谱蓝化与波形分类联合处理解释在煤层分岔识别中的应用

焦小石,马 丽,薛海军, 秦永军,张奋轩

(1.山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400;2.陕西省煤田物探测绘有限公司，西安 710005;3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021)

由于不同地区煤层沉积古地理环境、地质构造运动等多种因素作用,煤层在横向上分岔形成多个煤层,煤层的厚度发生较大变化,精准控制煤层分岔合并位置,对煤矿工作面布置及采掘方式有较大的影响,受勘探阶段钻孔密度影响,单纯依靠钻探工作很难有效控制煤层的分岔合并。近年来,物探研究人员利用地震资料解释煤层分岔起到了一定效果:韩少明[1]利用煤层分岔合并的地质理论模型为依据,与地震数据中同相轴反射波变化特性相比对的方法,进行了煤层分岔合并范围的解释,韦瑜等[2]利用褶积模型的反演方法对陕北某地区的煤层变薄及分岔进行了分析,师素珍等[3]利用井约束波阻抗反演方法,对煤层厚度的变化进行精致刻画,孟凡彬等[4]利用频谱分解技术预测了山西某煤矿的煤层分岔,秦永军等[5]利用波形分类方法预测了河东煤田北部某矿的煤层分岔线。

本文引入纪甜甜、刘建伟等[6-7]油气勘探中谱蓝化拓频处理技术,将原始地震数据进行拓频,然后采用波形进行分类对比分析,得到相同或相似地震波形的横向分布特征,即地震相平面图。实际资料表明,应用谱蓝化拓频处理后的地震数据进行波形分类技术能够很大程度上提高煤层分岔位置解释精度。

1 正演模型分析

1.1 模型的建立

为了能够直观地对比影响煤层分岔间距解释精度的参数,先建立几组简单的楔形地质模型。模型中不考虑噪音的影响,假定煤层的顶底板都为砂岩,分岔之间也为砂岩。模型中主要的变量为分岔间距及子波主频,模型正演采用Rick子波,煤层厚度为研究区实际厚度。应用基于射线追踪的正演模拟方法得到正演数据,从而对正演数据进行分析。研究区实际煤层情况,具体煤层分岔模型见图1,地质模型物理参数如表1所示。

图1 煤层分岔模型Fig.1 Coal seam bifurcation model

表1 地质模型物理参数Table 1 Physical parameters of geologic model

1.2 模型正演结果分析

从正演结果来看,随着子波频率的增大,煤层分岔间距识别精度更高。40 Hz子波正演结果可识别的分岔间距在6 m左右,60 Hz子波正演结果可识别的分岔间距在2 m左右,可见子波频率的提高可识别的煤层分岔间距更小更接近煤层合并部位;随着子波频率进一步增大,80 Hz子波正演结果在接近合并部位,反射波均呈双相位出现,煤层分岔部位已无法识别。通过正演可以得出,提高地震主频可大幅提高分岔间距的识别精度。

2-a 40 Hz子波正演结果

2-b 60 Hz子波正演结果

2-c 80 Hz子波正演结果图2 模型正演结果Fig.2 Forward modeling results

2 谱蓝化拓频技术

2.1 谱蓝化技术原理

谱蓝化技术原理是首先利用反褶积将原始地震数据中衰减及缺失的高频部分进行恢复,然后将反褶积后的地震反射系数与测井数据中获得的反射系数相比对,获得匹配算子[8-9],测井数据中提取的反射系数表明地震频率与地震振幅正相关,因此,基于测井控制的拓频思路理论上可提高地震数据的纵向分辨率。处理后的地震数据的振幅谱形态与地层反射系数保持一致,确保了地层反射系数的保真度，具体如图3所示。

图3 谱蓝化拓频处理流程图Fig.3 Flow chart of frequency broadening by spectral bluing

2.2 谱蓝化实现方法

谱蓝化处理的具体实现,首先采用循环反褶积技术[10-11]将地震数据完全转换成反射系数体,本质是对地震数据进行重采样处理,生成一个新的反射系数数据体,其表征值来自原始数据中振幅的最大值和最小值。然后利用反射系数数据体与测井频谱相比对,计算匹配算子。最后利用计算好的匹配算子与原始地震数据进行卷积运算,最终得到谱蓝化拓频处理后的新地震体。

图4 原始地震数据平均频谱Fig.4 Average spectrum of raw seismic data

利用研究区范围内的测井数据计算测井阻抗平均频谱,并对结果进行光滑拟合,同时计算原始地震数据的频谱,用来比对能够使地震数据频谱符合测井拟合光滑曲线的匹配算子。其中图5为研究区分布的井组的测井阻抗频谱,图4为原始地震数据的振幅谱(红色曲线),及光滑处理后的平均振幅谱(黑色),利用地震频谱和测井阻抗频谱计算谱蓝化匹配算子(见图6)。

图5 测井数据波阻抗频谱图Fig.5 Wave impedance spectrogram of well log data

图6 谱蓝化算子振幅谱Fig.6 Amplitude spectrum of spectral bluing operator

2.3 谱蓝化效果分析

原始地震剖面和经过拓频后地震剖面进行对比,可以看到谱蓝化拓频处理后地震数据,同相轴反射波组更加丰富完整,剖面较弱的层间反射波能量更强连续性更好,纵向分辨率较之前的有很大提高。通过频谱分析,原始地震数据主频在46 Hz左右,拓频后地震剖面主频提高到了60 Hz左右,主频得到了很大提高,同时反射波在煤层分岔处异常突变更容易识别。

图7 原始地震剖面(左)和谱蓝化后地震剖面对比(右)Fig.7 Comparison of original seismic section (left) and seismic spectrum after spectral bluing (right)

3 波形分类技术

3.1 波形分类技术原理

波形分类技术原理是通过一定方法提取地震数据体中单道波形在目的层段中的特征,来描述地层岩性及地质结构的空间变化[12-13]。其计算过程：在目标层段的时窗内,依地震单道波形特征,全数据体逐道对比,自动将相同或相似的地震道进行分类,展示目标层段的波形变化在横向上的分布特征,在平面上以不同颜色代表不同地震波形类型,平面分布特征反映的即地层沉积特征的变化,从而识别目标层段的地层岩性及地质结构在平面上的分布规律。

波形分类的结果质量取决于地震属性体、目标层段的时窗选取、模型道提取方法、波形分类结果类数等[14-15],其中,目标层段的时窗选取和利用的地震属性体是影响分类结果较大的因素。

3.2 波形分类技术参数与效果分析

通过对谱蓝化后的数据进行分析,13号煤层出现分岔,以标定的来自13号煤层反射波T13波向上向下各开20 ms为目标层段时窗,上下均不超过相邻煤层反射波同时包含分岔后的煤层反射波,经多次测试计算,当波形分类数为6的时候,地震波形分类结果较为合理,符合研究区的地质规律。在目标层段时窗内针对研究区三种典型状态(分岔区、合并区及过渡区)选择提取6类不同的模型道[16]。

地震数据中提取的模型道波形特征(见图8),图中5—6类模型道及波形完整,单一相位、反射波能量强,代表煤层合并区;3—4类模型道波形上部出现复波,两个反射波组处于半分离状态,下部同相轴反射波能量相对变弱,上部同相轴反射波能量相对变强,代表煤层的过渡区;1—2类模型道波形频率降低,上部及下部反射波能量均较强,代表煤层分岔区,同时随着上部及下部同相轴变宽,代表煤层分岔间距变大。

图8 T13波±20 ms层段6类模型道的波形特征Fig.8 Waveform characteristics of six model paths in the layer of T13 wave ± 20ms

4 应用效果

4.1 研究区概况

石炭系太原组13号煤层为本研究区主采煤层之一,也是正在布置回采的煤层,而13号煤层在研究区东南部为单层煤,往西北部逐渐分为上下两层煤层,整体趋势呈现由西到东逐渐变厚的趋势,即分岔后的两层厚度较合并的单层厚度更大,这种地质情况对工作面布置及煤矿安全回采有一定影响。13号煤层总厚在7 m～15 m之间,平均厚度10 m。据钻孔及巷道揭露13号煤层结构较复杂,区内一般含夹矸1～5层。

4.2 煤层分岔解释

通过谱蓝化后地震波形分类解释地震相[17-18]四种:黄色区域为合并相,13煤层合并为一层煤;蓝色为过渡相,13煤分岔出13上煤层,间距较小;青色也为过渡相,13煤分岔出13上煤层,间距中等;绿色为分岔相,13煤分岔后出现13上煤层,分岔间距较大。受常规地震资料的分辨率限制,可以看到谱蓝化后波形分类结果更接近地层实际的合并分岔边界,局部的分岔边界控制的也更为精细,对煤矿工作面的布置及采掘方式起到了一定的指导作用，具体见图9。

图9 地震相解释成果平面图Fig.9 Plane plan for seismic phase interpretation

4.3 煤层分岔效果分析

谱蓝化后的地震数据,波形分类结果可以看出研究区存在四种不同的地震相:煤层分岔相、分岔过渡一相、分岔过渡二相和煤层合并相。

SD-02(煤厚13 m)、SD-06(煤厚12.0 m)、SD-11(煤厚13 m)及SD-12(煤厚14 m),分布在合并相内均为单层煤;研究区南部已掘巷道表明13煤均为单层煤,厚度平均约13 m左右,与谱蓝化波后形分类解释的地震相合并区是吻合的。

SD-03(下煤厚7 m、上煤厚7 m,间距34 m)分布在分岔相内。

SD-07(下煤厚7 m、上煤厚5 m,间距5 m)分布在过渡一相内。

SD-18位于原始地震数据波形分类的过渡一相和合并相交界部,位于谱蓝化后波形分类的过渡一相与过渡二相交界部。SD-18施工完成后(13煤厚7.95 m、13上煤厚5.15 m,间距3.15 m),可以看出基于原始地震数据的波形分类结果在研究区分岔间距解释精度约3 m,而经过谱蓝化后波形分类的结果,分岔边界局部向前推进了约200 m(过渡二相)。根据SD-07(间距5.2 m)到SD-18(间距3.15 m)的变化推算,本次研究的分岔边界间距精度接近1 m。

5 结论

1)通过本次研究分析,上下煤组的厚度、地震主频、信噪比都是影响分岔间距解释精度的因素。研究区地质及地震资料品质不同,解释分岔间距的精度也是不同的。

2)基于测井数据控制的谱蓝化拓频后,不仅原始地震数据的纵向分辨率具有很大提高,而且原始地震数据中地层的真实反射系数得到了保证。

3)谱蓝化拓频后再进行波形分类划分不同的地震相,能够更准确地控制煤层分岔合并变化范围,为煤田勘探中煤层宏观结构变化的定量解释提供了一定的参考价值,为精细解释和煤矿建设提供可靠的依据。