波阻抗反演技術在煤層頂板巖性預測中的應用

湯紅偉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

煤層頂板巖性是影響煤礦安全生產的重要因素，預測煤層頂板的巖性變化趨勢對煤礦的安全生產有重大意義。波阻抗反演技術已被廣泛應用于煤田地震勘探中，它將縱向分辨率較高的測井資料同橫向分辨率較高的地震資料結合，反演出富含地質信息的波阻抗數據體，根據實際需要再對數據體進行地質成果解釋。這種方法不但能有效提高小構造的地震勘探精度，而且對目的層的巖性解釋也具有重要作用。

1 研究區概況

袁大灘井田位于陜北侏羅紀煤田榆橫礦區東北部，井田內地表全部被第四系松散沉積物覆蓋，為全新統風積沙、上更新統薩拉烏蘇組。根據地質填圖及鉆孔揭露，地層由老至新依次為：三疊系上統永坪組(T3y)，侏羅系下統富縣組(J1f)、中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統洛河組(K1l)，第四系中更新統離石組(Q2l)、上更新統薩拉烏蘇組(Q3s)及全新統風積沙(Q4eol)。本區煤層發育，尤其以2號煤層厚度最大，2號煤層賦存于延安組第四段頂部，為井田內最厚的主采煤層，埋深179.71～388.72 m，目的層埋深較淺。2號煤層頂部巖性的非均質性非常強，北部的Y1-4井煤層頂板為中粒砂巖，厚度40 m左右，中部的Y2-4井和Y3-4井煤層頂板砂體泥質成分較重，南部的Y4-4井煤層頂板為砂泥巖互層。

2 巖石物理分析

對比錄井資料與上述4口井的自然伽瑪、自然電位、密度及深側向電阻率曲線可知，煤層特征表現低自然伽瑪、低密度、相對高電阻率；純泥巖特征表現為電阻率低、低自然伽瑪、低密度；細、粉砂巖特征表現為高密度、高自然伽瑪、高電阻率；中粗粒砂巖特征表現為高密度、高自然伽瑪、高電阻率。

一般地，可利用縱波阻抗進行巖性的彈性參數分析。袁大灘井田不同巖層的縱波阻抗直方圖如圖1所示。由圖1可知，煤層的阻抗最低，集中在2.5×106kg/m3×m/s，粉細砂巖的阻抗最高，為9×106kg/m3×m/s，中粗粒砂巖的阻抗居中，為7×106kg/m3×m/s。煤層、細粉砂巖和中粗粒砂巖存在明顯的縱波阻抗差異。

圖1 縱波阻抗直方圖

圖2 縱波阻抗與孔隙度交匯圖

利用密度曲線對該區煤層頂板巖性進行孔隙度計算，獲得總孔隙度曲線。細粉砂巖由于含有較高的泥質成分，孔隙度較低，為2%～10%，中粒砂巖孔隙度較高，達到10%～25%?？紫抖群涂v波阻抗的交匯圖如圖2所示。由圖2可以看出，兩者呈較為明顯的負相關性，高孔隙度對應低縱波阻抗，低孔隙度對應較高的縱波阻抗。

3 疊后地震反演

約束稀疏脈沖反演是基于稀疏脈沖反褶積的遞推反演方法，其基本假設是地層的強反射系數序列是稀疏的，即地層反射系數由一系列疊加于高斯背景上的強軸組成，首先對地震數據進行反褶積運算，獲得初始的反射稀疏序列，然后將原始地震和合成記錄進行運算，獲得殘差，然后利用殘差進行反褶積運算，獲得更加細微的反射系數序列，最后將前期的反射系數序列組合為最終的結果，如圖3所示。

3.1 精細的井震標定

在地震反演及儲層橫向預測中，井震標定是最基礎的工作。通過井震標定，首先建立測井曲線的時深關系，同時利用測井曲線的反射系數序列和井旁道，可以提取更加準確的地震子波。由圖3可以看出，合成記錄和地震資料的相關系數很高，無論是從時間對應關系還是波形的相似程度，都表現出了比較好的吻合特征，表明所選的測井曲線無論是從基值來看還是不同巖性間的相對關系來看，都是較可靠的。

圖3 井震標定與子波分析

3.2 建立低頻模型

地震數據的頻帶寬度有限，缺失了超高頻和低頻的信息。高頻信息的缺失影響薄層的識別，而缺失低頻信息則給厚層的分辨以及地震資料的定量解釋造成困難。約束稀疏脈沖反演能夠提高地震數據的帶寬，但是，如果沒有低頻模型進行邊界約束，不能生成可信的絕對縱、橫波阻抗。低頻模型能夠提供的有用信息也很大程度上依賴于地震數據的有效低頻范圍。

通過數據分析可知，探測區地震數據中頻率低于10 Hz的信息基本缺失。因此構建的低頻模型主要針對反演絕對波阻抗模型中頻率為0～10 Hz部分的信息?？紤]到鄂爾多斯盆地整體沉積非常穩定，為避免由于多井一致性問題導致的低頻誤差影響到反演結果的分辨率，選擇4口井來建立該區總體的低頻模型。具體過程如下：首先根據地震解釋層位，按照沉積規律對大層之間建立一些微細小層，然后在這個地層框架的約束下，利用一定的內插方法進行內插和外推，建立一個平滑、閉合的低頻模型。用于后續反演所建立的低頻模型如圖4所示。

圖4 反演中使用的低頻趨勢模型圖

3.3 反演的參數控制

疏脈沖反演是對于每一個單道都進行運算，同時保證目標函數最小為約束項。其目標函數如下：

(1)

式中：Fcontrast——稀疏性函數；

Fseismic——和地震的匹配程度函數；

Ftrend——偏移低頻趨勢的范圍；

Fspatial——不同道之間的連續性約束函數。

在該目標函數中，不同的分函數之間可能是矛盾的，例如當要求Fcontrast最小的時候，往往反演結果的合成記錄和地震的殘差較大；當殘差較小，即Fseismic達到最小的時候，反演結果會引入過多的噪音成分,造成Fcontrast較大。因此，進行參數調整的意義在于，通過參數組合測試，獲得能夠平衡各個分目標函數的參數，最終使得最終目標函數最小。

4 反演結果質控與地質成果解釋

4.1 反演結果質控

反演結果的質量控制主要通過正演的合成記錄和測井曲線來檢驗，合成記錄與地震疊合顯示圖如圖5所示，圖中紅色曲線為合成記錄，黑色曲線為地震數據。通過反演的波阻抗數據體的正演合成記錄和原始的地震道對比可以確定反演的效果。由圖5可以看出，兩者吻合性較好，說明反演結果遵從于地震數據。

對比反演結果與實際測井曲線的吻合程度也可確定反演的效果。反演的縱波阻抗與測井縱波阻抗疊合顯示如圖6所示，圖中紅色曲線為反演結果，藍色曲線為測井數據。由圖6可以看出，反演結果和實際測井數據具有較好一致性，表現出較強的預測性。

圖5 合成記錄與地震疊合顯示圖

圖6 反演的縱波阻抗與測井縱波阻抗疊合顯示

4.2 地質成果解釋

對反演的波阻抗結果進行分析，煤層上覆巖性為高阻抗，則表現為低孔隙的泥質較重的細粉砂巖，阻抗稍低的為孔隙較高的中粒砂巖?？v波阻抗和地震疊合剖面圖如圖7所示。由圖7可以看出，1號井處(左側)為較厚的低阻抗中粒砂巖，地震響應為較弱的兩個波峰，2號井(右側)處為高阻抗的致密含泥砂巖，地震響應為較強的波峰特征。地震特征和反演特征及井上巖性三者相吻合，也說明反演結果具有可靠的預測性。

縱波阻抗平面圖如圖8所示。由圖8可以看出，北部(上部)的阻抗值最低，在2號井(中上部)位置的阻抗值最高，南部兩口井的阻抗值居中，和北部的大套中粒砂巖、2號井的致密泥質砂巖以及南部的砂泥巖互層相吻合。同時北部的砂體分布呈河道狀分布。

圖7 縱波阻抗和地震疊合剖面圖

圖8 縱波阻抗值平面圖

在縱波阻抗的基礎上，利用縱波阻抗和孔隙度的相關關系，進行換算，得到孔隙度數據?？紫抖绕矫鎴D如圖9所示。由圖9可以看出，北部的高孔中粒砂巖分布范圍從西北(左上)到東南(右下)展布。含泥低孔的砂巖分布較為集中在中部，南部(下方)孔隙度居中為砂泥巖互層分布。

圖9 孔隙度平面圖

5 結語

此次研究中應用的地震數據相對保幅性強，這是能夠進行地震預測的關鍵。同時，前期的巖石物理可行性分析認為縱波阻抗是對研究區煤層頂板巖性響應敏感的屬性，因此，利用波阻抗進行煤層頂板巖性分析是有著堅實的巖石物理基礎的。然后，利用稀疏脈沖反演方法對關鍵的影響因素進行了細致的質控分析，如子波提取、井震標定和目標函數參數分析等。獲得的縱波阻抗數據和地震以及井上數據具有很好的一致性，奠定了數據的預測性的基礎，最終的分析結果具有很好的應用前景。該研究方法在后續的煤層頂板的巖性識別中具有一定的借鑒意義。