波阻抗反演技术在煤层顶板岩性预测中的应用

汤红伟

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

煤层顶板岩性是影响煤矿安全生产的重要因素，预测煤层顶板的岩性变化趋势对煤矿的安全生产有重大意义。波阻抗反演技术已被广泛应用于煤田地震勘探中，它将纵向分辨率较高的测井资料同横向分辨率较高的地震资料结合，反演出富含地质信息的波阻抗数据体，根据实际需要再对数据体进行地质成果解释。这种方法不但能有效提高小构造的地震勘探精度，而且对目的层的岩性解释也具有重要作用。

1 研究区概况

袁大滩井田位于陕北侏罗纪煤田榆横矿区东北部，井田内地表全部被第四系松散沉积物覆盖，为全新统风积沙、上更新统萨拉乌苏组。根据地质填图及钻孔揭露，地层由老至新依次为：三叠系上统永坪组(T3y)，侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统洛河组(K1l)，第四系中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌苏组(Q3s)及全新统风积沙(Q4eol)。本区煤层发育，尤其以2号煤层厚度最大，2号煤层赋存于延安组第四段顶部，为井田内最厚的主采煤层，埋深179.71～388.72 m，目的层埋深较浅。2号煤层顶部岩性的非均质性非常强，北部的Y1-4井煤层顶板为中粒砂岩，厚度40 m左右，中部的Y2-4井和Y3-4井煤层顶板砂体泥质成分较重，南部的Y4-4井煤层顶板为砂泥岩互层。

2 岩石物理分析

对比录井资料与上述4口井的自然伽玛、自然电位、密度及深侧向电阻率曲线可知，煤层特征表现低自然伽玛、低密度、相对高电阻率；纯泥岩特征表现为电阻率低、低自然伽玛、低密度；细、粉砂岩特征表现为高密度、高自然伽玛、高电阻率；中粗粒砂岩特征表现为高密度、高自然伽玛、高电阻率。

一般地，可利用纵波阻抗进行岩性的弹性参数分析。袁大滩井田不同岩层的纵波阻抗直方图如图1所示。由图1可知，煤层的阻抗最低，集中在2.5×106kg/m3×m/s，粉细砂岩的阻抗最高，为9×106kg/m3×m/s，中粗粒砂岩的阻抗居中，为7×106kg/m3×m/s。煤层、细粉砂岩和中粗粒砂岩存在明显的纵波阻抗差异。

图1 纵波阻抗直方图

图2 纵波阻抗与孔隙度交汇图

利用密度曲线对该区煤层顶板岩性进行孔隙度计算，获得总孔隙度曲线。细粉砂岩由于含有较高的泥质成分，孔隙度较低，为2%～10%，中粒砂岩孔隙度较高，达到10%～25%。孔隙度和纵波阻抗的交汇图如图2所示。由图2可以看出，两者呈较为明显的负相关性，高孔隙度对应低纵波阻抗，低孔隙度对应较高的纵波阻抗。

3 叠后地震反演

约束稀疏脉冲反演是基于稀疏脉冲反褶积的递推反演方法，其基本假设是地层的强反射系数序列是稀疏的，即地层反射系数由一系列叠加于高斯背景上的强轴组成，首先对地震数据进行反褶积运算，获得初始的反射稀疏序列，然后将原始地震和合成记录进行运算，获得残差，然后利用残差进行反褶积运算，获得更加细微的反射系数序列，最后将前期的反射系数序列组合为最终的结果，如图3所示。

3.1 精细的井震标定

在地震反演及储层横向预测中，井震标定是最基础的工作。通过井震标定，首先建立测井曲线的时深关系，同时利用测井曲线的反射系数序列和井旁道，可以提取更加准确的地震子波。由图3可以看出，合成记录和地震资料的相关系数很高，无论是从时间对应关系还是波形的相似程度，都表现出了比较好的吻合特征，表明所选的测井曲线无论是从基值来看还是不同岩性间的相对关系来看，都是较可靠的。

图3 井震标定与子波分析

3.2 建立低频模型

地震数据的频带宽度有限，缺失了超高频和低频的信息。高频信息的缺失影响薄层的识别，而缺失低频信息则给厚层的分辨以及地震资料的定量解释造成困难。约束稀疏脉冲反演能够提高地震数据的带宽，但是，如果没有低频模型进行边界约束，不能生成可信的绝对纵、横波阻抗。低频模型能够提供的有用信息也很大程度上依赖于地震数据的有效低频范围。

通过数据分析可知，探测区地震数据中频率低于10 Hz的信息基本缺失。因此构建的低频模型主要针对反演绝对波阻抗模型中频率为0～10 Hz部分的信息。考虑到鄂尔多斯盆地整体沉积非常稳定，为避免由于多井一致性问题导致的低频误差影响到反演结果的分辨率，选择4口井来建立该区总体的低频模型。具体过程如下：首先根据地震解释层位，按照沉积规律对大层之间建立一些微细小层，然后在这个地层框架的约束下，利用一定的内插方法进行内插和外推，建立一个平滑、闭合的低频模型。用于后续反演所建立的低频模型如图4所示。

图4 反演中使用的低频趋势模型图

3.3 反演的参数控制

疏脉冲反演是对于每一个单道都进行运算，同时保证目标函数最小为约束项。其目标函数如下：

(1)

式中：Fcontrast——稀疏性函数；

Fseismic——和地震的匹配程度函数；

Ftrend——偏移低频趋势的范围；

Fspatial——不同道之间的连续性约束函数。

在该目标函数中，不同的分函数之间可能是矛盾的，例如当要求Fcontrast最小的时候，往往反演结果的合成记录和地震的残差较大；当残差较小，即Fseismic达到最小的时候，反演结果会引入过多的噪音成分,造成Fcontrast较大。因此，进行参数调整的意义在于，通过参数组合测试，获得能够平衡各个分目标函数的参数，最终使得最终目标函数最小。

4 反演结果质控与地质成果解释

4.1 反演结果质控

反演结果的质量控制主要通过正演的合成记录和测井曲线来检验，合成记录与地震叠合显示图如图5所示，图中红色曲线为合成记录，黑色曲线为地震数据。通过反演的波阻抗数据体的正演合成记录和原始的地震道对比可以确定反演的效果。由图5可以看出，两者吻合性较好，说明反演结果遵从于地震数据。

对比反演结果与实际测井曲线的吻合程度也可确定反演的效果。反演的纵波阻抗与测井纵波阻抗叠合显示如图6所示，图中红色曲线为反演结果，蓝色曲线为测井数据。由图6可以看出，反演结果和实际测井数据具有较好一致性，表现出较强的预测性。

图5 合成记录与地震叠合显示图

图6 反演的纵波阻抗与测井纵波阻抗叠合显示

4.2 地质成果解释

对反演的波阻抗结果进行分析，煤层上覆岩性为高阻抗，则表现为低孔隙的泥质较重的细粉砂岩，阻抗稍低的为孔隙较高的中粒砂岩。纵波阻抗和地震叠合剖面图如图7所示。由图7可以看出，1号井处(左侧)为较厚的低阻抗中粒砂岩，地震响应为较弱的两个波峰，2号井(右侧)处为高阻抗的致密含泥砂岩，地震响应为较强的波峰特征。地震特征和反演特征及井上岩性三者相吻合，也说明反演结果具有可靠的预测性。

纵波阻抗平面图如图8所示。由图8可以看出，北部(上部)的阻抗值最低，在2号井(中上部)位置的阻抗值最高，南部两口井的阻抗值居中，和北部的大套中粒砂岩、2号井的致密泥质砂岩以及南部的砂泥岩互层相吻合。同时北部的砂体分布呈河道状分布。

图7 纵波阻抗和地震叠合剖面图

图8 纵波阻抗值平面图

在纵波阻抗的基础上，利用纵波阻抗和孔隙度的相关关系，进行换算，得到孔隙度数据。孔隙度平面图如图9所示。由图9可以看出，北部的高孔中粒砂岩分布范围从西北(左上)到东南(右下)展布。含泥低孔的砂岩分布较为集中在中部，南部(下方)孔隙度居中为砂泥岩互层分布。

图9 孔隙度平面图

5 结语

此次研究中应用的地震数据相对保幅性强，这是能够进行地震预测的关键。同时，前期的岩石物理可行性分析认为纵波阻抗是对研究区煤层顶板岩性响应敏感的属性，因此，利用波阻抗进行煤层顶板岩性分析是有着坚实的岩石物理基础的。然后，利用稀疏脉冲反演方法对关键的影响因素进行了细致的质控分析，如子波提取、井震标定和目标函数参数分析等。获得的纵波阻抗数据和地震以及井上数据具有很好的一致性，奠定了数据的预测性的基础，最终的分析结果具有很好的应用前景。该研究方法在后续的煤层顶板的岩性识别中具有一定的借鉴意义。