不同厚度煤層AVO特征分析?

滑玉琎董守華程 彥劉 黎劉 玉吳海波

(1.云南航天工程物探檢測股份有限公司,云南省昆明市,650217; 2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇省徐州市,221116; 3.中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院,河北省涿州市,072750; 4.長江大學地球物理與石油資源學院,湖北省武漢市,430100; 5.武漢市工程科學技術研究院地球物理與空間信息技術研究室,湖北省武漢市,430019)

不同厚度煤層AVO特征分析?

滑玉琎1董守華2程 彥3劉 黎4劉 玉5吳海波2

(1.云南航天工程物探檢測股份有限公司,云南省昆明市,650217; 2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇省徐州市,221116; 3.中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院,河北省涿州市,072750; 4.長江大學地球物理與石油資源學院,湖北省武漢市,430100; 5.武漢市工程科學技術研究院地球物理與空間信息技術研究室,湖北省武漢市,430019)

我國煤田的煤層厚度大都在2～10 m之間,用地震波的波長來衡量屬于薄層。煤層厚度變化對振幅的影響很大,是AVO技術應用的一大障礙。介紹了利用射線追蹤法對不同厚度煤層進行AVO正演模擬,分析了AVO特征曲線的截距P值和梯度G值隨煤層厚度變化的規律,并且討論了利用AVO特性預測煤層厚度的方法。

煤層厚度 預測 AVO技術 射線追蹤 正演

AVO(Amplitude Versus Offset)技術最早應用于石油地震勘探,是檢測油氣的重要手段。AVO技術利用地震疊前CDP道集分析反射振幅隨偏移距(或入射角)的變化規律,研究反射界面上覆介質和下伏介質的巖性特征和物性參數,達到利用地震波反射振幅信息預測油氣的目的。近年來,AVO技術在煤田勘探中也得到了廣泛應用。

AVO技術的核心理論是Zoeppritz方程,但Zoeppritz方程反映的是單層反射界面上地震波振幅隨偏移距的變化。煤層厚度大都在2～10 m之間,用地震波的波長來衡量屬于薄層,薄層的地震響應并不是單一界面產生,而是薄層頂、底反射界面反射波以及層間多次波的疊加復合。因此在對煤層進行勘探時必須考慮薄層對地震波響應的影響。如果要在煤田勘探中運用AVO技術對煤層進行評價,就必須考慮薄層調諧效應這一問題。

目前,煤田地球物理測井是煤田勘探中確定煤層厚度的主要手段,但鉆孔費用高昂,無法滿足實際需要。本文利用射線追蹤法分析了煤層厚度與AVO響應之間的關系,在此基礎上提出了一種利用AVO特征來定量預測煤層厚度的方法,并在實際應用中取得了較好的效果。

1 射線追蹤法原理

利用射線追蹤法進行正演,單層反射界面的反射系數通過Snell定律和Zoeppritz方程得到。在各向同性介質中,入射波、反射波和透射波的關系見圖1,反射縱波、反射橫波、透射縱波、透射橫波服從Snell定律:

圖1 入射波、反射波和透射波的關系

式中:θ1——P波入射角;

θ2——P波透射角;

φ1——S波反射角;

φ2——S波透射角;

υP1——上半空間介質P波速度;

υP2——下半空間介質P波速度;

υS1——上半空間介質S波速度;

υS2——下半空間介質S波速度。

Zoeppritz在彈性波動力學的假設基礎上,經過嚴密的數學物理推導,得到了能夠計算反射系數和透射系數的方程,即Zoeppritz方程:

式中:RPP——P波反射系數;

RPS——S波反射系數;

TPP——P波透射系數;

TPS——S波透射系數;

ρ1——反射界面上部介質密度;

ρ2——反射界面下部介質密度。

由式(1)和式(2)可以得到煤層頂、底板不同入射角的縱波反射系數RPP,然后經過和子波進行褶積運算得到合成地震記錄。

2 正演模擬分析

2.1 煤層調諧效應

為了對煤層的薄層調諧效應有一個直觀的認識,設計了楔形地質模型,如圖2所示。模型物性參數見表1。

圖2 楔形地質模型

表1 楔形地質模型參數

正演模擬所用子波為峰值頻率?p為60 Hz的零相位Ricker子波,由于零相位Ricker子波的主頻?b與峰值頻率?p的關系為?p≈0.77?b,所以子波的主頻?b約為78 Hz。在這種情況下,子波波長λ＝30.1 m,λ/4為7.5 m。在不考慮多次波的情況下,利用射線追蹤法,采用自激自收的方式,正演得到合成地震記錄,如圖3所示。

圖3 合成地震記錄

煤層頂板縱波反射振幅(絕對值)隨煤層厚度的變化情況見圖4,可以看到薄層調諧作用的規律:在(0,λ/4)范圍內,反射振幅近似線性增加,并在λ/4處達到最大值;在(λ/4,λ/2)范圍內,振幅由最大值緩慢減小,最后趨于一個穩定的值,這個值是單層反射的振幅值;在(λ/2,∞)范圍內,振幅值基本不變。

圖4 振幅隨厚度變化曲線

2.2 不同厚度煤層AVO分析

利用楔形地質模型在零偏移距(或零入射角)情況下得到的反射振幅隨煤層厚度變化曲線,揭示了薄層調諧作用對反射振幅的影響。而AVO技術描述的是在相同煤層厚度下,不同偏移距(或入射角)的振幅變化情況,為此設計了上層為泥巖、中層為煤層、下層為泥巖的3層水平層狀介質模型,來對不同厚度煤層的AVO特征進行分析。其中,上下層泥巖厚度均為100 m,煤層厚度是變化的,分別為λ/16,λ/8,3λ/16,λ/4,5λ/16,3λ/8, 7λ/16,λ/2以及λ,物性參數見表1。正演模擬所用子波依舊是峰值頻率?p為60 Hz的零相位Ricker子波。

在不考慮多次波的情況下,利用射線追蹤法,對不同厚度煤層進行AVO正演模擬。對于同一厚度煤層,通過入射角的變化正演得到AVO道集,從AVO道集中提取最大反射振幅生成AVO特征曲線,根據9種不同煤層厚度共生成9條特征曲線,如圖5所示。

圖5 不同厚度煤層AVO響應特征

Zoeppritz方程的解非常復雜,并且難以給出清楚的物理概念,因此,人們提出了不同形式的近似方程,使其更加容易理解,有較明顯的物理意義。這些近似方程也就成為當前AVO分析的基礎表達式。目前,在AVO分析中常用的是Shuey (1985)近似方程:

式中:A——縱波反射系數;

P——截距(垂直入射時的縱波反射系數);

G——梯度或斜率(與巖石縱、橫波速度和密度有關);

θ——入射角。

利用Shuey近似方程來描述不同厚度煤層的AVO特征。式(3)中P值表示垂直入射時縱波的反射系數,在圖5中對應0°入射角的振幅值。由圖5可以看到煤層厚度為λ/16時P值最小,然后隨著煤層厚度的增加,P值增大,當煤層厚度為λ/4時P值最大,隨后P值隨著煤層厚度的增大而減小,在煤層厚度大于λ/2時P值趨于穩定,這個結論符合圖4中的曲線特征;至于G值,圖5表現不明顯。為了能夠更直觀地觀察P值變化規律以及描述G值變化規律,利用圖5中的曲線,擬合得到不同厚度煤層P值和G值,取其絕對值,并在同一坐標系內單獨成圖,如圖6所示。由圖6可以看到|P|值和|G|值變化曲線與圖4中反射振幅隨厚度變化曲線的趨勢基本相同。在(0,λ/4)范圍內,|P|值開始近似線性快速變大,但在厚度接近λ/4時,P值增速變小,并在λ/4處達到最大值,同時|G|值以相同趨勢變大,在λ/4處同樣達到最大值;在(λ/4,λ/2)范圍內,|P|值逐漸變小,|G|值先是逐漸變小,從7λ/16處開始略微變大;在(λ/2,λ)范圍內,|P|值和|G|值基本上沒有變化。

圖6 不同厚度煤層|P|值和|G|值變化曲線

再用|P|－|G|交匯圖表示|P|值和|G|值隨煤層厚度的變化規律,如圖7所示:在(0,3λ/16)范圍內,|P|－|G|曲線近似直線變化;在(3λ/16,λ)范圍內,|P|－|G|曲線近似為橢圓形的一部分。相比于圖5和圖6,圖7對煤層厚度的分辨能力大大提高。

圖7 不同厚度煤層|P|－|G|交匯圖

由于|P|值和|G|值具有特殊的變化特征,因此可以根據這個特點判斷煤層厚度。這里給出兩種方法:

(1)在有鉆孔的情況下,依據鉆孔巖心得到煤和地層的物性參數,然后建立模型正演模擬AVO特性,繪出|P|－|G|交匯圖,并以此為量板,對比由實際地震資料得到的|P|值和|G|值,最終定量確定煤層厚度。

(2)在沒有鉆孔的情況下,通過若干個相鄰面元的|P|值和|G|值變化趨勢,判斷不同面元煤層的相對厚度變化;需要注意的是采用該方法有個前提,即煤層的彈性參數在相鄰面元范圍內變化很小或者不變。通常情況下,兩種方法結合使用效果會更好。

利用AVO特征來判斷煤層厚度與傳統振幅法的不同之處在于AVO特性通過統計擬合得到,減小了個別不正常振幅對結果的影響。

3 應用實例

利用上文提出的第一種方法來預測淮北礦業(集團)公司孫疃煤礦首采區7＃煤層厚度。該區鉆孔較多,有利于驗證預測結果。

3.1 數據提取

該區三維地震觀測系統為8線8炮束狀觀測系統,24次疊加,CDP網格為10 m×10 m。由于束狀觀測系統存在偏移距分布不均勻的問題,所以為了保證有足夠多的偏移距分布,需要建立宏面元。宏面元是指由鄰近多個CDP面元組成的一個較大面元,是AVO分析的最小單位,本文建立30 m ×30 m宏面元。

以宏面元為最小單位,利用疊前地震資料提取AVO道集。由于煤層埋深不同,相同偏移距對應的入射角不相同,所以需要把偏移距轉化為入射角。由偏移距確定入射角,一般根據目的層的深度與偏移距用直線法估算,即

式中:L——偏移距;

Z——目的層深度。

最后,以宏面元為單位,將AVO道集中目的層的最大反射振幅和對應的入射角提取出來,為接下來的數據處理做準備。

3.2 數據處理及厚度預測

一個宏面元內同一入射角如果具有多個反射振幅值,那么取其平均值,然后以入射角為橫軸,振幅值為縱軸,將入射角對應的振幅值顯示在圖上,并通過擬合得到AVO特征曲線,提取各個宏面元的|P|值和|G|值。

利用地震子波、鉆孔提供的煤層及其上下巖層物性參數,通過第二節的方法正演得到不同厚度煤層的|P|－|G|交匯圖。

以|P|－|G|交匯圖作為量板,將各個宏面元的|P|值和|G|值與量板對比以確定煤層厚度。將預測的煤層厚度與鉆孔顯示的煤層厚度作對比,如表2所示。通過誤差分析認為在煤層厚度小于1 m時,由于煤層反射振幅較弱,地震波中的干擾成分對其影響較大,預測誤差較高;煤層厚度大于1 m時,煤層反射振幅較強,預測誤差較小。總體來說,采用此方法預測煤層厚度準確率較高。

表2 預測結果與鉆孔驗證情況

圖8為總體的煤層厚度預測效果。圖中顯示了煤層厚度的變化情況以及鉆孔位置。煤層厚度變化范圍為0～3.5 m,顏色從淺到深代表煤層厚度從薄到厚。

圖8 煤層厚度預測

4 結論

(1)煤層的厚度變化對AVO特性影響很大,在煤層彈性參數不變的情況下,AVO特性曲線的截距P和梯度G都有顯著的改變,并且這種變化與單純的振幅隨厚度變化的趨勢基本相同。

(2)通過觀察分析不同厚度煤層對AVO特性的影響,利用不同厚度煤層的AVO響應特征來預測煤層厚度。通過實際應用發現,利用AVO特征預測煤層厚度具有較高準確率。

(3)正演模擬沒有考慮多次波的影響,在以后的研究工作中需要進一步改進。

(4)研究了單層煤層的AVO響應情況,但我國的煤層分布經常以薄互層的形式出現,所以需要進一步討論薄互層煤層的AVO響應特征。

[1] 湯紅偉.地震勘探技術在煤層氣富集區預測中的探索性研究[J].中國煤炭,2012(2)

[2] 趙偉,陳小宏,李景葉.薄互層調諧效應對AVO的影響[J].石油物探,2006(6)

[3] 張愛敏,汪洋,趙世尊.不同厚度煤層AVO特征及模型研究[J].中國礦業大學學報,1997(3)

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[5] Fred J.Hilterman.地震振幅解釋[M].北京.石油工業出版社,2006

[6] 云美厚,丁偉.地震子波頻率淺析[J].石油物探, 2005(6)

[7] 崔大尉,王遠,于景邨.利用AVO屬性研究構造煤的分布規律[J].煤炭學報,2013(10)

(責任編輯 張毅玲)

2014年全國煤及褐煤進口量為29122萬t

據海關總署統計,2014年12月份,全國煤及褐煤進口量為2722萬t;2014年1～12月份,全國煤及褐煤進口量為29122萬t,同比減少3580萬t、下降10.9%。

2014年12月份,全國煤及褐煤出口量為43萬t;2014年1～12月份,全國煤及褐煤出口量為574萬t,同比減少177萬t、下降23.6%。2014年12月份,全國焦炭及半焦炭出口量為102萬t; 2014年1～12月份,全國焦炭及半焦炭出口量為851萬t,同比增加384萬t、增長82.2%。

Analysis on the AVO characteristics of coal seam with different thickness

Hua Yujin1,Dong Shouhua2,Cheng Yan3,Liu Li4,Liu Yu5,Wu Haibo2
(1.Yunnan Aerospace Engineering Geophysical Detecting Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650217,China; 2.School of Resources and Geosciences,China University of Minning and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.Research Institute of Coal Geophysical Exploration,China National Administration of Coal Geology, Zhuozhou,Hebei 072750,China; 4.Geophysics and Oil Resource Institute,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China; 5.Geophysics and Space Information Technology Research Room,Wuhan Engineering Science and Technology Institute,Wuhan,Hubei 430019,China)

The thickness of coalfield in China is usually between 2～10 m,which belongs to thin layer measured by seismic wave length.The variation in thickness of coal seam has great influence on amplitude,which is a major obstacle to the application of AVO technology.This research conducted the AVO forward modeling for coal seam with different thickness by the ray tracing method,and analyzed the variety law on the intercept P and gradient G of the AVO characteristic curve with the variation of coal seam thickness,and discussed the method to predict the coal seam thickness with AVO characteristics.

coal seam thickness,prediction,AVO technology,ray tracing,forward modeling

P631

A

滑玉琎(1986－),男,碩士,河南偃師人,主要從事煤田地震勘探和工程物探研究。

中國博士后科學基金(2014M551703),江蘇省自然科學基金(BK20130201)