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2 地震反演技术

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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物探新方法新技术142 地震反演技术中国东部主要矿区经过多年的开采,浅部资源已亮红灯,迫切需要开采深部的煤炭资源。如何提高地质成果的勘探精度,在深部实现安全开采是我国煤炭行业今后的主要奋斗目标。影响深部煤层开采地质条件的因素很多,如构造、水文、瓦斯、煤层顶底板条件等。目前,主要的成熟勘探手段是地震勘探,也仅限于解决构造问题。而煤矿深部安全开采中的主要地质问题,包括煤层顶底板水文地质条件、瓦斯突出条件与力学性质均属岩性勘探范畴。地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一,是一门集地震、测井、地质、计算机等多学科的综合地球物理勘探技术。地震反演利用地表观测地震资料,以已知地质规律和钻井、测井资料为约束,对地下岩层空间结构和物理性质进行成像(求解 )的过程,是反演地层波阻抗(或速度)的地震特殊处理解释技术。地震反演方法具有明确的物理意义,是预测岩性的确定性方法,在油气勘探中取得了显著的地质效果。煤田地震反演工作起步较晚,处在叠后地震反演的研究和初步应用阶段。近年来,我们把地震反演技术应用于多家煤矿,其关注的重点是煤矿安全开采的有关地质问题,获得了丰富的地质成果,主要包括:(1) 提高弱反射煤层的可检测性;(2) 利用反演剖面提供的岩性信息来划分地层,研究煤层顶板的稳定性;(3) 确定奥陶系灰岩顶部岩层中的含隔水性,查明含、隔水层的空间分布和厚度分布; (4) 圈定火成岩侵入煤层的范围;(5) 预测煤层厚度;(6) 划分新生界下部地层岩性和含隔水性。震反演方法的分类从使用的地震资料来分,地震反演可分为叠前反演(基于旅行时的层析成象技术和基于振幅的 析技术)和叠后反演(基于旅行时的构造反演和基于振幅的波阻抗反演) ;从利用的地震信息来分,地震反演可分为旅行时反演和振幅物探新方法新技术15反演;从反演的地质结果来分,地震反演可分为构造反演、波阻抗反演和多参数岩性(地震属性) 反演;从实现方法上来为,地震反演可分为递推反演、基于模型的反演和地震属性反演。地震反演方法基本上分成两大类,一类是建立在较精确的波动理论基础上,即波动方程反演。这类方法主要在理论上进行探讨,尚未达到实用阶段。另一类是以地震褶积模型为基础的反演方法,目前流行的都属于这一类。具体地说,它又分成两类:一类是由反射系数推得的直接反演法,如虚测井、道积分等;另一类是以正演模型(褶积模型)为基础的间接(迭代)反演法,如无井资料的广义线性反演和有井资料的宽带约束反演、基于模型地震反演等。于模型的地震反演基于模型的地震反演方法根 据 钻 孔 测 井 数 据 纵 向 分 辨 率 很 高 的 有 利 条 件 ,对 井 旁 地 震 资 料 进 行 约 束 反 演 , 并 在 此 基 础 上 对 孔 间 地 震 资 料 进 行 反 演 , 推断 煤 系 地 层 岩 性 在 平 面 上 的 变 化 情 况 , 这 样 就 把 具 有 高 纵 向 分 辨 率 的 已 知 测井 资 料 与 连 续 观 测 的 地 震 资 料 联 系 起 来 , 实 行 优 势 互 补 , 大 大 提 高 三 维 地 震资 料 的 纵 、 横 向 分 辨 率 和 对 地 下 地 质 情 况 的 勘 探 研 究 程 度 。目前,国内比较盛行的反演软件主要有些软件各有特色。使用最多的反演软件是 使用起来相当方便,无论是是地质人员还是物探人员都可以直接做反演工作。基于模型地震反演的基本原理是建立在地震记录褶积模型基础上,即地震记录 S(t)是反射系数 R(t)和地震子波 W(t)的褶积:S(t)=R(t)*W(t)。其实质就是从测井资料出发,根据钻井分层数据及时深关系对井进行精细时深标定,建立一个初始波阻抗模型,用此模型合成地震剖面与实际地震剖面作比较,然后不断修改模型,使合成剖面最佳地逼近实际剖面,得到最终的地质模型。基于模型的地震反演流程见图 2—1,其基本步骤包括:物探新方法新技术16初 始 模 型 输 出 结 果 修 改 子 波 或 模 型 约 束 反 演 层 位 解 释 误 差 分 析 地 震 资 料 处 理 层 位 标 定 合 成 记 录 子 波 提 取 测 井 资 料 处 理 地 震 资 料 测 井 资 料 满 意 否 否 满 意 否 否 是 是 图 2—1 基于模型的地震反演流程图(1) 测井资料的处理如果是模拟测井资料,首先要对其进行数字化处理。同时,由于每一口井的位置及其他干扰因素的存在,每条测井曲线的值存在较大的差异。因此,要根据每口井的柱状图及实际物性参数对每口井进行归一化处理。而对于数字测井可免去这一步骤。最后在由测井资料计算出岩层的反射系数序列。(2) 层位解释将地震数据进行常规的处理以后,要进行精确的层位解释,层位是建立模型的基础,层位解释的精确与否直接影响着模型的精度。(3) 子波提取合成记录的制作以及下面的反演运算中都要用到子波,子波的提取是重要的一环。(4) 合成记录制作及层位标定将子波与反射系数序列进行褶积得出合成记录,然后将合成记录与地震记录进行精确的标定,标定的结果是拉伸或压缩了井曲线。(5) 模型建立与修正物探新方法新技术17初始模型的建立是一个人机交互的处理过程,对反演结果的好坏有直接影响。首先通过地震资料进行层位解释,制作合成记录,对每口井与井旁地震道做层位标定;并以层位解释为控制,从井点出发,将测井数据外推内插,在三维空间的每一个点建立初始模型。这个过程实际上是把横向上连续变化的地震界面信息,与垂向上具有高分辨率的测井信息相结合的过程。(6) 地震反演有了子波和初始模型,下一步就可以进行反演运算。运算过程主要通过修改初始模型,使合成剖面最佳逼近实际地震剖面。震资料高保真处理为了做好地震资料的高保真处理,通常应注意以下几点:(1) 对原始资料的异常道进行精细的剔除操作,这是最基本也是最重要的一个步骤;(2) 做好高精度静校正和精细速度分析工作;(3) 注意保护原始资料的带宽,防止片面强调提高资料的信噪比;(4) 尽量使用地表一致性反褶积等多道反褶积,防止使用单道反褶积,从而保证激发地震子波的一致性和横向变化的唯一性;(5) 做叠后修饰处理时,防止过度修饰而损失至关重要的振幅相对变化信息。 值剖面代替叠加剖面在地震反演理论的假设中,认为所使用的地震数据是零偏移距自激自收剖面。而目前反演过程中使用的地震数据通常是叠加剖面。叠加剖面是由多个非零偏移距的 经过动校正处理后相加而得到的。因此,这种剖面只是对自激自收的零偏移距剖面的一种近似。但经过叠前 析后,所得到的 P 值剖面是真正的零偏移距剖面。另外,由于叠前 析没有多道相加的步骤,其所得到的 P 值剖面要比叠加剖面具有更高的纵向分辩率。因此,可以利用 而可以提高波阻抗反演的准确性和可靠性。声波测井曲线目前煤田地震资料反演的一个关键难点是很多矿区只有密度测井和电阻率物探新方法新技术18测井资料,而没有对地震反演至关重要的声波测井资料。因此,必须通过式把密度测井曲线转换为拟声波测井曲线(1)式中, 为密度, ; 为速度, 。3/式的两个系数因子 和 是统计拟合值,对于油气勘探的目的层通常取 是,它们不适用于煤系地层。要取得好的地震反演效果,就必须在所研究区域中收集尽量多的钻井和测井资料,由最小二乘法拟合出适合本矿区的系数因子值。高弱反射煤层的可检测性晋煤集团成庄煤矿的主要可采煤层为 3 煤、9 煤和 15 煤。3 煤层厚且全区稳定,对应的 是一个能够稳定追踪的强反射波,在常规地震剖面上通常有两个强相位。但是,3 煤层厚度大,反射系数高,对下覆煤层具有较强的屏蔽作用。因此,9 煤层和 15 煤层所对应的 、 反射能量较弱,反射波同相轴连续性很差,时隐时现,在常规构造解释过程中,基本是依据与 3 煤层的层间距关系进行追踪对比,可靠程度较低,见图 2—2。图 2—2 标准反射波剖面反演(波阻抗 )地震剖面的纵向分辨率高于常规地震剖面。从图 2—3 可以看出,从 到 之间有多个层位,而在图 2 的常规地震剖面上,这个范围内仅有两个同相轴。3 煤9 煤15 煤物探新方法新技术19图 2—3 波阻抗反演剖面3 煤层和 15 煤层的波阻抗(绿色标)明显低于围岩的波阻抗,9 煤层的波阻抗(黄绿色标 )略高于 3 煤层和 15 煤层,但与围岩的波阻抗仍有较大差异。波阻抗的大小与煤层厚度有直接关系。因此,在反演地震剖面上能够清楚地看到 9煤和 15 煤的反映。特别是 ,由于煤层较厚,在常规地震剖面和反演地震剖面上的显示为大相径庭,这充分体现了地震反演技术(用测井资料约束)的优越性。同时,沿层波阻抗切片能够提供整个勘探区内的煤层岩性信息。9 煤层的岩性信息非常典型,该煤层在区内沉积较稳定,但煤层厚度变化很大, 2—4 的沿层振幅切片基本不能提供任何信息,主要原因是受3 煤层的屏蔽其振幅很弱;而图 2—5 的沿层波阻抗切片能够提供丰富的岩性信息,低波阻抗代表厚煤层区域,高波阻抗代表薄煤层或无煤区域,利用该信息能够比较准确地划分煤层厚度变化范围。图 2—4 9 煤层的沿层振幅切片3 煤9 煤15 煤物探新方法新技术20图 2—5 9 究煤层顶板的稳定性了解煤层顶、底板的岩性对后期的开采至关重要,常规地震剖面不能提供相关信息,而反演剖面则有助于解决类问题。在时间切片上也可获得煤层及其顶、底板的岩性信息。在阳煤集团二矿九采区三维地震资料解释过程中,利用波阻抗数据体,以15 煤层底板为参考面向上每 3据本区的煤系地层平均速度转换成 5m)做一个沿层切片,共提取了 5 个波阻抗切片,即获得了 15 煤层及顶板以上5m、10m、15m 的岩性信息,见图 2—6~图 2—10。波阻抗与速度和密度密切相关,从上述图件中可以看出,波阻抗值越大,则岩石的速度、密度和抗压强度也越大,煤层顶板也就越稳定。图 2—6 15 煤层底板沿层波阻抗切片 图 2—7 15 煤层顶板沿层波阻抗切片无煤带厚煤带物探新方法新技术21图 2—8 15 煤层顶板上部 5m 沿层 图 2—9 15 煤层顶板上部 10m 沿层波阻抗切片 波阻抗切片图 2—10 15 煤层顶板上部 15m 定奥陶系灰岩顶部含、隔水层的空间分布和厚度分布传统煤田地质学认为,奥陶系灰岩岩溶地下水水压高,易对下组煤顶、底含水层产生垂向顶托或侧向补给,且补给水源充足,对采煤威胁最大。因此,长期以来下组煤层是开采禁区。在临沂矿业集团新驿煤矿下组煤水文地质补充勘探工作中,利用地震反演技术查明部分水文地质条件,主要包括奥陶系顶部含、隔水层的空间分布和厚度分布。研究成果突破了传统煤田地质学理论,表明奥陶系灰岩不完全是一个含水层,其顶部就有隔水层存在,可以为建立矿井突水的水量预测模型提供基物探新方法新技术22础资料。在常规地震剖面上,无法对奥陶系内部进行分层,原因是信噪比低和反射系数小( 相对煤层而言) 。但是利用地震反演剖面,借助相对波阻抗值的差异,便能够确定奥陶系顶部灰岩中的含、隔水层的空间分布和厚度分布。图 2—11是水 1—群 2 联井反演地震剖面,从中可以看出奥陶系顶界面、隔水层和含水层的分层位置。图 2—12 是隔水层底界面的沿层波阻抗切片;图 2—13 是含水层底界面的沿层波阻抗切片。沿层波阻抗切片能够提供整个研究区域内的含、隔水层岩性信息,隔水层的平均波阻抗明显高于含水层的平均波阻抗,利用该信息能够比较准确地确定奥陶系灰岩中的含、隔水层的空间分布。奥陶系顶部隔水层时间间隔为 15 ,换算为厚度 30 ;奥陶系顶部含水 ,换算为厚度 10 ;二者之间的过渡带厚度是变化的。图4 是含、隔水层间隔图,单位为 m。图 2—15 是 16 煤、奥陶系顶界面、隔水层底界面和含水层底界面的立体显示。利用上述信息,可以确定奥陶系顶部的含、隔水层的空间分布和厚度分布。图 2—11 联井反演地震剖面16 煤奥陶系顶界面隔水层底界面含水层底界面物探新方法新技术23图 2—12 隔水层底界面沿层波阻抗切片图 2—13 含水层底界面沿层波阻抗切片物探新方法新技术2456791356791024810246810水 群 2图 2—14 含、隔水层间隔图图 2—15 多个界面的立体显示通常情况下,地下岩层的波阻抗值与孔隙度成反比关系,即岩层的波阻抗值增大时孔隙度随之减小,反之亦然。因此,在波阻抗反演的基础之上进行孔隙度反演处理。图 2—16 为水 1—群 2 连井波阻抗反演剖面和孔隙度反演剖面的对比图;图 2—17 为奥陶系灰岩顶界面波阻抗切片;图 2—18 为奥陶系灰岩顶界面孔隙度切片。从图 2—16 中可以发现,波阻抗值较高的区域对应着孔隙度值较低的区域,即岩层的波阻抗与孔隙度成反比的关系。这一规律在图 2—17 和图 2—18 中也得到充分的体现,当波阻抗值在逐渐减低时,孔隙度值却在不断增加,中间并存在有一定的过渡区域。奥陶系顶界面隔水层底界面含水层底界面16 煤物探新方法新技术25(a) 波阻抗反演剖面 (b) 孔隙度反演剖面图 2—16 连井反演剖面对比图图 2—17 奥陶系灰岩顶界面波阻抗切片图 2—18 奥陶系灰岩顶界面孔隙度切片奥陶系顶界面16 定岩浆岩侵入煤层的范围皖北煤电集团公司卧龙湖煤矿岩浆岩侵入现象严重,南一采区在 2004 年进行了三维地震勘探工作,但是仍然无法圈定岩浆岩的分布范围,给安全生产带了很大的影响。由于岩浆岩的速度、密度和视电阻率均较高,而煤层的速度、密度和视电阻率均较低,即二者的波阻抗和视电阻率差异明显,因此地震反演技术在解决岩浆岩侵入的问题上有得天独厚的优势。利用地震反演剖面区分煤层和岩浆岩的分界,从而解决岩浆岩侵入的边界问题,其解释依据包括:(1) 波阻抗差异煤层的波阻抗较小,岩浆岩的波阻抗较大,是区分煤层是否被岩浆岩侵入的主要依据。(2) 煤层波阻抗的不连续性如何界定岩浆岩与煤层的分界点呢?通过研究发现,本区正常煤层的波阻抗值较低,绝大部分都在 4500 以下;而煤层被岩浆岩侵入后波阻抗值较高,绝大部分都在 5500 以上,甚至到了 6500 以上。因此,可以利用煤层波阻抗的不连续性来确定岩浆岩侵入的边界。(3) 煤层顶板的岩性变化正常情况下,煤层的直接顶板为砂岩和泥岩,它们的波阻抗值较岩浆岩的波阻抗值要低。当煤层的直接顶板为岩浆岩时,其波阻抗值变高。根据煤层顶板的岩性变化是确定岩浆岩侵入煤层的又一依据。图 2—19 是西一采区 23 10 煤及其火成岩顶板的测井曲线。在图 2—20 常规地震剖面上,10 煤及其火成岩顶板没有显示,而在图 2—21 地震反演剖面上,能够识别 10 煤及火成岩。图 2—19 火成岩与 10 煤的测井曲线特征物探新方法新技术27图 2—20 常规地震剖面图 2—21 测煤层厚度彬长煤田大佛寺井田含煤 4 层,其中 4 煤层可采,均 特厚煤层。在常规地震剖面上,4 煤层对应的振幅主要是由煤层顶、底板的反射系数决定的,无法辨别煤层厚度的变化。而反演地震剖面反映了地层的波阻抗变化,煤层在煤系地层中特征明显,其波阻抗值很低,与围岩存在巨大的阻抗值差异,因此能够比较准确地分辨出 4 煤层厚度的变化。图 2—22 为 与 的联井反演地震剖面,可以清楚地看出 4 煤层厚度与波阻抗的变化关系。波阻抗反演煤层厚度的方法如下:9 煤9 煤10 煤火成岩10 煤物探新方法新技术28(1) 根据波阻抗值的变化,按地震层位解释的方法在波阻抗反演剖面上拾取 4 煤层顶、底板的分界线并进行全区插值,并根据导出的顶底板的分界线求出全区地震波在煤层中的旅行时;(2) 根据区域地质规律及速度测井资料,确定 4 煤层中地震波传播速度并进行全区插值;(3) 利用时间深度转换公式 ,计算出 4 煤层厚度。2/ 2—1 为本区 9 个钻孔处 4 煤层的预测厚度与实际揭露厚度对比结果。通过表 2—1 可以看出,4 煤层预测的厚度与实际厚度基本吻合,根据该方法预测了全区 4 煤层厚度,预测结果见图 2—23。图 2—22 联井反演地震剖面表 2—1 4 煤层实际厚度与预测厚度对比表孔 号 实际揭露厚度(m) 预测厚度(m) 绝对误差(m) 物探新方法新技术29图 2—23 4 分新生界下部地层岩性和含隔水性许厂煤矿 1304 工作面南部第四系底界距 3 煤层间距在 40m 至 60m 之间,为矿井生产安全和研究提高开采上限,利用原达产采区的二维地震资料重新处理,并进行反演,以研究第四系底部含隔水层的空间分布。第四系下段为滨湖、河流冲积条件下沉积物所形成的连续性较差,沉积速度多变的地震相,其地层按粒度可分为两类:一是砂类,其碎屑颗粒大,反映沉积时水动力条件强,沉积速度快,含水量大,有一定的渗透性;二是粘土类,形成于水动力条件弱、沉积速度比较缓慢的地质环境中,含水量小,渗透性较弱。第四系地层中砂、粘土层的物性有一定差异。砂层一般表现为高视电阻率、高密度、自然伽玛强度低、较高自然电位异常;而粘土层则表现为低视电阻率、高密度、自然伽玛强度高、自然电位曲线接近基线,二者比较容易区分。因此,利用多条测井参数曲线对地震数据进行反演,获得三种反演参数剖面,即速度反演剖面、密度反演剖面和波阻抗反演剖面。图 2—24~图 2—26 分别为 26 线的速度反演剖面、密度反演剖面和波阻抗反演剖面。物探新方法新技术30图 2—24 26 线速度反演剖面图 2—25 26 线密度反演剖面物探新方法新技术31图 2—26 26 线波阻抗反演剖面反演剖面比常规剖面具有更高的纵向分辨率,从中可以发现 5 组能够连续追踪的反射波,利用井旁合成地震记录,可确定它们对应的地质层位。图 2—27 为 26 线的第四系底部砂、粘土分布图。图 2—27 26 线第四系底部砂、粘土分布图物探新方法新技术32利用地震反演技术并结合钻探、测井资料,可以解释 1304 工作面第四系底部的含、隔水层分布情况,其结论为:(1) 第四系底部的地层可分为两类:一是砂层类(含水层 ),其碎屑颗粒大,反映沉积时水动力条件强,沉积速度快,含水量大,有一定的渗透性;二是粘土类( 隔水层 ),形成于水动力条件弱、沉积速度比较缓慢的地质环境中,含水量小,渗透性较弱。(2) 第四系底部 50m 范围内具有交互连续沉积的 3 个砂层和 4 个粘土层,其表现为物性分布的成层且连续。论地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一,根 据 钻 孔 测 井 数 据 纵 向 分辨 率 很 高 的 有 利 条 件 , 对 井 旁 地 震 资 料 进 行 约 束 反 演 , 并 在 此 基 础 上 对 孔 间地 震 资 料 进 行 反 演 , 推 断 煤 系 地 层 岩 性 在 平 面 上 的 变 化 情 况 , 这 样 就 把 具 有高 纵 向 分 辨 率 的 已 知 测 井 资 料 与 连 续 观 测 的 地 震 资 料 联 系 起 来 , 实 行 优 势 互补 , 大 大 提 高 三 维 地 震 资 料 的 纵 、 横 向 分 辨 率 和 对 地 下 地 质 情 况 的 勘 探 研 究程 度 , 在 煤矿深部安全开采中发挥重要作用。地震反演技术已 经 在 多 家 煤 矿 得 到 应 用 , 以 解 决 煤 矿 安 全 开 采 中 的 不 同 地质 问 题 。 但是,在应用过程中尚存在着诸多技术问题,煤田地 震 反演工作仍然处于起步阶段。在今后的工程实践中,应该根据具体地质情况加强煤田地震反演技术的研究,将煤田三维地震岩性勘探水平进一步提高,实现煤田地震勘探从构造解释阶段向岩性解释阶段的跨越。
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