鄧丹敏，裴跟弟，單 蕊

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

復(fù)雜斷層模型約束反演判識(shí)煤層橫向變化規(guī)律

鄧丹敏，裴跟弟，單 蕊

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

在斷層發(fā)育地區(qū)建模，若僅利用層位信息，而不考慮斷層的影響，其地震約束反演將難以取得令人滿(mǎn)意的效果，在地質(zhì)建模時(shí)，利用斷層信息建立斷層模型，并在其約束下進(jìn)行稀疏脈沖反演，能夠較好的識(shí)別煤層結(jié)構(gòu)。以某礦區(qū)二維地震為例，選取具有復(fù)雜斷層關(guān)系的地質(zhì)剖面，結(jié)合測(cè)井資料，從地質(zhì)層位的標(biāo)定、斷層地質(zhì)構(gòu)造框架模型的建立、波阻抗反演的精細(xì)質(zhì)量控制等方面出發(fā)，得出斷層約束稀疏脈沖反演的地質(zhì)剖面。反演結(jié)果表明，斷層模型約束反演能有效判別煤層在橫向上由厚漸薄、尖滅缺失等變化情況。

地震反演；斷層模型；稀疏脈沖反演；地質(zhì)構(gòu)造框架模型

0 引言

地震反演技術(shù)是巖性地震勘探的重要手段。它利用測(cè)井、地質(zhì)資料提供的層位、構(gòu)造、巖性等信息，從常規(guī)地震剖面推導(dǎo)出地層的波阻抗、密度、速度、孔隙度等信息[1]。將高縱向分辨率的測(cè)井資料與連續(xù)觀測(cè)的大面積地震資料相結(jié)合，再聯(lián)系其他先驗(yàn)信息進(jìn)行綜合反演，可顯著提高地質(zhì)異常體的識(shí)別能力。地震約束反演在煤層厚度解釋及橫向變化預(yù)測(cè)等問(wèn)題上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]。約束稀疏脈沖波阻抗反演是地震約束反演中的一種關(guān)鍵方法，能夠完整保留反射波的基本特征，準(zhǔn)確反映斷層分布、產(chǎn)狀變化等，改善地震記錄頻帶窄的問(wèn)題，反演質(zhì)量高，多解性問(wèn)題較弱[3]。

建立準(zhǔn)確的地質(zhì)構(gòu)造框架模型是進(jìn)行約束稀疏脈沖反演的基礎(chǔ)。一般反演時(shí)，會(huì)簡(jiǎn)化地層構(gòu)造的框架，在斷點(diǎn)處做簡(jiǎn)單的拉平處理，也就是建模時(shí)只利用層位信息，而忽略斷層。在復(fù)雜斷層發(fā)育地區(qū)，這種處理方式會(huì)使反演結(jié)果與實(shí)際煤層分布出現(xiàn)較大差距[4-5]。精確分析斷層與層位、斷層與斷層之間的關(guān)系，利用斷層模型約束進(jìn)行反演，可以更真實(shí)地反映地質(zhì)構(gòu)造情況，提高反演質(zhì)量。本文針對(duì)某礦區(qū)地震勘探資料，選取具有復(fù)雜斷層關(guān)系的二維剖面進(jìn)行約束反演，識(shí)別出目的煤層在空間上的變化。

1 基本原理

稀疏脈沖反演是根據(jù)已知的地震數(shù)據(jù)和速度(或密度等)信息，通過(guò)最大似然反褶積求出稀疏分布的反射系數(shù)序列，通過(guò)最大似然反演推導(dǎo)出波阻抗，再進(jìn)行道合并，得出反演結(jié)果?；玖鞒倘缦拢?/p>

圖1 稀疏脈沖反演流程圖Figure 1 Sparse-spike inversion flow chart

①最大似然反褶積。假設(shè)地層反射系數(shù)是稀疏序列，并由地層較大的反射界面的反射系數(shù)序列和高斯背景的小反射系數(shù)序列疊加而成，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，尋找目標(biāo)函數(shù)的最小值：

-2mln(λ)-2(L-m)ln(1-λ)

(1)

其中，L為采樣點(diǎn)總數(shù)，r(K)為第K個(gè)采樣點(diǎn)的反射系數(shù)，R為地層反射系數(shù)，n(K)為第K個(gè)采樣點(diǎn)的噪聲值，N為噪聲序列，m為地層反射界面總個(gè)數(shù)，為反射系數(shù)的似然值。由此獲得稀疏特性的地層反射系數(shù)序列。

②最大似然反演。得出反射系數(shù)序列后，再采用最大似然反演推導(dǎo)出波阻抗值：

(2)

Z(i)為求出的地層波阻抗值，r(i)為反射系數(shù)序列。

③道合并。處理后的地震資料部分有效低頻成分會(huì)減弱，而有效低頻信息是反映真實(shí)地層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，直接影響反演質(zhì)量。所以，一個(gè)全頻帶的絕對(duì)波阻抗數(shù)據(jù)體是由低頻信息模型與約束稀疏脈沖反演進(jìn)行道合并后得到的。

建立精確的地質(zhì)框架模型是提取低頻阻抗體的前提，也是確定各儲(chǔ)層空間變化規(guī)律的基礎(chǔ)。采用斷層約束建模，比常規(guī)的層位建模程序復(fù)雜，因?yàn)橐獙?duì)斷層與層位、斷層與斷層之間的交切關(guān)系進(jìn)行精細(xì)分析，并于地層描述表中編輯清楚，準(zhǔn)確顯示出來(lái)，尤其在復(fù)雜斷層區(qū)域，比較耗時(shí)。建立好了框架模型，才能進(jìn)行后續(xù)的反演工作。

2 層位標(biāo)定

該測(cè)區(qū)位于華北板塊東南一凹陷之中，區(qū)內(nèi)總體形態(tài)為一軸向北東、向西南仰起的向斜構(gòu)造，其東翼與西翼分別被邊緣的一系列斷層切割。次級(jí)褶曲較為發(fā)育，斷層交切關(guān)系復(fù)雜。含煤地層為白堊系下統(tǒng)巴彥花組，含可采煤層7層，主采煤層兩層為32、72煤，也為主要反演煤層。

層位標(biāo)定是煤層解釋中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。選取聲波或者密度測(cè)井，先對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行環(huán)境校正和歸一化處理，使同一段地層在各測(cè)井曲線上響應(yīng)一致；對(duì)于測(cè)井曲線中一些不合理的野值將其編輯掉。再將曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入Jason軟件，制作合成地震記錄。

依次加載井曲線、井旁道數(shù)據(jù)和解釋層位，計(jì)算波阻抗，并做深時(shí)轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)井分層與層位做初步調(diào)整。計(jì)算理論雷克子波，合成初步的合成記錄。將合成記錄與井旁地震道資料進(jìn)行波組對(duì)比，不斷調(diào)整曲線的時(shí)深關(guān)系，估算地震子波。可以對(duì)每口測(cè)井分別提取相應(yīng)的井旁地震子波，采取這些子波的平均作為全區(qū)統(tǒng)一子波；也可以先選取質(zhì)量較好的子波來(lái)制作新測(cè)井的合成記錄，反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，最終得到比較精確的反演子波(波形、相位穩(wěn)定，與地震資料振幅相關(guān)性好)和高精度的合成地震記錄，標(biāo)定好各反射波的地質(zhì)層位[6]。如圖2所示，從左至右依次為地震子波、井旁道數(shù)據(jù)、合成記錄與標(biāo)定的測(cè)井曲線。

3 斷層模型約束反演

圖3是一條解釋好層位與斷層的二維連井測(cè)線剖面，斷層分布密集，正逆斷層交錯(cuò)，切割關(guān)系復(fù)雜(尤其左部)。對(duì)該剖面進(jìn)行斷層約束反演，識(shí)別煤層及橫向變化趨勢(shì)。

3.1 建模

將地震解釋的層位與斷層文件進(jìn)行檢查，不合理的部分進(jìn)行修正。雖然測(cè)井曲線垂向分辨率較高，但因測(cè)距較大，很難在橫向上準(zhǔn)確反映地質(zhì)層位關(guān)系。因此在目的層段依照測(cè)井曲線的變化趨勢(shì)合理增加一些約束層位來(lái)加以控制，其反演結(jié)果會(huì)更接近實(shí)際[7]。將層位、斷層文件作為輸入，再選取標(biāo)定好層位的測(cè)井曲線，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，建立一個(gè)合理的地層描述表。在考慮斷層的情況下，可以加上虛擬的頂層(top)與底層(bot)來(lái)界定深度范圍。確定各層位與斷層、斷層與斷層之間的交切關(guān)系，尤其在斷層分布復(fù)雜的區(qū)域要精細(xì)分析處理，使上、下盤(pán)的切割關(guān)系符合實(shí)際[8-9]。編制地層描述表時(shí)，由下到上依次選擇，先是斷層下盤(pán)， 然后是斷層本身，最后是斷層上盤(pán)。以此關(guān)系類(lèi)推，直至全部的反演斷層與層位等都加載完畢。再選擇合適的插值算法進(jìn)行插值，并指定層位與斷層的空間趨勢(shì)面，引導(dǎo)未解釋部分依據(jù)趨勢(shì)面內(nèi)插或者外推。圖4為本測(cè)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造框架模型。

圖2 反演子波與合成地震記錄Figure 2 Inversion wavelet and synthetic seismogram

圖3 測(cè)區(qū)某二維測(cè)線地震時(shí)間剖面Figure 3 A 2D line seismic time section in prospecting area

圖4 斷層約束的構(gòu)造框架圖Figure 4 Fault constrained structural framework

圖5 無(wú)斷層約束的構(gòu)造框架圖Figure 5 Structural framework without fault constrained

圖6 低頻阻抗體剖面Figure 6 Low frequency impedance body section

圖7 波阻抗反演剖面Figure 7 Field impedance inversion section

一般反演處理建模時(shí)只利用層位，不考慮斷層。在此復(fù)雜斷層發(fā)育地區(qū)，尤其有逆斷層存在的情況下，若不考慮斷層約束，如圖5所示，斷層f-np、F25、BF35、F51、F120、DF16、DF17位置及周邊層位會(huì)出現(xiàn)彎折錯(cuò)亂，建模結(jié)果極不準(zhǔn)確。所以利用斷層模型建模對(duì)于反映復(fù)雜斷層地區(qū)的真實(shí)地質(zhì)情況很有必要。

提取的低頻阻抗體如圖6，由此可以看出，利用內(nèi)插得到的測(cè)井曲線數(shù)據(jù)體其空間分布較為合理，符合地質(zhì)沉積規(guī)律。

3.2 反演參數(shù)控制

約束稀疏脈沖反演算法上遵循以下原則：

min(∑ri+λ×(di-si))

(3)

其中，ri為反射系數(shù)，di為地震數(shù)據(jù)，si為合成記錄數(shù)據(jù)，di-si為殘差。λ是控制參數(shù)。λ小，則反射系數(shù)之和較小，稀疏性大，反演剖面細(xì)節(jié)弱，分辨率低，殘差大；λ大，則反射系數(shù)之和大，稀疏性差，細(xì)節(jié)強(qiáng)，分辨率高，地震殘差小。調(diào)整該參數(shù)，使得反演剖面既能保持細(xì)節(jié)又不損失低頻背景[10]。綜合分析質(zhì)量監(jiān)控圖中信噪比、波阻抗相關(guān)性、測(cè)井規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)偏差、稀疏脈沖數(shù)和擬合差五個(gè)指標(biāo)隨控制參數(shù)的變化，選擇出適當(dāng)?shù)?值開(kāi)始反演，輸出生成的結(jié)果，即波阻抗反演數(shù)據(jù)體，如圖7。

3.3 效果分析

由圖5可見(jiàn)，煤層與斷層構(gòu)造清楚直觀，正、逆斷層位置對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確。各波阻抗值差異明顯，煤層為紅色低波阻抗帶，圍巖(砂巖等)較高。能清楚識(shí)別煤層在橫向上由厚漸薄、尖滅缺失等變化趨勢(shì)。與實(shí)際鉆井資料對(duì)比，其結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

對(duì)于復(fù)雜斷層發(fā)育地區(qū)，利用斷層模型進(jìn)行建模，并結(jié)合測(cè)井資料與精細(xì)質(zhì)量控制，進(jìn)行斷層約束稀疏脈沖反演。其中，建立出精細(xì)的地質(zhì)構(gòu)造模型對(duì)于斷層模型約束的地震反演至關(guān)重要。相較普通時(shí)間剖面，能更精確地解釋與識(shí)別煤層厚度并追蹤其橫向變化，實(shí)際應(yīng)用效果顯著。

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CoalSeamLateralVariationPatternIdentificationthroughComplexFaultModelConstraintInversion

Deng Dangmin, Pei Gendi and Shan Rui

(Xi'an Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi'an, Shaanxi 710077)

If only using horizon information without considering impact from faults, the modeling in fault developed area, seismic constraint inversion will not achieve satisfactory results. During geological modeling, to use fault information establishes fault model and under its constraining carry out sparse-spike inversion can identify coal seam structures better. Taking a mine area's 2D seismic prospecting as an example, chosen a geological section with complicated fault relations, combined with well logging data, started from aspects of stratigraphic horizon confirmation, fault geological structure framework modeling, field impedance inversion fine quality control etc., acquired geological section of fault constrained sparse-spike inversion. The inversion result has shown that fault model constraint inversion can effectively differentiate coal seam lateral variation status of gradually thinning, pinch out even hiatus.

seismic inversion; fault model; sparse-spike inversion; geological structure framework model

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.15

1674-1803(2017)11-0077-05

A

鄧丹敏(1988—)，女，助理工程師，碩士，目前從事地震勘探資料解釋與反演工作。

2017-05-20

孫常長(zhǎng)