全数字高密度三维地震勘探技术在淮北矿区的应用_王琦.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY all digital; high density; broadband; wide azimuth 淮北矿区地处华东腹地，是华东地区最大的冶 炼精煤生产基地，具有十分明显的煤种优势和区位 优势。近二十年来，淮北矿业集团公司先后在各生 产、基建矿井开展地震勘探，其中三维地震勘探面 积 551 km2，二次处理解释面积 286 km2。自 2014 年开始，在矿区进行全数字高密度三维地震勘探， 分别由中石油东方有限责任公司占 45.3、 中煤科 工集团西安研究院有限公司占 44.0、 中国煤炭地 质总局地球物理勘探研究院占 10.7承担， 控制面 积 124 km2， 获得了良好的地质效果， 为优化矿井和 采区设计、避免隐蔽致灾地质风险、保证矿井安全 生产提供了可靠的地质依据[1-6]。 1淮北矿区地震地质条件概述 1.1有利条件 ① 淮北矿区地势平坦， 潜水面较浅一般为 23 m，大部分激发层多为松软的黏土层或泥砂层，激 发条件总体良好。 ② 煤层与围岩密度和速度差异大，波阻抗明 显，是产生地震反射波的良好条件。 1.2不利条件 ① 煤层层数多 上覆煤层对下伏煤层反射波 产生屏蔽影响，煤厚不稳定且煤层间距较小，部 分煤层受岩浆岩侵蚀，给地震资料处理、解释带 来较大的困难； ② 深层反射的信噪比低 反射系数低、球面 扩散与大地滤波导致高频衰减严重，外界背景干 扰对深层地震记录的影响大于对浅层地震记录的 影响，多次波干扰严重； ③ 空间分辨率低 煤层埋藏深度较大1 000 1 500 m、煤层倾角较大25左右，地震波在经 过了较长路径的吸收和衰减后，层间入射子波的 吸收衰减严重，造成深层地震反射波频率降低， 工作频带降窄；地震波的第一菲涅尔带成比例增 大，地面实际记录存在较大范围内惠更斯二次绕 射点源绕射的综合效应，波形复杂、成像模糊； ④ 新生界地层厚度较大400800 m，对地 震波的高频成分吸收衰减严重，地震资料的分辨 率偏低； ChaoXing 42煤田地质与勘探第 46 卷 ⑤ 地质构造复杂，断层密度大，大构造伴生 小构造。勘探区往往被断层切割成棋盘状； ⑥ 地表条件复杂，工农业建筑密集，河网发 达，给地震资料采集带来较大的困难。 综合来说，淮北矿区的地震地质条件较复杂。 常规三维地震勘探的地质成果不能完全满足安全 高效的生产需求[6-7]，具体表现在落差大于 5 m 的 断层解释时有遗漏，甚至对于落差 10 m 以上断层 的解释也出现偏差；倾角较大地层中断层落差的解 释与实际揭露相差较大；煤层下伏地层中隐伏地质 异常体不能有效分辨。这些问题，为煤矿的安全高 效生产埋下了隐患，而解决这些问题的关键在于如 何提高地震勘探的精度，使勘探结果具有较高的成 像质量。全数字高密度三维地震在数据采集上具有 数字检波器接收、小空间采样间隔、面元属性均匀 等优点，在数据采集和处理过程中有利于保护宽频 信息，从而为实现“三高”勘探提供基础和前提[8-9]。 2全数字高密度三维地震勘探技术 2.1数字检波器 常规三维地震采用模拟检波器，具有频带窄、 动态范围小、灵敏度低、一致性差等缺陷，严重制 约了地震资料品质的提升。 数字检波器频带宽、动态范围大、相位特性基 本上为一直线，能够接收从低频到高频更多的反射 波信息， 为解释小构造和岩性分析提供了海量数据。 数字检波器抗 50 Hz 干扰能力强， 直接提供 24 位全 数字输出, 避免了数据传输中的外界电磁感应和串 音现象。 数字检波器的应用需要与高密度勘探相结合， 以提高横向分辨率、压制干扰。 2.2宽方位 淮北矿区地质构造复杂，煤层倾大、埋深变化 大且形态多变，因此宽方位角、炮检距分布均匀的 观测系统尤为重要[12-14]。 常规三维地震受覆盖次数的限制，只能采用 较窄方位角的束状观测系统，其炮检距分布不均 匀，采集脚印大，资料品质受到不同程度影响。 图 1a 为 8 线 10 炮、48 道接收、24 次覆盖的常 规三维地震观测系统的方位角图，其横纵比为 0.58。 图 1b 为在淮北矿区常用的 16 线10 炮160 道接收、64 次覆盖的全数字高密度三维地震观测 系统的方位角图，其横纵比为 0.95。该观测系统 方位较宽，有利于小断层识别及复杂地质体成像； 炮检距远、中、近分布均匀，有利于精确的速度 分析，确保高频反射的叠加成像；从空间分布来 讲，面元间的炮检距方位角一致性越好，采集脚 印越小。 图 1常规三维地震观测系统的方位角和炮检距分布图 Fig.1Azimuth and offset distribution of the conventional 3D seismic observation system 2.3小面元、高覆盖 淮北矿区地质构造复杂，断层密度大，新生界地 层厚度较大，煤层层数多、受上覆地层的屏蔽影响深 层反射波的信噪比低。多种不利因素，需要三维勘探 面元足够小、覆盖次数足够高，以利于提高地震资料 的信噪比与分辨率。综合兼顾各深浅不一的目的层， 经论证，淮北矿区面元尺寸应小于 12.6 m。考虑对断 点绕射的充分收敛，同时综合考虑地质构造特点及观 测系统类型，为提高资料的纵横向分辨，选择面元尺 寸为 5 m5 m、覆盖次数 64 次以上较为合适。 ChaoXing 增刊 1王琦 全数字高密度三维地震勘探技术在淮北矿区的应用43 3应用 3.1时间剖面品质和小断层控制程度明显提高 图2是孙疃矿II102采区常规三维地震时间剖面 图 2a与全数字高密度三维地震时间剖面图 2b的对 比，可以看出从浅部新底层底界、煤层隐伏露头到 深部太灰、奥灰及中间的煤层，反射波的连续性、 信噪比、 分辨率均有较大的改善， 断点变得更加清晰。 由于本次三维地震时间剖面信噪比较高、 分辨 率高， 解释的断点清楚， 所以采用了蚂蚁追踪技术， 在蚂蚁追踪属性数据体， 较常规三维地震数据体增 加解释了 50 条落差小于 5 m 的断层。该采区目前 正在回采，部分新解释的断层得到了验证。图 3 是 临涣矿六采区全数字高密度三维地震小构造在蚂 蚁体属性切片上的反映。 3.2陷落柱探查可靠程度提高 全数字高密度三维地震反射波信息丰富，煤层以 下深部剖面品质改善，陡倾角地层偏移成像准确，使 得对陷落柱的探查可靠程度显著提高。图 4 是陷落柱 在正交方向上的地震时间剖面上的反映。该陷落柱已 实际揭露验证，发育高度在 10 煤下 20 m 左右，其东 西方向直径约 187 m，南北方向直径约 201 m。 a 常规b 全数字高密度 图 2孙疃矿 II102 采区常规与全数字高密度三维地震时间剖面 Fig.2Conventional and all digital high density 3D seismic time profiles of mining district II102 in Suntuan coal mine 图 3临涣矿六采区小构造在蚂蚁体属性切片上的反映示意图 Fig.3The reflection of the minor structures on the ant body volume attribute section in the 6th mining district of Linhuan coal mine 3.3岩性勘探技术的应用 岩性勘探是综合利用三维地震资料、测井成果， 结合井巷揭露等丰富的地质资料进行三维地震反演， 把地震资料的高横向分辨率与钻孔资料的高纵向分 辨率结合起来， 将三维地震数据转化成含丰富地质信 息的三维波阻抗数据体，并估算出地层的物理参数， ChaoXing 44煤田地质与勘探第 46 卷 图 4陷落柱在正交方向上的地震时间剖面上的反映 Fig.4The reflection of collapse column on the seismic time profile in the orthogonal direction 进行岩性分析，将地震信息转化为地质信息。 图 5 为朱仙庄矿全数字高密度三维地震勘探获 得的波阻抗反演剖面，黄色显示的低波阻抗为泥岩 和砂泥岩之类的软性岩石，绿色显示的中等波阻抗 为粉砂、中细砂岩类岩石，蓝色显示为高波阻抗粗 砂岩，紫色显示为特高波阻抗的岩浆岩，且在横向 上表现为一细长条带， 显示了岩性的横向变化状况。 图 5朱仙庄矿全数字高密度三维地震勘探获得的 波阻抗反演剖面 Fig.5Impedance inversion profile obtained by high density 3D seismic exploration in Zhuxianzhuang coal mine 4存在问题 近五年，淮北矿区进行了大量的全数字高密度 三维地震勘探，虽然取得了丰硕成果，但也存在一 些问题急需解决[11-15]，主要表现在 ① 目前进行的全数字高密度三维地震勘探在 设计上虽然遵循“两宽一高”的理念，但还存在接收 线距较大的缺陷，这对于地层产状和断层走向急剧 变化的测区尤为不利，甚至造成原始资料的先天不 足。因此，在设备允许的情况下，应采用道间距和 线距一致的观测系统，真正做到纵横比为 1 的全数 字全三维高密度三维地震勘探。 ② 数字检波器具有频带宽、 低频成分丰富的特 点。在数据处理上如何有效保护低频成分，以满足 地震属性解释的需求；如何有目的地滤除低频、滤 除多少，在保证信噪比的前提下，最大限度的提高 分辨率，满足小构造的解释。 ③ 在数据处理上，针对宽方位、高密度的原始 单炮如何合理利用。对于浅部目的层，如单炮信噪 比较高，可适当降低覆盖次数，以提高剖面的分辨 率；对于深部目的层，可增加覆盖次数，以提高剖 面的信噪比；对特殊的目的层，可抽取特定方向范 围的数据处理。这就要求一个勘探区提供多套数据 体，以满足不同的需求。 ④ 对低频成分丰富的地震剖面， 在地震属性解 释上如何最大限度的利用，如何取得满意的效果需 要进一步研究。 ⑤ 高密度三维地震资料信息丰富， 如何利用这 些信息进行瓦斯富集区及应力集中区预测、岩浆岩 不规则侵入区解释、切割灰岩断层的富水性及煤层 顶底板岩石完整性识别等方面，需要做更深层次的 研究工作。 5结 语 随着煤矿开采条件的增大，采区三维地震勘探 的难度越来越大，勘探目标转向地质情况更复杂、 埋藏更深，厚度更小的煤层储藏区。因此煤矿安全 高效生产对三维地震勘探技术要求越来越高。如何 进一步提高勘探精度、拓宽三维地震勘探在煤田勘 探的服务范围，是一个复杂艰巨而任重道远的技术 问题。全数字高密度三维地震作为新的地震勘探技 术，其设计思路、采集方法、处理和解释手段均有 别于常规三维地震勘探技术，尤其是获取的地质信 息量有大幅提升，充分应用这些信息可以为将来自 动化、智能化煤矿开采提供准确可靠的地质依据。 参考文献 [1] 李庆忠. 走向精确勘探的道路高分辨率地震勘探系统工 程剖析[M]. 北京石油工业出版社，1995. 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