地震波阻抗反演在预测薄煤层厚度变化趋势的研究及应用

刘光辉

(山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局,山西 太原 030045)

1 前言

某矿位于沁水煤田阳泉矿区的东南边缘。该矿井田地表基岩大面积出露，结合钻孔揭露情况，井田沉积地层由老至新分别为奥陶系中统峰峰组(O2f)、石炭系中统本溪组(C2b)、石炭系上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)、二叠系下统下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、第四系中上更新统(Q2+3)。井田内构造较简单，总体为一走向NE，倾向NW的单斜构造，地层倾角3°～10°。在单斜基础上发育有次一级宽缓褶曲，并有小型断层，构造线(断层及褶曲轴)以北东向为主。

本区内主要煤层为3、12、15号煤层。3号煤层区内钻孔见煤平均煤厚1.23m；12号煤层区内钻孔及巷道若干见煤点统计平均煤厚约1.28m，煤层较稳定；15号煤层区内钻孔见煤平均煤厚5.695m，层位稳定。3号煤层与12号煤层平均间距约为80m，12号煤层与15号煤层平均间距约为40～50m，各煤层与其顶板，底板围岩存在明显的速度和密度差异，各煤层均能形成可连续追踪对比的地震反射波。12号煤层与15号煤层在原三维地震勘探工作后已完全采掘。

本区内3号煤层为主要研究目的层。区内3号煤层厚度发育较薄，厚度变化较大并存在冲刷带，为了经济高效的采掘3号煤层，合理布置工作面，本次基于以往三维地震勘探原始资料，经重新处理，采用波阻抗反演技术，预测该煤层厚度的变化趋势。

2 地震波阻抗反演工作及思路

2.1 已有资料基本情况

地震波阻抗反演法计算煤层厚度方法原理：由于煤层的波阻抗值与其他地层相比明显较低，并介于一定幅值之间，可以以这一区间作为煤层的门槛值，在全区进行追踪，转换为三维地震数据体上的样点数，利用数学方法将其与实际钻井结果进行匹配，从而达到预测煤层厚度分布的目的[1]。

通常地震波阻抗反演需要的基础资料为高分辨率保幅处理地震数据体和相关钻孔测井资料，两者缺一不可。

本次采用的地震数据体为通过二次精细处理保真、保幅、高分辨叠前偏移数据体。经过二次精细保幅处理，使得地震数据体频谱被拓宽，具体如图1所示。

图1 二次处理叠前偏移数据体频谱分析

本次区内有3口钻孔(103、106、127孔)，由于完钻年代早，故没有测井曲线，但收集到了钻孔岩性资料和地质分层数据。

2.2 情况分析及思路

(1)研究勘探区域内钻孔没有测井资料，缺少进行地震波阻抗反演的条件，经过分析研究，决定采用收集到的附近合适的钻孔岩性及声波时差测井资料，结合本区钻孔的岩性和地质分层资料，拟合出可用的声波时差曲线，用于本次地震波阻抗反演。

(2)研究地震勘探区域区内12号煤层已完全采掘，12煤层煤厚度与3号煤层相仿，且巷道内煤厚测点较多。决定首先分析研究12号煤层的厚度变化趋势，将结果与已知煤厚数据进行比较，以验证所用反演方法的有效性及选用参数的合理性，然后再用于3号煤层厚度地震波阻抗反演预测[2]。

3 声波时差曲线的拟合

经过收集整理及分析后认为位于附近具有较完整测井资料的三口钻井可供使用，具体实施如下：

(1)以区内三口钻孔的岩性柱状图为基础，根据岩石沉积规律为依据，划分出下石盒子组至太原组的三级层序界面。其中P1X、P1S、C3T3、C3T2也为地质界面，P1X为下石盒子组底界面，P1S为山西组底界面，C3T3为太原组三段底界面，C3T2为太原组二段底界面。

(2)通过对收集到的三口钻孔各岩性与声波时差的统计，泥岩声波时差以400μs/m为基准线；定义煤层的声波时差为400～530μs/m，具体值则参考层序中的含煤百分比来确定；定义砂岩的声波时差为250～400μs/m，具体值参考砂岩颗粒的粗细、砂岩厚度及层序中的含砂百分比来确定；定义灰岩的声波时差为200～250μs/m，具体值则参考灰岩厚度及层序中的含灰百分比来确定，具体如图2所示。

图2 各岩性声波时差的统计及煤层门槛值确定

4 存在的问题及弥补手段

(1)由于声波时差主要根据岩性数据拟合出来，要求岩性数据描述准确，深度定位准确。但是由于区内钻井缺乏测井资料，必须通过钻孔岩性剖面、钻孔岩性描述的一致性对比及其他已知资料来保证岩性拟合数据的准确性。

原始103孔岩性剖面在PS10与PS9之间砂少泥多，收集的3号煤底板图的103孔部位为煤层冲刷，且103孔在288.68～300.97m井段，虽然命名为砂质泥岩，但是在钻孔岩性描述中，该井段中部描述为“砂岩层，含植物化石”，从而也证明了3号煤层冲刷带的存在。综合分析认为钻孔岩性剖面在局部不够准确，但可根据钻孔岩性描述来还原真实情况。

综上分析，首先根据岩性描述等已知资料对每口钻孔的岩性进行了重新检查，并通过多口井岩层的小层对比，确定重要岩层的性质、位置和厚度。

(2)通过拟合的声波曲线合成地震记录道，将它与井旁地震道的进行相关分析，来推断声波时差曲线拟合的合理性。相关性高自然说明声波曲线拟合的合理性要高，如果全合成记录道与井旁地震道相关系数较低，可适当调节相关性不好部位的声波曲线幅度，比如合成记录道比井旁地震道能量强，可适当调低上下层声波曲线幅度差，反之亦然，直到合成记录道相关系数达到合适水平。

106孔全部合成记录道与井旁地震道的平均相关系数为65.2%，说明该孔拟合的声波曲线较合理。

(3)在反演过程中，通过充分融合钻井点的地质、地震信息，先在拥有较多已知信息的12号煤层进行厚度预测，经对比、分析、研究后再合理的调整相关参数，通过上述手段将地质资料、地震资料有机融合在一起，使拟合声波时差曲线与真实情况的偏差所带来的不利因素大为降低，可以相对客观地反映地下的真实情况。

5 结论

(1)由于缺乏本区钻孔测井资料，故基于区内钻地质资料及附近合适钻孔地质、测井资料，拟合重构声波测井曲线后进行波阻抗反演，并达到了预期效果。

(2)充分利用已经采掘的、厚度相仿的12号煤层已知资料，对声波测井曲线拟合及反演参数进行验证及合理的修正，既弥补了的人为拟合带来的不足，又一定程度上提高了本次反演预测3号煤层厚度的准确率。

(3)本次工作对3号煤层进行了进行波阻抗反演预测煤层厚度，得到了3号煤层厚度变化趋势，该煤层在本区内总体厚度分布为北部较厚，南部较薄，东南部存在冲刷区。3号煤层厚度变化趋势图如图3所示。

图3 波阻抗反演预测3号煤层厚度变化趋势图