基于模型驅(qū)動的煤層強反射能量衰減方法

張憲旭

基于模型驅(qū)動的煤層強反射能量衰減方法

張憲旭

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

地震數(shù)據(jù)中煤層反射波具有能量強的特征，使鄰近地層的反射被煤層反射所掩蓋，導致鄰近層難以成像，巖性解釋工作存在困難。針對此問題，提出基于模型驅(qū)動的煤層強反射能量衰減方法。利用測井數(shù)據(jù)和煤礦井下鉆孔實測的煤厚數(shù)據(jù)與煤層反射振幅繪制交會圖，擬合振幅與厚度的關(guān)系式，構(gòu)建數(shù)字模型并模擬煤層反射，在振幅殘差閾值的控制下迭代求取全區(qū)煤層厚度，使用求取的模型煤層反射數(shù)據(jù)對實際數(shù)據(jù)中的煤層振幅進行衰減。通過模型試算表明，該方法在理論上具有可行性；通過對鄂爾多斯市某煤礦地震數(shù)據(jù)中3–1號煤層反射壓制的應(yīng)用表明，該方法對實際數(shù)據(jù)中的煤層反射壓制效果良好，煤層附近的弱反射層成像質(zhì)量得到提升，為巖性解釋提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

模型驅(qū)動；強能量衰減；煤厚預測；相干性疊加；井下鉆孔數(shù)據(jù)

在地震數(shù)據(jù)中煤層反射振幅要強于圍巖反射振幅，距離煤層比較近的反射能量往往被煤層反射所掩蓋，導致砂體和灰?guī)r的反射無法被識別[1-3]。在油氣勘探領(lǐng)域中，這些砂體和灰?guī)r是目標儲層[4]；而在煤田勘探領(lǐng)域中，是潛在的導致礦井突水的含水層[5-6]。因此，壓制煤層反射振幅的能量，突顯砂體和灰?guī)r的反射能量是使得煤層附近的目標儲層和潛在含水層能被解釋的必要前提[7]。

為解決強反射對弱反射的掩蓋問題，眾多學者對此進行了研究，提出多種消除強反射突顯弱反射的方法，有基于小波變換的壓制方法[8-9]、基于波形匹配的去除方法、基于匹配追蹤技術(shù)的強振幅分離方法[10-13]和對強振幅剝離后殘余能量的分析方法[14]。這些方法主要是基于地震數(shù)據(jù)的數(shù)學變換或利用強反射的稀疏分解方法對強振幅進行衰減和壓制，沒有將強反射與產(chǎn)生強反射的地層信息建立聯(lián)系，也沒有利用礦井井下實測數(shù)據(jù)等先驗數(shù)據(jù)，所考慮的因素較為單一，具有一定的局限性。基于以上研究背景，筆者利用煤礦井下實際揭露的先驗數(shù)據(jù)和測井數(shù)據(jù)建立以煤層厚度、速度和密度為主要參數(shù)的數(shù)字模型，提出基于模型驅(qū)動的煤層反射振幅的預測方法，在提高煤層強振幅的去除效果的同時，保證弱反射振幅不受損傷，用來提高近煤層的砂巖和灰?guī)r的解釋精度。最后，通過模型和實際資料驗證方法的有效性。

1 理論基礎(chǔ)和模型模擬

由波的干涉理論可知，兩列波在介質(zhì)中相遇時若兩波的波峰(或波谷)同時抵達，兩波同相干涉產(chǎn)生最大的振幅，稱為相長干涉；若兩波之一的波峰與另一波的波谷同時抵達，兩波反相干涉產(chǎn)生最小的振幅，稱為相消干涉[15]。地震波傳播過程中，當有多個反射界面時，反射界面之間的距離小于一個波長時，反射波會出現(xiàn)波的干涉(調(diào)諧現(xiàn)象)，其反射振幅由界面的反射系數(shù)和界面之間的距離決定[16-17]。干涉(調(diào)諧現(xiàn)象)在楔形模型中最為典型，如圖1a所示模型在高速層中有一個低速的楔形地質(zhì)體(煤層)，楔形體的縱波速度為2 000 m/s、密度1.6 g/cm3，地層厚度從0線性增大到50 m，圍巖(砂泥巖)的縱波速度為3 500 m/s，密度2.26 g/cm3。采用主頻50 Hz的雷克子波進行模擬，得到楔形模型的地震反射剖面(圖1b)。

由模型中煤層的速度可以計算出地震波在煤層中的波長為40 m，因此，當煤層厚度小于40 m時，煤層頂界面和底板的反射波會相互干涉(圖1b)。從煤層頂板振幅曲線(圖1c)可以看出，當煤層厚度從0變化到10 m時，反射波振幅值從極小值線性變化到極大值；當煤層厚度超過10 m時，層厚與振幅不再滿足線性關(guān)系；當煤層厚度超過40 m時，煤層頂?shù)装宸瓷洳ú辉侔l(fā)生干涉，反射波振幅恢復到正常。煤層厚度在四分之一波長范圍之內(nèi)時，層厚與振幅具有線性關(guān)系，這一規(guī)律也常被用來計算煤層厚度[18-20]。

以楔形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對模型進行擴展(圖2)，設(shè)有一個厚度從外(8 m)向內(nèi)(2 m)線性變化的煤層，煤層頂板圍巖有2個最大厚度分別為20 m和40 m的殘丘，其中殘丘體的縱波速度為2 800 m/s、密度為2.21 g/cm3；底板圍巖有2個最大深度分別為20 m和40 m的溝壑，其中溝壑的縱波速度為3 200 m/s、密度為2.23 g/cm3。

(a) 楔形模型；(b) 模擬的地震道；(c) 反射波振幅曲線

(a) 模型；(b) 模擬的地震道；(c) 煤層反射波振幅曲線

模擬后得到模型剖面(圖2b)，其中，①殘丘反射表現(xiàn)為：20 m殘丘反射無法被識別，40 m殘丘可以看出一點反射，但能量非常弱，識別難度大；②溝壑反射表現(xiàn)為：20 m和40 m溝壑的反射都難以被識別；③煤層同相軸表現(xiàn)為，能量非常強且連續(xù)性好，殘丘處由于其低速效應(yīng)同相軸有輕微下凹的現(xiàn)象，其他無明顯異常，但從同相軸的振幅屬性可以看出(圖2c)，溝壑和殘丘處的煤層振幅均出現(xiàn)振幅異常。這些現(xiàn)象說明由于煤層與圍巖波阻抗差較大，其上下圍巖中砂巖、泥巖和灰?guī)r之間的波阻抗較小，煤層厚度在10 m以內(nèi)變化時，其煤層的反射能量主要是由煤層的厚度所決定。而圍巖巖性變化，是在厚度所決定的反射能量趨勢之上，以振幅發(fā)生變化的形式展現(xiàn)。

從模型中提取的煤層反射振幅曲線(圖2c)可以看出，煤層厚度在四分之一波長范圍內(nèi)的煤層振幅與煤層厚度主要呈線性關(guān)系，出現(xiàn)振幅值背離線性趨勢的地方為殘丘和溝壑出現(xiàn)的位置。如果將煤層厚度展現(xiàn)的能量趨勢進行壓制，凸顯煤層附近反映巖性變化的異常，即可達到對煤層振幅壓制的同時對圍巖弱反射成像的目的。

2 強反射壓制方法

本文的煤層強反射壓制方法是基于煤層厚度小于四分之一波長范圍內(nèi)的煤層振幅與煤層厚度呈線性關(guān)系的理論基礎(chǔ)之上提出來的，主要包含以下步驟：

a. 煤層層位標定 提取井旁地震道子波，制作合成地震記錄，對煤層層位進行標定。

b. 拾取煤層層位 在煤層層位標定的基礎(chǔ)上，對煤層同相軸做層位追蹤。

c. 建立煤層厚度與反射能量的關(guān)系式 提取井點位置和井下煤厚實測位置處的煤層反射振幅，制作煤層厚度與反射振幅的屬性交會圖，擬合厚度與振幅變化線性關(guān)系式。

d. 模型構(gòu)建和數(shù)值模擬 將井點位置和井下煤厚實測位置處的煤厚數(shù)據(jù)設(shè)為控制點，控制點之外的煤厚數(shù)據(jù)由煤層反射振幅使用擬合的振幅與煤厚的線性關(guān)系式計算。依據(jù)控制點煤厚和計算出的煤層厚度數(shù)據(jù)，構(gòu)建包括上覆地層、煤層和下伏地層的3層數(shù)字模型。

e. 煤層振幅衰減和質(zhì)量控制 使用構(gòu)建的數(shù)字模型進行數(shù)值模擬，得到煤層反射數(shù)據(jù)，將其乘以比例系數(shù)，與原始地震數(shù)據(jù)相減，得到煤層振幅衰減后的數(shù)據(jù)。

設(shè)置振幅殘差閾值，逐道計算振幅殘差和全局振幅殘差值，如果全局振幅殘差值超過閾值，返回步驟d，調(diào)整振幅殘差較大區(qū)域位置的模型煤層厚度，殘差為正值時厚度向大調(diào)整，負值時向小調(diào)整，重新進行模型模擬和煤層振幅衰減，反復迭代直到全局振幅殘差值小于閾值，這時得到的數(shù)據(jù)即為最終的煤層振幅衰減結(jié)果。

圖3 煤層強反射壓制方法流程

3 模型試算

利用本文方法對模型數(shù)據(jù)(圖2)進行試算，驗證方法是否可行。由于模型中只有一個煤層反射界面，模擬出的反射剖面較為簡單，只需對同相軸的負相位反射波最大值進行追蹤。模型厚度已知，根據(jù)層位提取煤層反射振幅與厚度制作交會圖(圖4)。從圖4可以看出，煤層厚度是從2~8 m變化過程中呈線性趨勢，其相關(guān)程度較高(相關(guān)系數(shù)2為0.96)，根據(jù)交會圖提取煤層厚度與反射振幅的趨勢公式。

=0.001 93(1)

式中：為煤層厚度；為反射振幅值。

根據(jù)式(1)計算出煤層厚度后，構(gòu)建3層數(shù)字模型(圖5a)。上覆圍巖、煤層和下伏圍巖的物性參數(shù)與圖2中的物性參數(shù)保持一致，根據(jù)拾取的煤層層位時間，通過時深轉(zhuǎn)換求取煤層深度值；其中需要注意的是，由于殘丘低速體的存在，煤層的反射波形出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，拾取出的煤層層位也為下凹狀態(tài)，構(gòu)建模型時煤層也需呈下凹狀態(tài)。

圖4 模型振幅與煤厚交會圖

對預測模型進行數(shù)值模擬得到地震模型剖面(圖5b)，將預測模型剖面與初始模型剖面(圖2b)振幅相減，設(shè)置振幅閾值為0.5，經(jīng)過迭代得到最終的模型煤層強能量衰減結(jié)果剖面(圖5c)。從煤層振幅衰減后的數(shù)據(jù)(圖5c)可以看出，煤層強振幅能量被完全消除，原來被煤層能量壓制的殘丘和溝壑的形態(tài)清晰地展現(xiàn)出來，不再受到煤層強振幅干擾而無法識別。從模型壓制結(jié)果可以看出，煤層強能量壓制效果良好，說明該方法在理論上可行。

(a) 預測模型；(b) 模擬的地震道；(c) 煤層振幅壓制后剩余振幅

4 工程試驗與效果分析

在模型試算過程中，煤層厚度和物性參數(shù)是已知的，且除了殘丘和溝壑處振幅偏離線性之外，其他完全符合煤層厚度與振幅的線性關(guān)系，壓制效果較好。由于實際數(shù)據(jù)影響因素較多，比如噪聲、激發(fā)能量、接收能量、煤層厚度和地層巖性橫向變化等，因此，在實際數(shù)據(jù)應(yīng)用中，需要對研究區(qū)的地質(zhì)情況進行調(diào)研，確認煤層是否滿足煤厚在四分之一波長以內(nèi)的假設(shè)條件，且被壓制的目標煤層在一個波長距離內(nèi)是否存在其他煤層，以及實際數(shù)據(jù)如何構(gòu)建煤層振幅與煤層厚度的關(guān)系式等。

4.1 試驗區(qū)地質(zhì)概況

試驗區(qū)位于鄂爾多斯盆地北緣的內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)。試驗區(qū)的主要含煤地層為侏羅系延安組，可采煤層為5層，其中3–1號煤層為最厚煤層，全區(qū)賦存，厚度變化范圍為1~10 m，平均厚度6.25 m，其他煤層相對較薄。煤層的下伏地層為三疊系延長組，巖性主要為薄層狀砂質(zhì)泥巖和粉砂巖互層。煤層上覆地層為侏羅系直羅組，巖性為泥巖與砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖呈互層產(chǎn)出。煤層反射主要為3–1號煤層，反射能量較強，煤層頂?shù)装鍘r性主要為砂泥巖，反射能量較弱。

4.2 合成地震記錄標定和方波化

算法需要得到煤層厚度與振幅的線性關(guān)系式，以及是否存在與其他強反射的復合關(guān)系。從圖6a可以看出，最厚煤層3–1號煤是最上部煤層，厚度6.4 m，下伏煤層與其底板相距41 m。在井點位置處煤層的縱波速度為2 100 m/s，地震主頻為53 Hz。地震波長為39 m，煤層厚度在調(diào)諧厚度(四分之一波長9.7 m)以內(nèi)，且3–1號煤與下伏煤層的距離超過一個波長，反射波之間不會發(fā)生干涉現(xiàn)象，滿足壓制方法的使用條件。

利用測井數(shù)據(jù)中的速度和密度曲線求取阻抗曲線，并制作合成地震記錄，對煤層層位進行標定，建立時深關(guān)系。從合成地震記錄與實際地震數(shù)據(jù)對比(圖6a)可以看出，主要地層的反射有較高的相關(guān)度，層位標定結(jié)果可靠。測井數(shù)據(jù)是模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，構(gòu)建模型的巖石物性參數(shù)(速度和密度參數(shù))需要從測井數(shù)據(jù)中得知，但實際的測井曲線呈鋸齒狀，需要對實際的測井數(shù)據(jù)做方波化處理(圖6)。具體實現(xiàn)方法為：求取煤層的阻抗平均值，煤層圍巖的阻抗值是分別將頂板以上和底板以下50 m以內(nèi)的阻抗求平均值替代原曲線，將曲線做方波化處理。方波化后，需要將方波化后的合成地震記錄與實際數(shù)據(jù)的合成地震記錄進行對比，確保煤層反射波形保持基本不變。

圖6 測井數(shù)據(jù)方波化前后的合成地震記錄

4.3 振幅與煤厚的交會圖

研究區(qū)內(nèi)測井數(shù)量為8口，煤礦井下通過探孔實測的煤厚數(shù)據(jù)為19個，根據(jù)所有測井數(shù)據(jù)和煤礦井下探孔實測煤厚數(shù)據(jù)制作煤層厚度與振幅值的交會圖(圖7)。從交會圖中可以看出，煤層厚度的變化范圍為3.3~7.0 m，煤層厚度與振幅值大致呈現(xiàn)線性變化趨勢，其相關(guān)系數(shù)(2)為0.68，根據(jù)散點的變化趨勢構(gòu)建煤層與振幅值的線性關(guān)系：

4.4 煤厚模型預測與煤層強反射能量衰減

在實際數(shù)據(jù)體之上根據(jù)合成地震記錄標定的結(jié)果對煤層層位進行追蹤，提取煤層振幅值，使用煤層厚度與振幅值的關(guān)系式求取煤層厚度。根據(jù)測井數(shù)據(jù)和煤礦井下探孔實測數(shù)據(jù)，求取研究區(qū)內(nèi)煤層和上下圍巖的速度(均指縱波速度)和密度的平均值，利用求取的上覆圍巖平均速度將層位，通過時深轉(zhuǎn)換計算深度值，并依據(jù)井點位置的煤層厚度數(shù)據(jù)和井下實測數(shù)據(jù)的位置和煤厚數(shù)據(jù)形成控制點，構(gòu)建數(shù)字模型(圖8a)。

圖7 基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的振幅與煤厚交會圖

對模型進行數(shù)值模擬得到煤層反射波模型剖面(圖8b)。將得到的模型剖面乘以比例系數(shù)(實際數(shù)據(jù)的平均振幅/模型煤層平均振幅)與實際的地震剖面(圖8c)相減得到振幅殘差數(shù)據(jù)；以全局振幅殘差值為依據(jù)，迭代更新模型中的煤層厚度，直到全局振幅殘差值小于設(shè)定的閾值后得到煤層振幅衰減后的地震剖面(圖8d)。從圖8中箭頭所指之處可以看出，衰減前后的煤層振幅得到了非常好的壓制，距離煤層非常近的弱反射，以及由于煤層上下圍巖巖性變化引起的振幅異常都被突顯出來，而這些反射的能量正是被煤層強振幅所淹沒的砂泥巖的反射能量。

4.5 應(yīng)用效果分析與討論

該方法是以調(diào)諧厚度理論為基礎(chǔ)，前提條件是煤厚與反射振幅在小于四分之一波長之內(nèi)為線性關(guān)系，如果地層厚度超出四分之一波長，理論前提將不滿足。

該方法在煤層的上下圍巖巖性相對穩(wěn)定時壓制效果最佳，但當煤層上下圍巖巖性橫向變化時，煤層反射能量的壓制效果將會降低。針對這樣的情況，可根據(jù)沉積特征將研究區(qū)劃分為不同的區(qū)域，將屬于同一相帶的井和井下實測數(shù)據(jù)分別提取一個煤層厚度與振幅的線性關(guān)系式，再對煤層厚度進行預測，壓制效果會有所提升。

需要注意的是，方法的迭代是以振幅殘差閾值為依據(jù)，如果殘差門限值給的過小，會將圍巖或煤層巖性變化引起的振幅變化一并消除，使衰減煤層能量突顯圍巖弱反射的目的失去意義。

(a) 預測模型；(b) 模擬的地震道；(c) 煤層振幅壓制前剖面；(d) 煤層振幅壓制后剖面

5 結(jié)論

a. 煤層能量壓制方法是基于在四分之一波長以內(nèi)煤層厚度與煤層振幅呈線性關(guān)系的調(diào)諧理論基礎(chǔ)，提出基于煤層厚度與振幅之間的關(guān)系式，利用模型驅(qū)動的方法對煤層強振幅進行衰減。通過模型試算和實際數(shù)據(jù)應(yīng)用表明，該方法可以對煤層強反射能量進行有效壓制的同時保留鄰近煤層的弱反射能量和圍巖巖性變化引起的振幅變化。

b. 算法是基于煤層厚度模型驅(qū)動的衰減方法，根據(jù)煤層厚度和反射能量做交會圖提取公式的計算方法，運算效率高。方法是拾取煤層反射層位后，使用模型速度，通過時深轉(zhuǎn)換，將層位換算到深度域，因此，模型模擬的結(jié)果與實際數(shù)據(jù)之間不需要匹配算法，可以直接相減，與通常的預測相減算法相比，可適性強，易實現(xiàn)。另外，在地層條件簡單的情況下，模型所得到的煤層厚度精確度較高，可以作為煤層厚度預測成果來使用。

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Model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection

ZHANG Xianxu

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The reflection of coal seam in seismic data has the characteristics of strong energy, which makes the reflection of adjacent strata often concealed by the reflection of coal seam. This makes it difficult to image the adjacent weak layer and lithological interpretation difficult. Aiming at this problem, a model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection was proposed. This method uses the coal thickness calculated by logging and measured by borehole in underground coal mine to construct cross plot with reflection amplitude of coal seam, and fit the relationship formula between amplitude and thickness. The digital model was constructed and the reflection of coal seam was simulated. The thickness of coal seam in the whole area was calculated iteratively by using the threshold value of amplitude residual. The strong amplitude of coal seam in the actual data was attenuated by using the data simulated by the model. The experimental results of the model data shows that the method is feasible in theory; The suppression effect of the strong reflection of coal seam 3–1in the seismic data of a coal mine in Ordos shows that the practical application effect was good, and the imaging quality of weak reflection layer near the coal seam was improved, which provides the basic data for the lithological interpretation.

model-driven; strong energy attenuation; coal thickness prediction; coherence stack; underground borehole data

P315；P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.027

1001-1986(2020)03-0188-07

2019-11-16；

2020-03-28

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2019XAYMS28)

Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS28)

張憲旭，1979年生，男，陜西寶雞人，碩士，副研究員，從事煤田地震資料處理工作. E-mail：zhangxianxu@cctegxian.com

張憲旭. 基于模型驅(qū)動的煤層強反射能量衰減方法[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：188–194.

ZHANG Xianxu. Model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：188–194.

(責任編輯 聶愛蘭)