复杂断层模型约束反演判识煤层横向变化规律

邓丹敏，裴跟弟，单 蕊

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

复杂断层模型约束反演判识煤层横向变化规律

邓丹敏，裴跟弟，单 蕊

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

在断层发育地区建模，若仅利用层位信息，而不考虑断层的影响，其地震约束反演将难以取得令人满意的效果，在地质建模时，利用断层信息建立断层模型，并在其约束下进行稀疏脉冲反演，能够较好的识别煤层结构。以某矿区二维地震为例，选取具有复杂断层关系的地质剖面，结合测井资料，从地质层位的标定、断层地质构造框架模型的建立、波阻抗反演的精细质量控制等方面出发，得出断层约束稀疏脉冲反演的地质剖面。反演结果表明，断层模型约束反演能有效判别煤层在横向上由厚渐薄、尖灭缺失等变化情况。

地震反演；断层模型；稀疏脉冲反演；地质构造框架模型

0 引言

地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段。它利用测井、地质资料提供的层位、构造、岩性等信息，从常规地震剖面推导出地层的波阻抗、密度、速度、孔隙度等信息[1]。将高纵向分辨率的测井资料与连续观测的大面积地震资料相结合，再联系其他先验信息进行综合反演，可显著提高地质异常体的识别能力。地震约束反演在煤层厚度解释及横向变化预测等问题上具有独特优势[2]。约束稀疏脉冲波阻抗反演是地震约束反演中的一种关键方法，能够完整保留反射波的基本特征，准确反映断层分布、产状变化等，改善地震记录频带窄的问题，反演质量高，多解性问题较弱[3]。

建立准确的地质构造框架模型是进行约束稀疏脉冲反演的基础。一般反演时，会简化地层构造的框架，在断点处做简单的拉平处理，也就是建模时只利用层位信息，而忽略断层。在复杂断层发育地区，这种处理方式会使反演结果与实际煤层分布出现较大差距[4-5]。精确分析断层与层位、断层与断层之间的关系，利用断层模型约束进行反演，可以更真实地反映地质构造情况，提高反演质量。本文针对某矿区地震勘探资料，选取具有复杂断层关系的二维剖面进行约束反演，识别出目的煤层在空间上的变化。

1 基本原理

稀疏脉冲反演是根据已知的地震数据和速度(或密度等)信息，通过最大似然反褶积求出稀疏分布的反射系数序列，通过最大似然反演推导出波阻抗，再进行道合并，得出反演结果。基本流程如下：

图1 稀疏脉冲反演流程图Figure 1 Sparse-spike inversion flow chart

①最大似然反褶积。假设地层反射系数是稀疏序列，并由地层较大的反射界面的反射系数序列和高斯背景的小反射系数序列叠加而成，在此基础上构造出一个目标函数，寻找目标函数的最小值：

-2mln(λ)-2(L-m)ln(1-λ)

(1)

其中，L为采样点总数，r(K)为第K个采样点的反射系数，R为地层反射系数，n(K)为第K个采样点的噪声值，N为噪声序列，m为地层反射界面总个数，为反射系数的似然值。由此获得稀疏特性的地层反射系数序列。

②最大似然反演。得出反射系数序列后，再采用最大似然反演推导出波阻抗值：

(2)

Z(i)为求出的地层波阻抗值，r(i)为反射系数序列。

③道合并。处理后的地震资料部分有效低频成分会减弱，而有效低频信息是反映真实地层结构的重要指标，直接影响反演质量。所以，一个全频带的绝对波阻抗数据体是由低频信息模型与约束稀疏脉冲反演进行道合并后得到的。

建立精确的地质框架模型是提取低频阻抗体的前提，也是确定各储层空间变化规律的基础。采用断层约束建模，比常规的层位建模程序复杂，因为要对断层与层位、断层与断层之间的交切关系进行精细分析，并于地层描述表中编辑清楚，准确显示出来，尤其在复杂断层区域，比较耗时。建立好了框架模型，才能进行后续的反演工作。

2 层位标定

该测区位于华北板块东南一凹陷之中，区内总体形态为一轴向北东、向西南仰起的向斜构造，其东翼与西翼分别被边缘的一系列断层切割。次级褶曲较为发育，断层交切关系复杂。含煤地层为白垩系下统巴彦花组，含可采煤层7层，主采煤层两层为32、72煤，也为主要反演煤层。

层位标定是煤层解释中的基础环节。选取声波或者密度测井，先对测井曲线进行环境校正和归一化处理，使同一段地层在各测井曲线上响应一致；对于测井曲线中一些不合理的野值将其编辑掉。再将曲线数据导入Jason软件，制作合成地震记录。

依次加载井曲线、井旁道数据和解释层位，计算波阻抗，并做深时转换，然后根据井分层与层位做初步调整。计算理论雷克子波，合成初步的合成记录。将合成记录与井旁地震道资料进行波组对比，不断调整曲线的时深关系，估算地震子波。可以对每口测井分别提取相应的井旁地震子波，采取这些子波的平均作为全区统一子波；也可以先选取质量较好的子波来制作新测井的合成记录，反复进行调整，最终得到比较精确的反演子波(波形、相位稳定，与地震资料振幅相关性好)和高精度的合成地震记录，标定好各反射波的地质层位[6]。如图2所示，从左至右依次为地震子波、井旁道数据、合成记录与标定的测井曲线。

3 断层模型约束反演

图3是一条解释好层位与断层的二维连井测线剖面，断层分布密集，正逆断层交错，切割关系复杂(尤其左部)。对该剖面进行断层约束反演，识别煤层及横向变化趋势。

3.1 建模

将地震解释的层位与断层文件进行检查，不合理的部分进行修正。虽然测井曲线垂向分辨率较高，但因测距较大，很难在横向上准确反映地质层位关系。因此在目的层段依照测井曲线的变化趋势合理增加一些约束层位来加以控制，其反演结果会更接近实际[7]。将层位、断层文件作为输入，再选取标定好层位的测井曲线，反复进行试验，建立一个合理的地层描述表。在考虑断层的情况下，可以加上虚拟的顶层(top)与底层(bot)来界定深度范围。确定各层位与断层、断层与断层之间的交切关系，尤其在断层分布复杂的区域要精细分析处理，使上、下盘的切割关系符合实际[8-9]。编制地层描述表时，由下到上依次选择，先是断层下盘， 然后是断层本身，最后是断层上盘。以此关系类推，直至全部的反演断层与层位等都加载完毕。再选择合适的插值算法进行插值，并指定层位与断层的空间趋势面，引导未解释部分依据趋势面内插或者外推。图4为本测区的地质构造框架模型。

图2 反演子波与合成地震记录Figure 2 Inversion wavelet and synthetic seismogram

图3 测区某二维测线地震时间剖面Figure 3 A 2D line seismic time section in prospecting area

图4 断层约束的构造框架图Figure 4 Fault constrained structural framework

图5 无断层约束的构造框架图Figure 5 Structural framework without fault constrained

图6 低频阻抗体剖面Figure 6 Low frequency impedance body section

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

一般反演处理建模时只利用层位，不考虑断层。在此复杂断层发育地区，尤其有逆断层存在的情况下，若不考虑断层约束，如图5所示，断层f-np、F25、BF35、F51、F120、DF16、DF17位置及周边层位会出现弯折错乱，建模结果极不准确。所以利用断层模型建模对于反映复杂断层地区的真实地质情况很有必要。

提取的低频阻抗体如图6，由此可以看出，利用内插得到的测井曲线数据体其空间分布较为合理，符合地质沉积规律。

3.2 反演参数控制

约束稀疏脉冲反演算法上遵循以下原则：

min(∑ri+λ×(di-si))

(3)

其中，ri为反射系数，di为地震数据，si为合成记录数据，di-si为残差。λ是控制参数。λ小，则反射系数之和较小，稀疏性大，反演剖面细节弱，分辨率低，残差大；λ大，则反射系数之和大，稀疏性差，细节强，分辨率高，地震残差小。调整该参数，使得反演剖面既能保持细节又不损失低频背景[10]。综合分析质量监控图中信噪比、波阻抗相关性、测井规范化标准偏差、稀疏脉冲数和拟合差五个指标随控制参数的变化，选择出适当的 值开始反演，输出生成的结果，即波阻抗反演数据体，如图7。

3.3 效果分析

由图5可见，煤层与断层构造清楚直观，正、逆断层位置对应准确。各波阻抗值差异明显，煤层为红色低波阻抗带，围岩(砂岩等)较高。能清楚识别煤层在横向上由厚渐薄、尖灭缺失等变化趋势。与实际钻井资料对比，其结果吻合较好。

4 结论

对于复杂断层发育地区，利用断层模型进行建模，并结合测井资料与精细质量控制，进行断层约束稀疏脉冲反演。其中，建立出精细的地质构造模型对于断层模型约束的地震反演至关重要。相较普通时间剖面，能更精确地解释与识别煤层厚度并追踪其横向变化，实际应用效果显著。

[1]曾忠玉.地震反演技术[EB/OL].http://www.docin.com/p-131769783.html.

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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

邓丹敏(1988—)，女，助理工程师，硕士，目前从事地震勘探资料解释与反演工作。

2017-05-20

孙常长