砂岩型铀矿波阻抗反演砂体识别技术研究

李子伟，吴曲波，曹成寅

（核工业北京地质研究院，北京100029）

砂岩型铀矿波阻抗反演砂体识别技术研究

李子伟，吴曲波，曹成寅

（核工业北京地质研究院，北京100029）

近些年，核工业地质系统在砂岩型铀矿勘查中开展了大量的浅层地震勘探工作，在解决地层、构造等问题上取得了显著成效，在砂体识别方面也开展了一定的研究工作，以探索识别砂体的有效方法。笔者将波阻抗反演技术引入到砂岩型铀矿地震勘查当中，结合地震数据和测井数据，在伊犁盆地开展了基于模型的波阻抗反演实际应用研究，实现了研究区的岩性识别，岩性的识别厚度达到10 m以上。

砂岩型铀矿；波阻抗反演；砂体识别

砂岩型铀矿勘探实践表明，查明地层展布、构造和砂体分布规律对于砂岩型铀矿的研究具有重要意义［1］。以往，地震勘探方法应用于砂岩型铀矿勘探，主要目的在于查明研究区的地层展布以及构造特征，取得了明显的地质效果［2］。同时，在砂体识别方面也进行了初步的探索性研究［3］，但仍缺乏实用有效的砂体识别方法。本文简要介绍了波阻抗反演的基本原理和方法分类，并对比分析了不同波阻抗反演方法的反演效果，结合已有的地震和测井数据，利用基于模型的波阻抗反演方法，将地震时间剖面转化为更为直观的岩性剖面，在剖面和平面上直观有效地勾画出了目的层砂体展布特征，并在伊犁盆地进行了实际应用研究。

1 波阻抗反演原理

地震反演通常指波阻抗反演，是一门集地震、测井、地质、计算机等多学科的综合地球物理勘探技术，其是利用地表观测的地震数据，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和物理性质进行成像的过程，是反演地层波阻抗的特殊地震处理解释技术［4］。

地震波阻抗反演基于褶积模型［5］，基本原理如图1所示。

图1A表示一个3层理论模型，不同岩层具有不同的速度和密度值；速度和密度的乘积为波阻抗，该模型的波阻抗如B所示。

不同岩层之间波阻抗存在差异，就能产生反射波，且界面的反射系数与地层的阻抗相关，当地震波从第j层垂直入射到第j＋1层时，第j层底界面的反射系数r（j）表示为：

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

图1中C即为根据B推出的反射系数，地震子波和反射系数进行褶积运算，即可得到D所示的地震道记录T（i）：

式中：r（j）—时间序列表示的零偏移距时的地下反射系数；W （i）—地震子波，假设为不变； n（i）—噪声。

由A到D的过程即为正演。

反之，从D到A的过程为反演，即已知地震道记录T（i），根据测井和地震数据估算地震子波，用子波与地震道进行反褶积运算，从而得到反射系数。然后根据（1）式推导出波阻抗的递推公式：

据此即可计算出每一层的波阻抗值，从而实现地震剖面向岩性剖面的转换。

2 不同反演方法效果对比

波阻抗反演的方法主要有带限反演、颜色反演、稀疏脉冲反演和基于模型反演等，在实际反演过程中，需要综合考虑地震、测井数据和反演需求，从而选择合适的反演方法［6-9］。砂岩型铀矿勘探的目的层较浅，且主要解决砂体识别的问题，因此针对实际的需求，利用不同反演方法，对伊犁盆地南缘二维地震数据进行反演，对比分析不同反演方法的反演效果。

选取伊犁盆地南缘一条EW向测线的地震数据（图2），该测线上已施工了两口井，分别为513-35723井（CDP 1493处）和513-38127井（CDP 1612处），利用上述4种反演方法，对该地震数据进行波阻抗反演，反演结果如图3所示。

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

图3A为带限反演结果，带限反演是最简单也是最早出现的反演算法，是一种常规的递推算法，基于反射系数递推计算地层波阻抗，其关键在于从地震记录估算地层反射系数，得到能与已知钻井最佳吻合的波阻抗信息。在反演过程中基于地震数据，测井资料主要起到标定和质量控制的作用，不直接参与反演计算。通过反演结果可以看出，波阻抗值基本上能反映地层在纵向上的变化特征，具有较好的纵向分辨率，但受限于地震频带宽度，不能满足薄层识别的需求。

图2 伊梨盆地南缘某地震剖面Fig.2 The seismic profile in the south marginal region of Yili basin

图3B为颜色反演结果，颜色反演又称为有色反演，由常规递推反演算法改进而来，是一种对钻井的依赖程度比较小的频率域测井约束波阻抗反演，其技术核心是用地震的频谱和井的波阻抗的频谱相匹配来完成反演。通过反演结果可以看出，波阻抗值从纵向上来看非高即低，不同地层间的波阻抗值无过渡，说明该方法在纵向上分辨率较低。

图3 不同反演方法反演效果对比图Fig.3 Results comparison of different inversion methods

图3C为稀疏脉冲反演结果，该方法是基于脉冲反褶积基础上的递推反演方法，其基本假设是地层的强反射系数是稀疏分布的，首先从地震道中根据稀疏的原则提取反射系数，与子波褶积后生成合成地震记录，然后利用合成地震记录与原始地震道残差的大小修改参与褶积的反射系数个数，再作合成地震记录，如此迭代，最终得到一个能最佳逼近原始地震道的反射系数序列，进而递推得到相对波阻抗值。通过反演结果可以看出，在纵向上具有较好的分辨率，但在横向上连续性较差，主要体现在0～2 000 m的剖面上，反演结果的波阻抗值比较散乱，连续性较差。

图3D为基于模型反演结果，该方法又称为测井约束反演，其从地质模型出发，采用模型优选迭代扰动算法，通过不断修改更新地质模型，使模型正演合成地震资料与实际地震数据最佳吻合，最终的模型数据便是反演结果。通过反演结果可以看出，波阻抗值在纵向上具有较好的分辨率，横向上具有较好的连续性，由于反演过程中利用测井资料丰富的高频信息和完整的低频成分补充了地震有限带宽的不足，因此有效提高纵向的分辨率，能够实现薄层砂体识别。

图4 不同反演方法反演误差Fig.4 The error of different inversion method

进一步分析不同反演方法的反演误差图（图4），图中左半部分为反演结果波阻抗值曲线与测井波阻抗值曲线的对比，右半部分为反演结果正演地震记录与实际地震记录的对比。通过图4可以看出，不同反演结果的正演地震记录与实际地震记录的吻合度均在97%以上，吻合较好，但波阻抗值曲线和测井曲线的波阻抗值存在一定误差，对比分析不同反演结果的波阻抗拟合误差，可以看到，基于模型反演的结果更接近实际波阻抗值，也说明该地区利用基于模型反演方法，具有更好的反演效果。

3 实际应用分析

新疆伊犁盆地的砂岩型铀矿勘查工作研究程度较高，并取得了显著的效果，基于该地区的地震数据，结合测井数据开展了波阻抗反演的研究工作。

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

波阻抗反演的流程如图5所示，反演基于地震数据和测井的声波、密度数据，首先要完成地震数据的处理和解释，然后对测井声波、密度数据进行处理，之后基于地震数据和测井的声波、密度数据，提取子波，建立合成地震记录，对层位进行精细标定，综合地震信息和测井信息建立反演的初始模型，确定反演参数完成反演，得到波阻抗反演结果，最后依据测井的声波、密度数据和录井信息开展岩石物理分析，将波阻抗剖面转化为岩性剖面，最终实现岩性解释。

按照波阻抗反演流程，基于地震数据处理解释结果和测井的声波、密度数据，对伊犁盆地南缘的二维地震数据开展了波阻抗反演，图6为EW向测线地震数据的波阻抗反演结果，图中紫色表示高波阻抗，绿色表示低波阻抗，可以看出，反演结果显示了不同地层的波阻抗差异和变化趋势，并且在横向上具有较好的连续性。

图6 伊梨盆地南缘地震剖面测线波阻抗反演结果Fig.6 The result of impedance invertion of seismic profile in the south marginal region of Yili basin

为实现波阻抗剖面向岩性剖面的转换，需要对研究区的测井数据进行岩石物理分析，寻找出岩性和波阻抗之间的岩石物理关系。图7为研究区两口具有代表性测井的波阻抗曲线与岩性对比图，其中，黑色岩性符号表示煤层，岩性符号的宽度表示粒度大小，即宽岩性符号代表砂体，窄岩性符号代表泥岩。图7中测井波阻抗曲线的黑色区域对应了岩性柱状图中的煤层，黄色区域对应了岩性柱状图中的泥岩，可以看到，泥岩具有高波阻抗值，煤层具有低波阻抗值，而砂岩的波阻抗值则介于两者之间，即煤、砂岩和泥岩对应不同的波阻抗值范围，因此通过确定不同岩性间的波阻抗阈值，根据该阈值，可以实现波阻抗剖面向岩性剖面的转化。

图7 测井波阻抗曲线和岩性的岩石物理关系分析图Fig.7 The petro-physical relationship analysis chart of log impedance curve and lithology

图8 伊犁盆地南缘13-DL2线岩性解释结果Fig.8 The result of Lithology interpretation of Line 13-DL2 at the southern margin of Yili basin

图8即为转化得到的岩性推断结果，图中棕色表示泥岩，黄色表示砂岩，黑色表示煤层，相较于地震剖面，岩性推断剖面可以清晰地看出各个地层的岩性变化特征，图中剖面西段的井1和井2并未参与反演，用这两口井验证岩性推断结果，可知：钻井处波阻抗反演岩性推断结果基本符合岩性录井结果，井1的M10煤层约10 m厚，在岩性推断结果上有所显示。井2中的约10 m厚度的泥岩，在岩性推断结果上也有所显示，处反演结果显示。由于井3参与了反演，因此反演结果会更佳精细，比如井中的砂泥岩及煤层互层，厚度大约都在10 m甚至更薄，在岩性推断结果上都有所显示。在某些地段，岩性剖面上有所显示的岩性层位在地震反演岩性解释剖面上没有体现，例如井2的M10煤层，在岩性连井剖面上存在，但在地震反演岩性解释剖面上没有体现，主要原因在于该处M10煤层小于5 m，且横向连续性较差，所以受地震剖面分辨率的限制未能反演出来，在一些薄泥、薄砂以及砂泥薄互层的地方，地震反演岩性解释剖面上也未能体现，说明此次波阻抗反演的结果可以识别10 m厚度以上的岩性地层，对于厚度小于10 m且横向不连续的地层，岩性推断剖面上没有体现。

4 结论

通过对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，反演结果具有更好的纵向分辨率和横向的连续性。在新疆伊犁盆地南缘的实际应用效果表明，通过基于模型的波阻抗反演方法可以识别10 m厚度以上的泥岩、砂岩和煤层，可查明研究区的岩性分布特征，为铀矿成矿地质环境研究和远景预测提供依据。

［1］陈祖伊，陈戴生，古抗衡.中国铀矿床研究评价第三卷砂岩型铀矿床（上册）［M］.北京：中国核工业地质局，核工业北京地质研究院，2013.

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［7］方磊.地震波阻抗反演及其在储层预测中的应用研究［M］.成都：成都理工大学，2008：4-14.

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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

国防预研项目（编号：3210402）资助。

2017-06-21

李子伟（1986— ），男，河北石家庄人，工程师，主要从事砂岩型铀矿地震勘探方面的研究工作。E-mail：liziwei9818@163.com