復雜斷層模型約束反演判識煤層橫向變化規(guī)律

鄧丹敏，裴跟弟，單 蕊

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

復雜斷層模型約束反演判識煤層橫向變化規(guī)律

鄧丹敏，裴跟弟，單 蕊

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

在斷層發(fā)育地區(qū)建模，若僅利用層位信息，而不考慮斷層的影響，其地震約束反演將難以取得令人滿意的效果，在地質(zhì)建模時，利用斷層信息建立斷層模型，并在其約束下進行稀疏脈沖反演，能夠較好的識別煤層結構。以某礦區(qū)二維地震為例，選取具有復雜斷層關系的地質(zhì)剖面，結合測井資料，從地質(zhì)層位的標定、斷層地質(zhì)構造框架模型的建立、波阻抗反演的精細質(zhì)量控制等方面出發(fā)，得出斷層約束稀疏脈沖反演的地質(zhì)剖面。反演結果表明，斷層模型約束反演能有效判別煤層在橫向上由厚漸薄、尖滅缺失等變化情況。

地震反演；斷層模型；稀疏脈沖反演；地質(zhì)構造框架模型

0 引言

地震反演技術是巖性地震勘探的重要手段。它利用測井、地質(zhì)資料提供的層位、構造、巖性等信息，從常規(guī)地震剖面推導出地層的波阻抗、密度、速度、孔隙度等信息[1]。將高縱向分辨率的測井資料與連續(xù)觀測的大面積地震資料相結合，再聯(lián)系其他先驗信息進行綜合反演，可顯著提高地質(zhì)異常體的識別能力。地震約束反演在煤層厚度解釋及橫向變化預測等問題上具有獨特優(yōu)勢[2]。約束稀疏脈沖波阻抗反演是地震約束反演中的一種關鍵方法，能夠完整保留反射波的基本特征，準確反映斷層分布、產(chǎn)狀變化等，改善地震記錄頻帶窄的問題，反演質(zhì)量高，多解性問題較弱[3]。

建立準確的地質(zhì)構造框架模型是進行約束稀疏脈沖反演的基礎。一般反演時，會簡化地層構造的框架，在斷點處做簡單的拉平處理，也就是建模時只利用層位信息，而忽略斷層。在復雜斷層發(fā)育地區(qū)，這種處理方式會使反演結果與實際煤層分布出現(xiàn)較大差距[4-5]。精確分析斷層與層位、斷層與斷層之間的關系，利用斷層模型約束進行反演，可以更真實地反映地質(zhì)構造情況，提高反演質(zhì)量。本文針對某礦區(qū)地震勘探資料，選取具有復雜斷層關系的二維剖面進行約束反演，識別出目的煤層在空間上的變化。

1 基本原理

稀疏脈沖反演是根據(jù)已知的地震數(shù)據(jù)和速度(或密度等)信息，通過最大似然反褶積求出稀疏分布的反射系數(shù)序列，通過最大似然反演推導出波阻抗，再進行道合并，得出反演結果?；玖鞒倘缦拢?/p>

圖1 稀疏脈沖反演流程圖Figure 1 Sparse-spike inversion flow chart

①最大似然反褶積。假設地層反射系數(shù)是稀疏序列，并由地層較大的反射界面的反射系數(shù)序列和高斯背景的小反射系數(shù)序列疊加而成，在此基礎上構造出一個目標函數(shù)，尋找目標函數(shù)的最小值：

-2mln(λ)-2(L-m)ln(1-λ)

(1)

其中，L為采樣點總數(shù)，r(K)為第K個采樣點的反射系數(shù)，R為地層反射系數(shù)，n(K)為第K個采樣點的噪聲值，N為噪聲序列，m為地層反射界面總個數(shù)，為反射系數(shù)的似然值。由此獲得稀疏特性的地層反射系數(shù)序列。

②最大似然反演。得出反射系數(shù)序列后，再采用最大似然反演推導出波阻抗值：

(2)

Z(i)為求出的地層波阻抗值，r(i)為反射系數(shù)序列。

③道合并。處理后的地震資料部分有效低頻成分會減弱，而有效低頻信息是反映真實地層結構的重要指標，直接影響反演質(zhì)量。所以，一個全頻帶的絕對波阻抗數(shù)據(jù)體是由低頻信息模型與約束稀疏脈沖反演進行道合并后得到的。

建立精確的地質(zhì)框架模型是提取低頻阻抗體的前提，也是確定各儲層空間變化規(guī)律的基礎。采用斷層約束建模，比常規(guī)的層位建模程序復雜，因為要對斷層與層位、斷層與斷層之間的交切關系進行精細分析，并于地層描述表中編輯清楚，準確顯示出來，尤其在復雜斷層區(qū)域，比較耗時。建立好了框架模型，才能進行后續(xù)的反演工作。

2 層位標定

該測區(qū)位于華北板塊東南一凹陷之中，區(qū)內(nèi)總體形態(tài)為一軸向北東、向西南仰起的向斜構造，其東翼與西翼分別被邊緣的一系列斷層切割。次級褶曲較為發(fā)育，斷層交切關系復雜。含煤地層為白堊系下統(tǒng)巴彥花組，含可采煤層7層，主采煤層兩層為32、72煤，也為主要反演煤層。

層位標定是煤層解釋中的基礎環(huán)節(jié)。選取聲波或者密度測井，先對測井曲線進行環(huán)境校正和歸一化處理，使同一段地層在各測井曲線上響應一致；對于測井曲線中一些不合理的野值將其編輯掉。再將曲線數(shù)據(jù)導入Jason軟件，制作合成地震記錄。

依次加載井曲線、井旁道數(shù)據(jù)和解釋層位，計算波阻抗，并做深時轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)井分層與層位做初步調(diào)整。計算理論雷克子波，合成初步的合成記錄。將合成記錄與井旁地震道資料進行波組對比，不斷調(diào)整曲線的時深關系，估算地震子波?？梢詫γ靠跍y井分別提取相應的井旁地震子波，采取這些子波的平均作為全區(qū)統(tǒng)一子波；也可以先選取質(zhì)量較好的子波來制作新測井的合成記錄，反復進行調(diào)整，最終得到比較精確的反演子波(波形、相位穩(wěn)定，與地震資料振幅相關性好)和高精度的合成地震記錄，標定好各反射波的地質(zhì)層位[6]。如圖2所示，從左至右依次為地震子波、井旁道數(shù)據(jù)、合成記錄與標定的測井曲線。

3 斷層模型約束反演

圖3是一條解釋好層位與斷層的二維連井測線剖面，斷層分布密集，正逆斷層交錯，切割關系復雜(尤其左部)。對該剖面進行斷層約束反演，識別煤層及橫向變化趨勢。

3.1 建模

將地震解釋的層位與斷層文件進行檢查，不合理的部分進行修正。雖然測井曲線垂向分辨率較高，但因測距較大，很難在橫向上準確反映地質(zhì)層位關系。因此在目的層段依照測井曲線的變化趨勢合理增加一些約束層位來加以控制，其反演結果會更接近實際[7]。將層位、斷層文件作為輸入，再選取標定好層位的測井曲線，反復進行試驗，建立一個合理的地層描述表。在考慮斷層的情況下，可以加上虛擬的頂層(top)與底層(bot)來界定深度范圍。確定各層位與斷層、斷層與斷層之間的交切關系，尤其在斷層分布復雜的區(qū)域要精細分析處理，使上、下盤的切割關系符合實際[8-9]。編制地層描述表時，由下到上依次選擇，先是斷層下盤， 然后是斷層本身，最后是斷層上盤。以此關系類推，直至全部的反演斷層與層位等都加載完畢。再選擇合適的插值算法進行插值，并指定層位與斷層的空間趨勢面，引導未解釋部分依據(jù)趨勢面內(nèi)插或者外推。圖4為本測區(qū)的地質(zhì)構造框架模型。

圖2 反演子波與合成地震記錄Figure 2 Inversion wavelet and synthetic seismogram

圖3 測區(qū)某二維測線地震時間剖面Figure 3 A 2D line seismic time section in prospecting area

圖4 斷層約束的構造框架圖Figure 4 Fault constrained structural framework

圖5 無斷層約束的構造框架圖Figure 5 Structural framework without fault constrained

圖6 低頻阻抗體剖面Figure 6 Low frequency impedance body section

圖7 波阻抗反演剖面Figure 7 Field impedance inversion section

一般反演處理建模時只利用層位，不考慮斷層。在此復雜斷層發(fā)育地區(qū)，尤其有逆斷層存在的情況下，若不考慮斷層約束，如圖5所示，斷層f-np、F25、BF35、F51、F120、DF16、DF17位置及周邊層位會出現(xiàn)彎折錯亂，建模結果極不準確。所以利用斷層模型建模對于反映復雜斷層地區(qū)的真實地質(zhì)情況很有必要。

提取的低頻阻抗體如圖6，由此可以看出，利用內(nèi)插得到的測井曲線數(shù)據(jù)體其空間分布較為合理，符合地質(zhì)沉積規(guī)律。

3.2 反演參數(shù)控制

約束稀疏脈沖反演算法上遵循以下原則：

min(∑ri+λ×(di-si))

(3)

其中，ri為反射系數(shù)，di為地震數(shù)據(jù)，si為合成記錄數(shù)據(jù)，di-si為殘差。λ是控制參數(shù)。λ小，則反射系數(shù)之和較小，稀疏性大，反演剖面細節(jié)弱，分辨率低，殘差大；λ大，則反射系數(shù)之和大，稀疏性差，細節(jié)強，分辨率高，地震殘差小。調(diào)整該參數(shù)，使得反演剖面既能保持細節(jié)又不損失低頻背景[10]。綜合分析質(zhì)量監(jiān)控圖中信噪比、波阻抗相關性、測井規(guī)范化標準偏差、稀疏脈沖數(shù)和擬合差五個指標隨控制參數(shù)的變化，選擇出適當?shù)?值開始反演，輸出生成的結果，即波阻抗反演數(shù)據(jù)體，如圖7。

3.3 效果分析

由圖5可見，煤層與斷層構造清楚直觀，正、逆斷層位置對應準確。各波阻抗值差異明顯，煤層為紅色低波阻抗帶，圍巖(砂巖等)較高。能清楚識別煤層在橫向上由厚漸薄、尖滅缺失等變化趨勢。與實際鉆井資料對比，其結果吻合較好。

4 結論

對于復雜斷層發(fā)育地區(qū)，利用斷層模型進行建模，并結合測井資料與精細質(zhì)量控制，進行斷層約束稀疏脈沖反演。其中，建立出精細的地質(zhì)構造模型對于斷層模型約束的地震反演至關重要。相較普通時間剖面，能更精確地解釋與識別煤層厚度并追蹤其橫向變化，實際應用效果顯著。

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CoalSeamLateralVariationPatternIdentificationthroughComplexFaultModelConstraintInversion

Deng Dangmin, Pei Gendi and Shan Rui

(Xi'an Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi'an, Shaanxi 710077)

If only using horizon information without considering impact from faults, the modeling in fault developed area, seismic constraint inversion will not achieve satisfactory results. During geological modeling, to use fault information establishes fault model and under its constraining carry out sparse-spike inversion can identify coal seam structures better. Taking a mine area's 2D seismic prospecting as an example, chosen a geological section with complicated fault relations, combined with well logging data, started from aspects of stratigraphic horizon confirmation, fault geological structure framework modeling, field impedance inversion fine quality control etc., acquired geological section of fault constrained sparse-spike inversion. The inversion result has shown that fault model constraint inversion can effectively differentiate coal seam lateral variation status of gradually thinning, pinch out even hiatus.

seismic inversion; fault model; sparse-spike inversion; geological structure framework model

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.15

1674-1803(2017)11-0077-05

A

鄧丹敏(1988—)，女，助理工程師，碩士，目前從事地震勘探資料解釋與反演工作。

2017-05-20

孫常長