井巷约束实时动态速度建模

2020-09-04孟建盛王建军杜百灵

工程地球物理学报 2020年4期

孟建盛，王建军，杜百灵

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

1 引言

随着煤炭勘探开发向复杂构造区域的深入，断裂构造，特别是小构造的摆动误差，严重威胁了矿井安全生产。因此，提高小断层的勘探精度非常重要。如何提高小断层的勘探精度是人们当前极为关注的问题。众所周知反射点及绕射点的正确偏移归位对提高勘探精度具有重要作用。当前偏移归位较好的叠前时间偏移方法仅在横向速度稳定的时候效果较为明显[1]，但面对复杂勘探条件下的倾斜界面，尤其是煤层沿层速度变化较大的复杂矿区时，叠前时间偏移勘探精度已不能满足煤矿安全生产需要。叠前深度偏移能够更好地解决煤层沿层速度变化较大的复杂区域的偏移归位问题[2,3]，提高构造的勘探精度。因此，在煤层沿层速度变化大的复杂矿区研究适用于煤炭勘探特色的一种叠前深度偏移方法，进而提高小断层的解释精度，对煤矿回采面的重新部署具有重要的指导意义。

煤炭勘探领域的叠前深度偏移技术经过了二十年的发展[4,5]，还只是停留在方法研究阶段，未能达到推广应用并指导煤矿生产的地步。深度域速度模型的精度对叠前深度偏移成果的质量影响巨大。随着计算机技术的发展，根据煤田地震资料信噪比高、钻孔较多且分布较为均匀的资料，再加上巷道实际揭露的大量见煤点，井巷数据为深度域速度模型的精度提供了可靠的保障，井巷约束下实时动态速度建模由此而生。

2 叠前深度偏移的优势

与叠前时间偏移相比，叠前深度偏移之所以能在横向速度变化较大的区域能更好的实现偏移归位，是因为叠前时间偏移的应用前提条件是水平层状介质或均匀介质，其绕射点和时间偏移后成像点的横向空间位置相同。但是多数情况下，反射界面是倾斜的(图1)，也就是横向速度是变化的，这样透射波就会产生折射时差，使绕射点和成像点的横向空间位置存在差异。发生这种差异是因为叠前时间偏移算法只考虑绕射项，忽略了折射项，而叠前深度偏移算法相比叠前时间偏移算法不仅有绕射项，还引入了折射项，从而消除了折射时差[6]。按照叠前时间偏移和叠前深度偏移的算法差异，对横向速度变化的模型分别正演出时间偏移剖面和深度偏移剖面，结果如图2所示。从图2可以看到，时间偏移剖面与真实模型差异巨大，基本不能真实成像，而深度偏移却大大提高了偏移成像质量，与真实模型较为一致。所以在理论上可以证明，叠前深度偏移是比叠前时间偏移更好的空间偏移归位方法。

图1 倾斜界面下的叠前时间偏移示意

图2 速度模型正演时间偏移与深度偏移剖面

3 井巷约束实时动态速度建模

以淮北临涣矿区三维地震数据为例进行速度建模。速度模型的精度对叠前深度偏移剖面的质量起着决定性的作用[7,8]，而速度模型的建立包括：初始速度模型的建立、沿层层析成像、网格层析成像等。本文研究出了适应煤炭特色的井巷约束实时动态速度建模方法，首先利用井巷约束下的速度分析在网格层析的基础上继续更新速度模型，得到更加精准的深度域速度模型，然后在此基础上，随着实时回采到的新的巷道数据，动态地优化更新速度场，实时提高深度偏移成果质量。

井巷约束实时动态速度建模具体流程见图3。

图3 井巷约束实时动态速度建模流程

3.1 初始速度模型建立

3.1.1 时间域构造模型建立

为建立初始的深度域速度模型，需在叠前时间偏移数据体上进行目标层位的标定。具体做法是对研究区地震资料进行精细时间域层位解释，选择续性好、能量强的同相轴进行追踪。本次研究选择第四系、3、7、9、10煤这5层进行层位解释。在构造解释过程中，通过三维立体实时动态监控InLine和CrossLine方向的解释层位，以确保各个层位空间闭合,最终建立时间域的构造实体模型(图4)。

图4 建立时间域构造实体模型

3.1.2 初始层速度体产生

将上一步得到的时间域构造实体模型充填时间域沿层层速度(由叠加速度和井巷约束建立层速度)，进行时深转换即可得到深度域的构造实体模型，再将深度域的构造实体模型充填沿层层速度得到深度域初始层速度体，即可建立深度域的初始速度模型(图5)。

图5 初始速度模型的建立

3.2 沿层层析成像

初始速度模型建立后，需对上一步已经获得初始速度模型进行速度更新，速度更新先采用沿层层析成像。沿层层析成像就是沿层拾取剩余谱后，通过层析成像[9]对层速度进行优化，然后用优化后的新层速度体进行目标线的偏移，反复进行迭代，直到使该目标层的剩余层速度误差趋于零。从上至下，对各个目标层分别进行速度更新。图6是沿层迭代前后的对比图，从图6可以看出，迭代后的剩余延迟速度谱更加收敛，更加趋于零。在沿层层析成像后再进行垂向的剩余速度分析，从而使得深度方向上能量团也趋于零。

图6 沿层剩余速度分析

3.3 网格层析成像技术

网格层析成像流程实现步骤如下[10,11]：

1)利用上一步更新后的速度模型进行叠前深度偏移，得到深度域数据体；

2)提取深度域的数据属性体(地震资料同相轴的连续性体、地层倾角体及方位角体)；

3)根据地层连续性，一般情况下是自动提取地震资料的内部反射层位，但是为了提高精度，由解释人员手动在深度域进行精细的层位追踪，以确保解释层位绝对准确；

4)根据叠前深度偏移得到的共成像点道集，拾取目标测线的深度剩余速度，形成深度剩余速度体；

5)将上述的三种地震属性体、深度剩余速度体、初始层速度体，内部反射层位等几种数据体融合创建一个Pencil数据库，使得每个地震记录包含上述几种信息，为旅行时计算奠定基础；

6)建立包含多个层位的全局网格层析成像矩阵；

7)利用最小二乘法，在上述几种信息的约束下，求解网格层析成像矩阵，得到优化后的深度域层速度体。

3.4 井巷约束实时动态优化速度场

3.4.1 井巷约束优化速度场

在上一步网格层析速度场精细调整的基础上，利用测井分层数据、巷道数据，通过井巷约束，进一步优化深度偏移速度场。井巷约束优化速度场是煤炭地震勘探的一大特色，专门针对煤炭勘探钻孔密、巷道见煤点多的特点，通过求取各个目标层沿层各项异性[12]Delta(深度差)值，进而校正优化偏移速度场。具体步骤如下:

1)根据井巷约束前的深度偏移剖面精细解释层位；

2)利用解释的层位建立深度域的构造模型；

3)根据钻井分层深度、巷道见煤点深度与模型深度计算各向异性Delta(深度差)值；

4)根据钻井和巷道见煤点处的各向异性Delta值建立层约束下的Delta场(图9)；

图9 临涣矿区六采区断层SDF8在PSTM、PSDM 剖面InLine 729线对比

5)将各向异性的Delta场和各向同性层速度场转换成各向异性的垂向速度场；

6)利用各向异性的垂向层速度场进行各向异性的叠前深度偏移。

通过井巷约束优化的速度场，可以消除不确定因素造成的速度场的偏离，使得速度模型更加接近真实速度，最终的速度场更符合地质规律，最终的深度偏移结果更客观、更合理、更准确，从而极大程度地提高偏移成果质量。图7是10煤层沿层各项异性Delta(深度差)场平面图。

图7 10煤层沿层Delta(深度差)场平面

3.4.2 实时动态优化速度场

随着实时回采得到新的巷道数据，重复以上井巷约束优化速度场方法动态地更新速度场，这样多次迭代，不断提高深度偏移成果质量，直至建立真实的速度模型，同时获得最高精度的叠前深度偏移数据体。

4 应用效果

通过淮北临涣矿区叠前时间偏移(PSTM)和叠前深度偏移(PSDM)剖面对比(图8)可以看到，叠前时间偏移剖面浅层新生界地层形成的反射波同相轴连续性较差，而通过叠前深度偏移处理后，浅层新生界地层形成的反射波与叠前时间偏移剖面相比连续性有了较大的改善。且叠前时间剖面上断层DF151和DF153的断点不够清晰(图8a)中红色圆圈为PSTM剖面解释断点位置)，通过叠前深度偏移处理后，叠前深度剖面比叠前时间剖面上DF151和DF153的断点更加清晰、干脆(图8b)中红色圆圈为PSDM剖面解释断点位置)。

图8 临涣矿区PSTM与PSDM剖面对比

同时结合临涣矿区回采面信息，断层DF8为巷道实见断层(图9中红色虚线为巷道实见断点位置)，断层DF8在叠前时间偏移(PSTM)剖面上、下盘落差仅4 ms(按平均速度3 000 m/s计算，落差为6 m)，与巷道实见断层摆动误差达25 m(图9a)中红色圆圈为PSTM解释断点位置)，在叠前深度偏移(PSDM)剖面上、下盘落差为12 m，巷道此处实见断层为13 m，且与巷道实见断层摆动误差10 m以内(图9b)中红色圆圈为PSDM解释断点位置)，由此可知，深度域(PSDM)剖面与巷道实见断层不管是在落差上还是摆动误差上都更为相符。