引用本文
王建青, 杨晓东, 田忠斌, 申有义. 基于地震频谱属性的煤层厚度预测方法[J]. 物探与化探, 2017,41(2): 364-368.
WANG Jian-Qing, YANG Xiao-Dong, TIAN Zhong-Bin, SHEN You-Yi. A coal seam thickness prediction method based on seismic spectral attribute[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(2): 364-368.  
Doi:10.11720/wtyht.2017.2.27
Permissions
Copyright©2017, 《物探与化探》编辑部
《物探与化探》编辑部 所有
基于地震频谱属性的煤层厚度预测方法
王建青1, 杨晓东1, 田忠斌1,2, 申有义1
1.山西省煤炭地质物探测绘院,山西 晋中 030600
2.中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083

作者简介:王建青(1973-),女,山西泽州人,高级工程师,主要从事地球物理勘查和研究工作。Email:420257649@qq.com

收稿日期: 2017-01-03
基金: 山西省煤基重点科技攻关项目(MQ2014-02); 山西省基础研究项目(2014012005)
摘要

利用陇东黄土塬区施工的地震勘探成果,通过提取煤层反射波中的多种地震属性,与煤层厚度进行相关性分析,发现频谱属性与煤层厚度有较高的线性相关度。通过属性优选,利用频谱属性中的中心频率、振幅属性对研究区煤层厚度进行了预测。预测所获得的煤层厚度变化趋势与钻孔揭露厚度吻合较好,说明了煤层具有频率调谐作用,也说明了利用地震频谱属性对煤层厚度进行预测的方法是有效可行的。

关键词: 频谱属性; 煤层厚度; 线性回归; 调谐作用
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0364-05
A coal seam thickness prediction method based on seismic spectral attribute
WANG Jian-Qing1, YANG Xiao-Dong1, TIAN Zhong-Bin1,2, SHEN You-Yi1
1.Shanxi Coal Geology Geophysical Surveying Exploration Institute,Jinzhong 030600,China
2.School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha 410083,China
Abstract

Seismic attributes technology is now widely used in seismic prospecting engineering.In this paper,the authors used seismic attributes technology to predict the coal seam thickness in Longdong loess tableland,obtained the seismic prospecting field data in the prospecting area and extracted a variety of seismic attributes from the coal seam reflected wave.Based on the correlation analysis of the known coal seam thickness and the seismic attributes,the authors found that the coal seam thickness has a good linear correlation with seismic spectral attribute.The authors took advantage of the center frequency and amplitude attribute of the seismic attribute to predict the coal seam thickness in the whole prospecting area.The variation trend of coal seam thickness agrees with the coal seam thickness in drill hole,which indicates that coal seam has frequency tuning function and it is feasible to predict the coal seam thickness with the seismic spectral attribute.

Keyword: spectral properties; thickness of coal seam; linear regression; tuning function
0 引言

地震属性技术作为地震信号研究的一个重要方面, 已被广泛应用于地震构造解释、地层分析、油藏特征描述以及油藏动态检测等各个领域[1, 2, 3]。目前, 地震属性技术在煤田地震勘探领域的研究和应用也不断取得进展, 崔若飞、郭彦省、索重辉等人利用地震属性技术在煤层厚度预测方面进行了研究[4, 5, 6, 7, 8]。地震属性技术在解决细微构造、各种岩性问题方面显示出其优越性。当煤层厚度发生变化时, 相应地段的反射波所包含的频率、振幅等属性特征亦会随之产生变化, 因此, 利用地震属性资料可以帮助进行煤层厚度的预测。

1 煤厚的频率调谐效应

煤层在地质上是一个岩性、厚度横向较稳定、连续性好的岩层, 在地震特性上是一个低速、低密度的夹层, 一般当界面反射系数≥ 0.1时, 认为煤层为强反射界面, 顶、底界面反射系数大小相差不大, 但是极性相反。

当煤层层厚(d)< λ /4时(λ 为波长), 就属于薄反射层的范畴, 即煤层顶、底界面的反射不能分辨, 最终形成复合反射波。煤层厚度对地震波振幅具有调谐效应:即参与复合(叠加)的顶、底两个反射波间的相位差=时差/2π f, 煤层厚度不同时, 时差不同, 叠加后的合成振幅也不同, 此效应即煤层的厚度调谐作用(图1)[6]。根据煤厚的调谐理论可知, 当煤层厚度较薄, 即d< λ /4时相长干涉, 合成地震波振幅与煤厚近似正比的关系; 当d=λ /4时, 合成地震波振幅达到最大极值; 特别当d< λ /8时, 煤厚与相应反射波振幅呈线性关系。而不同频率的单谐波对应的时差不同, 合成的振幅也不相同, 即存在煤层厚度的频率调谐作用(图2)[8]。

图1 煤层的厚度调谐作用

图2 煤层厚度的频率调谐作用

2 研究区地震地质概况

研究区地处陇东黄土高原东南部, 属典型的黄土塬区地形地貌, 主要由黄土塬、梁、峁、坡、沟谷等组成, 地形复杂, 地表最大高差349 m。黄土厚度 0~371.12 m, 平均厚度151.06 m。黄土中含砾石, 钙质结核层分布较多, 对地震波吸收强烈。浅、表层地震地质条件非常复杂。

区内含煤地层为中侏罗系延安组, 主要可采煤层为煤5和煤8两层。煤5层厚度0~3.46 m, 平均1.57 m; 煤8层在局部分叉为煤8-1和煤8-2两个分层。煤8-1分层厚度为0~5.6 m, 平均厚度为 2.24 m; 煤8-2分层厚度为0.88~12.32 m, 平均厚度为7.09 m; 区内钻孔均达到可采厚度, 属较稳定的可采煤层。煤5和煤8-1间平均间距为35.3 m, 煤8-2与8-1平均间距8.69 m。

在地震资料采集中通过多井组合、大药量、高叠加次数等手段, 最终获得了信噪比较高的三维数据体, 两个主要煤层反射波特征明显, 连续性好, 信噪比较高(图3)。煤5层形成T5波, 煤8-1层与煤8-2层形成复合反射波(T8波), 通过频谱分析可知煤层反射波的频带宽度为20~80 Hz, 主频为25 Hz(图4)。煤层反射波的速度为2 200 m/s, 波长为88 m, 煤层厚度小于λ /4。

3 属性提取及相关分析
3.1 单因素相关分析

沿追踪的煤5反射波和煤8反射波层位向上和向下各10 ms开时窗, 提取了与振幅、频率相关的十几种地震属性, 将区内可利用钻孔厚度与属性进行相关计算后, 与煤5层厚度相关性较好(相关系数大于0.4)的有平均振幅、振幅和、中心频率、主频、高频斜度5个属性(图5), 与煤8层厚度相关性较好(相关系数大于0.5)的有中心频率、主频、高频斜度、瞬时频率4个属性(图6)。

图3 人工合成记录标定主要反射波组

图4 煤层反射波组特征及频谱分析

3.2 属性间相关分析

为了提高可信度, 对与煤厚相关系数较大的地震属性进行互相关分析, 将相关值较大的地震属性进行合并, 以保证用于预测的地震属性具有相对独立性。从图5、6可以看出, 与煤层厚度相关性较好的几个属性之间存在以下情况:振幅属性之间具有高度相关性, 频率属性之间具有高度相关性, 振幅与频率属性相关性很差。对于煤5层优选出平均振幅和中心频率两个属性, 煤8层优选出中心频率一个属性做线性回归分析。

图5 煤5层厚度与地震属性及属性间的相关系数

图6 煤8层厚度与地震属性及属性间的相关系数

3.3 线性回归分析

图6表明, 煤8层所有可利用的钻孔煤层厚度与优选的中心频率属性之间的线性相关系数为0.61, 有部分点离线性回归中心较远。通过分析发现, 这些钻孔位于断裂附近或在勘探区边界外, 推测原因为受断裂构造或叠加次数较低的影响, 资料信噪比和保真度降低, 从而导致相关性较差。所以需要将这些异常点剔除来进一步提高相关性。具体情况为:序号为1、25、43、44号点在区外, 9、23号点位于断层附近, 17号点原因不明(图7)。在剔除异常点后, 再进行线性回归分析, 可以看到拟合度达到了82.9%, 煤层厚度与中心频率基本呈负线性关系(图8)。

图7 钻孔与断裂分布情况

图8 煤8层厚度与中心频率属性间的线性相关

对于煤5层, 除了要剔除在断裂附近和区外的点, 还要剔除掉煤层厚度小于0.5 m的一些点, 造成这些厚度小于0.5 m的点的异常原因可能为激发条件差, 难以形成反射波, 或从物理地震学的角度说厚度太小本身就难以形成较强的反射波。在异常点剔除后, 煤5层的厚度与振幅和频率属性的线性相关性显著提高(图9、10)。

图9 煤5层厚度与平均振幅属性间的线性相关

图10 煤5层厚度与中心频率属性间的线性相关

4 预测结果的误差分析

通过上述分析, 对煤5层利用两种属性形成线性拟合方程, 对煤8层利用一种属性形成线性拟合方程, 分别对两层煤的厚度进行了预测, 从表1中煤8层的预测厚度与误差统计上可知, 参与计算的钻孔共有38个, 相对误差大于50%的有6个, 约占参与计算钻孔的15%, 其余误差大都小于30%。因此, 煤层厚度预测结果基本反映了本区煤层厚度的变化趋势。

表1 煤8层预测厚度及误差统计
5 结论

1) 煤5层与煤8层的厚度与频率属性相关性都好, 说明利用煤层的频率调谐效应对煤层厚度进行预测是可行的。

2) 煤5层厚度与振幅、频率属性线性相关性较好, 而煤8层仅与频率属性相关性好, 说明煤层厚度在0.5~3.5 m之间, 特别当煤厚< λ /8时, 煤厚与相应反射波振幅呈线性关系。

3) 在煤层厚度太薄的情况下, 特别是小于 0.5 m时, 从物理地震学来说, 可能形不成有效的煤层反射波, 煤层波的调谐效应也会失去。

4) 属性的提取受资料信噪比和保真度影响, 原始资料的品质会直接影响预测结果的可信度。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 崔若飞, 李晋平, 庞留彦, 等. 地震属性技术在煤田地震勘探中的应用[J]. 中国矿业大学学报, 2002, 31(3): 267-270. [本文引用:1]
[2] 张延玲, 杨长春, 贾曙光. 地震属性技术的应用和研究[J]. 地球物理学进展, 2005, 20(4): 1129-1133. [本文引用:1]
[3] 郭彦省, 孟召平, 杨瑞昭, 等. 地震属性及其在煤层厚度预测中的应用[J]. 中国矿业大学学报, 2004, 33(5): 557-562. [本文引用:1]
[4] 胡宗正, 郭良红, 林建东. 三维地震属性参数在煤层厚度预测中的应用[J]. 中国煤炭地质, 2008, 20(6): 56-58. [本文引用:1]
[5] 董守华, 马彦良, 周明. 煤层厚度与振幅、频率地震属性的正演模拟[J]. 中国矿业大学学报, 2004, 33(1): 29-32. [本文引用:1]
[6] 索重辉, 常锁亮, 彭仕宓, 等. 地震属性在煤层厚度预测上的分析与应用[J]. 科学技术与工程, 2011, 11(34): 8429-8433. [本文引用:2]
[7] 孙渊, 张良, 朱军, 等. 地震属性参数在煤层厚度预测中的应用[J]. 煤田地质与勘探, 2008, 36(2): 58-60. [本文引用:1]
[8] 潘冬明, 李娟娟, 胡明顺, 等. 多煤层的反射地震响应特征研究[J]. 地球物理学进展, 2010, 25(5): 1769-1744. [本文引用:2]