應用三維地震資料解釋煤層頂板砂體賦存范圍方法的探討

江球

【摘 要】以袁大灘礦三維地震勘探區為例，說明了在西部區域進行三維地震勘探的必要性。為了預測煤層頂板砂體賦存范圍，處理過程應用球面擴散補償技術、地表一致性振幅補償技術、分頻去噪技術以及保護低頻處理等技術有效地提高了弱反射層的性噪比，為后續的疊后屬性提取，疊后反演，提供良好的數據基礎；應用多子波分解重構，有效地去除了不需要的子波，得到能夠更好反映目的層特征的地震信號；應用多屬性分析技術預測了煤層頂板中中粗粒砂巖的賦存范圍。

【關鍵詞】三維地震；資料處理；巖性解釋

中圖分類號： P631.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0181-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.087

0 引言

1995年，在陽泉五礦開展的三維地震勘探工程開創了煤炭系統復雜地表條件下三維地震勘探的先例。目前，煤炭系統三維地震勘探技術應用領域已經拓展到包括丘陵地區、山區、戈壁區、沙漠區、海陸交互帶、黃土塬區等地區，應用范圍包括華東、華北、中部與西部地區，此前的三維地震勘探工作主要以構造勘探為主，巖性解釋主要集中在煤層厚度變化趨勢、巖漿巖侵入煤層范圍等，很少涉及煤層頂底板巖性勘探領域。

袁大灘位于陜北黃土高原北端，毛烏素沙漠東南緣。井田處于鄂爾多斯盆地中部次級構造單元陜北斜坡中南部，陜北斜坡為一單斜構造，巖層北西西向微傾，局部發育有寬緩的短軸狀向斜、背斜及鼻狀隆起等次級構造，未發現規模較大的褶皺、斷裂，亦無巖漿活動痕跡。

威脅煤礦安全高效生產的因素主要為煤層頂板砂體水害。煤層頂板含水層主要是煤層頂板中的中粗礫砂巖，頂板砂巖含水層不是構成煤礦突水災害的主要含水層，卻是直接影響煤礦排水系統設計與布置，是最終影響生產效率與生產成本的重要因素。

要做好煤礦頂板水害防治工作的前提是查清煤層頂板中含水砂體（中粗粒砂巖）賦存范圍與厚度。鉆孔資料精度高，但控制的范圍小，對頂板砂體的橫向變化只能靠插值方法來解決，電法勘探資料受影響的因素較多，三維地震勘探為體積勘探，有較好的橫向分辨率與縱向分辨率，擬采用三維地震勘探資料解釋煤層頂板砂體賦存情況具有重大意義。我們在袁大灘井田選擇了2平方公里的區域進行了應用三維地震資料預測煤層頂板砂體賦存范圍的試驗工作。

1 地質概況

根據地質填圖及鉆孔揭露，研究區地層由老至新依次為：三疊系上統永坪組，侏羅系下統富縣組、中統延安組、直羅組、安定組，白堊系下統洛河組，第四系中更新統離石組、上更新統薩拉烏蘇組及全新統風積沙。

研究區地表全部被第四系風積沙和風沙灘地所覆蓋，以風蝕風積沙漠丘陵地貌為主。地形總的趨勢為西北部高東南部低，最高處位于西北部，標高1251.4m，最低處位于井田東南部，標高1162m，一般標高在1206m左右，相對最大高差89.4m。井田含煤地層為延安組，賦存大部可采煤層4層，為2號、3-1、4-2、5號煤層。2號煤層地板標高838.8～880.69m，煤層厚度2.01～4.26m；3-1煤層底板標高805.53～833.85m，煤層厚度0.7～0.84m；4-2煤層底板標高754.7～782.34m，煤層厚度1.49～2.07m；5號煤層底板標高715.03～744.47m，煤層厚度1.56～1.69m。

2號煤層頂部，主要為直羅組底部砂巖，厚度變化較大，一般為0～32.48m。巖性為中、粗粒長石砂巖。

2 地球物理特征

研究區平緩低洼處潛水位為1.5～2.5m，較高的沙丘處潛水位為8～10m。沙漠質地松散，震動效果較大，對房屋、羊圈等障礙物要求變觀距離較遠。這些地表條件給地震勘探的測網布置和野外施工造成了很大困難。

研究區含煤地層為延安組，其巖性多為泥巖和砂巖，主要煤層沉積穩定，煤層頂板為泥巖、粉砂質泥巖，局部為細砂巖，底板為泥巖。煤層結構簡單。

由以上分析可知：煤層與其頂、底板巖層的波阻抗差異十分明顯，是一個良好的波阻抗界面，能形成良好的反射波，但是煤層較多，3-1煤層較薄（<1m），受2煤層遮蔽作用影響較大，反射波能量較弱。

3 數據采集

采用束狀8線10炮制觀測系統，其基本參數為：單線接收道數為96道，接收道距10m，接收線距40m，炮排距80m，疊加次數為橫向4次、縱向6次，束線距為200m，中點激發。

采用水槍成孔，成孔深度為在低洼處為5m、在沙丘處為15m，一般要求為在潛水位下3m時終孔，激發藥量為1kg。

4 數據處理

地震反射波能量與反射界面波阻抗成正比，波阻抗與巖性的變化存在一定的聯系，這就是利用反射波振幅進行巖性反演的理論基礎。因此，在地震資料處理的過程中，需要采用合理、有效的處理手段，保持地震波的振幅、能量和頻率以及波形同向性等不發生畸變，保持相對振幅關系和時頻特性，以保持波場的動力學特性，為后續的地震屬性分析和巖性反演工作做好數據準備。

4.1 振幅補償技術

影響地震波反射振幅的因素很多，具體可以分為以下五個方面：激發和接收條件的一致性；地下地質構造、巖性的變化；地震波傳播過程中能量的變化（幾何擴散損失、大地濾波吸收衰減、透射損失、薄層調諧）；噪音對地震反射波的影響；因此，正確恢復振幅，對后續的屬性提取、巖性反演，起至關重要的作用。

（1）球面擴散補償技術

球面擴散補償的目的是恢復波前發散所造成的能量隨深度的加深而減弱的能量損失。球面擴散是一種三維補償，體現在利用三維速度場進行振幅補償，補償的數學方法是一種單值映射函數，具有很高的保幅性。補償因子的大小主要與初始速度和均方根速度有關，所以速度的準確與否直接影響到振幅補償的合理性。在該區的處理中，補償速度是準確的實際速度場進行的，保證了補償的效果與保幅性。

（2）地表一致性振幅補償技術

在地震資料采集中，由于激發條件與接收條件不同常常會造成不同的炮間和不同的道間存在較大的能量差異。為了消除這種由于激發因素與接收因素不同所造成的能量差異，必須進行一定的能量校正和補償。地表一致性振幅校正是針對因地表激發和接收條件不一致造成的各個地震記錄道間的能量不均衡，并通過對共炮點、共檢波點、共偏移距、共中心點道集的振幅進行一致性統計分析和補償，有效地消除各炮、道之間的非正常能量差異。經過地表一致性振幅補償，能夠基本消除由于地表條件、激發接收條件的空間變化對地震波振幅的影響，使得地震波振幅的空間變化，能夠反映地下巖性的空間變化情況。

4.2 振幅保持去噪技術

（1）分頻去噪技術

分頻去噪是通過對將地震信號分解成不同的頻率段，通過搜索不同頻率段的異常振幅來去除異常大振幅噪音，該方法對地震波的振幅完全沒有損害，是一種非常保幅的去噪方法。

（2）疊前大傾角規則噪音壓制

對目標區單炮分析發現炮集記錄中線性噪音能量較強，嚴重干擾到淺層反射，需要在炮集上對線性干擾進行壓制。要壓制炮集記錄中各種大傾角強能量的規則噪音，通過在時空域采用逐點多道識別、單道計算的方法來識別各種傾角的規則噪聲，并采取中值濾波和預測濾波對檢測到的規則噪聲進行壓制，應用這種方法處理效果明顯，且不產生假象。

4.3 疊后拓頻技術

在常規的處理中，我們常常使用反褶積來達到壓縮子波、提高分辨率的目的，然而在其算法推演的過程中，既沒有考慮大地對信號的吸收和噪音的影響，而且還提出了很多假設條件，例如子波是穩定的而且是最小相位的，反射系數序列是白噪的。實際上這些條件在大多數情況下都是很難滿足的，這就影響了算法的穩定性，從而影響了反褶積效果。反Q濾波就是考慮到地震波在傳播過程中，大地對信號吸收衰減作用可以視為一個濾波系統，而用希爾伯特變換所得到的反Q濾波算子對地震記錄進行補償，可以使剖面在振幅、相位等方面對信號進行補償，從而達到疊后拓頻的效果。

4.4 保護低頻處理技術

在反演中，各個頻率成份都有其不同的意義，低頻成份刻畫構造的整體特征，低頻成份的缺失會導致厚度預測誤差。全過程的低頻保護處理，有效能提高弱反射層的性噪比，為后續的疊后屬性提取，疊后反演，提供良好的數據基礎。

5 巖性解釋

本研究對于中粗粒砂巖的預測，涉及到地震巖性解釋的范疇。在地震數據中巖性的物性差異可能體現在地震波的時間、地震波的頻率、振幅、相位差異。故計算、研究包含一定厚度（時間剖面上顯示為時間）“層”的各種層地震屬性，結合鉆孔資料可能有助于發現目標巖層。常用的層屬性包含振幅和能量屬性、頻率類屬性、相位屬性、波形屬性、延時屬性以及其他屬性。

在項目實施過程中，在以測井地球物理分析分析的基礎上，充分利用地震波的幾何學、運動學、動力學以及統計學特征—振幅、波形、頻譜成像、頻譜衰減進行定性預測。在進行這些屬性提起前，首先對地震數據進行多子波分解，削弱煤層強反射層對砂巖層的影響。

本次研究的煤層頂板中粗粒砂巖厚度為幾米～十幾米的薄互層，其下煤層的低頻強反射不可避免地屏蔽了中粗粒砂巖的反射異常，這樣直接計算的屬性不能真實反映中粗粒砂巖的地震屬性特征。利用多子波分解地震道技術，對該區三維地震道數據進行含煤層段多子波分解與重構處理，去掉強煤層反射的影響。在此基礎上，利用地震屬性對目的層段中粗粒砂巖進行研究。

多子波地震道分解技術將一個地震道分解成多個不同形狀，不同主頻率的地震子波。用這些子波重新組合，就可以精確地重構出分解前的地震道。而用部分子波重構，可以得到新的地震道。因此可以根據實際情況，去除不需要的子波，得到能夠更好反映目的層特征的地震信號。

5.1 均方根振幅屬性

均方根振幅是將地震道的每個樣點的振幅值平方后求和，然后進行算術平均再開方，得到在某一視窗某一道的均方根振幅值。該計算方法的特點是能把小值變得更小，大值變得更大，突出了數據之間的差異，有利于揭示振幅的橫向變化異常。

5.2 地震相分析

地震相是對特定沉積體的地震響應，地震的各種屬性則包含了地下地質體的多種信息。不同類型的地層巖性、物性的變化都將引起反射特征的變化。在VVA軟件中，利用神經網絡技術對選取的目的層段的地震波形進行統計分類，通過多次迭代計算出模型道，然后將模型道與實際地震道進行對比，通過自適應試驗和誤差處理在模型道與實際地震道之間尋找最佳的相關性，從而得到地震相平面圖。

地震子波由于吸收作用，橫向上會畸變；縱向上會拉伸。畸變和拉伸的程度完全取決地層的物性。地震波經過孔隙砂巖后必然引起其形態的明顯變化。因此在本項目中，不但可以通過地震相來研究沉積微相的變化，也可以通過研究地震波經過地層后形態的變化來研究孔隙砂巖和流體分布。

5.3 頻譜成像

為了有效識別各煤層頂板中～粗砂巖厚度分布情況，在Stratimagic軟件中對各煤層頂板進行頻譜成像，最終選擇40Hz、30Hz、80Hz、80Hz、80Hz的結果分別對2煤頂板巖層上段、2煤頂板進行對比分析。

5.4 吸收衰減

理論研究表明，與致密地質體相比，高孔隙巖石中的流體會引起地震波的散射和地震能量的衰減，在地震頻譜中，表現為高頻衰減，高頻部分頻譜變化的斜率增大，頻帶變窄。在VVA軟件中，固定層段后可計算得到兩個重要描述衰減程度的參數：衰減系數 R2；衰減斜率 K；公式：y=kx+bK是斜率，K=tanα；R2 是相干系數；R2 =[0，1]

利用上述原理，對研究區各目標層段進行頻譜衰減計算。

5.5 巖性解釋結果

（1）2煤頂板地層上段中粗粒砂巖預測

的沉積現象，紅色和黃色表示河流沉積的區域，可以看出河流沉積方向為南北向。頻譜成像（c）和吸收衰減（d）反映了該層段中粗粒砂巖主要分布在工區南部，砂巖平均速度為3300m/s，頻譜成像頻率為40Hz，則該段厚度主要分布在20m左右。

（2）2煤頂板地層下段中粗粒砂巖預測

發育帶異常，根據頻譜成像的結果，砂巖平均速度為3300m/s，頻譜成像頻率為30Hz，則該段厚度主要分布在27m左右。

6 結論

（1）對地震資料進行相對振幅保持與保護低頻信息處理，盡量保證煤層頂板弱反射信號的成像，是進行煤層頂板砂體預測的有效處理手段。

（2）在應用疊后屬性進行定性預測時，應用多子波分解技術削弱煤層反射信號對砂體反射的干擾，然后再進行多種屬性的提起，是保證砂體預測效果的必要手段。