萬(wàn)照飛，郭增虎，王 鵬，唐美珍，韓天寶，劉良瓊

(中國(guó)石油東方地球物理公司研究院地質(zhì)研究中心，河北 涿州 072750)

陷落柱發(fā)育嚴(yán)重破壞了煤層的連續(xù)性，并且打破了煤層氣藏的原本平衡系統(tǒng)；此外，還溝通了附近的地層水，使煤層氣遭受水洗作用，嚴(yán)重影響了煤層的含氣性[1]。因此，精確查明陷落柱的發(fā)育情況，對(duì)避免勘探開(kāi)發(fā)失利及提高生產(chǎn)效率具有重要意義。目前，三維地震勘探技術(shù)是查明陷落柱的主要技術(shù)方法，近幾年諸多學(xué)者圍繞陷落柱的地震響應(yīng)特征及識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了研究與分析[2]，張時(shí)元等[3]在徐州礦區(qū)利用三維地震技術(shù)解釋陷落柱，并得到了工程驗(yàn)證。目前，基于三維地震的主要識(shí)別方法是相干、螞蟻體、曲率、振幅提取等地震屬性[4-8]。從原理來(lái)看，這些方法都是基于三維地震數(shù)據(jù)利用陷落柱這一構(gòu)造引起的地震反射同相軸的波形變化即非連續(xù)性進(jìn)行的平面識(shí)別[9-13]；而陷落柱除地震響應(yīng)特征外，自身具有一定的地球物理特征(縱波阻抗值高)，因此，近年有學(xué)者基于地震數(shù)據(jù)，利用地震反演的方法對(duì)陷落柱進(jìn)行識(shí)別，認(rèn)為從反演得到的波阻抗數(shù)據(jù)體提取煤層及其頂板波阻抗切片能清晰反映陷落柱在煤層中的平面位置及形態(tài)[14]。波形指示反演技術(shù)是在地震波形特征指導(dǎo)下(相控)對(duì)反射系數(shù)組合尋優(yōu)的過(guò)程，是目前有效的儲(chǔ)層定量預(yù)測(cè)技術(shù)之一，該反演技術(shù)有效提高了儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度和可靠性，尤其適用于橫向變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)、薄互層等儲(chǔ)層的高精度預(yù)測(cè)[15]。其核心思想是利用地震波形的橫向變化代替變差函數(shù)表征儲(chǔ)層的空間變異程度[16]?；诖?，筆者將波形指示反演技術(shù)應(yīng)用到陷落柱識(shí)別中，在反演運(yùn)算時(shí)，將陷落柱的地震波形、振幅變化信息代替變差函數(shù)表征陷落柱特征，地質(zhì)解釋時(shí)，結(jié)合陷落柱高波阻抗這個(gè)特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陷落柱的識(shí)別。并在沁水盆地樊莊區(qū)塊進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的效果。該方法既為陷落柱識(shí)別提供了思路，也拓寬了反演技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 陷落柱的地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)特征

陷落柱又稱(chēng)“無(wú)炭柱”，是在一定地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下，地下溶蝕垮塌由上覆非可溶性巖層坍塌充填形成的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造。其平面形態(tài)大多呈橢圓形；直徑大小不等，一般在幾十米至百米間。剖面形態(tài)(圖1)多表現(xiàn)為4 類(lèi)：筒形、斜塔形、錐體形、不規(guī)則形(不常見(jiàn))。根據(jù)陷落柱塌陷程度不同，可分為通天柱、半截柱和下伏柱3 種[17](圖2)。

圖1 陷落柱常見(jiàn)類(lèi)型的地震剖面Fig.1 Seismic profiles of common collapse columns

圖2 不同塌陷程度的陷落柱Fig.2 Schematic diagram of collapse columns with different collapse degree

1.2 波阻抗特征

煤層聲波時(shí)差范圍一般為340～440 μs/m，密度為1.25～1.75 g/cm3，與其他巖性對(duì)比，煤層呈“低速、低密度”的特征；煤層聲波阻抗值的范圍一般在2 500～6 000 (g/cm3) · (m/s)，相對(duì)其他巖性屬于低縱波阻抗的特征(圖3)。而由陷落柱的形成機(jī)制可知，陷落柱內(nèi)受塌陷作用影響而被上覆相對(duì)煤層為高縱波阻抗的地層巖石所充填，因此，煤層中陷落柱發(fā)育的位置呈高縱波阻抗的特征。

圖3 縱波阻抗直方圖Fig.3 Column diagram of vertical wave impedance

1.3 地震響應(yīng)特征

應(yīng)用Teseeral 軟件對(duì)不同尺度陷落柱的地震響應(yīng)特征進(jìn)行正演分析。地質(zhì)模型參數(shù)是以沁水盆地zs30 井的聲波速度和密度曲線(xiàn)為基礎(chǔ)產(chǎn)生的層狀介質(zhì)模型(圖4a)：750 m 以淺主要地層為砂泥巖互層夾煤層，其中，3 號(hào)和15 號(hào)煤層縱波速度2 000 m/s，密度1.8 g/cm3；砂泥巖互層縱波速度為2 800～3 500 m/s，密度2.0～2.6 g/cm3；750～800 m 為灰?guī)r地層，縱波速度為6 750 m/s，密度2.8 g/cm3。在此基礎(chǔ)上，建立不同規(guī)模尺寸的陷落柱模型，根據(jù)沁水盆地陷落柱的發(fā)育特征，尺寸規(guī)模分別定為直徑20、40、60、80、100 m。陷落柱充填速度為3 000 m/s，密度2.5 g/cm3，自激自收，CDP 道間距為20 m。選用35 Hz 的零相位雷克子波，子波長(zhǎng)度為100 ms，采樣率為1 ms，得到陷落柱模型的正演剖面(圖4b)。

根據(jù)正演地震剖面分析可知：

①落柱發(fā)育尺度越大，地震響應(yīng)越明顯，反之，則越不明顯；② 陷落柱尺度較大時(shí)(直徑不小于40 m)，地震反射同相軸振幅明顯減弱、中斷或彎曲；③陷落柱尺度較小時(shí)(直徑小于40 m)，地震同相軸無(wú)明顯的中斷以及其他的直觀特征，但振幅存在一定的減弱。

綜上所述，陷落柱的發(fā)育在地質(zhì)構(gòu)造上會(huì)造成上覆地層向下塌陷，從而使煤層發(fā)育段被高縱波阻抗的地層或巖石所充填，因此，煤層中陷落柱發(fā)育位置表現(xiàn)為高縱波阻抗的特征；此外，從正演地震資料上看，陷落柱也會(huì)產(chǎn)生反射同相軸的中斷、彎曲等波形變化和振幅減弱的響應(yīng)特征。

圖4 陷落柱模型及正演地震剖面Fig.4 Collapse column model and forward seismic profile

2 地震波形指示反演原理及步驟

2.1 基本原理

地震波形指示反演是在傳統(tǒng)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[18-19]。它采用地震波形指示馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機(jī)模擬(SMCMC)算法，在地震波形的驅(qū)動(dòng)下，挖掘相似波形對(duì)應(yīng)的測(cè)井曲線(xiàn)中蘊(yùn)含的共性結(jié)構(gòu)信息(圖5)；進(jìn)行樣本統(tǒng)計(jì)，可參照波形相似性和空間距離2 個(gè)因素，在保證樣本結(jié)構(gòu)特征一致性的基礎(chǔ)上按照分布距離對(duì)樣本排序，優(yōu)選與預(yù)測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度高的井作為初始模型，對(duì)高頻成分進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，并保證最終反演的地震波形與原始地震一致；從而使反演結(jié)果在空間上體現(xiàn)了沉積相帶的約束，在平面上更符合沉積規(guī)律和特點(diǎn)。

2.2 步 驟

首先，按照地震波形特征對(duì)已知井進(jìn)行分析(圖5)，優(yōu)選與待判別道波形關(guān)聯(lián)度高的井樣本建立初始模型，并統(tǒng)計(jì)其縱波阻抗作為先驗(yàn)信息[20]。然后，將初始模型與地震頻帶阻抗進(jìn)行匹配濾波，計(jì)算得到似然函數(shù)。如果2 口井的地震波形相似，表明這2 口井大的沉積環(huán)境是相似的，雖然其高頻成分可能來(lái)自不同的沉積微相，差異較大，但其低頻具有共性，且經(jīng)過(guò)井曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)證明，其共性頻帶范圍大幅度超出了地震有效頻帶。利用這一特性，既可以增強(qiáng)反演結(jié)果低頻段的確定性，同時(shí)約束了高頻的取值范圍，使反演結(jié)果的確定性更強(qiáng)(圖6)。最后，在貝葉斯框架下，聯(lián)合似然函數(shù)分布和先驗(yàn)分布得到后驗(yàn)概率分布，并將其作為目標(biāo)函數(shù)，不斷擾動(dòng)模型參數(shù)，使后驗(yàn)概率分布函數(shù)最大時(shí)的解作為有效的隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，取多次有效實(shí)現(xiàn)的均值作為期望值輸出。

式中：Z(x0)為未知點(diǎn)的值；Z(x0)為波形優(yōu)選的已知樣本點(diǎn)的值；λi為第i個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知樣點(diǎn)的權(quán)重；n為優(yōu)選樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

圖5 波形指示樣本優(yōu)選示意Fig.5 Schematic diagram of waveform indication sample optimization

圖6 測(cè)井曲線(xiàn)多尺度分析Fig.6 Multi-scale analysis of logging curves

實(shí)踐表明，基于波形指示優(yōu)選的樣本，在空間上具有較好的相關(guān)性，可以利用馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機(jī)模擬進(jìn)行無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)，獲得期望和隨機(jī)解。

2.3 識(shí)別陷落柱的適用性分析

常規(guī)地震剖面受調(diào)諧作用影響，其地震反射同相軸的反射信息是周?chē)嗵椎貙臃瓷湫畔B加的結(jié)果，其縱向分辨率較低。因此，基于地震數(shù)據(jù)的沿層屬性是代表的周?chē)貙蛹皫r性反射信息的疊加。而反演得到的縱波阻抗體縱向分辨率有明顯提高，因此，沿層提取的波阻抗切片可以降低受?chē)鷰r反射信息的影響，能夠更加突出目的層的橫向信息變化，此外，由上文分析可知，陷落柱發(fā)育位置相對(duì)煤層具有高縱波阻抗的特征，而且在地震資料上具有波形變化和振幅減弱的地震響應(yīng)特征。而地震波形指示反演是一種利用地震波的橫向變化代替變差函數(shù)表征儲(chǔ)層的空間變異程度的反演方法。其核心算法中存在地震波形和振幅對(duì)比這一過(guò)程，并在這一基礎(chǔ)之上得到最終的縱波阻抗數(shù)據(jù)體。因此，通過(guò)這種反演方法，地震道之間的波形和振幅差異會(huì)體現(xiàn)在縱波阻抗體阻抗值橫向變化上。

總之，波形指示反演技術(shù)在運(yùn)算過(guò)程中可以將陷落柱發(fā)育位置的地震波形、振幅變化信息有機(jī)地融合到反演的縱波組抗體中，從而實(shí)現(xiàn)利用波阻抗體對(duì)陷落柱進(jìn)行識(shí)別及刻畫(huà)。

3 實(shí)際應(yīng)用及效果分析

沁水盆地是我國(guó)主要煤層氣勘探區(qū)，其中，樊莊區(qū)塊隨著研究的不斷深入，勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)相對(duì)成熟。3 號(hào)煤層厚度較厚，煤體結(jié)構(gòu)好，含氣量高，為該地區(qū)主力勘探層系，埋深500～700 m。該地區(qū)煤層之下灰?guī)r發(fā)育，巖溶作用比較強(qiáng)，陷落柱在該地區(qū)比較發(fā)育，對(duì)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了不良影響。根據(jù)勘探開(kāi)發(fā)需求，完成三維地震勘探。三維地震資料主頻為30 Hz，頻寬10～80 Hz，信噪比高，品質(zhì)較好，道間距為20 m，滿(mǎn)足波形指示反演方法的應(yīng)用。

在精細(xì)構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上，利用工區(qū)已有的地震和鉆井資料，按照?qǐng)D7 技術(shù)路線(xiàn)開(kāi)展反演工作。其中有效樣本數(shù)主要表征地震波形空間變化對(duì)儲(chǔ)層的影響程度，是控制地震波形指示反演進(jìn)行樣本優(yōu)選的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)質(zhì)量監(jiān)控開(kāi)展數(shù)據(jù)分析確定有效樣本數(shù)為4。此外，地震波形指示反演低頻主要是受地震頻帶及地震相的影響，高頻則主要受同沉積結(jié)構(gòu)樣本的控制，越到高頻隨機(jī)性越強(qiáng)，通過(guò)質(zhì)量監(jiān)控確定最佳截止頻率為150 Hz。

圖7 技術(shù)路線(xiàn)Fig.7 Technical route

在波形指示反演得到的縱波阻抗數(shù)據(jù)體上，通過(guò)沿3 號(hào)煤層提取縱波阻抗值得到3 號(hào)煤層頂部縱波阻抗平面特征(圖8)。從圖8 可知，該沿層縱波阻抗切片值域范圍4 000～10 450 (g/cm3)·(m/s)。低波阻抗值為4 000～6 000 (g/cm3)·(m/s)，即圖中呈片分布的綠色區(qū)域；但也有6 000～10 450 (g/cm3)·(m/s)的縱波阻抗相對(duì)高值區(qū)，呈條帶或斑點(diǎn)狀分布，即圖中紅色區(qū)域。由前文分析可知，其中綠色區(qū)域?yàn)槊簩拥陌l(fā)育區(qū)，呈近似斑點(diǎn)狀的即為陷落柱的響應(yīng)，呈線(xiàn)狀或者條帶狀的為斷層響應(yīng)。

圖8 3 號(hào)煤層沿層波阻抗切片F(xiàn)ig.8 Slice of wave impedance along No.3 coal seam

從圖9 可知，平面上11 個(gè)預(yù)測(cè)的陷落柱在剖面上都有顯著的特征：在陷落柱發(fā)育位置地層向下塌陷，尤其1 和2 號(hào)陷落柱，由于發(fā)育規(guī)模較大，陷落柱發(fā)育位置煤層明顯塌陷到了3 號(hào)煤層的下伏地層中。4—11 號(hào)陷落柱發(fā)育規(guī)模較小，煤層相對(duì)較連續(xù)，相對(duì)于規(guī)模大的陷落柱特征不明顯，煤層存在下彎的形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)5、6、8、10 號(hào)陷落柱煤層下方存在明顯的低縱波阻抗的斑點(diǎn)，體現(xiàn)了煤層呈向下塌陷的趨勢(shì)；此外，每一個(gè)陷落柱發(fā)育的位置相對(duì)于3 號(hào)煤層的上方都會(huì)有一個(gè)高縱波阻抗值的斑點(diǎn)，這是煤層上覆高縱波阻抗的地層或巖石塌陷到煤層里的表現(xiàn)。

從陷落柱預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，樊莊區(qū)塊陷落柱比較發(fā)育，統(tǒng)計(jì)共有356 個(gè)，但平面分布具有差異性，其中南部陷落柱發(fā)育286 個(gè)，北部則發(fā)育較少，只有70 個(gè)。這與相干屬性識(shí)別的陷落柱數(shù)量及分布規(guī)律基本吻合：相干屬性識(shí)別陷落柱307 個(gè)，其中南部255 個(gè)，北部52 個(gè)。此外，從目前的鉆井情況看，其中產(chǎn)氣井主要集中在北部，南部鉆井則只在西側(cè)具有相對(duì)少數(shù)產(chǎn)氣井。含氣性較好的區(qū)域基本集中在北部而南部較少，研究分析這可能與陷落柱的發(fā)育情況具有一定的相關(guān)性。此外，從區(qū)域水文地質(zhì)條件來(lái)看，如圖10 所示，在該區(qū)塊中部(圖10 中虛線(xiàn))發(fā)育有地下分水嶺，其北部水動(dòng)力弱，而南部水動(dòng)力相對(duì)活躍，水洗嚴(yán)重，溶蝕作用強(qiáng)，容易發(fā)育陷落柱[21]。這與陷落柱預(yù)測(cè)的分布特征相一致。

圖9 過(guò)陷落柱的反演波阻抗剖面Fig.9 Inversion wave impedance profile across collapse column

圖10 樊莊地區(qū)奧陶系灰?guī)r地層水文地質(zhì)情況Fig.10 Hydrological conditions of Ordovician limestone in Fanzhuang area

總之，陷落柱的預(yù)測(cè)結(jié)果具有3 個(gè)一致性，體現(xiàn)了預(yù)測(cè)成果的可靠性：①?gòu)钠拭娴奶卣鱽?lái)看，預(yù)測(cè)的陷落柱發(fā)育位置的縱波阻抗特征與陷落柱受下伏灰?guī)r溶蝕造成塌陷的形成機(jī)制相一致；② 從平面和剖面分析來(lái)看，平剖陷落柱預(yù)測(cè)具有較好一致性；③預(yù)測(cè)陷落分布特征與鉆井及水文地質(zhì)背景相一致。由此可知，波形指示反演方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)陷落柱的有效預(yù)測(cè)與識(shí)別。

4 結(jié)論

a.從陷落柱發(fā)育機(jī)制分析，陷落柱發(fā)育位置被高縱波阻抗的地層或巖石所充填，因此，陷落柱在煤層發(fā)育段表現(xiàn)為高縱波阻抗的特征；此外，由正演分析，可知陷落柱發(fā)育位置地震資料會(huì)產(chǎn)生反射同相軸中斷、彎曲等波形變化和振幅減弱的響應(yīng)特征，因此，可將陷落柱作為一種異常體，利用波形指示反演技術(shù)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。

b.應(yīng)用波形指示反演技術(shù)在沁水盆地樊莊區(qū)塊進(jìn)行陷落柱識(shí)別，預(yù)測(cè)結(jié)果為在樊莊區(qū)塊陷落柱較發(fā)育，共計(jì)356 個(gè)，南部發(fā)育286 個(gè)，北部較少，只有70 個(gè)。這與該區(qū)常規(guī)相干屬性預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，表明波形指示反演能夠?qū)ο萋渲M(jìn)行較好的識(shí)別與刻畫(huà)。

c.實(shí)際生產(chǎn)中，陷落柱的實(shí)際發(fā)育尺度與規(guī)模只能通過(guò)鉆探揭露，因此，對(duì)陷落柱的識(shí)別結(jié)果暫未得到驗(yàn)證。由于波形指示反演是一種基于地震資料對(duì)陷落柱進(jìn)行識(shí)別的方法，橫向分辨率受地震資料限制，因此，該方法能夠識(shí)別的陷落柱的直徑有待于進(jìn)一步分析與論證。

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