基于地震波形指示反演的陷落柱识别方法及应用

2020-08-19万照飞郭增虎唐美珍韩天宝刘良琼

煤田地质与勘探 2020年4期

万照飞，郭增虎，王鹏，唐美珍，韩天宝，刘良琼

(中国石油东方地球物理公司研究院地质研究中心，河北涿州 072750)

陷落柱发育严重破坏了煤层的连续性，并且打破了煤层气藏的原本平衡系统；此外，还沟通了附近的地层水，使煤层气遭受水洗作用，严重影响了煤层的含气性[1]。因此，精确查明陷落柱的发育情况，对避免勘探开发失利及提高生产效率具有重要意义。目前，三维地震勘探技术是查明陷落柱的主要技术方法，近几年诸多学者围绕陷落柱的地震响应特征及识别技术进行了研究与分析[2]，张时元等[3]在徐州矿区利用三维地震技术解释陷落柱，并得到了工程验证。目前，基于三维地震的主要识别方法是相干、蚂蚁体、曲率、振幅提取等地震属性[4-8]。从原理来看，这些方法都是基于三维地震数据利用陷落柱这一构造引起的地震反射同相轴的波形变化即非连续性进行的平面识别[9-13]；而陷落柱除地震响应特征外，自身具有一定的地球物理特征(纵波阻抗值高)，因此，近年有学者基于地震数据，利用地震反演的方法对陷落柱进行识别，认为从反演得到的波阻抗数据体提取煤层及其顶板波阻抗切片能清晰反映陷落柱在煤层中的平面位置及形态[14]。波形指示反演技术是在地震波形特征指导下(相控)对反射系数组合寻优的过程，是目前有效的储层定量预测技术之一，该反演技术有效提高了储层预测的精度和可靠性，尤其适用于横向变化快、非均质性强、薄互层等储层的高精度预测[15]。其核心思想是利用地震波形的横向变化代替变差函数表征储层的空间变异程度[16]。基于此，笔者将波形指示反演技术应用到陷落柱识别中，在反演运算时，将陷落柱的地震波形、振幅变化信息代替变差函数表征陷落柱特征，地质解释时，结合陷落柱高波阻抗这个特征，从而实现对陷落柱的识别。并在沁水盆地樊庄区块进行了实际应用，取得了较好的效果。该方法既为陷落柱识别提供了思路，也拓宽了反演技术的应用领域。

1 陷落柱的地质及地球物理特征

1.1 地质特征

陷落柱又称“无炭柱”，是在一定地质、水文地质条件下，地下溶蚀垮塌由上覆非可溶性岩层坍塌充填形成的一种特殊地质构造。其平面形态大多呈椭圆形；直径大小不等，一般在几十米至百米间。剖面形态(图1)多表现为4 类：筒形、斜塔形、锥体形、不规则形(不常见)。根据陷落柱塌陷程度不同，可分为通天柱、半截柱和下伏柱3 种[17](图2)。

图1 陷落柱常见类型的地震剖面Fig.1 Seismic profiles of common collapse columns

图2 不同塌陷程度的陷落柱Fig.2 Schematic diagram of collapse columns with different collapse degree

1.2 波阻抗特征

煤层声波时差范围一般为340～440 μs/m，密度为1.25～1.75 g/cm3，与其他岩性对比，煤层呈“低速、低密度”的特征；煤层声波阻抗值的范围一般在2 500～6 000 (g/cm3) · (m/s)，相对其他岩性属于低纵波阻抗的特征(图3)。而由陷落柱的形成机制可知，陷落柱内受塌陷作用影响而被上覆相对煤层为高纵波阻抗的地层岩石所充填，因此，煤层中陷落柱发育的位置呈高纵波阻抗的特征。

图3 纵波阻抗直方图Fig.3 Column diagram of vertical wave impedance

1.3 地震响应特征

应用Teseeral 软件对不同尺度陷落柱的地震响应特征进行正演分析。地质模型参数是以沁水盆地zs30 井的声波速度和密度曲线为基础产生的层状介质模型(图4a)：750 m 以浅主要地层为砂泥岩互层夹煤层，其中，3 号和15 号煤层纵波速度2 000 m/s，密度1.8 g/cm3；砂泥岩互层纵波速度为2 800～3 500 m/s，密度2.0～2.6 g/cm3；750～800 m 为灰岩地层，纵波速度为6 750 m/s，密度2.8 g/cm3。在此基础上，建立不同规模尺寸的陷落柱模型，根据沁水盆地陷落柱的发育特征，尺寸规模分别定为直径20、40、60、80、100 m。陷落柱充填速度为3 000 m/s，密度2.5 g/cm3，自激自收，CDP 道间距为20 m。选用35 Hz 的零相位雷克子波，子波长度为100 ms，采样率为1 ms，得到陷落柱模型的正演剖面(图4b)。

根据正演地震剖面分析可知：

①落柱发育尺度越大，地震响应越明显，反之，则越不明显；② 陷落柱尺度较大时(直径不小于40 m)，地震反射同相轴振幅明显减弱、中断或弯曲；③陷落柱尺度较小时(直径小于40 m)，地震同相轴无明显的中断以及其他的直观特征，但振幅存在一定的减弱。

综上所述，陷落柱的发育在地质构造上会造成上覆地层向下塌陷，从而使煤层发育段被高纵波阻抗的地层或岩石所充填，因此，煤层中陷落柱发育位置表现为高纵波阻抗的特征；此外，从正演地震资料上看，陷落柱也会产生反射同相轴的中断、弯曲等波形变化和振幅减弱的响应特征。

图4 陷落柱模型及正演地震剖面Fig.4 Collapse column model and forward seismic profile

2 地震波形指示反演原理及步骤

2.1 基本原理

地震波形指示反演是在传统地质统计学基础上发展起来的新的统计学方法[18-19]。它采用地震波形指示马尔科夫链蒙特卡洛随机模拟(SMCMC)算法，在地震波形的驱动下，挖掘相似波形对应的测井曲线中蕴含的共性结构信息(图5)；进行样本统计，可参照波形相似性和空间距离2 个因素，在保证样本结构特征一致性的基础上按照分布距离对样本排序，优选与预测点关联度高的井作为初始模型，对高频成分进行无偏最优估计，并保证最终反演的地震波形与原始地震一致；从而使反演结果在空间上体现了沉积相带的约束，在平面上更符合沉积规律和特点。

2.2 步骤

首先，按照地震波形特征对已知井进行分析(图5)，优选与待判别道波形关联度高的井样本建立初始模型，并统计其纵波阻抗作为先验信息[20]。然后，将初始模型与地震频带阻抗进行匹配滤波，计算得到似然函数。如果2 口井的地震波形相似，表明这2 口井大的沉积环境是相似的，虽然其高频成分可能来自不同的沉积微相，差异较大，但其低频具有共性，且经过井曲线统计证明，其共性频带范围大幅度超出了地震有效频带。利用这一特性，既可以增强反演结果低频段的确定性，同时约束了高频的取值范围，使反演结果的确定性更强(图6)。最后，在贝叶斯框架下，联合似然函数分布和先验分布得到后验概率分布，并将其作为目标函数，不断扰动模型参数，使后验概率分布函数最大时的解作为有效的随机实现，取多次有效实现的均值作为期望值输出。

式中：Z(x0)为未知点的值；Z(x0)为波形优选的已知样本点的值；λi为第i个已知样本点对未知样点的权重；n为优选样本点的个数。

图5 波形指示样本优选示意Fig.5 Schematic diagram of waveform indication sample optimization

图6 测井曲线多尺度分析Fig.6 Multi-scale analysis of logging curves

实践表明，基于波形指示优选的样本，在空间上具有较好的相关性，可以利用马尔科夫链蒙特卡洛随机模拟进行无偏、最优估计，获得期望和随机解。

2.3 识别陷落柱的适用性分析

常规地震剖面受调谐作用影响，其地震反射同相轴的反射信息是周围多套地层反射信息叠加的结果，其纵向分辨率较低。因此，基于地震数据的沿层属性是代表的周围地层及岩性反射信息的叠加。而反演得到的纵波阻抗体纵向分辨率有明显提高，因此，沿层提取的波阻抗切片可以降低受围岩反射信息的影响，能够更加突出目的层的横向信息变化，此外，由上文分析可知，陷落柱发育位置相对煤层具有高纵波阻抗的特征，而且在地震资料上具有波形变化和振幅减弱的地震响应特征。而地震波形指示反演是一种利用地震波的横向变化代替变差函数表征储层的空间变异程度的反演方法。其核心算法中存在地震波形和振幅对比这一过程，并在这一基础之上得到最终的纵波阻抗数据体。因此，通过这种反演方法，地震道之间的波形和振幅差异会体现在纵波阻抗体阻抗值横向变化上。

总之，波形指示反演技术在运算过程中可以将陷落柱发育位置的地震波形、振幅变化信息有机地融合到反演的纵波组抗体中，从而实现利用波阻抗体对陷落柱进行识别及刻画。

3 实际应用及效果分析

沁水盆地是我国主要煤层气勘探区，其中，樊庄区块随着研究的不断深入，勘探开发已经相对成熟。3 号煤层厚度较厚，煤体结构好，含气量高，为该地区主力勘探层系，埋深500～700 m。该地区煤层之下灰岩发育，岩溶作用比较强，陷落柱在该地区比较发育，对煤层气的高效开发产生了不良影响。根据勘探开发需求，完成三维地震勘探。三维地震资料主频为30 Hz，频宽10～80 Hz，信噪比高，品质较好，道间距为20 m，满足波形指示反演方法的应用。

在精细构造解释的基础上，利用工区已有的地震和钻井资料，按照图7 技术路线开展反演工作。其中有效样本数主要表征地震波形空间变化对储层的影响程度，是控制地震波形指示反演进行样本优选的关键参数。通过质量监控开展数据分析确定有效样本数为4。此外，地震波形指示反演低频主要是受地震频带及地震相的影响，高频则主要受同沉积结构样本的控制，越到高频随机性越强，通过质量监控确定最佳截止频率为150 Hz。

图7 技术路线Fig.7 Technical route

在波形指示反演得到的纵波阻抗数据体上，通过沿3 号煤层提取纵波阻抗值得到3 号煤层顶部纵波阻抗平面特征(图8)。从图8 可知，该沿层纵波阻抗切片值域范围4 000～10 450 (g/cm3)·(m/s)。低波阻抗值为4 000～6 000 (g/cm3)·(m/s)，即图中呈片分布的绿色区域；但也有6 000～10 450 (g/cm3)·(m/s)的纵波阻抗相对高值区，呈条带或斑点状分布，即图中红色区域。由前文分析可知，其中绿色区域为煤层的发育区，呈近似斑点状的即为陷落柱的响应，呈线状或者条带状的为断层响应。

图8 3 号煤层沿层波阻抗切片Fig.8 Slice of wave impedance along No.3 coal seam

从图9 可知，平面上11 个预测的陷落柱在剖面上都有显著的特征：在陷落柱发育位置地层向下塌陷，尤其1 和2 号陷落柱，由于发育规模较大，陷落柱发育位置煤层明显塌陷到了3 号煤层的下伏地层中。4—11 号陷落柱发育规模较小，煤层相对较连续，相对于规模大的陷落柱特征不明显，煤层存在下弯的形态，可以发现5、6、8、10 号陷落柱煤层下方存在明显的低纵波阻抗的斑点，体现了煤层呈向下塌陷的趋势；此外，每一个陷落柱发育的位置相对于3 号煤层的上方都会有一个高纵波阻抗值的斑点，这是煤层上覆高纵波阻抗的地层或岩石塌陷到煤层里的表现。

从陷落柱预测结果来看，樊庄区块陷落柱比较发育，统计共有356 个，但平面分布具有差异性，其中南部陷落柱发育286 个，北部则发育较少，只有70 个。这与相干属性识别的陷落柱数量及分布规律基本吻合：相干属性识别陷落柱307 个，其中南部255 个，北部52 个。此外，从目前的钻井情况看，其中产气井主要集中在北部，南部钻井则只在西侧具有相对少数产气井。含气性较好的区域基本集中在北部而南部较少，研究分析这可能与陷落柱的发育情况具有一定的相关性。此外，从区域水文地质条件来看，如图10 所示，在该区块中部(图10 中虚线)发育有地下分水岭，其北部水动力弱，而南部水动力相对活跃，水洗严重，溶蚀作用强，容易发育陷落柱[21]。这与陷落柱预测的分布特征相一致。

图9 过陷落柱的反演波阻抗剖面Fig.9 Inversion wave impedance profile across collapse column

图10 樊庄地区奥陶系灰岩地层水文地质情况Fig.10 Hydrological conditions of Ordovician limestone in Fanzhuang area

总之，陷落柱的预测结果具有3 个一致性，体现了预测成果的可靠性：①从剖面的特征来看，预测的陷落柱发育位置的纵波阻抗特征与陷落柱受下伏灰岩溶蚀造成塌陷的形成机制相一致；② 从平面和剖面分析来看，平剖陷落柱预测具有较好一致性；③预测陷落分布特征与钻井及水文地质背景相一致。由此可知，波形指示反演方法能够实现对陷落柱的有效预测与识别。