CN110687591B - 基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法，其特征在于包含如下步骤：步骤一、先验数据波形计算；步骤二、基础库空间插值；步骤三、逐道波形匹配求取岩石物性参数；步骤四、增加虚拟控制点；步骤五、合成模型道；步骤六、总体振幅匹配效果质量控制；步骤七、煤层及围岩物性参数输出；由此，本发明能有效克服现有技术的缺陷，结果更加接近真实情况的同时提高迭代效率，功能更为多样，能有效提高了计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及地质探测的地震信号处理方法的技术领域，尤其涉及一种基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法。
背景技术
目前煤层厚度、速度、密度和阻抗等物性参数主要是通过地震资料属性分析方法和地震资料反演求取。其中属性分析方法是利用一个或几个属性在交会图中拟合公式来求取煤层厚度和密度等物性参数，该方法求取方法简单速度快，但理论基于数据统计理论和经验公式，没有直接的物理意义，其结果精度往往不高；地震资料反演方法源于石油勘探开发，方法利用测井数据纵向精度高和地震数据横向精度高的优势，联合求取油气储层的物性参数，虽然方法有较强的理论依据，但是反演过程复杂，要求反演人员具有较强的理论基础和丰富的经验，求解效率低。不同于石油地面抽采方式，煤矿的生产活动主要是在地下，在矿井的建设与采煤过程中，会有大量实测的先验数据，其中包括煤层倾向、走向、厚度、埋深、速度、密度等数据，这些数据都是现场实测，精度非常的高。但是现今求取煤层及围岩物性参数的方法不论是属性分析和反演方法都没有提供直接利用这些数据的手段。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法，能有效克服现有技术的缺陷，结果更加接近真实情况的同时提高迭代效率，功能更为多样，能有效提高了计算效率。
为解决上述问题，本发明公开了一种基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一、先验数据波形计算；
先验数据包含测井数据和矿井井下实测数据，将测井数据方波化处理，矿井井下实测数据以虚拟井的方式构建岩石物性参数曲线，依据方波化的测井数据和虚拟井的岩石物性参数构建模型，正演求取煤层反射的波形，将岩石物性参数和正演模拟的煤层反射波形以井为索引记录到基础波形数据库中；
步骤二、基础库空间插值；
设置距离门槛值，在门槛值之内的两口井之间，将煤层和围岩的物性参数，以距离为权重进行线性插值，并向外扩展一定比例后进行正演模拟，将当前数据位置、煤层反射波形、厚度、速度、密度和围岩物性参数都归入以位置为索引的基础波形库中；
步骤三、逐道波形匹配求取岩石物性参数；
以实际数据的位置为基点，将数据门槛值距离内，以位置索引的基础波形库的煤层反射波形与地震数据相减，求取振幅误差，选取残差累计值最小的为最佳匹配波形，记录最佳匹配波形的岩石物性参数为当前位置的岩石物性参数，循环测网内所有数据匹配出全部数据的物性参数；
步骤四、增加虚拟控制点；
完成整个地震数据的波形匹配之后，确定振幅残差有无残差偏大的区域，若没有则进行下一步骤，若具有残差偏大侧区域，则在该区域添加虚拟控制井后返回到步骤二；
步骤五、合成模型道；
步骤四完成后，会得到每一道的上覆地层、煤层和下伏地层的埋深、煤厚、速度、密度和阻抗值，以此为基础构建模型；
步骤六、总体振幅匹配效果质量控制；
使用得到的三层数字模型，正演模拟得到的煤层反射波形与实际地震数据逐道相减，相减结果为振幅残差值；
步骤七、煤层及围岩物性参数输出；
当步骤六中总残差值小于门槛值后，认为波形匹配达到精度要求，求取的三层数字模型即为最终的煤层及围岩物性求取结果，将更新完成后模型每一道中的上覆地层、煤层和下伏地层的埋深、煤厚速度、密度和阻抗值，作为结果进行输出，完成煤层及围岩物性参数求取。
其中：在步骤一前还包含煤层赋存数据确定的步骤，在该步骤中对煤层赋存数据进行确定，数据的范围包括构造地质图、地震数据、测井数据、已经揭露的巷道和工作面处的实测数据，确定煤层和围岩的厚度、速度、密度、位置和埋深的数据。
其中：在步骤四中，在残差偏大侧区域依据沉积相图、煤层厚度预测图和煤层构造图约束该区域的煤层厚度、顶底板岩性，判断该区域是否有断层、构造煤和陷落柱发育，再结合邻近的在同一个沉积环境的井数据和先验数据，给出煤层厚度、速度、密度和阻抗值以及煤层围岩的速度、密度和阻抗值，构建上覆围岩、煤层和下伏围岩的方波化的三层阻抗曲线。
其中：在步骤六中，若总振幅残差大于门限值，在单道振幅残差大的地方返回到步骤四增加虚拟井循环迭代，直到总的振幅残差值小于门限值结束循环。
通过上述结构可知，本发明的基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法具有如下效果：
1.利用测井数据和矿井井下实测数据构建模型，初始模型更加接近真实地下实际情况；
2.方法的迭代过程中加入了地质规律约束，使得结果更加接近真实情况的同时提高迭代效率；
3.可以同时求取煤层的厚度、埋深、速度、密度和阻抗值等参数；
4.算法只聚焦煤层波形匹配，大大提高了计算效率；
5.模型的正演结果还可以作为煤层振幅预测成果，用来压制煤层振幅能量，突出围岩弱反射；
6.利用两个波形之间的相似性或线性关系作为识别和判断两者之间关系的依据，波形匹配技术凭借计算效率高和良好应用效果的特点，广泛应用于医学、计算机、电力、军事和地质等领域。地震波在地下传播，地层的速度、密度和地层厚度等物性参数决定了该地层的振幅的幅值和形状，使用井下实测数据和测井数据为基础构建模型，利用模型正演煤层反射波形，构建已知物性参数的反射波形基础数据库，利用波形匹配技术将实际地震数据中的煤层反射与波形基础数据库中的波形做匹配，在地质规律约束下，寻找到模型正演结果与实际地震数据振幅相匹配的波形，该模型的物性参数即为所要求取的结果。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法的流程图。
图2显示了本发明的井旁波形示意图。
图3显示了本发明的基础库空间插值示意图。
图4显示了本发明的波形匹配求取的煤层数字模型图。
图5显示了本发明的增加虚拟井后的煤层数字模型图。
图6显示了本发明的合成模型道示意图。
图7显示了本发明的煤层振幅求差前后的质量控制图。
图8显示了本发明的最终煤层及围岩速度参数输出结果示意图。
具体实施方式
参见图1，显示了本发明的基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法。
所述基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法可包括如下步骤：
步骤一、煤层赋存数据确定；
首先对煤层赋存数据进行确定，数据的范围包括构造地质图、地震数据、测井数据、已经揭露的巷道和工作面处的实测数据，确定煤层和围岩的厚度、速度、密度、位置和埋深等数据。在其中一个实施例中，通过构造地质图可以得知，该实施例中主要煤层有3层，分别为第一煤层、第二煤层和第三煤层，平均厚度分别为9m，2m和1m，平均埋深分别为545m、602m和623m，第一煤层全区都有，第二煤层和第三煤层局部有缺失，第一煤层的煤层底板与下伏第三煤层的煤顶板层距离有50-70m的间距，第二煤层与第三煤层的煤层间距20m左右；根据第一煤层的采掘数据和巷道掘进时实测的数据可知，煤层平均厚度9m，厚度变化不大，煤质较硬，煤层横向物性变化较小，有夹矸；利用21-5井的测井数据中的伽马曲线和密度曲线可以得知，该井揭露煤层厚度5m、煤层速度2180m/s、密度1.9g/cc，煤层围岩主要为泥岩和粉砂岩；井数据联合地震数据可以知道煤层反射的时间在440ms左右，煤层反射主频为58Hz，根据煤层反射主频和与第三煤层的煤层的间距可以知道第一煤层是数据中振幅最强的反射，并与下伏煤层波形复合关系较弱，波形匹配条件简单。
步骤二、先验数据的波形计算；
先验数据主要包含测井数据和矿井井下实测数据两种，所述测井数据的类型较多，在一个位置上有多种测量数据(包含声波、伽马、密度和电阻率等)；另外，测井数据的纵向数据分辨率高，测井数据一般为0.125m测一个，数据测量密度大，而矿井井下实测数据的特点为纵向测量点比较稀疏，一个位置一般测1-2个点，但在横向会间隔一定距离测一组数据。为了能将测井数据和矿井井下实测数据都引入到计算过程中需要将测井数据纵向方波化和利用先验数据构建虚拟井。
子步骤1：测井数据方波化和地震波形计算
以图2中的21-5井的波阻抗为例，对该21-5井的测井数据中速度、密度和阻抗曲线分别做方波化处理，计算过程中，只计算煤层、煤层上覆20m和下伏20m地层的平均阻抗值，计算结果中上覆地层阻抗平均为8100(m/s)*(g/cc)、下伏地层阻抗平均为8140(m/s)*(g/cc)，煤层阻抗平均值为4100(m/s)*(g/cc)。将测井数据划分为三段，煤层以上地层阻抗全部赋值为8100(m/s)*(g/cc)，煤层阻抗赋值为4100(m/s)*(g/cc)，煤层下伏全部地层阻抗赋值为8140(m/s)*(g/cc)，即完成三层地层阻抗曲线方波化处理。再将方波化的波阻抗数据，用公式1求取反射系数，再将反射系数与子波进行褶积，得到的地震波形作为近井点波形，并将该近井点波形作为基础波形记录到数据库中。
其中，Z为求取的反射系数，I0为第0层地层的波阻抗，I1为第1层地层的反射系数。
子步骤2：其它先验数据波形计算
根据先验数据情况分为：
先验数据中有速度、密度、煤层厚度、深度和坐标的数据情况时，利用先验数据的速度、密度、煤层厚度、深度数据构建方波化井曲线添加入虚拟井中，再根据方波化的波阻抗数据计算波形后将煤层反射波形记入基础波形库中。在实施例中，在采煤工作面实测和取样测得了一组数据，煤层埋深为580m、煤层厚度6m、上覆地层阻抗平均为8110(m/s)*(g/cc)、下伏地层阻抗平均为8120(m/s)*(g/cc)，煤层阻抗值为4121(m/s)*(g/cc)，将数据划分为三段，煤层以上地层阻抗全部赋值为8110(m/s)*(g/cc)，煤层阻抗赋值为4121(m/s)*(g/cc)，煤层下伏全部地层阻抗赋值为8120(m/s)*(g/cc)，完成阻抗三层地层阻抗方波曲线的构建(密度和速度曲线同理)，再以虚拟井的形式插入到该测试点的坐标位置处，再根据方波化的波阻抗数据计算波形后将煤层反射波形记入基础波形库中。
在先验数据中只有坐标、煤层厚度和埋深的情况时，如在巷道测得了一组数据，数据只包括煤层埋深、层厚和煤层的坐标，根据该点邻近的井数据和先验数据的速度、密度和阻抗值，结合先验数据中煤层厚度和埋深构建方波化井曲线按照坐标位置加入虚拟井中，再根据方波化的阻抗数据计算煤层反射波形后将波形记入基础波形库中。
步骤三、基础库空间插值；
设置距离门槛值，在门槛值以内的两口井(包括虚拟井)之间，利用煤层厚度、速度、密度、煤层阻抗值和围岩物性参数构建三层模型(如图3所示)，并向外扩展一定比例后进行线性插值，使用模型正演模拟，将模拟的煤层反射波形、厚度、速度、密度、阻抗、位置和围岩物性参数都记入数据库中。
具体实施过程为：21-5井和Xn1距离为50m，在500m的距离门槛值以内需要建立模型，已知21-5井的厚度为5m、煤层速度2260m/s、密度1.93g/cc、阻抗值为4260(m/s)*(g/cc)，上覆地层速度3580m/s、密度为2.31g/cc、阻抗值为8270(m/s)*(g/cc)，下伏地层速度3600m/s、密度为2.31g/cc、阻抗值为8330(m/s)*(g/cc)；Xn1井厚度为12m、煤层速度2180m/s、密度1.9g/cc、阻抗值为4140(m/s)*(g/cc)，上覆地层速度3520m/s、密度为2.3g/cc、阻抗值为8100(m/s)*(g/cc)，下伏地层速度3540m/s、密度为2.3g/cc、阻抗值为8100(m/s)*(g/cc)，现将21-5井和Xn1之间的数据以距离为权重将煤层厚度、速度、密度、阻抗和围岩厚度、速度、密度、阻抗按公式2的距离线性插值并向外拓展150％后，在构建好的模型之上进行正演模拟(具体模型正演方法参考“弹性波正演模拟及成像方法研究”，陈建，2015)。
其中，R为插值结果，f(x0)为21-5井阻抗数据，f(x1)为XN1井阻抗数据，x0为21-5井x坐标，x1为XN1井x坐标。
步骤四、逐道波形匹配求取岩石物性参数；
以实际数据的位置为基点，煤层反射为中心一定视窗内，将数据门槛值距离内，以位置索引的基础波形库的煤层反射波形与地震数据相减，求取振幅误差，选取残差累计值最小的为最佳匹配波形，记录最佳匹配波形的岩石物性参数为当前位置的岩石物性参数。循环测网内所有数据匹配出全部数据的物性参数。具体而言，其可包含如下子步骤。
子步骤A.准备地震数据体，令i＝1，读取数据体第i道数据S(i)；
子步骤B.计算S(i)道与所有Well(j)井、虚拟井和先验数据点的距离Dist，以当前道的层位数据为基点，设置距离门槛值，小于门槛值的道进入后续计算；
其中，Dist为S(i)道与井数据Well(j)之间的距离，x为x坐标，y为y坐标，i为当前地震道号，j为井索引号。
子步骤C.对距离门槛值以内的井模型基础库的每一个基础波与地震数据与形进行相减，求取累计振幅残差Ramp，并选取残差累计值最小的基础波形为最佳匹配波形；
其中，R(i,j,m)amp为累计振幅残差，i为当前地震道号，j为井索引号，m为j井的插值后的模型道号，Amp为振幅值，k为时间，n为窗口长度。
子步骤D.记录最佳匹配的波形对应的层厚度为当前道煤层厚度，并同时记录其阻抗、速度、密度和波形残差；
子步骤E.循环所有的地震数据道，直到最后一道数据的煤层物性参数求取出来。
步骤五、增加虚拟控制点；
完成整个地震数据的波形匹配之后，确定振幅残差有无残差偏大的区域，在该区域回到残差剖面中进行质量分析，如果振幅残差大的区域所预测的煤厚等物性参数异常，依据沉积相图、煤层厚度预测图和煤层构造图约束该区域的煤层厚度、顶底板岩性，判断该区域是否有断层、构造煤和陷落柱发育，再结合邻近的在同一个沉积环境的井数据和先验数据，给出煤层厚度、速度、密度和阻抗值以及煤层围岩的速度、密度和阻抗值，构建上覆围岩、煤层和下伏围岩的方波化的三层阻抗曲线，添加虚拟控制井后返回到步骤二，重新迭代波形匹配环节。
实施例中，模型结果(如图4所示)2050m处的振幅残差大于其它地区，而振幅匹配出的趋势是：煤层厚度有增加但变化不大围岩阻抗有增加，而查阅地质图和周边井信息，认为在2050m处应该是围岩阻抗变化不大但煤层有明显增厚的情况，而周边井的煤层厚度为6m，基础库空间插值算法是在井煤层厚度150％进行的拓展，算法只能在煤层厚度3-9m之间进行波形匹配，而实际煤厚应该超过9m。根据此情况，增加虚拟井Xn2井，设置其煤层厚度为12m、速度2100m/s、密度1.9g/cc、阻抗值为3990(m/s)*(g/cc)，上覆地层速度3480m/s、密度为2.28g/cc、阻抗值为7934(m/s)*(g/cc)，下伏地层速度3500m/s、密度为2.29g/cc、阻抗值为8020(m/s)*(g/cc)，将煤层和围岩的速度、密度和阻抗做方波化井曲线，在坐标2050m处插入虚拟井(Xn2)，返回到步骤二，重新迭代波形匹配环节，得到更新后的模型数据(图5)。
步骤六、合成模型道；
步骤五完成后，会得到每一道的上覆地层、煤层和下伏地层的埋深、煤厚、速度、密度和阻抗值。例如实施例中，750m处的模型匹配结果为，煤层厚度6m、埋深558m，煤层速度2250m/s、密度1.94g/cc、阻抗值为4365(m/s)*(g/cc)，上覆地层速度3605m/s、密度为2.32g/cc、阻抗值为8363(m/s)*(g/cc)，下伏地层速度3610m/s、密度为2.32g/cc、阻抗值为8375(m/s)*(g/cc)，以此为基础构建模型，将模型0-558m的速度、密度和阻抗值赋值为上覆地层的物性值，558-564m赋值为煤层物性值，564-800m赋值为下伏地层的物性值，同理构建751-2100m的各个模型道的物性值，完成整个三层数字模型的建立。
步骤七、总体振幅匹配效果质量控制；
使用得到的三层数字模型，正演模拟得到的煤层反射波形(如图6所示)与的实际地震数据(图7的上图)逐道相减，相减结果为振幅残差值(图7的下图)。在煤层反射(280ms左右)为中心50ms视窗内累计求取图7下图中每一道的振幅残差和总的振幅残差的数值。将140-420道中每一道的振幅残差值和总的振幅残差值与门限值比较，如果总振幅残差大于门限值，在单道振幅残差大的地方返回到步骤五增加虚拟井循环迭代，直到总的振幅残差值小于门限值结束循环。
步骤八、煤层及围岩物性参数输出；
当步骤七中总残差值小于门槛值后，认为波形匹配达到精度要求，求取的三层数字模型(煤层埋深、厚度、速度、密度和阻抗值)即为最终的煤层及围岩物性求取结果，将更新完成后模型(如图8所示)每一道中的上覆地层、煤层和下伏地层的埋深、煤厚速度、密度和阻抗值，作为结果进行输出，完成煤层及围岩物性参数求取。
由此可见，本发明的优点在于：
1.利用测井数据和矿井井下实测数据构建模型，初始模型更加接近真实地下实际情况；
2.方法的迭代过程中加入了地质规律约束，使得结果更加接近真实情况的同时提高迭代效率；
3.可以同时求取煤层的厚度、埋深、速度、密度和阻抗值等参数；
4.算法只聚焦煤层波形匹配，大大提高了计算效率；
5.模型的正演结果还可以作为煤层振幅预测成果，用来压制煤层振幅能量，突出围岩弱反射；
6.利用两个波形之间的相似性或线性关系作为识别和判断两者之间关系的依据，波形匹配技术凭借计算效率高和良好应用效果的特点，广泛应用于医学、计算机、电力、军事和地质等领域。地震波在地下传播，地层的速度、密度和地层厚度等物性参数决定了该地层的振幅的幅值和形状，使用井下实测数据和测井数据为基础构建模型，利用模型正演煤层反射波形，构建已知物性参数的反射波形基础数据库，利用波形匹配技术将实际地震数据中的煤层反射与波形基础数据库中的波形做匹配，在地质规律约束下，寻找到模型正演结果与实际地震数据振幅相匹配的波形，该模型的物性参数即为所要求取的结果。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (4)
1.一种基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一、先验数据波形计算；
先验数据包含测井数据和矿井井下实测数据，将测井数据方波化处理，矿井井下实测数据以虚拟井的方式构建岩石物性参数曲线，依据方波化的测井数据和虚拟井的岩石物性参数构建模型，正演求取煤层反射的波形，将岩石物性参数和正演模拟的煤层反射波形以井为索引记录到基础波形数据库中；
步骤二、基础库空间插值；
设置距离门槛值，在门槛值之内的两口井之间，将煤层和围岩的物性参数，以距离为权重进行线性插值，并向外扩展后进行正演模拟，将当前数据位置、煤层反射波形、厚度、速度、密度和围岩物性参数都归入以位置为索引的基础波形数据库中；
步骤三、逐道波形匹配，求取岩石物性参数；
以实际数据的位置为基点，将数据门槛值距离内以位置为索引的基础波形数据库的煤层反射波形与地震数据相减，求取振幅误差，选取残差累计值最小的为最佳匹配波形，并把最佳匹配波形的岩石物性参数为当前位置的岩石物性参数，循环测网内所有数据，匹配出全部数据的物性参数；
步骤四、增加虚拟控制点；
完成整个地震数据的波形匹配之后，确定振幅残差有无残差偏大的区域，若无，则进行下一步骤，若有残差偏大侧区域，则在该区域添加虚拟控制井后返回到步骤二；
步骤五、合成模型道；
步骤四完成后，得到每一道的上覆地层、煤层和下伏地层的埋深、煤厚、速度、密度和阻抗值，并以此为基础构建模型；
步骤六、总体振幅匹配与效果质量控制；
使用得到的三层数字模型，进行正演模拟来得到煤层反射波形，再与实际地震数据逐道相减，相减结果为振幅残差值，即实现总体振幅匹配与效果质量控制；
步骤七、煤层及围岩物性参数输出；
当步骤六中每一道振幅残差值总和的总残差值小于门槛值后，认为波形匹配达到精度要求，求取的三层数字模型即为最终的煤层及围岩物性求取结果，将更新完成后模型每一道中的上覆地层、煤层和下伏地层的埋深、煤厚、速度、密度和阻抗值，作为结果进行输出，完成煤层及围岩物性参数求取。
2.如权利要求1所述的基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法，其特征在于：在步骤一前还包含煤层赋存数据确定的步骤，在该步骤中对煤层赋存数据进行确定，具体根据构造地质图、地震数据、测井数据、已经揭露的巷道和工作面处的实测数据，确定煤层和围岩的厚度、速度、密度、位置和埋深。
3.如权利要求1所述的基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法，其特征在于：在步骤四中，在残差偏大侧区域依据沉积相图、煤层厚度预测图和煤层构造图约束该区域的煤层厚度、顶底板岩性，判断该区域是否有断层、构造煤和陷落柱发育，再结合邻近的在同一个沉积环境的井数据和先验数据，给出煤层厚度、速度、密度和阻抗值以及煤层围岩的速度、密度和阻抗值，构建上覆围岩、煤层和下伏围岩的方波化的三层阻抗曲线。
4.如权利要求1所述的基于先验数据的波形匹配确定煤层及围岩物性参数的方法，其特征在于：在步骤六中，若总振幅残差大于门槛值，在单道振幅残差大的地方返回到步骤四增加虚拟井循环迭代，直到总的振幅残差值小于门槛值结束循环。
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