約束稀疏脈沖反演在煤層厚度預測中的應用

汪玉玲,解建建,劉 戀,袁興賦

(安徽省勘查技術(shù)院(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局能源勘查中心),安徽 合肥 230031)

高精度預測煤層厚度空間變化趨勢對煤礦高效開采與安全生產(chǎn)意義重大[1-5]。使用鉆孔內(nèi)插的方法預測煤層厚度時,無法保障遠離鉆孔處的測量精確度;受信噪比和地震數(shù)據(jù)真實性影響較大的傳統(tǒng)地震波屬性法在預測煤層厚度方面存在較大的多解性[6],其只能預測煤層厚度的橫向改變趨勢,無法得出較精準的預測結(jié)果[7]。采用測井約束稀疏脈沖反演技術(shù)預測煤層厚度,結(jié)合測井數(shù)據(jù)縱向高分辨率和地震數(shù)據(jù)橫向高密度的采樣性[8],能夠提高預測煤層厚度的準確性,從而得到更詳細的煤層厚度分布情況,具有推廣潛力。

研究區(qū)為山西沁水盆地煤層氣田某區(qū)塊,位于盆地東南部,總體為走向近北東,傾向北西的單斜構(gòu)造,地層傾角一般小于4°。區(qū)內(nèi)構(gòu)造南北部差異較大,西北部斷層較為發(fā)育,且斷距較大,褶曲幅度一般大于100 m,褶曲軸線走向NNW,東南部斷層發(fā)育較少,且斷距小,褶曲幅度一般小于75 m,樞紐向西北傾伏。西部有寺頭斷裂帶自南向北貫穿全區(qū),斷層以西為一斷陷帶,受此斷層控制,兩側(cè)次生斷層較為發(fā)育;斷層以單斷點小斷層為主;東部地層平緩,斷層稀少,斷層走向呈NNE,少數(shù)呈NEE。太原組15煤和山西組3煤為主采煤層,頂?shù)装逡陨皫r、砂質(zhì)頁巖及泥巖組成[7]。區(qū)內(nèi)所有鉆井都進行了地球物理測井,含聲波、密度曲線。

根據(jù)測井約束稀疏脈沖反演基本原理和預測煤層厚度的目的,建立流程如圖1所示。運用測井約束稀疏脈沖反演技術(shù),通過融合測井曲線縱向高分辨率、地震數(shù)據(jù)橫向高密集性這兩個優(yōu)勢,以期彌補地震數(shù)據(jù)缺失的低頻部分和大的反射界面間的微層細節(jié)[9],用于精確預測煤層厚度變化趨勢[10]。

圖1 反演流程圖Fig.1 Flow chart of inversion

1 約束稀疏脈沖反演基本原理

稀疏脈沖反演算法是以Robinson褶積模型為基礎(chǔ)的單道模型約束反演方法,假設(shè)地層的反射系數(shù)序列是稀疏分布的,反演的目的是使以下目標函數(shù)最小化。

E=∑(rj)p+λq∑(dj-sj)q+α2∑(tj-zj)2+β2∑(zj-zj+1)2.

(1)

目標函數(shù)第一項中p一般情況下取值為1,比1越小,反射系數(shù)越稀疏,可以豐富反演結(jié)果的頻率成分[11],但會丟掉某些細節(jié)信息。目標函數(shù)第二項使合成地震記錄與原始地震記錄之間殘差減小,q一般情況下取值為2,在目標層段地震數(shù)據(jù)信噪比較高的情況下,q也可以取值小于2。另外,q的作用還受權(quán)重λ影響,λ取值越大q的作用越小。目標函數(shù)中第三項是補充地震數(shù)據(jù)中缺失的低頻信息,起到壓制中頻及高頻信息的作用,所以α的取值不能太大。目標函數(shù)中第四項,為了保證相鄰地震道之間波阻抗的連續(xù)性,該項可以應用在資料信噪比低的情況,達到去噪的目的,該項中權(quán)重β取值不能太大。

在迭代計算過程中,首先用較少的脈沖數(shù)進行試驗,得到一個初始模型,通過不斷修改模型,讓目標函數(shù)越來越小。持續(xù)增加脈沖數(shù)量并重復迭代,直至反演波阻抗模型無法再顯著優(yōu)化,此時終止迭代,即可得到反演結(jié)果[12]。

2 反演流程及實例

2.1 原始資料歸一化處理

原始資料歸一化處理是做好約束反演和煤厚預測的前提條件,主要為區(qū)內(nèi)地震資料、測井資料的歸一化處理。

2.1.1地震資料歸一化處理

地震數(shù)據(jù)歸一化處理和地震資料重處理。首先通過頻譜分析法來歸一化反射波的振幅、頻帶寬度和相位;其次,根據(jù)測井數(shù)據(jù)深度采樣率對地震數(shù)據(jù)重采樣,一般測井0.25 m采樣率對應地震時間0.25 ms的采樣率。二維地震資料還需消除交點相位閉合差等,保證全區(qū)地震資料特征一致性最大化。

2.1.2測井資料的歸一化處理

由于測井設(shè)備、測井系列、測井時間及刻度等因素的影響[13],即便在完成編輯與環(huán)境矯正后,表示同一套地層單元的測井曲線仍可能存在差異。這種差異的消除步驟和過程,一般被稱為“標準化”或“歸一化”。測井數(shù)據(jù)歸一化是測井約束地震反演技術(shù)中關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作,是精確計算煤層厚度必不可少的步驟,在進行測井約束波阻抗反演處理時,是確保高品質(zhì)反演結(jié)果的關(guān)鍵。由于沉積環(huán)境的相似性,同一標準層段在不同的鉆井位置應展示出一致的地質(zhì)測井響應特征,應具有相同、相近或呈規(guī)律性變化的趨勢。采用標準層段趨勢分析法,確定一個低頻的標準趨勢線[14],用其替代剩余鉆井曲線的低頻趨勢,在保留各測井曲線細節(jié)的前提下,實現(xiàn)測井曲線歸一化。圖2(a)中黑線為設(shè)定的標準低頻趨勢線,綠線為波阻抗曲線,圖2(b)為歸一化后的全區(qū)聲波測井曲線疊合圖,曲線低頻趨勢統(tǒng)一,煤層段和高速層幅值一致性較好。

圖2 測井曲線歸一化Fig.2 Logging curve normalization

2.2 合成地震記錄

2.2.1層位標定

層位標定是關(guān)聯(lián)地震和測井的紐帶,標定結(jié)果決定了層位解釋及反演效果的準確性,主要包括兩點:一是標準層的標定,標定結(jié)果對建立準確的反演模型框架起決定性作用;二是巖性體、微層的標定,其直接影響反演細節(jié)的可靠程度。在進行合成地震記錄極性層位標定過程中,子波提取和極性判斷非常重要。目前常用的標定方式主要包括:平均速度曲線法(時深轉(zhuǎn)換尺)、垂直地震剖面法(VSP)以及合成地震記錄擬合標定法[15]。

在此采用平均速度曲線法(時深轉(zhuǎn)換尺)。先利用速度分析所取得的平均速度進行初始標定,再根據(jù)合成記錄與井旁地震記錄的波形特征進行對比,適當進行移動、拉伸、壓縮,找到目標層和地震波的對應關(guān)系,完成層位標定。如圖3所示,煤層段在聲波測井曲線中特征顯著,表現(xiàn)為低頻高值,與圍巖差異大,在合成地震記錄中表現(xiàn)為單軌強軸,與地震記錄匹配度高。T6反射波標定為3煤底板與圍巖界面,T8反射波標定為15煤底板與圍巖界面。受3煤的屏蔽作用影響,地震記錄上15煤振幅較弱,合成記錄道未受此影響,表現(xiàn)為單軌強軸。

圖3 層位標定Fig.3 Horizon calibration

2.2.2子波提取

提取地震子波對測井約束反演至關(guān)重要,現(xiàn)階段有兩種主流的子波提取技術(shù)。

1)根據(jù)測井數(shù)據(jù)和井旁地震道用最小二乘法提取子波,這是一種理論上能夠得到準確結(jié)果的方法,但是測井誤差和地震噪聲對該方法影響較大,聲波測井誤差可導致子波振幅形態(tài)和相位譜畸變扭曲。另外,該方法對估算時窗長度較敏感,導致子波估算穩(wěn)定性不足[13]。

2)計算空變和時變子波。每個地震子波都因其震源深度和位置不同而變化:縱向上,即時間變化方向,隨著深度增加,聲波能量衰減會導致地震記錄振幅逐步衰減;橫向上,即空間變化方向,地震數(shù)據(jù)處理過程也有出現(xiàn)各道間振幅變化的可能[14]。因此,在反演過程中,可以提取一個在縱橫方向上振幅變化的子波。在現(xiàn)有地震數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,設(shè)定子波頻率范圍,指定時間窗口大小和位移大小,設(shè)定Q值為常數(shù),計算子波縱橫方向變化的子波比例因子與Q值,全區(qū)每個地震道都得到一個反演子波。圖4是時變空變子波褶積得到的地震記錄,可以看出,15煤的反射波能量增強至與3煤一致。

圖4 時變空變子波褶積地震記錄Fig.4 Seismic records of time-varying and space-varying wavelet convolution

2.3 建立精確的地質(zhì)模型

為了最大程度降低反演成果的多解性,需要進行精確的地質(zhì)建模,作為測井約束條件參與反演[16]。地震數(shù)據(jù)記錄地層在全區(qū)范圍內(nèi)的變化情況,在建模過程中,地震資料解釋的層位作為波阻抗界面起控制作用,加密解釋層位可以提高模型水平方向上的精度,加密地震數(shù)據(jù)的采樣率可以提高模型垂直方向上的精度,反演出煤層的交叉合并、局部變薄等細節(jié)[17]。

在地震解釋層位的基礎(chǔ)上建立初始模型框架,地震解釋層位越密集,初始模型在水平方向上的精度越高,在層位解釋時,應充分運用聯(lián)井線、主測線、聯(lián)絡(luò)測線、時間切片以及邊緣檢測屬性等多種信息,借助三維可視化等研究方法,全面分析研究區(qū)的區(qū)域構(gòu)造樣式、沉積環(huán)境等,詳盡研究反射界面的起伏形態(tài)、地層是否有沉積中斷、地層厚度變化趨勢、斷裂分布等,詳查地質(zhì)層位與斷層解釋是否合理,交點閉合、斷點組合及地層接觸關(guān)系與研究區(qū)地質(zhì)情況是否相符。

在建立初始模型前,需要先建立構(gòu)造框架模型,圖5是以標準反射層T6、T8波解釋的斷層面及以反演數(shù)據(jù)的頂?shù)诪榛A(chǔ)建立的初始模型框架,框架的產(chǎn)狀受控于地震解釋的層位和斷層[18]。

在模型框架的基礎(chǔ)上建立精細模型,模型縱向內(nèi)插主要采用與頂面平行、與底面平行及等間距內(nèi)插3種方式。模型橫向則采用多井內(nèi)插方法,將測井數(shù)據(jù)的高頻信息順著解釋界面外推至全區(qū),完成初始波阻抗模型的建立[19]?？晒┻x擇的內(nèi)插方法有:反距離加權(quán)、局部加權(quán)、三角加權(quán)、局部和三角加權(quán)、自然相鄰法[20],以上方法適用條件不一樣,處理局部加權(quán)的方式也不同,需要根據(jù)鉆孔的疏密程度和地層的地質(zhì)特點選用不同的試驗方法,以選出最適宜的內(nèi)插方法。根據(jù)試驗結(jié)果,縱向選用等距離內(nèi)插,橫向選用反距離加權(quán)內(nèi)插,鑒于研究區(qū)目標層煤巖段沉積環(huán)境較為穩(wěn)定,井位分布稀疏且不均勻,以上方法最適合。圖6為初始波阻抗模型,在圖5的基礎(chǔ)上加入了測井信息。

圖5 模型框架剖面Fig.5 Section of model framework

圖6 初始波阻抗模型Fig.6 Initial wave impedance model

2.4 反演處理

1)反演方法的確定。不同的反演方法都有其優(yōu)缺點,方法選擇要視地震資料品質(zhì)、測井資料質(zhì)量、井孔數(shù)、井孔分布疏密程度以及地質(zhì)任務(wù)要求而定,目的是在保證反演結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上,盡可能提高反演結(jié)果的分辨率。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)情況和基礎(chǔ)資料特點,選用測井約束稀疏脈沖反演方法。

2)反演參數(shù)測試。首先,隨機選取數(shù)條剖面進行參數(shù)測試,篩選出較合適的參數(shù)。然后,將選出的參數(shù)應用于全區(qū)測試,直到選出全區(qū)資料的最優(yōu)反演參數(shù)。最后,測試結(jié)果用于全區(qū)資料反演處理。

3)批量處理。地震反演是反復的、不斷優(yōu)化的過程,每次的反演結(jié)果必須與已知資料進行比較,不符合地質(zhì)規(guī)律與已知資料的部分需進一步分析研究并調(diào)整,不斷迭代,直至反演結(jié)果最大程度符合已知資料。

2.5 反演效果分析

通過分析合成地震剖面與原始地震剖面的相似性來評估反演效果。兩者殘差無限接近于0則反演結(jié)果最理想,殘差大則進行修正,直至達到符合已知地質(zhì)情況的效果。圖7為最終波阻抗剖面,藍色冷色為高阻抗值表現(xiàn)的圍巖,黃紅亮色為低阻抗值表現(xiàn)的煤層,煤層連續(xù)且有厚薄變化。圖8為鉆孔HX8-8位置局部放大后,波阻抗數(shù)據(jù)與地震記錄的疊合,可以看出,煤層頂?shù)装迮c測井曲線吻合,反演的煤層變化與地震記錄振幅強弱變化一致。

圖7 反演波阻抗剖面Fig.7 Inversion wave impedance section

圖8 波阻抗與地震記錄對比剖面Fig.8 Comparison between wave impedance and seismic records

最后,可以對波阻抗數(shù)據(jù)體的色彩進行調(diào)整,更好地進行煤層的追蹤和屬性提取,完成對煤層進一步的精細解釋,在初步解釋之后,可依據(jù)新的測井、地質(zhì)資料,重復處理,直到取得理想效果。

2.6 煤層厚度計算

常規(guī)的地震反演技術(shù)預測煤層厚度的方法,是在波阻抗數(shù)據(jù)體上解釋出煤層頂?shù)装?計算出底板與頂板的時差,結(jié)合煤層層速度計算得到煤層厚度。本項目采用創(chuàng)新的計算手段,通過統(tǒng)計煤層頂?shù)捉缑娴牟ㄗ杩古R界值,將反演波阻抗數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換成煤巖巖性數(shù)據(jù)體從而求得每一道煤巖的樣點數(shù),結(jié)合煤層層速度轉(zhuǎn)換得到煤層厚度。

1)求取煤層頂?shù)装宓牟ㄗ杩古R界值。反演剖面通過低頻趨勢合并,加入了地震資料沒有的0～10 Hz的低頻成分。通過對反演數(shù)據(jù)體調(diào)整色標顯示,將波阻抗剖面上的煤厚和測井曲線反映的煤厚對應起來,以確定反演數(shù)據(jù)體上煤層頂?shù)捉缑娴牟ㄗ杩古R界值,記為B。根據(jù)統(tǒng)計確定B=9.98×106kg/m2/s。

2)將反演波阻抗數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換為煤巖數(shù)據(jù)體并計算每道煤巖樣點數(shù)S。將波阻抗值大于B的部分設(shè)定為0,如高阻的灰?guī)r、砂巖及泥巖等;波阻抗值小于B的部分設(shè)定為1,如煤巖等低阻抗巖層,將波阻抗數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換成煤巖數(shù)據(jù)體以供后續(xù)計算煤巖樣點數(shù)。如圖9所示,黑色部分代表取值為1的煤巖層,棕色部分代表圍巖。以3煤為例計算煤巖樣點數(shù),已知區(qū)內(nèi)煤厚不超過15 m,T6波t0值為底板雙程旅行時,將T6波分別上移15 ms、下移5 ms作為求取樣點數(shù)的限定時窗,能涵蓋全區(qū)3煤所在的時間域。在所求時窗內(nèi)對煤巖數(shù)據(jù)逐道求和,得出每一道樣點數(shù)記為S。

圖9 煤巖剖面Fig.9 Section of coal rock

3)煤層層速度統(tǒng)計。利用聲波測井資料,對全區(qū)煤層的層速度進行統(tǒng)計分析,取平均值為煤層層速度v=2 500 m/s。

4)煤層厚度計算。得到煤層每道煤厚樣點數(shù)S后,與資料采樣率x相乘,得到煤層的時間范圍S×x,再與層速度v/2相乘,得到煤層厚度值d,計算公式如下:

d=S×x×v/2.

(2)

將每道所得到的煤層厚度展點于平面上,形成最終煤層厚度圖,如圖10所示。從圖10中可以看出,反演結(jié)果能夠精細反映煤層厚度變化,整體上呈向南變薄趨勢,局部位置出現(xiàn)變薄帶,推測和沉積環(huán)境相關(guān)。

圖10 預測煤厚分布圖Fig.10 Distribution of coal seam thickness

3 討論

通過對測井約束稀疏脈沖反演預測的煤層厚度數(shù)據(jù)和鉆孔內(nèi)插法預測的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和對比分析(表1)可以看出,測井約束稀疏脈沖反演預測煤層厚度誤差小于4.05%,內(nèi)插法預測煤層厚度F66井誤差高達-10.14%。反演預測誤差平均1.06%,鉆孔內(nèi)插法誤差平均-2.36%,誤差率提高了1.3%。結(jié)果表明,在沉積環(huán)境穩(wěn)定和鉆井分布均勻密集的情況下,兩種方法預測煤層厚度誤差區(qū)別不大,而在沉積環(huán)境變化快且鉆井稀疏的地區(qū)反演預測法可以提高煤層厚度預測的精度和細致程度。

表1 預測效果對比表Table 1 Comparison of prediction effects

4 結(jié)論

1)采用標準層段趨勢分析法進行全區(qū)鉆孔測井數(shù)據(jù)的歸一化處理,在保留了各礦井測井曲線細節(jié)的條件下,實現(xiàn)了相同沉積時間段內(nèi)同一沉積單元內(nèi)反演成果面貌的一致性。

2)提取時變空變子波,使15煤的反射能量得到顯著提高,改善了3煤屏蔽作用的不良影響,提高了反演結(jié)果縱橫向的精細程度。

3)在波阻抗數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)換煤巖數(shù)據(jù)體過程中,有部分非煤巖層波阻抗值在臨界值以下,被誤轉(zhuǎn)換成煤巖,是本次研究未能解決的問題。因此,在計算煤巖樣點數(shù)過程中時窗的設(shè)置需謹慎。

4)采用煤層頂?shù)捉绮ㄗ杩古R界值統(tǒng)計算法,確定煤層頂?shù)捉绮ㄗ杩古R界值,利用門檻值將反演波阻抗剖面轉(zhuǎn)換成煤巖剖面,計算煤巖層的樣點數(shù),乘以采樣率和層速度求取煤儲層厚度,實現(xiàn)了煤層厚度描述的自動化處理,大大提高了煤層厚度的解釋精度,具有推廣應用價值。