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3 地震属性技术

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物探新方法新技术333 震属性的概念地震属性是指从叠前和叠后地震数据中提取出来的运动学、动力学和统计学地震特殊测量值,过去的文献常称为地震属性参数,现在已统称为地震属性。地震属性技术是指提取、显示、分析和评价地震属性的技术,在煤田地震勘探中包括地震属性的提取、地震属性的分析、利用地震属性区分构造、岩性并进行目的层 预测。震属性分类地震属性的分类没有统一的标准,不同的学者分别提出过不同的属性分类。结合煤田地震勘探的特点,可以根据运动学/动力学特征把地震属性分成八个类别:时间、振幅、频率、相位、波形、相关、吸收衰减、速度。地震属性的类型很多,要根据解决的地质问题来选择相应的地震属性。地震属性技术的关键在于属性提取,提取方式包括同相轴属性提取和数据体属性提取。1.提取同相轴属性同相轴属性是与某个界面有关的地震属性,具体提取方法包括瞬时提取法、单道分时窗提取法和多道分时窗提取法。瞬时提取法即传统的“ 三瞬 ”参数,瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率。单道分时窗提取法是在一个地震道上用“可变时窗” 提取各类属性参数,通过解释出的反射同相轴来定义可变时窗的上界和下界。常用的有时间域属性参数、频率域属性参数和分形分维属性参数。多道分时窗提取法是在多个地震道上用可变时窗提取各类属性参数,除了要定义可变时窗的上界和下界外,还需要定义处理道数。将所得到地震属性放到中心道位置上。常用的有品 质 因 素 和 二 维 分 形 参 数 。物探新方法新技术342.提取数据体属性基于数据体的地震属性将产生一个完整的属性体,其最大优点是能产生相关型的数据,从而提供逐道之间地震信号相似性和连续性的有用信息。将固定的三维数据体转化为能反映一定地球物理特征的新三维数据体。最常见的是相干数据体和方差数据体。震属性提取煤层地震波中含有大量地震信息,无论是煤层的构造变化或岩性变化都会引起它们的变化。煤层的构造或岩性变化主要反映在密度、速度及其它弹性参量的差异上,这些差异导致了地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面的变化或异常。当煤层产生大的构造变化时,在地震剖面上可以看到地震波同相轴明显的走时变化及振幅、相位的变化,而有些信息如频率等的变化却难以直观地分析。对于煤层中的小构造异常,用常规的人工识别方法往往是无能为力的。如果首先仔细地研究小构造变化引起地震信息变化的特征,反过来提取这些特征,就可以作为小构造识别的依据。1.时间属性提取从图 3—1 波形函数 f(t)中提取所示各属性参数。图 3—1 时间、振幅属性参数示意图(1) 波峰相位时间: 2) 波谷相位时间: T .振幅属性提取物探新方法新技术35(1) 波峰波谷振幅 (相对振幅) :A 1=A 11 - 2= 2) 时域平均能量(321)()(式中 AT(i)——第 i 道波形在时窗 的平均时域能量;Aj(t)——间振幅采样值。3.频率属性提取图 3—2 频率、相位属性参数示意图(1) 宽频带总能量如图 3—2 所示,以所拾取的反射时间为中心,选取一时窗,对地震信息作富氏变换,得对应的频谱。然后在一定的频带范围内[f WL,f 能量求和,即计算这一频带范围内能量谱线下的面积。宽频带总能量 i)可表示为(3)(2应用中可以根据具体情况来选择参数 则上是将不需要的频率成份排除在外。(2) 主频带能量主频带能量 i)可以表示为(3)(2同理,根据具体情况来选择参数 图 3—2 所示,以主频 65 10宽度,计算这一频带范围振幅谱曲线下的面积。(3) 主频带能量百分比主频带能量百分比 i)为(3()(图 2—2 可为看出, 其比值 i)等于以 中心而宽度为 10那部分面积 B 与总面积(A+B+C)之比。一般分析可知,宽频带总量比较稳定,i)和 i)变化近似一致。(4) 低频带能量低频带能量 Qf(i)可以表示为(3352)()() 平均频率平均频率 FA(i)是在将能谱曲线下的面积平分为二的频率值,如图 3—2 所示,其计算公式是(3()(22(6) 峰值频率峰值频率 FM(i)也称为主频,它是振幅谱曲线 Ai(f)的极大值对应的频率。4.相位属性提取(1) 峰频相位峰频相位 i)为峰值频率所对应的相位。(2) 平均频率相位平均频率相位 i)为平均频率所对应的相位。5.波形属性提取1977 年,法国数学家 次提出分形几何学的设想,并在十多年中得到较快地发展。长期以来,人们习惯于在欧氏空间中研究问题,而自然界中有很多问题是无法用传统科学解决的。分形几何学更准确地揭示了自然界的本来面貌,用简单方法描述复杂现象,用规则的方法处理不规则的问题。在越物探新方法新技术37混乱、越无规则、越复杂的领域,它就越有成效。分形学作为数学的一个新的分支,在八十年代已成为热门学科之一,它为非均匀性、突变性、差异性和间断性的研究提供了一种行之有效的工具。(1) 关联维设有时间序列 x1,x 2,…,x n},其中 xi=x(将上述时间序列重新排列,建立一个 d 维向量相空间{X i}(3 )1(,)(),,, )()()222 111  是延迟时间,它是原时间序列 {间隔的 Δ 的选择应保证式(3出的各向量是线性无关的。建立一个相空间后,任给一个标度 ε,然后检查有多少点对(X i,X j)之间的距离小于 ε,把距离小于 ε的点对在所有点对中所占的比例记为(32 )()(式中 θ(x)——数(30)(然,C 2(ε)随着 ε的增大而增大。若 ε选得太大,则一切点对的距离都不会超过它,C 2(ε)=1;若 ε选得太小,噪声在任何一维上都起作用,因此 )→0。只有当 ε位于一适当的区域内(一般称为标度区) ,C 2(ε)随 ε的变化呈幂函数形式 )∝εD。绘制一张 2(ε)对 后用直线拟合,其斜率就是关联维 3—3)。(2) 容量维由于地震记录是一混沌序列,具有分形特性,所以有(3(由于 (3探新方法新技术38所以 (3)( 3—3 时间序列的关联维计算令 (3 (3(绘制一张 f)曲线图,并用直线拟合,其斜率就是容量维 (图)。图 3—4 容量维计算(3) 二维分形参数从三维地震数据体中提取时间切片或者是任意方向的剖面,然后在时间切片或是地震剖面上开一窗口。无论是哪一种情况,都可将窗口内的地震数据视为一幅图像。在地震剖面上为一时间窗口,其大小为 个像素, 代表10N0叠加道数, 代表各道的样点数;而时间切片上为一空间窗口,由 个1N 21M物探新方法新技术39像素组成, 代表主测线数, 代表联络测线数。1其中 ,)](,)(,)(,1[  1)(, 为整数, 为两个像素之间的)(且按 单调递增方式排列。k它由每一)](,)(,)2(,[ 个不同的尺度对应的所有可能像素对的个数构成,其中 是距离为 的素对的总数。计算多尺度强度差向量 每一个)](,)(,)2(,1[ 量的分量值是距离为某一定值的所有点对的绝对强度差值的平均,其中 是距离为 的所有像素对的绝对强度差值的平均)((|),(,|)(1021012其中 必需满足 。21,yx 2121)选取适当的尺度(计算出点间距的最大值和最小值)。求出向量 向量每一个分量的对数,然后用最小二乘法拟合出斜线的斜率 P,则可以二维分形值。6.相关属性提取利用相邻地震道数据可以求取相似系数(3212121)()()(jj , +T L/2式中 i)——第 i 道的相似系数;时窗长度 xj(t)、y j(t)——相邻道 间振幅采样值;物探新方法新技术40T——时窗中心时间。窗选取地震属性参数的提取,总是针对某一层位的反射波进行的。因此提取地震属性遇到的第一个问题是时窗的选取。时窗选取的好坏直接关系到所提取的地震属性能否真实反映地下的构造特征,所以选取时窗时应格外慎重。时窗长度的选取原则是:尽可能只包含目的层反射波,而将干扰波排除在外。目前的各种解释系统具有强大的交互解释功能,其层位拾取能力很强。使用解释工作站的层位数据可以在属性提取时使用。滑滤波由于采集系统的实际情况决定了提取的地震属性参数有一定的随机性,使地震属性参数曲线上“ 毛刺 ”很多,且可能出现个别非地质因素引起的异常 (也称“野值”) 。“毛刺”和“野值”的出现,对利用地震属性参数进行模式识别是十分有害的,因为它们会干扰解释工作,造成误判、降低判别准确度和精度,因此需要作平滑处理。处理后不仅能除掉“野值” 点,而且能消去 “毛刺”,使地震属性参数的变化规律更明显,从而更好地用于地质解释。常用的平滑滤波方法有两种,分别为均值滤波和中值滤波。1.均值滤波均值滤波分为两步,第一步是去野值(312)(当 时,就认为 是野值,令 = 。其中)((j )(i 道第 j 种地震属性参数值; 是以第 n 道为中心,第 j 种地震属)(m+1 道平均值; λ是大于零的可选参数。物探新方法新技术41第二步是 7 点平滑滤波(3)('式中 a=j(j(j(b=j(i+3)+j(i+2)+j(i+1)其中, 、 是平滑滤波前、后的第 i 道第 j 种地震属性参数值。)('值滤波常用的平滑方法实质上属于低通滤波,可以平滑峰值或谷值的作用,但是它也存在一些缺点,比如模糊边界位置,对非平稳信号处理效果不好。而中值滤波器是一种特殊的非线性滤波器,它同时具有抑制噪声和保护边缘的特征,特别是在非平稳信号的处理中取得了较大的成功。对于提取的属性参数,为了提高利用模式识别方法预测构造异常发育带的可靠性,在参数处理中提供了一种中值滤波器,具体算法如下:假设地震记录由下式来描述{ }(i=1,…, ; j=1,…, ) 式中, 和表示数据的空间采样数即地震道数, 表j x 第 i 道的数据序列为 (j=1,…, ),如(一般 N 为奇数),则对第 i 道的数据的第 k 点的中值滤波过程如图 3—5 所示:(1) 取以第 k 个点为中心的 N 个样点;(2) 对这 N 个样点按数值从小到大的顺序排列;(3) 取排序后的 N 个样点的中心位置的数值作为第 k 点的输出值。重复上述过程,则实现了对地震数据记录{ }的中值滤波。始数据: ,┅, ,┅ ,2/)1(1( 序: ,┅, ,┅ ,/)((输 出: —5 一化处理由于地震属性参数的量纲各不相同,相互之间不易进行对比,这将会给定量分析带来影响。因此,在对地震属性参数进行模式识别以前,需要对数据做归一化处理,使得所有地震属性参数具有相同的变化范围,在应用中有等量贡献。实际归一化处理时,选用变幅极值归一化法,其数学模型是(3)(式中 、 ——归一化前、后的第 i 道第 j 种地震属性参数值;)(第 j 种地震属性参数的极大值;——幅度控制参数,可根据实际情况进行选择,目的是突出异常值。矿地震勘探中的应用1. 解释断裂构造发育带2008 年 6 月,安徽宿州煤电有限责任公司界沟煤矿首采区 1011 工作面在回采过程中,10 煤层底板出水。通过电法勘探和钻探工作,发现 10 煤层以下的太原组灰岩有构造异常带存在,有关专家初步认定为疑似陷落柱。本区可追踪到的有效反射波为7波、。7波来自于7煤层产生的反射波; 能量弱连续性差,与上部10煤间距503—6为本区的标准地震剖面。物探新方法新技术43图 3—6 标准地震剖面但是,对本区的地震资料分析后,没有发现陷落柱存在的地震波形特征。图3—7为1013工作面运输顺槽的地震剖面,图3—8为1011工作面回风顺槽的地震剖面。可以看出10煤层对应的反射波部能量变弱主要是受断层带的影响。同时,10煤层以下地层的多个反射波也未发现突然中断或消失现象。因此,陷落柱的存在是不成立的。图 3—7 运输顺槽的地震剖面物探新方法新技术44图 3—8 回风顺槽的地震剖面另一方面,在1011工作面、1013工作面回采过程中,发现了多个落差小于3图3—9。这些断层在地震剖面上均无显示,但其走向、产状、落差大体相当,很明显是个断裂构造发育带,并且这个断裂构造异常带不仅破坏了煤层,并且直接影响到太原组灰岩地层。图3—10和图3—11分别为沿4两个钻孔在太原组灰岩顶部附近出水,从对应的地震剖面中可以看出,断裂构造异常带的波形特征为反射波位发生变化,在图中用红线标记。物探新方法新技术45图 3—9 1011 工作面、1013 工作面平面图图 3—10 沿 4地震剖面图 3—11 沿 4地震剖面根据反射波 波形特征变化,提取了振幅、宽频带能量和主频相位三个地震属性,见图 3—12。从地震属性切片图中可以看出,在断裂构造异常带内,振幅和宽频带能量明显降低,主频相位发生突变。物探新方法新技术46(a) 振幅切片(b) 宽频带能量切片物探新方法新技术47(c) 主频相位切片图 3—12 反射波 的地震属性利用反射波 波形特征和地震属性,能够确定 10 煤层底板断裂构造异常带的空间位置,共解释两个断裂构造异常带,见图 3—13 中的红色区域。2. 解释煤层的变薄冲刷带阳煤集团开元公司于 2004 年完成了七、八采区三维地震勘探工作,对 3 煤层、9 煤层和 15 煤层进行了构造解释。在地震数据解释过程中,主要根据钻孔资料在 3 个煤层中划分出 7 个薄煤区( ),其中 3 煤层 3 个、9 煤层 1 个、5 煤层 3 个,初步认定薄煤区或无煤区是古河道冲刷造成的,见图 3—14。七采区 3806 工作面在掘进过程中,回风顺槽遇到冲刷带,与三维地震解释冲刷位置相差 240 。𝑚物探新方法新技术48图 3—13 10 煤层底板断裂构造异常带物探新方法新技术49图 3—14 薄煤区分布范围图 3—15 为本区的标准反射波时间剖面。图 3—16 为 3 煤层变薄冲刷缺失的地震剖面,与图 18 所示的正常区域的地震剖面比较后可以发现,对应 3 煤层的 有以下变化:(1) 振幅即能量明显变弱;(2) 相位发生转移;(3) 波形特征改变。图 3—15 标准地震剖面图 3—16 3 煤层变薄冲刷缺失的地震剖面针对 的这些变化,提取了 3 煤层反射波的属性参数,包括振幅、相层缺失15 煤层缺失9 煤层缺失物探新方法新技术50位和相干特征,得到七、八采区沿 3 煤层的振幅切片、相位切片和相干切片,见图 3—17、图 3—18 和图 3—19。分析后可以看出,3 煤层的变薄冲刷缺失在地震属性上有明显反应,综合利用正常区域和变薄区域的地震属性差异,可以得到七、八采区 3 煤层的变薄冲刷缺失范围,见图 3—20。图 3—17 沿 3 煤层的振幅切片图 3—18 沿 3 煤层的相位切片图 3—19 沿 3 煤层的相干切片物探新方法新技术51图 3—20 3 煤层变薄冲刷缺失区从图 3—20 中可以清楚地看到,薄煤区或无煤区基本是东西向展布的,具有河道冲刷的典型特征。3. 预测瓦斯富集带2009 年 5 月,寺家庄煤矿南一盘区在掘进过程中发生瓦斯突出。利用煤矿地震数据动态解释系统对寺家庄煤矿南一盘区瓦斯突出地段的三维地震资料进行了重新解释,重点放在 15201 行人顺槽、15201 进风顺槽与 层、层的结合区域,见图 3—21。图 3—21 三维地震资料解释区域图 3—22 是 15201 行人顺槽()的地震剖面,图 3—23 是3 煤层缺失物探新方法新技术5215201 进风顺槽()的地震剖面,黄线代表 。从图中可以看出,本区的地震资料信噪比较高,解释成果基本可信。但是,在地震资料处理过程中存在一些问题,具体表现为道间能量不均衡,如两张地震剖面的70 (即 层和 层)之间,地震能量从浅部到深部突然增强。图 3—22 15201 行人顺槽()地震剖面图 3—23 15201 进风顺槽()地震剖面从图 3—22、图 3—23 中可以看出,解释 层和 层的主要依据是 的时差。层的上盘为 312盘为 307层15 煤15 煤物探新方法新技术53的上盘为 312盘为 309是,在解释的断点处,并未发生中断。根据采掘工程提供的实际资料,层处没有发现断层,而是地层倾角从 4○ 变成 13○ 。对两种地质资料进行了综合分析,可以初步认定 层和层之间是一个小的褶曲构造(向斜),褶曲幅度为 5~8m (时差为 13~5根据区域地质资料,本区的瓦斯富集带通常位于褶曲构造附近,因为褶曲的两翼是应力聚集区,通常也就是瓦斯富集区。因此,寻找褶曲构造在本区就显得十分重要。图 3—24 是南一盘区 15 煤层的方差切片,从中可以非常清晰地辨别出断层的分布,红圈内是瓦斯突出区域,原解释方案是两个断层 是根据巷道揭露的是褶曲构造。能否利用地震数据区分断层和褶曲?意味着能否预测瓦斯富集带。图 3—24 方差切片图 3—25 是南一盘区 15 煤层的宽频带能量切片,可以看出无论是断层构造和褶曲构造,其能量的频谱大体分布均匀。物探新方法新技术54图 3—26 是南一盘区 15 煤层的主频切片,可以看出大部分断层(特别是落差较大的断层) 的主频明显低于褶曲构造的主频。图 3—27 和图 3—28 分别是南一盘区 15 煤层的主频带(50~70量切片和低频带(10~30能量切片,可以看出断层构造的能量集中在低频段,而褶曲构造的能量布集中在高频段。图 3—25 宽频带能量切片物探新方法新技术55图 3—26 主频切片图 3—27 主频带能量切片物探新方法新技术56图 3—28 低频带能量切片4. 煤层气地震勘探中的应用煤层气储层是典型的双相介质,研究了双相介质中的地震波场理论,讨论了利用双相介质理论预测煤层瓦斯的可能性。与单相介质相比,地震波在双相介质中传播后,各个频率成分的能量分布发生了变化,主要表现为地震波能量向低频方向移动。产生这一现象的主要原因是:双相介质中固体颗粒与空隙中流体( 气体 )的相互作用产生了慢纵波,慢纵波的存在使得双相介质中波的能量分配发生了变化,即地震波场的动力学特征发生了变化。这种地震波场动力学特征的变化为预测瓦斯富集带提供了理论基础。杨双安博士利用数值模拟方法对该理论进行了验证。图 3—29 中为六层介质模型,其中第四层中部为双相介质,代表瓦斯富集区。模型所用参数见表3—1。表 3—1 模型参数一览表 Q R 212B h 0 2100 0 0 0 80 2890物探新方法新技术57 0 2200 0 0 0 50 3250 0 2300 0 0 0 20 3300 0 1650 0 0 0 6 1800 30 270 500 0 2450 0 0 0 30 3400 0 2500 0 0 0 70 3500P,Q,R: ; : ;b: ;h: ;v: 219..—29 模型示意图在地表设置激发点和接收点,采用纵波源激发,主频为 40 ;自激自收 601 道,道间距 5 ,采样长度 350 ,采样间隔 1 。所得合—30。图 3—30 模型的合成地震记录从图 3—30 中看到有两组反射波,在 100 附近的反射波是界面 1 形成的 200 附近的反射波是界面 2、界面 3、界面 4 和界面 5 形成的复 200 附近的复合反射波进行分频处理,得到不同频率成分的能量,—31。在图 3—31 中,第 200~400 道的双相介质区域表现出:(1) 时间发生延迟、反射波连续性较好的运动学特征;(2) 低频能量增强、高频能量衰减的频率特性;(3) 与正常反射波相位相反的相位特征。总之,具有双相介质特征的瓦斯富集区与单相介质区域有明显的差异。(a) (b)图 3—27 (a)标准低频成分(1~10 )的能量;(b) 高频成分(35~45 )的能量结 论(1) 煤层反射波中含有大量地质信息,无论是煤层的构造、结构或岩性变化都会引起地震属性的变化。(2) 在煤田地震勘探中 , 煤层中的小构造异常、结构和岩性变化,用常规的人工识别方法往往是无能为力的。但是,利用地震属性的变化来区分构造、进行煤层结构和岩性解释是可行的。(3) 地震属性技术是煤矿开发阶段的重要手段,可用于识别断层及其它构造、预测奥陶系灰岩岩溶裂隙发育带、解释煤层变薄冲刷带、预测瓦斯富集带等,应用前景十分广泛。
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