秦永軍1，馬麗1，2，薛海軍1，2，孫文華1

（1.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，西安710005；2.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710026）

地震波形分類技術(shù)是地震相分析技術(shù)的重要延伸。通過(guò)對(duì)時(shí)窗選取、地震屬性體選擇、波形分類數(shù)、模型道選取等主要技術(shù)參數(shù)的分析，認(rèn)為時(shí)窗選取和地震屬性體是影響波形分類結(jié)果最大的兩個(gè)因素。以河?xùn)|北部煤田為例，利用地震波形分類技術(shù)對(duì)其13#煤層的分叉現(xiàn)象進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)13#煤反射波上下各20 ms的層段，進(jìn)行了三次計(jì)算，經(jīng)對(duì)比認(rèn)為當(dāng)波形分類數(shù)為6時(shí)的地震相可很好的區(qū)分煤層分叉的不同狀態(tài)。對(duì)比振幅、頻率及相位等常規(guī)屬性與分類結(jié)果的地震相，發(fā)現(xiàn)常規(guī)屬性平面雖也能反映出煤層分叉趨勢(shì)，但屬性平面圖對(duì)分叉線表達(dá)欠清晰，而三種屬性的波形分類平面圖可清晰的反映出煤層從西南至東北方向的分叉邊界。

波形分類、煤層分叉、模型道、地震相

0　引言

隨著地震勘探技術(shù)的不斷提高，由地震數(shù)據(jù)獲得的地質(zhì)信息越來(lái)越多，但其中許多信息難以得到直觀的結(jié)果，需通過(guò)數(shù)學(xué)變換、并在已知信息標(biāo)定下得到較明了的地質(zhì)成果。近年來(lái)發(fā)展的地震相分析技術(shù)，是在劃分地震層序的基礎(chǔ)上，利用地震參數(shù)特征差別，將地震層序劃分為不同的地震相區(qū)，然后作出巖相和沉積環(huán)境的推斷。地震相技術(shù)目前已經(jīng)推廣到巖性及儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)中，常采用的參數(shù)有反射振幅、反射頻率、同相軸連續(xù)性等。

地震波形分類技術(shù)是地震相分析技術(shù)的一種，是通過(guò)分析地震道間的振幅、頻率、層速度、連續(xù)性等屬性的異常來(lái)分析沉積相的變化。目前該項(xiàng)技術(shù)在油氣藏勘探領(lǐng)域已經(jīng)成功地應(yīng)用于油氣層分布預(yù)測(cè)、砂體儲(chǔ)層預(yù)測(cè)、碳酸鹽巖礁灘體巖性識(shí)別等方面［1-3］。程增慶、劉天放等人指出，煤層厚度變化會(huì)引起地震反射波振幅、頻率等屬性的變化［4］，當(dāng)煤層沉積穩(wěn)定時(shí)屬性參數(shù)變化平穩(wěn)；而當(dāng)煤層分叉時(shí)，其沉積環(huán)境和地層巖性組分也表現(xiàn)出明顯的不同［5］，使地震波形分類技術(shù)對(duì)煤層分叉這一地質(zhì)現(xiàn)象的預(yù)測(cè)成為可能。本文充分利用豐富的地震信息，將地震波形變化定量刻畫(huà)出來(lái)，對(duì)目的層段波形逐道對(duì)比分析，得到不同分類的地震波形橫向變化的地震相平面圖［6］，從面實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)煤層分叉的目的。

1　波形分類技術(shù)的原理

波形分類技術(shù)通過(guò)提取地震信息在空間上的相似性來(lái)描述地質(zhì)信息的空間變化。在特定目的層時(shí)窗內(nèi)，根據(jù)地震道波形特征，逐道對(duì)比，求同存異，突出各地震道的相似性，刻畫(huà)地震波形在橫向上的變化，最后在平面上以不同顏色代表不同地震相類型，以反映沉積相變化，從而認(rèn)識(shí)沉積相在平面上的分布規(guī)律。

通常地震波形分類技術(shù)主要是應(yīng)用Manhattan距離公式。Manhattan距離是一種求兩點(diǎn)之間的相似度和非相似度的統(tǒng)計(jì)方法，表征了波形樣點(diǎn)之間的采樣差異值的總和［7-8］。Manhattan距離形式如下：

M=總值/標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值

M為Manhattan距離，A為參考子波，B為目標(biāo)子波，i為子波的采樣數(shù)。

當(dāng)兩個(gè)子波完全相同時(shí)將導(dǎo)致Manhattan距離為零，不完全相同的子波將產(chǎn)生正的不同的Manhat?tan距離。如果參考子波和目標(biāo)子波的M值是0.25或更小，那么那些子波被分在同一個(gè)組或類。根據(jù)這一原則，就可以用參考子波確定分類，然后將周圍的目標(biāo)子波分到不同的參考子波組。如果一個(gè)目標(biāo)子波屬于更多的參考子波組，將目標(biāo)子波分配給M值最小的一組。這樣就可將地震波形進(jìn)行分類。

本次波形分類技術(shù)主要依靠的波形包括地震波的振幅、頻率、相位等屬性的綜合特征。根據(jù)波形分類結(jié)果，各個(gè)地震道形成離散的“地震相”。對(duì)這些離散的“地震相”進(jìn)行平面歸類，得到平面地震相圖。通過(guò)已知的地質(zhì)信息進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)波形分類的結(jié)果進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋，最終得出與地震相分布相對(duì)應(yīng)的沉積相圖，即由地震相轉(zhuǎn)化為沉積相。

2　波形分類主要技術(shù)參數(shù)

波形分類的質(zhì)量取決于時(shí)窗的選取、地震屬性體的選擇、波形分類數(shù)，波形計(jì)算中的迭代次數(shù)等主要技術(shù)參數(shù)的選擇。其中，時(shí)窗的選取和地震屬性體是影響波形分類結(jié)果最大的兩個(gè)因素。

2.1時(shí)窗的選取

地震時(shí)窗是在兩個(gè)層位之間或某個(gè)層位上、下限范圍的地震數(shù)據(jù)的集合［9］。時(shí)窗的選取是波形對(duì)比最為敏感的參數(shù)，合理的時(shí)窗才可以保證分類結(jié)果能真實(shí)反映目標(biāo)層位的特征。時(shí)窗的選擇有兩種：一種是固定時(shí)窗；另一種是變時(shí)窗。本次是以固定時(shí)窗來(lái)進(jìn)行研究，選取的時(shí)窗不僅保證在選定的時(shí)窗格架內(nèi)，避免出現(xiàn)穿時(shí)現(xiàn)象，也要完整地涵蓋一個(gè)地質(zhì)單元，目標(biāo)地質(zhì)特征層段在選定時(shí)窗格架內(nèi)，才能獲得一個(gè)較好的效果。

2.2地震屬性體

波形分類技術(shù)采用的數(shù)據(jù)體并不局限于原始地震數(shù)據(jù)，還可以使用轉(zhuǎn)換過(guò)的地震屬性體，即針對(duì)不同地震屬性體的波形分類對(duì)比［10］?；诘卣饘傩泽w的波形分析，其本質(zhì)是通過(guò)不同的數(shù)學(xué)變換突出地震信號(hào)的某些特征，其目的是為了突出地震信息中的有利信息，削弱干擾信息。如：轉(zhuǎn)化為振幅類屬性體，使其在地震振幅上的差異變得更明顯；轉(zhuǎn)換為頻率類的屬性，使其在頻率域上的區(qū)分更加突出。盡管地震屬性體綜合了頻率、相位、振幅等綜合信息，但通過(guò)相關(guān)的數(shù)學(xué)變換可使振幅、頻率等波形特征在波形對(duì)比中處于優(yōu)勢(shì)地位。針對(duì)同一地質(zhì)體，采用不同的地震屬性體進(jìn)行波形分類可以得到不同的結(jié)果。在地震信噪比低或斷裂較發(fā)育地區(qū)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)膶傩泽w轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行波形分類，弱化無(wú)關(guān)的噪聲和雜亂地震信息對(duì)波形分類所帶來(lái)的影響，強(qiáng)調(diào)不同巖相主要波形特征在波形對(duì)比中的權(quán)重。

2.3提取模型道

在提取模型道時(shí)，初始劃分幾種已知的典型形狀，然后對(duì)每一實(shí)際道賦予一個(gè)基于相似性的典型形狀。在目標(biāo)層段內(nèi)與實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)自適應(yīng)和誤差分析，最后使模型道和實(shí)際地震道之間存在更好的相關(guān)性。

2.4波形分類數(shù)的選取

波形分類數(shù)的選擇是指在整個(gè)目標(biāo)層段內(nèi)所遇到的地震道的種類，是影響波形分類結(jié)果較小的一個(gè)因素。最為理想的分類數(shù)是不容易定義的。至少經(jīng)過(guò)三次的計(jì)算分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算方法：①把目標(biāo)層段的厚度除以6作為第一次計(jì)算的分類數(shù)；②把上次計(jì)算的分類數(shù)的50%作為第二次計(jì)算的分類數(shù)；③把第一次計(jì)算分類數(shù)150%作為第三次計(jì)算的分類數(shù)［11］。最佳分類數(shù)應(yīng)根據(jù)研究目標(biāo)與地震數(shù)據(jù)的實(shí)際情況確定，分類數(shù)越大，結(jié)果過(guò)于詳細(xì)復(fù)雜，分類數(shù)越小，結(jié)果過(guò)于粗糙無(wú)實(shí)際地質(zhì)意義，一般情況波形的分類數(shù)在6～12。

3　應(yīng)用效果

3.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河?xùn)|煤田北部，整體為走向近南北，傾向西的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)大面積被第四系黃土層覆蓋，僅在中部溝谷出露新近系保德組，區(qū)內(nèi)賦存地層有奧陶系上馬家溝組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組，新近系及第四系。含煤地層為二疊系山西組及石炭系太原組。主采煤層有山西組3號(hào)煤層，太原組11號(hào)、13號(hào)煤層，其中13號(hào)煤層在研究區(qū)存在煤層分叉現(xiàn)象。

13號(hào)煤層煤厚度為6.6～14.45 m，平均煤厚10.52 m。在研究區(qū)西部13號(hào)煤層逐漸分為兩層。整體煤厚呈現(xiàn)由西到東逐漸變厚的趨勢(shì)，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾石1～4層，夾石厚度為0.30～0.50 m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖，頂板底板均為泥巖或砂質(zhì)泥巖。煤層可采性指數(shù)Km=1.00，煤厚變異系數(shù)γ= 20.20%，屬全區(qū)穩(wěn)定可采的特厚煤層。

3.2主要技術(shù)參數(shù)

通過(guò)分析對(duì)比，以標(biāo)定的13煤反射波上下各20 ms為目標(biāo)層段（上下均不超過(guò)相鄰煤層反射波）。經(jīng)過(guò)三次計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)波形分類數(shù)為6時(shí)，地震相較為合理，能很好地區(qū)分煤層分叉的不同狀態(tài)。最終在該時(shí)窗范圍內(nèi)，針對(duì)不同典型分叉狀態(tài)選擇提取6類不同的模型道（圖1），相應(yīng)的地震波形特征如圖2。從模型（圖1）波形特征（圖2）可以看出1-2類模型道及波形完整，能量強(qiáng)，代表煤層未分叉前的煤層；3-4類模型道及波形出現(xiàn)復(fù)波，頻率較高，能量變?nèi)?，代表分叉過(guò)渡段的煤層；5-6類模型道及波形頻率降低，能量較強(qiáng)，代表分叉后的煤層。

3.3煤層分叉解釋與效果分析

3.3.1煤層分叉解釋

圖1　6類模型道Figure1　Six kinds of model trace

圖2　T13波±20ms層段不同類模型道的波形特征Figure2　Waveform features of different model traces in an interval above and below 20ms each from T13 wave

圖3　常規(guī)地震屬性與波形分類結(jié)果Figure3　Conventional seismic attributes and waveform classified results

按照地震不同屬性（振幅、頻率及相位）的常規(guī)屬性與分類結(jié)果的地震相進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，常規(guī)屬性平面與波形分類均能表達(dá)出煤層分叉趨勢(shì)為走向NE的條帶狀，但是屬性平面圖對(duì)分叉線的表達(dá)不清晰，尤其是振幅屬性僅表現(xiàn)為平緩地過(guò)渡；相位屬性表達(dá)效果略好，有部分地段表達(dá)也不清晰；頻率屬性表達(dá)效果最好，但是三種屬性表達(dá)的分叉線形態(tài)與平面擺布差異大，不能用于解釋分叉位置。比較而言，三種屬性的波形分類平面圖對(duì)煤層分叉的表達(dá)效果很直觀，三者具有一定的統(tǒng)一性，都能清晰地指示出煤層從西南至東北方向的分叉邊界走向，受地震資料品質(zhì)影響，在東北部煤層分叉連續(xù)性變差，但趨勢(shì)清晰，說(shuō)明波形分類對(duì)煤層分叉解釋較好。綜合不同屬性，形成地震分類平面圖（圖4），其中色標(biāo)1～1.5為煤層分叉區(qū)域，圖中灰線為常規(guī)地震屬性解釋的煤層分叉線，黑線為波形分類解釋的煤層分叉線，可以看到黑線向前推進(jìn)5～60 m，相對(duì)于常規(guī)地震解釋的分辨率限制，波形分類解釋結(jié)果更符合實(shí)際地質(zhì)規(guī)律，相對(duì)更接近真實(shí)分叉線，控制也更為精細(xì)。

3.3.2分類解釋煤層分叉區(qū)效果分析

圖4　波形分類解釋成果示意圖Figure4　A schematic diagram of waveform classification interpreted results

通過(guò)波形分類后可以看出區(qū)內(nèi)分為三種地震相：分叉相、過(guò)渡相和合并相。從目前施工的鉆孔來(lái)看合并相內(nèi)的SD-11孔及SD-12孔煤層厚度分別為12.6 m、13.5 m，均含煤一層，且厚度較大；南部巷道揭露13煤均為一層煤，厚度為13 m左右。過(guò)渡相內(nèi)的SD-07孔煤層結(jié)構(gòu)為兩層，煤厚分別為6.9 m、4.7 m，煤間距5.2 m，煤層開(kāi)始分叉；分叉相內(nèi)的SD-03鉆孔含煤兩層，煤厚分別為6.6 m、6.8 m，煤層間距33.5 m，煤層完全分開(kāi)。地震波形分類解釋成果得到了鉆孔的驗(yàn)證。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)煤層分叉的實(shí)踐，證實(shí)了地震波形分類技術(shù)可用于煤層分叉解釋，解釋結(jié)果比常規(guī)地震解釋成果更直觀、更準(zhǔn)確，為地震波形分類技術(shù)在煤田勘探中煤層宏觀結(jié)構(gòu)的變化研究提供了一定參考。在地震波形分類應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）在煤層分叉解釋中，時(shí)窗的選擇不宜過(guò)大，薄-厚煤層一般選擇一個(gè)完整的波形時(shí)窗即可；對(duì)于特厚煤層（厚度大于8 m），可以根據(jù)情況選擇地震波形的一至幾個(gè)周期，應(yīng)盡量避免穿時(shí)現(xiàn)象發(fā)生。

（2）典型波形分類的選擇應(yīng)以地質(zhì)鉆井的測(cè)井曲線為約束，確保波形分類的正確性。

（3）波形分類技術(shù)與地震資料品質(zhì)有密切聯(lián)系，適于地震資料品質(zhì)好的地區(qū)。本次研究區(qū)東北部的地震數(shù)據(jù)品質(zhì)較差，導(dǎo)致這一區(qū)域內(nèi)波形分類結(jié)果跨度較大、連續(xù)性較差，這樣目標(biāo)波形可能會(huì)匹配不同的模型道，盡管最終還是分配給距離最小的一組，但仍對(duì)波形分類結(jié)果有一定影響。

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Application of Seismic Waveform Classification Technology in Coal Seam Bifurcation Interpretation

Qin Yongjun1，Ma Li1，2，Xue Haijun1，2and Sun Wenhua1
（1.Shaanxi Provincial Coal Geophysical Prospecting，Surveying and Mapping Co.Ltd.，Xi'an Shaanxi 710005；2.Key Laboratory of Coal Resource Exploration and Comprehensive Utilization，Ministry of Land and Resources，Xi'an，Shaanxi 710026）

The seismic waveform classification technology is a major development of seismic facies analysis technology.Through analy?ses of major technical parameters including time window designation，seismic attribute cube selection，number of waveform classified results，model trace extraction，considered that the former two are the major factors impacting waveform classified results.Taking the Hedong north coalfield as example，through seismic waveform classification technology，analyzed the bifurcation phenomenon of the coal No.13.To an interval above and below 20ms each of reflection wave，after 3 computations，when classified waveform number is 6，seismic facies can discriminate different states of coal bifurcation well.Comparison of conventional attributes of amplitude，frequency and phase with classified result seismic facies have found that although conventional attributes plan can reflect coal bifurcation trend，but expression of attribute plan is not clear，while the waveform classification plan of three attributes can reflect coal bifurcation bound?ary from SW to NE clearly.

waveform classification；coal seam bifurcation；model trace；seismic facies

P631.4

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.17

1674-1803（2016）10-0076-05

陜西省科技統(tǒng)籌項(xiàng)目資助（編號(hào)：2014KTZB01-03-03；2016FWRT-16）

秦永軍（1987—），男，工程師，畢業(yè)于西安石油大學(xué)，從事煤田地質(zhì)勘探工作。

2016-08-12

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)