三维弹性波全波形反演在小保当煤矿勘探中的应用研究.pdf

66Vol.55,No.第55卷第7 期COALENGINEERING程炭煤doi:10.11799/ce202307011三维弹性波全波形反演在小保当煤矿勘探中的应用研究刘超，刘鹏，张慧峰，白坤，李志勇，潘文勇3（1.陕西小保当矿业有限公司，陕西神木7 193 99；2.北京中矿大地地球探测工程技术有限公司，北京100038;3中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究院重点实验室，北京100029)摘要：高效、安全和智能化的煤矿开采对煤层顶底板以及地下三维地质模型的精度要求越来越高，传统地球物理探测方法在成像分辨率和精度方面已无法满足实际需求。将三维弹性波全波形反演技术应用于陕西小保当一号煤矿112 2 0 4工作面的地下三维地质模型构建，通过谱元法和CPU超算实现地震波高效和高精度正演模拟，发展了多尺度、多目标函数和多波的反演方法与技术，并使用测并先验信息进行正则化约束，降低反演的非线性和多解性，最终构建了112 2 0 4采煤工作面三维弹性速度结构模型，对煤层的顶底板进行了高精度成像，精细刻画了煤层的三维空间展布，反演结果与测井结果吻合较好，实现了采煤工作面的透明化。关键词：透明地质；采煤工作面；三维地质模型；谱元法；CPU超算中图分类号：TD713文献标识码：A文章编号：16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 7-0 0 6 6-0 6Application of 3D elastic wave full-waveform inversion inXiaobaodang Coal Mine explorationLIU Chao,LIU Peng,ZHANG Huifeng,Bai Kun,LI Zhiyong”,PAN Wenyong(1.Shaanxi Xiaobaodang Mining Co.,Ltd.,Shenmu 719399,China;2.The Beijing GEOCMW Geophysical Exploration Engineering Technology Co.,Ltd.,Beijing 100038,China;3.Key Laboratory of Petroleum Resource Research,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Science,Beijing 100029,China)Abstract:The efficient,safe and intelligent coal mining are demanding higher accuracy for models of roof and floor interfacesof coal seam and underground 3D geological structures,while the imaging resolution and accuracy of traditional geophysicsdetection methods are inadequate.So,3D elastic wave full-waveform inversion(FWI)was applied to construct subsurface 3Dgeological structures for the 112204 coal face of Shanxi Xiaobaodang No.1 Coal Mine.Spectral-element method and GPUsuper-computing technique were used to efficiently and accurately simulate the wave propagation.Multi-scale,multi-objectivefunctions and multi-wave inversion methods and technologies were developed.The well-log data was used as prior informationfor regularization constraints,to reduce inversion non-linearity and uncertainty.Finally,3D subsurface elastic velocitystructures of 112204 coal face were obtained.The roof and floor interfaces of coal seam were imaged with high-resolution(0.5 m).3D spatial distribution of the coal seam was finely characterized and delineated.The inversion results matched wellwith the well-logging data.Based on these results,the objective of transparent coal face was achieved.Keywords:transparent geology;coal face;3D geological model;spectral-element method;GPU super-computing为实现煤炭资源高效、安全、智能化开采，提高资源利用率，获取精准的三维地下地质模型尤为重要，是采煤工作面信息透明化管理的重要基础1-4。然而，常规地震探测技术无法满足当前煤矿开采的成像精度和分辨率需求，呕需全新的地震反演与成像技术。全波形反演（Fullw a v e f o r m收稿日期：2 0 2 2-10-2 9基金项目：国家自然科学基金项目（42 0 0 4116）作者简介：刘超（1992 一），男，陕西蒲城人，工程师，研究方向：煤矿地质勘察，E-mail：3 7 996 8 3 3 5 q q.c o m。引用格式：刘超，刘鹏，张慧峰，等。三维弹性波全波形反演在小保当煤矿勘探中的应用研究J煤炭工程，2023,55(7):66-71.672023年第7 期程炭施工煤二技术inversion，即FWI)是近年来兴起的“新一代”高分辨率地震成像技术，通过对弹性波动方程的数值求解，充分利用全波形信息进行反演成像，可构建地下复杂构造的弹性参数模型，实现三维地质模型的精细刻画5-8 。地震全波形反演技术在油气勘探领域已获得大量成功应用，但在煤炭行业应用较少，国外仅基于2 D地质模型做理论数据的FWI，帮助煤矿勘探9，国内研究机构只针对二维工作面进行合成数据的FWI拟合10 ，受限于精度要求高，计算成本过大的实际操作问题，至今国内外还没有三维FWI在煤矿上的实际应用研究。而为了精细刻画井下煤矿模型，对陷落柱、断层以及煤岩分界面清晰成像，使用三维FWI算法可同时降低计算成本，并确保反演结果精确度本研究，首先需要通过求解三维弹性波动方程进行正演模拟获得模拟数据，在计算梯度时还需要求解伴随波场。常规的地震波正演模拟方法包括有限差分法、有限元法、伪谱法和边界元法等-13 ,与这些方法相比，谱元法（Spectral-Element Method，即SEM法），具有伪谱法高精度优点，同时可灵活处理不规则边界，非常适合GPU并行计算。本研究采用SEM法模拟地震波在复杂三维弹性介质中的传播14，使用CPU/CPU异构并行技术提高计算效率。以陕西小保当煤矿为例，采用三维弹性波全波形反演技术，对矿区地下三维速度结构进行高分辨反演成像，预测煤层顶底界面，实现采煤工作面的透明化，达到整个矿区的信息透明化管理和安全高效采煤。根据煤矿巷道勘探的特点，发展了多尺度、多目标函数和多波反演方法与技术。由于地震数据缺失低频信息，FWI具有非常强的非线性，容易陷入局部最小值，即周期跳跃问题。采用多尺度反演策略15，首先使用低频信息反演速度的长波长部分，然后使用高频信息反演速度结构短波长部分15；传统的波形差目标函数非常容易受周期跳跃问题的影响，发展多目标函数反演策略，依次使用互相关旅行时16 、包络17 和波形差目标函数进行反演，可有效克服周期跳跃问题；在煤矿巷道采集的地震数据中，包含P波、S波和槽波，可使用P波和S波反演背景速度结构，槽波在煤层的顶底界面经过多次全反射，在煤层中具有较强的穿透性，对煤层顶底界面成像有重要作用。采用多波反演策略，可更好地构建煤层的三维空间结构，为实现三维弹性波FWI在实际地震数据处理中的成功应用，地震数据预处理至关重要，对小保当矿区采集的实际地震数据进行了一些机预处理，具体包括：重新采样、去除坏道、带通滤波和振幅归一化等。使用已知的测井数据（包括煤层顶底界面位置和煤层厚度）作为FWI的先验信息进行正则化约束，可减弱反演的多解性。从每炮地震数据的直达波中提取子波函数，作为正演模拟的震源函数。在反演中，对梯度进行异常值去除和三维高斯平滑，降低反演的病态性。最终，获得高分辨率的三维弹性速度结构模型，预测煤层的三维空间展布和顶底界面，使用测井数据验证反演结果的准确性。1三维弹性波全波形反演基本理论在FWI中，传统波形差目标函数测量了观测数据d，与模拟数据u；之间的直接差值，通过求取目标函数的最小值，使用最优化算法对模型参数进行迭代反演，最终使得模拟数据与观测数据达到最佳匹配，反演的模型与地下真实模型最大程度接近。波形差目标函数可以写为18 XwD(m)Z l u(x,t,m)-d(x,)lidxd0(1)式中，m代表地下介质的模型参数；Il2指L-2范数；,为检波器的位置；t为最大记录时间。在迭代反演过程中，需要求解三维弹性波动方程，获得正演模拟数据。地震波的传播由以下运动方程控制：pa,u;-a,cikleu=f.(2)式中，i,j,k,le1,2,3或x,y,z；u;为位移场；p为密度式中，f.为震源式中，Cl和eu分别为弹性刚度张量和应变张量。根据Voigt 标记法，Cikl可简化为C,（I,J=1,2,3,4,5,6 ）。在三维各向同性弹性介质中，独立的弹性系数简化为C，和C4，与速度的关系可表示为：Vp=/C/p,Vs=/C4/p(3)式中，Vp和Vs分别为P波和S波速度。基于谱元法模拟地震波在复杂三维弹性介质中的传播14，与传统有限差分法相比，精度更高18 19。使用国家“天河”超算平台的GPU节点（显卡型号为NVIDIAA100，40 G B显存，6 192 CUDA核）加速计算，与常规多线程CPU节点（18 核）相比，计算效率提高50 6 0 倍。682023年第7 期程技术施炭煤FWI使用局部最优化算法（如最速下降法和牛顿法等)求取目标函数的最小值，需要计算目标函数对模型参数的一阶偏导，即梯度（或敏感核）。为避免大型雅克比矩阵的直接求取，基于伴随状态法，弹性速度的敏感核可以通过正演模拟波场和伴随波场的互相关计算2 0-2 2 Kv,=-2pV(0,u,a,us)(4)Kv。=-2 p V s 0,u,(0,u,+0,u,)-2 0,u,0,u,(5)式中，u为伴随波场。在每次迭代中，通过以下公式对模型参数进行更新：mn+1=mn+nAm(6)式中，为第n次迭代的步长，可使用线性搜索方法计算获得；m，为搜索方向，使用拟牛顿L-BFGS优化算法计算2 3.2 4，并实现迭代反演。本研究使用mask函数去除梯度异常值，通过三维高斯函数对梯度进行平滑，提高反演的稳定性。由于地震波形与模型参数之间具有非常强的非线性2 5-2 7 ，使用传统波形差目标函数容易陷入局部最小值，得到不准确的反演结果。针对该问题，发展了多尺度、多目标函数和多波反演以及正则化约束等方法：1）在多尺度反演方法中，对数据进行带通滤波，使用低频段数据构建模型的长波长部分，拓展频率范围，基于低频反演结果，使用高频信息构建短波长部分，获得最终反演结果。2）采用多目标函数反演策略，依次使用互相关旅行时、包络和波形差目标函数进行反演。旅行时目标函数为：14t,2(7)VC2式中，t，为旅行时差。包络目标函数为：1E,-E YED(8)2式中，E,和Eobs分别为模拟数据和观测数据的包络。3）发展了煤矿巷道多波反演方法，首先使用P波和S波分别反演目标区域的Vp和V,结构。由于槽波在煤层顶底界面经过多次全反射，引人槽波使用整个炮集记录进行反演，更加有助于对煤层顶底界面进行成像。4）基于已有测井数据（包括煤层顶底界面位置和煤层厚度）构建先验模型mpror，在FWI目标函数中加人惩罚项，建立正则化目标函数：Xr(m)=X(m)+llW(m-mpror)Il2(9)式中，为权重算子；W为正则化参数；X（m)为常规目标函数。使用该目标函数可压制不符合先验信息的解，降低反演的多解性。2小保当矿区概况及地质背景小保当矿区位于陕西省神木市西南部，侏罗纪煤田榆神矿区西部鄂尔多斯台地向斜东翼，面积约220km。小保当一号煤矿开采2-2 煤层，112 2 0 1和112 2 0 2 为倾角较小的单斜构造，三维地震未发现较大断层和明显的褶皱构造。煤层存在宽缓的波状起伏，其轴向大致平行于勘探线方向，主要表现为西部两翼波长较短，东部波长较长，由西向东呈过渡状态，在平面上形成中部为喇叭状凹型地势。此构造形态在各个煤层底板等高线中都有表现，说明该构造形态与含煤地层沉积基底有关。FWI的目标区域为112 2 0 4工作面，位于井田西南侧，长约6 50 m，宽约3 50 m，如图1所示，图1中红色和蓝色圆球分别为震源和接收器。煤层赋存于延安组第四段顶部，埋深为3 0 5 3 8 7 m，煤层底板标高92 4 990 m，煤厚6.3 0 7.2 4m，平均煤厚6.50m。煤层由北向南逐渐变厚，地质构造简单，存在宽缓的波状起伏。为实现采煤工作面的地质信息透明化，达到整个矿区的透明化管理和安全高效采煤，需通过三维弹性波全波形反演，构建目标地层的精细三维地质结构模型112204综采工作面(0m,350m)(600m,350m)工作面接收器回风巷震源建模区域工作面(ommy6501m.Qm)运输巷图1FWI工区平面3实际地震数据应用3.1实际地震数据分析与预处理首先对采集的实际地震数据进行了分析和预处理。巷道地震数据包括三分量透射接收数据和反射接收数据，震源类型为炸药，共2 48 炮，采样间隔为0.25ms，最大记录时间为2 s，采样点数为8 0 0 0。在透射接收的原始地震数据中（如图2 所示），地震波形（包括P波、S波和槽波）连续且清晰，信噪比较高，但也存在一定的随机噪音和一定数量的坏道。图3 为原始地震数据的振幅谱，可看到有效信号的频率范围692023年第7 期程炭煤二技术施工为40 Hz至2 0 0 Hz。由于反射接收的原始地震数据存在非常强的高频和低频噪音，有效反射信号非常弱，几乎无法识别。因此，只使用透射接收的地震数据进行反演和成像。对透射接收的地震数据进行了预处理，包括去坏道、滤波、去噪和能量均衡，如图4所示。可以看到，x和z分量质量较高，y分量数据质量较差。总体而言，处理后的数据集可作为FWI的输人，并达到预期反演效果。x分量y分量分量0000.10.10.10.20.20.20.30.3S/间0.3S/恒0.4S/0.40.40.50.50.50.60.60.60.70.70.70.80.80.8020040060002004006000200400600X/mX/mX/m图2工作面运输巷透射接收的原始地震数据x分量频谱y分量频谱2分量频谱000505050100100ZH/ZH/率100ZH/率源150150150200200200250250250300300300020040060002004006000200400600X/mX/mX/m图3工作面运输巷透射接收数据频谱x分量y分量z分量0000.10.10.10.20.2S/0.2S/恒S/间0.30.30.40.40.40.50.50.50.60.60.6020040060002004006000200400600X/mX/mX/m图4处理后的工作面运输巷透射接收数据为实现有效反演，设计了专门针对巷道全波形反演的地震数据预处理流程，首先根据正演模拟得到相应的采样率，地震数据再按此采样率进行重新采样，选取合适的时间窗口分别提取P波、S波和槽波，去除数据中的坏道，通过带通滤波控制反演的频率范围，并使用能量均衡将振幅归一化。具体数据处理流程为：输人数据一重新采样一时间窗口选取一去除坏道一带通滤波一能量均衡一输出数据。经数据处理后获得的直达P波数据如图5所示。在迭代反演中，需要对地震进行多次处理，为提高效率，开发了地震数据批量处理脚本程序，并与正演模拟和反演程序融合，形成了一套高效的反演算法流程x分量y分量z分量0000.10.10.10.20.20.2S/间S/恒S/0.30.30.30.40.40.40.50.50.50.60.60.6020040060002004006000200400600X/mX/mX/m图5处理后的地震直达P波数据3.2三维初始模型和网格剖分根据勘探地区的实际情况以及震源和接收器的三维空间绝对位置，经过坐标旋转和相对坐标转换，建立了正演模拟和反演所需的相对坐标系统。在工作面运输巷和工作面回风巷中震源和接收器的分布如图6 所示。该模型X方向长度为6 50 m，Y方向长度为3 50 m，Z方向的深度为-3 0 m（对应海拔为915 m 至 945 m)。0工作面运输巷震源-10N-20-300100200300400500600X/m(a)0工作面回风巷震源-10-20-300100200300400500600X/m(b)0工作面运输巷接收器-10-20-300100200300400500600X/m(c)0工作面回风巷接收器-10-20-3010100200300400500600X/m(d)图6旋转后的相对坐标系统以及观测系统分布FWI需要初始弹性参数模型作为输人，然后进行迭代更新。根据地震数据中P波和S波的旅行时，获得了初始模型的P波速度为40 0 0 m/s，S波速度为17 50 m/s，密度为2 46 5kg/m，作为FWI的初始输人模型。在X、Y和Z方向的网格数量分别为120，7 2 和6 0，其中垂直Z向的网格大小为0.5m。3.3三维弹性速度反演使用全波形反演算法与流程以及反演参数对小702023年第7 期程炭煤施工技术保当目标区域的三维速度模型进行构建。首先，在频率段3 0 Hz，6 0 H z 内，使用旅行时目标函数，对三维P波和S波速度结构进行反演。由于旅行时与速度参数的非线性关系较低，可避免周期跳跃现象。将P波和S波分开反演，可减弱由多参数串扰导致的噪音。随后，在该频率段内分别使用包络和波形差目标函数，进行反演，可以进一步提高反演的分辨率。最后使用P波、S波和槽波对速度结构进行反演。加入槽波信息对煤层的顶底界面的反演更加有效。根据多尺度反演策略，继续在频率段3 0 H z，90 H z、3 0 H z，12 0 H z 和3 0 Hz,150Hz，重复使用同样的反演流程与算法，从低频到高频逐步构建小保当矿区地下的速度结构。低频信息可反演速度的长波长背景结构，高频信息可构建地层的高频短波长精细结构。最终反演得到三维P波速度结构模型如图7 所示，P波速度结构切片如图8 所示。最终反演得到的三维S波速度模型如图9所示，S波速度结构切片如图10 所示。从速度反演结果可以看出，煤层的三维空间结构和顶底界面可以清晰成像，地下煤层分布可清晰识别，总体较平缓，无复杂构造（如断层和褶皱等）。而基于传统槽波的探测方法，只能给出工作面内的二维能量成像图或煤层厚度的等值线图2 8.2 9，无法对煤层的三维空间变化进行成像和预测。由此说明，全波形反演对地下三维空间结构的成像结果可达到煤层透明工作面的实际需求。0Y/mZ/mZ/m-300300Z/mZ/m-30-300300Z/mZ/m-30-300300图7反演得到的三维Vp速度模型X/m00600-30060006000-30060000600-300600图：V.速度模型切片3.4煤层顶底界面空间分布预测基于三维全波形反演得到的三维弹性速度结构反演结果，对煤层的顶底界面的空间分布进行预测，00Z/mZ/m-30-3000Z/mZ/m-30-3000Z/mZ/m-30-30图9反演得到的三维Vs速度模型00Z/Z/m-30-300Z/m-300-30Z/m-30-30图10Vs速度模型切片结果如图11所示。从图11中可看出，煤层的总体厚度约为6 7 m，空间变化较为平缓，无明显的特殊构造。为验证预测结果的准确性，将在测井数据中获得煤层顶底板界面位置与全波形反演预测结果进行了对比，见表1。测井位于工作面运输巷内，随机选取了5口测井，在X方向的位置分别为10 0，230，450，57 5和6 2 5m。可见，全波形反演结果获得煤层顶板误差较小，而地板误差较大，预测精度达到了煤层透明工作面的实际需求，为高效和安全的煤矿开采和生产提供技术支撑和重要信息，600.300Y/mX/m00Z/mZ/m60030-30300X/mY/m00(a)空间分布Y/m3000Z/mZ/m-30-300Y/m300Y/m顶底面垂直分辨率达到0.5 1.0 mY/m(b)切片显示图11煤层顶面（蓝色）和底面（红色）分布预测表1测井数据煤层顶底界面与全波形反演结果对比m测井测井测井全波形全波形 全波形全波形位置顶板底板反演顶 反演底反演顶反演底坐标X位置位置板位置板位置板误差板误差100927.51920.51927.50922.000.011.49230927.48920.69929.00923.001.522.31450931.35922.21932.50925.001.152.79575935.45927.04936.00 930.000.552.96625935.71927.19936.00 930.000.292.8171杨洋）责任编辑2023年第7 期程炭煤技术施工4结语针对我国煤矿开采的实际需求，研发了煤矿巷道三维弹性波全波形反演算法与技术流程，并应用于陕西小保当一号煤矿112 2 0 4工作面的实际三维地震数据处理。在反演中，采用了多尺度、多目标函数和多波的反演策略，并使用测井先验信息进行正则化约束，与标准的全波形反演方法相比，可减弱反演的非线性和多解性，获得更加准确的结果。最终构建了112 2 0 4采煤工作面精细三维弹性速度结构模型，对煤层的顶底板进行了高精度成像，与传统槽波探测方法相比，可对煤层三维空间分布进行精细刻画，满足了采煤工作面的透明化的实际需求。参考文献：1程建远，金丹，覃思。煤矿地质保障中地球物理探测技术面临的挑战J煤炭科学技术，2 0 13，41(9)：112-116.2朱战斌，王泽亮，王宏伟，等马泰壕煤矿智能化开采地质构造三维可视化模型构筑关键技术研究【J中国煤炭，2021,47(S1):103-110.3刘结高，程建远，疏义国，等。唐家会煤矿透明地质保障系统构建及示范J煤田地质与勘探，2 0 2 2，50（1）：1-9.4刘小雄，王海军薄煤层智能开采工作面煤层透明化地质勘查技术J煤炭科学技术，2 0 2 2，50(7）：6 7-7 4.5Tarantola A.Inversion of seismic reflection data in the acousticapproximation J.Geophysics,1984(49):1259-1266.6Virieux J,Operto S.An overview of full-waveform inversion inexploration geophysics J.Geophysics,2009(74):1-26.7Warner M,Ratcliffe A,Nangoo T,et al.Anisotropic 3D full-waveform inversion J.Geophysics,2013,78(2):59-80.8Vigh D,Jiao K,Watts D,Sun D.Elastic full-waveform inversionapplication using multicomponent measurements of seismic datacollection 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