不同厚度煤层AVO特征分析∗

滑玉琎董守华程 彦刘 黎刘 玉吴海波

(1.云南航天工程物探检测股份有限公司,云南省昆明市,650217; 2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市,221116; 3.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院,河北省涿州市,072750; 4.长江大学地球物理与石油资源学院,湖北省武汉市,430100; 5.武汉市工程科学技术研究院地球物理与空间信息技术研究室,湖北省武汉市,430019)

不同厚度煤层AVO特征分析∗

滑玉琎1董守华2程 彦3刘 黎4刘 玉5吴海波2

(1.云南航天工程物探检测股份有限公司,云南省昆明市,650217; 2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市,221116; 3.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院,河北省涿州市,072750; 4.长江大学地球物理与石油资源学院,湖北省武汉市,430100; 5.武汉市工程科学技术研究院地球物理与空间信息技术研究室,湖北省武汉市,430019)

我国煤田的煤层厚度大都在2～10 m之间,用地震波的波长来衡量属于薄层。煤层厚度变化对振幅的影响很大,是AVO技术应用的一大障碍。介绍了利用射线追踪法对不同厚度煤层进行AVO正演模拟,分析了AVO特征曲线的截距P值和梯度G值随煤层厚度变化的规律,并且讨论了利用AVO特性预测煤层厚度的方法。

煤层厚度 预测 AVO技术 射线追踪 正演

AVO(Amplitude Versus Offset)技术最早应用于石油地震勘探,是检测油气的重要手段。AVO技术利用地震叠前CDP道集分析反射振幅随偏移距(或入射角)的变化规律,研究反射界面上覆介质和下伏介质的岩性特征和物性参数,达到利用地震波反射振幅信息预测油气的目的。近年来,AVO技术在煤田勘探中也得到了广泛应用。

AVO技术的核心理论是Zoeppritz方程,但Zoeppritz方程反映的是单层反射界面上地震波振幅随偏移距的变化。煤层厚度大都在2～10 m之间,用地震波的波长来衡量属于薄层,薄层的地震响应并不是单一界面产生,而是薄层顶、底反射界面反射波以及层间多次波的叠加复合。因此在对煤层进行勘探时必须考虑薄层对地震波响应的影响。如果要在煤田勘探中运用AVO技术对煤层进行评价,就必须考虑薄层调谐效应这一问题。

目前,煤田地球物理测井是煤田勘探中确定煤层厚度的主要手段,但钻孔费用高昂,无法满足实际需要。本文利用射线追踪法分析了煤层厚度与AVO响应之间的关系,在此基础上提出了一种利用AVO特征来定量预测煤层厚度的方法,并在实际应用中取得了较好的效果。

1 射线追踪法原理

利用射线追踪法进行正演,单层反射界面的反射系数通过Snell定律和Zoeppritz方程得到。在各向同性介质中,入射波、反射波和透射波的关系见图1,反射纵波、反射横波、透射纵波、透射横波服从Snell定律:

图1 入射波、反射波和透射波的关系

式中:θ1——P波入射角;

θ2——P波透射角;

φ1——S波反射角;

φ2——S波透射角;

υP1——上半空间介质P波速度;

υP2——下半空间介质P波速度;

υS1——上半空间介质S波速度;

υS2——下半空间介质S波速度。

Zoeppritz在弹性波动力学的假设基础上,经过严密的数学物理推导,得到了能够计算反射系数和透射系数的方程,即Zoeppritz方程:

式中:RPP——P波反射系数;

RPS——S波反射系数;

TPP——P波透射系数;

TPS——S波透射系数;

ρ1——反射界面上部介质密度;

ρ2——反射界面下部介质密度。

由式(1)和式(2)可以得到煤层顶、底板不同入射角的纵波反射系数RPP,然后经过和子波进行褶积运算得到合成地震记录。

2 正演模拟分析

2.1 煤层调谐效应

为了对煤层的薄层调谐效应有一个直观的认识,设计了楔形地质模型,如图2所示。模型物性参数见表1。

图2 楔形地质模型

表1 楔形地质模型参数

正演模拟所用子波为峰值频率ƒp为60 Hz的零相位Ricker子波,由于零相位Ricker子波的主频ƒb与峰值频率ƒp的关系为ƒp≈0.77ƒb,所以子波的主频ƒb约为78 Hz。在这种情况下,子波波长λ＝30.1 m,λ/4为7.5 m。在不考虑多次波的情况下,利用射线追踪法,采用自激自收的方式,正演得到合成地震记录,如图3所示。

图3 合成地震记录

煤层顶板纵波反射振幅(绝对值)随煤层厚度的变化情况见图4,可以看到薄层调谐作用的规律:在(0,λ/4)范围内,反射振幅近似线性增加,并在λ/4处达到最大值;在(λ/4,λ/2)范围内,振幅由最大值缓慢减小,最后趋于一个稳定的值,这个值是单层反射的振幅值;在(λ/2,∞)范围内,振幅值基本不变。

图4 振幅随厚度变化曲线

2.2 不同厚度煤层AVO分析

利用楔形地质模型在零偏移距(或零入射角)情况下得到的反射振幅随煤层厚度变化曲线,揭示了薄层调谐作用对反射振幅的影响。而AVO技术描述的是在相同煤层厚度下,不同偏移距(或入射角)的振幅变化情况,为此设计了上层为泥岩、中层为煤层、下层为泥岩的3层水平层状介质模型,来对不同厚度煤层的AVO特征进行分析。其中,上下层泥岩厚度均为100 m,煤层厚度是变化的,分别为λ/16,λ/8,3λ/16,λ/4,5λ/16,3λ/8, 7λ/16,λ/2以及λ,物性参数见表1。正演模拟所用子波依旧是峰值频率ƒp为60 Hz的零相位Ricker子波。

在不考虑多次波的情况下,利用射线追踪法,对不同厚度煤层进行AVO正演模拟。对于同一厚度煤层,通过入射角的变化正演得到AVO道集,从AVO道集中提取最大反射振幅生成AVO特征曲线,根据9种不同煤层厚度共生成9条特征曲线,如图5所示。

图5 不同厚度煤层AVO响应特征

Zoeppritz方程的解非常复杂,并且难以给出清楚的物理概念,因此,人们提出了不同形式的近似方程,使其更加容易理解,有较明显的物理意义。这些近似方程也就成为当前AVO分析的基础表达式。目前,在AVO分析中常用的是Shuey (1985)近似方程:

式中:A——纵波反射系数;

P——截距(垂直入射时的纵波反射系数);

G——梯度或斜率(与岩石纵、横波速度和密度有关);

θ——入射角。

利用Shuey近似方程来描述不同厚度煤层的AVO特征。式(3)中P值表示垂直入射时纵波的反射系数,在图5中对应0°入射角的振幅值。由图5可以看到煤层厚度为λ/16时P值最小,然后随着煤层厚度的增加,P值增大,当煤层厚度为λ/4时P值最大,随后P值随着煤层厚度的增大而减小,在煤层厚度大于λ/2时P值趋于稳定,这个结论符合图4中的曲线特征;至于G值,图5表现不明显。为了能够更直观地观察P值变化规律以及描述G值变化规律,利用图5中的曲线,拟合得到不同厚度煤层P值和G值,取其绝对值,并在同一坐标系内单独成图,如图6所示。由图6可以看到|P|值和|G|值变化曲线与图4中反射振幅随厚度变化曲线的趋势基本相同。在(0,λ/4)范围内,|P|值开始近似线性快速变大,但在厚度接近λ/4时,P值增速变小,并在λ/4处达到最大值,同时|G|值以相同趋势变大,在λ/4处同样达到最大值;在(λ/4,λ/2)范围内,|P|值逐渐变小,|G|值先是逐渐变小,从7λ/16处开始略微变大;在(λ/2,λ)范围内,|P|值和|G|值基本上没有变化。

图6 不同厚度煤层|P|值和|G|值变化曲线

再用|P|－|G|交汇图表示|P|值和|G|值随煤层厚度的变化规律,如图7所示:在(0,3λ/16)范围内,|P|－|G|曲线近似直线变化;在(3λ/16,λ)范围内,|P|－|G|曲线近似为椭圆形的一部分。相比于图5和图6,图7对煤层厚度的分辨能力大大提高。

图7 不同厚度煤层|P|－|G|交汇图

由于|P|值和|G|值具有特殊的变化特征,因此可以根据这个特点判断煤层厚度。这里给出两种方法:

(1)在有钻孔的情况下,依据钻孔岩心得到煤和地层的物性参数,然后建立模型正演模拟AVO特性,绘出|P|－|G|交汇图,并以此为量板,对比由实际地震资料得到的|P|值和|G|值,最终定量确定煤层厚度。

(2)在没有钻孔的情况下,通过若干个相邻面元的|P|值和|G|值变化趋势,判断不同面元煤层的相对厚度变化;需要注意的是采用该方法有个前提,即煤层的弹性参数在相邻面元范围内变化很小或者不变。通常情况下,两种方法结合使用效果会更好。

利用AVO特征来判断煤层厚度与传统振幅法的不同之处在于AVO特性通过统计拟合得到,减小了个别不正常振幅对结果的影响。

3 应用实例

利用上文提出的第一种方法来预测淮北矿业(集团)公司孙疃煤矿首采区7＃煤层厚度。该区钻孔较多,有利于验证预测结果。

3.1 数据提取

该区三维地震观测系统为8线8炮束状观测系统,24次叠加,CDP网格为10 m×10 m。由于束状观测系统存在偏移距分布不均匀的问题,所以为了保证有足够多的偏移距分布,需要建立宏面元。宏面元是指由邻近多个CDP面元组成的一个较大面元,是AVO分析的最小单位,本文建立30 m ×30 m宏面元。

以宏面元为最小单位,利用叠前地震资料提取AVO道集。由于煤层埋深不同,相同偏移距对应的入射角不相同,所以需要把偏移距转化为入射角。由偏移距确定入射角,一般根据目的层的深度与偏移距用直线法估算,即

式中:L——偏移距;

Z——目的层深度。

最后,以宏面元为单位,将AVO道集中目的层的最大反射振幅和对应的入射角提取出来,为接下来的数据处理做准备。

3.2 数据处理及厚度预测

一个宏面元内同一入射角如果具有多个反射振幅值,那么取其平均值,然后以入射角为横轴,振幅值为纵轴,将入射角对应的振幅值显示在图上,并通过拟合得到AVO特征曲线,提取各个宏面元的|P|值和|G|值。

利用地震子波、钻孔提供的煤层及其上下岩层物性参数,通过第二节的方法正演得到不同厚度煤层的|P|－|G|交汇图。

以|P|－|G|交汇图作为量板,将各个宏面元的|P|值和|G|值与量板对比以确定煤层厚度。将预测的煤层厚度与钻孔显示的煤层厚度作对比,如表2所示。通过误差分析认为在煤层厚度小于1 m时,由于煤层反射振幅较弱,地震波中的干扰成分对其影响较大,预测误差较高;煤层厚度大于1 m时,煤层反射振幅较强,预测误差较小。总体来说,采用此方法预测煤层厚度准确率较高。

表2 预测结果与钻孔验证情况

图8为总体的煤层厚度预测效果。图中显示了煤层厚度的变化情况以及钻孔位置。煤层厚度变化范围为0～3.5 m,颜色从浅到深代表煤层厚度从薄到厚。

图8 煤层厚度预测

4 结论

(1)煤层的厚度变化对AVO特性影响很大,在煤层弹性参数不变的情况下,AVO特性曲线的截距P和梯度G都有显著的改变,并且这种变化与单纯的振幅随厚度变化的趋势基本相同。

(2)通过观察分析不同厚度煤层对AVO特性的影响,利用不同厚度煤层的AVO响应特征来预测煤层厚度。通过实际应用发现,利用AVO特征预测煤层厚度具有较高准确率。

(3)正演模拟没有考虑多次波的影响,在以后的研究工作中需要进一步改进。

(4)研究了单层煤层的AVO响应情况,但我国的煤层分布经常以薄互层的形式出现,所以需要进一步讨论薄互层煤层的AVO响应特征。

[1] 汤红伟.地震勘探技术在煤层气富集区预测中的探索性研究[J].中国煤炭,2012(2)

[2] 赵伟,陈小宏,李景叶.薄互层调谐效应对AVO的影响[J].石油物探,2006(6)

[3] 张爱敏,汪洋,赵世尊.不同厚度煤层AVO特征及模型研究[J].中国矿业大学学报,1997(3)

[4] 吴超凡,郭新强,邱占林.利用干测井曲线确定煤层厚度方法研究[J].中国煤炭,2014(8)

[5] Fred J.Hilterman.地震振幅解释[M].北京.石油工业出版社,2006

[6] 云美厚,丁伟.地震子波频率浅析[J].石油物探, 2005(6)

[7] 崔大尉,王远,于景邨.利用AVO属性研究构造煤的分布规律[J].煤炭学报,2013(10)

(责任编辑 张毅玲)

2014年全国煤及褐煤进口量为29122万t

据海关总署统计,2014年12月份,全国煤及褐煤进口量为2722万t;2014年1～12月份,全国煤及褐煤进口量为29122万t,同比减少3580万t、下降10.9%。

2014年12月份,全国煤及褐煤出口量为43万t;2014年1～12月份,全国煤及褐煤出口量为574万t,同比减少177万t、下降23.6%。2014年12月份,全国焦炭及半焦炭出口量为102万t; 2014年1～12月份,全国焦炭及半焦炭出口量为851万t,同比增加384万t、增长82.2%。

Analysis on the AVO characteristics of coal seam with different thickness

Hua Yujin1,Dong Shouhua2,Cheng Yan3,Liu Li4,Liu Yu5,Wu Haibo2
(1.Yunnan Aerospace Engineering Geophysical Detecting Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650217,China; 2.School of Resources and Geosciences,China University of Minning and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 3.Research Institute of Coal Geophysical Exploration,China National Administration of Coal Geology, Zhuozhou,Hebei 072750,China; 4.Geophysics and Oil Resource Institute,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China; 5.Geophysics and Space Information Technology Research Room,Wuhan Engineering Science and Technology Institute,Wuhan,Hubei 430019,China)

The thickness of coalfield in China is usually between 2～10 m,which belongs to thin layer measured by seismic wave length.The variation in thickness of coal seam has great influence on amplitude,which is a major obstacle to the application of AVO technology.This research conducted the AVO forward modeling for coal seam with different thickness by the ray tracing method,and analyzed the variety law on the intercept P and gradient G of the AVO characteristic curve with the variation of coal seam thickness,and discussed the method to predict the coal seam thickness with AVO characteristics.

coal seam thickness,prediction,AVO technology,ray tracing,forward modeling

P631

A

滑玉琎(1986－),男,硕士,河南偃师人,主要从事煤田地震勘探和工程物探研究。

中国博士后科学基金(2014M551703),江苏省自然科学基金(BK20130201)