張憲旭
基于模型驅(qū)動(dòng)的煤層強(qiáng)反射能量衰減方法
張憲旭
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
地震數(shù)據(jù)中煤層反射波具有能量強(qiáng)的特征,使鄰近地層的反射被煤層反射所掩蓋,導(dǎo)致鄰近層難以成像,巖性解釋工作存在困難。針對(duì)此問題,提出基于模型驅(qū)動(dòng)的煤層強(qiáng)反射能量衰減方法。利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和煤礦井下鉆孔實(shí)測(cè)的煤厚數(shù)據(jù)與煤層反射振幅繪制交會(huì)圖,擬合振幅與厚度的關(guān)系式,構(gòu)建數(shù)字模型并模擬煤層反射,在振幅殘差閾值的控制下迭代求取全區(qū)煤層厚度,使用求取的模型煤層反射數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)中的煤層振幅進(jìn)行衰減。通過模型試算表明,該方法在理論上具有可行性;通過對(duì)鄂爾多斯市某煤礦地震數(shù)據(jù)中3–1號(hào)煤層反射壓制的應(yīng)用表明,該方法對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)中的煤層反射壓制效果良好,煤層附近的弱反射層成像質(zhì)量得到提升,為巖性解釋提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
模型驅(qū)動(dòng);強(qiáng)能量衰減;煤厚預(yù)測(cè);相干性疊加;井下鉆孔數(shù)據(jù)
在地震數(shù)據(jù)中煤層反射振幅要強(qiáng)于圍巖反射振幅,距離煤層比較近的反射能量往往被煤層反射所掩蓋,導(dǎo)致砂體和灰?guī)r的反射無法被識(shí)別[1-3]。在油氣勘探領(lǐng)域中,這些砂體和灰?guī)r是目標(biāo)儲(chǔ)層[4];而在煤田勘探領(lǐng)域中,是潛在的導(dǎo)致礦井突水的含水層[5-6]。因此,壓制煤層反射振幅的能量,突顯砂體和灰?guī)r的反射能量是使得煤層附近的目標(biāo)儲(chǔ)層和潛在含水層能被解釋的必要前提[7]。
為解決強(qiáng)反射對(duì)弱反射的掩蓋問題,眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,提出多種消除強(qiáng)反射突顯弱反射的方法,有基于小波變換的壓制方法[8-9]、基于波形匹配的去除方法、基于匹配追蹤技術(shù)的強(qiáng)振幅分離方法[10-13]和對(duì)強(qiáng)振幅剝離后殘余能量的分析方法[14]。這些方法主要是基于地震數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)變換或利用強(qiáng)反射的稀疏分解方法對(duì)強(qiáng)振幅進(jìn)行衰減和壓制,沒有將強(qiáng)反射與產(chǎn)生強(qiáng)反射的地層信息建立聯(lián)系,也沒有利用礦井井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等先驗(yàn)數(shù)據(jù),所考慮的因素較為單一,具有一定的局限性?;谝陨涎芯勘尘?,筆者利用煤礦井下實(shí)際揭露的先驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立以煤層厚度、速度和密度為主要參數(shù)的數(shù)字模型,提出基于模型驅(qū)動(dòng)的煤層反射振幅的預(yù)測(cè)方法,在提高煤層強(qiáng)振幅的去除效果的同時(shí),保證弱反射振幅不受損傷,用來提高近煤層的砂巖和灰?guī)r的解釋精度。最后,通過模型和實(shí)際資料驗(yàn)證方法的有效性。
由波的干涉理論可知,兩列波在介質(zhì)中相遇時(shí)若兩波的波峰(或波谷)同時(shí)抵達(dá),兩波同相干涉產(chǎn)生最大的振幅,稱為相長(zhǎng)干涉;若兩波之一的波峰與另一波的波谷同時(shí)抵達(dá),兩波反相干涉產(chǎn)生最小的振幅,稱為相消干涉[15]。地震波傳播過程中,當(dāng)有多個(gè)反射界面時(shí),反射界面之間的距離小于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí),反射波會(huì)出現(xiàn)波的干涉(調(diào)諧現(xiàn)象),其反射振幅由界面的反射系數(shù)和界面之間的距離決定[16-17]。干涉(調(diào)諧現(xiàn)象)在楔形模型中最為典型,如圖1a所示模型在高速層中有一個(gè)低速的楔形地質(zhì)體(煤層),楔形體的縱波速度為2 000 m/s、密度1.6 g/cm3,地層厚度從0線性增大到50 m,圍巖(砂泥巖)的縱波速度為3 500 m/s,密度2.26 g/cm3。采用主頻50 Hz的雷克子波進(jìn)行模擬,得到楔形模型的地震反射剖面(圖1b)。
由模型中煤層的速度可以計(jì)算出地震波在煤層中的波長(zhǎng)為40 m,因此,當(dāng)煤層厚度小于40 m時(shí),煤層頂界面和底板的反射波會(huì)相互干涉(圖1b)。從煤層頂板振幅曲線(圖1c)可以看出,當(dāng)煤層厚度從0變化到10 m時(shí),反射波振幅值從極小值線性變化到極大值;當(dāng)煤層厚度超過10 m時(shí),層厚與振幅不再滿足線性關(guān)系;當(dāng)煤層厚度超過40 m時(shí),煤層頂?shù)装宸瓷洳ú辉侔l(fā)生干涉,反射波振幅恢復(fù)到正常。煤層厚度在四分之一波長(zhǎng)范圍之內(nèi)時(shí),層厚與振幅具有線性關(guān)系,這一規(guī)律也常被用來計(jì)算煤層厚度[18-20]。
以楔形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)模型進(jìn)行擴(kuò)展(圖2),設(shè)有一個(gè)厚度從外(8 m)向內(nèi)(2 m)線性變化的煤層,煤層頂板圍巖有2個(gè)最大厚度分別為20 m和40 m的殘丘,其中殘丘體的縱波速度為2 800 m/s、密度為2.21 g/cm3;底板圍巖有2個(gè)最大深度分別為20 m和40 m的溝壑,其中溝壑的縱波速度為3 200 m/s、密度為2.23 g/cm3。
(a) 楔形模型;(b) 模擬的地震道;(c) 反射波振幅曲線
(a) 模型;(b) 模擬的地震道;(c) 煤層反射波振幅曲線
模擬后得到模型剖面(圖2b),其中,①殘丘反射表現(xiàn)為:20 m殘丘反射無法被識(shí)別,40 m殘丘可以看出一點(diǎn)反射,但能量非常弱,識(shí)別難度大;②溝壑反射表現(xiàn)為:20 m和40 m溝壑的反射都難以被識(shí)別;③煤層同相軸表現(xiàn)為,能量非常強(qiáng)且連續(xù)性好,殘丘處由于其低速效應(yīng)同相軸有輕微下凹的現(xiàn)象,其他無明顯異常,但從同相軸的振幅屬性可以看出(圖2c),溝壑和殘丘處的煤層振幅均出現(xiàn)振幅異常。這些現(xiàn)象說明由于煤層與圍巖波阻抗差較大,其上下圍巖中砂巖、泥巖和灰?guī)r之間的波阻抗較小,煤層厚度在10 m以內(nèi)變化時(shí),其煤層的反射能量主要是由煤層的厚度所決定。而圍巖巖性變化,是在厚度所決定的反射能量趨勢(shì)之上,以振幅發(fā)生變化的形式展現(xiàn)。
從模型中提取的煤層反射振幅曲線(圖2c)可以看出,煤層厚度在四分之一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的煤層振幅與煤層厚度主要呈線性關(guān)系,出現(xiàn)振幅值背離線性趨勢(shì)的地方為殘丘和溝壑出現(xiàn)的位置。如果將煤層厚度展現(xiàn)的能量趨勢(shì)進(jìn)行壓制,凸顯煤層附近反映巖性變化的異常,即可達(dá)到對(duì)煤層振幅壓制的同時(shí)對(duì)圍巖弱反射成像的目的。
本文的煤層強(qiáng)反射壓制方法是基于煤層厚度小于四分之一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的煤層振幅與煤層厚度呈線性關(guān)系的理論基礎(chǔ)之上提出來的,主要包含以下步驟:
a. 煤層層位標(biāo)定 提取井旁地震道子波,制作合成地震記錄,對(duì)煤層層位進(jìn)行標(biāo)定。
b. 拾取煤層層位 在煤層層位標(biāo)定的基礎(chǔ)上,對(duì)煤層同相軸做層位追蹤。
c. 建立煤層厚度與反射能量的關(guān)系式 提取井點(diǎn)位置和井下煤厚實(shí)測(cè)位置處的煤層反射振幅,制作煤層厚度與反射振幅的屬性交會(huì)圖,擬合厚度與振幅變化線性關(guān)系式。
d. 模型構(gòu)建和數(shù)值模擬 將井點(diǎn)位置和井下煤厚實(shí)測(cè)位置處的煤厚數(shù)據(jù)設(shè)為控制點(diǎn),控制點(diǎn)之外的煤厚數(shù)據(jù)由煤層反射振幅使用擬合的振幅與煤厚的線性關(guān)系式計(jì)算。依據(jù)控制點(diǎn)煤厚和計(jì)算出的煤層厚度數(shù)據(jù),構(gòu)建包括上覆地層、煤層和下伏地層的3層數(shù)字模型。
e. 煤層振幅衰減和質(zhì)量控制 使用構(gòu)建的數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)值模擬,得到煤層反射數(shù)據(jù),將其乘以比例系數(shù),與原始地震數(shù)據(jù)相減,得到煤層振幅衰減后的數(shù)據(jù)。
設(shè)置振幅殘差閾值,逐道計(jì)算振幅殘差和全局振幅殘差值,如果全局振幅殘差值超過閾值,返回步驟d,調(diào)整振幅殘差較大區(qū)域位置的模型煤層厚度,殘差為正值時(shí)厚度向大調(diào)整,負(fù)值時(shí)向小調(diào)整,重新進(jìn)行模型模擬和煤層振幅衰減,反復(fù)迭代直到全局振幅殘差值小于閾值,這時(shí)得到的數(shù)據(jù)即為最終的煤層振幅衰減結(jié)果。
圖3 煤層強(qiáng)反射壓制方法流程
利用本文方法對(duì)模型數(shù)據(jù)(圖2)進(jìn)行試算,驗(yàn)證方法是否可行。由于模型中只有一個(gè)煤層反射界面,模擬出的反射剖面較為簡(jiǎn)單,只需對(duì)同相軸的負(fù)相位反射波最大值進(jìn)行追蹤。模型厚度已知,根據(jù)層位提取煤層反射振幅與厚度制作交會(huì)圖(圖4)。從圖4可以看出,煤層厚度是從2~8 m變化過程中呈線性趨勢(shì),其相關(guān)程度較高(相關(guān)系數(shù)2為0.96),根據(jù)交會(huì)圖提取煤層厚度與反射振幅的趨勢(shì)公式。
=0.001 93(1)
式中:為煤層厚度;為反射振幅值。
根據(jù)式(1)計(jì)算出煤層厚度后,構(gòu)建3層數(shù)字模型(圖5a)。上覆圍巖、煤層和下伏圍巖的物性參數(shù)與圖2中的物性參數(shù)保持一致,根據(jù)拾取的煤層層位時(shí)間,通過時(shí)深轉(zhuǎn)換求取煤層深度值;其中需要注意的是,由于殘丘低速體的存在,煤層的反射波形出現(xiàn)下凹現(xiàn)象,拾取出的煤層層位也為下凹狀態(tài),構(gòu)建模型時(shí)煤層也需呈下凹狀態(tài)。
圖4 模型振幅與煤厚交會(huì)圖
對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)值模擬得到地震模型剖面(圖5b),將預(yù)測(cè)模型剖面與初始模型剖面(圖2b)振幅相減,設(shè)置振幅閾值為0.5,經(jīng)過迭代得到最終的模型煤層強(qiáng)能量衰減結(jié)果剖面(圖5c)。從煤層振幅衰減后的數(shù)據(jù)(圖5c)可以看出,煤層強(qiáng)振幅能量被完全消除,原來被煤層能量壓制的殘丘和溝壑的形態(tài)清晰地展現(xiàn)出來,不再受到煤層強(qiáng)振幅干擾而無法識(shí)別。從模型壓制結(jié)果可以看出,煤層強(qiáng)能量壓制效果良好,說明該方法在理論上可行。
(a) 預(yù)測(cè)模型;(b) 模擬的地震道;(c) 煤層振幅壓制后剩余振幅
在模型試算過程中,煤層厚度和物性參數(shù)是已知的,且除了殘丘和溝壑處振幅偏離線性之外,其他完全符合煤層厚度與振幅的線性關(guān)系,壓制效果較好。由于實(shí)際數(shù)據(jù)影響因素較多,比如噪聲、激發(fā)能量、接收能量、煤層厚度和地層巖性橫向變化等,因此,在實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用中,需要對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)研,確認(rèn)煤層是否滿足煤厚在四分之一波長(zhǎng)以內(nèi)的假設(shè)條件,且被壓制的目標(biāo)煤層在一個(gè)波長(zhǎng)距離內(nèi)是否存在其他煤層,以及實(shí)際數(shù)據(jù)如何構(gòu)建煤層振幅與煤層厚度的關(guān)系式等。
試驗(yàn)區(qū)位于鄂爾多斯盆地北緣的內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)。試驗(yàn)區(qū)的主要含煤地層為侏羅系延安組,可采煤層為5層,其中3–1號(hào)煤層為最厚煤層,全區(qū)賦存,厚度變化范圍為1~10 m,平均厚度6.25 m,其他煤層相對(duì)較薄。煤層的下伏地層為三疊系延長(zhǎng)組,巖性主要為薄層狀砂質(zhì)泥巖和粉砂巖互層。煤層上覆地層為侏羅系直羅組,巖性為泥巖與砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖呈互層產(chǎn)出。煤層反射主要為3–1號(hào)煤層,反射能量較強(qiáng),煤層頂?shù)装鍘r性主要為砂泥巖,反射能量較弱。
算法需要得到煤層厚度與振幅的線性關(guān)系式,以及是否存在與其他強(qiáng)反射的復(fù)合關(guān)系。從圖6a可以看出,最厚煤層3–1號(hào)煤是最上部煤層,厚度6.4 m,下伏煤層與其底板相距41 m。在井點(diǎn)位置處煤層的縱波速度為2 100 m/s,地震主頻為53 Hz。地震波長(zhǎng)為39 m,煤層厚度在調(diào)諧厚度(四分之一波長(zhǎng)9.7 m)以內(nèi),且3–1號(hào)煤與下伏煤層的距離超過一個(gè)波長(zhǎng),反射波之間不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象,滿足壓制方法的使用條件。
利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中的速度和密度曲線求取阻抗曲線,并制作合成地震記錄,對(duì)煤層層位進(jìn)行標(biāo)定,建立時(shí)深關(guān)系。從合成地震記錄與實(shí)際地震數(shù)據(jù)對(duì)比(圖6a)可以看出,主要地層的反射有較高的相關(guān)度,層位標(biāo)定結(jié)果可靠。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是模型構(gòu)建的基礎(chǔ),構(gòu)建模型的巖石物性參數(shù)(速度和密度參數(shù))需要從測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中得知,但實(shí)際的測(cè)井曲線呈鋸齒狀,需要對(duì)實(shí)際的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)做方波化處理(圖6)。具體實(shí)現(xiàn)方法為:求取煤層的阻抗平均值,煤層圍巖的阻抗值是分別將頂板以上和底板以下50 m以內(nèi)的阻抗求平均值替代原曲線,將曲線做方波化處理。方波化后,需要將方波化后的合成地震記錄與實(shí)際數(shù)據(jù)的合成地震記錄進(jìn)行對(duì)比,確保煤層反射波形保持基本不變。
圖6 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)方波化前后的合成地震記錄
研究區(qū)內(nèi)測(cè)井?dāng)?shù)量為8口,煤礦井下通過探孔實(shí)測(cè)的煤厚數(shù)據(jù)為19個(gè),根據(jù)所有測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和煤礦井下探孔實(shí)測(cè)煤厚數(shù)據(jù)制作煤層厚度與振幅值的交會(huì)圖(圖7)。從交會(huì)圖中可以看出,煤層厚度的變化范圍為3.3~7.0 m,煤層厚度與振幅值大致呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì),其相關(guān)系數(shù)(2)為0.68,根據(jù)散點(diǎn)的變化趨勢(shì)構(gòu)建煤層與振幅值的線性關(guān)系:
在實(shí)際數(shù)據(jù)體之上根據(jù)合成地震記錄標(biāo)定的結(jié)果對(duì)煤層層位進(jìn)行追蹤,提取煤層振幅值,使用煤層厚度與振幅值的關(guān)系式求取煤層厚度。根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和煤礦井下探孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),求取研究區(qū)內(nèi)煤層和上下圍巖的速度(均指縱波速度)和密度的平均值,利用求取的上覆圍巖平均速度將層位,通過時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算深度值,并依據(jù)井點(diǎn)位置的煤層厚度數(shù)據(jù)和井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的位置和煤厚數(shù)據(jù)形成控制點(diǎn),構(gòu)建數(shù)字模型(圖8a)。
圖7 基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的振幅與煤厚交會(huì)圖
對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬得到煤層反射波模型剖面(圖8b)。將得到的模型剖面乘以比例系數(shù)(實(shí)際數(shù)據(jù)的平均振幅/模型煤層平均振幅)與實(shí)際的地震剖面(圖8c)相減得到振幅殘差數(shù)據(jù);以全局振幅殘差值為依據(jù),迭代更新模型中的煤層厚度,直到全局振幅殘差值小于設(shè)定的閾值后得到煤層振幅衰減后的地震剖面(圖8d)。從圖8中箭頭所指之處可以看出,衰減前后的煤層振幅得到了非常好的壓制,距離煤層非常近的弱反射,以及由于煤層上下圍巖巖性變化引起的振幅異常都被突顯出來,而這些反射的能量正是被煤層強(qiáng)振幅所淹沒的砂泥巖的反射能量。
該方法是以調(diào)諧厚度理論為基礎(chǔ),前提條件是煤厚與反射振幅在小于四分之一波長(zhǎng)之內(nèi)為線性關(guān)系,如果地層厚度超出四分之一波長(zhǎng),理論前提將不滿足。
該方法在煤層的上下圍巖巖性相對(duì)穩(wěn)定時(shí)壓制效果最佳,但當(dāng)煤層上下圍巖巖性橫向變化時(shí),煤層反射能量的壓制效果將會(huì)降低。針對(duì)這樣的情況,可根據(jù)沉積特征將研究區(qū)劃分為不同的區(qū)域,將屬于同一相帶的井和井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別提取一個(gè)煤層厚度與振幅的線性關(guān)系式,再對(duì)煤層厚度進(jìn)行預(yù)測(cè),壓制效果會(huì)有所提升。
需要注意的是,方法的迭代是以振幅殘差閾值為依據(jù),如果殘差門限值給的過小,會(huì)將圍巖或煤層巖性變化引起的振幅變化一并消除,使衰減煤層能量突顯圍巖弱反射的目的失去意義。
(a) 預(yù)測(cè)模型;(b) 模擬的地震道;(c) 煤層振幅壓制前剖面;(d) 煤層振幅壓制后剖面
a. 煤層能量壓制方法是基于在四分之一波長(zhǎng)以內(nèi)煤層厚度與煤層振幅呈線性關(guān)系的調(diào)諧理論基礎(chǔ),提出基于煤層厚度與振幅之間的關(guān)系式,利用模型驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)煤層強(qiáng)振幅進(jìn)行衰減。通過模型試算和實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用表明,該方法可以對(duì)煤層強(qiáng)反射能量進(jìn)行有效壓制的同時(shí)保留鄰近煤層的弱反射能量和圍巖巖性變化引起的振幅變化。
b. 算法是基于煤層厚度模型驅(qū)動(dòng)的衰減方法,根據(jù)煤層厚度和反射能量做交會(huì)圖提取公式的計(jì)算方法,運(yùn)算效率高。方法是拾取煤層反射層位后,使用模型速度,通過時(shí)深轉(zhuǎn)換,將層位換算到深度域,因此,模型模擬的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)之間不需要匹配算法,可以直接相減,與通常的預(yù)測(cè)相減算法相比,可適性強(qiáng),易實(shí)現(xiàn)。另外,在地層條件簡(jiǎn)單的情況下,模型所得到的煤層厚度精確度較高,可以作為煤層厚度預(yù)測(cè)成果來使用。
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Model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection
ZHANG Xianxu
(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)
The reflection of coal seam in seismic data has the characteristics of strong energy, which makes the reflection of adjacent strata often concealed by the reflection of coal seam. This makes it difficult to image the adjacent weak layer and lithological interpretation difficult. Aiming at this problem, a model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection was proposed. This method uses the coal thickness calculated by logging and measured by borehole in underground coal mine to construct cross plot with reflection amplitude of coal seam, and fit the relationship formula between amplitude and thickness. The digital model was constructed and the reflection of coal seam was simulated. The thickness of coal seam in the whole area was calculated iteratively by using the threshold value of amplitude residual. The strong amplitude of coal seam in the actual data was attenuated by using the data simulated by the model. The experimental results of the model data shows that the method is feasible in theory; The suppression effect of the strong reflection of coal seam 3–1in the seismic data of a coal mine in Ordos shows that the practical application effect was good, and the imaging quality of weak reflection layer near the coal seam was improved, which provides the basic data for the lithological interpretation.
model-driven; strong energy attenuation; coal thickness prediction; coherence stack; underground borehole data
P315;P631
A
10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.027
1001-1986(2020)03-0188-07
2019-11-16;
2020-03-28
中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2019XAYMS28)
Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS28)
張憲旭,1979年生,男,陜西寶雞人,碩士,副研究員,從事煤田地震資料處理工作. E-mail:zhangxianxu@cctegxian.com
張憲旭. 基于模型驅(qū)動(dòng)的煤層強(qiáng)反射能量衰減方法[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2020,48(3):188–194.
ZHANG Xianxu. Model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection[J]. Coal Geology & Exploration,2020,48(3):188–194.
(責(zé)任編輯 聶愛蘭)