定量预测煤厚方法研究_影响因素分析及应用.pdf

第28卷 第4期 物探化探计算技术 2006年11月 收稿日期 2005 - 06 - 29 文章编号 10011749 2006 04031504 定量预测煤厚方法研究、 影响因素分析及应用 崔辉霞,杨文强,赵牧华 中国矿业大学,徐州 221008 摘 要煤层厚度预测的传统方法是利用钻孔资料的内插对比获得,精度很低。在实际应用中, 人们又研究出了多种方法。这里从薄层理论出发,对这些方法进行了研究归纳,采用钻孔约束频 域定量预测法谱矩法来编制相应的程序进行煤层厚度定量预测,并对影响煤厚变化的因素进 行分析,得出了有用的结论。通过理论模型和实际资料运用,证明该方法预测精度较高,可取得 令人满意的效果。 关键词薄层;频域;煤层厚度;定量预测;影响因素 中图分类号TD 823125 1 文献标识码 A 0 前言 在地震勘探中煤层属于薄层,而薄层厚度的定 量预测一直是公认的难题之一。目前,研究的重点 是解决在一定精度下的定量预测问题,其难度就在 于如何准确地识别和提取薄层的地震属性。传统 预测方法是利用时间域或频率域地震属性与薄层 厚度的线性关系计算 [1 ]。而煤层厚度变化是煤矿 中常见的地质现象,如果预测误差过大,必然对煤 矿工作面安排,生产开采效率,经济效益等众多方 面产生重大影响。 在煤田中,煤层厚度预测基本上是利用钻孔资 料进行对比、 内插而获得的 [1 ]。然而在一个勘探 区内,钻孔的数目总是有限的,而地震资料却是很 丰富。因此从连续观测的地震资料,尤其是从数据 密度很大的三维地震资料中获取煤层厚度信息,是 许多地球物理学者为之积极探索的目标。作者分 析认为,这是一条可行途径,同时,对薄层理论研究 具有一定的理论意义。 作者在本文中以煤层为研究目标,利用常规三 维地震勘探资料完成厚度定量预测,并实现实际资 料的处理,经实际验证定量可知,预测精度达到了 煤矿生产的要求。 1 研究历史与现状 实际生产中,开采煤层一般厚度约为1 m～ 10 m,多数为2 m～6 m。经研究发现,煤层反射波 主波长一般在40 m左右,而在地震勘探中,一般把 层厚小于四分之一波长的地层定义为“ 薄层 ”,因 此煤层属于薄层 [2, 3 ]。在地震勘探中 ,有关薄层的 理论研究,早在四十年代已经开始。其中,如Ric2 ker1940, 1953、W idess1973、Koefoed和 Voogd 1980、Koefoed 1981、Voogd和Rooijen 1983 , Costain和Coruh 1985 , Rollpfeifer1987等及国 内地球物理学家发表了许多文章 [4～6] ,虽有不同准 则,但地球物理界大致有如下共识 1薄层与厚度以 λ/4λ为地震波长,约45 m左右为界。当薄层厚度小于 λ/4时,反射波波 形为入射波的微分形式,并把这个厚度定为薄层垂 向分辨率的极限。拓宽频带、 提高频率能提高薄层 分辨率。 2当薄层厚度等于 λ/4时,反射波振幅最 大,称 λ/4为薄层调谐厚度;当厚度小于 λ/4时, 顶、 底反射不能分辨,成为一个复合波形,其薄层厚 度与反射波振幅近似成正比。 由此可知,煤层是一个典型的低速薄层。煤层 反射波,是由煤层顶、 底板反射波,层内多次波,转 换波及多次转换波以及邻近围岩中各反射波形成 的复合反射波H. Al moghrabi和J. Legnge, 1986;刘 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 天放和R. E. Sheriff, 1990 [5]。在偏移距不太大的 条件下,转换波和多次转换波是十分微弱的,因此 煤层反射波主要是顶、 底板反射波的矢量叠加。 如何求取薄层的厚度,国内外学者进行了理论 研究,提出了许多方法。如W idess1973 [4 ]针对 薄层问题的研究,提出了无限均匀介质中薄层厚度 与其薄层反射振幅的关系,首先超越了纯几何方法 求取薄层厚度的界限。继W idess的研究之后,众 多国内外地质和地球物理工作者围绕薄层厚度的 定量解释作了许多探索和研究,并取得了较为显著 的成绩,诸如准线性法、 直接预测法包括振幅谱 法、 反射波特征点法、 波阻抗反演、 道积分法、 反射 波振幅谱和子波振幅谱比法、 振幅谱平方比法、 钻 孔约束频域定量预测法又称谱距法、 子波主频及振 幅谱反演法、 陷频法等、 统计分析法人工神经网 络预测法、 地质统计法。但这些方法仍存在着理 论上的不足及实际应用中的局限,如薄层顶、 底界 面的反射系数为等值反极性的苛刻要求,固定模式 的入射子波等条件,为此,有必要进行薄层厚度定 量解释方法的进一步研究。 需要指出的是,目前无论什么方法,大部分都 离不开钻孔的约束,而且对于预测结果都需要用钻 孔来验证。这是因为,钻孔数据是各种预测方法的 基础,是预测的实际来源。一般的预测方法都是根 据钻孔作为已知,通过某种预测方法一定的算 法 , 来得到最后的等值线图,确定未知值 某个 具体位置的煤厚值,从根本上说是由已知求解未知 的过程。在最后的验证阶段,还需要利用已知的钻 孔资料一般预留,不参与这个预测过程来验证 预测方法的正确性。因此,可以说现存的方法都是 离不开钻孔约束的,受已知钻孔资料数据的制约。 在理论研究的基础上,比较以上各种方法,发 现钻孔约束频域定量预测法又称谱距法 [4] 在预 测煤层厚度时约束条件少,易于算法的实现,更接 近于实际情况。 2 钻孔约束频域定量预测煤厚原 理 [5] 基于对上述预测方法的研究,作者在本文中采 用钻孔约束频域定量预测法谱距法来进行薄层 厚度定量预测,并分析了各种非煤厚影响因素,力 图做到较高的精度。 图1为薄层的地质模型示意图,图2为薄层反 射模型示意图。研究表明,煤层反射波主要是煤层 顶底板反射叠加的复合波,其波形具有入射地震子 波的微分形式见式1 。在一定的条件下,煤层 厚度近似正比于煤层反射波振幅谱积分与地震子 波振幅谱一阶矩的比值见式2 。 sx, t≈ rτ 1 -r 2b′ x, t1 将式1两边取傅氏变换后,再积分,最后可 以建立地震预测煤厚的公式 dA /cD2 式中A ∫ S f df; D ∫ fB fdf; c 4πr 1- r 2 ν 2 ; S f 为反射波sx, t振幅; B f 为地震子波 b t 振幅频谱,可由地震道自相关求得; D为地震子波 振幅谱与频率f的积分; c可用近钻孔i的地震道 数据来标定ci Ai diDi , i1,2,⋯。只要有一定数量 钻孔多井已知煤厚,标定其比例系数,提前选好 预留井,利用可用井煤厚值做约束,便可直接从煤 田地震勘探反射资料中逐道估算煤层厚度。该方 法实际上属于频率域预测煤厚的方法,故命名为 “ 钻孔约束频域定量预测法 ” 。 图 3 见下页为该方法的计算机实现流程图。 图1 薄层地质模型示意图 Fig . 1 Geologicalmodel of thin2layer 图2 薄层反射模型 Fig . 2 Reflection model of thin2layer 3 理论模型研究与计算、 影响因素分 析 采用声波波动方程有限差分方法,将雷克子波 作为输入地震子波,分别合成不同频率地震子波, 相同频率地震子波围岩物性不对称,煤层厚度不变 以及煤层厚度楔形变化等几个不同类型的地质模 613物探化探计算技术28卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 煤层厚度预测系统流程图 Fig . 3 The flow chart of the coal2layer thickness prediction system 型做近似计算。图4 a是煤层厚度楔形变化的模 型,模型中的相关参数为 第一层介质地震波传播速度v1 1 800 m /s, 介质密度ro1 116 g/cm 3。 第二层介质地震波传播速度v2 3 000 m /s, 介质密度ro2 215 g/cm 3。 第三层介质地震波传播速度v3 5 000 m /s, 介质密度ro3 310 g/cm 3。 目的层围岩地震波传播速度v4 3 600 m /s, 介质密度ro4 216 g/cm 3。 目的层埋深为717 m～791 m,地震波传播速 度v5 2 500 m /s,介质密度ro5 114 g/cm 3。 其中,目的层在1道 ～150道厚度为1315 m 不变,在151道 ～500道厚度线性减小,由1315 m 减少为015 m。图4 b是模型的时间剖面目的 层同相轴在490 ms～520 ms之间,图 4 b 中下部 为同相轴。计算中,目的层时窗长度视煤层反射 波的情况而定。 根据前述钻孔约束频域定量预测法原理,采用 相应的算法,结合目的层追踪、 时窗自动拾取、 人机 联做等手段,用自己编制的程序对以上模型进行计 算,得到以下几点影响煤层厚度的因素 1无论夹矸分多少层或在什么位置,对煤厚 计算影响很小,可以忽略,仅与夹矸总厚度有关。 而当夹矸总厚在2m以下时,对煤厚计算没有太大 影响。 2当顶底板岩石物性不对称时,定量预测的 煤厚与对称的情况基本一致。 3积分区间的选择对预测结果有一定的影 响,根据煤层反射波频谱分析,最佳积分区间为 25 Hz～50 Hz时效果最佳。 图4 煤层厚度示意图和模型时间示意图 Fig . 4 Model of coal2layer thickness prediction a and Time profile ofmodel b 根据以上结论,对模型计算结果统计部分数字 对照见表1所示。 表1 模型计算结果m Tab. 1 The calculated results of the modelsm 真厚度1. 062. 844. 66 6. 488. 3 10. 3812. 72 预测值1. 022. 665. 04 6. 80 8. 43 10. 9812. 20 Δd- 0. 04- 0. 18 0. 38 0. 32 0. 13 0. 60- 0. 52 误差- 3. 77- 6. 34 8. 15 4. 94 1. 57 5. 78- 4. 09 4 实际应用 用以上程序对山东济宁某采区进行实际资料 的处理。在钻孔约束下,对三维地震数据体进行计 算。本采区共有钻孔18个,其中在研究区内可以 利用的钻孔共13个。对可采3下煤层预测,总面 积317 km 2 ,得到的煤层厚度等值线图如下页图5 所示。 钻孔资料与预测结果误差统计如表2所示。 表2 实际计算误差统计表 Tab. 2 Error statistics of practical calculation 误差,m频度占总数的百分数 0. 3423. 5 由表2可见,这种方法预测效果与实际较吻 合,可以达到较高的精度。 7134期崔辉霞等定量预测煤厚方法研究、 影响因素分析及应用 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图5 某采区预测煤层厚度等值线图 Fig . 5 The isoline chart of coal - layer thickness prediction 5 结论 本文中采用钻孔约束频域定量预测煤厚,提取 了时域、 频域等参数,在理论阐述、 模型计算、 分析 影响煤厚因素的基础上,将该方法应用到实际中, 尝试解决我国当前煤矿生产中遇到的煤厚预测误 差过大的问题,经验证得到较好的预测效果。准确 地预测煤矿的厚度变化对开采过程中的开采方法、 巷道布局的合理化有很大的指导作用,能从中获得 巨大的经济效益,有重要的实际意义。该方法精度 高,实现简单,约束条件少,因此在实际中能够得到 更广泛的应用。 参考文献 [1] 仲其涛.煤层厚度反演方法研究与应用[D ].徐州中 国矿业大学, 2001. [2] 唐文榜.地震反射波中薄层分辨能力的研究[J ].地 球物理学报, 1987, 306 641. [3] 戚敬华.地震反射波检测煤层厚度的直接反演方法 [J ].煤田地质与勘探, 1996, 3 42. [4] W I DESS,M. B. How thin is a thin bed[J ]. Geophysics, 1973, 38 1176. [5] 刘天放,陈斌,付金生.地震反演煤层厚度的谱矩法 及其应用.煤田地球物理岩性勘探文集[C]. 19961 [6] 刘建华,刘天放,李德春.薄层厚度定量解释研究 [J ].物探与化探, 1997, 211 2 作者简介崔辉霞1980 - ,女,汉族,河北栾城 人, 2003年毕业于中国矿业大学资源学院物探专 业,现为中国矿业大学资源学院物探专业在读硕士 研究生,研究方向为地震勘探信息处理。 813物探化探计算技术28卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. results proves that the s can be rightly, high efficiency and directly testy the wave propagation reg2 ulation in the ORA media. Key words ORA media; hartley trans; numeri2 calmodeling, seis mic wave propagation M ETODOLOGY AND ANALYSIS OF 3D P - WAVE SEISM IC EXPLORATI ON DESIGN FOR DETECTING RESERVO IR FRACTURES L I Zhong, L I ANGBo, HE Zhen2hua, et al . Cheng2 du University of Tecnology, Chengdu 610059, Chi2 na.COM PUTING TECHN IQUES FOR GEOPHYSI2 CAL AND GEOCHEM ICALEXPLORATION,2006, 28 4 305 Theory and real data show that vertically aligned fractures can induce azimuthal anisotropy .3D P - wave seismic exploration is an effective and economic for detecting fractures . Appropriate 3D survey is helpful to extract and strengthen effective attributes from 3D seis mic data to delineate azi muthal anisotro2 py,then to detect and predict reservoir fractures . This paper outlines the common technologies for frac2 ture - detectingwith P - wave, summarize some basic principles for designing 3DP - wave exploration which may be the references for designing project to detect reservoir fracture. Key words fracture; azimuthal anisotropy; 3D P - wave; exploration design THE COM PARISON OF SEVERAL STATICπS CORRECTI ONM ETHODS HE Guang2ming, HE Zhen2hua, HUANG De2ji, et al . Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China.COM PUTING TECHN IQUES FOR GEOPHYSICALANDGEOCHEM ICALEXPLORA2 TION, 2006, 28 4 310 There are variouss to dealwith the statics correction problem in the complicated region and seis2 mic data processors are often puzzled.This paper re2 search the three representative statics correction meth2 ods Refraction statics correction,Tomo - Statics without ray tracing, nonlinear Tomo - Statics from the points of principle、characteristics、practical effects .Finally, the paper proposes some suggestions to help the seismic data processor to choose reasona2 ble approach to complete seismic processing effica2 ciously and to improve the processing quality . Key words refraction; ray tracing; nonlinear tomo2 graphy; statics correction STUDYONQUANTITATIVEPRED ICTI ON M ETHOD OF COAL - LAYER THICKNESS AND AFFECTED FACTORS ANALYSIS AND ITS APPL ICATI ON CU I Hui2xia,YANG Wen2qiang,ZHAO Mu2hua China University ofMining and Technology, Xuzhou 221008, China.COM PUTING TECHN IQUES FOR GEOPHYSICALANDGEOCHEM ICALEXPLORA2 TION, 2006, 28 4 315 The traditional of coal - layer thickness prediction is to interpolate and contrast between the boreholes, of which precision is very low and thus many new s are proposed for practical applica2 tions .In this paper, started with the thin - layer the2 ory, these s are uated,then quantitative prediction in frequency domain restricted by borehole amplitude - moment is adopted and relevantprogram is compiled to predict the coal - layer thickness quantitatively, and those factors that affected the coal - layer thickness are analyzed. W ith application of theoreticalmodels and practical data, it is proved that this is high - precision and a2 chieve a satisfactory result . Key words thin2layer; frequency domain; coal2lay2 er thickness; quantitative prediction L ITHOLOGIC RECOGNITI ON W ITH FUZZY CLUSTERING XU Hai2bo, L IRui, ZOU Wei, et al .State Labora2 tory of Oil and Gas Reservoir Geology and Explora2 tion, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, ChinaCOM PUTING TECHN IQUES FOR GEOPHYSICALANDGEOCHEM ICALEXPLORA2 TION, 2006, 28 4 319 Using gamma ray log, neutron log, density log and sonic log, with the algorithm of fuzzy clustering, we can realize lithology recognition.This is reliable and accurate. By the application of the meth2 od in eighteen wells in the western depression of Si2 chuan basin, it achieves good effect in the recognition of low permeability and low porosity tight clast of the western depression of Sichuan basin. Keywordfuzzy clustering;lithology recognition; pattern recognition;tight clast;the western depres2 sion of Sichuan basin STUDYONSOM EPROBLEM SUPON3D MODEL ING OF DC BOREHOLE - GROUND M ETHOD 2ABSTRACTS Vol . 28 No. 4 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.