砂巖型鈾礦波阻抗反演砂體識(shí)別技術(shù)研究

李子偉，吳曲波，曹成寅

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

砂巖型鈾礦波阻抗反演砂體識(shí)別技術(shù)研究

李子偉，吳曲波，曹成寅

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

近些年，核工業(yè)地質(zhì)系統(tǒng)在砂巖型鈾礦勘查中開(kāi)展了大量的淺層地震勘探工作，在解決地層、構(gòu)造等問(wèn)題上取得了顯著成效，在砂體識(shí)別方面也開(kāi)展了一定的研究工作，以探索識(shí)別砂體的有效方法。筆者將波阻抗反演技術(shù)引入到砂巖型鈾礦地震勘查當(dāng)中，結(jié)合地震數(shù)據(jù)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，在伊犁盆地開(kāi)展了基于模型的波阻抗反演實(shí)際應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)的巖性識(shí)別，巖性的識(shí)別厚度達(dá)到10 m以上。

砂巖型鈾礦；波阻抗反演；砂體識(shí)別

砂巖型鈾礦勘探實(shí)踐表明，查明地層展布、構(gòu)造和砂體分布規(guī)律對(duì)于砂巖型鈾礦的研究具有重要意義［1］。以往，地震勘探方法應(yīng)用于砂巖型鈾礦勘探，主要目的在于查明研究區(qū)的地層展布以及構(gòu)造特征，取得了明顯的地質(zhì)效果［2］。同時(shí)，在砂體識(shí)別方面也進(jìn)行了初步的探索性研究［3］，但仍缺乏實(shí)用有效的砂體識(shí)別方法。本文簡(jiǎn)要介紹了波阻抗反演的基本原理和方法分類，并對(duì)比分析了不同波阻抗反演方法的反演效果，結(jié)合已有的地震和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，利用基于模型的波阻抗反演方法，將地震時(shí)間剖面轉(zhuǎn)化為更為直觀的巖性剖面，在剖面和平面上直觀有效地勾畫出了目的層砂體展布特征，并在伊犁盆地進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用研究。

1 波阻抗反演原理

地震反演通常指波阻抗反演，是一門集地震、測(cè)井、地質(zhì)、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的綜合地球物理勘探技術(shù)，其是利用地表觀測(cè)的地震數(shù)據(jù)，以已知地質(zhì)規(guī)律和鉆井、測(cè)井資料為約束，對(duì)地下巖層空間結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)進(jìn)行成像的過(guò)程，是反演地層波阻抗的特殊地震處理解釋技術(shù)［4］。

地震波阻抗反演基于褶積模型［5］，基本原理如圖1所示。

圖1A表示一個(gè)3層理論模型，不同巖層具有不同的速度和密度值；速度和密度的乘積為波阻抗，該模型的波阻抗如B所示。

不同巖層之間波阻抗存在差異，就能產(chǎn)生反射波，且界面的反射系數(shù)與地層的阻抗相關(guān)，當(dāng)?shù)卣鸩◤牡趈層垂直入射到第j＋1層時(shí)，第j層底界面的反射系數(shù)r（j）表示為：

式中： ρ（j）—第 j層的密度； V（j）—第 j層的速度； ρ（j＋1）—第j＋1 層的密度； V（j＋1）—第j＋1層的速度。

圖1中C即為根據(jù)B推出的反射系數(shù)，地震子波和反射系數(shù)進(jìn)行褶積運(yùn)算，即可得到D所示的地震道記錄T（i）：

式中：r（j）—時(shí)間序列表示的零偏移距時(shí)的地下反射系數(shù)；W （i）—地震子波，假設(shè)為不變； n（i）—噪聲。

由A到D的過(guò)程即為正演。

反之，從D到A的過(guò)程為反演，即已知地震道記錄T（i），根據(jù)測(cè)井和地震數(shù)據(jù)估算地震子波，用子波與地震道進(jìn)行反褶積運(yùn)算，從而得到反射系數(shù)。然后根據(jù)（1）式推導(dǎo)出波阻抗的遞推公式：

據(jù)此即可計(jì)算出每一層的波阻抗值，從而實(shí)現(xiàn)地震剖面向巖性剖面的轉(zhuǎn)換。

2 不同反演方法效果對(duì)比

波阻抗反演的方法主要有帶限反演、顏色反演、稀疏脈沖反演和基于模型反演等，在實(shí)際反演過(guò)程中，需要綜合考慮地震、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和反演需求，從而選擇合適的反演方法［6-9］。砂巖型鈾礦勘探的目的層較淺，且主要解決砂體識(shí)別的問(wèn)題，因此針對(duì)實(shí)際的需求，利用不同反演方法，對(duì)伊犁盆地南緣二維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，對(duì)比分析不同反演方法的反演效果。

選取伊犁盆地南緣一條EW向測(cè)線的地震數(shù)據(jù)（圖2），該測(cè)線上已施工了兩口井，分別為513-35723井（CDP 1493處）和513-38127井（CDP 1612處），利用上述4種反演方法，對(duì)該地震數(shù)據(jù)進(jìn)行波阻抗反演，反演結(jié)果如圖3所示。

圖1 地震波阻抗反演原理圖Fig.1 The schematics of seismic impedance inversion

圖3A為帶限反演結(jié)果，帶限反演是最簡(jiǎn)單也是最早出現(xiàn)的反演算法，是一種常規(guī)的遞推算法，基于反射系數(shù)遞推計(jì)算地層波阻抗，其關(guān)鍵在于從地震記錄估算地層反射系數(shù)，得到能與已知鉆井最佳吻合的波阻抗信息。在反演過(guò)程中基于地震數(shù)據(jù)，測(cè)井資料主要起到標(biāo)定和質(zhì)量控制的作用，不直接參與反演計(jì)算。通過(guò)反演結(jié)果可以看出，波阻抗值基本上能反映地層在縱向上的變化特征，具有較好的縱向分辨率，但受限于地震頻帶寬度，不能滿足薄層識(shí)別的需求。

圖2 伊梨盆地南緣某地震剖面Fig.2 The seismic profile in the south marginal region of Yili basin

圖3B為顏色反演結(jié)果，顏色反演又稱為有色反演，由常規(guī)遞推反演算法改進(jìn)而來(lái)，是一種對(duì)鉆井的依賴程度比較小的頻率域測(cè)井約束波阻抗反演，其技術(shù)核心是用地震的頻譜和井的波阻抗的頻譜相匹配來(lái)完成反演。通過(guò)反演結(jié)果可以看出，波阻抗值從縱向上來(lái)看非高即低，不同地層間的波阻抗值無(wú)過(guò)渡，說(shuō)明該方法在縱向上分辨率較低。

圖3 不同反演方法反演效果對(duì)比圖Fig.3 Results comparison of different inversion methods

圖3C為稀疏脈沖反演結(jié)果，該方法是基于脈沖反褶積基礎(chǔ)上的遞推反演方法，其基本假設(shè)是地層的強(qiáng)反射系數(shù)是稀疏分布的，首先從地震道中根據(jù)稀疏的原則提取反射系數(shù)，與子波褶積后生成合成地震記錄，然后利用合成地震記錄與原始地震道殘差的大小修改參與褶積的反射系數(shù)個(gè)數(shù)，再作合成地震記錄，如此迭代，最終得到一個(gè)能最佳逼近原始地震道的反射系數(shù)序列，進(jìn)而遞推得到相對(duì)波阻抗值。通過(guò)反演結(jié)果可以看出，在縱向上具有較好的分辨率，但在橫向上連續(xù)性較差，主要體現(xiàn)在0～2 000 m的剖面上，反演結(jié)果的波阻抗值比較散亂，連續(xù)性較差。

圖3D為基于模型反演結(jié)果，該方法又稱為測(cè)井約束反演，其從地質(zhì)模型出發(fā)，采用模型優(yōu)選迭代擾動(dòng)算法，通過(guò)不斷修改更新地質(zhì)模型，使模型正演合成地震資料與實(shí)際地震數(shù)據(jù)最佳吻合，最終的模型數(shù)據(jù)便是反演結(jié)果。通過(guò)反演結(jié)果可以看出，波阻抗值在縱向上具有較好的分辨率，橫向上具有較好的連續(xù)性，由于反演過(guò)程中利用測(cè)井資料豐富的高頻信息和完整的低頻成分補(bǔ)充了地震有限帶寬的不足，因此有效提高縱向的分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)薄層砂體識(shí)別。

圖4 不同反演方法反演誤差Fig.4 The error of different inversion method

進(jìn)一步分析不同反演方法的反演誤差圖（圖4），圖中左半部分為反演結(jié)果波阻抗值曲線與測(cè)井波阻抗值曲線的對(duì)比，右半部分為反演結(jié)果正演地震記錄與實(shí)際地震記錄的對(duì)比。通過(guò)圖4可以看出，不同反演結(jié)果的正演地震記錄與實(shí)際地震記錄的吻合度均在97%以上，吻合較好，但波阻抗值曲線和測(cè)井曲線的波阻抗值存在一定誤差，對(duì)比分析不同反演結(jié)果的波阻抗擬合誤差，可以看到，基于模型反演的結(jié)果更接近實(shí)際波阻抗值，也說(shuō)明該地區(qū)利用基于模型反演方法，具有更好的反演效果。

3 實(shí)際應(yīng)用分析

新疆伊犁盆地的砂巖型鈾礦勘查工作研究程度較高，并取得了顯著的效果，基于該地區(qū)的地震數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)開(kāi)展了波阻抗反演的研究工作。

圖5 地震波阻抗反演流程圖Fig.5 The flowchart of seismic impedance inversion

波阻抗反演的流程如圖5所示，反演基于地震數(shù)據(jù)和測(cè)井的聲波、密度數(shù)據(jù)，首先要完成地震數(shù)據(jù)的處理和解釋，然后對(duì)測(cè)井聲波、密度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后基于地震數(shù)據(jù)和測(cè)井的聲波、密度數(shù)據(jù)，提取子波，建立合成地震記錄，對(duì)層位進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定，綜合地震信息和測(cè)井信息建立反演的初始模型，確定反演參數(shù)完成反演，得到波阻抗反演結(jié)果，最后依據(jù)測(cè)井的聲波、密度數(shù)據(jù)和錄井信息開(kāi)展巖石物理分析，將波阻抗剖面轉(zhuǎn)化為巖性剖面，最終實(shí)現(xiàn)巖性解釋。

按照波阻抗反演流程，基于地震數(shù)據(jù)處理解釋結(jié)果和測(cè)井的聲波、密度數(shù)據(jù)，對(duì)伊犁盆地南緣的二維地震數(shù)據(jù)開(kāi)展了波阻抗反演，圖6為EW向測(cè)線地震數(shù)據(jù)的波阻抗反演結(jié)果，圖中紫色表示高波阻抗，綠色表示低波阻抗，可以看出，反演結(jié)果顯示了不同地層的波阻抗差異和變化趨勢(shì)，并且在橫向上具有較好的連續(xù)性。

圖6 伊梨盆地南緣地震剖面測(cè)線波阻抗反演結(jié)果Fig.6 The result of impedance invertion of seismic profile in the south marginal region of Yili basin

為實(shí)現(xiàn)波阻抗剖面向巖性剖面的轉(zhuǎn)換，需要對(duì)研究區(qū)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行巖石物理分析，尋找出巖性和波阻抗之間的巖石物理關(guān)系。圖7為研究區(qū)兩口具有代表性測(cè)井的波阻抗曲線與巖性對(duì)比圖，其中，黑色巖性符號(hào)表示煤層，巖性符號(hào)的寬度表示粒度大小，即寬巖性符號(hào)代表砂體，窄巖性符號(hào)代表泥巖。圖7中測(cè)井波阻抗曲線的黑色區(qū)域?qū)?yīng)了巖性柱狀圖中的煤層，黃色區(qū)域?qū)?yīng)了巖性柱狀圖中的泥巖，可以看到，泥巖具有高波阻抗值，煤層具有低波阻抗值，而砂巖的波阻抗值則介于兩者之間，即煤、砂巖和泥巖對(duì)應(yīng)不同的波阻抗值范圍，因此通過(guò)確定不同巖性間的波阻抗閾值，根據(jù)該閾值，可以實(shí)現(xiàn)波阻抗剖面向巖性剖面的轉(zhuǎn)化。

圖7 測(cè)井波阻抗曲線和巖性的巖石物理關(guān)系分析圖Fig.7 The petro-physical relationship analysis chart of log impedance curve and lithology

圖8 伊犁盆地南緣13-DL2線巖性解釋結(jié)果Fig.8 The result of Lithology interpretation of Line 13-DL2 at the southern margin of Yili basin

圖8即為轉(zhuǎn)化得到的巖性推斷結(jié)果，圖中棕色表示泥巖，黃色表示砂巖，黑色表示煤層，相較于地震剖面，巖性推斷剖面可以清晰地看出各個(gè)地層的巖性變化特征，圖中剖面西段的井1和井2并未參與反演，用這兩口井驗(yàn)證巖性推斷結(jié)果，可知：鉆井處波阻抗反演巖性推斷結(jié)果基本符合巖性錄井結(jié)果，井1的M10煤層約10 m厚，在巖性推斷結(jié)果上有所顯示。井2中的約10 m厚度的泥巖，在巖性推斷結(jié)果上也有所顯示，處反演結(jié)果顯示。由于井3參與了反演，因此反演結(jié)果會(huì)更佳精細(xì)，比如井中的砂泥巖及煤層互層，厚度大約都在10 m甚至更薄，在巖性推斷結(jié)果上都有所顯示。在某些地段，巖性剖面上有所顯示的巖性層位在地震反演巖性解釋剖面上沒(méi)有體現(xiàn)，例如井2的M10煤層，在巖性連井剖面上存在，但在地震反演巖性解釋剖面上沒(méi)有體現(xiàn)，主要原因在于該處M10煤層小于5 m，且橫向連續(xù)性較差，所以受地震剖面分辨率的限制未能反演出來(lái)，在一些薄泥、薄砂以及砂泥薄互層的地方，地震反演巖性解釋剖面上也未能體現(xiàn)，說(shuō)明此次波阻抗反演的結(jié)果可以識(shí)別10 m厚度以上的巖性地層，對(duì)于厚度小于10 m且橫向不連續(xù)的地層，巖性推斷剖面上沒(méi)有體現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比研究地震波阻抗不同反演方法的反演效果得出，基于模型反演方法具有更好的反演效果，反演結(jié)果具有更好的縱向分辨率和橫向的連續(xù)性。在新疆伊犁盆地南緣的實(shí)際應(yīng)用效果表明，通過(guò)基于模型的波阻抗反演方法可以識(shí)別10 m厚度以上的泥巖、砂巖和煤層，可查明研究區(qū)的巖性分布特征，為鈾礦成礦地質(zhì)環(huán)境研究和遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

［1］陳祖伊，陳戴生，古抗衡.中國(guó)鈾礦床研究評(píng)價(jià)第三卷砂巖型鈾礦床（上冊(cè)）［M］.北京：中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，2013.

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Study on sandbed recognition technology using impedance inversion in sandstone type uranium deposit

LI Ziwei， WU Qubo，CAO Chengyin
（Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

In recent years， a lot of shallow seismic exploration work were carried out in sandstone type uranium deposit exploration by nuclear industry，and has achieved remarkable success in solving stratigraphy，structure and other issues.Some research on sandbed recognition was also carried out so as to find an effective method.This paper introduced the impedance inversion technology to the exploration of sand type uranium deposit，model-based impedance inversion combined with seismic and logging data in Yili basin with log data and seismic data， and has achieved lithology recognition，and the recognition thickness reaches 10 m.

sand type uranium deposit； impedance inversion； sandbed recognition

P631.4＋25；P619.14

A

1672-0636（2017）04-0222-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2017．04．006

國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目（編號(hào)：3210402）資助。

2017-06-21

李子偉（1986— ），男，河北石家莊人，工程師，主要從事砂巖型鈾礦地震勘探方面的研究工作。E-mail：liziwei9818@163.com