寺家庄矿煤层顶板岩性有色反演预测

冯凯宇， 曹志勇， 张新军

(太原理工大学矿业工程学院,太原030022)

在煤层气勘探过程中,由于煤层气属于“自生自储”气藏,煤层的顶板岩性直接影响着煤层气的储集能力。当煤层顶板为砂岩时,由于砂岩相对孔隙度较大,煤层气会发生渗流和扩散,不利于煤层气的保存；当煤层顶板为泥岩时,由于泥岩相对孔隙度小,封盖能力强,有利于煤层气的保存[1]。因此如何有效地开展煤层顶板岩性解释工作,对煤层气的勘探与开发具有重要意义。

目前,煤层顶板岩性预测的主要通过提取地震属性进行预测。其中应用最多的是波阻抗属性,是通过分析不同顶板岩性与波阻抗之间的关系,利用测井资料进行基于模型的波阻抗反演,预测顶板岩性[2]；此外,有学者通过分析井点处的地层性质与地震属性(振幅、频率、相位等)之间的相关性,提取最优地震属性,以此对煤层顶板岩性进行预测[3-5]。

以上方法在煤层顶板岩性预测方面取得了良好的效果,但是其缺陷是在利用地震资料的同时也需要丰富的测井资料,而对于测井资料缺少地区,难以对煤层顶板岩性进行可靠、精确的预测。常规反演在少井区多用稀疏脉冲反演,多井区用模型反演。稀疏脉冲反演由于受到子波提取难度较大以及子波的时变与空变影响,难以对全区进行精确的储层预测。传统的煤层顶板岩性预测多采用基于模型的波阻抗反演的方法,该方法利用了煤层、泥岩、砂岩和灰岩的波阻抗差异特性,以达到岩性预测的目的[6]。基于模型的反演虽然纵向分辨率比较高,但对子波模型具有很强的依赖性,受井的约束程度比较大,因此在少井区进行基于模型反演出的波阻抗难以满足横向要求。有色反演是一种特殊的地震反演技术,它是在2000年由Lancaster等[7]在有色滤波方法的基础上提出的一种将零相位地震数据反演为相对波阻抗的技术。主要方法是通过设计一个算子,对地震道进行-90°相位转化和频谱整形,以产生相对波阻抗。近年来,有色反演在国内外储层研究中的应用越来越多,刘玲等[8]以地震沉积学为指导,应用有色反演技术,定量预测了生物礁滩储集层的厚度,计算了生物礁滩储集层厚度；刘力辉等[9]利用了有色反演技术保持幅值的横向相对变化的特点,有效求取了地震岩性体；李金磊等[10]通过在相控条件下,按岩性进行平均速度充填建模,再与有色反演相结合进行波阻抗反演,实现了低勘探区生屑滩相储层的高效预测；杨瑞召等[11]通过将约束稀疏脉冲反演与有色反演产生的煤层相对波阻抗体进行对比,认为谱蓝化和有色反演能够有效地辅助薄煤层的精确追踪及识别。有色反演对测井的依赖度较低,不依赖子波模型,可以在地震带宽内改善频谱,消除低频模型偏差,从而有助于煤系地层的精确追踪、识别及解释,提高对煤层顶板岩性的分辨能力。

1 方法原理

1.1 有色反演原理

有色反演是一种相对波阻抗反演方法。首先分析并计算不同测井波阻抗平均频谱并给出代表此频谱的拟合光滑曲线,然后分析地震道平均频谱,设计有色反演算子,使地震道平均频谱与上述拟合光滑曲线相匹配,最终利用有色反演算子与地震数据进行褶积,将地震数据转换成相对阻抗体。由于有色反演的反演数据不直接来自于测井数据中的声阻抗信息,而且在反演时可以消除低频模型的偏差,具有对测井的依赖度较低以及平面分辨率较高的特点,因此原则上有色反演产生的相对波阻抗的变化对应于岩性的变化,可以用来对地震数据中的煤层顶板岩性分布特征进行预测。其基本原理如下：

地震记录褶积模型为

s(t)=r(t)*w(t)

(1)

式(1)中,s(t)为地震记录；r(t)为井的反射系数；欲求得匹配算子w(t),则有：

s(ω)=r(ω)*w(ω)

(2)

式(2)中,s(ω)为地震振幅谱；r(ω)为井的反射系数振幅谱；w(ω)为欲求匹配算子子波振幅谱,两边取对数,则有：

ln[s(ω)]=ln[r(ω)*w(ω)]

(3)

ln[s(ω)]=ln[r(ω)]+ln[w(ω)]

(4)

ln[w(ω)]=ln[s(ω)]-ln[r(ω)]

(5)

则:

w(ω)=eln[s(ω)]-ln[r(ω)]

(6)

波阻抗振幅谱为z(ω),则可根据波阻抗与反射系数之间的关系：

(7)

求得反射系数振幅谱r(ω),从而得到匹配算子子波振幅谱w(ω),通过进行反傅里叶变换得到有色反演匹配算子w(t)。

有色反演在算法上属于频率域测井约束波阻抗反演方法,反演是通过将地震谱与井的波阻抗谱相匹配来进行的。因此,该方法没有明显的子波提取过程,也不需要依赖初始子波模型,纵向分辨率比递归反演以及稀疏脉冲反演更精确,反演人为因素少,地质现象反映客观。

1.2 地震资料的谱蓝化

由于煤层厚度大多小于1/4地震波长,属于地球物理意义上的薄层,而常规的地震成像分辨难以满足煤田的开发需求,给煤储层的预测带来很多困难,而且有色反演时应用高频地震数据体时效果更好,因此需要对原始地震资料进行提高分辨率处理。

常规的地震数据提频处理往往应用谱白化方法,这种方法是假设反射系数是高频的基础下,将地震数据振幅谱拉平的一种处理方法[12]。而Rosa等[13]在统计大量测井曲线数据后发现,实际测井数据的反射系数振幅谱特征没有表现为各频率能量一致的白噪,而是表现为“蓝谱”(图1)特性,即频率与振幅度成正相关,幅度随频率逐渐增加。

图1 L59井反射系数振幅谱Fig.1 Amplitude spectrum of reflection coefficient of Well L59

谱蓝化拓频处理技术就是一种利用测井数据中声波时差及密度信息求得反射系数谱,再利用地震振幅谱反褶积求取地震信息的反射系数谱,然后通过测井资料和地震数据获得的反射系数相匹配设计谱蓝化算子,并利用此谱蓝化算子与地震数据褶积,加强高频部分振幅能量,从而得到拓频地震数据体。谱蓝化拓频技术可以在提高地震数据分辨率的同时又不会提升噪声水平,提高了对薄储层的识别能力[14]。

2 研究背景

2.1 研究区地质概况

寺家庄矿区位于山西省晋中市昔阳县境内(图2),沁水煤田东北部。研究区位与寺家庄井田东部中段,区内含煤地层埋藏较深,保存完整。主要含煤地层为石炭系的太原组和二叠系的山西组。太原组地层为本区重要含煤层段,属于海陆交互相沉积环境,含有三角洲、障壁海岸、碳酸盐潮坪3种沉积相类型,含煤13层,主要可采煤层为81、84、9、15号煤层,其中81、84号煤层为局部可采,9号煤层为大部可采,15号煤层为全区可采。

图2 寺家庄井田位置图Fig.2 Location of Sijiazhuang coal mine

主要研究太原组9号煤层以及15号煤层。9号煤层较薄,煤层厚度为0.13～3.50 m,平均1.24 m。顶板多为泥岩,有时为粉砂岩,顶板上覆有标志层S2砂岩；底板为泥岩或砂质泥岩,有时为S1细-中砂岩；属三角洲相沉积,成煤环境比较好。 15号煤层为全区稳定可采的厚煤层。煤层厚3.10～8.65 m,平均5.67 m,全区可采,夹矸岩性为泥岩及炭质泥岩。15号煤层顶板为砂质泥岩或粉砂岩；底板常为炭质泥岩,有时为砂质泥岩或粉砂岩；属碳酸盐潮坪相沉积,煤层层位稳定,分布面积广。

2.2 基础数据

采用的三维地震数据体预先进行了三维叠前时间偏移处理,波组特征较好,同相轴连续,层次清楚。其中,9号煤层反射波(T9波)能量较强、连续性较好,但由于81号、 84号煤层与9号煤层的间距较小,部分地段T9波变为81号、84号煤层和9号煤层的复合反射波或84号和9号煤层的复合反射波,因此,T9波波形不稳定；15号煤层反射波(T15波)能量强、连续性好、波形稳定。研究区内共有钻井14口,全部钻穿目标地层,其中6口有测井数据,具有自然伽马(GR)、声波时差(DT)、密度(RHOB)等测井曲线,并已进行了标准化处理。

3 反演过程与反演效果

3.1 谱蓝化及有色反演过程

首先对井资料的波阻抗做频谱分析(图3)。提取研究区内各单井测井资料的波阻抗振幅谱[图(3a)],得到其平均波阻抗振幅谱[图(3b)]。

其次对地震数据体做频谱分析(图4)。谱蓝化采用原始地震数据体随机选择40道地震数据做地震道振幅谱分析,而有色反演采用的地震数据体为经谱蓝化处理技术提频后的数据体。

图3 测井资料的波阻抗振幅谱图Fig.3 Wave impedance amplitude spectrum of logging data

图4 地震数据体振幅谱图Fig.4 Seismic data volume amplitude spectrum

图5 有色反演剩余算子振幅谱Fig.5 Amplitude spectrum of colored inversion residual operator

然后设计谱蓝化及有色反演算子,使地震道平均振幅谱与测井平均波阻抗振幅谱相匹配。图5中地震平均振幅谱曲线和测井平均波阻抗拟合曲线匹配较好,且剩余算子振幅谱接近于0,表明设计的有色反演算子与地震、测井资料的匹配程度较高,可以用来进行有色反演。

最终施加有色反演匹配算子到地震数据体完成褶积处理。谱蓝化提频技术得到谱蓝化地震数据体,有色反演得到相对波阻抗体。

3.2 谱蓝化提频技术应用效果

通过对寺家庄区块地震勘探数据体进行谱蓝化拓频技术处理,得到了寺家庄谱蓝化数据体,从地震频谱图(图6)可知,地震主频从约55 Hz提高到75 Hz,提高了对薄层的识别能力。从原始地震数据体地震剖面和谱蓝化数据体地震剖面对比(图7)来看,谱蓝化数据体分辨率较原始数据体明显提高,在高频弱信号的能量强度增强的同时,基本保持了原始地震勘探数据的信噪比、振幅相对强弱关系和时频特性。

图6 地震频谱对比图Fig.6 Comparison in seismic spectrum

图7 地震剖面对比Fig.7 Comparison of seismic section

在实际的地震剖面数据解释过程中,通过对原始地震数据体进行谱蓝化,地震资料质量得到明显改善。图8所示为原始地震与谱蓝化数据剖层位追踪对比图,在进行9号煤层解释的过程中,发现其原始地震数据体剖面同相轴反应模糊,无法进行精确追踪；而在谱蓝化地震数据体中,9号煤同相轴由原始地震数据中的一条变为两条,而且形态清晰,可以对9号煤层的追踪解释做出明确判断。这种现象是因为原始地震数据体由于受分辨率的限制,表现为复合波谷的特征；而经过谱蓝化拓频处理后,地震数据体分辨率提高,复合波谷分解,分辨出的新同相轴能够与实际地层更好的对应。而在煤层中,由于煤层与泥岩层多有薄互层的情况,因此更容易出现复合波谷。

图8 层位追踪对比Fig.8 Contrast of horizon tracking

由此可见,通过谱蓝化拓频技术处理的地震剖面数据分辨率与原始地震数据相比有了一定程度的提高,同相轴与地质界面对应关系更好,有利于进行煤层及其顶板层位岩性的精细解释。

3.3 反演结果与分析

在反演后的相对波阻抗数据体及剖面上,不同颜色代表相应的岩性特征及在垂向和横向上的变化规律。图9所示为L59井有色反演相对阻抗剖面图,从图9中可以看出剖面中15号煤层相对波阻抗特征连续、清晰且呈稳定低值,顶板为相对波组抗较低值的泥岩,底板为较薄层泥岩,下伏厚层砂岩K1砂岩波相对阻抗则呈高值,与该区地层情况有很好的对应关系；剖面中9号煤层相对阻抗特征亦连续、清晰,呈稳定低值,顶板为砂岩,底板为较薄层泥岩,下伏厚层稳定的S1砂岩。由此可以说明,有色反演的相对波阻抗特征与区内L59井钻孔岩性(图10)两者相吻合,说明反演结果具有一定的预测性。

在煤层顶板层位向上1 ms以及5 ms的相对波阻抗进行了连续切片分析,得到煤层顶板岩性不同时间的相对波阻抗沿层平面图(图11),结合部分钻孔岩性资料(图12),发现其中向上顶板层位1 ms的切片可以直接反映煤层顶板岩性的平面变化。由图11(a)可知,9号煤层顶板岩性大部分地区呈相对波阻抗较高值或高值,推测为粉砂岩及砂岩地层；中南部相对波阻抗值较砂岩低,相比煤层较高,推测为局部上覆岩性为泥岩；东南部零星区域有反映煤层的相对波阻抗低值,为9号煤层顶板与上覆8号煤层之间很薄的薄层,现阶段有色反演资料无法进行分辨。由图11(b)可知,煤层顶板向上5 ms的相对波阻抗值较高,说明煤层顶板向上由区域部分砂岩分布转变为全区大部砂岩层分布,与该地区基础地质资料显示9号煤与8号煤的S2砂岩层相吻合。图13所示为9号煤层顶板岩性分布图。

图9 L59井有色反演相对阻抗剖面Fig.9 The relative impedance of colored inversion for Well L59 profile

图10 L59井钻孔岩性柱状图Fig.10 Borehole lithology histogram of well L59

图11 9号煤层不同时间地层切片Fig.11 Section map of No. 9 coal seam at different time

图12 部分钻孔9号煤顶板岩性柱状图Fig.12 The lithology histogram of partial borehole of No.9 coal roof

图13 9号煤层顶板岩性分布Fig.13 Lithology distribution of No.9 coal seam roof

由15号煤不同时间的相对波阻抗沿层平面图(图14)结合部分钻孔资料(图15)可知,15号煤层顶板岩性大部分地区呈相对波阻抗较低值,推测为顶板岩性为泥岩地层,零星区域为的相对波阻抗较高值的粉砂岩及砂岩；煤层顶板向上5 ms的相对波阻抗较高,表现为南部及北部砂岩地层居多,中部大部分为泥岩地层。图16所示为15号煤层顶板岩性分布图。

图14 15号煤层不同时间地层切片Fig.14 Section of No.15 coal seam at different timinge

图15 部分钻孔15号煤顶板岩性柱状图Fig.15 Lithology histogram of partial borehole of No.15 coal roof

图16 15号煤层顶板岩性分布Fig.16 Lithology distribution of No.15 coal seam roof

4 结论

(1)现有的煤层顶板岩性预测方法主要通过提取地震属性以及基于模型的波阻抗反演来实现,需要以丰富的测井资料为数据基础,在少井区难以进行可靠、精确的预测。为此利用有色反演对测井的依赖度较低、平面分辨率较高以及反演产生的相对波阻抗的变化对应于岩性的变化的特点,来对少井区地震数据中的煤层顶板岩性分布特征进行预测。

(2)通过对原始地震数据进行谱蓝化拓频技术处理,处理后地震剖面数据分辨率有明显提高,同相轴与地质界面对应关系更好。在谱蓝化基础上进行有色反演产生的相对波阻抗体特征与钻孔岩性两者相吻合,不同时间的地层切片亦验证了有色反演的可靠性,说明有色反演结果在研究区具有可靠的预测性,可以对地震数据中的煤层顶板岩性分布特征进行预测。

(3)有色反演结果表明,寺家庄矿区9号煤层顶板岩性大部为砂岩及粉砂岩,中南部局部区域上覆岩性为泥岩,顶板岩性向上全区基本为砂岩；矿区15号煤层顶板岩性基本为泥岩,零星区域为粉砂岩及砂岩,顶板岩性向上表现为南部及北部砂岩地层居多,中部大部分为泥岩地层。