0 引言
矿井地质资料表明岩浆岩的侵入对煤层有较大的破坏作用[1],表现为煤层的可采性、稳定性变差,变质程度提高,顶板强度降低,从而严重影响煤矿的安全开采与井巷布设[2,3]。虽然岩浆岩的侵入造成地层岩性的变化,但不同产状的岩浆岩在地震剖面上的反射波特征却不尽相同[4],部分矿区岩浆岩侵入造成煤层反射波能量减弱,同相轴凌乱,地震数据品质变差;而部分矿区岩浆岩侵入之后几乎没有引起煤层反射波的变化,这种假象给地震资料解释带来较大的困难。因此,研究岩浆岩的基本地震响应特征,有利于从地震数据上识别岩浆岩,提高地震资料解释精度。高密度三维地震勘探可以获得宽频带,宽方位和高采样密度的地震数据[5],近年来在煤田隐伏构造和特殊岩体探测中发挥了巨大的作用[6,7],为岩浆岩预测奠定了良好的数据基础。通过对地震资料岩性解释方法的研究,利用三维地震资料预测煤层中岩浆岩的侵入范围和厚度变化规律,可以为矿井设计开采提供更准确的地质资料。预测岩浆岩的地震方法很多[8,9,10,11],其中地震反演技术是利用钻孔测井数据(声速、密度、电阻率等)纵向分辨率很高的有利条件,对井旁地震资料进行约束反演,并在此基础上对井间地震资料进行递推,将地震信息转化为能反映地层特征的岩性数据体[12,13]。测井曲线是地震反演的基础,但常规声波、密度等测井曲线不能明显区分岩浆岩,以此进行反演必然无法精细刻画岩浆岩的空间展布规律。众多学者对岩浆岩的测井曲线特征进行了大量分析,认为各属性对岩浆岩的敏感程度不同,其中自然伽马最敏感,孔隙度和电阻率次之[14]。通过记录井岩性和敏感测井曲线构建伪岩性测井曲线,使不同岩性的测井曲线特征差异更加明显,以此作为反演的目标曲线,可以提高反演的精度,使预测结果更可靠[15]。本文通过测井曲线综合分析与融合,重构出对岩浆岩反映敏感的伪测井曲线,为岩浆岩地震反演提供了新思路。
1 岩浆岩的地震反射特征
岩浆岩与沉积岩在岩石物理性质方面反差极大,在地震剖面上具有速度高、能量衰减剧烈等特点,在沉积盆地内会产生明显的地球物理异常特征,一般利用这种特有的地球物理异常来识别岩浆岩[16]。本文以淮北矿区为例进行研究,该矿区构造复杂,岩浆岩活动比较强烈,不仅侵蚀范围广,而且侵入的层位多,对主采煤层影响较大。通过对不同采区多口钻井的遇钻情况进行分析,该矿区岩浆岩以顺层侵入为主,单体厚度不大,通常在地震剖面上形成一个或多个平行的反射波同相轴。当岩浆岩侵入煤层之后,由于侵蚀程度不同,在地震剖面上往往表现为一段与围岩产状不协调的反射波组,使得煤层反射波变得较为复杂。图1为岩浆岩在常规地震剖面和高密度地震勘探剖面上的反映对比,可以看出,常规剖面上反射波同相轴凌乱,地震数据品质较差,岩浆岩反射波不易识别;高密度三维地震数据信噪比提高,反射波同相轴连续性增强,岩浆岩的地震反射特征明显,更易于识别。
图1
图1
岩浆岩在地震剖面上的特征
a—常规三维地震勘探;b—高密度三维地震勘探
Fig.1
Characteristics of magmatic rocks in seismic section
a—conventional 3D seismic prospecting;b—high density 3D seismic prospecting
2 岩浆岩测井曲线特征
图2
图2
研究区岩浆岩测井曲线特征
Fig.2
Characteristics of magmatic logging curves in research area
1) 声波测井。研究区声波时差范围为150~620μs·m-1,岩浆岩的声波时差为180~210μs·m-1,与围岩相比,表现出低的声波时差异常,结合其他测井曲线可以进行岩浆岩识别。
2) 密度测井。围岩密度为2.0~2.2g·cm-3,岩浆岩密度值为2.1~2.15g·cm-3,总体表现为高密度值,但与围岩相比密度测井曲线特征无明显差异。因此,在密度测井曲线上不易区分岩浆岩。
3) 电阻率测井。研究区电阻率为6~90Ω·m,岩浆岩电阻率为17~85Ω·m,表现出明显的高阻特征。
4) 自然伽马测井。全区自然伽马值为50~230API,岩浆岩自然伽马值为60~90API,与围岩相比表现出低的自然伽马值特征,可以进行岩浆岩识别与划分。
通过测井曲线分析可见,岩浆岩在该区的密度测井曲线上没有明显反映,在声波时差曲线上有一定的反映,在自然伽马和电阻率测井曲线上有明显的反映。各测井曲线对岩浆岩的敏感程度不同,其中电阻率最敏感,自然伽马次之,声波时差较敏感,而密度最不敏感。总结认为岩浆岩在测井曲线上表现为低声波时差、低自然伽马、高电阻率特征。
3 岩浆岩地震反演
3.1 构建伪测井曲线
由于密度、声波等测井曲线对岩浆岩反映不敏感,因此,通过原始声波、密度测井曲线进行波阻抗反演无法精细刻画岩浆岩的分布形态。本文通过测井曲线综合对比分析,利用视电阻率、自然伽马等曲线识别岩浆岩,并进行地质层位划分,进而得到岩浆岩层段的起止深度、岩浆岩的平均速度、密度等信息。然后根据这一结果构建岩性测井曲线,即将岩浆岩值设为1,其他岩性值设为0;最后利用岩性曲线,结合声波时差、密度等测井曲线,构建伪测井曲线。曲线重构公式为:
式中:z为构建的伪测井曲线;x为样本测井曲线;y为岩性曲线;a为岩浆岩段测井融合的比例因子,可通过反演参数测试获得。通过测试研究,a值过小,测井曲线重构效果不明显,即岩浆岩不能较好地区分;a值过大,重构的测井曲线虽能明显反映岩浆岩,但由于值域较大,反演结果对其他层屏蔽作用较强,一般取值范围在0.5~2之间为宜。
依据式(1),将声波和密度测井曲线作为样本进行伪测井曲线构建。将原始测井曲线和伪测井曲线及其对应的波阻抗曲线置于同一坐标系统下进行比较,如图3所示,可以看到新构建的声波、密度等伪测井曲线对岩浆岩层段反映明显。对比波阻抗曲线可见,将原始测井曲线作为反演的输入,其岩浆岩段波阻抗值与围岩基本一致,无法明显进行区分;利用重构的伪测井曲线作为输入,在非岩浆岩段,两者的波阻抗曲线能很好地吻合,而在岩浆岩段,伪测井曲线对应的波阻抗能明显地反映岩浆岩的特征。
图3
图3
真实测井曲线与伪测井曲线及其波阻抗对比
a—原始声波时差曲线;b—原始密度曲线;c—重构伪声波(红色)和密度曲线(绿色);d—原始波阻抗(黑色)与伪曲线计算的波阻抗(红色)
Fig.3
Real logging,false logging and its impedance
a—original sonic differential time;b—orignal density;c—false sonic(red)and density(green);d—impedance of original(black)and calculated from false logging(red)
3.2 地震波阻抗反演
反演精度依赖于已知的测井曲线和建立的低频模型。首先通过测井曲线重构,获得对岩浆岩反映敏感的伪测井曲线,可以满足地震反演的要求。然后通过制作单井地震合成记录建立测井与地震数据之间精确的时深关系,利用地震解释的层位、断层和地震数据建立低频模型,反演过程中利用测井曲线统计出的反演属性空间变差函数来指导模型插值。把低频地质模型作为输入约束条件,选择合适的插值算法来进行插值,得到反演结果。
图4
图4
过井地震剖面及反演效果
a—过井地震剖面;b—原始测井曲线反演剖面;c—伪测井曲线反演剖面
Fig.4
Cross-well seismic section and inversion result
a—cross well seismic section;b—inversion section based original logging;c—inversion section based false logging
3.3 预测效果
通过敏感参数分析划分出岩浆岩的拟波阻抗数值范围,以此在反演数据体上进行属性提取与时间厚度叠加,再乘以由测井曲线统计分析得到的岩浆岩速度值(4 650~5 400 m·s-1),得到岩浆岩的厚度平面分布图(图5)。由图可见,岩浆岩在研究区东部厚度较大,向西部方向变薄,逐渐消失。说明岩浆岩以层状入侵为主,受局部断层控制,沿断层呈现为分片分布的特征。
图5
4 结论
以高密度三维数据为基础进行岩浆岩识别与预测,对比分析了不同测井曲线对岩浆岩的敏感性,重构出对岩浆岩反映敏感的伪测井曲线,通过井震联合反演进行岩浆岩分布预测研究,获得以下结论:
1)高密度地震资料包含着更多高、低频的细节信息,有利于识别岩浆岩。
2)通过视电阻率、自然伽马等敏感测井曲线的综合对比分析,进行岩浆岩识别和层位划分,对声波、密度等测井曲线进行重构,得到对岩浆岩反映明显的密度和声波等伪测井曲线,有利于提高岩性反演的效果。
3)通过波阻抗反演将高密度地震信息转化为岩性信息,可以精细雕刻岩浆岩的空间分布规律,实现岩浆岩厚度分布预测。
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