黄土塬区延安组煤层地震响应特征物理模拟研究

邢廷栋，薛诗桂，黎小伟，索重辉，王辉明，焦艳艳

黄土塬区延安组煤层地震响应特征物理模拟研究

邢廷栋1,2，薛诗桂1,2，黎小伟3，索重辉1,2，王辉明1,2，焦艳艳1,2

(1. 中国石化地球物理重点实验室，江苏 南京 211103；2. 中国石化石油物探技术研究院，江苏 南京 211103；3. 中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南 郑州 450006)

针对黄土塬区延安组煤层地震响应复杂问题进行地震物理模拟研究。首先，研发适用于黄土塬地表干黄土层和煤层的模型材料，经过多次试验，最终选用在硅橡胶中添加硅气凝胶粉末的混合材料模拟疏松黄土塬地表层，选用在硅橡胶中添加超细碳粉的混合材料模拟低速低密度煤层；通过模具控制层位、逐层浇筑、三维雕刻起伏地层等方法，制作黄土塬区典型地质结构的三维地震物理模型，并开展地震物理模拟及地震成像分析。结果表明，延安组煤层与围岩较大的波阻抗差异形成较强的反射振幅，对下部地层的成像有较强的屏蔽作用；较厚的多组煤层之间会形成层间多次波，影响下伏地层的成像。用地震振幅属性对煤层进行刻画时，计算时窗大于40 ms更有利于煤层识别，但由于煤层存在调谐效应，用地震属性预测煤层厚度存在一定陷阱。

地震物理模拟；延安组煤层；黄土塬地表；振幅属性

我国西部黄土塬地区煤炭资源十分富集，随着国内煤炭消耗量的不断增长和东部煤炭资源的减少，煤炭资源勘探与开发的重心转向西部地区[1-4]。而西部地表条件十分复杂，最主要的特征就是黄土塬，黄土塬地区土质疏松、地表起伏大、弹性差、地震波传播速度小、衰减大，对地震勘探造成很大的影响，使得黄土塬地区长期被地球物理学界视为“地震勘探禁区”[5-10]。地震正演模拟是理解地震波在地下介质中的传播特点、帮助解释观测数据的有效手段，在地震勘探中得到了广泛的应用[11]。地震正演模拟分为数值模型正演和物理模型正演，物理模型正演早在20世纪20年代就被用于地震勘探领域，但直到1974年著名的French模型诞生，地震勘探领域学者才真正认识到物理模拟技术在三维地震勘探中的可行性及优越性[12]。目前，对于煤层的地震模拟大多数是采用数值模拟方法，在物理模拟方面仅有少许学者进行了研究，但并没有考虑上覆黄土塬地层对煤层的影响[13-15]。笔者尝试利用地震物理模拟技术研究黄土塬区延安组煤层的地震响应特征，从三维地质建模到黄土塬区特性材料研究，再到三维地震物理模型的制作、数据采集与处理，最后对数据进行解释成像，系统分析延安组煤层成像特点，以及黄土塬区对煤层刻画的影响，以期指导实际煤层地震勘探。

1 研究区域地质条件

本次研究区主要位于鄂尔多斯盆地西南、天环坳陷南部，地层由下至上发育为中生代的三叠系、侏罗系、白垩系，新生代的古近系、新近系和第四系。其中，主要含煤地层位于侏罗系的延安组[16]，是此次模拟勘探的目的层。

1.1 地表条件

研究区地表为典型的黄土山地沟壑区，地势总体走向为西北高东南低，地形非常复杂，地表起伏大，地表高程为900～1 600 m。表层覆盖有几米到几百米的黄土，且其厚度纵横向随机变化，总体呈现塬上厚，沟底薄的特点。表层黄土层土质松散，从上到下大致可以分为干黄土(纵波波速为300～500 m/s)、湿黄土(纵波波速为800～1 000 m/s)和潜水面以下含水黄土(纵波波速为1 700～1 800 m/s)，表明煤层上覆层的速度较低。

1.2 延安组煤层地质条件

通过测井资料分析可知，该区域在延8(KT_y8)、延9(KT_y9)等多组地层发育有煤层，且煤层厚度不均匀，变化较大[17]。其中延9煤层较厚，为6～15 m，延8煤层厚度较薄，为2～4 m。部分地区存在煤层分叉现象，发育多组煤层，而部分地区存在空白或弱反射，表明煤层并不是全区分布。煤层的速度和密度都较低，纵波速度约为2 500 m/s，密度约为1.6 g/cm3。

2 模拟材料研发

地震物理模型试验的基础是地震物理模型的制作，其困难在于弹性参数的匹配与形态的可控，研究发现，环氧树脂和硅橡胶的混合材料是最常用、最合适的模型材料[18-19]。然而这种混合材料有其自身的局限性，一方面是其速度变化范围较小，一般为1 000～2 600 m/s，难以模拟低速层与高速层；另一方面是其均质性很好，难以满足非均质性地层的要求。

2.1 煤层模拟材料

在地震剖面上，煤层常常表现为强振幅反射，延安组煤层具有速度低、密度小、厚度薄且分布不均匀等特点，厚度变化大，从几米到几十米不等，这就要求模拟材料有黏稠性、可塑性好、低速低密度等特性，而环氧树脂和硅橡胶的混合材料无法达到这样的要求，需要探寻新的材料或材料组合。

经过多次试验，最终选用将1 000目(13 µm)的碳粉作为添加剂，以硅橡胶作为基质按照1∶1的质量比进行混合，用该混合材料来模拟延安组煤层。首先碳粉是一种低密度的有机质，而煤层也是一种非常好的有机质，二者在特性上有相似之处；其次，纯的硅橡胶速度仅为1 000 m/s左右，是一种非常好的低速材料，又是一种胶结剂，可以和碳粉混合后形成固体而不需要其他试剂；最后，加入碳粉末的硅橡胶材料变得较为黏稠，流动性差，有利于分布不均煤层的制作和成型。图1a为1 000目(13 µm)的碳粉末。

2.2 黄土塬表层模拟材料

对于湿黄土和含水黄土层而言，常规的物理模型材料便可满足模拟需求。但对于干黄土层而言，其主要的特点有：①较为疏松，纵横波速度低，孔隙率大；②衰减大，对地震波具有很强的吸收作用；③厚度差异大，分布不均匀，地貌特征复杂。故而常规的模拟材料无法满足这些特性，需要探索新的材料来模拟干黄土层。经过大量的试验探索，本次最终选择用一种名为硅气凝胶材料的粉末作为添加剂，以硅橡胶为基质的混合材料作为上覆低速高衰减黄土层的模拟材料。图1b为块状硅气凝胶。气凝胶是一种固体物质，是世界上密度最小的固体之一，常见的气凝胶便是硅气凝胶，其密度为 15 kg/m3，比空气重十几倍，此外，硅气凝胶孔隙率非常高，约有95%，孔隙均为纳米级，孔径为20～70 nm，因此，其对于超声波有较强的吸收作用。

制作干黄土地层物理模型的具体过程如下：①按比例称取一定量的硅气凝胶和硅橡胶液体(具体比例要根据黄土层的厚度和速度确定)，将其放置在温度为40℃的恒温箱中保温2～3 h；②将硅气凝胶取出，用小型粉碎机打磨约10 s(时间过长硅气凝胶会变为细粉，模拟效果不佳，过短则存在大颗粒，形成较大的非均质体)；③取出硅橡胶液体，将打碎的硅气凝胶粉混入，充分搅拌使二者混合均匀；④依据干黄土层的分布规律，将混合材料涂抹至物理模型表面。应用这种材料制作的物理模型，其超声波纵波速度变化范围为600～1 000 m/s，拓展了原有地震物理模型材料在低速地层的限制。

3 物理模型构建与实验采集

地震物理模拟是在实验室将野外的地质构造和地质体按照一定的相似比模拟制作成物理模型，并用超声波模拟野外地震波的一种模拟方法。具体来说，地震物理模拟就是依照地质结构中原体，应用特定的相似准则，缩制成模型，根据其速度、密度及结构，在模型中复演与原体相似的天然状况，进行超声地震实验，通过观测获取数据，然后再按照相似准则将结果引申到原体，用以指导实践。在这一系列实验过程中，首先要求模型和原型相比是相似的，其次要对实验数据做出合理的分析，从而得到真正可以反映原体实际情况的数据，原型是模型的基础[20-23]。

3.1 物理模型设计与制作

首先，通过研究区域测井数据，获取研究区内各层位的层位数据，在此基础上建立研究区的层位模型。模型以地表黄土层为顶面，以长9层(KT_c91)向下延伸至高程–1 100 m为底面，共16个层位(表1)。通过测井分层数据和区内声波测井数据，对研究区的各层位速度进行了统计，并以此为各分层速度建模的基础。由微测井和小折射分析，得到黄土塬上、斜坡、沟底的地层速度结构变化和速度模型，从而完成对黄土层的地质建模。黄土塬地貌大致有三层速度结构，第一层和第二层为低(降)速度带，速度范围为400～1 000 m/s，深部黄土速度较为稳定，速度为1 800 m/s。采用自然伽马和声波时差曲线交汇的方法识别煤层位置及厚度，分析发现研究区发育多组煤层。为简化模型的制作，在模型设计时只考虑延8(KT_y8)和延9(KT_y9)两组煤层，其中，延9煤层存在分叉现象，煤层分布不均匀，厚度变化范围为6～15 m，纵波速度均为2 500 m/s。图2为最终设计的地质模型图，为制作模型方便，纵向指标由高程改为深度。模型尺寸与实际地质体的比例为1∶20 000，模型的速度与实际速度比例为1∶2，采集数据的时间与野外采集的时间比例为1∶10 000，相应的，实验室采集频率与野外地震波频率的比例为10 000∶1，即实验室主频为170 kHz的超声波代表野外主频为17 Hz的地震波。物理模型各层参数设计见表1。

根据物理模型的设计，开始对三维物理模型进行制作，模型的制作主要应用三维雕刻起伏层位、精细模具控制煤层制作、雕刻反模浇筑黄土层等手段。图3a为延9煤层制作，图3b为延8煤层制作。依据煤层的厚度和分布范围，通过精细模具控制2组煤层的制作，接着，开始对其上覆地层进行浇筑，利用模具控制每个层位界面的制作，完成黄土层之下的所有地层浇筑。由于地表黄土层起伏较大，采用雕刻反模的方法进行浇筑。最后是对干黄土层的浇筑，在浇筑过程中要保证干黄土层在塬上较厚，沟中较薄的特点，分多次浇筑。完成的模型如图4所示，图4a是煤层及其覆盖层的三维物理模型，图4b是最终的三维地震物理模型。

图2 地质模型原型

表1 三维地质模型设计参数与测量参数

图3 2组煤层物理模型

图4 三维地震物理模型

3.2 地震物理模拟数据采集

完成物理模型制作后便可进行地震物理模拟实验，将制作好的三维地震物理模型放入水槽中，应用地震物理模拟采集仪器对模型进行地震数据采集，在采集之前需要先设计好观测系统，并由数据采集程序读取和执行。

为了更好地说明地表高衰减、低波速的干黄土层对煤层地震波场特征的影响，物理模拟实验过程中进行了2次数据采集，完成目的层的制作后(图4a)即进行第一次三维地震数据采集，完成整个三维地震模型制作后(图4b)再进行一次三维地震数据采集。2次采集设计的观测系统完全一致，采用40束30排炮4炮(共4 352炮)22线左135道右140道，其他参数见表2，依照观测系统进行地震数据的采集，最终获得2套三维地震数据体。

表2 物理模型实验的观测系统参数

4 数据处理、解释及煤层响应特征分析

4.1 物理模型数据处理与解释

对2组地震数据分别进行处理，可获得2套偏移剖面。选取位于模型中间位置目的层的偏移剖面显示，如图5所示。从图5可以看出，煤层有着非常强的波阻抗反射界面，图中区域①为延9煤层的反射界面，该区域仅发育延9一组煤层，界面反射较强，其下除页岩层尚可识别外，其他各层同相轴模糊且不连续；图中区域②发育2组煤层，分别为延9煤层和延8煤层，反射界面振幅强且层间多次波发育，其下页岩层成像杂乱，其余地层受到严重的屏蔽作用，基本无法识别。

图5 目的层叠后偏移剖面(Inline)

图6为2套数据在同一个Crossline方向上相应的叠前时间偏移剖面，其中，图6a为目的层叠前时间偏移剖面，图6b为最终模型叠前时间偏移剖面。由于最终模型比目的层模型多了上覆地层及黄土塬地表层，故第二次采集的模拟数据对应煤层的旅行时间较第一次多出约500 ms。由图6可以看出，在没有上覆层时，煤层地震响应特征清晰，具有强振幅异常的特征，2组煤层之间发育层间多次波。当有上覆地层及黄土塬地表层时，煤层的强振幅特性依然存在，但煤层较不连续，且受地表影响，形成倾斜界面，2组煤层之间的层间多次波消失不见。此外，煤层的下伏页岩层和其他地层均无法识别。可见黄土塬地表层与煤层的叠加效应对煤层下伏地层有着很强的干扰，严重影响其成像。

4.2 煤层地震响应特征分析

地震属性分析技术是地震储层预测的一种主要手段[16]，本次使用属性分析技术对延安组煤层进行属性刻画。由于煤层存在异常振幅值，较其他方面的属性而言，其对振幅有着更好的敏感性，因此，主要选取了最大振幅、最小振幅和均方根振幅3种属性，并在不同时窗下进行计算，以此识别和刻画延安组煤层的边界和厚度。共选取了4组时窗进行振幅属性计算，时窗分别为10、40、100、200 ms，图7为目的层模型的振幅属性计算结果，图8为最终模型的振幅属性计算结果。

从图7可以看出，2套数据中，当计算时窗较小(≤40 ms)时，各振幅属性都难以准确识别煤层的分布，也难以刻画煤层的厚度；当计算时窗较大(>40 ms)时，可以较好地刻画煤层的分布。对比2套数据的振幅属性，可以发现，黄土塬地层对煤层的识别有影响，主要表现在降低了地震数据的信噪比，使得煤层的边界刻画不准确，但总体上煤层还是可识别的。对比3种不同振幅属性，可以发现，在目的层模型中，三者识别的煤层差异较小，而且在大时窗条件下，基本可以准确识别出煤层，而在有黄土塬地表层模型中，不同属性识别出的煤层存在差异，相比而言，均方根振幅属性刻画的煤层更接近实际煤层的分布。

图8 不同时窗计算下最终模型振幅属性

5 结论

a.延安组煤层的速度和密度与围岩相差较大，波阻抗差异明显，在地震剖面上表现为强反射振幅特性，容易识别。

b. 煤层对下部地层的成像具有较强的屏蔽作用，尤其是发育多组煤层时，会产生层间多次波，使得其下伏地层成像模糊甚至无法成像。

c.由于煤层的调谐效应，应用振幅属性对煤层进行刻画时，不同属性和不同时窗刻画的煤层厚度会有差别，故用地震属性预测煤层厚度存在一定的陷阱；总体而言，大时窗(大于40 ms)计算得到的属性更有利于煤层的刻画。

d.黄土塬地表层对煤层的刻画有着较大的影响，地表沟壑的存在使得煤层同相轴连续性变差，低速高衰减的干黄土层降低了煤层信号的信噪比，使得煤层的刻画不准确。

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Physical modeling of seismic response for the coal seams of Yan’an Formation in loess tableland of North China

XING Tingdong1,2, XUE Shigui1,2, LI Xiaowei3, SUO Chonghui1,2, WANG Huiming1,2, JIAO Yanyan1,2

(1. SINOPEC Key Laboratory of Geophysics, Nanjing 211103, China; 2. SINOPEC Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, China; 3. Exploration and Development Research Institute, SINOPEC North China Company, Zhengzhou 450006, China)

A seismic physical simulation is carried out for the complex seismic response of the coal seam of Yan’an Formation in the loess tableland. First, the physical model materials for the dry layer near the surface of the loess tableland and the coal seam are developed. After several tests, a mixture of silicone rubber with silicon aerogel powder is selected to simulate the surface of the loess tableland, and the mixture with ultra-fine carbon powder added to silicone rubber is used to simulate the low-speed and low-density coal seam. Through the methods of molds control layer, layer by layer pouring, three-dimensional carving of undulating strata, a three-dimensional seismic physical model of the typical geological structure in the loess tableland is constructed, and seismic physical simulation and seismic imaging analysis are carried out. The results show that there is a strong reflection amplitude because of the great difference in impedance between the coal seam and surrounding rock of Yan’an Formation. Therefore, it has a strong shielding effect on the imaging of the lower strata. There are internal multiple waves in the multiple sets of coal seams, affecting the imaging of the underlying layer. The calculation time window greater than 40 ms is more favorable to coal seam identification when the coal seam is described by the seismic amplitude attribute. But there are some traps in predicting coal seam thickness by seismic attributes because of the coal seams tuning effect.

seismic physical modeling; Yan’an Formation coal seam; loess tableland surface; amplitude attribute

语音讲解

P631

A

1001-1986(2021)06-0087-07

2021-08-20；

2021-10-22

国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目(U19B6003-004)

邢廷栋，1991年生，男，陕西榆林人，硕士，工程师，从事地震物理模拟实验及研究工作. E-mail：xingtd.swty@sinopec.com

薛诗桂，1980年生，男，河南南阳人，研究员，从事地震物理模拟及地震数据分析方法技术研究. E-mail：38473815@qq.com

邢廷栋，薛诗桂，黎小伟，等. 黄土塬区延安组煤层地震响应特征物理模拟研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(6)：87–94. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.010

XING Tingdong，XUE Shigui，LI Xiaowei，et al. Physical modeling of seismic response for the coal seams of Yan’an Formation in loess tableland of North China[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：87–94. doi: 10.3969/j. issn.1001-1986.2021.06.010

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(责任编辑 聂爱兰)