基于模型驅動的煤層強反射能量衰減方法

張憲旭

基于模型驅動的煤層強反射能量衰減方法

張憲旭

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

地震數據中煤層反射波具有能量強的特征，使鄰近地層的反射被煤層反射所掩蓋，導致鄰近層難以成像，巖性解釋工作存在困難。針對此問題，提出基于模型驅動的煤層強反射能量衰減方法。利用測井數據和煤礦井下鉆孔實測的煤厚數據與煤層反射振幅繪制交會圖，擬合振幅與厚度的關系式，構建數字模型并模擬煤層反射，在振幅殘差閾值的控制下迭代求取全區煤層厚度，使用求取的模型煤層反射數據對實際數據中的煤層振幅進行衰減。通過模型試算表明，該方法在理論上具有可行性；通過對鄂爾多斯市某煤礦地震數據中3–1號煤層反射壓制的應用表明，該方法對實際數據中的煤層反射壓制效果良好，煤層附近的弱反射層成像質量得到提升，為巖性解釋提供基礎數據。

模型驅動；強能量衰減；煤厚預測；相干性疊加；井下鉆孔數據

在地震數據中煤層反射振幅要強于圍巖反射振幅，距離煤層比較近的反射能量往往被煤層反射所掩蓋，導致砂體和灰巖的反射無法被識別[1-3]。在油氣勘探領域中，這些砂體和灰巖是目標儲層[4]；而在煤田勘探領域中，是潛在的導致礦井突水的含水層[5-6]。因此，壓制煤層反射振幅的能量，突顯砂體和灰巖的反射能量是使得煤層附近的目標儲層和潛在含水層能被解釋的必要前提[7]。

為解決強反射對弱反射的掩蓋問題，眾多學者對此進行了研究，提出多種消除強反射突顯弱反射的方法，有基于小波變換的壓制方法[8-9]、基于波形匹配的去除方法、基于匹配追蹤技術的強振幅分離方法[10-13]和對強振幅剝離后殘余能量的分析方法[14]。這些方法主要是基于地震數據的數學變換或利用強反射的稀疏分解方法對強振幅進行衰減和壓制，沒有將強反射與產生強反射的地層信息建立聯系，也沒有利用礦井井下實測數據等先驗數據，所考慮的因素較為單一，具有一定的局限性?；谝陨涎芯勘尘?，筆者利用煤礦井下實際揭露的先驗數據和測井數據建立以煤層厚度、速度和密度為主要參數的數字模型，提出基于模型驅動的煤層反射振幅的預測方法，在提高煤層強振幅的去除效果的同時，保證弱反射振幅不受損傷，用來提高近煤層的砂巖和灰巖的解釋精度。最后，通過模型和實際資料驗證方法的有效性。

1 理論基礎和模型模擬

由波的干涉理論可知，兩列波在介質中相遇時若兩波的波峰(或波谷)同時抵達，兩波同相干涉產生最大的振幅，稱為相長干涉；若兩波之一的波峰與另一波的波谷同時抵達，兩波反相干涉產生最小的振幅，稱為相消干涉[15]。地震波傳播過程中，當有多個反射界面時，反射界面之間的距離小于一個波長時，反射波會出現波的干涉(調諧現象)，其反射振幅由界面的反射系數和界面之間的距離決定[16-17]。干涉(調諧現象)在楔形模型中最為典型，如圖1a所示模型在高速層中有一個低速的楔形地質體(煤層)，楔形體的縱波速度為2 000 m/s、密度1.6 g/cm3，地層厚度從0線性增大到50 m，圍巖(砂泥巖)的縱波速度為3 500 m/s，密度2.26 g/cm3。采用主頻50 Hz的雷克子波進行模擬，得到楔形模型的地震反射剖面(圖1b)。

由模型中煤層的速度可以計算出地震波在煤層中的波長為40 m，因此，當煤層厚度小于40 m時，煤層頂界面和底板的反射波會相互干涉(圖1b)。從煤層頂板振幅曲線(圖1c)可以看出，當煤層厚度從0變化到10 m時，反射波振幅值從極小值線性變化到極大值；當煤層厚度超過10 m時，層厚與振幅不再滿足線性關系；當煤層厚度超過40 m時，煤層頂底板反射波不再發生干涉，反射波振幅恢復到正常。煤層厚度在四分之一波長范圍之內時，層厚與振幅具有線性關系，這一規律也常被用來計算煤層厚度[18-20]。

以楔形數據為基礎對模型進行擴展(圖2)，設有一個厚度從外(8 m)向內(2 m)線性變化的煤層，煤層頂板圍巖有2個最大厚度分別為20 m和40 m的殘丘，其中殘丘體的縱波速度為2 800 m/s、密度為2.21 g/cm3；底板圍巖有2個最大深度分別為20 m和40 m的溝壑，其中溝壑的縱波速度為3 200 m/s、密度為2.23 g/cm3。

(a) 楔形模型；(b) 模擬的地震道；(c) 反射波振幅曲線

(a) 模型；(b) 模擬的地震道；(c) 煤層反射波振幅曲線

模擬后得到模型剖面(圖2b)，其中，①殘丘反射表現為：20 m殘丘反射無法被識別，40 m殘丘可以看出一點反射，但能量非常弱，識別難度大；②溝壑反射表現為：20 m和40 m溝壑的反射都難以被識別；③煤層同相軸表現為，能量非常強且連續性好，殘丘處由于其低速效應同相軸有輕微下凹的現象，其他無明顯異常，但從同相軸的振幅屬性可以看出(圖2c)，溝壑和殘丘處的煤層振幅均出現振幅異常。這些現象說明由于煤層與圍巖波阻抗差較大，其上下圍巖中砂巖、泥巖和灰巖之間的波阻抗較小，煤層厚度在10 m以內變化時，其煤層的反射能量主要是由煤層的厚度所決定。而圍巖巖性變化，是在厚度所決定的反射能量趨勢之上，以振幅發生變化的形式展現。

從模型中提取的煤層反射振幅曲線(圖2c)可以看出，煤層厚度在四分之一波長范圍內的煤層振幅與煤層厚度主要呈線性關系，出現振幅值背離線性趨勢的地方為殘丘和溝壑出現的位置。如果將煤層厚度展現的能量趨勢進行壓制，凸顯煤層附近反映巖性變化的異常，即可達到對煤層振幅壓制的同時對圍巖弱反射成像的目的。

2 強反射壓制方法

本文的煤層強反射壓制方法是基于煤層厚度小于四分之一波長范圍內的煤層振幅與煤層厚度呈線性關系的理論基礎之上提出來的，主要包含以下步驟：

a. 煤層層位標定 提取井旁地震道子波，制作合成地震記錄，對煤層層位進行標定。

b. 拾取煤層層位 在煤層層位標定的基礎上，對煤層同相軸做層位追蹤。

c. 建立煤層厚度與反射能量的關系式 提取井點位置和井下煤厚實測位置處的煤層反射振幅，制作煤層厚度與反射振幅的屬性交會圖，擬合厚度與振幅變化線性關系式。

d. 模型構建和數值模擬 將井點位置和井下煤厚實測位置處的煤厚數據設為控制點，控制點之外的煤厚數據由煤層反射振幅使用擬合的振幅與煤厚的線性關系式計算。依據控制點煤厚和計算出的煤層厚度數據，構建包括上覆地層、煤層和下伏地層的3層數字模型。

e. 煤層振幅衰減和質量控制 使用構建的數字模型進行數值模擬，得到煤層反射數據，將其乘以比例系數，與原始地震數據相減，得到煤層振幅衰減后的數據。

設置振幅殘差閾值，逐道計算振幅殘差和全局振幅殘差值，如果全局振幅殘差值超過閾值，返回步驟d，調整振幅殘差較大區域位置的模型煤層厚度，殘差為正值時厚度向大調整，負值時向小調整，重新進行模型模擬和煤層振幅衰減，反復迭代直到全局振幅殘差值小于閾值，這時得到的數據即為最終的煤層振幅衰減結果。

圖3 煤層強反射壓制方法流程

3 模型試算

利用本文方法對模型數據(圖2)進行試算，驗證方法是否可行。由于模型中只有一個煤層反射界面，模擬出的反射剖面較為簡單，只需對同相軸的負相位反射波最大值進行追蹤。模型厚度已知，根據層位提取煤層反射振幅與厚度制作交會圖(圖4)。從圖4可以看出，煤層厚度是從2~8 m變化過程中呈線性趨勢，其相關程度較高(相關系數2為0.96)，根據交會圖提取煤層厚度與反射振幅的趨勢公式。

=0.001 93(1)

式中：為煤層厚度；為反射振幅值。

根據式(1)計算出煤層厚度后，構建3層數字模型(圖5a)。上覆圍巖、煤層和下伏圍巖的物性參數與圖2中的物性參數保持一致，根據拾取的煤層層位時間，通過時深轉換求取煤層深度值；其中需要注意的是，由于殘丘低速體的存在，煤層的反射波形出現下凹現象，拾取出的煤層層位也為下凹狀態，構建模型時煤層也需呈下凹狀態。

圖4 模型振幅與煤厚交會圖

對預測模型進行數值模擬得到地震模型剖面(圖5b)，將預測模型剖面與初始模型剖面(圖2b)振幅相減，設置振幅閾值為0.5，經過迭代得到最終的模型煤層強能量衰減結果剖面(圖5c)。從煤層振幅衰減后的數據(圖5c)可以看出，煤層強振幅能量被完全消除，原來被煤層能量壓制的殘丘和溝壑的形態清晰地展現出來，不再受到煤層強振幅干擾而無法識別。從模型壓制結果可以看出，煤層強能量壓制效果良好，說明該方法在理論上可行。

(a) 預測模型；(b) 模擬的地震道；(c) 煤層振幅壓制后剩余振幅

4 工程試驗與效果分析

在模型試算過程中，煤層厚度和物性參數是已知的，且除了殘丘和溝壑處振幅偏離線性之外，其他完全符合煤層厚度與振幅的線性關系，壓制效果較好。由于實際數據影響因素較多，比如噪聲、激發能量、接收能量、煤層厚度和地層巖性橫向變化等，因此，在實際數據應用中，需要對研究區的地質情況進行調研，確認煤層是否滿足煤厚在四分之一波長以內的假設條件，且被壓制的目標煤層在一個波長距離內是否存在其他煤層，以及實際數據如何構建煤層振幅與煤層厚度的關系式等。

4.1 試驗區地質概況

試驗區位于鄂爾多斯盆地北緣的內蒙古自治區鄂爾多斯市境內。試驗區的主要含煤地層為侏羅系延安組，可采煤層為5層，其中3–1號煤層為最厚煤層，全區賦存，厚度變化范圍為1~10 m，平均厚度6.25 m，其他煤層相對較薄。煤層的下伏地層為三疊系延長組，巖性主要為薄層狀砂質泥巖和粉砂巖互層。煤層上覆地層為侏羅系直羅組，巖性為泥巖與砂質泥巖、粉砂巖、砂巖呈互層產出。煤層反射主要為3–1號煤層，反射能量較強，煤層頂底板巖性主要為砂泥巖，反射能量較弱。

4.2 合成地震記錄標定和方波化

算法需要得到煤層厚度與振幅的線性關系式，以及是否存在與其他強反射的復合關系。從圖6a可以看出，最厚煤層3–1號煤是最上部煤層，厚度6.4 m，下伏煤層與其底板相距41 m。在井點位置處煤層的縱波速度為2 100 m/s，地震主頻為53 Hz。地震波長為39 m，煤層厚度在調諧厚度(四分之一波長9.7 m)以內，且3–1號煤與下伏煤層的距離超過一個波長，反射波之間不會發生干涉現象，滿足壓制方法的使用條件。

利用測井數據中的速度和密度曲線求取阻抗曲線，并制作合成地震記錄，對煤層層位進行標定，建立時深關系。從合成地震記錄與實際地震數據對比(圖6a)可以看出，主要地層的反射有較高的相關度，層位標定結果可靠。測井數據是模型構建的基礎，構建模型的巖石物性參數(速度和密度參數)需要從測井數據中得知，但實際的測井曲線呈鋸齒狀，需要對實際的測井數據做方波化處理(圖6)。具體實現方法為：求取煤層的阻抗平均值，煤層圍巖的阻抗值是分別將頂板以上和底板以下50 m以內的阻抗求平均值替代原曲線，將曲線做方波化處理。方波化后，需要將方波化后的合成地震記錄與實際數據的合成地震記錄進行對比，確保煤層反射波形保持基本不變。

圖6 測井數據方波化前后的合成地震記錄

4.3 振幅與煤厚的交會圖

研究區內測井數量為8口，煤礦井下通過探孔實測的煤厚數據為19個，根據所有測井數據和煤礦井下探孔實測煤厚數據制作煤層厚度與振幅值的交會圖(圖7)。從交會圖中可以看出，煤層厚度的變化范圍為3.3~7.0 m，煤層厚度與振幅值大致呈現線性變化趨勢，其相關系數(2)為0.68，根據散點的變化趨勢構建煤層與振幅值的線性關系：

4.4 煤厚模型預測與煤層強反射能量衰減

在實際數據體之上根據合成地震記錄標定的結果對煤層層位進行追蹤，提取煤層振幅值，使用煤層厚度與振幅值的關系式求取煤層厚度。根據測井數據和煤礦井下探孔實測數據，求取研究區內煤層和上下圍巖的速度(均指縱波速度)和密度的平均值，利用求取的上覆圍巖平均速度將層位，通過時深轉換計算深度值，并依據井點位置的煤層厚度數據和井下實測數據的位置和煤厚數據形成控制點，構建數字模型(圖8a)。

圖7 基于數據統計的振幅與煤厚交會圖

對模型進行數值模擬得到煤層反射波模型剖面(圖8b)。將得到的模型剖面乘以比例系數(實際數據的平均振幅/模型煤層平均振幅)與實際的地震剖面(圖8c)相減得到振幅殘差數據；以全局振幅殘差值為依據，迭代更新模型中的煤層厚度，直到全局振幅殘差值小于設定的閾值后得到煤層振幅衰減后的地震剖面(圖8d)。從圖8中箭頭所指之處可以看出，衰減前后的煤層振幅得到了非常好的壓制，距離煤層非常近的弱反射，以及由于煤層上下圍巖巖性變化引起的振幅異常都被突顯出來，而這些反射的能量正是被煤層強振幅所淹沒的砂泥巖的反射能量。

4.5 應用效果分析與討論

該方法是以調諧厚度理論為基礎，前提條件是煤厚與反射振幅在小于四分之一波長之內為線性關系，如果地層厚度超出四分之一波長，理論前提將不滿足。

該方法在煤層的上下圍巖巖性相對穩定時壓制效果最佳，但當煤層上下圍巖巖性橫向變化時，煤層反射能量的壓制效果將會降低。針對這樣的情況，可根據沉積特征將研究區劃分為不同的區域，將屬于同一相帶的井和井下實測數據分別提取一個煤層厚度與振幅的線性關系式，再對煤層厚度進行預測，壓制效果會有所提升。

需要注意的是，方法的迭代是以振幅殘差閾值為依據，如果殘差門限值給的過小，會將圍巖或煤層巖性變化引起的振幅變化一并消除，使衰減煤層能量突顯圍巖弱反射的目的失去意義。

(a) 預測模型；(b) 模擬的地震道；(c) 煤層振幅壓制前剖面；(d) 煤層振幅壓制后剖面

5 結論

a. 煤層能量壓制方法是基于在四分之一波長以內煤層厚度與煤層振幅呈線性關系的調諧理論基礎，提出基于煤層厚度與振幅之間的關系式，利用模型驅動的方法對煤層強振幅進行衰減。通過模型試算和實際數據應用表明，該方法可以對煤層強反射能量進行有效壓制的同時保留鄰近煤層的弱反射能量和圍巖巖性變化引起的振幅變化。

b. 算法是基于煤層厚度模型驅動的衰減方法，根據煤層厚度和反射能量做交會圖提取公式的計算方法，運算效率高。方法是拾取煤層反射層位后，使用模型速度，通過時深轉換，將層位換算到深度域，因此，模型模擬的結果與實際數據之間不需要匹配算法，可以直接相減，與通常的預測相減算法相比，可適性強，易實現。另外，在地層條件簡單的情況下，模型所得到的煤層厚度精確度較高，可以作為煤層厚度預測成果來使用。

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Model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection

ZHANG Xianxu

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The reflection of coal seam in seismic data has the characteristics of strong energy, which makes the reflection of adjacent strata often concealed by the reflection of coal seam. This makes it difficult to image the adjacent weak layer and lithological interpretation difficult. Aiming at this problem, a model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection was proposed. This method uses the coal thickness calculated by logging and measured by borehole in underground coal mine to construct cross plot with reflection amplitude of coal seam, and fit the relationship formula between amplitude and thickness. The digital model was constructed and the reflection of coal seam was simulated. The thickness of coal seam in the whole area was calculated iteratively by using the threshold value of amplitude residual. The strong amplitude of coal seam in the actual data was attenuated by using the data simulated by the model. The experimental results of the model data shows that the method is feasible in theory; The suppression effect of the strong reflection of coal seam 3–1in the seismic data of a coal mine in Ordos shows that the practical application effect was good, and the imaging quality of weak reflection layer near the coal seam was improved, which provides the basic data for the lithological interpretation.

model-driven; strong energy attenuation; coal thickness prediction; coherence stack; underground borehole data

P315；P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.027

1001-1986(2020)03-0188-07

2019-11-16；

2020-03-28

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2019XAYMS28)

Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS28)

張憲旭，1979年生，男，陜西寶雞人，碩士，副研究員，從事煤田地震資料處理工作. E-mail：zhangxianxu@cctegxian.com

張憲旭. 基于模型驅動的煤層強反射能量衰減方法[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：188–194.

ZHANG Xianxu. Model-driven energy attenuation method for coal seam strong reflection[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：188–194.

(責任編輯 聶愛蘭)