煤田高密度三维地震勘探观测系统设计_李江.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 随着煤炭资源开采程度的提高和持续进行， 复 杂地区已成为煤田地质勘探的主要目标。这类地区 一般表层地质条件差，地下构造复杂，常规地震勘 探对小断层，隐蔽性地质灾害控制程度低，已无法 满足矿井安全高效开采对勘探精度的要求。高密度 三维地震勘探可以获得宽频带，宽方位和高密度的 地震数据，特别有利于复杂地质体的成像和小断层 的解释， 近年来在煤田地质勘探中取得了良好的应 用效果[1-2]。为了充分发挥高密度三维地震技术在煤 田地质勘探中的优势，除了在地震数据处理环节采 取适当措施提高成像精度，或在资料解释中进一步 挖掘地震数据所携带的构造和岩性信息外[3]， 提高 地震数据采集的资料品质也尤为重要，而观测系统 设计是决定数据采集质量的关键因素[4-6]。煤层埋深 一般变化较大 （浅部＜ 200 m） ， 而且具有低速度、 低 密度等岩石物理特征，如何在这种特殊地质情况下 获取地震反射波数据， 观测系统设计尤为重要[7]。高 密度三维地震勘探的特点之一是宽方位采集，以便 获得观测方位、炮检距和覆盖次数分布尽可能均匀 的三维数据体，但是宽方位观测必然会带来地震采 集成本的增加， 因此， 观测系统设计中既要考虑地质 因素，还要考虑经济因素。当前煤田高密度地震勘 探的采集通常是通过增加接收线数和增大接收排列 片宽度来实现的，显然这种采集方式设备资源占用 量大， 成本也比较高[8]。另外， 高密度观测系统设计 还要考虑反射面元的高覆盖次数[9]， 而高覆盖次数 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.027 煤田高密度三维地震勘探观测系统设计 李江 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 高密度三维地震勘探对煤田小断层和隐蔽性地质体探测具有较高的精度， 为煤田安全 高效开采提供了可靠地的地质保障。为了将高密度三维地震勘探技术更好地应用于煤田地质勘 探， 从影响地震原始数据品质的角度出发， 研究了煤田高密度三维地震勘探的观测系统设计方 法。以淮北矿区的勘探实践为基础， 详细论证了高密度三维地震勘探观测系统的覆盖次数、 面元 大小、 偏移距， 接收线距、 炮检距等主要参数的选择依据和基本原则， 从而建立了针对勘探目标 体的观测系统。通过统计分析的方法对观测系统进行评价， 分析了覆盖次数、 偏移距、 方位角等 面元属性对地震数据质量的影响， 为煤田高密度地震勘探的观测系统设计提供了依据和参考。 关键词 煤田； 高密度； 三维地震勘探； 几何设计； 方位角 中图分类号 TD163.1文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0118-05 Geometry Design of High-density Three-dimensional Seismic Prospecting for Coalfield LI Jiang （China Coal Technology and Engineering Group Xi an Research Institute, Xi an 710077, China） Abstract High-density 3D seismic prospecting which has high accuracy for the detection of small faults and concealed geological bodies provides reliable geological guarantees for safe and efficient mining of coalfield. In order to apply the high density 3D seismic exploration technique to coal geological exploration, the design of 3D seismic geometry in coal field is studied from the angle of affecting the quality of original seismic data. Based on the practice in Huaibei Mining Area, the basic principles for selecting the main parameters of the high-density 3D seismic exploration geometry, such as the fold numbers, bin size, offset, stationline distance and source row distance, are demonstrated in detail. As a result, the geometry for exploration targets was established. Through the of bin statistics analysis, the effects of fold numbers, offset and azimuth on the quality of seismic data are analyzed, which provides a basis and reference for the geometry design of high -density 3D seismic prospecting in coalfield. Key words coalfield； high density； 3D seismic prospecting； geometry design； azimuth angle 118 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 1勘探区煤层底板构造图 就要求较小的炮排距和较大的接收排列。在观测系 统设计中除了掌握观测系统设计的基本原则之外， 还需要根据工区特点和煤层深度等来确定面元大 小， 覆盖次数， 最大、 最小炮检距等参数， 并通过观 测系统模拟分析来论证各参数的合理性[10-11]， 最终 在采用较少的激发点和观测设备情况下，确定出经 济有效的观测系统。 1高密度地震勘探的特点 1.1采用数字检波器 模拟检波器一般工作在自然频率以上，其频带 窄， 对高于 80 Hz 的高频信号存在一定程度的衰减， 且相位存在由低频到高频的畸变，另外其动态范围 小，灵敏度低，在野外进行检波器组合时还存在一 致性差等缺点。数字检波器一般工作在自然频率之 下， 在 0～800 Hz 范围内全频段接收， 振幅保真性好， 无相位畸变与频率衰减，具有较大的动态范围和高 灵敏度，可以直接输出数字信号，避免了输出传输 中的外界电磁干扰和传音， 抗干扰能力强[12]。 1.2宽方位角采集 常规三维地震勘探采用较窄方位角的观测系 统， 导致炮检距和方位角分布不均匀， 采集脚印大。 宽方位角采集具有较大的横纵比，面元各属性一致 性好，有利于压制近地表散射干扰，提高地震资料 信噪比；宽方位采集的横向覆盖次数过渡带变化较 为平缓，因此它比窄方位角更容易跨越地表障碍物 和地下阴影带。进一步研究表明，增大横向采样密 度和炮检距有利于提高地下目标体的照明度、压制 相干噪声并改善复杂构造的成像效果。因此，宽方 位采集的地震数据极大地增强了识别断层、裂隙和 地层岩性变化的能力。 1.3小面元高密度采样 小面元采集极大地提高了地震数据的横向分辨 率，可以满足地下小的地质体精确成像的要求， 非 常有利于小断层，小陷落柱的控制和解释；数字检 波器空间采样密度高，避免了低频干扰波的空间假 频，对干扰波的无假频采样更有利于信噪分离， 提 高干扰波的压制效果[13]。 2工区概况 实例工区位于淮北煤田南部，地层区划分上属 于华北地层区鲁西地层分区徐宿小区。地层由老到 新有奥陶系、 石炭系、 二叠系、 新近系和第四系[14]。 本 矿区含煤地层为石炭系、二叠系。石炭系煤层薄而 不稳定， 开采技术条件复杂， 为不可采煤层。二叠系 含煤地层自下而上为山西组、 下石盒子组、 上石盒子 组。勘探区内地层走向为近南北向，深部由于断层 的切割， 地层走向变化较大， 地层总体东倾； 矿井内 地层倾角变化较大， 一般在 5～25之间， 次一级小 褶曲和断裂构造较发育，主要构造的走向为近东西 向。勘探区内煤层深度变化幅度较大，一般深度在 200～800 m， 且底板起伏形态多样， 南部为单斜， 倾 角 10～20， 勘探区煤层底板构造图如图 1。 3观测系统参数论证 3.1测线方向 测线布置的基本原则首先是垂直于区内主构造 走向，其次兼顾施工效率与难易程度。本区地层走 向为近南北向，而主要构造的走向为近东西向， 因 此测线方向近南北向布设，这种垂直断层布设测线 更有利于断层的探测。 3.2面元边长 面元大小要有利于提高资料的横向分辨率， 落 实构造及断裂细节特征； 同时， 面元的大小必须保证 各面元叠加时的反射信息具有真实代表性。因此， 面元大小应满足以下 3 个方面 1） 横向分辨率。要得到良好的横向分辨率， 可 按每个优势频率的 1 个波长内至少取 3 个采样点的 经验法则， 这样面元边长估算公式可表示为[15] b vint 2fdom （1 ） 式中 b 为面元边长， m； vint为目标体上覆层的 层速度， m/s； fdom为目的层主频， Hz。 2） 最高无混叠频率。在地震数据主频一定的情 况下， 保证最高无混叠频率的面元计算公式为 119 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 b≤ vrms 4fmaxsinθ （2） 式中 vrms为均方根速度； fmax为最高无混叠频率 （主频的 1.2 倍） ； θ 为目的层地层倾角。 3） 断点绕射收敛。煤田高密度地震勘探的的主 要任务之一是查明落差 3～5 m 的小断层， 要使断层 成像清晰，需要在数据处理时使断点的绕射波得到 充分收敛。数据处理中一般按 15角进行偏移， 因此 面元尺寸≤11 m 可满足反射信息正确成像； 考虑对 断点绕射的充分收敛， 则面元尺寸应不大于 6.5 m。 依据工区地下地质构造特点及观测系统类型，当前 煤田高密度地震勘探面元尺寸选择为 5 m5 m。 3.3覆盖次数 常规三维地震勘探采用 24 或 30 次覆盖，但小 断层成像不清楚， 太灰、 奥灰顶界面反射波能量弱。 因此，提高覆盖次数是高密度三维地震勘探中提高 信噪比的措施之一。在处理中一般按 30角分方位 处理，即将地下半空间划分为 6 个方位来进行研 究， 每个方位面元尺寸的覆盖次数应达到 9～12 次， 因此高密度三维设计的覆盖次数应为 60 次以上。 3.4最小与最大炮检距 考虑最小炮检距的因素主要是避免震源爆炸 在近炮点产生的次生干扰和尽量获取浅部目的层反 射波资料， 另外还需考虑浅层折射的需要。因此， 在 施工条件许可的情况下，可以适当减小炮检距， 这 样可以为资料处理中最小偏移距对比提供选择空 间。考虑地表施工环境情况和接收道距，最小炮检 距一般选择为 5 m。 最大炮检距的选择应重点考虑以下因素目的 层的深度， 动校拉伸率， 速度分析的精度， 保证反射 系数稳定和不被直达波和折射波所干涉[16]。 1） 目的层深度。最大炮检距与目的层深度有如 下关系最大炮检距 xmax要不小于最浅目的层深度 h1的 2 倍， 不大于最深目的层深度 h2， 即 2h1≤xmax≤ h2。根据示例区地质资料，该区煤层埋深最浅 200 m， 最深目的层 （奥灰顶界面） 埋藏深度在 800 m， 所 以该范围为确定最大炮检距最基本的尺度，由此， 浅部最大炮检距不应小于 400 m，深部最大炮检距 不超过 800 m。 2） 最大炮检距对动校正拉伸的影响。地震数据 处理时，动校正使波形发生畸变，尤其在大偏移距 处，因此设计排列长度时需要考虑不同埋深目的层 的有效波动校拉伸情况，使有效波畸变限制在一定 的范围内。观测系统设计时应考虑这种不利影响， 使动校正拉伸对信号频率影响较小，当把动校正拉 伸率控制在 12.5％范围内时，则浅部最大炮检距不 应大于 490 m，深度最大炮检距不应大于 900 m。动 校拉伸系数与排列长度的关系为 k1 xmax2 t02v2■ -1（3） 式中 k 为拉伸系数； xmax为炮检距， t0为双程旅 行时； v 为叠加速度。 3） 最大炮检距对速度分析精度的影响。均方根 速度和叠加速度都与正常时差有关，因此当有较大 数值的正常时差时才能保证速度分析的精度。而正 常时差随炮检距的增大而增大，所以要有足够的排 列长度才能保证速度分析的精度。这样，当速度误 差控制在 5以内时， 浅部最大炮检距不应小于 310 m， 深度最大炮检距不应小于 420 m。速度误差与最 大炮检距关系如下 xmax≥ 2t0 f[ （v-△ v） -2-v-2] ■ （4） 式中 △ v 为速度误差； f 为反射波主频。 4） 最大炮检距与反射系数稳定性的关系。地震 波的入射角接近或等于临界角时，会出现反射系数 不稳定的现象。为了保证反射系数稳定，要求入射 角小于临界角 （一般限定为 40） ， 考虑反射系数稳 定性，通过计算可得浅部最大炮检距不应大于 500 m， 深度最大炮检距不应大于 1 000 m。 ， 最大炮检距 与入射临界角关系为 xmax≤2 n i 1 ∑hitanθi0（5 ） 式中 hi为第层地层厚度； θi0为第 i 层的反射临 界角； xmax为最大炮检距。 3.5接收线距与炮排距 接收线距不大于法向入射时的菲涅尔带半径公 式为 dR vms2t0 4fp （vms 4fp ） 2 ■ （6） 式中 dR为接收线距； vms为均方根速度； fp为地 震波主频； t0为法向入射时的双程旅行时。 一般情况下，高密度地震勘探的接收线距应不 大于 60 m， 炮排距≤100 m。以此数据为基础， 实际 应用中根据宽方位观测的技术要求来设计接收线 距， 根据覆盖次数的要求来设计炮排距。 4观测系统选择与分析 观测系统设计参数见表 1。 120 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 2设计观测系统面元属性统计 表 1观测系统设计参数列表 通过参数论证，为观测系统设计的参数选择提 供了依据。为保证深、浅目的层的真实有效覆盖次 数达到高密度地震勘探的要求，对于勘探范围较大 的工区， 可按目的层深度将其划分为深部、 浅部不同 的目标单元。对于本项目研究工区， 按照以上思路， 最终观测系统选择如下，浅部区采用 36L4S70T 2R126 次观测系统；煤层深部区域使用 24L4S 96T1R96 次观测系统。 高密度三维地震勘探采集信息的收集与统计主 要集中在以 CDP 网格为最小单元的面元之内。 统计 面元覆盖次数、 炮检距、 方位角等属性信息有助于全 面了解观测系统设计的特点，进而分析设计的合理 性与实用性。以浅部观测系统为例进行面元统计分 析， 设计观测系统面元属性统计如图 2。 不同覆盖次数面元的分布情况如图 2 （a） 。可看 区域划分煤层浅部区域煤层深部区域 观测系统 接收排列/道 面元尺寸/m 覆盖次数 道距/m 炮点距/m 接收线距/m 炮排距/m 最小炮检距/m 最大炮检距/m 最大非纵距/m 横纵比 束滚动距离/m 36 线 4 炮 70 道36 55 7 （纵 ） 18 （横 ） 10 10 20 50 5 502 355 1.01 40 24 线 4 炮 96 道24 55 8 （纵 ） 12 （横 ） 10 10 40 60 5 675 475 0.98 40 到该观测系统的面元平均覆盖次数超过 100 次， 满 覆盖区覆盖次数为 126 次，达到了高覆盖次数的要 求；其它覆盖次数的面元所占比例较少且基本一 致， 表明覆盖次数为均匀递减， 有利于边界成像。不 同炮检距面元的分布情况图 2 （b） 。 可以看到炮检距 主要集中在 100～400 m 炮检距范围内， 该处的面元 有效避开了近道和远道的干扰波，同时也避免了过 大偏移距波形畸变的影响。不同方位角面元的分布 如图 2 （c） ， 可见不同方位角的面元分布较为均匀， 在 40、 120、 220、 310方向上的面元相对更多， 该 121 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 方向垂直于地层走向或构造走向，因此对于露头的 识别更为精确；由于宽方位角采集，另一个方向可 以对构造进行较好的捕捉。炮检距与方位角综合条 件下的面元分布如图 2 （d） 。 可看出有效面元主要集 中在沿测线方向的炮检距 100～40 0m 范围内， 且方 位角呈基本均匀分布。 5结语 1） 观测系统设计是影响数据采集质量的关键因 素。探讨了观测系统设计中各个参数选择的依据， 首先依据工区地质情况勘探任务确定道间距和最大 偏移距，然后获得面元大小和覆盖次数等参数， 同 时依据宽方位观测的要求确定排列片宽度，进而确 定合适的排列线距和线数。 2） 观测系统模拟分析与评价是观测系统优化设 计的有效途径。通过分析观测系统面元属性的覆盖 次数，方位角和炮检距的均匀性对地震资料的影响 来判定设计观测系统的合理性。小面元采集极大地 提高了地震数据横向分辨率，有利于微幅构造的精 细刻画和解释。宽方位采集使得地震数据的偏移距 和方位角分布更为均匀，可以实现全三维偏移处 理， 提高地震成像精度； 另外， 宽方位数据保留的偏 移距和方位各向异性信息， 也有利于裂缝预测。 3） 从面元属性分析方面对观测系统设计方法进 行评价，为了获得更为有效的高密度地震勘探观测 系统，还可以从地下目标的照明度，地震数据正演 模拟等角度对观测系统各参数进行细致的定量化评 价，从而建立一套完整、有效的煤田高密度三维地 震勘探观测系统设计和评价的方法与流程。 参考文献 ［1］ 程建远， 聂爱兰， 张鹏．煤炭物探技术的主要进展及发 展趋势 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2016， 44（6） 136－141． ［2］ 王琦．全数字高密度三维地震勘探技术在淮北矿区的 应用 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2018， 46 （增刊 1） 41－45． ［3］ 李莲英， 薛俊杰， 赵煊煊， 等．应用综合物探方法探查 煤层采空区 ［J］ ．物探与化探， 2017， 41 （2） 377－380． ［4］ 许银坡， 邹雪峰， 朱旭江， 等．提高目的层阴影区成像 质量的观测系统优化设计方法 ［J］ ．石油地球物理勘 探， 2015， 50 （6） 1048－1053． ［5］ JUN S, LI Y F, WEI W, et al．On vertical resolution of seismic acquisition geometries in complex 3D media ［J］ ． Geophysics, 2017, 82 （6） 75－87． ［6］ 王永明， 王彦春， 冯许魁．应用模型正演方法分析观测 系统对复杂构造区成像的影响 ［J］ ．石油地球物理勘 探， 2015， 50 （4） 580－587． ［7］SHAUN S, STEVEN H．Survey design for coal －scale 3D－PS seismic reflection ［J］ ．Geophysics, 2016, 81 （6） 57－70． ［8］ 刘依农， 印星耀， 张三元， 等．宽方位地震勘探技术新 进展 ［J］ ．石油地球物理勘探， 2014， 49 （3） 596－610． ［9］ 李逢春， 王瑞秋， 赵薇薇， 等．地震三维观测系统共中 心点面元属性并行计算方法 ［J］ ．物探与化探， 2015， 39 （5） 1074－1078． ［10］ 赵虎， 尹成， 魏福吉， 等．观测系统综合质量因子分析 ［J］ ．石油地球物理勘探， 2015， 50 （6） 1037－1041． ［11］ 刘振武， 撒利明， 董世泰， 等．地震数据采集核心装备 现状及发展方向 ［J］ ．石油地球物理勘探， 2013， 48 （4） 663－675． ［12］ 肖云飞， 殷厚成．基于溶洞体照明分析的采集参数论 证 ［J］ ．物探与化探， 2017， 41 （2） 270－277． ［13］ 郭念民， 陈猛， 崔永福， 等．碳酸盐岩储层单点高密度 采集三维地震勘探实例 ［J］ ．石油物探， 2016， 55 （6） 771－780． ［14］ 郑士田．两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查 治理技术 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2018， 46（4） 142. ［15］ 孙海川， 刘永亮， 李健．二维地震采集参数的选择 以潮水盆地 HW 勘查区为例 ［J］ ．物探与化探， 2016， 40 （6） 1144－1150． ［16］ 碗学俭， 吴树奎， 杨素玉， 等．马厂油田高密度三维观 测系统设计研究 ［J］ ．石油物探， 2008， 47 （6） 598. 作者简介 李江 （1985） ， 男， 陕西商洛人， 工程师， 博士， 2018 年毕业于长安大学， 研究方向为地震勘探。 （收稿日期 2018-12-06； 责任编辑 陈洋） 122 ChaoXing