焦小石,馬 麗,薛海軍, 秦永軍,張奮軒

(1.山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400;2.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，西安 710005;3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)

由于不同地區(qū)煤層沉積古地理環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等多種因素作用,煤層在橫向上分岔形成多個(gè)煤層,煤層的厚度發(fā)生較大變化,精準(zhǔn)控制煤層分岔合并位置,對(duì)煤礦工作面布置及采掘方式有較大的影響,受勘探階段鉆孔密度影響,單純依靠鉆探工作很難有效控制煤層的分岔合并。近年來,物探研究人員利用地震資料解釋煤層分岔起到了一定效果:韓少明[1]利用煤層分岔合并的地質(zhì)理論模型為依據(jù),與地震數(shù)據(jù)中同相軸反射波變化特性相比對(duì)的方法,進(jìn)行了煤層分岔合并范圍的解釋,韋瑜等[2]利用褶積模型的反演方法對(duì)陜北某地區(qū)的煤層變薄及分岔進(jìn)行了分析,師素珍等[3]利用井約束波阻抗反演方法,對(duì)煤層厚度的變化進(jìn)行精致刻畫,孟凡彬等[4]利用頻譜分解技術(shù)預(yù)測(cè)了山西某煤礦的煤層分岔,秦永軍等[5]利用波形分類方法預(yù)測(cè)了河?xùn)|煤田北部某礦的煤層分岔線。

本文引入紀(jì)甜甜、劉建偉等[6-7]油氣勘探中譜藍(lán)化拓頻處理技術(shù),將原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行拓頻,然后采用波形進(jìn)行分類對(duì)比分析,得到相同或相似地震波形的橫向分布特征,即地震相平面圖。實(shí)際資料表明,應(yīng)用譜藍(lán)化拓頻處理后的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行波形分類技術(shù)能夠很大程度上提高煤層分岔位置解釋精度。

1 正演模型分析

1.1 模型的建立

為了能夠直觀地對(duì)比影響煤層分岔間距解釋精度的參數(shù),先建立幾組簡單的楔形地質(zhì)模型。模型中不考慮噪音的影響,假定煤層的頂?shù)装宥紴樯皫r,分岔之間也為砂巖。模型中主要的變量為分岔間距及子波主頻,模型正演采用Rick子波,煤層厚度為研究區(qū)實(shí)際厚度。應(yīng)用基于射線追蹤的正演模擬方法得到正演數(shù)據(jù),從而對(duì)正演數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究區(qū)實(shí)際煤層情況,具體煤層分岔模型見圖1,地質(zhì)模型物理參數(shù)如表1所示。

圖1 煤層分岔模型Fig.1 Coal seam bifurcation model

表1 地質(zhì)模型物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of geologic model

1.2 模型正演結(jié)果分析

從正演結(jié)果來看,隨著子波頻率的增大,煤層分岔間距識(shí)別精度更高。40 Hz子波正演結(jié)果可識(shí)別的分岔間距在6 m左右,60 Hz子波正演結(jié)果可識(shí)別的分岔間距在2 m左右,可見子波頻率的提高可識(shí)別的煤層分岔間距更小更接近煤層合并部位;隨著子波頻率進(jìn)一步增大,80 Hz子波正演結(jié)果在接近合并部位,反射波均呈雙相位出現(xiàn),煤層分岔部位已無法識(shí)別。通過正演可以得出,提高地震主頻可大幅提高分岔間距的識(shí)別精度。

2-a 40 Hz子波正演結(jié)果

2-b 60 Hz子波正演結(jié)果

2-c 80 Hz子波正演結(jié)果圖2 模型正演結(jié)果Fig.2 Forward modeling results

2 譜藍(lán)化拓頻技術(shù)

2.1 譜藍(lán)化技術(shù)原理

譜藍(lán)化技術(shù)原理是首先利用反褶積將原始地震數(shù)據(jù)中衰減及缺失的高頻部分進(jìn)行恢復(fù),然后將反褶積后的地震反射系數(shù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中獲得的反射系數(shù)相比對(duì),獲得匹配算子[8-9],測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中提取的反射系數(shù)表明地震頻率與地震振幅正相關(guān),因此,基于測(cè)井控制的拓頻思路理論上可提高地震數(shù)據(jù)的縱向分辨率。處理后的地震數(shù)據(jù)的振幅譜形態(tài)與地層反射系數(shù)保持一致,確保了地層反射系數(shù)的保真度，具體如圖3所示。

圖3 譜藍(lán)化拓頻處理流程圖Fig.3 Flow chart of frequency broadening by spectral bluing

2.2 譜藍(lán)化實(shí)現(xiàn)方法

譜藍(lán)化處理的具體實(shí)現(xiàn),首先采用循環(huán)反褶積技術(shù)[10-11]將地震數(shù)據(jù)完全轉(zhuǎn)換成反射系數(shù)體,本質(zhì)是對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣處理,生成一個(gè)新的反射系數(shù)數(shù)據(jù)體,其表征值來自原始數(shù)據(jù)中振幅的最大值和最小值。然后利用反射系數(shù)數(shù)據(jù)體與測(cè)井頻譜相比對(duì),計(jì)算匹配算子。最后利用計(jì)算好的匹配算子與原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積運(yùn)算,最終得到譜藍(lán)化拓頻處理后的新地震體。

圖4 原始地震數(shù)據(jù)平均頻譜Fig.4 Average spectrum of raw seismic data

利用研究區(qū)范圍內(nèi)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算測(cè)井阻抗平均頻譜,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行光滑擬合,同時(shí)計(jì)算原始地震數(shù)據(jù)的頻譜,用來比對(duì)能夠使地震數(shù)據(jù)頻譜符合測(cè)井?dāng)M合光滑曲線的匹配算子。其中圖5為研究區(qū)分布的井組的測(cè)井阻抗頻譜,圖4為原始地震數(shù)據(jù)的振幅譜(紅色曲線),及光滑處理后的平均振幅譜(黑色),利用地震頻譜和測(cè)井阻抗頻譜計(jì)算譜藍(lán)化匹配算子(見圖6)。

圖5 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)波阻抗頻譜圖Fig.5 Wave impedance spectrogram of well log data

圖6 譜藍(lán)化算子振幅譜Fig.6 Amplitude spectrum of spectral bluing operator

2.3 譜藍(lán)化效果分析

原始地震剖面和經(jīng)過拓頻后地震剖面進(jìn)行對(duì)比,可以看到譜藍(lán)化拓頻處理后地震數(shù)據(jù),同相軸反射波組更加豐富完整,剖面較弱的層間反射波能量更強(qiáng)連續(xù)性更好,縱向分辨率較之前的有很大提高。通過頻譜分析,原始地震數(shù)據(jù)主頻在46 Hz左右,拓頻后地震剖面主頻提高到了60 Hz左右,主頻得到了很大提高,同時(shí)反射波在煤層分岔處異常突變更容易識(shí)別。

圖7 原始地震剖面(左)和譜藍(lán)化后地震剖面對(duì)比(右)Fig.7 Comparison of original seismic section (left) and seismic spectrum after spectral bluing (right)

3 波形分類技術(shù)

3.1 波形分類技術(shù)原理

波形分類技術(shù)原理是通過一定方法提取地震數(shù)據(jù)體中單道波形在目的層段中的特征,來描述地層巖性及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間變化[12-13]。其計(jì)算過程：在目標(biāo)層段的時(shí)窗內(nèi),依地震單道波形特征,全數(shù)據(jù)體逐道對(duì)比,自動(dòng)將相同或相似的地震道進(jìn)行分類,展示目標(biāo)層段的波形變化在橫向上的分布特征,在平面上以不同顏色代表不同地震波形類型,平面分布特征反映的即地層沉積特征的變化,從而識(shí)別目標(biāo)層段的地層巖性及地質(zhì)結(jié)構(gòu)在平面上的分布規(guī)律。

波形分類的結(jié)果質(zhì)量取決于地震屬性體、目標(biāo)層段的時(shí)窗選取、模型道提取方法、波形分類結(jié)果類數(shù)等[14-15],其中,目標(biāo)層段的時(shí)窗選取和利用的地震屬性體是影響分類結(jié)果較大的因素。

3.2 波形分類技術(shù)參數(shù)與效果分析

通過對(duì)譜藍(lán)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,13號(hào)煤層出現(xiàn)分岔,以標(biāo)定的來自13號(hào)煤層反射波T13波向上向下各開20 ms為目標(biāo)層段時(shí)窗,上下均不超過相鄰煤層反射波同時(shí)包含分岔后的煤層反射波,經(jīng)多次測(cè)試計(jì)算,當(dāng)波形分類數(shù)為6的時(shí)候,地震波形分類結(jié)果較為合理,符合研究區(qū)的地質(zhì)規(guī)律。在目標(biāo)層段時(shí)窗內(nèi)針對(duì)研究區(qū)三種典型狀態(tài)(分岔區(qū)、合并區(qū)及過渡區(qū))選擇提取6類不同的模型道[16]。

地震數(shù)據(jù)中提取的模型道波形特征(見圖8),圖中5—6類模型道及波形完整,單一相位、反射波能量強(qiáng),代表煤層合并區(qū);3—4類模型道波形上部出現(xiàn)復(fù)波,兩個(gè)反射波組處于半分離狀態(tài),下部同相軸反射波能量相對(duì)變?nèi)?上部同相軸反射波能量相對(duì)變強(qiáng),代表煤層的過渡區(qū);1—2類模型道波形頻率降低,上部及下部反射波能量均較強(qiáng),代表煤層分岔區(qū),同時(shí)隨著上部及下部同相軸變寬,代表煤層分岔間距變大。

圖8 T13波±20 ms層段6類模型道的波形特征Fig.8 Waveform characteristics of six model paths in the layer of T13 wave ± 20ms

4 應(yīng)用效果

4.1 研究區(qū)概況

石炭系太原組13號(hào)煤層為本研究區(qū)主采煤層之一,也是正在布置回采的煤層,而13號(hào)煤層在研究區(qū)東南部為單層煤,往西北部逐漸分為上下兩層煤層,整體趨勢(shì)呈現(xiàn)由西到東逐漸變厚的趨勢(shì),即分岔后的兩層厚度較合并的單層厚度更大,這種地質(zhì)情況對(duì)工作面布置及煤礦安全回采有一定影響。13號(hào)煤層總厚在7 m～15 m之間,平均厚度10 m。據(jù)鉆孔及巷道揭露13號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,區(qū)內(nèi)一般含夾矸1～5層。

4.2 煤層分岔解釋

通過譜藍(lán)化后地震波形分類解釋地震相[17-18]四種:黃色區(qū)域?yàn)楹喜⑾?13煤層合并為一層煤;藍(lán)色為過渡相,13煤分岔出13上煤層,間距較小;青色也為過渡相,13煤分岔出13上煤層,間距中等;綠色為分岔相,13煤分岔后出現(xiàn)13上煤層,分岔間距較大。受常規(guī)地震資料的分辨率限制,可以看到譜藍(lán)化后波形分類結(jié)果更接近地層實(shí)際的合并分岔邊界,局部的分岔邊界控制的也更為精細(xì),對(duì)煤礦工作面的布置及采掘方式起到了一定的指導(dǎo)作用，具體見圖9。

圖9 地震相解釋成果平面圖Fig.9 Plane plan for seismic phase interpretation

4.3 煤層分岔效果分析

譜藍(lán)化后的地震數(shù)據(jù),波形分類結(jié)果可以看出研究區(qū)存在四種不同的地震相:煤層分岔相、分岔過渡一相、分岔過渡二相和煤層合并相。

SD-02(煤厚13 m)、SD-06(煤厚12.0 m)、SD-11(煤厚13 m)及SD-12(煤厚14 m),分布在合并相內(nèi)均為單層煤;研究區(qū)南部已掘巷道表明13煤均為單層煤,厚度平均約13 m左右,與譜藍(lán)化波后形分類解釋的地震相合并區(qū)是吻合的。

SD-03(下煤厚7 m、上煤厚7 m,間距34 m)分布在分岔相內(nèi)。

SD-07(下煤厚7 m、上煤厚5 m,間距5 m)分布在過渡一相內(nèi)。

SD-18位于原始地震數(shù)據(jù)波形分類的過渡一相和合并相交界部,位于譜藍(lán)化后波形分類的過渡一相與過渡二相交界部。SD-18施工完成后(13煤厚7.95 m、13上煤厚5.15 m,間距3.15 m),可以看出基于原始地震數(shù)據(jù)的波形分類結(jié)果在研究區(qū)分岔間距解釋精度約3 m,而經(jīng)過譜藍(lán)化后波形分類的結(jié)果,分岔邊界局部向前推進(jìn)了約200 m(過渡二相)。根據(jù)SD-07(間距5.2 m)到SD-18(間距3.15 m)的變化推算,本次研究的分岔邊界間距精度接近1 m。

5 結(jié)論

1)通過本次研究分析,上下煤組的厚度、地震主頻、信噪比都是影響分岔間距解釋精度的因素。研究區(qū)地質(zhì)及地震資料品質(zhì)不同,解釋分岔間距的精度也是不同的。

2)基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)控制的譜藍(lán)化拓頻后,不僅原始地震數(shù)據(jù)的縱向分辨率具有很大提高,而且原始地震數(shù)據(jù)中地層的真實(shí)反射系數(shù)得到了保證。

3)譜藍(lán)化拓頻后再進(jìn)行波形分類劃分不同的地震相,能夠更準(zhǔn)確地控制煤層分岔合并變化范圍,為煤田勘探中煤層宏觀結(jié)構(gòu)變化的定量解釋提供了一定的參考價(jià)值,為精細(xì)解釋和煤礦建設(shè)提供可靠的依據(jù)。