寺家莊礦煤層頂板巖性有色反演預測

馮凱宇， 曹志勇， 張新軍

(太原理工大學礦業工程學院,太原030022)

在煤層氣勘探過程中,由于煤層氣屬于“自生自儲”氣藏,煤層的頂板巖性直接影響著煤層氣的儲集能力。當煤層頂板為砂巖時,由于砂巖相對孔隙度較大,煤層氣會發生滲流和擴散,不利于煤層氣的保存；當煤層頂板為泥巖時,由于泥巖相對孔隙度小,封蓋能力強,有利于煤層氣的保存[1]。因此如何有效地開展煤層頂板巖性解釋工作,對煤層氣的勘探與開發具有重要意義。

目前,煤層頂板巖性預測的主要通過提取地震屬性進行預測。其中應用最多的是波阻抗屬性,是通過分析不同頂板巖性與波阻抗之間的關系,利用測井資料進行基于模型的波阻抗反演,預測頂板巖性[2]；此外,有學者通過分析井點處的地層性質與地震屬性(振幅、頻率、相位等)之間的相關性,提取最優地震屬性,以此對煤層頂板巖性進行預測[3-5]。

以上方法在煤層頂板巖性預測方面取得了良好的效果,但是其缺陷是在利用地震資料的同時也需要豐富的測井資料,而對于測井資料缺少地區,難以對煤層頂板巖性進行可靠、精確的預測。常規反演在少井區多用稀疏脈沖反演,多井區用模型反演。稀疏脈沖反演由于受到子波提取難度較大以及子波的時變與空變影響,難以對全區進行精確的儲層預測。傳統的煤層頂板巖性預測多采用基于模型的波阻抗反演的方法,該方法利用了煤層、泥巖、砂巖和灰巖的波阻抗差異特性,以達到巖性預測的目的[6]。基于模型的反演雖然縱向分辨率比較高,但對子波模型具有很強的依賴性,受井的約束程度比較大,因此在少井區進行基于模型反演出的波阻抗難以滿足橫向要求。有色反演是一種特殊的地震反演技術,它是在2000年由Lancaster等[7]在有色濾波方法的基礎上提出的一種將零相位地震數據反演為相對波阻抗的技術。主要方法是通過設計一個算子,對地震道進行-90°相位轉化和頻譜整形,以產生相對波阻抗。近年來,有色反演在國內外儲層研究中的應用越來越多,劉玲等[8]以地震沉積學為指導,應用有色反演技術,定量預測了生物礁灘儲集層的厚度,計算了生物礁灘儲集層厚度；劉力輝等[9]利用了有色反演技術保持幅值的橫向相對變化的特點,有效求取了地震巖性體；李金磊等[10]通過在相控條件下,按巖性進行平均速度充填建模,再與有色反演相結合進行波阻抗反演,實現了低勘探區生屑灘相儲層的高效預測；楊瑞召等[11]通過將約束稀疏脈沖反演與有色反演產生的煤層相對波阻抗體進行對比,認為譜藍化和有色反演能夠有效地輔助薄煤層的精確追蹤及識別。有色反演對測井的依賴度較低,不依賴子波模型,可以在地震帶寬內改善頻譜,消除低頻模型偏差,從而有助于煤系地層的精確追蹤、識別及解釋,提高對煤層頂板巖性的分辨能力。

1 方法原理

1.1 有色反演原理

有色反演是一種相對波阻抗反演方法。首先分析并計算不同測井波阻抗平均頻譜并給出代表此頻譜的擬合光滑曲線,然后分析地震道平均頻譜,設計有色反演算子,使地震道平均頻譜與上述擬合光滑曲線相匹配,最終利用有色反演算子與地震數據進行褶積,將地震數據轉換成相對阻抗體。由于有色反演的反演數據不直接來自于測井數據中的聲阻抗信息,而且在反演時可以消除低頻模型的偏差,具有對測井的依賴度較低以及平面分辨率較高的特點,因此原則上有色反演產生的相對波阻抗的變化對應于巖性的變化,可以用來對地震數據中的煤層頂板巖性分布特征進行預測。其基本原理如下：

地震記錄褶積模型為

s(t)=r(t)*w(t)

(1)

式(1)中,s(t)為地震記錄；r(t)為井的反射系數；欲求得匹配算子w(t),則有：

s(ω)=r(ω)*w(ω)

(2)

式(2)中,s(ω)為地震振幅譜；r(ω)為井的反射系數振幅譜；w(ω)為欲求匹配算子子波振幅譜,兩邊取對數,則有：

ln[s(ω)]=ln[r(ω)*w(ω)]

(3)

ln[s(ω)]=ln[r(ω)]+ln[w(ω)]

(4)

ln[w(ω)]=ln[s(ω)]-ln[r(ω)]

(5)

則:

w(ω)=eln[s(ω)]-ln[r(ω)]

(6)

波阻抗振幅譜為z(ω),則可根據波阻抗與反射系數之間的關系：

(7)

求得反射系數振幅譜r(ω),從而得到匹配算子子波振幅譜w(ω),通過進行反傅里葉變換得到有色反演匹配算子w(t)。

有色反演在算法上屬于頻率域測井約束波阻抗反演方法,反演是通過將地震譜與井的波阻抗譜相匹配來進行的。因此,該方法沒有明顯的子波提取過程,也不需要依賴初始子波模型,縱向分辨率比遞歸反演以及稀疏脈沖反演更精確,反演人為因素少,地質現象反映客觀。

1.2 地震資料的譜藍化

由于煤層厚度大多小于1/4地震波長,屬于地球物理意義上的薄層,而常規的地震成像分辨難以滿足煤田的開發需求,給煤儲層的預測帶來很多困難,而且有色反演時應用高頻地震數據體時效果更好,因此需要對原始地震資料進行提高分辨率處理。

常規的地震數據提頻處理往往應用譜白化方法,這種方法是假設反射系數是高頻的基礎下,將地震數據振幅譜拉平的一種處理方法[12]。而Rosa等[13]在統計大量測井曲線數據后發現,實際測井數據的反射系數振幅譜特征沒有表現為各頻率能量一致的白噪,而是表現為“藍譜”(圖1)特性,即頻率與振幅度成正相關,幅度隨頻率逐漸增加。

圖1 L59井反射系數振幅譜Fig.1 Amplitude spectrum of reflection coefficient of Well L59

譜藍化拓頻處理技術就是一種利用測井數據中聲波時差及密度信息求得反射系數譜,再利用地震振幅譜反褶積求取地震信息的反射系數譜,然后通過測井資料和地震數據獲得的反射系數相匹配設計譜藍化算子,并利用此譜藍化算子與地震數據褶積,加強高頻部分振幅能量,從而得到拓頻地震數據體。譜藍化拓頻技術可以在提高地震數據分辨率的同時又不會提升噪聲水平,提高了對薄儲層的識別能力[14]。

2 研究背景

2.1 研究區地質概況

寺家莊礦區位于山西省晉中市昔陽縣境內(圖2),沁水煤田東北部。研究區位與寺家莊井田東部中段,區內含煤地層埋藏較深,保存完整。主要含煤地層為石炭系的太原組和二疊系的山西組。太原組地層為本區重要含煤層段,屬于海陸交互相沉積環境,含有三角洲、障壁海岸、碳酸鹽潮坪3種沉積相類型,含煤13層,主要可采煤層為81、84、9、15號煤層,其中81、84號煤層為局部可采,9號煤層為大部可采,15號煤層為全區可采。

圖2 寺家莊井田位置圖Fig.2 Location of Sijiazhuang coal mine

主要研究太原組9號煤層以及15號煤層。9號煤層較薄,煤層厚度為0.13～3.50 m,平均1.24 m。頂板多為泥巖,有時為粉砂巖,頂板上覆有標志層S2砂巖；底板為泥巖或砂質泥巖,有時為S1細-中砂巖；屬三角洲相沉積,成煤環境比較好。 15號煤層為全區穩定可采的厚煤層。煤層厚3.10～8.65 m,平均5.67 m,全區可采,夾矸巖性為泥巖及炭質泥巖。15號煤層頂板為砂質泥巖或粉砂巖；底板常為炭質泥巖,有時為砂質泥巖或粉砂巖；屬碳酸鹽潮坪相沉積,煤層層位穩定,分布面積廣。

2.2 基礎數據

采用的三維地震數據體預先進行了三維疊前時間偏移處理,波組特征較好,同相軸連續,層次清楚。其中,9號煤層反射波(T9波)能量較強、連續性較好,但由于81號、 84號煤層與9號煤層的間距較小,部分地段T9波變為81號、84號煤層和9號煤層的復合反射波或84號和9號煤層的復合反射波,因此,T9波波形不穩定；15號煤層反射波(T15波)能量強、連續性好、波形穩定。研究區內共有鉆井14口,全部鉆穿目標地層,其中6口有測井數據,具有自然伽馬(GR)、聲波時差(DT)、密度(RHOB)等測井曲線,并已進行了標準化處理。

3 反演過程與反演效果

3.1 譜藍化及有色反演過程

首先對井資料的波阻抗做頻譜分析(圖3)。提取研究區內各單井測井資料的波阻抗振幅譜[圖(3a)],得到其平均波阻抗振幅譜[圖(3b)]。

其次對地震數據體做頻譜分析(圖4)。譜藍化采用原始地震數據體隨機選擇40道地震數據做地震道振幅譜分析,而有色反演采用的地震數據體為經譜藍化處理技術提頻后的數據體。

圖3 測井資料的波阻抗振幅譜圖Fig.3 Wave impedance amplitude spectrum of logging data

圖4 地震數據體振幅譜圖Fig.4 Seismic data volume amplitude spectrum

圖5 有色反演剩余算子振幅譜Fig.5 Amplitude spectrum of colored inversion residual operator

然后設計譜藍化及有色反演算子,使地震道平均振幅譜與測井平均波阻抗振幅譜相匹配。圖5中地震平均振幅譜曲線和測井平均波阻抗擬合曲線匹配較好,且剩余算子振幅譜接近于0,表明設計的有色反演算子與地震、測井資料的匹配程度較高,可以用來進行有色反演。

最終施加有色反演匹配算子到地震數據體完成褶積處理。譜藍化提頻技術得到譜藍化地震數據體,有色反演得到相對波阻抗體。

3.2 譜藍化提頻技術應用效果

通過對寺家莊區塊地震勘探數據體進行譜藍化拓頻技術處理,得到了寺家莊譜藍化數據體,從地震頻譜圖(圖6)可知,地震主頻從約55 Hz提高到75 Hz,提高了對薄層的識別能力。從原始地震數據體地震剖面和譜藍化數據體地震剖面對比(圖7)來看,譜藍化數據體分辨率較原始數據體明顯提高,在高頻弱信號的能量強度增強的同時,基本保持了原始地震勘探數據的信噪比、振幅相對強弱關系和時頻特性。

圖6 地震頻譜對比圖Fig.6 Comparison in seismic spectrum

圖7 地震剖面對比Fig.7 Comparison of seismic section

在實際的地震剖面數據解釋過程中,通過對原始地震數據體進行譜藍化,地震資料質量得到明顯改善。圖8所示為原始地震與譜藍化數據剖層位追蹤對比圖,在進行9號煤層解釋的過程中,發現其原始地震數據體剖面同相軸反應模糊,無法進行精確追蹤；而在譜藍化地震數據體中,9號煤同相軸由原始地震數據中的一條變為兩條,而且形態清晰,可以對9號煤層的追蹤解釋做出明確判斷。這種現象是因為原始地震數據體由于受分辨率的限制,表現為復合波谷的特征；而經過譜藍化拓頻處理后,地震數據體分辨率提高,復合波谷分解,分辨出的新同相軸能夠與實際地層更好的對應。而在煤層中,由于煤層與泥巖層多有薄互層的情況,因此更容易出現復合波谷。

圖8 層位追蹤對比Fig.8 Contrast of horizon tracking

由此可見,通過譜藍化拓頻技術處理的地震剖面數據分辨率與原始地震數據相比有了一定程度的提高,同相軸與地質界面對應關系更好,有利于進行煤層及其頂板層位巖性的精細解釋。

3.3 反演結果與分析

在反演后的相對波阻抗數據體及剖面上,不同顏色代表相應的巖性特征及在垂向和橫向上的變化規律。圖9所示為L59井有色反演相對阻抗剖面圖,從圖9中可以看出剖面中15號煤層相對波阻抗特征連續、清晰且呈穩定低值,頂板為相對波組抗較低值的泥巖,底板為較薄層泥巖,下伏厚層砂巖K1砂巖波相對阻抗則呈高值,與該區地層情況有很好的對應關系；剖面中9號煤層相對阻抗特征亦連續、清晰,呈穩定低值,頂板為砂巖,底板為較薄層泥巖,下伏厚層穩定的S1砂巖。由此可以說明,有色反演的相對波阻抗特征與區內L59井鉆孔巖性(圖10)兩者相吻合,說明反演結果具有一定的預測性。

在煤層頂板層位向上1 ms以及5 ms的相對波阻抗進行了連續切片分析,得到煤層頂板巖性不同時間的相對波阻抗沿層平面圖(圖11),結合部分鉆孔巖性資料(圖12),發現其中向上頂板層位1 ms的切片可以直接反映煤層頂板巖性的平面變化。由圖11(a)可知,9號煤層頂板巖性大部分地區呈相對波阻抗較高值或高值,推測為粉砂巖及砂巖地層；中南部相對波阻抗值較砂巖低,相比煤層較高,推測為局部上覆巖性為泥巖；東南部零星區域有反映煤層的相對波阻抗低值,為9號煤層頂板與上覆8號煤層之間很薄的薄層,現階段有色反演資料無法進行分辨。由圖11(b)可知,煤層頂板向上5 ms的相對波阻抗值較高,說明煤層頂板向上由區域部分砂巖分布轉變為全區大部砂巖層分布,與該地區基礎地質資料顯示9號煤與8號煤的S2砂巖層相吻合。圖13所示為9號煤層頂板巖性分布圖。

圖9 L59井有色反演相對阻抗剖面Fig.9 The relative impedance of colored inversion for Well L59 profile

圖10 L59井鉆孔巖性柱狀圖Fig.10 Borehole lithology histogram of well L59

圖11 9號煤層不同時間地層切片Fig.11 Section map of No. 9 coal seam at different time

圖12 部分鉆孔9號煤頂板巖性柱狀圖Fig.12 The lithology histogram of partial borehole of No.9 coal roof

圖13 9號煤層頂板巖性分布Fig.13 Lithology distribution of No.9 coal seam roof

由15號煤不同時間的相對波阻抗沿層平面圖(圖14)結合部分鉆孔資料(圖15)可知,15號煤層頂板巖性大部分地區呈相對波阻抗較低值,推測為頂板巖性為泥巖地層,零星區域為的相對波阻抗較高值的粉砂巖及砂巖；煤層頂板向上5 ms的相對波阻抗較高,表現為南部及北部砂巖地層居多,中部大部分為泥巖地層。圖16所示為15號煤層頂板巖性分布圖。

圖14 15號煤層不同時間地層切片Fig.14 Section of No.15 coal seam at different timinge

圖15 部分鉆孔15號煤頂板巖性柱狀圖Fig.15 Lithology histogram of partial borehole of No.15 coal roof

圖16 15號煤層頂板巖性分布Fig.16 Lithology distribution of No.15 coal seam roof

4 結論

(1)現有的煤層頂板巖性預測方法主要通過提取地震屬性以及基于模型的波阻抗反演來實現,需要以豐富的測井資料為數據基礎,在少井區難以進行可靠、精確的預測。為此利用有色反演對測井的依賴度較低、平面分辨率較高以及反演產生的相對波阻抗的變化對應于巖性的變化的特點,來對少井區地震數據中的煤層頂板巖性分布特征進行預測。

(2)通過對原始地震數據進行譜藍化拓頻技術處理,處理后地震剖面數據分辨率有明顯提高,同相軸與地質界面對應關系更好。在譜藍化基礎上進行有色反演產生的相對波阻抗體特征與鉆孔巖性兩者相吻合,不同時間的地層切片亦驗證了有色反演的可靠性,說明有色反演結果在研究區具有可靠的預測性,可以對地震數據中的煤層頂板巖性分布特征進行預測。

(3)有色反演結果表明,寺家莊礦區9號煤層頂板巖性大部為砂巖及粉砂巖,中南部局部區域上覆巖性為泥巖,頂板巖性向上全區基本為砂巖；礦區15號煤層頂板巖性基本為泥巖,零星區域為粉砂巖及砂巖,頂板巖性向上表現為南部及北部砂巖地層居多,中部大部分為泥巖地層。