地震反射波地質(zhì)層位標(biāo)定方法研究

王樹(shù)威

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

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

層位標(biāo)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(duì)之進(jìn)行地震反射波地質(zhì)層位標(biāo)定的方法也不一樣。但是，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，經(jīng)常存在多解性和局限性。利用綜合標(biāo)定，可提高最終成果的可靠性和精度。

1 層位標(biāo)定方法

地震時(shí)間剖面并不能直接反應(yīng)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(méi)有直接的聯(lián)系，所以層位標(biāo)定就起到一個(gè)橋梁的作用，使二者關(guān)聯(lián)起來(lái)，賦予地震剖面上的同相軸地質(zhì)含義。

1.1 時(shí)-深轉(zhuǎn)換尺標(biāo)定法

時(shí)-深轉(zhuǎn)換尺標(biāo)定也稱(chēng)平均速度標(biāo)定法，是利用各井的測(cè)井資料，得到高精度的平均速度與對(duì)應(yīng)深度，再將其進(jìn)行綜合的平均速度曲線擬合，從而得到速度與深度的對(duì)應(yīng)曲線。

利用單井測(cè)井資料中不同煤層的基準(zhǔn)面埋深和填充替換速度來(lái)求取各層平均速度，結(jié)合速度與深度的擬合曲線來(lái)進(jìn)行地質(zhì)層位標(biāo)定，不同的深度對(duì)應(yīng)不同的速度，二者相除即可求得時(shí)間。

如果勘探區(qū)內(nèi)沒(méi)有測(cè)井資料，時(shí)-深轉(zhuǎn)換尺標(biāo)定可以利用速度掃描的方法得到高精度的平均速度，對(duì)全區(qū)進(jìn)行速度掃描得到整體的速度譜，統(tǒng)計(jì)后進(jìn)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(jì)算均方根速度。資料處理時(shí)，會(huì)生成一個(gè)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(guān)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的各t0時(shí)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(diǎn)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?yàn)镈MO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(jì)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(shí)的節(jié)點(diǎn)分層。 利用DIX公式計(jì)算層速度Vn：

式中：t0,n——第1層到第n層的t0時(shí)間， s；

tn——第n層的t0時(shí)間，s；

Vr,n——第1層到第n層的均方根速度，m/s。

(3)計(jì)算平均速度。利用層速度能夠求得100 m×100 m網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shí)間，s。

求出各節(jié)點(diǎn)的平均速度后進(jìn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)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(guò)各層的旅行時(shí)間，s。

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

1.2 VSP橋式連接標(biāo)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(jiàn)”，只有把鉆孔資料與地震資料結(jié)合起來(lái)，才能把井下對(duì)“點(diǎn)”的認(rèn)識(shí)通過(guò)地震波組的特征擴(kuò)展到井周?chē)蟮膮^(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(jiǎn)稱(chēng)VSP)是一種非常精確的地球物理勘探方法，因?yàn)槠涔ぷ鞣绞降奶厥庑裕蛊涑蔀檫B接地震鉆井、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與地震信息的紐帶。其工作方式為：在地表設(shè)置震源激發(fā)地震波，沿井柱在井下逐點(diǎn)接收地震波。

因?yàn)?VSP是在井中接收地震波，所以可以避免地表對(duì)波場(chǎng)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(cè)所接收不到的下行直達(dá)波。通過(guò)VSP走廊疊加剖面與井旁的地震剖面的對(duì)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(biāo)定法

人工合成地震記錄，即通過(guò)聲波測(cè)井和密度測(cè)井資料，求取一個(gè)反射系數(shù)序列，再將這個(gè)反射系數(shù)序列與某個(gè)子波進(jìn)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(jìn)行比較，假如波形相似，時(shí)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(shí)候。在實(shí)際工作中，雖然大部分同相軸對(duì)應(yīng)良好，但是有些對(duì)應(yīng)的并不理想。所以，在出現(xiàn)以上問(wèn)題時(shí)，要首先檢查測(cè)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(jì)算是否準(zhǔn)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(duì)應(yīng)為止。

1.4 鄰近地震引層標(biāo)定法

一些三維地震勘探區(qū)內(nèi)之前沒(méi)有進(jìn)行過(guò)鉆探勘探，所以沒(méi)有鉆探資料和測(cè)井資料，無(wú)法進(jìn)行平均速度標(biāo)定、VSP橋式連接標(biāo)定和人工合成地震記錄標(biāo)定，但這些工區(qū)周邊往往已經(jīng)進(jìn)行過(guò)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(biāo)定時(shí)可以根據(jù)相位特征類(lèi)比法進(jìn)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(méi)有鉆探資料的情況下可以采用鄰近地震引層的方法進(jìn)行層位標(biāo)定。如果工區(qū)有鉆孔資料，鄰區(qū)又進(jìn)行過(guò)地震勘探，利用鉆孔資料標(biāo)定過(guò)層位后，可以與鄰近工區(qū)的地質(zhì)層位進(jìn)行類(lèi)比以校正該工區(qū)的地質(zhì)層位。

2 層位標(biāo)定正演模擬

為了更好地進(jìn)行構(gòu)造解釋?zhuān)仨毲宄亓私獾卣鸱瓷洳ㄔ诘刭|(zhì)層位中的傳播特點(diǎn)。設(shè)計(jì)地質(zhì)模型，通過(guò)正演模擬的方法，可以準(zhǔn)確標(biāo)定層位，指導(dǎo)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(kāi)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(duì)該煤礦的構(gòu)造進(jìn)行解釋?zhuān)紫纫獪?zhǔn)確標(biāo)定層位。根據(jù)本勘探區(qū)的煤層賦存特點(diǎn)，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(xì)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(shí)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(shí)間軸，底板反射波在96 ms時(shí)間軸；4-2煤層頂板反射波在122 ms時(shí)間軸，底板反射波在128 ms時(shí)間軸；5-2煤層頂板反射波在162 ms時(shí)間軸，底板反射波在168 ms時(shí)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(zhǔn)確標(biāo)定層位，根據(jù)本勘探區(qū)的煤層賦存特點(diǎn)，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(xì)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(shí)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(shí)間軸，底板反射波在102 ms時(shí)間軸；4-2煤層頂板反射波在144 ms時(shí)間軸，底板反射波在152 ms時(shí)間軸；5-1煤層頂板反射波在202 ms時(shí)間軸，底板反射波在210 ms時(shí)間軸；5-2煤層頂板反射波在250 ms時(shí)間軸，底板反射波在258 ms時(shí)間軸。

圖4 陜北中深層正演模擬示意圖

3 應(yīng)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(biāo)定提供參考，在實(shí)際工區(qū)的層位標(biāo)定時(shí)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(duì)應(yīng)深度，即時(shí)-深轉(zhuǎn)換尺。當(dāng)工區(qū)內(nèi)有鉆孔，往往利用時(shí)-深轉(zhuǎn)換尺求取平均速度和合成記錄標(biāo)定相結(jié)合的方法進(jìn)行層位標(biāo)定；若是沒(méi)有鉆孔，則可以利用鄰近地震引層的方法進(jìn)行標(biāo)定。以下分別以兩個(gè)正演模擬對(duì)應(yīng)的工區(qū)來(lái)說(shuō)明兩種綜合方法的實(shí)際應(yīng)用。

3.1 正演模擬與鄰近地震引層綜合標(biāo)定

地表多被第四系風(fēng)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(zhǎng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(lái)自于3-1煤層、4-2煤層、5-2煤層的標(biāo)準(zhǔn)反射波。由于勘探區(qū)內(nèi)沒(méi)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(biāo)定時(shí)，除了結(jié)合正演模擬外，還引用了鄰區(qū)三維地震標(biāo)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(duì)比分析后由鄰區(qū)煤礦三維地震的層位標(biāo)定延伸過(guò)來(lái)進(jìn)行了本次勘探區(qū)的層位標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)反射波同相軸時(shí)間也非常吻合，3-1煤層和4-2煤層是緊鄰的兩個(gè)相位，4-2煤層和5-2煤層中間隔了一相位，而且實(shí)際標(biāo)定的層位跟地質(zhì)模型正演模擬標(biāo)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(lái)綜合標(biāo)定。

圖5 鄰區(qū)層位和本次勘探區(qū)層位標(biāo)定對(duì)比圖

3.2 正演模擬、時(shí)-深轉(zhuǎn)換尺和合成記錄綜合標(biāo)定

區(qū)內(nèi)有鉆孔的條件下，一般采用人工合成記錄和時(shí)-深轉(zhuǎn)換尺綜合標(biāo)定方法，即以時(shí)-深關(guān)系為先導(dǎo)、合成記錄為橋梁，同時(shí)考慮煤層層數(shù)、厚度與間距等相關(guān)特征，把地質(zhì)、測(cè)井、地震等多種信息綜合對(duì)比，進(jìn)行層位標(biāo)定，將相應(yīng)的地質(zhì)含義準(zhǔn)確賦予每組地震反射波。

二者綜合層位標(biāo)定方法的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在三方面：從時(shí)間、深度域進(jìn)行地層劃分和小層對(duì)比，可以提供較為準(zhǔn)確的時(shí)-深轉(zhuǎn)換關(guān)系，克服了測(cè)井曲線制作合成記錄時(shí)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(jìn)行速度分析、t0時(shí)間與煤層深度線性擬合；之后編輯聲波時(shí)差測(cè)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(biāo)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(duì)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(biāo)定的判別標(biāo)準(zhǔn)即DIX速度、聲波速度與反算速度趨勢(shì)一致、單井的時(shí)-深關(guān)系與全區(qū)綜合速度基本一致、標(biāo)準(zhǔn)反射層的速度變化符合地質(zhì)規(guī)律并綜合判別標(biāo)定的結(jié)果，最終標(biāo)定本區(qū)層位。

勘探區(qū)內(nèi)地形被強(qiáng)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(cè)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(guò)50 m，屬穩(wěn)定層間距。2-2煤層底板標(biāo)高1082.71～1200.24 m，煤層厚度0.31～5.00 m；3-1煤層底板標(biāo)高1020.36～1194.46 m，煤層厚度0.50～1.72 m；4-2煤層底板標(biāo)高972.58～1198.41 m，煤層厚度0.82～2.27 m；5-1煤層底板標(biāo)高928.53～1165.42 m，煤層厚度0.50～2.36 m；5-2煤層底板標(biāo)高871.76～1169.06 m，煤層厚度0.80～4.07 m。

結(jié)合地質(zhì)模型對(duì)地質(zhì)層位的正演模擬，首先利用地震資料處理過(guò)程中的速度譜，對(duì)每條地震測(cè)線通過(guò)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(shí)際剖面對(duì)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(duì)應(yīng)的同相軸相關(guān)程度非常高，與模型正演模擬標(biāo)定的層位也很相近，跟左側(cè)測(cè)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(duì)地質(zhì)層位已初步標(biāo)定；最后進(jìn)行綜合標(biāo)定，鉆孔ZK125-04中的5-1煤層基準(zhǔn)面埋深269.81 m，地震時(shí)間剖面上鉆孔ZK125-04的5-1煤層大概對(duì)應(yīng)213 ms時(shí)間軸，平均速度擬合曲線上213 ms時(shí)間對(duì)應(yīng)速度2510 m/s，二者相乘得到5-1煤層深度為267.32 m，與基準(zhǔn)面埋深非常接近。由此可見(jiàn)，時(shí)-深轉(zhuǎn)換尺跟合成記錄綜合標(biāo)定使層位標(biāo)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(shí)際剖面對(duì)比圖

4 結(jié)論

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

(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(duì)地質(zhì)任務(wù)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(cè)系統(tǒng)，還可以為要求的地質(zhì)層位的標(biāo)定提供對(duì)比和參考。

(2)進(jìn)行平均速度擬合時(shí)，應(yīng)該注意在使用各井的資料時(shí)應(yīng)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(zhǔn)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)。