井巷約束實時動態(tài)速度建模

孟建盛，王建軍，杜百靈

(中國煤炭地質(zhì)總局 地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

1 引 言

隨著煤炭勘探開發(fā)向復雜構(gòu)造區(qū)域的深入，斷裂構(gòu)造，特別是小構(gòu)造的擺動誤差，嚴重威脅了礦井安全生產(chǎn)。因此，提高小斷層的勘探精度非常重要。如何提高小斷層的勘探精度是人們當前極為關注的問題。眾所周知反射點及繞射點的正確偏移歸位對提高勘探精度具有重要作用。當前偏移歸位較好的疊前時間偏移方法僅在橫向速度穩(wěn)定的時候效果較為明顯[1]，但面對復雜勘探條件下的傾斜界面，尤其是煤層沿層速度變化較大的復雜礦區(qū)時，疊前時間偏移勘探精度已不能滿足煤礦安全生產(chǎn)需要。疊前深度偏移能夠更好地解決煤層沿層速度變化較大的復雜區(qū)域的偏移歸位問題[2,3]，提高構(gòu)造的勘探精度。因此，在煤層沿層速度變化大的復雜礦區(qū)研究適用于煤炭勘探特色的一種疊前深度偏移方法，進而提高小斷層的解釋精度，對煤礦回采面的重新部署具有重要的指導意義。

煤炭勘探領域的疊前深度偏移技術經(jīng)過了二十年的發(fā)展[4,5]，還只是停留在方法研究階段，未能達到推廣應用并指導煤礦生產(chǎn)的地步。深度域速度模型的精度對疊前深度偏移成果的質(zhì)量影響巨大。隨著計算機技術的發(fā)展，根據(jù)煤田地震資料信噪比高、鉆孔較多且分布較為均勻的資料，再加上巷道實際揭露的大量見煤點，井巷數(shù)據(jù)為深度域速度模型的精度提供了可靠的保障，井巷約束下實時動態(tài)速度建模由此而生。

2 疊前深度偏移的優(yōu)勢

與疊前時間偏移相比，疊前深度偏移之所以能在橫向速度變化較大的區(qū)域能更好的實現(xiàn)偏移歸位，是因為疊前時間偏移的應用前提條件是水平層狀介質(zhì)或均勻介質(zhì)，其繞射點和時間偏移后成像點的橫向空間位置相同。但是多數(shù)情況下，反射界面是傾斜的(圖1)，也就是橫向速度是變化的，這樣透射波就會產(chǎn)生折射時差，使繞射點和成像點的橫向空間位置存在差異。發(fā)生這種差異是因為疊前時間偏移算法只考慮繞射項，忽略了折射項，而疊前深度偏移算法相比疊前時間偏移算法不僅有繞射項，還引入了折射項，從而消除了折射時差[6]。按照疊前時間偏移和疊前深度偏移的算法差異，對橫向速度變化的模型分別正演出時間偏移剖面和深度偏移剖面，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看到，時間偏移剖面與真實模型差異巨大，基本不能真實成像，而深度偏移卻大大提高了偏移成像質(zhì)量，與真實模型較為一致。所以在理論上可以證明，疊前深度偏移是比疊前時間偏移更好的空間偏移歸位方法。

圖1 傾斜界面下的疊前時間偏移示意

圖2 速度模型正演時間偏移與深度偏移剖面

3 井巷約束實時動態(tài)速度建模

以淮北臨渙礦區(qū)三維地震數(shù)據(jù)為例進行速度建模。速度模型的精度對疊前深度偏移剖面的質(zhì)量起著決定性的作用[7,8]，而速度模型的建立包括：初始速度模型的建立、沿層層析成像、網(wǎng)格層析成像等。本文研究出了適應煤炭特色的井巷約束實時動態(tài)速度建模方法，首先利用井巷約束下的速度分析在網(wǎng)格層析的基礎上繼續(xù)更新速度模型，得到更加精準的深度域速度模型，然后在此基礎上，隨著實時回采到的新的巷道數(shù)據(jù)，動態(tài)地優(yōu)化更新速度場，實時提高深度偏移成果質(zhì)量。

井巷約束實時動態(tài)速度建模具體流程見圖3。

圖3 井巷約束實時動態(tài)速度建模流程

3.1 初始速度模型建立

3.1.1 時間域構(gòu)造模型建立

為建立初始的深度域速度模型，需在疊前時間偏移數(shù)據(jù)體上進行目標層位的標定。具體做法是對研究區(qū)地震資料進行精細時間域?qū)游唤忉?，選擇續(xù)性好、能量強的同相軸進行追蹤。本次研究選擇第四系、3、7、9、10煤這5層進行層位解釋。在構(gòu)造解釋過程中，通過三維立體實時動態(tài)監(jiān)控InLine和CrossLine方向的解釋層位，以確保各個層位空間閉合,最終建立時間域的構(gòu)造實體模型(圖4)。

圖4 建立時間域構(gòu)造實體模型

3.1.2 初始層速度體產(chǎn)生

將上一步得到的時間域構(gòu)造實體模型充填時間域沿層層速度(由疊加速度和井巷約束建立層速度)，進行時深轉(zhuǎn)換即可得到深度域的構(gòu)造實體模型，再將深度域的構(gòu)造實體模型充填沿層層速度得到深度域初始層速度體，即可建立深度域的初始速度模型(圖5)。

圖5 初始速度模型的建立

3.2 沿層層析成像

初始速度模型建立后，需對上一步已經(jīng)獲得初始速度模型進行速度更新，速度更新先采用沿層層析成像。沿層層析成像就是沿層拾取剩余譜后，通過層析成像[9]對層速度進行優(yōu)化，然后用優(yōu)化后的新層速度體進行目標線的偏移，反復進行迭代，直到使該目標層的剩余層速度誤差趨于零。從上至下，對各個目標層分別進行速度更新。圖6是沿層迭代前后的對比圖，從圖6可以看出，迭代后的剩余延遲速度譜更加收斂，更加趨于零。在沿層層析成像后再進行垂向的剩余速度分析，從而使得深度方向上能量團也趨于零。

圖6 沿層剩余速度分析

3.3 網(wǎng)格層析成像技術

網(wǎng)格層析成像流程實現(xiàn)步驟如下[10,11]：

1)利用上一步更新后的速度模型進行疊前深度偏移，得到深度域數(shù)據(jù)體；

2)提取深度域的數(shù)據(jù)屬性體(地震資料同相軸的連續(xù)性體、地層傾角體及方位角體)；

3)根據(jù)地層連續(xù)性，一般情況下是自動提取地震資料的內(nèi)部反射層位，但是為了提高精度，由解釋人員手動在深度域進行精細的層位追蹤，以確保解釋層位絕對準確；

4)根據(jù)疊前深度偏移得到的共成像點道集，拾取目標測線的深度剩余速度，形成深度剩余速度體；

5)將上述的三種地震屬性體、深度剩余速度體、初始層速度體，內(nèi)部反射層位等幾種數(shù)據(jù)體融合創(chuàng)建一個Pencil數(shù)據(jù)庫，使得每個地震記錄包含上述幾種信息，為旅行時計算奠定基礎；

6)建立包含多個層位的全局網(wǎng)格層析成像矩陣；

7)利用最小二乘法，在上述幾種信息的約束下，求解網(wǎng)格層析成像矩陣，得到優(yōu)化后的深度域?qū)铀俣润w。

3.4 井巷約束實時動態(tài)優(yōu)化速度場

3.4.1 井巷約束優(yōu)化速度場

在上一步網(wǎng)格層析速度場精細調(diào)整的基礎上，利用測井分層數(shù)據(jù)、巷道數(shù)據(jù)，通過井巷約束，進一步優(yōu)化深度偏移速度場。井巷約束優(yōu)化速度場是煤炭地震勘探的一大特色，專門針對煤炭勘探鉆孔密、巷道見煤點多的特點，通過求取各個目標層沿層各項異性[12]Delta(深度差)值，進而校正優(yōu)化偏移速度場。具體步驟如下:

1)根據(jù)井巷約束前的深度偏移剖面精細解釋層位；

2)利用解釋的層位建立深度域的構(gòu)造模型；

3)根據(jù)鉆井分層深度、巷道見煤點深度與模型深度計算各向異性Delta(深度差)值；

4)根據(jù)鉆井和巷道見煤點處的各向異性Delta值建立層約束下的Delta場(圖9)；

圖9 臨渙礦區(qū)六采區(qū)斷層SDF8在PSTM、PSDM 剖面InLine 729線對比

5)將各向異性的Delta場和各向同性層速度場轉(zhuǎn)換成各向異性的垂向速度場；

6)利用各向異性的垂向?qū)铀俣葓鲞M行各向異性的疊前深度偏移。

通過井巷約束優(yōu)化的速度場，可以消除不確定因素造成的速度場的偏離，使得速度模型更加接近真實速度，最終的速度場更符合地質(zhì)規(guī)律，最終的深度偏移結(jié)果更客觀、更合理、更準確，從而極大程度地提高偏移成果質(zhì)量。圖7是10煤層沿層各項異性Delta(深度差)場平面圖。

圖7 10煤層沿層Delta(深度差)場平面

3.4.2 實時動態(tài)優(yōu)化速度場

隨著實時回采得到新的巷道數(shù)據(jù)，重復以上井巷約束優(yōu)化速度場方法動態(tài)地更新速度場，這樣多次迭代，不斷提高深度偏移成果質(zhì)量，直至建立真實的速度模型，同時獲得最高精度的疊前深度偏移數(shù)據(jù)體。

4 應用效果

通過淮北臨渙礦區(qū)疊前時間偏移(PSTM)和疊前深度偏移(PSDM)剖面對比(圖8)可以看到，疊前時間偏移剖面淺層新生界地層形成的反射波同相軸連續(xù)性較差，而通過疊前深度偏移處理后，淺層新生界地層形成的反射波與疊前時間偏移剖面相比連續(xù)性有了較大的改善。且疊前時間剖面上斷層DF151和DF153的斷點不夠清晰(圖8a)中紅色圓圈為PSTM剖面解釋斷點位置)，通過疊前深度偏移處理后，疊前深度剖面比疊前時間剖面上DF151和DF153的斷點更加清晰、干脆(圖8b)中紅色圓圈為PSDM剖面解釋斷點位置)。

圖8 臨渙礦區(qū)PSTM與PSDM剖面對比

同時結(jié)合臨渙礦區(qū)回采面信息，斷層DF8為巷道實見斷層(圖9中紅色虛線為巷道實見斷點位置)，斷層DF8在疊前時間偏移(PSTM)剖面上、下盤落差僅4 ms(按平均速度3 000 m/s計算，落差為6 m)，與巷道實見斷層擺動誤差達25 m(圖9a)中紅色圓圈為PSTM解釋斷點位置)，在疊前深度偏移(PSDM)剖面上、下盤落差為12 m，巷道此處實見斷層為13 m，且與巷道實見斷層擺動誤差10 m以內(nèi)(圖9b)中紅色圓圈為PSDM解釋斷點位置)，由此可知，深度域(PSDM)剖面與巷道實見斷層不管是在落差上還是擺動誤差上都更為相符。

5 結(jié) 論

1)利用井巷約束實時動態(tài)速度建模技術，可以得到高精度的深度域速度場，最終偏移得到高質(zhì)量的疊前深度偏移數(shù)據(jù)體；

2)通過對比疊前時間偏移剖面(PSTM)與疊前深度偏移(PSDM)剖面，發(fā)現(xiàn)疊前深度偏移成像質(zhì)量更高，斷點更加干脆、清晰；

3)結(jié)合巷道回采面信息對疊前深度偏移成果進行驗證，從斷層落差大小和斷層擺動誤差上分析都更加接近真實數(shù)據(jù)。