煤田岩性反演推广简介.doc

煤田岩性地震勘探方法研究与应用
0.概况
山东省煤田地质局物探测量队煤田岩性地震勘探技术研究取得重大突破，所承担的山东省煤炭工业科学技术发展计划科研项目《煤田岩性地震勘探方法研究与应用》于2006年底通过中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，获得专家高度评价，鉴定认为研究成果达到国际先进水平。

随着地震勘探技术的不断发展，对地震勘探的要求越来越高，不仅要求解决构造问题，而且对煤层厚度、煤层结构和煤层顶、底板等岩性研究也提出了要求。

而传统的地震资料由于分辨率不高，无法满足煤厚等岩性解释的需要。

测井资料纵向分辨率很高，但难以实现地质任务对井间地层参数横向精细预测的要求。

尤其是目前我国加快了西部能源开发进程，全国各大集团公司纷纷进军西部，对地质勘探技术提出更高的要求。

西部煤炭储量丰富，煤层厚度一般较大，最大厚度可超过100米，煤层中有时有一层或多层岩石夹层，煤矿建设和生产迫切要求提高煤层厚度及煤层宏观结构解释精度。

因此，在煤田地震勘探发展的过程中，由构造勘探向岩性勘探转变势在必行。

从80年代起，国内外许多学者先后提出了各种薄层(包括煤气和油气储集层)厚度的定量解释方法，从理论上讨论了煤层反射波的形成机制，研究了它的动力学特征随煤层厚度的变化规律，为利用煤层反射波的动力学参数进行煤层厚度预测提供了理论依据。

这些理论在煤层结构简单时有的取得了不错的效果，但在西部煤层复杂地区却误差较大。

波阻抗反演是一项重要的岩性地震反演技术，在油田地震勘探中得到广泛应用，主要应用于油田层序地层学研究和储层预测研究中，在煤田中应用还不是很多。

它以测井资料丰富的高频信息和完整的低频成分补充地震资料有限频宽的不足，用已知地质信息和测井资料作为约束条件，推算出波阻抗资料，在此基础上,将钻井获得的地层变化情况标定在波阻抗剖面上，使反演的地层波阻抗具有明确的地质含义，从而为小断层、煤层厚度、岩性等物性的精细描述提供可靠的依据。

通常波阻抗反演技术的反演精度依赖于初始模型的选取及其采用的约束方法，初始模型和约束方法将决定反演结果是否能够收敛于实际的地质模型。

本项目从传统的岩性勘探方法的研究开始，在继承的基础上，改变了常规的研究思路，结合煤田地震资料特点，从野外数据采集，资料处理及解释都进行了针对性的工作。

在对资料进行拓频特殊处理的基础上提出采用小波边缘分析建模的波阻抗反演方法，从而使地震资料和测井资料达到了很高的匹配程度，获得高质量的波阻抗岩性反演剖面。

并在对比解释中首次提出了时间域地质剖面的概念，突破了传统的λ/4薄层解释的极限厚度，是理论上的突破和飞跃。

研究成果具有以下创新点：
1、利用小波边缘分析建模技术检测、提取地震属性参数进行波阻抗反
演模型扰动, 使反演更为精确地向实际地质模型收敛，提高反演的精度和分辨率。

2、利用HFE高频拓展处理方法，拓宽有效信号的频带宽度，提高地震资料分辨率，进一步提高波阻抗反演剖面质量。

3、在资料解释研究中，突破了波阻抗剖面定性解释的局限，达到了定量解释的阶段；在煤层厚度的解释中，突破了传统的λ/4薄层解释的极限厚度，是理论上的突破和飞跃，并在实践中得到广泛应用。

4、在多煤层对比的解释中，首次提出了时间域地质剖面的概念，将传统的时间剖面解释方法转变为时间域岩性地质剖面解释。

该项目成果已经在新疆地区大井-将军庙、沙吉海、红沙泉、西黑山及我省淄博矿业集团许厂煤矿等多个煤田地震勘探中进行应用。

该技术的应用更为科学、准确地解决了煤层对比问题，从而节约大量的钻探工作，不但节约了勘探费用，而且大大提高了勘探精度，并加快了勘探进度，还可以解决地层岩性划分问题，特别是对新生界底界面的含、隔水层，以及煤层顶底板的砂岩分布情况进行划分，对开采上限评价提供科学依据，具有重要的经济价值和社会价值，推广应用前景广阔。

以我们在新疆奇台大井-将军庙预查找煤勘探为例，544Km2的勘探范围内仅用了8个钻孔和一定网度的地震勘探工作量，使用该研究方法预测解释煤层厚度及煤层结构，仅半年左右的勘探周期，科学地解决了B1煤层储量计算问题，经普查、精查后续勘探工作证实，储量计算精度较高，煤层储量计算结果变化不大。

该项目为鲁能新疆煤炭能源基地建设提供了详实、可靠的地质依据，获得了巨大的经济和社会效益。

该项研究成果使煤田岩性地震勘探由定性研究转向了定量解释，并提出了地震资料解释新观念，提高了地震勘探技术解决地质问题的能力，拓宽了其服务领域，对物探技术的发展具有重大的现实意义和推动作用。

1.总体思路
1.1研究路线和关键技术
随着地震勘探技术的不断发展,矿方对地震勘探也提出了越来越高的要求,不仅要求解决构造问题,而且对煤层厚度、煤层结构和煤层顶、底板岩性勘探研究也提出了要求。

而传统的地震道反褶积、合成声波测井及模型反演技术由于噪声和子波带宽的影响,分辨率不高,无法满足岩性解释的需要；测井资料纵向分辨率很高，但难以实现地质任务对井间地层参数横向精细预测的要求；波动方程反演技术以测井资料丰富的高频信息和完整的低频成分补充地震资料有限频宽的不足,用已知地质信息和测井资料作为约束条件,推算出波阻抗数据,在此基础上,将钻探获得的地层变化情况标定在波阻抗剖面上,使反演的地层波阻抗具有明确的地质含义,从而为小断层、煤层厚度、岩性等物性的精细描述提供可靠的依据。

我国西部煤炭储量大，煤层厚度一般较大，最大厚度可超过100米，相对于东部煤田而言构造简单，但是煤层结构较为复杂，大体分为两种情况：1）单煤层赋存（其中有一层或多层岩石夹层），2）多煤层赋存，煤层厚度变化大且间距较小，无标志层，对比较为困难。

因此，在我国西部地震勘探中由构造勘探向岩性勘探转变势在必行，利用地震资料结合测井资料反演煤层厚度及煤层宏观结构是非常重要的一项地质任务。

我国目前加快了西部能源开发进程，全国各大集团公司纷纷进军西部，加入到西部能源开发中来，使勘探项目周期大大缩短，而地质任务要求不断提高。

在我国西部煤田地震勘探中，地震反演技术可以大大提高煤层厚度解释精度以及煤层宏观结构的解释，这对煤矿的科学设计与开采具有非常重要的意义。

在地震勘探中，人们主要利用的地震信息是反射波形，虽然波形的直接解释在某些地区得到很好的效果，但这种方法很难推广，波形的直接解释难度很大，原因是波形间的相互干涉，干涉的影响距离相当于子波的延续度。

这比常规的时间分辨率1/2周期要大得多。

波形干涉问题是地震资料的带限性质所造成的，也只能通过地震和测井资料相结合才能解决。

结合测井的地震反演是油藏地球物理学各种技术所共同采用的基本方法。

在油田地震勘探中反演技术主要应用于油田层序地层学研究和储层预测研究中,在煤田中应用还不是很多。

在我国西部巨厚煤层地区，采用反演技术综合研究煤层宏观结构、煤层厚度，尤其是煤层宏观结构的解释在国内尚属首次。

随着我国西部能源开发速度逐渐加快，地震勘探地质任务的逐步提高，该技术的发展及应用前景极为广阔．
该项目主要研究内容是研究煤层厚度及宏观结构解释方法，对比各种解释方法的适用范围，优缺点，重点是不同煤层类型的正演模拟和波动方程反演解释。

在求解波动方程的基础上，结合地震和有关钻孔资料，求出地层的各种物性参数剖面，进行地震资料的综合解释．
本项目的关键技术是：
1、正演的原理及方法
2、波阻抗反演的基本原理和方法
3、改进传统的反演方法
4、反演资料的解释技术
a)第四系底界含、隔水层划分
b) 煤层的解释（包括煤层厚度的解释和夹矸的解释）
c）多煤层的对比解释
本项科研工作的重点是利用测井约束波动方程反演物性参数,以及反演的物性剖面的高分辨特性对煤层宏观结构进行定量解释。

1.2 西部煤层解释
我国西部地区地域辽阔，煤层赋存情况变化大，当煤层厚度较大时根据煤层顶、底板反射波时差可以解释煤层厚度，当煤层厚度较小时根据煤层反射波振幅、频率等动力学参数解释煤层厚度。

我国西部地区大部分煤层结构较复杂，有的为多煤层，最多有的十几层甚至几十层可采煤层，有的虽然为一个主要煤层组，但结构复杂，岩石夹层复杂多变，规律性不强，煤层对比成为西部地区煤田勘探中的难点和重点，见图1-1。

图1-1西部某区煤层对比简易柱状
地震资料拥有钻探和测井资料无法比拟的横向连续性和可对比性，如何利用地震资料的运动学和动力学信息，更好的解决煤层对比问题是我国西部地区煤田地震勘探迫切需要解决的问题，也是我国西部构造简单地区地震勘探技术真正的应用价值之所在。

本次研究就试图采用波动方程宽带约束反演技术突破地震勘探纵向分辨率极限，解决西部地区复杂煤层厚度及煤层结构的对比解释，从而使西部煤田地震勘探技术由构造勘探向岩性勘探转变。

1.3 煤层反演解释的理论基础
煤层厚度h通常在0～20m之间变化,相对于地震波在煤层中传播的主波长λ(一般为20～50m)是比较小的。

所以在地震勘探中,煤层属于薄层。

对
薄层的定量划分,长期以来没有统一的标准,不同的学者针对不同的检测方法和检测目的给薄层下过不同的定义。

严格地讲,薄层的范围是动态的,它不仅与地层的实际厚度有关,同时还与勘探深度及入射波主频有关。

由于煤层的厚度小,偶极性反射界面及高反射系数,决定了煤层反射波的特点：
(1) 煤层反射波在煤层顶、底界面的双程旅行时间τ(τ＝2h/ v煤)远小于地震波周期T,即τ＜＜T。

因此,煤层反射波是顶、底界面反射波相互叠加形成的复合波,在剖面上以近似于单波的复波出现。

(2) 由于煤层顶、底界面是良好的反射界面,除了考虑顶、底界面的反射纵波外,也应该考虑多次反射波、转换波及多次转换波。

因此,煤层厚度的变化必然会引起复合反射波形的改变,这就为利用地震波动力学特征研究煤层厚度的变化提供了理论依据。

相对于油气地震勘探而言,煤田地震勘探的目的层较浅,当前技术条件下可采煤层的埋藏深度一般在1000m以内,所获得的地震数据频率较高,故煤层反射波具有较高的分辨率。

当解释高分辨率地震资料时,必须要区分两个重要的概念,可检测性和分辨率。

可检测性是指能够检测到来自地下某一薄层的复合反射波,并不考虑能否区分薄层的顶、底界面,即不考虑能否将复合反射波分成单个子波。

2 技术方案与创新成果
2.1反演的基本原理
测井约束反演是一种基于模型的波阻抗反演。

它首先利用测井资料，以地震解释的层位为控制，从井点出发进行外推内插，形成初始波阻抗模型，然后利用共轭梯度法求解基本方程，实现对波阻抗模型的不断更新，使得模型的合成记录最佳逼近与实际地震记录，此时的波阻抗模型便是反演结果。

理论与实践证明，初始模型对反演结果影响最大，而且直接影响到反演结果的可解释性。

因此，建立一个合理的、准确、特征明显的初始模型是测井约束反演的核心。

建立初始模型的过程实际上就是把横向上连续变化的地震界面信息与高分辨率的测井波阻抗信息相结合的过程。

初始模型不仅弥补了地震中缺失的高频与低频成分，也控制了解的范围，即对解的结果进行约束，从而增加了求解过程的稳定性与收敛性。

影响初始模型的因素有：
1 、地震采样率，它直接决定了初始模型的高频成分，进而决定了反演结果的分辨率
2、地震层位解释，它直接影响测井曲线的外推内插，从而影响井点以外初始模型的可靠性，
3、层位标定与测井资料，他们影响井点处的初始模型。

层位标定就是把地震与测井通过合成记录联系起来，通常是通过合成地震记录与井旁地震道的对比，准确找出二者波组之间的对应关系，以井旁地震记录的时间厚度为标准，对测井资料进行拉伸压缩。

从而改善合成记路遇井旁地震道的匹配关系，且精确标定各岩性界面在地震剖面上的反射位置。

从理论上说，在子波准确地条件下，合成地震记录在拉伸压所之前就应该与井旁地震道匹配。

但是，由于地震与测井观测方式的差异（前者观测体波，后者观测滑行波）以及测井资料存在的误差（如井孔条件、泥浆浸泡、周波跳跃等造成的误差）使得二者不匹配。

因此当合成记录与井旁道差异很大时，有必要对声波（因为密度对合成记录影响很小）进行校正或利用其它测井曲线来构拟声波数据使得二者在拉伸压缩之前尽可能相似，然后通过层位标定来校正二者之间的剩余差异；初始模型的正确与否可以通过二者之间的匹配情况以及纵横向上的分布是否与地质、钻井等资料吻合来加以判断。

测井约束反演把地震资料与测井资料有机地结合起来，充分发挥了地震在地面上连续采集，测井在纵向上分辨率高的优势，利用测井资料的全部频率成分对地震进行约束，不仅弥补了地震资料中缺失的低频成分，而且使反演过程突破地震资料对高频成分的限制得到高分辨率的反演结果。

建立一个合理、准确、具有明显储层特征的初始模型是测井约束反演是否成功的关键。

由于反演递推必然引起累计误差，所以常常造成反演结果的不稳定和发
散。

因此，在实际反演中，采用了测井与地震的匹配校正和精细构造解释层位控制等手段对初始波阻抗模型进行了约束。

2.2 基于小波边缘分析建模的波阻抗反演
通常情况反演流程如图2-2-1：
基于模型的波阻抗反演是行之有效的波阻抗反演方法之一；但是它的反演精度依赖于初始模型的选取及其采用的约束方法，初始模型和约束方法将决定反演结果是否能够收敛于实际的地质模型，见图2-2-2。

1）当初始模型与实际地质模型偏差较大时，反演结果往往不能收敛于实际地质模型，得不到正确的反演结果。

2）不恰当的初始模型可导致反演结果的多解性
3）很多情况下反演结果的精度和分辨率不能满足地质预测的要求。

出现以上问题的关键原因：初始模型高频成份不准。

图2-2-1 反演流程示意图
当构造比较复杂和岩性横向变化大时, 井数据插值或外推能够得到较好的初始模型低频部分(背景值), 而难以得到比较准确的高频部分(反映岩性变化的局部异常值)；离井越远，误差越大。

因地震数据包含了大量地下地质信息，所以地震反演应该充分利用地震信息来提高反演的精度。

从地震数据本身提取的地震特征参数反映岩性的局部变化, 将这些地震特征参数用于建模并参与迭代反演，可以弥补反演过程中
迭 代
高频成分的误差，使得反演结果更加接近实际地质情况，见图2-3-1。

AIW反演方法原理
利用小波边缘分析从地震数据本身提取地震特征参数。

⏹
⏹联合地震特征参数和测井数据建立初始模型。

图2-2-2 波阻抗模型示意图
⏹根据地震特征参数的性质进行模型扰动。

总之，利用小波边缘分析方法提取地震特征参数主要有以下特点：
1、利用地震特征参数参与建模, 能够得到较为合理的初始模型；
2、在迭代反演过程中，根据地震特征参数的性质进行模型扰动, 使反演更为精确的向实际地质模型收敛。

3、充分利用地震信息，减少了对井数据的依赖程度。

小波边缘分析方法克服了常规方法的不足, 提高了反演的精度和分辨率；使反演结果能更好的反映实际地下地质情况。

2.3 优化高频拓展技术（简称HFE）
由于地震资料频带较窄，主频较低，往往使得反演波阻抗剖面分辨率较低，不能满足地质任务要求；如何解决这一问题同样是取得好的反演效果的关键之一。

HFE高频拓展高分辨率处理方法的特点就是：一方面大幅度提高分辨率的同时基本保持地震数据原有的信噪比，并且可以保持地震数据相对振幅
dx
s
x
t
x
f
s
t
f
W
s
1
2
2
t
t
f
W
t
t
f
W
s
s
关系和时频特性，做到了保真处理。

图2-3-1 模型修正示意图
图2-3-2 反射系数序列在频率空间 图2-3-3 频率空间低频端地震记录 低频端的投影 向更高更宽频带的反投影 HFE 认为,地震记录是反射系数序列在频率空间低频端的投影，将频率空间低频端的地震记录反投影到更宽更高的频带，可以达到拓宽频带提高分辨率的目的。

如图2-3-2和图2-3-3所示。

HFE 高频拓展等效于：将一个由低频子波形成的地震数据转换为由高频子波形成的地震数据，从而提高分辨率。

图2-3-4和图2-3-5分别为常规反褶积拓频结果和HFE 拓频结果比较分析图。

常规反褶积拓频方法降低数据的信噪比，不能有效拓宽有效信号的频带宽度，拓频能力受到噪声的严重制约。

而HFE 拓频方法可以基本保持数据的原有信噪比，有效拓宽有效信号的频带宽度，抗噪能力强。

图2-3-4 含噪声数据的常规反褶积处理结果
含噪声数据 常规反褶积结果 反褶积后分离出的信号 反褶积后分离出的噪声
向量表示向量表示f n f 1f 2f n
f 1f 2向量表示向量表示
f n f 1f 2f n f 1f 2
HFE
HFE 处理有效拓宽了地震数据的频带宽度，提高了分辨率，达到了预期的效果。

HFE 处理结果展现了更为丰富的地质信息。

HFE 高分辨率处理的结果与拓频之前的数据相比，有下列几个方面的特点：
● 分辨率得到提高，层间反射信息丰富；
● 一些弱反射得到突出, 反射连续性得到改善；
● 基本保持了原始数据的信噪比、相对振幅关系和时频特性；
HFE 高分辨率处理技术是一项全新的地震数据处理手段， HFE 方法能够有效的提高地震数据的分辨率，为反演和煤层分析提供更为精确、可信的地震数据。

随着煤田勘探开发工作的不断深入，这种技术一定会得到越来越广泛的应用。

图2-3-5含噪声数据的HFE 处理结果
2.4 结论
应在HFE 拓频处理结果的基础上，进行AIW (基于小波边缘分析建模的波阻抗反演)反演（如图2-4-1、2-4-2），这样能够使测井资料和地震资料吻合程度更高，以充分发挥地震资料的潜力，为薄互层煤层分析提供高分辨率、高精度和更为可信的岩层物性数据，提高煤层分析的精度。

含噪声数据 HFE 处理结
果 HFE 处理后分离出的信
号 FE 处理后分离出的噪声
图2-4-1 常规反演剖面
图2-4-2 HFE+AIW反演剖面
3．实施效果
3.1 新生界底界含、隔水层的解释
新生界底界含、隔水层的划分对于煤层的赋存离新生界底界很近以及有隐伏露头的情况下，对提高开采上限以及煤矿的安全生产具有非常重要的意义。

第四系地层中砂、粘土层的物性有一定差异，各种参数测井曲线响应良好，砂一般表现为高阻、低自然伽玛、低伽玛伽玛的较高自然电位异常，而粘土则视电阻率低，自然伽玛强度高，伽玛伽玛曲线幅值高，自然电位曲线接近基线，比较容易区分。

因此，通过多参数曲线对比可以较可靠地划分不同岩性岩层。

如图3-1-1为新生界底界的密度、速度及波阻抗反演剖面，从剖面上可以看出，砂层和粘土层的相间分布特征较为清晰。

图中有5组能够连续追踪的反射波，利用井旁地震记录解释对比，可确定它们对应的地质层位。

经过参数反演后得到的各种参数反演剖面和常规地震剖面对比，反演剖面的纵向分层能力有明显提高，能够有效地确定薄层空间分布情况（如图3-1-2）。

图3-1-1新生界底界反演剖面
图3-1-2 第四系底部砂、粘土分布剖面
3.2 煤层厚度及夹矸的解释
在常规地震时间剖面上进行厚煤层厚度的解释是根据煤层顶底板的反射波的时差来解释的，这种方法的本身并没有问题，只是在辨别顶底板的反射波时会出现误差，以导致厚度预测的错误；另外，在煤层中存在夹矸时预测精度会大大降低；而波阻抗剖面能准确地分辨煤层顶底板的界限，能更为准确地预测煤层厚度。

本项目通过对煤层厚度计算方法的研究，提出以下观点：
1、关于薄层的界定(λ/4)是正确的，但这种界定的方法是基于常规地震时间剖面的基础上的
2、在波阻抗剖面上，地层的厚度是可以计算的，不再存在厚层和薄层的概念。

本次研究认为：波阻抗反演剖面是将地震时间剖面转变成反应地层岩性特征的剖面，它赋予了地震反射波以较为明确的地质意义，因而反演剖面可视为时间域的地质剖面，所以我们认为反演剖面中显示的不同岩层即可表示其在时间域的真实赋存状态，即可将其时间厚度变化理解为是真实的反映，由此可推算出真实的地层厚度。

利用地震波的属性参数对煤层厚度进行趋势解释的方法即便是在信噪比和分辨率皆较为理想的情况下，也很难达到定量解释的程度，在多层煤层赋存的条件下，由于反射波的相互干涉作用使得反射波的属性参数发生变化，不再能够单纯的代表煤层厚度的变化，因而这种解释方法已经无法利用；但是利用波阻抗反演剖面进行煤层厚度解释则不存在这样的问题，在多煤层赋存的情况下也能够对各煤层分别进行厚度解释。

以下实例是在不同含煤地层中的煤层厚度计算；且分别有单层煤和多层煤赋存情况下的煤层厚度计算。

实例一：大井-将军庙项目（单煤层厚度计算）
大井-将军庙项目8线厚度预测（利用0804和0801号孔约束得到的反演剖面预测0802和0809号孔，以0804号孔计算的速度为准）
图3-2-1大井项目单煤层波阻抗反演剖面。