三维地震勘探对煤层厚度预测方法的研究

三维地震勘探对煤层厚度预测方法的研究

蒲青 ,王新华

新疆维吾尔自治区煤田地质局综合地质勘查队830009

摘要：煤层是影响煤矿生产的重要因素，煤层厚度变化不仅会影响煤矿计划生产量，导致回采率降低，还可能直接影响井巷的开拓方式。若能够在设计阶段查明煤厚分布特征，掌握煤层厚度及其变化规律，可确保煤炭资源合理开发和充分利用，更能为煤矿带来巨大经济效益，确保煤矿安全生产。

关键词：三维地震，煤层厚度预测，基于模型反演，稀疏脉冲的反演

1煤层厚度预测方法

传统煤层厚度分析的方法主要是利用钻孔资料值内插、外推获得煤层厚度。在勘探区地质构造变化复杂时，煤层厚度波动较大时，由于井间距较大，且由由点推面缺少数据支撑，煤层厚度的预测不精确。

而三维地震资料具有较大的采样密集，且地震资料具有运动学和动力学特征，通过数学变化可提取出丰富信息，因此采用地震信息进行煤层厚度预测是一种较为有效的方法。目前主要通过三维地震预测煤层厚度的方法主要有：时间域与频率域上利用薄层与反射波振幅或能量成准线性关系进行煤厚估算。直接反演方法，主要是根据薄层理论推导出计算煤厚公式的方法。地震属性参数预测法，研究和分析地震波场的属性参数变化，通过多种属性参数，特别是分频段提取属性参数，选择合适的预测方法，对煤层厚度预测较为精确。统计分析法，利用反射波运动学与动力学重要特征参数与厚度的统计学关系来预测薄层厚度。以测井数据作为约束条件，采用波阻抗反演方法对煤厚进行解释。该方法利用了大量测井资料计算的反射系数，反演结果高于地震剖面分辨率，刻画的煤厚轮廓相对清晰，具有一定的参考性。

2实际案列分析

本次研究中我们统计分析法，以测井数据作为约束条件，采用波阻抗反演方法对煤厚进行预测。利用利用Jason软件进行波阻抗反演，采用基于模型反演结合稀疏脉冲的反演方法，该方法由于能够综合运用地震资料的横向连续性与测井资料的垂向分辨率，因而最终可以提高反演结果的精度。

2.1煤层标定

2.1.1测井曲线归一化、标准化处理

测井曲线归一化目的是消除由于不同时间和不同仪器的测量而造成的系统误差，测井曲线标准化处理包括两个方面：一是修复异常值用以解决单井中井况造成的偏差。二是多井之间测井曲线标准化处理。

2.1.2煤层测井响应特征

勘探区煤层测井响应表现为“三高一低”的特征：高自然伽马、较高的声波时差、高电阻率、低密度值。根据参数井统计结果，煤层声波速度在2195-2330m/s之间，平均2310m/s；波阻抗在4750-5620((m/s)*(g/cc))之间。围岩阻抗值大于6480((m/s)*(g/cc))。煤层表现为低密度、低波阻抗特点，在交汇图上通过波阻抗就可以将煤与围岩准确区分开。

2.1.3实际子波提取及合成记录制作

子波的提取是波阻抗反演的基础，它能确定地震反射与地质界面的对应关系，同时也是认识工区地震资料波组特征的关键。对工区内煤层的主要波组(T2、T9、T18 ）分别代表2、9、18煤进行分析研究，选取与地震剖面频率相吻合的子波进行合成地震记录的制作，进而对煤层进行标定，共提取了101个子波进行试验分析，制作了101个合成记录，最终确定区内反演所用的综合子波。借助高分辨率的反演剖面可以进行煤层横向及厚度变化的识别。

2.2地质模型建立

通过测区内的解释成果数据（层位和断层）、地质测井资料结合地质分层的资料，分析煤层横向变化情况，研究煤厚度横向变化，建立全三维地质模型。用正演方法预测井间煤岩层变化，建立煤岩层反演解释思路，验证反演结果的正确性。保证了地质模型框架的正确性，提高了反演的精度。

2.3以模型为基础的稀疏脉冲反演

基于模型反演的基本原理是:假设一个N层地层模型,各层厚度、速度、密度参数分别为d(i)、v(i)、ρ(i)(i=1,2,3,…,N)。

地震波在各层垂直传播时间为：t(i)=2d(i)/v(i)

则第i层底部的反射时间为 ：  t(i)=∑t(j)　　（i=1,2,…,N）　

其地震褶积模型为：          M(i)=∑r(j)w[i-τ(j)+1]　（i=1,2,…,N）

定义目标函数：

第一项：记录残差，要使反演结果的模型响应（F）尽可能逼近实际记录（D）.

第二项：先验约束，即反演结果不能偏离先验值太远。

第三项：要保证反演结果具有一定的横向连续性，使解更合理。

稀疏脉冲反演特点是基于反褶积的一种传统反演方法，采用多井约束，仅限于声波曲线反演地震波阻抗剖面。反演处理分以下三个阶段步骤完成:

①综合地震、测井和地质等资料得到的波阻抗曲线、层位解释结果和岩性信息，确定一个初始波阻抗模型；

②把地震道的估计结果与实际地震道相比，得到剩余误差值；

③利用测井岩性、物性、波阻抗反演结果，采用拟和、地质统计学（克里金、协克里金）方法求取相关关系，进行岩性反演，得出了反映煤层横向及厚度变化波阻抗数据。

这种反演方法采用最优化算法，迭代速度与稳定性都很好，克服了波阻抗的相对和绝对标度在递推反演中的缺陷，改善了波阻抗界面的分辨率，消除了子波的剩余效应所造成的畸变，受地震资料带限性质的影响小，提高了反演结果的可信度。

2.4反演参数优选

结合对研究区地质特点及认识，针对工区资料情况，对反演中的多个敏感参数进行试验和选择，主要是目标函数、平均块大小、采样率、硬约束、软约束方式、子波影响、频带补偿、加权系数、反复递推次数等。

①λ的选择：反演参数λ控制反演脉冲的稀疏程度，对输出的阻抗（或反射系数）和数据的匹配性起重要的调节作用，即λ值小，则合成记录与实际地震数据之间的匹配性差，输出的阻抗（或反射系数）比较粗糙；而λ值大，则合成记录与实际地震数据之间的匹配性好，输出的阻抗（或反射系数）反映的细节比较细致。

②低频分量的补充：约束稀疏脉冲反演得到的波阻抗体相对缺乏低频分量，尤其是12Hz以下的低频分量，需要作低频补偿。将前面生成的含有丰富低频成分的初始波阻抗数据体与其作匹配滤波合成，补偿了其缺乏的低频成分，即低频成分由测井信息补充。

③高频分量的补充：经过试验将初始波阻抗数据体的高频信息补充到中低频波阻抗反演数据体中，从而得到了包含丰富的地震中频信息，又有较高频信息的数据体，剖面质量明显改善，目的层的特征比较清楚。

3.反演结论

以模型为基础的稀疏脉冲反演方法以测井资料、解释层位为约束条件,采用正、反演结合进行迭代，求取地下波阻抗将反演方法推向非线性问题。这种方法利用了测井资料的高频和低频信息，大幅度拓宽了地震信号的频带，可以更好地获得薄层、薄互层的波阻抗信息。经钻探验证，2、9、18煤层的厚度与变化趋势与预测结论基本一致，可见该方法对本区的煤层厚度预测具有较好的效果。

参考文献

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[2]郭彦省，孟召平，杨瑞昭，等.地震属性及其在煤层厚度预测中的应用.中国矿业大学学报，2004；5（33）：557-562.

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