应用地震资料频谱属性预测煤层厚度

1应用地震资料频谱属性预测煤层厚度（山西省煤炭地质物探测绘院山西晋中030600）摘要：研究区属厚黄土覆盖区，煤层埋深较大，主要煤层厚度变化大。通过提取煤层反射波中的多种地震属性与煤层厚度做相关分析，发现频谱属性与煤层厚度有较高的线性相关值。通过属性优选，利用频谱属性中的中心频率对煤层厚度进行了预测。获得的煤层厚度变化趋势与钻孔厚度吻合较好，充分说明了薄层的频率调谐作用。关键词：频谱属性；煤层厚度；线性回归；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；在地震特性上煤层是一个低速、低密度的夹层。一般，当界面反射系数≥0.1时，就认为是强反射面。顶底界面反射系数大小差不多，但是极性相反。当煤层层厚（d）λ/4时，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/2πf，煤层厚度不同时，时差不同，叠加后的合成振幅也不同，即煤层的厚度调谐作用（图1）。据煤厚的调谐理论可知，当厚度较小，dλ/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极值，最大；特别在煤厚λ/8的范围内，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，即煤层厚度的频率调谐作用（图2）。图1煤层的厚度调谐作用2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属陇东黄土高原的东南部，具典型的黄土塬区地形地貌特征，主要由黄土塬、梁、峁、坡、沟谷等组成，地形复杂。最大高差349m。黄土厚度0～371.12m，平均厚度151.06m。黄土中含砾石，钙质结核层分布较多，对地震波吸收强烈。浅层地震地质条件非常复杂。区内主要可采煤层为煤5和煤8层。煤5层总厚0m～3.46m，平均1.57m；煤8层在局部分岔为煤8-1和煤8-2两个分层。煤8-1分层厚度为0～5.6m，平均厚度为2.24m；煤8-2分层厚度为0.88～12.32m，平均厚度为7.09m；区内钻孔均达到可采；煤8-2分层属较稳定的可采煤层（表1）。在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2）。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20~80Hz，主频为25Hz（图3）。煤层反射波的速度为2200m/s，波长为88m，煤层厚度小于λ/4。表1区内主要煤层发育情况序号孔号5煤厚度(m)5-8.1间距(m)8-1煤厚度(m)8.2-8.1间距(m)8-2煤厚度(m)8煤总厚度(m)备注18050.6542.130.8410.166.937.77区外28060.7139.590.759.704.825.5738072.0051.884.2118.8510.8115.024J8042.1464.654.4816.4112.3216.8059020.002.402.40区外69101.8768.144.5211.599.4713.9979130.2037.770.859.055.356.2089142.2368.474.3614.4410.5514.919J9010.673.103.1010J9020.505.675.6711J9031.9366.353.709.688.3012.0012J9041.0362.773.7915.599.7713.5613J9051.5034.852.9114.113.055.96区外1410052.117.377.371510061.9246.204.927.624.419.3331610072.0237.934.4423.504.408.841710080.1263.944.006.855.969.961810092.4059.145.6015.6211.5017.1019J10011.203.603.6020J10021.819.169.1621J10031.8047.825.105.793.858.9522J10042.3059.625.0513.409.1514.2023J10051.8542.994.0916.454.949.032411030.705.425.422511040.3537.873.5516.933.957.50区外2611092.577.757.752711132.0449.355.1624.3210.5215.6828J11010.603.053.0529J11022.778.508.5030J11031.5058.225.5010.999.2014.7031J11042.4038.474.5022.668.0012.503212041.563.963.963312050.6213.8113.813412072.1012.1712.173512082.2340.334.4925.296.9611.4536J12011.5010.7610.7637J12020.7549.484.538.295.189.7138J12033.0231.574.052.790.884.9339J12040.5034.243.6911.403.106.794013030.507.907.90区外4113081.9011.4611.464213121.487.277.274313133.463.173.17区外44FLJ1.405.221.006.2245ZLJ1.104.451.3412.32图2人工合成记录标定主要反射波组4图3煤层反射波组特征及频谱分析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10ms开时窗，提取了和振幅、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，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4、5为煤5、煤8层厚度与地震属性及属性间的相关系数。图4煤5层厚度与地震属性及属性间的相关系数5图5煤8层厚度与地震属性及属性间的相关系数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4、5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：振幅属性之间有高度相关性，频率属性之间有高度相关性，振幅与频率属性相关性很差。最后，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。3.3线性回归分析由图5可以看出煤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引起了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6）。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，见图7。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0.5m的一些点，造成这些厚度小于0.5m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。如图8、9。6图6钻孔与断裂分布情况图图7煤8层厚度与中心频率属性间的线性相关图图8煤5层厚度与平均振幅属性间的线性相关图7图9煤5层厚度与中心频率属性间的线性相关图4.预测结果的误差分析通过上面的分析对煤5层用两种属性形成线性拟合方程，煤8层用一种属性形成线性拟合方程，对两层煤的厚度进行了预测，从表2中8煤层的预测厚度与误差统计上看，参与计算的钻孔共有38个，相对误差大于50%的有6个，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变化趋势。表28煤层预测厚度及误差统计序号孔号8煤实际厚度8煤预测厚度绝对误差相对误差%备注18057.77没参与计算28065.575.760.193380715.0213.401.62114J80416.8014.462.341459022.403.110.7130691013.999.674.323179136.209.663.4656891414.9115.921.0179J9013.10没参与计算10J9025.674.161.512711J90312.0012.900.90812J90413.5613.130.43313J9055.964.761.20201410057.3711.183.81521510069.336.872.46261610078.844.724.12471710089.96没参与计算18100917.1013.673.432019J10013.607.003.409520J10029.1611.532.372621J10038.9510.051.1012822J100414.2012.231.971423J10059.03没参与计算2411035.429.193.77702511047.50没参与计算2611097.758.510.761027111315.6813.532.151428J11013.054.221.173829J11028.5010.512.012430J110314.7012.861.841231J110412.5013.911.41113212043.967.373.418633120513.8112.051.761334120712.1712.200.03035120811.4512.130.68636J120110.769.291.471437J12029.7112.242.532638J12034.934.710.22439J12046.7910.623.83564013037.905.642.262941130811.468.542.92264213127.278.22-0.95-134313133.17没参与计算44FLJ6.22没参与计算45ZLJ5.7913.801.49125.结论通过上面对煤层厚度与地震属性相关性分析及预测结果，可以得出以下结论。①煤5层与煤8层的厚度与频率属性相关性都好，所以利用薄层的频率调谐效应对薄层厚度进行预测是可行的，尽管研究区地震地质条件很差，资料信噪比和保真度受到一定程度的影响，但预测结果还是可信的。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，说明在煤层较薄，特别在煤厚λ/8的范围内，煤厚与相应反射波振幅呈线性关系。③在煤层厚度太小的情况下，特别是小于0.5米时，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，将会直接影响预测结果的可信度。参考文献：[1]郭彦省.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[2]俞展.地震属性在预测延川南煤层厚度中的应用[J].油气藏评价与开发，2014，4（2），65-75