煤层厚度与振幅、频率地震属性的正演模拟.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年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 3N o ．1 J a n2 0 0 4 文章编号10 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 1 0 0 2 9 0 4 煤层厚度与振幅、频率地震属性的正演模拟 董守华1 ，马彦良2 ，周明3 1 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 f 2 ．中国矿业大学资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；3 ．中国石化集团管道储运公司，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要依据地质、地震资料设计了地震地质模型，模拟了在煤层缺失、剥失、分叉、合并等情况下 反射波振幅、频率等地震属性；同时讨论了这些属性对不同煤层厚度灵敏度．结果表明，当煤层厚 度为o ～8m 时，振幅、频率地震属性与煤层厚度之间存在一单调非线性关系；当煤层厚度为8 ～ 1 3m 时，只有频带宽度作为煤层厚度预测唯一参数‘当煤层厚度大于1 3m 时，根据煤层顶、底板 反射渡旅行时与速度预测煤层厚虎 关键词正演模拟；地震属性} 煤层厚度 中图分类号P6 3 1 ．4文献标识码A F o r w a r dM o d e l i n go fR e l a t i o n s h i pB e t w e e nC o a lS e a m T h i c k n e s sa n dS e i s m i cA t t r i b u t e so fA m p l i t u d ea n dF r e q u e n c y D O N GS h o u h u a l ．M AY a h l i a n 9 2 ．Z H O UM i n 9 3 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dG e o s c i e n c e ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ‘ 3 ．P i p e l i n e T r a n s p o r t a t i o na n dS t o r a g e C o m p a n yo fS i n o P e c ．X u z h o u 。J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do ng e o l o g i ca n ds e i s m i ci n t e r p r e t a t i o n ，t h es e i s m i cg e o l o g i c a lm o d e lw a sd e s i g n e d ． T h es e i s m i ca t t r i b u t e so fr e f l e c t e dw a v ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yi nt h e s i t u a t i o no f1 0 5 S ， d e n u d a t i o n ，p i n c h o u t a n dm e r g i n go fc o a ls e a m sw a ss i m u l a t e d ．T h es e n s i t i v i t yo fs u c ha t t r i b u t e s t ot h et h i c k n e s so fd i f f e r e n tc o a ls e a m sw a sd i s c u s s e d ．T h er e s u ks h o w st h a t1 W h e nt h et h i c k n e s s o fc o a ls e a mi s0 ～8m 。t h e r ei sam o n o t o n en o n l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e na m p l i t u d eo rf r e q u e n c ya n d t h i c k n e s s ‘2 w h e nt h i c k n e s si s8 ～1 3m ，o n l yt h ef r e q u e n c yb a n dc a nb eu s e dt op r e d i c t t h i c k n e s s ；a n d3 i ft h et h i c k n e s si sm o r et h a n13m ，t h et h i c k n e s si sd e t e r m i n e db yc a l c u l a t i n gt h e v e l o c i t ya n dt h et r a v e lt i m eo fb o t hr o o fa n df l O o r ． K e yw o r d s f o r w a r dm o d e l i n g ；s e i s m i ca t t r i b u t e ；c o a ls e a mt h i c k n e s s 随着大型、超大型矿井的建设，对煤田地质工 作提出了更高的要求，即除了查明采区内的构造信 息外，还要尽可能提供煤层厚度变化的情况．我国 的兖州、淮北、平顶山、焦作等矿区由于采用分煤层 开采，煤层的缺失、剥失、分叉、合并，厚度的变化会 给煤矿生产带来很大的影响．据资料统计，如果实 际煤厚比设计煤厚变薄1 0 ％～2 0 ％时，煤炭产量 就会下降3 5 ％～4 0 ％o ] ．传统的煤层厚度计算是 利用钻孔资料的对比、内插获得，提供的煤厚资料 精度大大降低，特别是当煤层的缺失、剥失、分叉、 合并范围较小时，一孔之见就无能为力．根据地震 资料反演煤层厚度对煤矿设计、合理开采、提高经 济效益具有重要意义． 对于煤田采区勘探，多数煤层厚度小于1 0m 一般为1 ～6m ，从煤田地震勘探的角度来看，与 煤层反射主波长2 4 5m 左右 相比，煤层厚度小于 收稿日期；2 0 0 3 0 4 1 2 作者简介。董守华 1 9 6 3 一 。男，江苏省盐城市人．中国矿业大学副教授，工学硕士，从事应用地球物理勘探方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 a ／4 ，顶底板反射不能分离，形成复合波口] ，属于薄 层范畴．在8 0 年代，我国煤田地震工作者根据 W i d e s s 口1 的薄层理论，采用振幅法进行了煤层厚度 变化趋势研究．8 0 年代后期，试用煤层反射波综合 特征参数“1 包括振幅、能量、能量比 进行煤层厚 度估算．程增庆等o ” 1 9 9 1 ，1 9 9 6 根据煤层厚度与 反射波振幅或能量成准线性关系，利用反射波振幅 参数来估算煤层厚度；戚敬华、刘天放o ” 19 9 6 等 根据薄层理论，推导出煤层厚度与反射波频率域参 数的近似线性关系，直接反演煤层厚度 振幅谱平 方比法和谱矩法 ．这些方法基于某种或几种地震 属性参数进行煤层厚度预测，对地震属性研究还不 够深入，没有考虑煤层为厚煤层 煤层合并 的情 况，对不同煤厚与地震属性灵敏度研究不够，都用 某种或几种地震属性参数进行煤层厚度预测，势必 影响煤层厚度的预测精度． 煤层缺失、剥失、分叉、合并情况严重，根据地 质、地震资料，设计地震地质模型，正演模拟不同煤 厚情况下，讨论煤层反射渡振幅、频率等地震属性 对煤层厚度预测灵敏度，以在不同厚度范围条件下 选择不同的地震属性，特别是厚煤层的地震属性， 为更好地预测煤层厚度奠定基础． 1 正演模型 煤层反射波中含有大量岩石弹性信息，无论是 煤层的构造变化或岩性变化都会引起反射波的变 化．煤层的构造或岩性变化主要反映在密度、速度 及其它弹性参量的差异上，这些差异导致了地震波 在传播时间、振幅、频率等方面的变化或异常．当煤 层厚度变化较大 缺失、剥失、分叉、合并 时，而有 些信息如频率域的变化却难以直观地分析．这时对 于煤层厚度的变化，用常规的人工解释方法往往是 无能为力的．如果研究煤层厚度变化引起的振幅、 频率、地震等属性的变化规律，首先要求正演计算， 建立它们与煤层厚度之间的统计关系． B 地震地质模型 例如，济宁二号煤矿九采区主采煤层为3 h3F 煤层，煤层厚度变化较大，有缺失、剥失、分叉、合并 现象。3 i 煤层厚度0 ．5 ～6 m ，3 T 煤层厚度0 ．5 ～ 16m ．图l 为3 上、3 T 煤层合并情况，图2 为3 t 煤 层剥失、缺失情况． 图13 上、3 T 煤层合并区地震剖面 F i g ．1M e r g ez o n eo fc o a ] s e a mi nt i m es e c t i o n 图23 煤层尖灭地震剖面 F i g ．2P i n c ho u to fc o a ls e a mi nt i m es e c t i o n 根据钻孔资料与地震解释的结果，认为九采区 表层纵波平均速度为饰，一18 0 0m ／s ，密度p 。一 1 ．6g ／c m 3 ，厚度平均为1 7 5m ；第四系不整合上部 有一厚度2 0 ～5 0m 地层，纵波平均速度为”。一 3k m ／s ，密度胁一2 ．5g ／c m 3 ；由于九采区普遍存在 岩浆岩，其厚度约为1 2 0m ，纵波平均速度为‰ 5k m ／s ，密度胁 3 ．0g ／c m 3 ；煤系地层纵波平均速 度为口p I 一3 ．6k m ／s ，密度n 2 ．6g ／c m 3 ，厚度4 0 0 ～4 3 0m } 煤层纵渡平均速度为口 2 ．5k m ／s ，密度 P 一1 ．4g ／c m 3 ．设3 t 煤层厚度为2 m ，而3 T 煤层 厚度变化地震地质模型如图3 a 所示． b 圈“ 地震剖面 图3 地震地质模型与地震剖面 F i g ．3 S e i s m i cd i r e c tm o d e la n di t st i m es e c t i o n 万方数据 第1 期董守华等正演模拟研究煤层厚度与振幅、频率地震属性关系 3 1 正演采用有限差分法弹性全波场数值模拟进 行正演计算，子波为雷克子波，主频6 0H z ，采样间 隔0 ．5m s ，体积元剖分大小为0 ．5m x0 ．5m x 0 ．5m ，计算剖面长度为1k m ，计算时间长度在 6 5 0m s ，接收道距2m ，共5 0 0 道，其剖面如图3 b ． 2 煤层厚度与反射波能量的关系 当煤层厚度变化时，在时间剖面上反射波组的 振幅、相位和频率将发生变化．现讨论3 T 煤层时 间域反射波能量、最大振幅值，频率域的主频、频带 宽度等地震属性与煤层厚度的关系． 由于3 上、3 T 煤层形成复合波，当煤层分叉时 它们分别对应反射波的两个相位的正相位，而当 3 、3 T 煤层合并时，又变为一个相位，同样为正相 位．这里反射波能量是指正相位反射波能量，即 Ⅳ E 一∑钟， 1 2 1 式中A 。为煤层反射波正相位第个采样点的振幅 值；Ⅳ为煤层反射波正相位采样点总数． 图3 地震地质模型计算3 T 煤层反射波能量 E 与煤厚的关系如图4 所示，时窗长度为2 0n i s ． 从图中看出当煤层厚度为0 h 1 4n l 时，3 T 煤层反 射渡能量E 与煤层厚度日之间的关系为非单调曲 线，但当煤层厚度在o ～8 ．5m 之间变化时，该曲 线为单调上升曲线，随着煤层厚度增加，反射波的 能量也增加，在煤层厚度0 ．5 ～4 ．0m 区间内，反 射波能量增加缓慢，也就是说如果仅根据反射渡能 量来预测煤厚在该区间内精度稍差；在煤层厚度4 ～8 ．5m 区间内，反射波能量急增，能较好地分辨 出煤厚的变化；对于煤层厚度大于9m 时。由于在 理论上，煤层的顶、底板各自形成反射波，此时在时 窗长度不变的情况下，这时计算的反射能量仅仅为 煤层底板的反射波能量，而非整个煤层反射波的能 量，对于实际地震资料来说，即使煤层主频 或频 带 较高时，人的肉眼也无法分清煤层的顶、底板， 也就无法扩大时窗长度．总之，实际使用时反射波 能量单一属性仅对于厚度为o ～8 ．5m 的煤层效 果较好． 024681 01 21 4 图4 煤层反射波能量与厚度关系 F i g ．4 R e f l e c t i o nw a v ee n e r g ya n ds e a mt h i c k n e s s 3 煤层厚度与反射波最大振幅的关系 图3 地震地质模型计算3 下煤层反射波最大 振幅』4 一与其厚度关系如图5 所示．从图中看出当 煤层厚度在o ～7 ．0m 之间变化时，为一单调增曲 线，在o ～4 ．0m 之间变化时，A 。。随着煤层厚度增 加急剧上升，就是说此范围内A 。，对煤层厚度反映 较灵敏；当煤层厚度在7 ．o ～1 0m 之间时，煤层反 射波随着煤层厚度而逐渐降低；当煤层厚度大于 1 0 ．4 2m 波长X ／4 时，煤层反射波随着煤层厚度 不变，对于A 。；地震属性来说，1 0 ．4 2m 以上为调 谐厚度．故煤层厚度大于7 ．0m 时在时窗不变时， 不宜用A ～来预测煤层厚度．这与单一煤层反射波 特征有区别，单一煤层的煤层厚度在o ～ ／4 范围 内，A 。；随着煤层厚度增加而增大，而此结果主要 是由于上覆3 _ 匕煤层反射波与时窗宽度的影响． 已 6 ≤4 J 0 24 68l O1 21 4 图5 煤层反射波最大振幅与厚度关系 F i g ．5 R e f l e c t i o nw a v em a x i m a lc o a la m p l i t u d e a n dc o a ls e a mt h i c k n e s s 4 煤层厚度与反射波主频成分 及频带 宽度A f 的关系 当煤层厚度发生变化时，除了地震波的振幅、 能量要发生一定的变化外，地震波的频率也要发生 一定的变化，因此利用频谱资料来解释煤层厚度． 一个地震信号是由不同振幅、不同频率的许多 谐波分量迭加而组成的，通过对地震信号的频谱进 行分析，就可以了解这些谐波分量．描述地震波频 谱的参数有主频 和频带宽度△f 且有 a f f l 一 ， 式中，1 为高截频；，2 为低截频． 以图3 b 的地震记录，时窗长度为2 0m 8 ，计 算煤层反射波的主频成分、频带宽度，结果如图6 ． 煤层厚度o ～8m 范围内，煤层反射波主频成 分随着煤层厚度增加而降低，频带宽度随着煤层厚 度增加而逐渐变大，但是这种变化是缓慢的，数值 的变化较小．当煤层厚度大于8 ．5m 时，由于煤层 形成顶、底板反射波，此时顶、底板反射波以肉眼无 法分清，时窗仍为2 0m s ，提取的地震属性主频成 分、频带宽度的变化主要反映煤层底板反射波的性 质，如图7 中虚线，已无法反映煤层厚度的变化；当 万方数据 3 2中国矿业大学学报第3 3 卷 时窗变为3 0m s ，时窗内提取的主频成分、频带宽 度 图7 中实线 已反映整个煤层特性，主频成分与 煤层厚度的变化已不明显，主频带宽度随着煤层厚 度增加而减小；当煤层厚度达到2 3m ，频带宽度增 大到一定程度时，就基本不变． 以一种或几种地震属性参数，采用非线性方法口。1 1 ] 预测煤层厚度，当煤层厚度某一范围内变化不大时 宜选用灵敏度较高某一地震属性参数作为唯一的 预测参数． 3 当煤层厚度8 ～】3m 厚层 时，由于煤层 在理论上形成顶、底板反射波，此时如时窗不变，提 取的地震属性反射波能量、最大振幅、主频、频带的 变化仅仅反映煤层底板反射渡的性质，已无法反映 煤层厚度的变化． 4 当煤层厚度大于1 3m 时，对煤层反射波作 分频处理，根据煤层顶、底板反射波旅行时与速度 计算煤层厚度． o5 01 ”1 5 02 ”2 5 03 ”3 5 04 ”4 5 05 ” 参考文献 f ／H z 0 5 01 0 0 1 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 0 4 0 0 4 5 05 0 9 f | H z 图7 不同时窗煤层厚度与反射渡主额成分、 频带宽度的关系 F i g ．7 C o a ls e a r i a ．t h i c k n e s sa n dm a i nf r e q u e n c y ， h a n di nd i f f e r e n tt i m ew i n d o w 5 结论 1 时窗宽度对讨论煤层厚度与煤层反射波振 幅、频率等地震属性关系影响很大，对厚煤层预测 的影响尤为明显． 2 煤层厚度o ～8m 时，这些地震属性与煤层 厚度之间存在一单调非线性关系；煤层厚度在o ～ 4m 时，A 一随煤层厚度急剧变大，也就是说A ～对 煤层厚度反映较灵敏煤层厚度4 ～8 ．5m 时，煤 层反射波能嚣能较好地分辨出煤厚的变化．可以 [ 1 ] 仲其涛．煤层厚度反演方法研究与应用[ D 1 ．徐州中 国矿业大学资源与地球科学学院，2 0 0 1 ． [ 2 ] 唐文榜．地震反射法中薄煤层分辨能力的研究E J ] ．地 球物理学报，1 9 8 7 ，3 0 6 6 4 1 6 5 2 ． [ 3 ] W i d e s sMB ．H o wt h i ni sat h i nb e d E J ] ．G e o p h y s i c s ， 1 9 7 3 ，3 8 6 1 17 6 1 1 8 0 ． E 4 3 胡强，刘福贵，冯德永，等．利用振幅、频谱信息综合 反演储层厚度口] ．石油地球物理勘探，1 9 9 5 ，3 0 增 刊 9 6 一1 0 1 ． [ 5 ] 程增庆，吴奕峰。张书生，等．用地震反射波定量解释 煤层厚度的方法[ J ] ．地球物理学报．1 9 9 1 ，3 4 5 6 5 76 6 2 ． ’E 6 3 程增庆，廖萌．王志荣，等．煤层厚度反演方法的研 究[ A ] ．煤田地球物理岩性勘探技术文集[ c ] ．北京 蟮炭工业出版社，1 9 9 6 ．1 4 7 1 5 1 ． [ 7 ] 刘天放．陈斌，付金生，等．地震反演煤层厚度的谱 矩法及其应用[ A ] ．煤田地球物理岩性勘探技术文集 [ C 3 ．北京煤炭工业出版社，1 9 9 6 ．1 3 5 1 4 6 ． [ 8 ] 戚敬华．由地震剖面直接反演煤层厚度的方法[ A ] ． 煤田地球物理岩性勘探技术文集[ c ] ，北京；煤炭工 业出版社，1 9 9 6 ．1 3 5 1 4 6 ． E 9 3 龙建东．薄层厚度与振幅、频率关系的神经网络B P 法模拟[ J ] ．石油地球物理勘探，1 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