薄互層條件下圍巖變化對煤層反射波的影響研究

常鎖亮，張 生，劉 晶 ，劉最亮，陳 強，劉 波

薄互層條件下圍巖變化對煤層反射波的影響研究

常鎖亮1,2，張 生1,2，劉 晶1,2，劉最亮3，陳 強1,2，劉 波1,2

(1. 太原理工大學 地球科學與工程系，山西 太原 030024；2. 煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3. 華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000 )

為研究薄互層條件下圍巖變化對煤層反射波的影響，以地震勘探中/4薄層范圍內含煤地層為研究對象，建立圍巖巖性、厚度與結構變化三類模型，基于薄層反射系數譜理論中Brekhovskikh方程，計算并總結圍巖變化對煤層AVO曲線、屬性及道集的影響。研究結果表明：/4范圍內圍巖巖性變化會對煤層AVO響應產生顯著影響，其中頂板為砂巖會使得煤層AVO截距和梯度屬性明顯增大，頂板為泥巖會使得煤層AVO截距和梯度屬性增大，且頂板巖性不同，對應的煤層AVO道集特征也會發生變化；/4范圍內圍巖互層結構和厚度變化會對煤層AVO響應產生一定影響，但是影響較小，其中圍巖互層結構的變化會使得煤層AVO道集特征產生變化，圍巖厚度的變化會使得煤層AVO截距屬性產生變化；基于界面型的Zoeppritz方程不適用于薄互層含煤地層的正演模擬，應選取更適用于薄互層的Brekhovskikh正演方程或者其他模擬方法。

薄互層；圍巖變化；反射系數譜；煤層反射波

我國含煤盆地多形成于陸相或海陸過渡相的沉積環境[1-2]，含煤地層多以薄互層形式存在[3]，且巖性和厚度橫向變化較大，使得煤層的反射波響應中既包含煤層與煤體結構的響應，也包含煤厚變化與圍巖結構的影響。已有研究表明，對于單個薄煤層反射波來說，煤層厚度[4-6]、互層圍巖的巖性[7-9]、互層結構[10-12]以及入射波主頻[13-14]等都會對薄煤層的地震響應造成影響。

已有對煤層反射波的影響研究可歸納為兩種：第一種是通過建立單一薄煤層模型討論各類影響要素對薄煤層縱波與橫波AVA特征的影響；張鐵強等[6]基于反射率法從AVO振幅、截距、梯度以及頻譜等方面區分了不同厚度煤層模型的特征與差異；Zou Guangui等[7]通過建立楔形薄煤層模型，研究了煤層厚度與地震波振幅的關系以及影響這種關系的因素；Chen Tiansheng等[8]基于反射系數譜理論討論了單薄層的多波AVO響應；Pan Wenyong等[9]基于反射系數譜理論分析了薄層彈性介質中AVO效應與頻率的關系；蔡希玲等[10]討論了地震子波主頻和厚度對薄層AVO振幅和頻譜的影響。但是該類模型沒有考慮含煤地層中煤層與圍巖互層分布、且橫向厚度不均一的實際情況，忽略了薄互層中圍巖變化對煤層反射波造成的影響，模擬結果存在偏差。

第二種是通過建立薄互層含煤地層模型討論整個含煤地層的反射波特征及影響因素。安瑩等[11]基于各向異性與長波長理論，根據煤厚與含煤地層總厚的比值建立模型，研究含煤地層的多波AVO地震響應；王增玉等[12]基于反射系數譜理論分析了薄煤層中夾矸和構造煤對煤層AVO特征的影響。這種模型符合實際地層展布，但目前研究僅限于整個含煤地層的綜合地震響應及影響因素，實際煤田地震勘探更關注含煤地層中單一煤層反射波所受影響，已有研究[15-18]對煤層自身厚度及結構變化對煤層反射波響應產生的影響進行了探討，然而實際含煤地層為不同巖性的薄互層組成，煤層上下圍巖巖性、結構以及厚度均呈現較強非均一性。

因此，針對薄互層含煤地層中圍巖變化對煤層反射波造成的影響展開研究。分別建立圍巖巖性、結構以及厚度變化的含煤地層模型，模擬并總結圍巖變化對煤層反射波AVO曲線、屬性以及道集特征造成的影響，同時研究正演模擬采用的薄層反射系數譜法與常規基于Zoeppritz方程法的差異，證明研究方法的合理性。

1 薄層反射系數譜原理

薄層反射系數譜理論是從彈性波動力學理論的角度討論平面簡諧波在層狀介質中的反射和透射，其理論基礎是Brekhovskikh方程。如果地層厚度小于等于一個波長，則這種地層上下界面的波動將會發生明顯的干涉和疊加，使每一層面所形成的波動在強度變化及波形特點各方面都會具有與厚層不同的特點。對比圖1中的單界面模型和交互薄層模型，可以看出交互薄層的反射和透射是由薄互層中經受不同次數反射后形成的單波疊加結果，每個單波之間的時差及其干涉條件取決于薄層的厚度、薄層中波的傳播速度及入射波的入射角[17]。

如圖1a所示，設平面波從頂層入射到下面各層中，縱橫波到各層入射角為，則頂層中各波的位移函數表達式分別為：

圖1 波的傳播

Fig.1 Schematic diagram of wave propagation

位移-應力關系為：

反射系數和透射系數計算公式為：

如圖1b所示，對于一系列薄層來說，來自疊加薄層的反射波可以被認為是來自每個薄層的反射波和透射波的復合波。因此，可以利用遞推算法來計算薄層疊加層頂底之間的位移和應力關系，從而可以求取每一層的反射透射系數。

其中，

式中：k為水平方向慢度；s、d分別為縱波和SV波慢度；sz、dz分別為縱波和SV波垂向慢度；為地層厚度。

2 圍巖對煤層反射波的影響

為分析圍巖對煤層地震響應的影響，將含煤地層視為VTI型薄互層[15-18]，根據表1中的物性參數，分別構建圍巖巖性、厚度與結構變化地層模型，基于Brekhovskikh方程計算不同模型各個層位反射系數，提取煤層反射波的AVO曲線[19-20]、梯度和截距屬性[21-23]以及AVO道集[24-26]，討論圍巖變化對其造成的影響。

表1 模型參數

2.1 模型構建

由于含煤地層多以薄互層形式存在，為研究煤層薄層頂底板存在對不同厚度煤層頂板反射波是否存在影響，分別建立不包含煤層頂底板圍巖的一層模型(圖2a)和包含頂底板圍巖交互的三層模型(圖2b)進行對比，每類模型都包含1～8 m不同厚度的煤層模型，圍巖為2 m厚的泥巖。

2.2 圍巖對煤層反射波AVO曲線特征影響分析

基于反射系數譜方法選取40 Hz雷克子波以及表1中的模型參數計算煤層頂板反射系數，兩類模型對應的AVO曲線如圖3所示。由圖3可以發現：不同模型的煤層頂板AVO曲線中，總體表現為反射系數值均為負值，且絕對值隨著偏移距的增大先減小后增大的趨勢(由于40°以后的數據超過了臨界角所以不予考慮)。與一層模型(不含頂底板圍巖)相比，可以發現三層模型(含頂底板模型)由于頂底板薄層圍巖存在調諧效應，所以對煤層反射產生了不可忽略影響，當煤厚小于2 m時，頂底板存在使反射系數的絕對值減小，當煤厚大于2 m時，頂底板存在使反射系數的絕對值增大。所以三層結構的建模方式更加符合實際情況，不能忽略頂底板巖性存在對煤層反射波所造成的影響。

圖3 煤厚變化單煤層及煤層與頂底板交互模型的AVO曲線

3 圍巖變化對煤層反射波的影響

為分析圍巖變化對煤層地震響應的影響，分別構建圍巖巖性、結構以及厚度變化3類模型，討論煤層反射波的AVO曲線、屬性以及道集特征的變化。

3.1 圍巖巖性變化影響

3.1.1 圍巖巖性變化模型構建

為研究圍巖巖性變化對煤層反射波的影響，選擇頂、底板和砂、泥巖2項參數變化作為變量分別組成4組模型，模擬實際含煤地層中圍巖巖性變化情況。如圖4所示，模型1中煤層頂底板均為泥巖；模型2中煤層頂底板均為砂巖；模型3中煤層頂板為泥巖，底板為砂巖；模型4中煤層頂板為砂巖底板為泥巖。模型中煤厚為/12，圍巖厚度為/12。

圖4 圍巖巖性變化模型

3.1.2 圍巖巖性變化對煤層反射波AVO曲線影響特征分析

圖5為4類模型的AVO曲線，由圖5可以看出4類模型的煤層頂板AVO曲線總體表現為反射系數值均為負值，且絕對值隨著偏移距的增大先減小后增大。由直接頂板的巖性不同可將AVO曲線分為兩類：頂板為泥巖類和頂板為砂巖類。第一類模型反射系數變化范圍為-0.625～-0.450；第二類反射系數變化范圍為-0.7～-0.2。研究結果表明，煤層頂板圍巖的巖性變化會對煤層反射波產生不可忽略的影響，且可由頂板巖性將煤層AVO曲線分為兩大類：泥巖類和砂巖類。

圖5 圍巖巖性變化模型AVO曲線

3.1.3 圍巖巖性變化對煤層反射波AVO屬性特征影響分析

為進一步刻畫不同模型的截距和梯度屬性特征，對模型1—模型4進行梯度和截距值統計，得到截距、梯度交會圖(圖6)。頂板為砂巖類模型的梯度明顯大于頂板為泥巖類模型，同時截距絕對值大于頂板為泥巖類模型，其交會點位于圖中左上角，泥巖類模型屬性交會點位于右下角。由此可區分出不同頂板巖性的兩大類模型，說明圍巖巖性變化對煤層反射波的AVO屬性特征產生明顯影響。

3.1.4 圍巖巖性變化對煤層反射波的AVO道集特征影響分析

為研究圍巖巖性變化對煤層道集特征的影響，分別對頂板為泥巖和砂巖兩類模型計算各個反射層的反射系數，得到模型對應的反射系數譜，接著用主頻為40 Hz雷克子波與該反射系數譜進行褶積運算，得到模型AVO道集，如圖7所示，其中圖7a為泥巖圍巖模型道集，圖7b為砂巖圍巖模型道集。為突出道集特征，進一步提取地震道集的均方根振幅屬性。從圖中可以看出，圍巖巖性變化會對含煤地層AVO道集產生明顯影響，砂巖類振幅隨入射角增大而減小的拐點角度小于泥巖類，前者為20°，后者為30°。

圖6 圍巖巖性變化模型AVO梯度–截距屬性

3.2 圍巖結構變化的影響

3.2.1 圍巖結構變化模型構建

實際含煤地層中圍巖并不是單一結構，而是由砂泥巖互層結構組成，為研究圍巖結構變化對煤層反射波的影響，固定煤厚為/12，含煤地層總厚為/4，逐步增加圍巖內部砂泥巖互層數建立模型，如圖8所示，砂泥巖互層數從模型1到模型5依次從1層增加到5層。

圖7 圍巖巖性變化模型AVO道集

圖8 圍巖結構變化模型

3.2.2 圍巖結構變化對煤層反射波的AVO曲線影響分析

圍巖結構變化模型對應的AVO曲線如圖9所示，由圖可知不同圍巖結構模型AVO 曲線形態基本一致。隨著互層數由一層遞增到三層，反射系數的模稍有減小，當互層數增加到三層以上時，不再產生影響，說明圍巖結構變化對煤層反射波的AVO曲線影響較小，所以對其梯度和截距影響特征不再分析。

圖9 圍巖結構變化模型AVO曲線

3.2.3 圍巖結構變化對煤層反射波的AVO道集影響分析

為研究含煤地層AVO道集是否受到圍巖互層結構影響，分別對一層(圖10a)、兩層(圖10b)和三層(圖10c)結構的模型計算每個反射層的反射系數，得到模型對應的反射系數譜，接著用主頻為40 Hz雷克子波與該反射系數譜進行褶積運算，得到不同圍巖結構模型對應的AVO道集，為凸顯道集特征進一步提取了地震道集的均方根振幅屬性。從圖10中可以看出隨著互層結構的增多，煤層反射波振幅明顯增強，且表現為三層強反射軸。以上研究表明圍巖互層結構對整個含煤地層AVO道集產生顯著影響。

3.3 圍巖厚度變化影響

3.3.1 圍巖厚度變化模型構建

為研究圍巖厚度變化對煤層反射波的影響，首先固定模型中煤厚為/12，逐步增加圍巖厚度，如圖11所示，厚度依次由/120增加到/12，一共包含10組模型，所有模型的含煤地層總厚保持在/4(屬地震勘探薄層)范圍內，其中煤層直接頂底板為泥巖。

3.3.2 圍巖厚度變化對煤層反射波AVO曲線影響分析

不同圍巖厚度模型的AVO曲線如圖12所示，可以看出隨著圍巖厚度增加，反射系數的絕對值逐漸增大，但是增大范圍基本小于0.05，變化程度不大，曲線形態保持不變，說明圍巖厚度變化對煤層反射波的AVO曲線具有一定程度影響，實際應用中不能忽略圍巖厚度變化的影響。

3.3.3 圍巖厚度變化對煤層反射波AVO屬性影響分析

為進一步刻畫AVO屬性特征，對圍巖厚度變化模型進行截距值統計，得到截距隨圍巖厚度變化的相關圖，如圖13所示，分別統計了5組入射角的截距–圍巖厚度變化情況。從圖中可以看出，不論入射角怎么變化，截距均隨圍巖厚度增加而變大，且變化范圍在0～0.05。說明圍巖厚度變化會對煤層反射波的AVO截距屬性產生一定影響。

3.3.4 圍巖厚度變化對煤層反射波的AVO道集影響分析

為研究含煤地層AVO道集是否受到圍巖厚度影響，選取圍巖厚度為/120和8/120兩個厚度模型計算每個反射層的反射系數，得到模型對應的反射系數譜，接著用主頻為40 Hz雷克子波與該反射系數譜進行褶積運算，得到模型對應的AVO道集，為凸顯道集特征進一步提取均方根振幅屬性，如圖14所示。由圖14可以看出，厚度對含煤地層AVO道集整體影響較小，隨厚度增加，AVO道集出現兩層強反射軸。說明圍巖厚度變化對含煤地層的AVO道集影響較小。

圖10 圍巖結構變化模型AVO道集

圖11 圍巖厚度變化模型

圖12 圍巖厚度變化模型AVO曲線

圖13 圍巖厚度變化模型的AVO截距–厚度交會圖

4 實例驗證

為驗證本文基于反射系數譜計算方法的合理性，通過陽泉某礦區疊前地震道集資料(圖15a)提取XJ-6鉆孔處3號煤層不同偏移距對應的振幅值，由鉆孔信息可知，井點3號煤埋深為516 m，所以利用埋深和偏移距計算得到入射角，利用振幅值以及入射角擬合3號煤AVO曲線。同時以鉆孔巖性及厚度分布情況建模，分別采用本文基于反射系數譜法中Brekhovskikh方程和常規Zoeppritz方程計算3號煤AVO曲線?？梢钥闯?，本次基于反射系數譜法計算結果更接近實際AVO擬合曲線，常規Zoeppritz方程模擬結果截距和梯度均較小。為進一步驗證該結果，通過2種方法計算過研究區3-166井的AVO梯度屬性，圖16a和16b分別為Brekhovskikh方程和Zoeppritz方程計算的AVO梯度屬性結果，從3號煤反射波梯度屬性可以看出，Brekhovskikh方程計算梯度衰減結果要明顯強于Zoeppritz方程計算結果，計算結果與過井處道集特征一致，進一步證明薄互層條件下圍巖變化對煤層反射波的影響不同于常規儲層，在實際資料處理與解釋中需要進一步關注和研究。

圖14 圍巖厚度變化模型與AVO道集

圖15 某礦區XJ-6井疊前AVO道集與AVO曲線

5 結論

a./4范圍內圍巖巖性變化會對煤層AVO響應產生顯著影響，當頂板巖性為砂巖時，AVO截距和梯度屬性明顯增大，當頂板巖性為泥巖時，AVO截距和梯度屬性增大，且當煤層頂板巖性變化時，對應的AVO道集特征也會發生變化。

b. λ/4范圍內圍巖互層結構和厚度變化對煤層AVO響應影響較小，其中隨著圍巖互層結構增多，煤層AVO道集特征產生變化，隨著單層圍巖厚度增加，煤層AVO截距屬性略有增加。

c.基于界面型的Zoeppritz方程不適用于薄互層含煤地層的正演模擬，應選取更適用于薄互層的Brekhovskikh正演方程或者其他模擬方法。

圖16 過研究區3-166井2種方法計算AVO梯度剖面

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Influence of surrounding rock changes on the coal seam reflected wave under thin interbed condition

CHANG Suoliang1,2, ZHANG Sheng1,2, LIU Jing1,2, LIU Zuiliang3, CHEN Qiang1,2, LIU Bo1,2

(1. Department of Geosciences and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Key Lab of Geology of Coal and Coal Measure Gas, Taiyuan 030024, China; 3. Huayang New Material Technology Group Co., Ltd.,Yangquan 045000, China)

In order to study the influence of the changes of surrounding rock on the reflected wave of coal seam under the condition of thin interbeds, the coal-bearing strata in the/4 thin layer range in seismic exploration is taken as the research object, and three types of models of surrounding rock lithology, thickness and structure change are established. By Brekhovskikh equation in the theory of thin-bed reflection coefficient spectrum, the influence of surrounding rock changes on the AVO curve, attributes and gathers of coal seams are calculated and summarized. The research results show that the changes of surrounding rock lithology in the range of/4 have a significant impact on the AVO response of the coal seam. The sandstone roof will significantly increase the AVO intercept and gradient properties of the coal seam. The mudstone roof makes the AVO intercept and gradient properties of the coal seam increase; because of the different roof lithology, the corresponding coal seam AVO gather characteristics will also change. The surrounding rock interbed structure and thickness changes in the range of/4 will have a certain impact on the coal seam AVO response, but the impact is small. Among them, the changes of the surrounding rock interbed structure will cause changes in the AVO gather characteristics of the coal seam, and the surrounding rock thickness will cause changes in the AVO intercept attribute of the coal seam. The Zoeppritz equation based on the interface type is not suitable for the normalization of the thin interbedded coal-bearing strata. For simulation, the Brekhovskikh forward equation or other simulation methods that are more suitable for thin interlayers should be selected.

thin interbed; surrounding rock change; reflection coefficient spectrum; coal seam reflection wave

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語音講解

P65；P631

A

1001-1986(2021)05-0220-10

2020-10-19；

2021-05-28

陽泉煤業(集團)有限責任公司研究開發項目(GY18027)；山西省面上青年基金項目(201901D211005)

常鎖亮，1972年生，男，山西靈石人，博士，副教授，研究方向為煤與煤層氣地震勘探. E-mail：changsuoliang@tyut.edu.cn

張生，1986年生，男，安徽合肥人，博士，講師，研究方向為非常規油氣地震預測.E-mail：zhangsheng@tyut.edu.cn

常鎖亮，張生，劉晶，等. 薄互層條件下圍巖變化對煤層反射波的影響研究[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(5)：220–229. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.024

CHANG Suoliang，ZHANG Sheng，LIU Jing，et al. Influence of surrounding rock changes on the coal seam reflected wave under thin interbed condition[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：220–229. doi: 10.3969/j.issn. 1001-1986. 2021.05.024

(責任編輯 聶愛蘭)