張晨林

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

煤層厚度變化對煤礦開采具有重要影響，準(zhǔn)確地查清煤層厚度的變化趨勢對煤炭資源儲量的估算和煤礦開采方式具有重大意義。目前預(yù)測煤層厚度變化趨勢的方法主要有以鉆孔煤層厚度為依據(jù)的內(nèi)插法、單一振幅屬性預(yù)測、地震多屬性預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)反演預(yù)測、譜距法反演預(yù)測等。而波阻抗本身可以直接反映巖層物性,可以清晰分辨巖層分布空間[1]。利用波阻抗反演結(jié)果可以很好地計算出煤層厚度，同時又保證了縱向和橫向的精度。

1 煤厚預(yù)測的理論基礎(chǔ)

約束稀疏脈沖反演(CSSI)是基于稀疏脈沖反褶積基礎(chǔ)上的遞推反演方法[2]，利用地震解釋層位和測井約束控制波阻抗的趨勢和幅值范圍，脈沖算法產(chǎn)生了寬帶結(jié)果，恢復(fù)了缺失的部分低頻和高頻成分[3-4]。約束稀疏脈沖反演最小誤差函數(shù)(目標(biāo)函數(shù))：

J=∑|ri|p+λq∑(di-si)q+α2∑(ti-zi)2

(1)

式中：J為目標(biāo)函數(shù)；ri為反射系數(shù)采樣；λ為實(shí)際地震與合成地震記錄殘差權(quán)重因子；di為地震道數(shù)據(jù)采樣：si為合成地震道數(shù)據(jù)采樣；α為趨勢權(quán)重因子，一般取α=1；ti為根據(jù)井資料定義的波阻抗趨勢采樣；zi為介于井約束的最大和最小波阻抗之間的波阻抗采樣；p、q為L模因子，一般情況下取p=1，q=2；i是地震道采樣點(diǎn)序號；第一項為反射系數(shù)絕對值求和，第二項為實(shí)際地震道與合成記錄道之差平方，第三項為定義的趨勢約束與波阻抗之差的平方和。

λ值體現(xiàn)了實(shí)際地震道與合成地震道之間的相關(guān)程度[5-7]。當(dāng)λ值較低時，強(qiáng)調(diào)稀疏性，會導(dǎo)致反演成果分辨率較低，體現(xiàn)的地質(zhì)異常細(xì)節(jié)較少，殘差較大。而當(dāng)λ值過高時，則追求較小殘差時，會導(dǎo)致反演剖面信噪比較低，且忽略了波阻抗變化的低頻信息[8-10]。因此，為了獲得較為準(zhǔn)確的反演成果需要選取確定一個合適的λ值。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)總體為一走向北東、傾向南東的單斜構(gòu)造，地層除上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)及侏羅系、白堊系缺失外，其他地層均有發(fā)育。含煤地層主要為石炭系、二疊系。區(qū)內(nèi)含煤巖系平均厚度760.3m。該含煤巖系共含煤26層，煤層總厚度平均約15.73m，本次研究目標(biāo)為預(yù)測二1煤層厚度變化趨勢。二1煤層為全區(qū)可采煤層，煤層厚度由0.71～11.32m不等，平均煤層厚度5.21m，煤層結(jié)構(gòu)比較簡單，大部區(qū)域不含夾矸，局部含1～2層夾矸。

3 地球物理響應(yīng)特征分析

為了更好的利用測井資料，首先對測井曲線進(jìn)行分析，計算可以更好反映煤層巖性、物性以及其他地球物理響應(yīng)特征的測井曲線[11-12]。

首先，通過對測井曲線的對比分析可知，研究區(qū)煤層具有“三高兩低”的測井響應(yīng)特征：即聲波時差測井曲線、中子孔隙度測井曲線、電阻率(三種測井曲線)測井曲線在煤層處呈現(xiàn)異常高值；密度測井曲線、自然伽馬(兩種測井曲線)測井曲線呈現(xiàn)異常低值[13-15](圖1)。

圖1 研究區(qū)JZ-04井測井曲線煤層響應(yīng)特征分析

本區(qū)煤層圍巖主要以砂巖、泥巖為主，通過研究區(qū)內(nèi)多口鉆孔的測井曲線的交會分析(圖2)可知，砂巖、泥巖波阻抗>6 200(g·cm-1·m·s-1)，煤巖波阻抗<6 200(g·cm-1·m·s-1)，煤層處波阻抗低值異常十分明顯，煤層與砂泥巖可以通過波阻抗值大小進(jìn)行有效區(qū)分，因此可以通過波阻抗反演對煤層及圍巖進(jìn)行巖性解釋。

圖2 研究區(qū)波阻抗與測井曲線交會圖

4 煤厚預(yù)測方法步驟

依據(jù)前文的測井曲線分析，選用約束稀疏脈沖反演進(jìn)行確定性反演。

根據(jù)工區(qū)內(nèi)地質(zhì)、地震資料的實(shí)際情況，本文采用流程如下(圖3)。

圖3 稀疏脈沖反演預(yù)測煤厚技術(shù)流程

1)通過測井曲線分析，把握煤層的巖性-電性特征，準(zhǔn)確標(biāo)定煤層。

2利用多重測試方法，保證子波提取和地質(zhì)建模的正確性，確保反演質(zhì)量。

3)選擇最佳反演參數(shù)和最佳計算方法，對全區(qū)進(jìn)行反演處理，進(jìn)而進(jìn)行煤層厚度預(yù)測。

(1)子波提取

首先利用35Hz標(biāo)準(zhǔn)雷克子波進(jìn)行單井標(biāo)定，再提取井旁道地震子波，根據(jù)井旁道地震子波制作的合成記錄，并通過對比合成地震記錄以及實(shí)際地震數(shù)據(jù)對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行修正，如此反復(fù)多次直到求出一個滿足要求的地震子波。根據(jù)多井地震子波，計算全區(qū)平均子波，利用該平均子波進(jìn)行后續(xù)地震數(shù)據(jù)波阻抗反演(圖4)。

圖4 研究區(qū)多井地震平均子波屬性

(2)初始模型的建立

為了彌補(bǔ)地震直接反演結(jié)果中缺失的10Hz以下的低頻成分，需要利用其它資料來對低頻成分進(jìn)行補(bǔ)償。符合實(shí)際地質(zhì)條件初始波阻抗模型的建立，可以很大程度上減少反演結(jié)果的多解性。眾所周知，測井資料具有縱向高分辨率的特點(diǎn)，但是不具有橫向分辨率，而地震資料具有橫向高分辨率，但是縱向分辨率不如測井資料。綜合利用測井資料的縱向高分辨率和三維地震資料的橫向高分辨率，建立精確的波阻抗反演模型，為后續(xù)的反演工作打好了基礎(chǔ)。利用測井曲線和層位、地震數(shù)據(jù)建立波阻抗初始模型(圖5)。

圖5 研究區(qū)波阻抗模型剖面

(3)λ參數(shù)選取

λ值的大小反映了合成地震道與實(shí)際地震道關(guān)聯(lián)程度的優(yōu)劣。如果該值較小， 反演剖面細(xì)節(jié)就比較少，分辨率不好，殘差大， 合成記錄與原始地震道就有很大出入；如果該值太大，追求殘差小，造成合成記錄與原始地震道表象吻合，使一部分噪音展現(xiàn)到反演成果中去， 不能真實(shí)反映煤層物性變化。因此，為了提高反演的準(zhǔn)確程度需要選取一個合適的λ值，既讓反演成果細(xì)節(jié)保持的好，又不減少低頻信息，就必須選擇一個合理的λ值，可以使反演剖面既保持細(xì)節(jié)又不損失低頻信息，采用的公式：min[∑|Ri|+2λ∑(Di-Si)2]，Ri表示反射系數(shù)采樣；Si表示地震道采樣；Di表示合成道采樣；λ表示權(quán)重因子[16]，約束稀疏脈沖反演方法就是對每一道都采用該算法判斷反演效果，根據(jù)井旁道合成記錄與原始地震道吻合程度的控制來完成的。通過對λ質(zhì)量控制，λ值為12是信噪比較高，反演結(jié)果誤差較小，與孔匹配合理。

5 煤厚預(yù)測成果分析

基于波阻抗稀疏脈沖反演方法，利用高分辨率三維地震資料對研究區(qū)進(jìn)行處理，得到能夠反映巖性變化的反演成果，研究區(qū)內(nèi)某測線反演成果見圖6，圖中黑色代表煤層，黑色部分縱向上的寬窄代表了煤層的厚薄，反演成果較為精細(xì)的反映了巖性的變化趨勢，且與鉆孔成果對應(yīng)較好。

6 煤層厚度預(yù)測成果驗(yàn)證

利用反演數(shù)據(jù)體，對煤層頂?shù)捉缑娣謩e進(jìn)行層位追蹤， 計算得到二1煤層的時間厚度，根據(jù)煤層縱波速度，經(jīng)時深轉(zhuǎn)換可得煤層厚度變化趨勢圖(圖7)，從圖中可以看出，二1煤層在工區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，中部較厚，邊緣減薄。最大厚度8.5m，位于工區(qū)中南部。

提取鉆孔處煤厚預(yù)測結(jié)果，并與鉆遇煤層厚度進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析結(jié)果如表1所示，鉆孔JZ-04處預(yù)測煤層厚度絕對誤差最小，絕對誤差為0.101m，鉆孔JZ-02處，預(yù)測煤層厚度絕對誤差最大，絕對誤差為0.604m，四個鉆孔吻合率最低為89%，最高為98.56%。證明本次利用波阻抗反演進(jìn)行煤層厚度預(yù)測具有較高的可靠性，在本區(qū)利用波阻抗反演進(jìn)行煤厚預(yù)測時有效的。

表1 研究區(qū)二1煤層鉆遇厚度與反演預(yù)測厚度誤差統(tǒng)計

7 結(jié)論

通過約束稀疏脈沖反演方法綜合利用測井、地震資料對煤層厚度進(jìn)行了預(yù)測，獲得了高垂向分辨率，能精確反映煤層縱、橫向變化的反演數(shù)據(jù)體。通過對比可知，鉆孔處反演成果與與實(shí)見資料吻合程度高，證明了利用波阻抗系數(shù)脈沖反演技術(shù)進(jìn)行煤層厚度預(yù)測的有效性，可以在類似采區(qū)利用波阻抗稀疏脈沖反演技術(shù)進(jìn)行煤層厚度變化預(yù)測。

圖6 研究區(qū)連井線波阻抗反演與煤層對比

圖7 研究區(qū)二1煤層波阻抗反演預(yù)測厚度分布