地震反射波地質(zhì)層位標定方法研究

王樹威

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

在煤炭勘查過程中，地震資料層位標定十分重要，是煤炭勘探中儲層研究的前提，也是高精度勘探工作的基礎工作。時間剖面相位的標定直接反應反射波目的層的標定、井旁地震相和沉積相的劃定。目前，國內(nèi)外常見的地震反射波地質(zhì)層位標定方法主要有人工合成記錄、VSP橋式連接、時-深轉(zhuǎn)換尺、鄰近地震引層。

層位標定是地震解釋階段的第一步，由于不同區(qū)域的煤層及圍巖地質(zhì)層位(砂體、灰?guī)r)等賦存條件不同，對之進行地震反射波地質(zhì)層位標定的方法也不一樣。但是，在解決實際問題時，經(jīng)常存在多解性和局限性。利用綜合標定，可提高最終成果的可靠性和精度。

1 層位標定方法

地震時間剖面并不能直接反應地下的地質(zhì)信息，需要有探井的地質(zhì)錄井資料。但是二者卻沒有直接的聯(lián)系，所以層位標定就起到一個橋梁的作用，使二者關聯(lián)起來，賦予地震剖面上的同相軸地質(zhì)含義。

1.1 時-深轉(zhuǎn)換尺標定法

時-深轉(zhuǎn)換尺標定也稱平均速度標定法，是利用各井的測井資料，得到高精度的平均速度與對應深度，再將其進行綜合的平均速度曲線擬合，從而得到速度與深度的對應曲線。

利用單井測井資料中不同煤層的基準面埋深和填充替換速度來求取各層平均速度，結(jié)合速度與深度的擬合曲線來進行地質(zhì)層位標定，不同的深度對應不同的速度，二者相除即可求得時間。

如果勘探區(qū)內(nèi)沒有測井資料，時-深轉(zhuǎn)換尺標定可以利用速度掃描的方法得到高精度的平均速度，對全區(qū)進行速度掃描得到整體的速度譜，統(tǒng)計后進行綜合的平均速度曲線擬合，最終得到全區(qū)的平均速度擬合曲線。具體步驟如下：

(1)計算均方根速度。資料處理時，會生成一個DMO偏移速度體(100 m×100 m)，依據(jù)疊加速度與偏移速度的線形關系，能夠求得疊加速度體Va。疊加速度體可以求出目的層及以上各地層網(wǎng)格節(jié)點對應的各t0時間處的Va。然后，根據(jù)疊加速度Va和均方根速度Vr的轉(zhuǎn)換公式求出各點的均方根速度。 在水平地層，Va=Vr；在傾斜地層，Va=Vr/cosα，α表示地層傾角，因為DMO已經(jīng)校正了地層傾角，所以能夠直接得到相同網(wǎng)度的均方根速度體。

(2)計算層速度。這里的“層”不是指地層或等速度層，而是從疊加速度體上拾取速度時的節(jié)點分層。 利用DIX公式計算層速度Vn：

式中：t0,n——第1層到第n層的t0時間， s；

tn——第n層的t0時間，s；

Vr,n——第1層到第n層的均方根速度，m/s。

(3)計算平均速度。利用層速度能夠求得100 m×100 m網(wǎng)格節(jié)點對應的目的層及其以上地層的平均速度Vav：

式中：vi——各層層速度，m/s；

ti——各層旅行時間，s。

求出各節(jié)點的平均速度后進行速度擬合，能夠得到全區(qū)的平均速度擬合曲線。

利用平均速度能夠直接求得5 m×5 m網(wǎng)格節(jié)點對應的目的層深度h：

式中：Vav——目的層及以上地層的平均速度，m/s；

ti——穿過各層的旅行時間，s。

反算出目的層的深度后，可以在遠離測井的區(qū)域內(nèi)“初步定位”。

1.2 VSP橋式連接標定法

鉆探揭示的井下地質(zhì)層位是最具權(quán)威性的，但僅是“一孔之見”，只有把鉆孔資料與地震資料結(jié)合起來，才能把井下對“點”的認識通過地震波組的特征擴展到井周圍更大的區(qū)域。連接鉆孔與地震資料的橋梁非VSP莫屬。

垂直地震剖面(簡稱VSP)是一種非常精確的地球物理勘探方法，因為其工作方式的特殊性，使其成為連接地震鉆井、測井數(shù)據(jù)與地震信息的紐帶。其工作方式為：在地表設置震源激發(fā)地震波，沿井柱在井下逐點接收地震波。

因為 VSP是在井中接收地震波，所以可以避免地表對波場產(chǎn)生的影響，可以獲得精確的地震波傳播速度，還可以接收到地面地震觀測所接收不到的下行直達波。通過VSP走廊疊加剖面與井旁的地震剖面的對比，可以確定地震剖面上各反射波同相軸所代表的地質(zhì)屬性。

1.3 人工合成地震記錄標定法

人工合成地震記錄，即通過聲波測井和密度測井資料，求取一個反射系數(shù)序列，再將這個反射系數(shù)序列與某個子波進行褶積得到的結(jié)果。其公式為：

S(t)=R(t)·W(t)(3)

式中：S(t)——合成地震記錄；

R(t)——反射系數(shù)序列；

W(t)——地震子波。

由此獲得的人工合成地震記錄，與井旁地震記錄進行比較，假如波形相似，時間相近，即可確定井旁地震剖面上各反射波的地層屬性，此方法主要用于研究工區(qū)缺乏VSP資料的時候。在實際工作中，雖然大部分同相軸對應良好，但是有些對應的并不理想。所以，在出現(xiàn)以上問題時，要首先檢查測井資料上的明顯干擾是不是已經(jīng)被去掉，再有就是看反射系數(shù)計算是否準確以及不斷地調(diào)整選擇的子波，直到大部分的同相軸可以對應為止。

1.4 鄰近地震引層標定法

一些三維地震勘探區(qū)內(nèi)之前沒有進行過鉆探勘探，所以沒有鉆探資料和測井資料，無法進行平均速度標定、VSP橋式連接標定和人工合成地震記錄標定，但這些工區(qū)周邊往往已經(jīng)進行過地震勘探，周邊勘探區(qū)的地質(zhì)層位跟本工區(qū)的目的層基本一致，層位標定時可以根據(jù)相位特征類比法進行鄰近地震引層。由于相鄰地區(qū)的地質(zhì)層位相位特征往往一樣，所以在沒有鉆探資料的情況下可以采用鄰近地震引層的方法進行層位標定。如果工區(qū)有鉆孔資料，鄰區(qū)又進行過地震勘探，利用鉆孔資料標定過層位后，可以與鄰近工區(qū)的地質(zhì)層位進行類比以校正該工區(qū)的地質(zhì)層位。

2 層位標定正演模擬

為了更好地進行構(gòu)造解釋，必須清楚地了解地震反射波在地質(zhì)層位中的傳播特點。設計地質(zhì)模型，通過正演模擬的方法，可以準確標定層位，指導野外正確施工。

2.1 陜北淺層正演模擬

陜北神木縣境內(nèi)有一煤礦，主要開采3-1煤層、4-2煤層、5-2煤層。三層煤埋深都很淺，且煤厚不一，要對該煤礦的構(gòu)造進行解釋，首先要準確標定層位。根據(jù)本勘探區(qū)的煤層賦存特點，建立地質(zhì)模型，如圖1所示。

圖1 陜北淺層地質(zhì)模型

圖1中，第一層為黃土、粘泥低速帶，厚度40 m，速度1200 m/s，密度1728 kg/m3；第二層為粉砂巖，厚度40 m，速度2500 m/s，密度2200 kg/m3；第三層為3-1煤層，煤厚3 m；第四層為細砂巖，厚度50 m，速度3200 m/s，密度2230 kg/m3；第五層為4-2煤層，煤厚4 m；第六層為砂巖，厚度80 m，速度3400 m/s，密度2260 kg/m3；第七層為5-2煤層，煤厚6 m，三層煤速度均為2200 m/s，密度均為2086 kg/m3；第八層為粗砂巖，厚度290 m，速度3600 m/s，密度2290 kg/m3。

平面波的正演模擬結(jié)果如圖2所示，自激自收得到60 ms時間軸處為第一層反射界面的反射波，3-1煤層頂板反射波在90 ms時間軸，底板反射波在96 ms時間軸；4-2煤層頂板反射波在122 ms時間軸，底板反射波在128 ms時間軸；5-2煤層頂板反射波在162 ms時間軸，底板反射波在168 ms時間軸。

圖2 陜北淺層正演模擬示意圖

2.2 陜北中深層正演模擬

陜北府谷縣境內(nèi)有一煤礦，井田內(nèi)可采煤層較多，從淺部到中深部依次有2-2煤層、3-1煤層、4-2煤層、5-1煤層和5-2煤層。為準確標定層位，根據(jù)本勘探區(qū)的煤層賦存特點，建立地質(zhì)模型，如圖3所示。

圖3 陜北中深層地質(zhì)模型

第一層為黃土低速帶，厚度10 m，速度400 m/s，密度1080 kg/m3；第二層為紅土低速帶，厚度20 m，速度800 m/s，密度1405 kg/m3；第三層為粉砂巖，厚度40 m，速度2500 m/s，密度2200 kg/m3；第四層為細砂巖，厚度165 m，速度3300 m/s，密度2245 kg/m3，其間有三層煤：2-2煤層，3-1煤層和4-2煤層，厚度分別為4 m、1 m和2 m，埋深分別為90 m、150 m和185 m，煤層速度均為2200 m/s，密度均為2086 kg/m3；第五層為5-1煤層，煤厚2 m；第六層為砂巖，厚度50 m，速度3500 m/s，密度2275 kg/m3；第七層為5-2煤層，煤厚3 m；第八層為粗砂巖，厚度45 m，速度3800 m/s，密度2320 kg/m3。

平面波的正演模擬結(jié)果如圖4所示，自激自收得到49 ms時間軸處為2-2煤層的反射波，3-1煤層頂板反射波在98 ms時間軸，底板反射波在102 ms時間軸；4-2煤層頂板反射波在144 ms時間軸，底板反射波在152 ms時間軸；5-1煤層頂板反射波在202 ms時間軸，底板反射波在210 ms時間軸；5-2煤層頂板反射波在250 ms時間軸，底板反射波在258 ms時間軸。

圖4 陜北中深層正演模擬示意圖

3 應用效果分析

地質(zhì)模型的數(shù)值模擬可以為工區(qū)地質(zhì)層位的標定提供參考，在實際工區(qū)的層位標定時除了參考模型的正演模擬外，必須要充分利用工區(qū)內(nèi)和周邊的鉆孔，得到高精度的平均速度與對應深度，即時-深轉(zhuǎn)換尺。當工區(qū)內(nèi)有鉆孔，往往利用時-深轉(zhuǎn)換尺求取平均速度和合成記錄標定相結(jié)合的方法進行層位標定；若是沒有鉆孔，則可以利用鄰近地震引層的方法進行標定。以下分別以兩個正演模擬對應的工區(qū)來說明兩種綜合方法的實際應用。

3.1 正演模擬與鄰近地震引層綜合標定

地表多被第四系風成沙和黃土所覆蓋，基巖出露于較大的溝谷之中，根據(jù)地表和鉆孔揭露信息，地層由老到新為：中生界三疊系上統(tǒng)延長組；侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組；新生界新近系、第四系。

勘探區(qū)內(nèi)2-2煤層已大面積自燃，主采煤層為3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層，其中3-1煤層底板標高在1130～1150 m范圍內(nèi)變化，兩極厚度為2.64 m和2.78 m；4-2煤層底板標高在1090～1115 m范圍內(nèi)變化，兩極厚度為3.25 m和3.65 m；5-2煤層底板標高在1015～1040 m范圍內(nèi)變化，兩極厚度為5.7 m和6.05 m。故區(qū)內(nèi)主要發(fā)育來自于3-1煤層、4-2煤層、5-2煤層的標準反射波。由于勘探區(qū)內(nèi)沒有鉆孔，不能制作合成記錄，而且煤層埋深較淺，速度掃描精度不高，所以在層位標定時，除了結(jié)合正演模擬外，還引用了鄰區(qū)三維地震標定層位的成果。在相鄰三維地震勘探區(qū)之中有一片區(qū)域緊鄰本次勘探區(qū)，因此對比分析后由鄰區(qū)煤礦三維地震的層位標定延伸過來進行了本次勘探區(qū)的層位標定。

鄰區(qū)煤礦和本勘探區(qū)的波組特征基本一致，如圖5所示，3-1煤層、4-2煤層、5-2煤層的標準反射波同相軸時間也非常吻合，3-1煤層和4-2煤層是緊鄰的兩個相位，4-2煤層和5-2煤層中間隔了一相位，而且實際標定的層位跟地質(zhì)模型正演模擬標定的結(jié)果非常相似，因此神木縣境內(nèi)該煤礦的地質(zhì)層位可以根據(jù)鄰區(qū)地震引層和正演模擬來綜合標定。

圖5 鄰區(qū)層位和本次勘探區(qū)層位標定對比圖

3.2 正演模擬、時-深轉(zhuǎn)換尺和合成記錄綜合標定

區(qū)內(nèi)有鉆孔的條件下，一般采用人工合成記錄和時-深轉(zhuǎn)換尺綜合標定方法，即以時-深關系為先導、合成記錄為橋梁，同時考慮煤層層數(shù)、厚度與間距等相關特征，把地質(zhì)、測井、地震等多種信息綜合對比，進行層位標定，將相應的地質(zhì)含義準確賦予每組地震反射波。

二者綜合層位標定方法的主要優(yōu)點體現(xiàn)在三方面：從時間、深度域進行地層劃分和小層對比，可以提供較為準確的時-深轉(zhuǎn)換關系，克服了測井曲線制作合成記錄時速度轉(zhuǎn)換的局限性。具體步驟為：首先根據(jù)鉆孔資料的煤層深度進行速度分析、t0時間與煤層深度線性擬合；之后編輯聲波時差測井曲線、剔除曲線畸變，并結(jié)合自然電位、人工伽瑪、自然伽瑪、視電阻率等曲線提取井旁道地震子波制作單井合成記錄，隨之標定層位和追蹤大框架地震剖面，檢查各反射層閉合效果，針對鉆孔分層數(shù)據(jù)不閉合的情況，調(diào)整不閉合井的合成記錄。根據(jù)綜合標定的判別標準即DIX速度、聲波速度與反算速度趨勢一致、單井的時-深關系與全區(qū)綜合速度基本一致、標準反射層的速度變化符合地質(zhì)規(guī)律并綜合判別標定的結(jié)果，最終標定本區(qū)層位。

勘探區(qū)內(nèi)地形被強烈切割，呈現(xiàn)溝壑梁峁的地貌，緩坡和山梁大多被第四系黃土和新近系紅土所覆蓋，溝谷、陡坡都是基巖出露區(qū)，區(qū)內(nèi)最低海拔1080 m、最高海拔1358.1 m。鉆孔揭露及地表填圖觀測到區(qū)內(nèi)的地層由老至新有三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、新近系(N2)及第四系(Q)。

主要可采煤層為2-2煤層、3-1煤層、4-2煤層、5-1煤層、5-2煤層，煤層間距穩(wěn)定至較穩(wěn)定，變化范圍在30～50 m左右，局部地段超過50 m，屬穩(wěn)定層間距。2-2煤層底板標高1082.71～1200.24 m，煤層厚度0.31～5.00 m；3-1煤層底板標高1020.36～1194.46 m，煤層厚度0.50～1.72 m；4-2煤層底板標高972.58～1198.41 m，煤層厚度0.82～2.27 m；5-1煤層底板標高928.53～1165.42 m，煤層厚度0.50～2.36 m；5-2煤層底板標高871.76～1169.06 m，煤層厚度0.80～4.07 m。

結(jié)合地質(zhì)模型對地質(zhì)層位的正演模擬，首先利用地震資料處理過程中的速度譜，對每條地震測線通過DIX公式求得地層層速度，再轉(zhuǎn)換為平均速度，得到全區(qū)平均速度擬合曲線，如圖6所示；再根據(jù)勘探區(qū)內(nèi)的鉆孔資料做成合成地震記錄，ZK125-04的合成記錄與實際剖面對比如圖7所示，合成記錄跟右側(cè)地震記錄中的2-2煤層、3-1煤層、4-2煤層、5-1煤層、5-2煤層所對應的同相軸相關程度非常高，與模型正演模擬標定的層位也很相近，跟左側(cè)測井曲線的聲波曲線和密度曲線吻合程度也較好，所以該合成記錄對地質(zhì)層位已初步標定；最后進行綜合標定，鉆孔ZK125-04中的5-1煤層基準面埋深269.81 m，地震時間剖面上鉆孔ZK125-04的5-1煤層大概對應213 ms時間軸，平均速度擬合曲線上213 ms時間對應速度2510 m/s，二者相乘得到5-1煤層深度為267.32 m，與基準面埋深非常接近。由此可見，時-深轉(zhuǎn)換尺跟合成記錄綜合標定使層位標定更為精確。

圖6 全區(qū)平均速度擬合曲線

圖7 ZK125-04鉆孔合成記錄與實際剖面對比圖

4 結(jié)論

地震反射波地質(zhì)層位標定是地震勘探不可或缺的關鍵技術(shù)之一，要提高層位標定的精度，做好地震解釋中的第一步。當勘探區(qū)內(nèi)沒有鉆孔時，可以采用鄰近地震引層的方法進行層位標定，如果鄰區(qū)沒有做過地震勘探，可以采用速度掃描求取平均速度的方法進行層位標定；當勘探區(qū)內(nèi)即有鉆孔又有測井資料時，往往采用人工合成記錄和時-深轉(zhuǎn)換尺相結(jié)合的方法進行層位標定。通過本次研究，得到以下幾點認識：

(1)根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)條件和提供的地質(zhì)資料以及鉆孔資料，針對地質(zhì)任務首先建立地質(zhì)模型，數(shù)值模擬不僅可以為地震勘探的野外施工提供參數(shù)、確定合理的觀測系統(tǒng)，還可以為要求的地質(zhì)層位的標定提供對比和參考。

(2)進行平均速度擬合時，應該注意在使用各井的資料時應選取分散并有代表性的井資料。如果研究區(qū)內(nèi)有不同的構(gòu)造單元，則需要根據(jù)不同的構(gòu)造單元分別求取。

(3)為了從人工合成記錄中取得精確的反射系數(shù)，準確的密度和速度參數(shù)是必不可少的。聲波曲線值取倒數(shù)可以得到速度，密度曲線可以得到密度，速度曲線與密度曲線可以求得波阻抗曲線，最終得到反射系數(shù)。