波阻抗反演技術(shù)在煤層頂板巖性預(yù)測中的應(yīng)用

湯紅偉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

煤層頂板巖性是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，預(yù)測煤層頂板的巖性變化趨勢對煤礦的安全生產(chǎn)有重大意義。波阻抗反演技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于煤田地震勘探中，它將縱向分辨率較高的測井資料同橫向分辨率較高的地震資料結(jié)合，反演出富含地質(zhì)信息的波阻抗數(shù)據(jù)體，根據(jù)實(shí)際需要再對數(shù)據(jù)體進(jìn)行地質(zhì)成果解釋。這種方法不但能有效提高小構(gòu)造的地震勘探精度，而且對目的層的巖性解釋也具有重要作用。

1 研究區(qū)概況

袁大灘井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)東北部，井田內(nèi)地表全部被第四系松散沉積物覆蓋，為全新統(tǒng)風(fēng)積沙、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組。根據(jù)地質(zhì)填圖及鉆孔揭露，地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)，第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)及全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)。本區(qū)煤層發(fā)育，尤其以2號煤層厚度最大，2號煤層賦存于延安組第四段頂部，為井田內(nèi)最厚的主采煤層，埋深179.71～388.72 m，目的層埋深較淺。2號煤層頂部巖性的非均質(zhì)性非常強(qiáng)，北部的Y1-4井煤層頂板為中粒砂巖，厚度40 m左右，中部的Y2-4井和Y3-4井煤層頂板砂體泥質(zhì)成分較重，南部的Y4-4井煤層頂板為砂泥巖互層。

2 巖石物理分析

對比錄井資料與上述4口井的自然伽瑪、自然電位、密度及深側(cè)向電阻率曲線可知，煤層特征表現(xiàn)低自然伽瑪、低密度、相對高電阻率；純泥巖特征表現(xiàn)為電阻率低、低自然伽瑪、低密度；細(xì)、粉砂巖特征表現(xiàn)為高密度、高自然伽瑪、高電阻率；中粗粒砂巖特征表現(xiàn)為高密度、高自然伽瑪、高電阻率。

一般地，可利用縱波阻抗進(jìn)行巖性的彈性參數(shù)分析。袁大灘井田不同巖層的縱波阻抗直方圖如圖1所示。由圖1可知，煤層的阻抗最低，集中在2.5×106kg/m3×m/s，粉細(xì)砂巖的阻抗最高，為9×106kg/m3×m/s，中粗粒砂巖的阻抗居中，為7×106kg/m3×m/s。煤層、細(xì)粉砂巖和中粗粒砂巖存在明顯的縱波阻抗差異。

圖1 縱波阻抗直方圖

圖2 縱波阻抗與孔隙度交匯圖

利用密度曲線對該區(qū)煤層頂板巖性進(jìn)行孔隙度計算，獲得總孔隙度曲線。細(xì)粉砂巖由于含有較高的泥質(zhì)成分，孔隙度較低，為2%～10%，中粒砂巖孔隙度較高，達(dá)到10%～25%?？紫抖群涂v波阻抗的交匯圖如圖2所示。由圖2可以看出，兩者呈較為明顯的負(fù)相關(guān)性，高孔隙度對應(yīng)低縱波阻抗，低孔隙度對應(yīng)較高的縱波阻抗。

3 疊后地震反演

約束稀疏脈沖反演是基于稀疏脈沖反褶積的遞推反演方法，其基本假設(shè)是地層的強(qiáng)反射系數(shù)序列是稀疏的，即地層反射系數(shù)由一系列疊加于高斯背景上的強(qiáng)軸組成，首先對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反褶積運(yùn)算，獲得初始的反射稀疏序列，然后將原始地震和合成記錄進(jìn)行運(yùn)算，獲得殘差，然后利用殘差進(jìn)行反褶積運(yùn)算，獲得更加細(xì)微的反射系數(shù)序列，最后將前期的反射系數(shù)序列組合為最終的結(jié)果，如圖3所示。

3.1 精細(xì)的井震標(biāo)定

在地震反演及儲層橫向預(yù)測中，井震標(biāo)定是最基礎(chǔ)的工作。通過井震標(biāo)定，首先建立測井曲線的時深關(guān)系，同時利用測井曲線的反射系數(shù)序列和井旁道，可以提取更加準(zhǔn)確的地震子波。由圖3可以看出，合成記錄和地震資料的相關(guān)系數(shù)很高，無論是從時間對應(yīng)關(guān)系還是波形的相似程度，都表現(xiàn)出了比較好的吻合特征，表明所選的測井曲線無論是從基值來看還是不同巖性間的相對關(guān)系來看，都是較可靠的。

圖3 井震標(biāo)定與子波分析

3.2 建立低頻模型

地震數(shù)據(jù)的頻帶寬度有限，缺失了超高頻和低頻的信息。高頻信息的缺失影響薄層的識別，而缺失低頻信息則給厚層的分辨以及地震資料的定量解釋造成困難。約束稀疏脈沖反演能夠提高地震數(shù)據(jù)的帶寬，但是，如果沒有低頻模型進(jìn)行邊界約束，不能生成可信的絕對縱、橫波阻抗。低頻模型能夠提供的有用信息也很大程度上依賴于地震數(shù)據(jù)的有效低頻范圍。

通過數(shù)據(jù)分析可知，探測區(qū)地震數(shù)據(jù)中頻率低于10 Hz的信息基本缺失。因此構(gòu)建的低頻模型主要針對反演絕對波阻抗模型中頻率為0～10 Hz部分的信息。考慮到鄂爾多斯盆地整體沉積非常穩(wěn)定，為避免由于多井一致性問題導(dǎo)致的低頻誤差影響到反演結(jié)果的分辨率，選擇4口井來建立該區(qū)總體的低頻模型。具體過程如下：首先根據(jù)地震解釋層位，按照沉積規(guī)律對大層之間建立一些微細(xì)小層，然后在這個地層框架的約束下，利用一定的內(nèi)插方法進(jìn)行內(nèi)插和外推，建立一個平滑、閉合的低頻模型。用于后續(xù)反演所建立的低頻模型如圖4所示。

圖4 反演中使用的低頻趨勢模型圖

3.3 反演的參數(shù)控制

疏脈沖反演是對于每一個單道都進(jìn)行運(yùn)算，同時保證目標(biāo)函數(shù)最小為約束項。其目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

式中：Fcontrast——稀疏性函數(shù)；

Fseismic——和地震的匹配程度函數(shù)；

Ftrend——偏移低頻趨勢的范圍；

Fspatial——不同道之間的連續(xù)性約束函數(shù)。

在該目標(biāo)函數(shù)中，不同的分函數(shù)之間可能是矛盾的，例如當(dāng)要求Fcontrast最小的時候，往往反演結(jié)果的合成記錄和地震的殘差較大；當(dāng)殘差較小，即Fseismic達(dá)到最小的時候，反演結(jié)果會引入過多的噪音成分,造成Fcontrast較大。因此，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的意義在于，通過參數(shù)組合測試，獲得能夠平衡各個分目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)，最終使得最終目標(biāo)函數(shù)最小。

4 反演結(jié)果質(zhì)控與地質(zhì)成果解釋

4.1 反演結(jié)果質(zhì)控

反演結(jié)果的質(zhì)量控制主要通過正演的合成記錄和測井曲線來檢驗，合成記錄與地震疊合顯示圖如圖5所示，圖中紅色曲線為合成記錄，黑色曲線為地震數(shù)據(jù)。通過反演的波阻抗數(shù)據(jù)體的正演合成記錄和原始的地震道對比可以確定反演的效果。由圖5可以看出，兩者吻合性較好，說明反演結(jié)果遵從于地震數(shù)據(jù)。

對比反演結(jié)果與實(shí)際測井曲線的吻合程度也可確定反演的效果。反演的縱波阻抗與測井縱波阻抗疊合顯示如圖6所示，圖中紅色曲線為反演結(jié)果，藍(lán)色曲線為測井?dāng)?shù)據(jù)。由圖6可以看出，反演結(jié)果和實(shí)際測井?dāng)?shù)據(jù)具有較好一致性，表現(xiàn)出較強(qiáng)的預(yù)測性。

圖5 合成記錄與地震疊合顯示圖

圖6 反演的縱波阻抗與測井縱波阻抗疊合顯示

4.2 地質(zhì)成果解釋

對反演的波阻抗結(jié)果進(jìn)行分析，煤層上覆巖性為高阻抗，則表現(xiàn)為低孔隙的泥質(zhì)較重的細(xì)粉砂巖，阻抗稍低的為孔隙較高的中粒砂巖?？v波阻抗和地震疊合剖面圖如圖7所示。由圖7可以看出，1號井處(左側(cè))為較厚的低阻抗中粒砂巖，地震響應(yīng)為較弱的兩個波峰，2號井(右側(cè))處為高阻抗的致密含泥砂巖，地震響應(yīng)為較強(qiáng)的波峰特征。地震特征和反演特征及井上巖性三者相吻合，也說明反演結(jié)果具有可靠的預(yù)測性。

縱波阻抗平面圖如圖8所示。由圖8可以看出，北部(上部)的阻抗值最低，在2號井(中上部)位置的阻抗值最高，南部兩口井的阻抗值居中，和北部的大套中粒砂巖、2號井的致密泥質(zhì)砂巖以及南部的砂泥巖互層相吻合。同時北部的砂體分布呈河道狀分布。

圖7 縱波阻抗和地震疊合剖面圖

圖8 縱波阻抗值平面圖

在縱波阻抗的基礎(chǔ)上，利用縱波阻抗和孔隙度的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行換算，得到孔隙度數(shù)據(jù)?？紫抖绕矫鎴D如圖9所示。由圖9可以看出，北部的高孔中粒砂巖分布范圍從西北(左上)到東南(右下)展布。含泥低孔的砂巖分布較為集中在中部，南部(下方)孔隙度居中為砂泥巖互層分布。

圖9 孔隙度平面圖

5 結(jié)語

此次研究中應(yīng)用的地震數(shù)據(jù)相對保幅性強(qiáng)，這是能夠進(jìn)行地震預(yù)測的關(guān)鍵。同時，前期的巖石物理可行性分析認(rèn)為縱波阻抗是對研究區(qū)煤層頂板巖性響應(yīng)敏感的屬性，因此，利用波阻抗進(jìn)行煤層頂板巖性分析是有著堅實(shí)的巖石物理基礎(chǔ)的。然后，利用稀疏脈沖反演方法對關(guān)鍵的影響因素進(jìn)行了細(xì)致的質(zhì)控分析，如子波提取、井震標(biāo)定和目標(biāo)函數(shù)參數(shù)分析等。獲得的縱波阻抗數(shù)據(jù)和地震以及井上數(shù)據(jù)具有很好的一致性，奠定了數(shù)據(jù)的預(yù)測性的基礎(chǔ)，最終的分析結(jié)果具有很好的應(yīng)用前景。該研究方法在后續(xù)的煤層頂板的巖性識別中具有一定的借鑒意義。