地震反射波地质层位标定方法研究

王树威

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

在煤炭勘查过程中，地震资料层位标定十分重要，是煤炭勘探中储层研究的前提，也是高精度勘探工作的基础工作。时间剖面相位的标定直接反应反射波目的层的标定、井旁地震相和沉积相的划定。目前，国内外常见的地震反射波地质层位标定方法主要有人工合成记录、VSP桥式连接、时-深转换尺、邻近地震引层。

层位标定是地震解释阶段的第一步，由于不同区域的煤层及围岩地质层位(砂体、灰岩)等赋存条件不同，对之进行地震反射波地质层位标定的方法也不一样。但是，在解决实际问题时，经常存在多解性和局限性。利用综合标定，可提高最终成果的可靠性和精度。

1 层位标定方法

地震时间剖面并不能直接反应地下的地质信息，需要有探井的地质录井资料。但是二者却没有直接的联系，所以层位标定就起到一个桥梁的作用，使二者关联起来，赋予地震剖面上的同相轴地质含义。

1.1 时-深转换尺标定法

时-深转换尺标定也称平均速度标定法，是利用各井的测井资料，得到高精度的平均速度与对应深度，再将其进行综合的平均速度曲线拟合，从而得到速度与深度的对应曲线。

利用单井测井资料中不同煤层的基准面埋深和填充替换速度来求取各层平均速度，结合速度与深度的拟合曲线来进行地质层位标定，不同的深度对应不同的速度，二者相除即可求得时间。

如果勘探区内没有测井资料，时-深转换尺标定可以利用速度扫描的方法得到高精度的平均速度，对全区进行速度扫描得到整体的速度谱，统计后进行综合的平均速度曲线拟合，最终得到全区的平均速度拟合曲线。具体步骤如下：

(1)计算均方根速度。资料处理时，会生成一个DMO偏移速度体(100 m×100 m)，依据叠加速度与偏移速度的线形关系，能够求得叠加速度体Va。叠加速度体可以求出目的层及以上各地层网格节点对应的各t0时间处的Va。然后，根据叠加速度Va和均方根速度Vr的转换公式求出各点的均方根速度。 在水平地层，Va=Vr；在倾斜地层，Va=Vr/cosα，α表示地层倾角，因为DMO已经校正了地层倾角，所以能够直接得到相同网度的均方根速度体。

(2)计算层速度。这里的“层”不是指地层或等速度层，而是从叠加速度体上拾取速度时的节点分层。 利用DIX公式计算层速度Vn：

式中：t0,n——第1层到第n层的t0时间， s；

tn——第n层的t0时间，s；

Vr,n——第1层到第n层的均方根速度，m/s。

(3)计算平均速度。利用层速度能够求得100 m×100 m网格节点对应的目的层及其以上地层的平均速度Vav：

式中：vi——各层层速度，m/s；

ti——各层旅行时间，s。

求出各节点的平均速度后进行速度拟合，能够得到全区的平均速度拟合曲线。

利用平均速度能够直接求得5 m×5 m网格节点对应的目的层深度h：

式中：Vav——目的层及以上地层的平均速度，m/s；

ti——穿过各层的旅行时间，s。

反算出目的层的深度后，可以在远离测井的区域内“初步定位”。

1.2 VSP桥式连接标定法

钻探揭示的井下地质层位是最具权威性的，但仅是“一孔之见”，只有把钻孔资料与地震资料结合起来，才能把井下对“点”的认识通过地震波组的特征扩展到井周围更大的区域。连接钻孔与地震资料的桥梁非VSP莫属。

垂直地震剖面(简称VSP)是一种非常精确的地球物理勘探方法，因为其工作方式的特殊性，使其成为连接地震钻井、测井数据与地震信息的纽带。其工作方式为：在地表设置震源激发地震波，沿井柱在井下逐点接收地震波。

因为 VSP是在井中接收地震波，所以可以避免地表对波场产生的影响，可以获得精确的地震波传播速度，还可以接收到地面地震观测所接收不到的下行直达波。通过VSP走廊叠加剖面与井旁的地震剖面的对比，可以确定地震剖面上各反射波同相轴所代表的地质属性。

1.3 人工合成地震记录标定法

人工合成地震记录，即通过声波测井和密度测井资料，求取一个反射系数序列，再将这个反射系数序列与某个子波进行褶积得到的结果。其公式为：

S(t)=R(t)·W(t)(3)

式中：S(t)——合成地震记录；

R(t)——反射系数序列；

W(t)——地震子波。

由此获得的人工合成地震记录，与井旁地震记录进行比较，假如波形相似，时间相近，即可确定井旁地震剖面上各反射波的地层属性，此方法主要用于研究工区缺乏VSP资料的时候。在实际工作中，虽然大部分同相轴对应良好，但是有些对应的并不理想。所以，在出现以上问题时，要首先检查测井资料上的明显干扰是不是已经被去掉，再有就是看反射系数计算是否准确以及不断地调整选择的子波，直到大部分的同相轴可以对应为止。

1.4 邻近地震引层标定法

一些三维地震勘探区内之前没有进行过钻探勘探，所以没有钻探资料和测井资料，无法进行平均速度标定、VSP桥式连接标定和人工合成地震记录标定，但这些工区周边往往已经进行过地震勘探，周边勘探区的地质层位跟本工区的目的层基本一致，层位标定时可以根据相位特征类比法进行邻近地震引层。由于相邻地区的地质层位相位特征往往一样，所以在没有钻探资料的情况下可以采用邻近地震引层的方法进行层位标定。如果工区有钻孔资料，邻区又进行过地震勘探，利用钻孔资料标定过层位后，可以与邻近工区的地质层位进行类比以校正该工区的地质层位。

2 层位标定正演模拟

为了更好地进行构造解释，必须清楚地了解地震反射波在地质层位中的传播特点。设计地质模型，通过正演模拟的方法，可以准确标定层位，指导野外正确施工。

2.1 陕北浅层正演模拟

陕北神木县境内有一煤矿，主要开采3-1煤层、4-2煤层、5-2煤层。三层煤埋深都很浅，且煤厚不一，要对该煤矿的构造进行解释，首先要准确标定层位。根据本勘探区的煤层赋存特点，建立地质模型，如图1所示。

图1 陕北浅层地质模型

图1中，第一层为黄土、粘泥低速带，厚度40 m，速度1200 m/s，密度1728 kg/m3；第二层为粉砂岩，厚度40 m，速度2500 m/s，密度2200 kg/m3；第三层为3-1煤层，煤厚3 m；第四层为细砂岩，厚度50 m，速度3200 m/s，密度2230 kg/m3；第五层为4-2煤层，煤厚4 m；第六层为砂岩，厚度80 m，速度3400 m/s，密度2260 kg/m3；第七层为5-2煤层，煤厚6 m，三层煤速度均为2200 m/s，密度均为2086 kg/m3；第八层为粗砂岩，厚度290 m，速度3600 m/s，密度2290 kg/m3。

平面波的正演模拟结果如图2所示，自激自收得到60 ms时间轴处为第一层反射界面的反射波，3-1煤层顶板反射波在90 ms时间轴，底板反射波在96 ms时间轴；4-2煤层顶板反射波在122 ms时间轴，底板反射波在128 ms时间轴；5-2煤层顶板反射波在162 ms时间轴，底板反射波在168 ms时间轴。

图2 陕北浅层正演模拟示意图

2.2 陕北中深层正演模拟

陕北府谷县境内有一煤矿，井田内可采煤层较多，从浅部到中深部依次有2-2煤层、3-1煤层、4-2煤层、5-1煤层和5-2煤层。为准确标定层位，根据本勘探区的煤层赋存特点，建立地质模型，如图3所示。

图3 陕北中深层地质模型

第一层为黄土低速带，厚度10 m，速度400 m/s，密度1080 kg/m3；第二层为红土低速带，厚度20 m，速度800 m/s，密度1405 kg/m3；第三层为粉砂岩，厚度40 m，速度2500 m/s，密度2200 kg/m3；第四层为细砂岩，厚度165 m，速度3300 m/s，密度2245 kg/m3，其间有三层煤：2-2煤层，3-1煤层和4-2煤层，厚度分别为4 m、1 m和2 m，埋深分别为90 m、150 m和185 m，煤层速度均为2200 m/s，密度均为2086 kg/m3；第五层为5-1煤层，煤厚2 m；第六层为砂岩，厚度50 m，速度3500 m/s，密度2275 kg/m3；第七层为5-2煤层，煤厚3 m；第八层为粗砂岩，厚度45 m，速度3800 m/s，密度2320 kg/m3。

平面波的正演模拟结果如图4所示，自激自收得到49 ms时间轴处为2-2煤层的反射波，3-1煤层顶板反射波在98 ms时间轴，底板反射波在102 ms时间轴；4-2煤层顶板反射波在144 ms时间轴，底板反射波在152 ms时间轴；5-1煤层顶板反射波在202 ms时间轴，底板反射波在210 ms时间轴；5-2煤层顶板反射波在250 ms时间轴，底板反射波在258 ms时间轴。

图4 陕北中深层正演模拟示意图

3 应用效果分析

地质模型的数值模拟可以为工区地质层位的标定提供参考，在实际工区的层位标定时除了参考模型的正演模拟外，必须要充分利用工区内和周边的钻孔，得到高精度的平均速度与对应深度，即时-深转换尺。当工区内有钻孔，往往利用时-深转换尺求取平均速度和合成记录标定相结合的方法进行层位标定；若是没有钻孔，则可以利用邻近地震引层的方法进行标定。以下分别以两个正演模拟对应的工区来说明两种综合方法的实际应用。

3.1 正演模拟与邻近地震引层综合标定

地表多被第四系风成沙和黄土所覆盖，基岩出露于较大的沟谷之中，根据地表和钻孔揭露信息，地层由老到新为：中生界三叠系上统延长组；侏罗系中统延安组、直罗组；新生界新近系、第四系。

勘探区内2-2煤层已大面积自燃，主采煤层为3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层，其中3-1煤层底板标高在1130～1150 m范围内变化，两极厚度为2.64 m和2.78 m；4-2煤层底板标高在1090～1115 m范围内变化，两极厚度为3.25 m和3.65 m；5-2煤层底板标高在1015～1040 m范围内变化，两极厚度为5.7 m和6.05 m。故区内主要发育来自于3-1煤层、4-2煤层、5-2煤层的标准反射波。由于勘探区内没有钻孔，不能制作合成记录，而且煤层埋深较浅，速度扫描精度不高，所以在层位标定时，除了结合正演模拟外，还引用了邻区三维地震标定层位的成果。在相邻三维地震勘探区之中有一片区域紧邻本次勘探区，因此对比分析后由邻区煤矿三维地震的层位标定延伸过来进行了本次勘探区的层位标定。

邻区煤矿和本勘探区的波组特征基本一致，如图5所示，3-1煤层、4-2煤层、5-2煤层的标准反射波同相轴时间也非常吻合，3-1煤层和4-2煤层是紧邻的两个相位，4-2煤层和5-2煤层中间隔了一相位，而且实际标定的层位跟地质模型正演模拟标定的结果非常相似，因此神木县境内该煤矿的地质层位可以根据邻区地震引层和正演模拟来综合标定。

图5 邻区层位和本次勘探区层位标定对比图

3.2 正演模拟、时-深转换尺和合成记录综合标定

区内有钻孔的条件下，一般采用人工合成记录和时-深转换尺综合标定方法，即以时-深关系为先导、合成记录为桥梁，同时考虑煤层层数、厚度与间距等相关特征，把地质、测井、地震等多种信息综合对比，进行层位标定，将相应的地质含义准确赋予每组地震反射波。

二者综合层位标定方法的主要优点体现在三方面：从时间、深度域进行地层划分和小层对比，可以提供较为准确的时-深转换关系，克服了测井曲线制作合成记录时速度转换的局限性。具体步骤为：首先根据钻孔资料的煤层深度进行速度分析、t0时间与煤层深度线性拟合；之后编辑声波时差测井曲线、剔除曲线畸变，并结合自然电位、人工伽玛、自然伽玛、视电阻率等曲线提取井旁道地震子波制作单井合成记录，随之标定层位和追踪大框架地震剖面，检查各反射层闭合效果，针对钻孔分层数据不闭合的情况，调整不闭合井的合成记录。根据综合标定的判别标准即DIX速度、声波速度与反算速度趋势一致、单井的时-深关系与全区综合速度基本一致、标准反射层的速度变化符合地质规律并综合判别标定的结果，最终标定本区层位。

勘探区内地形被强烈切割，呈现沟壑梁峁的地貌，缓坡和山梁大多被第四系黄土和新近系红土所覆盖，沟谷、陡坡都是基岩出露区，区内最低海拔1080 m、最高海拔1358.1 m。钻孔揭露及地表填图观测到区内的地层由老至新有三叠系上统永坪组(T3y)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组(J2y)、侏罗系中统直罗组(J2z)、新近系(N2)及第四系(Q)。

主要可采煤层为2-2煤层、3-1煤层、4-2煤层、5-1煤层、5-2煤层，煤层间距稳定至较稳定，变化范围在30～50 m左右，局部地段超过50 m，属稳定层间距。2-2煤层底板标高1082.71～1200.24 m，煤层厚度0.31～5.00 m；3-1煤层底板标高1020.36～1194.46 m，煤层厚度0.50～1.72 m；4-2煤层底板标高972.58～1198.41 m，煤层厚度0.82～2.27 m；5-1煤层底板标高928.53～1165.42 m，煤层厚度0.50～2.36 m；5-2煤层底板标高871.76～1169.06 m，煤层厚度0.80～4.07 m。

结合地质模型对地质层位的正演模拟，首先利用地震资料处理过程中的速度谱，对每条地震测线通过DIX公式求得地层层速度，再转换为平均速度，得到全区平均速度拟合曲线，如图6所示；再根据勘探区内的钻孔资料做成合成地震记录，ZK125-04的合成记录与实际剖面对比如图7所示，合成记录跟右侧地震记录中的2-2煤层、3-1煤层、4-2煤层、5-1煤层、5-2煤层所对应的同相轴相关程度非常高，与模型正演模拟标定的层位也很相近，跟左侧测井曲线的声波曲线和密度曲线吻合程度也较好，所以该合成记录对地质层位已初步标定；最后进行综合标定，钻孔ZK125-04中的5-1煤层基准面埋深269.81 m，地震时间剖面上钻孔ZK125-04的5-1煤层大概对应213 ms时间轴，平均速度拟合曲线上213 ms时间对应速度2510 m/s，二者相乘得到5-1煤层深度为267.32 m，与基准面埋深非常接近。由此可见，时-深转换尺跟合成记录综合标定使层位标定更为精确。

图6 全区平均速度拟合曲线

图7 ZK125-04钻孔合成记录与实际剖面对比图

4 结论

地震反射波地质层位标定是地震勘探不可或缺的关键技术之一，要提高层位标定的精度，做好地震解释中的第一步。当勘探区内没有钻孔时，可以采用邻近地震引层的方法进行层位标定，如果邻区没有做过地震勘探，可以采用速度扫描求取平均速度的方法进行层位标定；当勘探区内即有钻孔又有测井资料时，往往采用人工合成记录和时-深转换尺相结合的方法进行层位标定。通过本次研究，得到以下几点认识：

(1)根据工区的地质条件和提供的地质资料以及钻孔资料，针对地质任务首先建立地质模型，数值模拟不仅可以为地震勘探的野外施工提供参数、确定合理的观测系统，还可以为要求的地质层位的标定提供对比和参考。

(2)进行平均速度拟合时，应该注意在使用各井的资料时应选取分散并有代表性的井资料。如果研究区内有不同的构造单元，则需要根据不同的构造单元分别求取。

(3)为了从人工合成记录中取得精确的反射系数，准确的密度和速度参数是必不可少的。声波曲线值取倒数可以得到速度，密度曲线可以得到密度，速度曲线与密度曲线可以求得波阻抗曲线，最终得到反射系数。