黃土塬區延安組煤層地震響應特征物理模擬研究

邢廷棟，薛詩桂，黎小偉，索重輝，王輝明，焦艷艷

黃土塬區延安組煤層地震響應特征物理模擬研究

邢廷棟1,2，薛詩桂1,2，黎小偉3，索重輝1,2，王輝明1,2，焦艷艷1,2

(1. 中國石化地球物理重點實驗室，江蘇 南京 211103；2. 中國石化石油物探技術研究院，江蘇 南京 211103；3. 中國石化華北油氣分公司勘探開發研究院，河南 鄭州 450006)

針對黃土塬區延安組煤層地震響應復雜問題進行地震物理模擬研究。首先，研發適用于黃土塬地表干黃土層和煤層的模型材料，經過多次試驗，最終選用在硅橡膠中添加硅氣凝膠粉末的混合材料模擬疏松黃土塬地表層，選用在硅橡膠中添加超細碳粉的混合材料模擬低速低密度煤層；通過模具控制層位、逐層澆筑、三維雕刻起伏地層等方法，制作黃土塬區典型地質結構的三維地震物理模型，并開展地震物理模擬及地震成像分析。結果表明，延安組煤層與圍巖較大的波阻抗差異形成較強的反射振幅，對下部地層的成像有較強的屏蔽作用；較厚的多組煤層之間會形成層間多次波，影響下伏地層的成像。用地震振幅屬性對煤層進行刻畫時，計算時窗大于40 ms更有利于煤層識別，但由于煤層存在調諧效應，用地震屬性預測煤層厚度存在一定陷阱。

地震物理模擬；延安組煤層；黃土塬地表；振幅屬性

我國西部黃土塬地區煤炭資源十分富集，隨著國內煤炭消耗量的不斷增長和東部煤炭資源的減少，煤炭資源勘探與開發的重心轉向西部地區[1-4]。而西部地表條件十分復雜，最主要的特征就是黃土塬，黃土塬地區土質疏松、地表起伏大、彈性差、地震波傳播速度小、衰減大，對地震勘探造成很大的影響，使得黃土塬地區長期被地球物理學界視為“地震勘探禁區”[5-10]。地震正演模擬是理解地震波在地下介質中的傳播特點、幫助解釋觀測數據的有效手段，在地震勘探中得到了廣泛的應用[11]。地震正演模擬分為數值模型正演和物理模型正演，物理模型正演早在20世紀20年代就被用于地震勘探領域，但直到1974年著名的French模型誕生，地震勘探領域學者才真正認識到物理模擬技術在三維地震勘探中的可行性及優越性[12]。目前，對于煤層的地震模擬大多數是采用數值模擬方法，在物理模擬方面僅有少許學者進行了研究，但并沒有考慮上覆黃土塬地層對煤層的影響[13-15]。筆者嘗試利用地震物理模擬技術研究黃土塬區延安組煤層的地震響應特征，從三維地質建模到黃土塬區特性材料研究，再到三維地震物理模型的制作、數據采集與處理，最后對數據進行解釋成像，系統分析延安組煤層成像特點，以及黃土塬區對煤層刻畫的影響，以期指導實際煤層地震勘探。

1 研究區域地質條件

本次研究區主要位于鄂爾多斯盆地西南、天環坳陷南部，地層由下至上發育為中生代的三疊系、侏羅系、白堊系，新生代的古近系、新近系和第四系。其中，主要含煤地層位于侏羅系的延安組[16]，是此次模擬勘探的目的層。

1.1 地表條件

研究區地表為典型的黃土山地溝壑區，地勢總體走向為西北高東南低，地形非常復雜，地表起伏大，地表高程為900～1 600 m。表層覆蓋有幾米到幾百米的黃土，且其厚度縱橫向隨機變化，總體呈現塬上厚，溝底薄的特點。表層黃土層土質松散，從上到下大致可以分為干黃土(縱波波速為300～500 m/s)、濕黃土(縱波波速為800～1 000 m/s)和潛水面以下含水黃土(縱波波速為1 700～1 800 m/s)，表明煤層上覆層的速度較低。

1.2 延安組煤層地質條件

通過測井資料分析可知，該區域在延8(KT_y8)、延9(KT_y9)等多組地層發育有煤層，且煤層厚度不均勻，變化較大[17]。其中延9煤層較厚，為6～15 m，延8煤層厚度較薄，為2～4 m。部分地區存在煤層分叉現象，發育多組煤層，而部分地區存在空白或弱反射，表明煤層并不是全區分布。煤層的速度和密度都較低，縱波速度約為2 500 m/s，密度約為1.6 g/cm3。

2 模擬材料研發

地震物理模型試驗的基礎是地震物理模型的制作，其困難在于彈性參數的匹配與形態的可控，研究發現，環氧樹脂和硅橡膠的混合材料是最常用、最合適的模型材料[18-19]。然而這種混合材料有其自身的局限性，一方面是其速度變化范圍較小，一般為1 000～2 600 m/s，難以模擬低速層與高速層；另一方面是其均質性很好，難以滿足非均質性地層的要求。

2.1 煤層模擬材料

在地震剖面上，煤層常常表現為強振幅反射，延安組煤層具有速度低、密度小、厚度薄且分布不均勻等特點，厚度變化大，從幾米到幾十米不等，這就要求模擬材料有黏稠性、可塑性好、低速低密度等特性，而環氧樹脂和硅橡膠的混合材料無法達到這樣的要求，需要探尋新的材料或材料組合。

經過多次試驗，最終選用將1 000目(13 μm)的碳粉作為添加劑，以硅橡膠作為基質按照1∶1的質量比進行混合，用該混合材料來模擬延安組煤層。首先碳粉是一種低密度的有機質，而煤層也是一種非常好的有機質，二者在特性上有相似之處；其次，純的硅橡膠速度僅為1 000 m/s左右，是一種非常好的低速材料，又是一種膠結劑，可以和碳粉混合后形成固體而不需要其他試劑；最后，加入碳粉末的硅橡膠材料變得較為黏稠，流動性差，有利于分布不均煤層的制作和成型。圖1a為1 000目(13 μm)的碳粉末。

2.2 黃土塬表層模擬材料

對于濕黃土和含水黃土層而言，常規的物理模型材料便可滿足模擬需求。但對于干黃土層而言，其主要的特點有：①較為疏松，縱橫波速度低，孔隙率大；②衰減大，對地震波具有很強的吸收作用；③厚度差異大，分布不均勻，地貌特征復雜。故而常規的模擬材料無法滿足這些特性，需要探索新的材料來模擬干黃土層。經過大量的試驗探索，本次最終選擇用一種名為硅氣凝膠材料的粉末作為添加劑，以硅橡膠為基質的混合材料作為上覆低速高衰減黃土層的模擬材料。圖1b為塊狀硅氣凝膠。氣凝膠是一種固體物質，是世界上密度最小的固體之一，常見的氣凝膠便是硅氣凝膠，其密度為 15 kg/m3，比空氣重十幾倍，此外，硅氣凝膠孔隙率非常高，約有95%，孔隙均為納米級，孔徑為20～70 nm，因此，其對于超聲波有較強的吸收作用。

制作干黃土地層物理模型的具體過程如下：①按比例稱取一定量的硅氣凝膠和硅橡膠液體(具體比例要根據黃土層的厚度和速度確定)，將其放置在溫度為40℃的恒溫箱中保溫2～3 h；②將硅氣凝膠取出，用小型粉碎機打磨約10 s(時間過長硅氣凝膠會變為細粉，模擬效果不佳，過短則存在大顆粒，形成較大的非均質體)；③取出硅橡膠液體，將打碎的硅氣凝膠粉混入，充分攪拌使二者混合均勻；④依據干黃土層的分布規律，將混合材料涂抹至物理模型表面。應用這種材料制作的物理模型，其超聲波縱波速度變化范圍為600～1 000 m/s，拓展了原有地震物理模型材料在低速地層的限制。

3 物理模型構建與實驗采集

地震物理模擬是在實驗室將野外的地質構造和地質體按照一定的相似比模擬制作成物理模型，并用超聲波模擬野外地震波的一種模擬方法。具體來說，地震物理模擬就是依照地質結構中原體，應用特定的相似準則，縮制成模型，根據其速度、密度及結構，在模型中復演與原體相似的天然狀況，進行超聲地震實驗，通過觀測獲取數據，然后再按照相似準則將結果引申到原體，用以指導實踐。在這一系列實驗過程中，首先要求模型和原型相比是相似的，其次要對實驗數據做出合理的分析，從而得到真正可以反映原體實際情況的數據，原型是模型的基礎[20-23]。

3.1 物理模型設計與制作

首先，通過研究區域測井數據，獲取研究區內各層位的層位數據，在此基礎上建立研究區的層位模型。模型以地表黃土層為頂面，以長9層(KT_c91)向下延伸至高程–1 100 m為底面，共16個層位(表1)。通過測井分層數據和區內聲波測井數據，對研究區的各層位速度進行了統計，并以此為各分層速度建模的基礎。由微測井和小折射分析，得到黃土塬上、斜坡、溝底的地層速度結構變化和速度模型，從而完成對黃土層的地質建模。黃土塬地貌大致有三層速度結構，第一層和第二層為低(降)速度帶，速度范圍為400～1 000 m/s，深部黃土速度較為穩定，速度為1 800 m/s。采用自然伽馬和聲波時差曲線交匯的方法識別煤層位置及厚度，分析發現研究區發育多組煤層。為簡化模型的制作，在模型設計時只考慮延8(KT_y8)和延9(KT_y9)兩組煤層，其中，延9煤層存在分叉現象，煤層分布不均勻，厚度變化范圍為6～15 m，縱波速度均為2 500 m/s。圖2為最終設計的地質模型圖，為制作模型方便，縱向指標由高程改為深度。模型尺寸與實際地質體的比例為1∶20 000，模型的速度與實際速度比例為1∶2，采集數據的時間與野外采集的時間比例為1∶10 000，相應的，實驗室采集頻率與野外地震波頻率的比例為10 000∶1，即實驗室主頻為170 kHz的超聲波代表野外主頻為17 Hz的地震波。物理模型各層參數設計見表1。

根據物理模型的設計，開始對三維物理模型進行制作，模型的制作主要應用三維雕刻起伏層位、精細模具控制煤層制作、雕刻反模澆筑黃土層等手段。圖3a為延9煤層制作，圖3b為延8煤層制作。依據煤層的厚度和分布范圍，通過精細模具控制2組煤層的制作，接著，開始對其上覆地層進行澆筑，利用模具控制每個層位界面的制作，完成黃土層之下的所有地層澆筑。由于地表黃土層起伏較大，采用雕刻反模的方法進行澆筑。最后是對干黃土層的澆筑，在澆筑過程中要保證干黃土層在塬上較厚，溝中較薄的特點，分多次澆筑。完成的模型如圖4所示，圖4a是煤層及其覆蓋層的三維物理模型，圖4b是最終的三維地震物理模型。

圖2 地質模型原型

表1 三維地質模型設計參數與測量參數

圖3 2組煤層物理模型

圖4 三維地震物理模型

3.2 地震物理模擬數據采集

完成物理模型制作后便可進行地震物理模擬實驗，將制作好的三維地震物理模型放入水槽中，應用地震物理模擬采集儀器對模型進行地震數據采集，在采集之前需要先設計好觀測系統，并由數據采集程序讀取和執行。

為了更好地說明地表高衰減、低波速的干黃土層對煤層地震波場特征的影響，物理模擬實驗過程中進行了2次數據采集，完成目的層的制作后(圖4a)即進行第一次三維地震數據采集，完成整個三維地震模型制作后(圖4b)再進行一次三維地震數據采集。2次采集設計的觀測系統完全一致，采用40束30排炮4炮(共4 352炮)22線左135道右140道，其他參數見表2，依照觀測系統進行地震數據的采集，最終獲得2套三維地震數據體。

表2 物理模型實驗的觀測系統參數

4 數據處理、解釋及煤層響應特征分析

4.1 物理模型數據處理與解釋

對2組地震數據分別進行處理，可獲得2套偏移剖面。選取位于模型中間位置目的層的偏移剖面顯示，如圖5所示。從圖5可以看出，煤層有著非常強的波阻抗反射界面，圖中區域①為延9煤層的反射界面，該區域僅發育延9一組煤層，界面反射較強，其下除頁巖層尚可識別外，其他各層同相軸模糊且不連續；圖中區域②發育2組煤層，分別為延9煤層和延8煤層，反射界面振幅強且層間多次波發育，其下頁巖層成像雜亂，其余地層受到嚴重的屏蔽作用，基本無法識別。

圖5 目的層疊后偏移剖面(Inline)

圖6為2套數據在同一個Crossline方向上相應的疊前時間偏移剖面，其中，圖6a為目的層疊前時間偏移剖面，圖6b為最終模型疊前時間偏移剖面。由于最終模型比目的層模型多了上覆地層及黃土塬地表層，故第二次采集的模擬數據對應煤層的旅行時間較第一次多出約500 ms。由圖6可以看出，在沒有上覆層時，煤層地震響應特征清晰，具有強振幅異常的特征，2組煤層之間發育層間多次波。當有上覆地層及黃土塬地表層時，煤層的強振幅特性依然存在，但煤層較不連續，且受地表影響，形成傾斜界面，2組煤層之間的層間多次波消失不見。此外，煤層的下伏頁巖層和其他地層均無法識別。可見黃土塬地表層與煤層的疊加效應對煤層下伏地層有著很強的干擾，嚴重影響其成像。

4.2 煤層地震響應特征分析

地震屬性分析技術是地震儲層預測的一種主要手段[16]，本次使用屬性分析技術對延安組煤層進行屬性刻畫。由于煤層存在異常振幅值，較其他方面的屬性而言，其對振幅有著更好的敏感性，因此，主要選取了最大振幅、最小振幅和均方根振幅3種屬性，并在不同時窗下進行計算，以此識別和刻畫延安組煤層的邊界和厚度。共選取了4組時窗進行振幅屬性計算，時窗分別為10、40、100、200 ms，圖7為目的層模型的振幅屬性計算結果，圖8為最終模型的振幅屬性計算結果。

從圖7可以看出，2套數據中，當計算時窗較小(≤40 ms)時，各振幅屬性都難以準確識別煤層的分布，也難以刻畫煤層的厚度；當計算時窗較大(>40 ms)時，可以較好地刻畫煤層的分布。對比2套數據的振幅屬性，可以發現，黃土塬地層對煤層的識別有影響，主要表現在降低了地震數據的信噪比，使得煤層的邊界刻畫不準確，但總體上煤層還是可識別的。對比3種不同振幅屬性，可以發現，在目的層模型中，三者識別的煤層差異較小，而且在大時窗條件下，基本可以準確識別出煤層，而在有黃土塬地表層模型中，不同屬性識別出的煤層存在差異，相比而言，均方根振幅屬性刻畫的煤層更接近實際煤層的分布。

圖8 不同時窗計算下最終模型振幅屬性

5 結論

a.延安組煤層的速度和密度與圍巖相差較大，波阻抗差異明顯，在地震剖面上表現為強反射振幅特性，容易識別。

b. 煤層對下部地層的成像具有較強的屏蔽作用，尤其是發育多組煤層時，會產生層間多次波，使得其下伏地層成像模糊甚至無法成像。

c.由于煤層的調諧效應，應用振幅屬性對煤層進行刻畫時，不同屬性和不同時窗刻畫的煤層厚度會有差別，故用地震屬性預測煤層厚度存在一定的陷阱；總體而言，大時窗(大于40 ms)計算得到的屬性更有利于煤層的刻畫。

d.黃土塬地表層對煤層的刻畫有著較大的影響，地表溝壑的存在使得煤層同相軸連續性變差，低速高衰減的干黃土層降低了煤層信號的信噪比，使得煤層的刻畫不準確。

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Physical modeling of seismic response for the coal seams of Yan’an Formation in loess tableland of North China

XING Tingdong1,2, XUE Shigui1,2, LI Xiaowei3, SUO Chonghui1,2, WANG Huiming1,2, JIAO Yanyan1,2

(1. SINOPEC Key Laboratory of Geophysics, Nanjing 211103, China; 2. SINOPEC Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, China; 3. Exploration and Development Research Institute, SINOPEC North China Company, Zhengzhou 450006, China)

A seismic physical simulation is carried out for the complex seismic response of the coal seam of Yan’an Formation in the loess tableland. First, the physical model materials for the dry layer near the surface of the loess tableland and the coal seam are developed. After several tests, a mixture of silicone rubber with silicon aerogel powder is selected to simulate the surface of the loess tableland, and the mixture with ultra-fine carbon powder added to silicone rubber is used to simulate the low-speed and low-density coal seam. Through the methods of molds control layer, layer by layer pouring, three-dimensional carving of undulating strata, a three-dimensional seismic physical model of the typical geological structure in the loess tableland is constructed, and seismic physical simulation and seismic imaging analysis are carried out. The results show that there is a strong reflection amplitude because of the great difference in impedance between the coal seam and surrounding rock of Yan’an Formation. Therefore, it has a strong shielding effect on the imaging of the lower strata. There are internal multiple waves in the multiple sets of coal seams, affecting the imaging of the underlying layer. The calculation time window greater than 40 ms is more favorable to coal seam identification when the coal seam is described by the seismic amplitude attribute. But there are some traps in predicting coal seam thickness by seismic attributes because of the coal seams tuning effect.

seismic physical modeling; Yan’an Formation coal seam; loess tableland surface; amplitude attribute

語音講解

P631

A

1001-1986(2021)06-0087-07

2021-08-20；

2021-10-22

國家自然科學基金企業創新發展聯合基金項目(U19B6003-004)

邢廷棟，1991年生，男，陜西榆林人，碩士，工程師，從事地震物理模擬實驗及研究工作. E-mail：xingtd.swty@sinopec.com

薛詩桂，1980年生，男，河南南陽人，研究員，從事地震物理模擬及地震數據分析方法技術研究. E-mail：38473815@qq.com

邢廷棟，薛詩桂，黎小偉，等. 黃土塬區延安組煤層地震響應特征物理模擬研究[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：87–94. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.010

XING Tingdong，XUE Shigui，LI Xiaowei，et al. Physical modeling of seismic response for the coal seams of Yan’an Formation in loess tableland of North China[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：87–94. doi: 10.3969/j. issn.1001-1986.2021.06.010

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(責任編輯 聶愛蘭)