黃土塬區(qū)延安組煤層地震響應(yīng)特征物理模擬研究

邢廷棟，薛詩(shī)桂，黎小偉，索重輝，王輝明，焦艷艷

黃土塬區(qū)延安組煤層地震響應(yīng)特征物理模擬研究

邢廷棟1,2，薛詩(shī)桂1,2，黎小偉3，索重輝1,2，王輝明1,2，焦艷艷1,2

(1. 中國(guó)石化地球物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103；2. 中國(guó)石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103；3. 中國(guó)石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006)

針對(duì)黃土塬區(qū)延安組煤層地震響應(yīng)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行地震物理模擬研究。首先，研發(fā)適用于黃土塬地表干黃土層和煤層的模型材料，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終選用在硅橡膠中添加硅氣凝膠粉末的混合材料模擬疏松黃土塬地表層，選用在硅橡膠中添加超細(xì)碳粉的混合材料模擬低速低密度煤層；通過(guò)模具控制層位、逐層澆筑、三維雕刻起伏地層等方法，制作黃土塬區(qū)典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維地震物理模型，并開展地震物理模擬及地震成像分析。結(jié)果表明，延安組煤層與圍巖較大的波阻抗差異形成較強(qiáng)的反射振幅，對(duì)下部地層的成像有較強(qiáng)的屏蔽作用；較厚的多組煤層之間會(huì)形成層間多次波，影響下伏地層的成像。用地震振幅屬性對(duì)煤層進(jìn)行刻畫時(shí)，計(jì)算時(shí)窗大于40 ms更有利于煤層識(shí)別，但由于煤層存在調(diào)諧效應(yīng)，用地震屬性預(yù)測(cè)煤層厚度存在一定陷阱。

地震物理模擬；延安組煤層；黃土塬地表；振幅屬性

我國(guó)西部黃土塬地區(qū)煤炭資源十分富集，隨著國(guó)內(nèi)煤炭消耗量的不斷增長(zhǎng)和東部煤炭資源的減少，煤炭資源勘探與開發(fā)的重心轉(zhuǎn)向西部地區(qū)[1-4]。而西部地表?xiàng)l件十分復(fù)雜，最主要的特征就是黃土塬，黃土塬地區(qū)土質(zhì)疏松、地表起伏大、彈性差、地震波傳播速度小、衰減大，對(duì)地震勘探造成很大的影響，使得黃土塬地區(qū)長(zhǎng)期被地球物理學(xué)界視為“地震勘探禁區(qū)”[5-10]。地震正演模擬是理解地震波在地下介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)、幫助解釋觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效手段，在地震勘探中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。地震正演模擬分為數(shù)值模型正演和物理模型正演，物理模型正演早在20世紀(jì)20年代就被用于地震勘探領(lǐng)域，但直到1974年著名的French模型誕生，地震勘探領(lǐng)域?qū)W者才真正認(rèn)識(shí)到物理模擬技術(shù)在三維地震勘探中的可行性及優(yōu)越性[12]。目前，對(duì)于煤層的地震模擬大多數(shù)是采用數(shù)值模擬方法，在物理模擬方面僅有少許學(xué)者進(jìn)行了研究，但并沒(méi)有考慮上覆黃土塬地層對(duì)煤層的影響[13-15]。筆者嘗試?yán)玫卣鹞锢砟M技術(shù)研究黃土塬區(qū)延安組煤層的地震響應(yīng)特征，從三維地質(zhì)建模到黃土塬區(qū)特性材料研究，再到三維地震物理模型的制作、數(shù)據(jù)采集與處理，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋成像，系統(tǒng)分析延安組煤層成像特點(diǎn)，以及黃土塬區(qū)對(duì)煤層刻畫的影響，以期指導(dǎo)實(shí)際煤層地震勘探。

1 研究區(qū)域地質(zhì)條件

本次研究區(qū)主要位于鄂爾多斯盆地西南、天環(huán)坳陷南部，地層由下至上發(fā)育為中生代的三疊系、侏羅系、白堊系，新生代的古近系、新近系和第四系。其中，主要含煤地層位于侏羅系的延安組[16]，是此次模擬勘探的目的層。

1.1 地表?xiàng)l件

研究區(qū)地表為典型的黃土山地溝壑區(qū)，地勢(shì)總體走向?yàn)槲鞅备邧|南低，地形非常復(fù)雜，地表起伏大，地表高程為900～1 600 m。表層覆蓋有幾米到幾百米的黃土，且其厚度縱橫向隨機(jī)變化，總體呈現(xiàn)塬上厚，溝底薄的特點(diǎn)。表層黃土層土質(zhì)松散，從上到下大致可以分為干黃土(縱波波速為300～500 m/s)、濕黃土(縱波波速為800～1 000 m/s)和潛水面以下含水黃土(縱波波速為1 700～1 800 m/s)，表明煤層上覆層的速度較低。

1.2 延安組煤層地質(zhì)條件

通過(guò)測(cè)井資料分析可知，該區(qū)域在延8(KT_y8)、延9(KT_y9)等多組地層發(fā)育有煤層，且煤層厚度不均勻，變化較大[17]。其中延9煤層較厚，為6～15 m，延8煤層厚度較薄，為2～4 m。部分地區(qū)存在煤層分叉現(xiàn)象，發(fā)育多組煤層，而部分地區(qū)存在空白或弱反射，表明煤層并不是全區(qū)分布。煤層的速度和密度都較低，縱波速度約為2 500 m/s，密度約為1.6 g/cm3。

2 模擬材料研發(fā)

地震物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)是地震物理模型的制作，其困難在于彈性參數(shù)的匹配與形態(tài)的可控，研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂和硅橡膠的混合材料是最常用、最合適的模型材料[18-19]。然而這種混合材料有其自身的局限性，一方面是其速度變化范圍較小，一般為1 000～2 600 m/s，難以模擬低速層與高速層；另一方面是其均質(zhì)性很好，難以滿足非均質(zhì)性地層的要求。

2.1 煤層模擬材料

在地震剖面上，煤層常常表現(xiàn)為強(qiáng)振幅反射，延安組煤層具有速度低、密度小、厚度薄且分布不均勻等特點(diǎn)，厚度變化大，從幾米到幾十米不等，這就要求模擬材料有黏稠性、可塑性好、低速低密度等特性，而環(huán)氧樹脂和硅橡膠的混合材料無(wú)法達(dá)到這樣的要求，需要探尋新的材料或材料組合。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終選用將1 000目(13 μm)的碳粉作為添加劑，以硅橡膠作為基質(zhì)按照1∶1的質(zhì)量比進(jìn)行混合，用該混合材料來(lái)模擬延安組煤層。首先碳粉是一種低密度的有機(jī)質(zhì)，而煤層也是一種非常好的有機(jī)質(zhì)，二者在特性上有相似之處；其次，純的硅橡膠速度僅為1 000 m/s左右，是一種非常好的低速材料，又是一種膠結(jié)劑，可以和碳粉混合后形成固體而不需要其他試劑；最后，加入碳粉末的硅橡膠材料變得較為黏稠，流動(dòng)性差，有利于分布不均煤層的制作和成型。圖1a為1 000目(13 μm)的碳粉末。

2.2 黃土塬表層模擬材料

對(duì)于濕黃土和含水黃土層而言，常規(guī)的物理模型材料便可滿足模擬需求。但對(duì)于干黃土層而言，其主要的特點(diǎn)有：①較為疏松，縱橫波速度低，孔隙率大；②衰減大，對(duì)地震波具有很強(qiáng)的吸收作用；③厚度差異大，分布不均勻，地貌特征復(fù)雜。故而常規(guī)的模擬材料無(wú)法滿足這些特性，需要探索新的材料來(lái)模擬干黃土層。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)探索，本次最終選擇用一種名為硅氣凝膠材料的粉末作為添加劑，以硅橡膠為基質(zhì)的混合材料作為上覆低速高衰減黃土層的模擬材料。圖1b為塊狀硅氣凝膠。氣凝膠是一種固體物質(zhì)，是世界上密度最小的固體之一，常見的氣凝膠便是硅氣凝膠，其密度為 15 kg/m3，比空氣重十幾倍，此外，硅氣凝膠孔隙率非常高，約有95%，孔隙均為納米級(jí)，孔徑為20～70 nm，因此，其對(duì)于超聲波有較強(qiáng)的吸收作用。

制作干黃土地層物理模型的具體過(guò)程如下：①按比例稱取一定量的硅氣凝膠和硅橡膠液體(具體比例要根據(jù)黃土層的厚度和速度確定)，將其放置在溫度為40℃的恒溫箱中保溫2～3 h；②將硅氣凝膠取出，用小型粉碎機(jī)打磨約10 s(時(shí)間過(guò)長(zhǎng)硅氣凝膠會(huì)變?yōu)榧?xì)粉，模擬效果不佳，過(guò)短則存在大顆粒，形成較大的非均質(zhì)體)；③取出硅橡膠液體，將打碎的硅氣凝膠粉混入，充分?jǐn)嚢枋苟呋旌暇鶆?；④依?jù)干黃土層的分布規(guī)律，將混合材料涂抹至物理模型表面。應(yīng)用這種材料制作的物理模型，其超聲波縱波速度變化范圍為600～1 000 m/s，拓展了原有地震物理模型材料在低速地層的限制。

3 物理模型構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)采集

地震物理模擬是在實(shí)驗(yàn)室將野外的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體按照一定的相似比模擬制作成物理模型，并用超聲波模擬野外地震波的一種模擬方法。具體來(lái)說(shuō)，地震物理模擬就是依照地質(zhì)結(jié)構(gòu)中原體，應(yīng)用特定的相似準(zhǔn)則，縮制成模型，根據(jù)其速度、密度及結(jié)構(gòu)，在模型中復(fù)演與原體相似的天然狀況，進(jìn)行超聲地震實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀測(cè)獲取數(shù)據(jù)，然后再按照相似準(zhǔn)則將結(jié)果引申到原體，用以指導(dǎo)實(shí)踐。在這一系列實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先要求模型和原型相比是相似的，其次要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出合理的分析，從而得到真正可以反映原體實(shí)際情況的數(shù)據(jù)，原型是模型的基礎(chǔ)[20-23]。

3.1 物理模型設(shè)計(jì)與制作

首先，通過(guò)研究區(qū)域測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，獲取研究區(qū)內(nèi)各層位的層位數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立研究區(qū)的層位模型。模型以地表黃土層為頂面，以長(zhǎng)9層(KT_c91)向下延伸至高程–1 100 m為底面，共16個(gè)層位(表1)。通過(guò)測(cè)井分層數(shù)據(jù)和區(qū)內(nèi)聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)的各層位速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并以此為各分層速度建模的基礎(chǔ)。由微測(cè)井和小折射分析，得到黃土塬上、斜坡、溝底的地層速度結(jié)構(gòu)變化和速度模型，從而完成對(duì)黃土層的地質(zhì)建模。黃土塬地貌大致有三層速度結(jié)構(gòu)，第一層和第二層為低(降)速度帶，速度范圍為400～1 000 m/s，深部黃土速度較為穩(wěn)定，速度為1 800 m/s。采用自然伽馬和聲波時(shí)差曲線交匯的方法識(shí)別煤層位置及厚度，分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)發(fā)育多組煤層。為簡(jiǎn)化模型的制作，在模型設(shè)計(jì)時(shí)只考慮延8(KT_y8)和延9(KT_y9)兩組煤層，其中，延9煤層存在分叉現(xiàn)象，煤層分布不均勻，厚度變化范圍為6～15 m，縱波速度均為2 500 m/s。圖2為最終設(shè)計(jì)的地質(zhì)模型圖，為制作模型方便，縱向指標(biāo)由高程改為深度。模型尺寸與實(shí)際地質(zhì)體的比例為1∶20 000，模型的速度與實(shí)際速度比例為1∶2，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間與野外采集的時(shí)間比例為1∶10 000，相應(yīng)的，實(shí)驗(yàn)室采集頻率與野外地震波頻率的比例為10 000∶1，即實(shí)驗(yàn)室主頻為170 kHz的超聲波代表野外主頻為17 Hz的地震波。物理模型各層參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

根據(jù)物理模型的設(shè)計(jì)，開始對(duì)三維物理模型進(jìn)行制作，模型的制作主要應(yīng)用三維雕刻起伏層位、精細(xì)模具控制煤層制作、雕刻反模澆筑黃土層等手段。圖3a為延9煤層制作，圖3b為延8煤層制作。依據(jù)煤層的厚度和分布范圍，通過(guò)精細(xì)模具控制2組煤層的制作，接著，開始對(duì)其上覆地層進(jìn)行澆筑，利用模具控制每個(gè)層位界面的制作，完成黃土層之下的所有地層澆筑。由于地表黃土層起伏較大，采用雕刻反模的方法進(jìn)行澆筑。最后是對(duì)干黃土層的澆筑，在澆筑過(guò)程中要保證干黃土層在塬上較厚，溝中較薄的特點(diǎn)，分多次澆筑。完成的模型如圖4所示，圖4a是煤層及其覆蓋層的三維物理模型，圖4b是最終的三維地震物理模型。

圖2 地質(zhì)模型原型

表1 三維地質(zhì)模型設(shè)計(jì)參數(shù)與測(cè)量參數(shù)

圖3 2組煤層物理模型

圖4 三維地震物理模型

3.2 地震物理模擬數(shù)據(jù)采集

完成物理模型制作后便可進(jìn)行地震物理模擬實(shí)驗(yàn)，將制作好的三維地震物理模型放入水槽中，應(yīng)用地震物理模擬采集儀器對(duì)模型進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集，在采集之前需要先設(shè)計(jì)好觀測(cè)系統(tǒng)，并由數(shù)據(jù)采集程序讀取和執(zhí)行。

為了更好地說(shuō)明地表高衰減、低波速的干黃土層對(duì)煤層地震波場(chǎng)特征的影響，物理模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了2次數(shù)據(jù)采集，完成目的層的制作后(圖4a)即進(jìn)行第一次三維地震數(shù)據(jù)采集，完成整個(gè)三維地震模型制作后(圖4b)再進(jìn)行一次三維地震數(shù)據(jù)采集。2次采集設(shè)計(jì)的觀測(cè)系統(tǒng)完全一致，采用40束30排炮4炮(共4 352炮)22線左135道右140道，其他參數(shù)見表2，依照觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的采集，最終獲得2套三維地震數(shù)據(jù)體。

表2 物理模型實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)

4 數(shù)據(jù)處理、解釋及煤層響應(yīng)特征分析

4.1 物理模型數(shù)據(jù)處理與解釋

對(duì)2組地震數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，可獲得2套偏移剖面。選取位于模型中間位置目的層的偏移剖面顯示，如圖5所示。從圖5可以看出，煤層有著非常強(qiáng)的波阻抗反射界面，圖中區(qū)域①為延9煤層的反射界面，該區(qū)域僅發(fā)育延9一組煤層，界面反射較強(qiáng)，其下除頁(yè)巖層尚可識(shí)別外，其他各層同相軸模糊且不連續(xù)；圖中區(qū)域②發(fā)育2組煤層，分別為延9煤層和延8煤層，反射界面振幅強(qiáng)且層間多次波發(fā)育，其下頁(yè)巖層成像雜亂，其余地層受到嚴(yán)重的屏蔽作用，基本無(wú)法識(shí)別。

圖5 目的層疊后偏移剖面(Inline)

圖6為2套數(shù)據(jù)在同一個(gè)Crossline方向上相應(yīng)的疊前時(shí)間偏移剖面，其中，圖6a為目的層疊前時(shí)間偏移剖面，圖6b為最終模型疊前時(shí)間偏移剖面。由于最終模型比目的層模型多了上覆地層及黃土塬地表層，故第二次采集的模擬數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)煤層的旅行時(shí)間較第一次多出約500 ms。由圖6可以看出，在沒(méi)有上覆層時(shí)，煤層地震響應(yīng)特征清晰，具有強(qiáng)振幅異常的特征，2組煤層之間發(fā)育層間多次波。當(dāng)有上覆地層及黃土塬地表層時(shí)，煤層的強(qiáng)振幅特性依然存在，但煤層較不連續(xù)，且受地表影響，形成傾斜界面，2組煤層之間的層間多次波消失不見。此外，煤層的下伏頁(yè)巖層和其他地層均無(wú)法識(shí)別。可見黃土塬地表層與煤層的疊加效應(yīng)對(duì)煤層下伏地層有著很強(qiáng)的干擾，嚴(yán)重影響其成像。

4.2 煤層地震響應(yīng)特征分析

地震屬性分析技術(shù)是地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的一種主要手段[16]，本次使用屬性分析技術(shù)對(duì)延安組煤層進(jìn)行屬性刻畫。由于煤層存在異常振幅值，較其他方面的屬性而言，其對(duì)振幅有著更好的敏感性，因此，主要選取了最大振幅、最小振幅和均方根振幅3種屬性，并在不同時(shí)窗下進(jìn)行計(jì)算，以此識(shí)別和刻畫延安組煤層的邊界和厚度。共選取了4組時(shí)窗進(jìn)行振幅屬性計(jì)算，時(shí)窗分別為10、40、100、200 ms，圖7為目的層模型的振幅屬性計(jì)算結(jié)果，圖8為最終模型的振幅屬性計(jì)算結(jié)果。

從圖7可以看出，2套數(shù)據(jù)中，當(dāng)計(jì)算時(shí)窗較小(≤40 ms)時(shí)，各振幅屬性都難以準(zhǔn)確識(shí)別煤層的分布，也難以刻畫煤層的厚度；當(dāng)計(jì)算時(shí)窗較大(>40 ms)時(shí)，可以較好地刻畫煤層的分布。對(duì)比2套數(shù)據(jù)的振幅屬性，可以發(fā)現(xiàn)，黃土塬地層對(duì)煤層的識(shí)別有影響，主要表現(xiàn)在降低了地震數(shù)據(jù)的信噪比，使得煤層的邊界刻畫不準(zhǔn)確，但總體上煤層還是可識(shí)別的。對(duì)比3種不同振幅屬性，可以發(fā)現(xiàn)，在目的層模型中，三者識(shí)別的煤層差異較小，而且在大時(shí)窗條件下，基本可以準(zhǔn)確識(shí)別出煤層，而在有黃土塬地表層模型中，不同屬性識(shí)別出的煤層存在差異，相比而言，均方根振幅屬性刻畫的煤層更接近實(shí)際煤層的分布。

圖8 不同時(shí)窗計(jì)算下最終模型振幅屬性

5 結(jié)論

a.延安組煤層的速度和密度與圍巖相差較大，波阻抗差異明顯，在地震剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)反射振幅特性，容易識(shí)別。

b. 煤層對(duì)下部地層的成像具有較強(qiáng)的屏蔽作用，尤其是發(fā)育多組煤層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生層間多次波，使得其下伏地層成像模糊甚至無(wú)法成像。

c.由于煤層的調(diào)諧效應(yīng)，應(yīng)用振幅屬性對(duì)煤層進(jìn)行刻畫時(shí)，不同屬性和不同時(shí)窗刻畫的煤層厚度會(huì)有差別，故用地震屬性預(yù)測(cè)煤層厚度存在一定的陷阱；總體而言，大時(shí)窗(大于40 ms)計(jì)算得到的屬性更有利于煤層的刻畫。

d.黃土塬地表層對(duì)煤層的刻畫有著較大的影響，地表溝壑的存在使得煤層同相軸連續(xù)性變差，低速高衰減的干黃土層降低了煤層信號(hào)的信噪比，使得煤層的刻畫不準(zhǔn)確。

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Physical modeling of seismic response for the coal seams of Yan’an Formation in loess tableland of North China

XING Tingdong1,2, XUE Shigui1,2, LI Xiaowei3, SUO Chonghui1,2, WANG Huiming1,2, JIAO Yanyan1,2

(1. SINOPEC Key Laboratory of Geophysics, Nanjing 211103, China; 2. SINOPEC Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, China; 3. Exploration and Development Research Institute, SINOPEC North China Company, Zhengzhou 450006, China)

A seismic physical simulation is carried out for the complex seismic response of the coal seam of Yan’an Formation in the loess tableland. First, the physical model materials for the dry layer near the surface of the loess tableland and the coal seam are developed. After several tests, a mixture of silicone rubber with silicon aerogel powder is selected to simulate the surface of the loess tableland, and the mixture with ultra-fine carbon powder added to silicone rubber is used to simulate the low-speed and low-density coal seam. Through the methods of molds control layer, layer by layer pouring, three-dimensional carving of undulating strata, a three-dimensional seismic physical model of the typical geological structure in the loess tableland is constructed, and seismic physical simulation and seismic imaging analysis are carried out. The results show that there is a strong reflection amplitude because of the great difference in impedance between the coal seam and surrounding rock of Yan’an Formation. Therefore, it has a strong shielding effect on the imaging of the lower strata. There are internal multiple waves in the multiple sets of coal seams, affecting the imaging of the underlying layer. The calculation time window greater than 40 ms is more favorable to coal seam identification when the coal seam is described by the seismic amplitude attribute. But there are some traps in predicting coal seam thickness by seismic attributes because of the coal seams tuning effect.

seismic physical modeling; Yan’an Formation coal seam; loess tableland surface; amplitude attribute

語(yǔ)音講解

P631

A

1001-1986(2021)06-0087-07

2021-08-20；

2021-10-22

國(guó)家自然科學(xué)基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目(U19B6003-004)

邢廷棟，1991年生，男，陜西榆林人，碩士，工程師，從事地震物理模擬實(shí)驗(yàn)及研究工作. E-mail：xingtd.swty@sinopec.com

薛詩(shī)桂，1980年生，男，河南南陽(yáng)人，研究員，從事地震物理模擬及地震數(shù)據(jù)分析方法技術(shù)研究. E-mail：38473815@qq.com

邢廷棟，薛詩(shī)桂，黎小偉，等. 黃土塬區(qū)延安組煤層地震響應(yīng)特征物理模擬研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：87–94. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.010

XING Tingdong，XUE Shigui，LI Xiaowei，et al. Physical modeling of seismic response for the coal seams of Yan’an Formation in loess tableland of North China[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：87–94. doi: 10.3969/j. issn.1001-1986.2021.06.010

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(責(zé)任編輯 聶愛蘭)