入射频率对煤系薄互层地震响应特征影响的物理模拟_薛诗桂.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. SINOPEC Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, China Abstract Using seismic physical model and from the spectrum patterns, amplitude, frequency and AVO chara- cteristics of seismic records of low and high incident frequency, the paper analyzed the influence of incident frequency on seismic response characteristics for thin alternating layers in coal measures. It shows that the incident frequency is sensitive to the variation of the number of alternating layers, the amplitude and spectrum patterns of high frequency incidence can resolve small thickness and have higher resolution, the amplitude spectrum and frequency values are related to the ratio of the thickness of a thin alternating layer and wavelength, and with the increase of the thickness, its variation rule is in accordance with the tuning rule of the amplitude and frequency. For different incident frequency, the AVO curve characteristics are different. In seismic interpretation and AVO analysis of thin alternating layers, we should fully consider the differences caused by the incident frequency. Key words physical model; incident frequency; thin alternating layers; seismic response; AVO 由于煤层属于薄层，其反射波不是单个界面的 反射波，而是其与顶、底界面的复合波。煤层反射 波是若干个薄层反射的叠加[1-3]。因此，需要对一些 典型的薄互层反射特征进行分析研究。煤系中的煤 层大多呈薄互层组合，在地震剖面的对比过程中， 对煤层的对比主要采用“波组”、“波系”的对比方法[4-7]。 利用地震物理模拟技术，分析入射频率对煤系薄互 层条件下不同层数的地震响应特征，可为煤系薄互 层地区地震资料解释和 AVO 分析提供参考。 1 物理模型与实验条件 单层介质厚度与波长的比值/d或Tt/是 控制薄层、薄互层反射波的振幅、频率特征和时间 分辨率的主要参数。入射频率的改变可使反射波的 波形特征、振幅、周期等发生很大的变化。为了研 究不同入射频率对薄互层地震响应特征的影响，设 计制作一个薄互层模型，采用两种不同的入射频率 进行观测，分析比较其波场特征变化。 物理模型设计为煤与围岩薄互层情况[8-9]，其中 模拟夹层厚度为 2 mm模拟 10 m，利用环氧树脂掺 杂金属粉混合浇筑，纵波速度为 2 900 m/s；模拟煤 层厚度为 1 mm模拟 5 m，利用有机玻璃薄板制作， 纵波速度 2 200 m/s。模拟相似比为 1︰5 000。利用 超声物理模拟实验系统， 把模型放在水槽中观测， 激 ChaoXing 第 5 期 薛诗桂等 入射频率对煤系薄互层地震响应特征影响的物理模拟 93 发和接收分别采用两对主频为 220 kHz模拟 44 Hz 和 140 kHz模拟 28 Hz的超声换能器在水面观测， 采 集单炮记录，道距 2 mm，每炮采集 30 道，两种频率 采集时实验条件保持一致。 模型从 1 层开始， 然后逐 层增加到 15 层，最后把 1 到 15 层的地震记录取 5 道显示在一起。图 1 是模型示意图及实验观测记录。 图 1 薄互层物理模型示意图及不同入射频率 的实验观测记录 Fig.1 Sketch of physical model of thin alternating layers and exp- erimental observation records of different incident frequencies 2 地震波场特征分析 对图 1 中的两组记录进行比较，可以看到 由于入射频率不同，两张记录的波场响应特征不 同。高频剖面中，薄互层的顶、底反射波之间有 多组同相轴出现；而低频剖面中基本上只能观测 到顶、底两组反射波。由于在模型中薄互层组中 的单层厚度都比较小10/， 所以尽管高频剖面 中的反射波组增多，分辨率要比低频剖面有所提 高，但在高频剖面中也没能把所有的反射界面都 表现出来。要想得到更高的分辨率还要进一步提 高入射频率[10]。以上两组剖面中，由于薄互层组的 单层厚度比较小，单从时间剖面上还不能对两者的 差异做出更多的分析。 2.1 振幅谱形态的比较 图 2a 和图 2b 分别是 220 kHz 和 140 kHz 频率 入射时薄互层层数为 1、4、10、12 层时的反射波振 幅谱图。可以看到对于 220 kHz 的入射频率，当 薄互层为 4 层时振幅谱就已经出现双峰， 而 140 kHz 频率入射时当薄互层层数达到 4 层时振幅谱仍然是 单峰；对于高频入射时，当层数增加到 10 层时，振 幅谱已出现 3 个峰，而直到第 12 层，低频谱依然是 两个峰。因此，高频入射时多峰谱出现得比较早， 分辨率较高，而低频入射时出现多峰谱时的地层厚 度相对要大得多，分辨率也就降低了。 2.2 振幅及频率特征的比较 图 3a 是利用薄互层反射波组进行频谱分析后 取振幅谱最大值绘制的两种频率入射时薄互层反射 波的振幅谱最大值随层数增加时的变化曲线。图 3a 中，高频入射时，在模型薄互层层数为 2 层时振幅 值最大，从薄互层层数为 4 层开始，反射波振幅基 本趋于稳定，此时在地震剖面上顶底时间反映了薄 互层组厚度的变化；而当低频入射时，在层数为 4 层时，仍处于波形干涉区，一直到层数达到 6 层时， 图 2 高a和低b两种入射频率的薄互层组 反射波振幅谱图 Fig.2 Amplitude spectrum of thin alternating layers of high a and lowb frequency incident 图 3 低频和高频入射时薄互层反射波的振幅及频率随 层数增加时的变化曲线 Fig.3 Variation of amplitude and frequency of reflected waves of thin alternating layers with the increase of layer number under low and high frequency incidence ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 42 卷 振幅值才趋于稳定，从而利用顶底时间以及调谐振 幅可判断的地层厚度增大，分辨率也就降低了。 可见，当入射频率不同时，由于地层的干涉厚 度不同，波形干涉程度不同，波场的表现特征也不 相同；当对同一地区使用不同的入射频率进行勘探 时，那么两条剖面上所表现出的强振幅带是不一样 的， 而强振幅带的出现往往会引起人们极大兴趣[11]。 因此，在进行资料的对比解释时，入射频率所引起 的差异应该引起足够的重视。 图 3b 是两种频率入射时薄互层从 115 层时的 反射波主频值，是取薄互层反射波组进行频谱分析 后把主频值记录下来，从而绘制的低频和高频入射 时薄互层反射波主频值随层数增加时的变化曲线， 反映了薄互层层数变化时其反射波主频值的变化。 从图 3b 中可以看出， 主频变化规律类似于单层薄层 的调谐效应。高频入射时由于波长较小，频率变化 周期快，利用频率调谐曲线可判断的厚度较小，分 辨率提高。比较两条曲线看到，由于入射频率不同， 两条曲线有很大的差异。因此，若对不同入射频率 的薄互层资料进行解释时，这种由入射频率差异造 成的主频值的变化可能会给资料的解释工作带来混 乱并造成错误的解释与判断。所以，对地震资料的 对比解释应该注意保持入射频率的一致性。 通过以上分析可以看到，对每一种入射频率来 说，其振幅谱幅值以及主频值的变化与薄互层的总 厚度与波长之比有关。高频入射时由于波长短，利 用薄层调谐振幅以及调谐频率可分辨的总厚度比较 小，分辨率也相对要高；入射频率越高，则对相同 厚度的薄互层来说，多峰谱出现的情况越早，多峰 特征也越明显，从而可分辨的地层厚度也越薄，分 辨率也就越高。 2.3 入射频率对 AVO 特征的影响 为分析不同入射频率时，薄互层反射波振幅值 的变化，把实验采集到的单炮记录第一层反射波最 大振幅值取出如图 4，为低频入射时的薄互层模型 的单炮记录及 AVO 信息提取位置示意图，绘制如 图 5 的 AVO 变化曲线。图 5a 和图 5b 分别是低、高 频入射时薄互层模型从1层到15层时第一层反射波 的 AVO 曲线图。可以看到高频入射时，由于波长 比较小，相对厚度增大，在薄互层模型达到第 4 层 时λ/2已不受波形干涉作用的影响，AVO 曲线趋于 稳定； 而在相同的实验条件下低频140 kHz入射时， 在薄互层层数达到 6 层时，AVO 曲线才趋于稳定。 因此，在薄互层地区，应该尽可能地提高入射频率， 使薄互层的总厚度处在一个相对的厚层区内，从而 避开薄互层厚度等因素对 AVO 特征的影响[12-15]， 以 保证 AVO 现象对判别油气存在的有效性， 从而也就 有效地提高了识别油气藏的能力[16-18]。 为了对两种入射频率的 AVO 曲线有更进一步 的了解， 将两个频率的 AVO 曲线画在一起进行对比 图 6。从图 6 中可以看出，入射频率较高时，随着 偏移距的增大反射波振幅衰减比较大， 曲线比较陡； 而低频入射时， 随着偏移距的增大振幅衰减比较小， AVO 曲线的变化趋势相对来说要平缓得多。 图 4 薄互层模型实验记录及 AVO 曲线拾取示意图模型 115 层 Fig.4 Experimental records of thin alternating layers and the sketch of AVO curve pickup115 layers ChaoXing 第 5 期 薛诗桂等 入射频率对煤系薄互层地震响应特征影响的物理模拟 95 图 5 低、 高频入射时薄互层模型第一层反射波 AVO 曲线 图模型 115 层 Fig.5 AVO curves of the reflected wave of the first layer at low and high frequency in the thin alternating layer model 图 6 低、高频入射时薄互层模型 AVO 曲线 对比图模型 1115 层 Fig.6 Comparison of AVO curves of thin alternating layer model under low and high frequency incidence 3 结 语 针对煤层薄互层地震响应特征，利用地震物理模 型实验分析了入射频率对薄互层振幅谱形态、反射波 的振幅及频率随层数变化特征以及对 AVO 特征的影 响。 结果表明 入射频率对薄互层层数变化反映敏感， 高频入射时振幅谱形态可分辨的厚度比较小，分辨率 较高；振幅谱幅值以及主频值的变化与薄互层的总厚 度和波长之比有关，并且随着厚度的增加其变化规律 符合薄层的振幅调谐规律与频率调谐规律；入射频率 不同时 AVO 曲线特征也不相同。 因此，在进行薄互层地震资料的对比解释及 AVO 分析时，一定要注意使用入射条件一致的地震 剖面， 或者要对不同入射条件的地震资料进行一些必 要的校正， 否则由于入射条件不同造成的波场特征的 差异可能会给解释工作带来麻烦或造成陷阱。 参考文献 [1] 郝守玲. 油气地球物理实用新技术[C]//薄层物理模拟实验研究. 北京石油工业出版社，200681–86. [2] 袁子龙，杨冰，王建国. 薄层、薄互层地震反射时间域与频率 域正演模拟研究及应用[J]. 石油物探，1996，35314–20. [3] 朱国维. 地层条件下煤层顶、底板声波速度与反射特征[J]. 煤 炭学报，2008，33121391–1396. [4] 黄真萍，王晓华，王云专. 薄层地震属性参数分析和厚度预 测[J]. 石油物探，1997，36328–38. [5] 邓继新，HAN Dehua，王尚旭. 基于正演模型的储层谱分解响 应特征分析[J]. 石油学报，2008，294539–543. [6] 高静怀，陈文超，李幼铭，等. 广义 S 变换与薄互层地震响应 分析[J]. 地球物理学报，2003，464526–532. [7] 苏盛甫. 薄储集层的反射特征和定量解释方法[J]. 石油地球物 理勘探，1988，234387–402. [8] 郝守玲，赵群. 横向速度变化对构造成像影响的物理模拟研 究[J]. 石油物探，2008149–55. [9] 赵群，郭建，郝守玲，等. 模拟天然气水合物的岩石物理特性 模型实验[J]. 地球物理学报，2005，483649–655. [10] 凌云研究组. 地震分辨率极限问题研究[J]. 石油地球物理勘 探，2004，394435–442. [11] 董守华. 煤层厚度与振幅、频率地震属性的正演模拟[J]. 中国 矿业大学学报，2004，33129–32. [12] 陈同俊. VTI 型构造煤 AVO 正演模拟[J]. 煤炭学报，2009， 344438–442. [13] YU GARY. Offset-amplitude variation and controlled-amplitude processing[J]. Geophysics，1985，50122697–2708. [14] AlESSANDRO C，WHITE R，THOMAS R. Thin-bed AVO compensating for the effects of NMO on reflectivity sequences [J]. Geophysics，2001，6661714–1720. [15] YOO S，GIBSON R L. Frequency dependent AVO analysis after target oriented stretch correction[C]// Expanded Abstracts of 75th Annual International SEG Meeting. [S.l.][s.n.]，2005293–296. [16] 张爱敏， 汪洋， 赵世尊. 不同厚度煤层 AVO 特征及模型研究[J]. 中国矿业大学学报，1997，26336–41. [17] 彭苏萍，高云峰，杨瑞召，等. AVO 探测煤层瓦斯富集的理 论探讨和初步实践以淮南煤田为例[J]. 地球物理学报， 2005， 4861475–1486. [18] 赵伟， 陈小宏， 李景叶. 薄互层调谐效应对 AVO 的影响[J]. 石 油物探，2006，456570–573. ChaoXing