测井约束地震反演在煤厚预测中的应用研究.pdf

第3 7 卷第6 期 2 0 0 8 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 7N O ．6 N O V ．2 0 0 8 测井约束地震反演在煤厚预测中的应用研究 彭苏萍，邹冠贵，李巧灵 中国矿业大学资源与安全开采国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 摘要为获取高精度煤厚信息，利用测井约束地震反演预测煤厚．以测井约束地震反演为手段， 相关系数、数据切片等为质量监控，反演得到高分辨率波阻抗剖面，根据煤层与顶底板的渡阻抗 差异追踪煤厚变化 分又、合并、减薄和尖灭 ，转换得到精确煤层厚度．结果表明，测井约束反演 预测煤厚，综合利用纵向上高分辨率的测井资料和横向上高密度的地震资料，能提高了煤厚预测 精度．预测结果在钻孔处与已知钻孔资料吻合，远离孔位置的预测误差在5 ％以内，与钻孔预测 对比，精度平均提高了1 2 ．6 0 ％． 关键词测井约束反演；波阻抗；煤厚 中图分类号P6 3 1 ．4 文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 6 一0 7 2 9 一0 5 S e a mT h i c k n e s sP r e d i c t i o nM e t h o d sB a s e do nt h e L o g g i n g 乙o n s t r a l n e d3 e l s m l cI n v e r s i o n -‘ ，、 ‘ 1 r 、 T’ P E N GS u p i n g ，Z O UG u a n - g u i ，L IQ i a o l i n g S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c ea n dS a f e t yM i n i n g ．C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ， B e r i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t ；T oo b t a i nt h eh i g h , p r e c i s i o ns e a mt h i c k n e s s ，al o g g i n gc o n s t r a i n e di n v e r s i o nt e c h n i q u ew a ss t u d i e d ．T h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta n ds e i s m i cd a t as l i c ew e r eu s e dt oe v a l u a t et h e i n v e r s i o np r o c e s s ．Ah i g hr e s o l u t i o na c o u s t i ci m p e d a n c ew a sg e n e r a t e d ．T h et h i c k n e s sv a r i a t i o n o fs e a m ，i n c l u d i n gc o m b i n a t i o n ，b r a n c h ，t h i n n i n ga n dp i n c h i n go fs e a m ，w e r ei d e n t i f i e db yt h e i m p e d a n c ed i f f e r e n c eo fc o a ls e a mr o o fa n df l o o r 。a n dt h et h i c k n e s si n f o r m a t i o nw a sc o m p u t e d b yt h et i m e - t o - d e p t hc o n v e r s i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tf lh i g hp r e c i s i o ni n v e r s i o n o fs e a m t h i c k n e s sw a sa c h i e v e db yt h el o g g i n gc o n s t r a i n e di n v e r s i o n ，w h i c hi n t e g r a t e dt h el o g g i n gd a t a w i t hh i g hl o n g i t u d i n a lr e s o l u t i o na n ds e i s m i cd a t aw i t ha b u n d a n th o r i z o n t a ll i t h o l o g i ci n f o r m a t i o n ．T h ep r e d i c t i o ne r r o ro fs e a mt h i c k n e s si 8c l o s et oz e r oa tw e l ll o c a t i o na n du n d e r5 ％a t t h el o c a t i o nf a rf r o mw e l lp o s i t i o n ．T h ep r e c i s i o nw a si m p r o v e db y1 2 ．6 ％c o m p a r e dw i t ht h e r e s u l tp r e d i c t e db yw e l l ． K e yw o r d s l o g g i n gc o n s t r a i n e di n v e r s i o n ；i m p e d a n c e ；s e a mt h i c k n e s s 煤厚预测对煤矿开采与安全均具有重要意义． 例如，淮北煤田永固井田受岩浆岩侵入影响出现大 面积不可采薄煤区，减少6 4 ．8 万t 可采储量‘1 3 ；西 南某煤矿煤层瓦斯涌出量随着煤层厚度增加而减 少‘2 。．常用的钻孔内插法预测煤厚不能保证远离井 位置的煤厚精度。地震波振幅或频率域参数预测煤 厚‘3 。3 如调谐法，谱距法等 受数据信噪比与保真 度的影响大，多解性强，一般只能预测煤厚的横向 收稿日期2 0 0 8 0 3 1 8 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项日 2 0 0 2 C B 2 1 1 7 0 7 ；国家自然科学基金重大项目 5 0 4 9 0 2 7 1 l 。十五”国家科技攻关重 点项目 2 0 0 1 B A 8 0 3 8 0 4 0 3 ；国家创新研究群体基金项目 5 0 2 2 1 4 0 2 ；教育鄢“长江学者和创新团队发展计划’ 1 R T 0 4 0 8 I 国家杰出青年基金项目 5 0 0 2 5 4 1 3 l 教育部科学技术研究重大项目 3 0 6 0 0 2 作者筒介彭苏萍 1 9 5 9 一 ，男，江西省萍乡市人，中国工程院院士，教授，博导。博士，从事应用沉积学，工程地质，地震勘探方面的研究． E - m a l l p s p c u m t b ．e d u ．C 1 1 T e l l0 1 0 6 2 3 3 1 3 0 5 万方数据 7 3 0中国矿业大学学报 第3 7 卷 变化趋势，而很难得到比较精确的结果．利用测井 约束反演的数据预测煤厚，综合利用测井数据的高 分辨率和地震数据的横向采样密集性，能大大提高 煤厚的预测精度，给出比较细微的煤厚分布图，是 一种比较稳健的预测方法． 本次的反演工区为安徽某矿首采区，位于中央 区一水平，基本上为一走向近南北，倾向东的单斜 构造，倾角约为5 。～7 。．区内主要有2 条小断层，一 个在测区西部，断距5m ，走向近东西，一个在测区 东部，断距1 0m ，走向近南北．上石盒子组1 3 1 煤 为主采煤层，顶底板由泥岩与粉砂岩组成．区内有 伽玛一伽玛测井曲线． 根据测井约束地震反演基本原理和煤厚预测 的目标，建立煤厚预测流程图 如图1 ．该方法以 测井约束地震反演为手段，综合利用纵向上高分辨 率的测井资料和横向上高密度的地震资料，做好每 一步的质量监控，取得了较好的层厚反演结果．预 测成果与钻孔资料吻合，说明该方法可行。为今后 在生产中推广使用这一方法提供了范例． 地震资料 预处理 叫层位解释l 墅丁 r 丽矿 I ] 二 约束反演 修改子波1 ．J r _ 一 r I 评价结果 I 至厂1 扣 ‘是 输出波阻抗数据体 煤层顶底板追踪 煤层厚度 ．．．．．．．．．．．．．．．jI．．．．．．．．一 满意否 二Ⅱ 输出煤厚图 图1反演流程图 F i g ．1 F l o wc h a r to fi n v e r s i o n 1 测井约束地震反演基本原理 该反演方法以褶积模型 式1 为基础 z ￡ 6 ￡ * R ￡ ， 1 式中z ￡ 为反射地震记录；6 z 为地震子波； R ￡ 为反射系数系列．根据测井资料生成初始反 射系数系列R 。 ￡ ，叠后地震数据得到反射地震记 录z ￡ ，利用单井多道子波提取或者统计子波提 取等方法获得初始地震子波b 。 ￡ ，由式 2 得到人 工合成记录Y 。 ￡ ，对z ￡ 与Y - z 做互相关 式 3 ，R 。为相关系数． Y l ￡ b l ￡ * R l ￡ ． 2 1J L 如 s i 1 ∑x t y l ￡ s ． 3 ⋯f l e l ￡ z ￡ 一y l ￡ ． 4 通过修改Y ， ￡ 使R 。尽可能大，即修改初始 地震子波b ， ￡ 和初始反射系数系列R 。 ￡ ．当R 。 达到满意值时，对密度、速度和反射系数利用反距 离平方、三角形网格及克里金等内插方法建立初始 模型，产生初始波阻抗数据体．以上过程是一个正 演过程，它修改了测井曲线、初始反射系数和初始 子波． 在初始模型基础上，对所有内插的波阻抗根据 共轭梯度法在一定变化范围内进行有限次修改，达 到目标函数 式4 极小点，生成最终的反演剖面． 其中e 。 t 代表模型与地震记录的吻合程度．以上 过程是一个反演过程，它修改初始模型的波阻抗． 2 流程解析 2 ．1 基础资料预处理 2 ．1 ．1 测井资料预处理 受泥浆、井径和仪器等测量因素的影响，测井 曲线需要进行去野值和归一化处理，消除非地质因 素的影响．再根据经验公式㈣3 求取密度测井曲线 和声波测井曲线 式5 ，6 ． D i 一a l o g G i b i 1 ，2 ，⋯，n ， 5 V i 1 5 0 0 D i i 一1 ，2 ，⋯，以 ， 6 式中G i 为伽玛一伽玛测井曲线；D i 为密度曲 线；V i 为声波测井曲线．求得煤层密度约为1 ．2 g ／c m 3 ，速度为18 0 0m ／s 左右，顶底板密度约为 2 ．6g ／c m 3 ，速度为39 0 0m ／s 左右． 2 ．1 ．2 地震资料预处理 地震资料预处理主要是重采样．假设地层平均 速度为20 0 0m ／s ，那么，测井资料的深度采样率 0 ．1 2 5m 对应时间采样率0 ．1 2 5m s ．为了保留测 井资料的高频信息，地震数据重采样为0 ．2 5m s 或 者0 ．5m s ． 2 ．2 子波提取与层位标定 合成记录是建立测井资料和地震记录的匹配 关系的桥梁．根据褶积公式可以知道，产生地震记 一一一一一一一一一一一一一 万方数据 第6 期彭苏萍等测井约束地震反演在煤厚预测中的应用研究7 3 1 录需要反射系数和子波．前面已经得到密度曲线和 声波曲线，根据式 7 可以分别得到波阻抗和反射 系数．在地震勘探中，得到子波的途径有3 种通 ，过仪器直接测试；根据地震数据估算或者利用地震 数据和测井资料估算．实际应用比较多的是后两 者．得到了子波，就可以合成地震记录，上述这种通 过井资料得到的合成地震记录称为合成记录．通过 对比合成记录与地震记录的相似性，可以评价测井 资料与地震资料的匹配关系． J 一一，R 黼 篇．∽ 获得合适子波的方法一般是先通过R i c k e r 子波或者地震数据估算出来的统计性子波建立测 井资料与地震数据的初步匹配关系．在此基础上利 用地震和测井资料进行提取，得到一个新的子波， 进一步改进井资料与地震数据的匹配．匹配关系没 有达到满意效果时，可以再次进行子波的提取．在 反演的过程中，井资料被认为是最可靠的资料，尽 量不要改动它．为了改进地震记录与合成记录的匹 配程度，主要是通过改进地震子波来实现． 叠后反演假设子波具有稳定不变的特性，这里 包含了两方面的含义一是子波的长度是一定的， 二是子波波形是稳定的．实际计算结果表明，震源 激发产生的子波在传播了一定距离后波形就基本 稳定，子波的长度则随传播距离而变长．因此，子波 的长度与目的层的埋深有关．煤层较浅，地震频带 较宽，子波可略短些．这里认为一个好的子波应该 是波形稳定，能量主要集中在子波的主瓣上，旁瓣 能量小并且迅速衰减；子波的振幅与地震记录的振 幅谱相似．如果子波没有主瓣、零频率处振幅过大， 可以通过微调提取时窗来消除；如果子波频谱在高 频端比地震数据振幅谱损失多，则是对测井曲线有 不合适的拉伸造成，需要重新校正测井曲线．一个 好的子波制作的合成记录与地震记录有较高的相 关系数．在某些特殊情况下，相关系数难以提高，只 能通过合成记录与井旁地震道的波形相似性判断 相似性． 图2 是子波提取对比图，子波a 存在主瓣不明 显，抖动程度大，零频率处振幅过大，频带窄等缺 陷．从选择子波长度、增加提取时窗长度和改变子 波相位等3 个方面多次测试，综合相关系数和波形 相似性分析，得到子波b ．在此基础上，经过迭代处 理最终选择子波c ，提取时窗为4 0 0 - 、一7 0 0m s ，子波 长度为6 0m s ，常相位．子波c 具有波形稳定，能量 主要集中在子波的主瓣上，旁瓣能量小并且迅速衰 减，频带宽，主频高的特点． 图2子波对比图 F i g ．2 Ac o m p a r i s o no fw a v e l e t s 2 ．3 初始模型建立 反演的计算公式表明，模型建立是否正确关系 反演成败．模型建立以地震解释层位为框架，根据 一定的内插方法，产生一个闭合、光滑的数据体．因 此，层位解释非常重要．层位解释要遵循2 个重要 的原则一是在层位标定的基础上，层位解释尽量 沿着同相轴追踪．用于反演的层位解释与用于构造 成图的层位解释是不同的．用于构造成图的层位注 重层间距的合理性，而反演的层位则更注意沿同相 轴追踪，反映反射系数的特征．二是层位解释满足 闭合和一致性．在断层附近，由于层位变化大，波组 关系复杂，做到层位闭合和一致性并不容易，需要 做多次对比和尝试，找到最合理的层位解释方案． 以层位解释成果为控制，选择反距离平方或克 里金等内插方法，对井中的波阻抗值沿着层位内插 外推，得到初始的波阻抗数据体．评价数据体正确 性主要是通过2 个方法1 切片方式评价．切片产 生的是沿某一时间或层位的属性特征，该方法是评 价波阻抗数据体的整体特征是否符合大的地质趋 势．2 单井或任意位置反演评价．假设模型与地质 万方数据 7 3 2中国矿业大学学报第3 7 卷 情况相符，则通过单井反演和任意位置反演很容易 得到好的反演结果．因此可以说，容易得到好的反 演结果是模型与地质情况相符的必要条件，但不是 充分条件．评价结果认为模型与真实地质情况相似 性差时，则要深入分析子波提取、层位解释、内插方 法等环节，通过多次分析，选择最合适的初始模型． 本文首先根据精细解释层位，按沉积体的沉积 规律在大层之间内插出很多小层，建立一个地质框 架结构，在该结构的控制下，再根据一定的插值方 式，对测井数据沿层进行内插和外推，产生一个平 滑、闭合、能反映煤系地层地质特征的初始模型． 通过切片 如图3 和单井或任意位置反演分 析表明，模型与真实地质情况符合良好．其中克里 金插值法建立的初始模型更合理．其原因是三角网 格法只适用于规则分布的开发井网间的插值，反距 离平方法适用于井资料少的地区，本文选定研究工 区内有1 0 口井，井点较多，但分布不是很有规则， 因此克里金内插法生成的初始模型更合理． 图3三角形网格、反距离平方及克里金内插效果 F i g ．3I n t e r p o l a t i o ne f f e c to fT r i a n g u l a rm e s h 。 i n v e r s ed i s t a n c et Oas q u a r ea n dk r i g i n g 2 ．4 反演分析 通过随机选取同一位置的模型地震道和地震 资料地震道，根据两者之间的相关分析和波形相似 性分析，确定反演参数． 1 迭代次数．对于合理的反演过程，一般在2 0 次左右可以很好的做到全局寻优．迭代次数和反演 中所用的方波尺寸有关，方波越小，需要的迭代次 数越多，确定迭代次数的方法是检查误差图． 2 方波平均大小．该参数控制最终结果的分 辨率．该参数把初始模型方波化为一系列相同的方 波，最终反演结果将改变方波的尺寸，但是方波的 个数不变．使用较小的方波增加了最终结果的分辨 率，但是所增加的细节来自初始猜测模型，使用小 的方波也会提高输入道和最终合成道之间的匹配 程度． 3 最大波阻抗变化百分率．无限带宽约束反 演通过修改模型来匹配地震数据，该参数控制模型 的变化程度． 4 预白化．求解问题的方程组存在变态性，为 改善方程组的变态程度，在对角线元素上加上一个 阻尼因子，使方程组能很好求解，其取值为1 ％． 5 数据范围为减少计算时间，不取整个数据 做计算，一般以目的层为中心取上下5 0m s 时窗． 图4 是在某一道上的参数分析，采用1 0 次迭 代，方波平均大小为1m s ，最大波阻抗变化百分率 为1 0 ％，预白化因子取1 ％，数据范围在4 0 0 6 0 0 m s ．图4 说明，参数选择使最终模型与地震记录吻 合很好． 色 塔 匣 档 时l 硼／m s 图4 反演参数分析 F i g ．4A n a l y z i n go fi n v e r s i o np a r a m e t e r 2 ．5 煤厚预测 钻孔位置波阻抗值表明 见图5 ，煤层波阻抗 与顶底板的波阻抗相比表现为低值，反演剖面很好 的识别出了煤层的顶底板，在钻孔位置与测井曲线 资料完全符合．图5 的b u l 孔左侧1 3 1 煤有煤层 分叉现象．本文对全区的波阻抗数据体进行煤层顶 底板追踪，得到煤层顶底板的时间层位，转换得到 煤层厚度 如图6 ．预测煤厚分布图总体上从南到 北变薄，在右上角和左下角预测出现煤层的变薄 带，可能受构造因素的影响；在左上角b a - 6 孔和 q i 一1 5 之间出现煤层的变薄，同时在对应的波阻抗 剖面有煤层合并变薄现象，可能与沉积环境有关． 图5波阻抗剖面 F i g ．5 S e c t i o n0 fi m p e d a n c e 图6预测煤厚分布图 F i g ．6 D i s t r i b u t i o no fc o a ls e a mt h i c k n e s s 万方数据 第6 期彭苏萍等测井约束地震反演在煤厚预测中的应用研究7 3 3 为了检查预测的效果，分别取每一口已知井为 未知井．通过钻孔预测和测井约束反演预测得到的 数据如表1 ，从表1 中可以看到通过反演预测的煤 层厚度误差在5 ％以内，提高了预测能力和精度． ，表1 预测效果对比表 T a b l e1 C o m p a r i s o no fp r e d i c t i o ne f f e c t 3 结论 1 通过伽玛一伽玛测井曲线求取密度曲线和 声波曲线，与实测的密度和声波曲线存在一定的误 差，但是，在最终波阻抗剖面上得到与已知钻孔资 料相符的结果，说明在没有密度曲线和声波曲线的 工区，该方法有效． 2 子波提取主要有井旁道子波提取和多道统 计2 种方法，通过子波的频谱，合成记录与井旁地 震道的相似性等作为质量监控，有利于最佳子波的 选择． 3 初始模型是做好煤厚精确预测的关键．以 通过数据切片和联井剖面等作为质量监控手段，合 理建立地质框架结构和定义内插模式，控制煤层分 叉、合并、减薄、尖灭等现象，减少反演多解性和提 高煤厚精确预测精度． 4 煤层与顶底板的波阻抗差异是煤厚预测的 基础，在波阻抗数据体上完成对煤层顶底板的追 踪，转换得到煤厚分布，同时划分出煤层变化区域． 结果表明，测井约束反演预测煤厚，综合利用纵向 上高分辨率的测井资料和横向上高密度的地震资 料，提高了煤厚预测精度．预测结果在钻孔处与已 知钻孔资料吻合，远离孔位置的预测误差在5 ％以 内，与钻孔预测对比，精度平均提高了1 2 ．6 0 ％． 参考文献 [ 1 ] 金法礼．冀明君，张培础．淮北煤田永固井田岩浆岩 侵入特征及煤厚预测[ J ] ．中国矿业大学学报．1 9 9 8 ， 2 7 2 2 0 9 - 2 1 2 ． J I NF a _ l i ，J IM i n g i u n ，Z H A N GP e i c h u ．C h a r a c t e r i s t i c so fm a g m a t i ei n t r u s i o na n dp r e d i c t i o nf o rc o a l b e d t h i c k n e s si nY o n g g um i n e ，H u a i b e ic o a l f i e l d [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，2 7 2 2 0 9 2 1 2 ． [ 2 ] 刘新荣，鲜学福．煤层瓦斯与煤层厚度及其变化关 系的测试[ J ] ．煤炭科学技术，2 0 0 4 ．3 2 8 6 9 7 4 ． L I UX i n t o n g ，X I A NX u e q u ．T e s to nr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns e a mg a s ，s e a mt h i c k n e s sa n dv a r i a t i o n [ J ] ． C o a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ．3 2 8 6 9 7 4 ． [ 3 ] 姚建阳．在频率域中求取薄地层的厚度[ J ] ．石油地 球物理勘探，1 9 9 1 。2 6 5 5 9 5 5 9 9 ． Y A 0J i a n y a n g ．C a l c u l a t i n gt h i n - b e dt h i c k n e s si n f r e q u e n c yd o m a i n [ J ] ．O i lG e o p h y s i c a lP r o s p e c t i n g ． 1 9 9 1 。2 6 5 5 9 5 - 5 9 9 ． [ 4 ] 董守华，许永忠．地震资料谱矩法反演煤层厚度[ J ] ． 辽宁工程技术大学学报，2 0 0 5 ，2 4 1 3 8 - 4 0 ． D O N GS h o u - h u a 。X UY o n g - z h o n g ．S p e c t r a lm o m e n t m e t h o dt Oi n v e r s ec o a ls e a mt h i c k n e s sb ys e i s m i cd a t a [ J ] ．J o u r n a lo fL i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，2 0 0 5 ， 2 4 1 3 8 - 4 0 ． I s ] A R T U NFE ．R e s e r v o i rc h a r a c t e r i z a t i o nu s i n gi n t e l - l i g e n ts e i s m i ci n v e r s i o n [ D ] ．M c r l g a n t o w n W e s t V i r g i n i aU n i v e r s i t y ．c o l l e g eo fE n g i n e e r i n ga n dM i n e r a lR e s o u r c e s ，2 0 0 5 2 0 0 2 1 0 ． [ 6 ] A L V A R OC ．I n t e r p r e t e r ’sC o m e r - R i s kr e d u c t i o ni n e s t i m a t i o no fp e t r o p h y s i c a lp r o p e r t i e sf r o ms e i s m i c d a t at h r o u g hw e l l l o gm o d e l i n g ，s e i s m i cm o d e l i n g ， a n dr o c kp r o p e r t i e se s t i m a t i o n [ J ] ．T h eL e a d i n g E d g e ，2 0 0 3 ，2 2 3 1 0 2 1 1 0 2 2 ． [ 7 ] R U S S E L LB ．T h ea p p l i c a t i o no fm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c sa n dn e u r a ln e t w o r k st ot h ep r e d i c t i o no fr e s e r v o i r p a r a m e t e r su s i n gs e i s m i ca t t r i b u t e s [ D ] ．U n i v e r s i t y o fC a l g a r y ．D e p a r t m e n to fg e o s c i e n c e 。2 0 0 4 ．2 - 4 ． [ 8 ] 彭苏萍，孔炜，杨瑞召．等．煤田反演的声波测井 曲线重构口] ．北京工业职业技术学院学报，2 0 0 3 ，2 4 1 1 - 1 6 ． P E N GS u p i n g 。K O N GW e i ，Y A N GR u i 。z h a o e ta 1 ． S o n i cl o gr e c o n s t r u c t i o na n di t sa p p l i c a t i o nt os e i s m i c i n v e r s i o ni nc o a lf i e l d [ J ] ．J o u r n a lo fB e i j i n gV o c a t i o n a l T e c h n i c a lI n s t i t u t eo fI n d u s t r y ，2 0 0 3 ，2 4 1 1 - 1 6 ． [ 9 3 杨瑞召，崔晓芹，彭苏萍，等．地震反演与三维可视 化技术在煤田三维地震勘探中的应用初探[ c ] ／／谢 和平，彭苏萍，何满潮．深都开采基础理论与工程实 践．北京科学出版社。2 0 0 6 1 7 7 1 8 3 ． 责任编辑姚志昌 万方数据