高密度三维地震勘探谱矩法反演煤厚技术

林建东，魏名地，孟凡彬

(1.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008)

高密度三维地震勘探谱矩法反演煤厚技术

林建东1，魏名地2，孟凡彬1

(1.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008)

结合研究区内地质资料，建立4个谱矩法反演煤层厚度的测试模型，模型参数分别为子波频率、煤层顶底板岩性、煤层夹矸及积分区间。不同模型的反演结果表明，地震子波主频大小、煤层顶底板岩性的差异、以及煤层中夹矸的变化基本上不影响谱矩法反演煤层厚度，但不同的积分区间对谱矩法反演煤厚影响较大。以子波主频50 Hz、积分区25～50Hz对研究区内8煤层的厚度进行谱矩法反演预测，结果显示，研究区西南部煤层厚度变化较大，最大厚度达14m；中西部煤层较厚，变化较缓；西北部煤层厚度较薄，一般小于2m。对比25个钻孔数据，三维地震数据谱矩法反演的8煤层厚度，有17个钻孔相对误差小于18%。

谱矩法；煤层厚度；正演模型；高密度三维地震

0 引言

几十年来，煤炭地质科技工作者致力于对煤层厚度变化的研究，但其研究成果受限于所获地质资料，仅能反映出煤层厚度变化的宏观趋势，其精度往往难以满足矿区安全高效生产的要求[1-3]。究其根本原因在于煤层赋存状态极为复杂，难于利用有限的地质资料精细分析采区中复杂的煤层厚度变化。常规采区三维地震受地震勘探方法的局限性，包括来自煤层反射波信号的频带宽度、分辨率及信噪比等因素影响，仅仅利用煤层反射波信息的运动学特征，很难对落差大于(1/4～1/8)λ的断裂构造进行解释。地震反演技术是综合运用地震、测井、地质等资料以揭示地下目标层(如煤层等)的空间几何形态(包括目标层厚度、顶底构造形态、延伸方向、延伸范围、尖灭位置等)和目标层微观特征。煤矿勘探区分布数量较多的钻孔与巷道资料，可以将纵向高分辨率的钻孔资料与横向稳定的高分辨率地震资料结合，预测煤层空间变化及分布[4-12]。

据此，本文以研究煤层厚度变化导致煤层反射波运动学、动力学特征变化的地震响应为切入点，利用谱矩法反演研究煤层厚度变化。根据多种地质模型试算，研究、分析谱矩法反演煤层厚度的主要影响因素。利用高密度三维地震勘探资料，基于钻井约束下定量预测研究区煤层厚度,变化规律，探索出一种利用三维地震信息精细判别煤层厚度变化的方法。

1 井约束谱矩法定量预测煤厚原理

煤层的构造或岩性变化主要反映在密度、速度及其它弹性参量的差异上。这些差异导致了地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面存在异常。当煤层厚度变化较大时，会引起介质的弹性物理力学性质的变化，这些变化表现在时间剖面上为反射与反射波组的振幅、相位和频率发生较大变化。通过建立地震属性与煤层厚度之间的统计关系，就可以直接利用地震属性参数来预测煤层厚度的变化。

煤层是典型的低速薄层，煤层反射波主要是煤层顶底板反射叠加的复合波，其波形具有入射地震子波的微分形式。在一定的条件下，煤层厚度近似正比于煤层反射波振幅谱积分与地震子波振幅谱一阶矩的比值。根据一定数量的钻井煤厚资料，标定其比例系数，便可直接从地震反射资料逐道定量估算煤层厚度。

在无限介质中有一低速煤层，如图1，设煤层厚度为H、纵波速度为ν、煤层的顶底板反射系数绝对值为R，τ为煤层时间厚度，那么纵波在煤层中双程传播时间为τ=2H/v。

图1 薄煤层模型示意图Figure 1 A schematic diagram of thin coal seam model

当震源脉冲bx,t(地震子波)入射到煤层时，则煤层反射波sx,t为

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

(1)

式中ht—煤层的脉冲响应。

对于薄煤层来说，在其一阶近似条件下，式(1)变为

(2)

对式(2)两边取傅氏变换、积分，得

(3)

那么式(3)变为

(4)

式(4)为谱矩法地震资料反演煤层厚度的基本公式。由于D为地震子波的谱一阶矩，故称此法为谱矩法。

地震子波bx,t的求取可依据理论估算、地震道自相关、同态系统估算等方法，系数C由钻孔附近地震道数据来标定。假设勘探区内有N个钻孔，第i个钻孔处煤层厚度为Hi，求该钻孔处煤层反射波频谱积分Ai，地震子波的一阶频谱Di，那么根据式(4)求得第i个钻孔处的标定系数Ci为

对于离钻孔较远处的标定系数由钻孔处的Ci(i=1,2,…,N)通过内插方法求得。

2 井约束谱矩法参数选择

从地震资料中预测煤层厚度是根据一个无限均匀高速介质中间夹有一煤层的简单模型而建立的。根据钻孔资料与地震解释的结果，依据研究区8煤层实际地质情况，给定模型参数如表1所示。其中，表中W1、W2分别代表顶、底板岩性；C代表煤层；b代表夹矸，本研究区夹矸主要是炭质泥岩。煤层设为构造煤，煤层厚度为0～20m，煤层中含夹矸时，煤层厚度不变，为20m，夹矸厚度为0～0.8m。

表1 模型物性参数

建立谱矩法参数测试模型如图2所示。该地质模型考虑多种因素，如子波频率不同、煤层顶底板岩性不对称、煤层中含有夹矸等参数对谱矩法反演的影响。

模型1(图2a)主要研究地震子波主频对与谱矩法反演的影响，分别选用主频为50、60、70、80Hz及90Hz的地震子波输入；模型2(图2b)主要研究积分区间对谱矩法反演煤厚的影响，选择的积分区间为25～50、25～75、25～100Hz以及50～100Hz；模型3(图2c)与模型1、模型2以相同的参数进行谱矩法反演，研究顶、底板岩性对谱矩法反演的影响；模型4(图2d)主要研究煤层中含夹矸时对谱矩法反演煤层厚度是否有影响。

图2 谱矩法反演地质模型Figure 2 Spectral moment inversion geological model

正演模拟采用声波波动方程法进行计算。采样间隔为0.5ms，体积元剖分大小为0.5m×0.5m，接收道距为5m，共201道。

2.1 子波主频对煤厚反演的影响

针对模型1使用相同的积分区间(25～50Hz)，地震子波的主频分别选取50、60、70、80Hz及90Hz，分析不同主频对谱矩法反演的影响，如图3所示。当子波主频不同时，谱矩法反演的煤厚曲线结果基本重合，子波主频的大小基本不影响谱矩法反演结

果。结合研究区地震主频大小， 本课题选用主频为50Hz的雷克子波进行谱矩法反演煤层厚度。

2.2 积分区间对煤厚反演的影响

以主频为50Hz模型2作为研究对象，分别选取25～50、25～75、25～100、50-100Hz的4个不同积分区间进行反演，结果如图4所示。由于积分区间不同，反演的结果存在明显差异。当煤厚较小(小于5m)时，不同积分区间相对误差较小。煤层厚度越大，积分区间的影响越明显，积分区间相对误差随着煤厚的增大而增大。积分区间向高频移动，差异也越大；随着煤厚增加，反演偏离线性的误差越大；当积分区间过大(25～100Hz、50～100Hz) 时，积分频率区间影响曲线规律出现偏差，不适合用来预测煤厚值。经验证，积分区间25～50Hz与25～75Hz均可用于谱矩法反演，而积分区间25～50Hz比积分区间25～75Hz的变化范围大，更适合来预测煤厚。因而本课题选用积分区间 25～50Hz进行谱矩法反演煤层厚度分析与研究。

图3 不同频率子波谱矩法反演图Figure 3 Spectral moment inversion for different frequency wavelets

图4 不同积分频率区间谱矩法反演图Figure 4 Spectral moment inversion for different integral intervals

2.3 顶、底板岩性对煤厚识别的影响

分别对模型1、2、3进行正演模拟，主频选用50Hz的Ricker子波，积分区间选用25～50Hz，其结果如图5所示。可见当顶底板岩石物性不对称时，反演的煤厚与对称的情况基本一致，尤其是模型1即顶底板对称( 均为W1) 和模型1即顶( W1) 底板( W2) 不对称时，两者很接近；当煤厚大于9m时，前两种情况与模型3即顶( W2) 底板( W1) 不对称(高速围岩做顶板) 有较明显差距。

2.4 夹矸对煤厚识别的影响

对于煤层来说，由于沉积过程中环境的变化，在煤层中存在夹矸，采用谱矩法对于含有夹矸煤层来说，对解释它的厚度的结果是否有影响需要研究。模型1、2、3即图2a、图2b、图2c夹矸为零，煤层由薄到厚逐渐增加，模型4(图2d)中夹矸由薄变厚，

煤层厚度不变。利用谱矩法反演煤厚进行预测对比分析，结果表明：夹矸的存在基本不影响煤层厚度变化的预测。

多种地质模型试算的结果表明，地震子波主频、煤层顶底板岩性的对称性、以及煤层中夹矸的存在基本上不影响谱矩法反演煤层厚度；积分区间不同，对谱矩法反演煤厚的结果差异较大。经过验证，本课题选用积分频率区间25～50Hz进行研究区煤层厚度谱矩法反演预测。

3 研究区8煤层地质概况

依据研究区内的地质、测井等资料可知，受区域构造控制，区内煤层揉皱变形产生层滑或断裂式层滑现象极为严重，因而导致煤层厚度发育极不稳定，并在小区域内煤层厚度产生剧烈变化。

8煤组含煤1～2层，一般含煤1层(即8-1煤层与8-2煤层合并)，8-2煤层为本区的主要可采煤层，区内发育良好，煤层厚度较大。8煤组顶部为一厚层砂岩，中、下部围岩多以泥岩或粉砂岩为主。

图5 不同顶、底板岩性谱矩法反演图Figure 5 Spectral moment inversion for different roof and floor lithology

①主采煤层8煤层厚度一般较大，变化也较大，个别点突然变薄，可能受小构造影响。

②区内中浅部形成厚煤带，煤厚为5～8m，局部有>10m的特厚点，但向深部煤层厚度逐渐变薄。

③在非合并区煤厚相对较薄，为3～5m，厚度变化相对也较小。

④煤层结构简单～较简单，部分含1层夹矸，个别含2～3层夹矸，偶见4层夹矸；夹矸多为泥岩或炭质泥岩。

⑤受岩浆岩侵蚀影响，部分孔可见侵蚀变质天然焦，形成一小范围的不可采区。煤类除受岩浆岩侵蚀影响外，变化不大，为全区可采的较稳定煤层。

研究区典型地震剖面如图6所示。从图中可以看出，区内浅层和深层地震地质条件较好。

图6 青东矿研究区典型地震剖面Figure 6 Qingdong coalmine study area typical seismic section

通过对研究区地质资料的搜集、分析与研究，结合实际巷道揭露，确定本区煤层厚度变化的主要因素为后生变化，层滑构造是煤层厚度后生变化的主要影响因素之一。因此本研究以地震煤厚反演为基础，根据延伸小、走向变化快的断层及构造煤的分布辅助验证煤层厚的变化。

4 8煤层厚度变化与精度分析

4.1 高密度三维地震资料反演成果分析

本次课题选取积分频率区间25～50Hz进行谱矩法反演煤层厚度应用。首先利用高密度三维地震数据对研究区进行谱矩法反演8煤层厚度。区内共有钻孔25口，利用其附近地震道数据得到标定系数，进而在研究区内插值，联合反射波频谱积分与地震子波频谱一阶矩反演研究区煤层厚度(图7)。

从图7中可以看出，研究区内煤层厚度整体变化较大且变化复杂，与本研究区8煤层受层滑构造影响煤厚变化情况吻合。研究区区西南部8煤层厚度变化较大，中西部煤层变化较缓，煤厚较稳定，西北部煤层厚度较薄。在研究区西北部煤层厚度一般小于2m，钻孔7-8-8处8煤层厚度仅为1.04m；西南部、南部部分煤层厚度较大，最大厚度为14m，钻孔8-d-1处8煤层厚度为11.91m。

4.2 谱矩法反演煤厚精度分析与对比

研究区内833机巷为已揭露巷道，根据对833机巷的实际资料分析，833机巷中、右部层滑构造较为发育，具体表现为煤层厚度变薄，平均煤层厚度小于2m(图7)。可以看出，833机巷穿过煤层厚度变薄区，煤厚变薄区的平均煤厚小于2m。

833机巷穿过井7-x-2，井7-x-2处8煤层厚度为4.17m，利用高密度三维地震数据谱矩法反演得到的井7-x-2处8煤层厚度为3.91m，绝对误差仅为-0.26m，相对误差为6.24%。

利用研究区内钻孔信息，验证高密度三维地震数据与常规数据谱矩法反演煤层厚度的精度。提取研究区25个钻孔的8煤厚度与相应位置三维地震数据谱矩法反演的8煤层厚度进行对比分析(图8)。从图中可以看出： 基于三维地震数据谱矩法反演的煤层厚度精度较高，基本满足煤层厚度预测精度。其中，25个钻孔中有17个钻孔， 其高密度三维地震数据谱矩法反演的煤层厚度预测精度较高，表明该区域基于高密度三维地震数据谱矩法反演煤层厚度的精度较高。

提取不同三维地震数据谱矩法反演煤层厚度的成果， 建立不同三维地震数据谱矩法反演煤层厚度的相对误差对比图，如图9，研究不同三维地震数据对谱矩法反演煤层厚度精度的影响。从图中可以看出：不同三维地震数据利用谱矩法反演煤层厚度的精度差异较大，研究区内共有钻孔25个，其中17个钻孔处高密度三维地震数据谱矩法反演煤层厚度精度较高，相对误差小于18%。存在个别钻孔反演煤厚相对误差较大，分析发现，可能是由于该井处于采区边界。由此看出，基于不同三维地震数据利用谱矩法反演煤层厚度的精度不同，高密度三维地震数据对谱矩法反演煤层厚度的精度更高，因此，在研究区内首选高密度三维地震数据进行反演煤层厚度的计算。

图7 研究区巷道验证高密度数据谱矩法反演8煤层厚度精度图Figure 7 Precision chart of coal No.8 thickness high density 3D seismic data spectral moment inversion identified by study area roadways

图8 研究区钻孔处8煤厚度与谱矩法反演煤层厚度对比图Figure 8 Comparison of study area coal No.8 thicknesses from boreholes and high density 3D seismic data spectral moment inversion

图9 三维地震数据体谱矩法反演煤厚相对误差对比图Figure 9 Comparison of coal thickness fractional errors from 3D seismic data volume and spectral moment inversion

综上所述，针对本研究区而言，不同三维地震数据对谱矩法反演煤层厚度的精度有影响，基于高密度三维地震数据利用谱矩法反演煤层厚度的精度高于基于常规三维地震数据利用谱矩法反演煤层厚度的精度，因此针对本研究区，本课题推荐使用高密度三维地震数据进行反演、预测煤层厚度。

5 结论

在充分搜集、整理研究区的地质、测井资料的基础上，对研究区煤层厚度变化规律进行了精细的地质分析与研究。结合研究区地质资料建立正演模型，研究、分析影响谱矩法反演煤层厚度的主要因素，利用高密度三维地震勘探资料，基于钻井约束下谱矩法编写应用程序，定量预测研究区煤层厚度变化。丰富了复杂煤层厚度变化反演方法，其适用性更为广泛，预测精度较以往钻孔对比、插值等煤厚反演方法有明显提高，为煤矿安全生产提供了保障。

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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

国家“十三五”科技重大专项经费资助项目(2016ZX05041002)、(2016ZX05043001),淮北矿业(集团)有限责任公司科研及技术创新计划项目(青东矿8煤厚度变化规律研究及应用)。

林建东(1967—)，男,高级工程师,主要从事煤田地震勘探生产与科研。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.13

1674-1803(2017)09-0067-07

A

责任编辑：孙常长