高密度三維地震勘探譜矩法反演煤厚技術

林建東，魏名地，孟凡彬

(1.中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

高密度三維地震勘探譜矩法反演煤厚技術

林建東1，魏名地2，孟凡彬1

(1.中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

結合研究區(qū)內地質資料，建立4個譜矩法反演煤層厚度的測試模型，模型參數(shù)分別為子波頻率、煤層頂?shù)装鍘r性、煤層夾矸及積分區(qū)間。不同模型的反演結果表明，地震子波主頻大小、煤層頂?shù)装鍘r性的差異、以及煤層中夾矸的變化基本上不影響譜矩法反演煤層厚度，但不同的積分區(qū)間對譜矩法反演煤厚影響較大。以子波主頻50 Hz、積分區(qū)25～50Hz對研究區(qū)內8煤層的厚度進行譜矩法反演預測，結果顯示，研究區(qū)西南部煤層厚度變化較大，最大厚度達14m；中西部煤層較厚，變化較緩；西北部煤層厚度較薄，一般小于2m。對比25個鉆孔數(shù)據(jù)，三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演的8煤層厚度，有17個鉆孔相對誤差小于18%。

譜矩法；煤層厚度；正演模型；高密度三維地震

0 引言

幾十年來，煤炭地質科技工作者致力于對煤層厚度變化的研究，但其研究成果受限于所獲地質資料，僅能反映出煤層厚度變化的宏觀趨勢，其精度往往難以滿足礦區(qū)安全高效生產(chǎn)的要求[1-3]。究其根本原因在于煤層賦存狀態(tài)極為復雜，難于利用有限的地質資料精細分析采區(qū)中復雜的煤層厚度變化。常規(guī)采區(qū)三維地震受地震勘探方法的局限性，包括來自煤層反射波信號的頻帶寬度、分辨率及信噪比等因素影響，僅僅利用煤層反射波信息的運動學特征，很難對落差大于(1/4～1/8)λ的斷裂構造進行解釋。地震反演技術是綜合運用地震、測井、地質等資料以揭示地下目標層(如煤層等)的空間幾何形態(tài)(包括目標層厚度、頂?shù)讟嬙煨螒B(tài)、延伸方向、延伸范圍、尖滅位置等)和目標層微觀特征。煤礦勘探區(qū)分布數(shù)量較多的鉆孔與巷道資料，可以將縱向高分辨率的鉆孔資料與橫向穩(wěn)定的高分辨率地震資料結合，預測煤層空間變化及分布[4-12]。

據(jù)此，本文以研究煤層厚度變化導致煤層反射波運動學、動力學特征變化的地震響應為切入點，利用譜矩法反演研究煤層厚度變化。根據(jù)多種地質模型試算，研究、分析譜矩法反演煤層厚度的主要影響因素。利用高密度三維地震勘探資料，基于鉆井約束下定量預測研究區(qū)煤層厚度,變化規(guī)律，探索出一種利用三維地震信息精細判別煤層厚度變化的方法。

1 井約束譜矩法定量預測煤厚原理

煤層的構造或巖性變化主要反映在密度、速度及其它彈性參量的差異上。這些差異導致了地震波在傳播時間、振幅、相位、頻率等方面存在異常。當煤層厚度變化較大時，會引起介質的彈性物理力學性質的變化，這些變化表現(xiàn)在時間剖面上為反射與反射波組的振幅、相位和頻率發(fā)生較大變化。通過建立地震屬性與煤層厚度之間的統(tǒng)計關系，就可以直接利用地震屬性參數(shù)來預測煤層厚度的變化。

煤層是典型的低速薄層，煤層反射波主要是煤層頂?shù)装宸瓷浏B加的復合波，其波形具有入射地震子波的微分形式。在一定的條件下，煤層厚度近似正比于煤層反射波振幅譜積分與地震子波振幅譜一階矩的比值。根據(jù)一定數(shù)量的鉆井煤厚資料，標定其比例系數(shù)，便可直接從地震反射資料逐道定量估算煤層厚度。

在無限介質中有一低速煤層，如圖1，設煤層厚度為H、縱波速度為ν、煤層的頂?shù)装宸瓷湎禂?shù)絕對值為R，τ為煤層時間厚度，那么縱波在煤層中雙程傳播時間為τ=2H/v。

圖1 薄煤層模型示意圖Figure 1 A schematic diagram of thin coal seam model

當震源脈沖bx,t(地震子波)入射到煤層時，則煤層反射波sx,t為

s(x,t)=h(t)*b(x,t)

(1)

式中ht—煤層的脈沖響應。

對于薄煤層來說，在其一階近似條件下，式(1)變?yōu)?/p>

(2)

對式(2)兩邊取傅氏變換、積分，得

(3)

那么式(3)變?yōu)?/p>

(4)

式(4)為譜矩法地震資料反演煤層厚度的基本公式。由于D為地震子波的譜一階矩，故稱此法為譜矩法。

地震子波bx,t的求取可依據(jù)理論估算、地震道自相關、同態(tài)系統(tǒng)估算等方法，系數(shù)C由鉆孔附近地震道數(shù)據(jù)來標定。假設勘探區(qū)內有N個鉆孔，第i個鉆孔處煤層厚度為Hi，求該鉆孔處煤層反射波頻譜積分Ai，地震子波的一階頻譜Di，那么根據(jù)式(4)求得第i個鉆孔處的標定系數(shù)Ci為

對于離鉆孔較遠處的標定系數(shù)由鉆孔處的Ci(i=1,2,…,N)通過內插方法求得。

2 井約束譜矩法參數(shù)選擇

從地震資料中預測煤層厚度是根據(jù)一個無限均勻高速介質中間夾有一煤層的簡單模型而建立的。根據(jù)鉆孔資料與地震解釋的結果，依據(jù)研究區(qū)8煤層實際地質情況，給定模型參數(shù)如表1所示。其中，表中W1、W2分別代表頂、底板巖性；C代表煤層；b代表夾矸，本研究區(qū)夾矸主要是炭質泥巖。煤層設為構造煤，煤層厚度為0～20m，煤層中含夾矸時，煤層厚度不變，為20m，夾矸厚度為0～0.8m。

表1 模型物性參數(shù)

建立譜矩法參數(shù)測試模型如圖2所示。該地質模型考慮多種因素，如子波頻率不同、煤層頂?shù)装鍘r性不對稱、煤層中含有夾矸等參數(shù)對譜矩法反演的影響。

模型1(圖2a)主要研究地震子波主頻對與譜矩法反演的影響，分別選用主頻為50、60、70、80Hz及90Hz的地震子波輸入；模型2(圖2b)主要研究積分區(qū)間對譜矩法反演煤厚的影響，選擇的積分區(qū)間為25～50、25～75、25～100Hz以及50～100Hz；模型3(圖2c)與模型1、模型2以相同的參數(shù)進行譜矩法反演，研究頂、底板巖性對譜矩法反演的影響；模型4(圖2d)主要研究煤層中含夾矸時對譜矩法反演煤層厚度是否有影響。

圖2 譜矩法反演地質模型Figure 2 Spectral moment inversion geological model

正演模擬采用聲波波動方程法進行計算。采樣間隔為0.5ms，體積元剖分大小為0.5m×0.5m，接收道距為5m，共201道。

2.1 子波主頻對煤厚反演的影響

針對模型1使用相同的積分區(qū)間(25～50Hz)，地震子波的主頻分別選取50、60、70、80Hz及90Hz，分析不同主頻對譜矩法反演的影響，如圖3所示。當子波主頻不同時，譜矩法反演的煤厚曲線結果基本重合，子波主頻的大小基本不影響譜矩法反演結

果。結合研究區(qū)地震主頻大小， 本課題選用主頻為50Hz的雷克子波進行譜矩法反演煤層厚度。

2.2 積分區(qū)間對煤厚反演的影響

以主頻為50Hz模型2作為研究對象，分別選取25～50、25～75、25～100、50-100Hz的4個不同積分區(qū)間進行反演，結果如圖4所示。由于積分區(qū)間不同，反演的結果存在明顯差異。當煤厚較小(小于5m)時，不同積分區(qū)間相對誤差較小。煤層厚度越大，積分區(qū)間的影響越明顯，積分區(qū)間相對誤差隨著煤厚的增大而增大。積分區(qū)間向高頻移動，差異也越大；隨著煤厚增加，反演偏離線性的誤差越大；當積分區(qū)間過大(25～100Hz、50～100Hz) 時，積分頻率區(qū)間影響曲線規(guī)律出現(xiàn)偏差，不適合用來預測煤厚值。經(jīng)驗證，積分區(qū)間25～50Hz與25～75Hz均可用于譜矩法反演，而積分區(qū)間25～50Hz比積分區(qū)間25～75Hz的變化范圍大，更適合來預測煤厚。因而本課題選用積分區(qū)間 25～50Hz進行譜矩法反演煤層厚度分析與研究。

圖3 不同頻率子波譜矩法反演圖Figure 3 Spectral moment inversion for different frequency wavelets

圖4 不同積分頻率區(qū)間譜矩法反演圖Figure 4 Spectral moment inversion for different integral intervals

2.3 頂、底板巖性對煤厚識別的影響

分別對模型1、2、3進行正演模擬，主頻選用50Hz的Ricker子波，積分區(qū)間選用25～50Hz，其結果如圖5所示。可見當頂?shù)装鍘r石物性不對稱時，反演的煤厚與對稱的情況基本一致，尤其是模型1即頂?shù)装鍖ΨQ( 均為W1) 和模型1即頂( W1) 底板( W2) 不對稱時，兩者很接近；當煤厚大于9m時，前兩種情況與模型3即頂( W2) 底板( W1) 不對稱(高速圍巖做頂板) 有較明顯差距。

2.4 夾矸對煤厚識別的影響

對于煤層來說，由于沉積過程中環(huán)境的變化，在煤層中存在夾矸，采用譜矩法對于含有夾矸煤層來說，對解釋它的厚度的結果是否有影響需要研究。模型1、2、3即圖2a、圖2b、圖2c夾矸為零，煤層由薄到厚逐漸增加，模型4(圖2d)中夾矸由薄變厚，

煤層厚度不變。利用譜矩法反演煤厚進行預測對比分析，結果表明：夾矸的存在基本不影響煤層厚度變化的預測。

多種地質模型試算的結果表明，地震子波主頻、煤層頂?shù)装鍘r性的對稱性、以及煤層中夾矸的存在基本上不影響譜矩法反演煤層厚度；積分區(qū)間不同，對譜矩法反演煤厚的結果差異較大。經(jīng)過驗證，本課題選用積分頻率區(qū)間25～50Hz進行研究區(qū)煤層厚度譜矩法反演預測。

3 研究區(qū)8煤層地質概況

依據(jù)研究區(qū)內的地質、測井等資料可知，受區(qū)域構造控制，區(qū)內煤層揉皺變形產(chǎn)生層滑或斷裂式層滑現(xiàn)象極為嚴重，因而導致煤層厚度發(fā)育極不穩(wěn)定，并在小區(qū)域內煤層厚度產(chǎn)生劇烈變化。

8煤組含煤1～2層，一般含煤1層(即8-1煤層與8-2煤層合并)，8-2煤層為本區(qū)的主要可采煤層，區(qū)內發(fā)育良好，煤層厚度較大。8煤組頂部為一厚層砂巖，中、下部圍巖多以泥巖或粉砂巖為主。

圖5 不同頂、底板巖性譜矩法反演圖Figure 5 Spectral moment inversion for different roof and floor lithology

①主采煤層8煤層厚度一般較大，變化也較大，個別點突然變薄，可能受小構造影響。

②區(qū)內中淺部形成厚煤帶，煤厚為5～8m，局部有>10m的特厚點，但向深部煤層厚度逐漸變薄。

③在非合并區(qū)煤厚相對較薄，為3～5m，厚度變化相對也較小。

④煤層結構簡單～較簡單，部分含1層夾矸，個別含2～3層夾矸，偶見4層夾矸；夾矸多為泥巖或炭質泥巖。

⑤受巖漿巖侵蝕影響，部分孔可見侵蝕變質天然焦，形成一小范圍的不可采區(qū)。煤類除受巖漿巖侵蝕影響外，變化不大，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。

研究區(qū)典型地震剖面如圖6所示。從圖中可以看出，區(qū)內淺層和深層地震地質條件較好。

圖6 青東礦研究區(qū)典型地震剖面Figure 6 Qingdong coalmine study area typical seismic section

通過對研究區(qū)地質資料的搜集、分析與研究，結合實際巷道揭露，確定本區(qū)煤層厚度變化的主要因素為后生變化，層滑構造是煤層厚度后生變化的主要影響因素之一。因此本研究以地震煤厚反演為基礎，根據(jù)延伸小、走向變化快的斷層及構造煤的分布輔助驗證煤層厚的變化。

4 8煤層厚度變化與精度分析

4.1 高密度三維地震資料反演成果分析

本次課題選取積分頻率區(qū)間25～50Hz進行譜矩法反演煤層厚度應用。首先利用高密度三維地震數(shù)據(jù)對研究區(qū)進行譜矩法反演8煤層厚度。區(qū)內共有鉆孔25口，利用其附近地震道數(shù)據(jù)得到標定系數(shù)，進而在研究區(qū)內插值，聯(lián)合反射波頻譜積分與地震子波頻譜一階矩反演研究區(qū)煤層厚度(圖7)。

從圖7中可以看出，研究區(qū)內煤層厚度整體變化較大且變化復雜，與本研究區(qū)8煤層受層滑構造影響煤厚變化情況吻合。研究區(qū)區(qū)西南部8煤層厚度變化較大，中西部煤層變化較緩，煤厚較穩(wěn)定，西北部煤層厚度較薄。在研究區(qū)西北部煤層厚度一般小于2m，鉆孔7-8-8處8煤層厚度僅為1.04m；西南部、南部部分煤層厚度較大，最大厚度為14m，鉆孔8-d-1處8煤層厚度為11.91m。

4.2 譜矩法反演煤厚精度分析與對比

研究區(qū)內833機巷為已揭露巷道，根據(jù)對833機巷的實際資料分析，833機巷中、右部層滑構造較為發(fā)育，具體表現(xiàn)為煤層厚度變薄，平均煤層厚度小于2m(圖7)?？梢钥闯觯?33機巷穿過煤層厚度變薄區(qū)，煤厚變薄區(qū)的平均煤厚小于2m。

833機巷穿過井7-x-2，井7-x-2處8煤層厚度為4.17m，利用高密度三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演得到的井7-x-2處8煤層厚度為3.91m，絕對誤差僅為-0.26m，相對誤差為6.24%。

利用研究區(qū)內鉆孔信息，驗證高密度三維地震數(shù)據(jù)與常規(guī)數(shù)據(jù)譜矩法反演煤層厚度的精度。提取研究區(qū)25個鉆孔的8煤厚度與相應位置三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演的8煤層厚度進行對比分析(圖8)。從圖中可以看出： 基于三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演的煤層厚度精度較高，基本滿足煤層厚度預測精度。其中，25個鉆孔中有17個鉆孔， 其高密度三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演的煤層厚度預測精度較高，表明該區(qū)域基于高密度三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演煤層厚度的精度較高。

提取不同三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演煤層厚度的成果， 建立不同三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演煤層厚度的相對誤差對比圖，如圖9，研究不同三維地震數(shù)據(jù)對譜矩法反演煤層厚度精度的影響。從圖中可以看出：不同三維地震數(shù)據(jù)利用譜矩法反演煤層厚度的精度差異較大，研究區(qū)內共有鉆孔25個，其中17個鉆孔處高密度三維地震數(shù)據(jù)譜矩法反演煤層厚度精度較高，相對誤差小于18%。存在個別鉆孔反演煤厚相對誤差較大，分析發(fā)現(xiàn)，可能是由于該井處于采區(qū)邊界。由此看出，基于不同三維地震數(shù)據(jù)利用譜矩法反演煤層厚度的精度不同，高密度三維地震數(shù)據(jù)對譜矩法反演煤層厚度的精度更高，因此，在研究區(qū)內首選高密度三維地震數(shù)據(jù)進行反演煤層厚度的計算。

圖7 研究區(qū)巷道驗證高密度數(shù)據(jù)譜矩法反演8煤層厚度精度圖Figure 7 Precision chart of coal No.8 thickness high density 3D seismic data spectral moment inversion identified by study area roadways

圖8 研究區(qū)鉆孔處8煤厚度與譜矩法反演煤層厚度對比圖Figure 8 Comparison of study area coal No.8 thicknesses from boreholes and high density 3D seismic data spectral moment inversion

圖9 三維地震數(shù)據(jù)體譜矩法反演煤厚相對誤差對比圖Figure 9 Comparison of coal thickness fractional errors from 3D seismic data volume and spectral moment inversion

綜上所述，針對本研究區(qū)而言，不同三維地震數(shù)據(jù)對譜矩法反演煤層厚度的精度有影響，基于高密度三維地震數(shù)據(jù)利用譜矩法反演煤層厚度的精度高于基于常規(guī)三維地震數(shù)據(jù)利用譜矩法反演煤層厚度的精度，因此針對本研究區(qū)，本課題推薦使用高密度三維地震數(shù)據(jù)進行反演、預測煤層厚度。

5 結論

在充分搜集、整理研究區(qū)的地質、測井資料的基礎上，對研究區(qū)煤層厚度變化規(guī)律進行了精細的地質分析與研究。結合研究區(qū)地質資料建立正演模型，研究、分析影響譜矩法反演煤層厚度的主要因素，利用高密度三維地震勘探資料，基于鉆井約束下譜矩法編寫應用程序，定量預測研究區(qū)煤層厚度變化。豐富了復雜煤層厚度變化反演方法，其適用性更為廣泛，預測精度較以往鉆孔對比、插值等煤厚反演方法有明顯提高，為煤礦安全生產(chǎn)提供了保障。

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CoalThicknessHighDensity3DSeismicProspectingSpectralMomentInversionTechnology

Lin Jiandong1, Wei Mingdi2， Meng Fanbin1

(1.Geophysical Prospecting and Research Institute, CNACG, Zhuozhou, Hebei 072750；2.College of Resource and Earth Science, China University of Mining and Technology, Jiangshu，Xuzhou 221008)

Based on geological data from study area, four testing models of coal thickness from spectral moment inversion have been modeled. Model parameters have wavelet frequency, lithology of coal roof and floor, coal parting and integral interval respectively. The inversion results from different models have shown that the seismic wavelet master frequency range, difference in coal roof and floor lithology and parting variation in coal seam are basically no impacts on coal thickness spectral moment inversion, but impacts from integral interval are large. Taking the wavelet master frequency 50Hz, integral interval 25～50Hz carried out coal seam No.8 thickness spectral moment inversion prediction. The result has shown that coal seams in the southwestern study area have larger variations, maximum thickness can be 14m as high; in middle western part rather thick and gently varied; in northwestern part rather thin, generally less than 2m. Comparison of data from 25 boreholes has found that the thickness fractional errors of 17 boreholes are less than 18% from coal No.8 3D seismic data spectral moment inversion.

spectral moment method; coal thickness; forward model; high density 3D seismic prospecting

國家“十三五”科技重大專項經(jīng)費資助項目(2016ZX05041002)、(2016ZX05043001),淮北礦業(yè)(集團)有限責任公司科研及技術創(chuàng)新計劃項目(青東礦8煤厚度變化規(guī)律研究及應用)。

林建東(1967—)，男,高級工程師,主要從事煤田地震勘探生產(chǎn)與科研。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.13

1674-1803(2017)09-0067-07

A

責任編輯：孫常長