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第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY seismic exploration; signal to noise ratio; box-wave; excitation efficiency; acquisition system 贵州织金地区位于黔中隆起区， 煤层主要赋存在 几个含煤向斜和一些小型断块区内， 其中岩脚向斜和 黔西向斜为两个相对完整的大型含煤向斜， 整体有利 勘探开发面积约 1 126 km2。主要含煤地层为上二叠 统龙潭组，可采煤层层数多10 层、累计可采厚度大 1424 m、以碎裂煤为主，含气量高1116 m3/t、 Langmuir 体积大30 m3/t且含气饱和度高60， 储层压力梯度高平均 0.85 MPa/hm。截止目前，该 区单井日产气量最高突破 3 000 m3，证实该区具有 巨大的煤层气开发潜力。贵州织金地区构造复杂、 断裂发育且地层倾角横向变化剧烈，影响开发井位 的部署及优化工作，因此急需高信噪比地震资料落 实该区有利煤层空间展布特征。 1贵州织金地区煤层气地震勘探主要难点 受复杂地震地质条件影响，区内地震资料信噪 比低、地震成像效果差，严重制约该区油气勘探工 作。整体来看，制约该区浅层煤层气地震勘探的主 ChaoXing 162煤田地质与勘探第 46 卷 要因素包含以下几方面 a. 地表出露岩性以灰岩为主，资料信噪比较 低区内灰岩大面积裸露， 占全区地表的 93以上， 资料信噪比低。碳酸盐岩地表的地震采集一直是世 界性难点[1]。首先，碳酸盐岩具有较大的声阻抗， 使得大部分能量被反射或聚焦在水平方向上传播， 穿透碳酸盐岩的能量一些被折射，一些穿过较厚的 地层到达碳酸盐岩底，反射和透射的纵波能量非常 低，因此在碳酸盐岩底及以下全部地层的反射波信 噪比很低；其次，高阻抗差的碳酸盐岩顶底引起的 多次波，是一种较强的干扰；第三，由于大部分能 量被反射到自由地表，而形成很强的面波，常淹没 低振幅的深层反射波；第四，灰岩高速层顶、底界 面的速度差异引起的全反射，导致仅有限角度的反 射波在地表被记录。 干扰波调查显示织金地区井中接收资料面波 能量很弱、频带宽、能量变化小，而地表接收资料 面波发育、低频能量强，主频低、信噪比明显偏低。 表明激发产生的次生噪声是导致资料信噪比低的主 要因素之一。 b. 干扰源及障碍物种类多， 分布广织金地区 位于云贵高原的东边延伸地，山脉纵横交错，地形 起伏大、切割剧烈、悬崖密布，局部高差 600 m 以 上，导致炮检点布设困难。不同地形激发接收效 果差异巨大、单炮记录差异明显[2]。区内障碍物密 集且分布广泛，人文活动多、干扰严重，影响资 料品质。 c. 煤层埋深浅，有效叠加次数低根据钻探资 料认识，贵州织金地区上二叠统龙潭组煤层主要埋 深为 300900 m，煤层埋深浅；同时，上覆灰岩高 速层使得有效地震观测角度较小，导致浅层有效覆 盖次数往往远低于设计满覆盖次数，资料信噪比难 以保障。 d. 断裂构造发育， 次级构造单元复杂贵州织 金地区背斜与向斜相互交叉分布，为典型的挤压变 形特征，区内次级构造单元众多、断裂发育且地层 倾角横向变化剧烈。复杂构造导致地震波场异常复 杂，如何提高波场采样的充分性及波场分析的准确 性是该区地震勘探面临的又一难点。 2接收因素优选及组合压噪技术 针对织金地区资料信噪比低、干扰噪声大等勘 探难点，开展了不同检波器接收因素对比试验及组 合方式优选，提高了资料信噪比和剖面叠加效果。 2.1检波器类型优选 数字检波器具有频宽、动态范围大以及相位 一致性好等特点，因此数字检波器接收有利于获 得更丰富的层间信息[3-4]；但由于数字检波器采用 单道接收，其噪声压制能力相对较差，全频带记 录的信噪比往往较低。常规模拟检波器采用多道 组合接收，有效波信噪比高[5]，但不利于高频信息 的保护。 2.1.1数字检波器与模拟检波器接收对比试验 图1为同一井炮激发条件下模拟检波器组合与单 道数字检波器接收记录的对比图相应的频谱中频率 选取 200 Hz 以内，两者差异明显受灰岩地表激发 接收条件差影响，两者均有较强的低频面波干扰；数 字检波器接收的资料频带更宽、在 40 Hz 以上的高频 信息更加丰富，更有利于薄储层的识别；而常规检波 器组合接收记录的噪声压制效果更好、 视信噪比更高。 图 1不同检波器接收的单炮对比 Fig.1Comparison of single-shoot records received by analog geophones and digital geophones ChaoXing 第 4 期薛野等 贵州织金浅煤层地震勘探技术的实践与认识163 不同激发药量情况下数字、模拟检波器接收记 录信噪比对比揭示模拟检波器组合接收记录的信 噪比整体明显优于单道数字检波器接收记录，模拟 检波器组合接收具有较强的噪声压制能力，在灰岩 低信噪比探区具有更好的接收效果。 2.1.2数字检波器与模拟检波器资料叠加对比 图 2 为同一条测线、相同覆盖次数、不同检波 器接收资料的叠加剖面对比，在相同覆盖次数、道 距较大情况下，模拟检波器接收的叠加剖面在浅、 中、深层信噪比都明显优于数字检波器接收剖面。 表明模拟检波器组合接收更能适应本工区灰岩低信 噪比地震资料的特点，利于提高资料的信噪比。 图 2模拟检波器与数字检波器接收叠加剖面对比 Fig.2Comparison of stacked profiles received by analog geophones and digital geophones 2.2盒子波调查试验优选组合接收方式 贵州织金地区干扰波异常发育且干扰类型多、 成分复杂，严重影响地震资料品质。为查清区内 各类干扰波类型、频率、速度及传播方向等特征， 指导噪声压制方法设计，开展了数字检波器盒子 波调查试验[6-7]。该区主要发育面波和多次折射波 两类干扰波，其中面波主频约 10 Hz，速度约为 5462 837 m/s；多次折射波频率高，主频约 60 Hz， 速度约为 4 390 m/s，两种干扰波都主要来自顺构 造倾向的方向。通过组合分析发现检波器平行 主测线方向组合噪声压制效果优于垂直主测线方 向，在组合图形相同的情况下 2 串略好于 1 串检 波器组合，组合距大于 22 m 时有利于压制干扰， 记录信噪比较高。 基于上述研究，提出了 2 串模拟检波器、线性 垂直构造方向、 组合基距不小于 22 m 的组合接收方 式，该方式具有较好压制噪声能力、利于提高资料 信噪比。 3基于煤层反射最大信噪比的岩性–井深–药量 匹配地震激发技术 如何获得好的地震资料是灰岩裸露区地震采集 的关键， 地震激发效果不理想是制约灰岩裸露区地震 勘探的主要难题之一[8]。基于最大信噪比准则，结合 目的层埋深浅的特点， 提出了基于目的层反射最大信 噪比的岩性–井深–药量匹配的地震激发技术。 3.1激发岩性匹配 激发介质的弹性参数决定了激发资料的振幅属 性和频率属性[9]。首先，采用微测井、岩性录井和 探井等多种手段，获取精细表层结构资料，掌握工 区低降速带及岩性变化情况；其次，利用多信息地 形图、照片以及岩性调查等建立合理的“表层结构 模型”，进行岩性分区；再根据微测井，选择高速层 中相对低速的岩性中激发，提高地震激发效率。 3.2激发井深匹配 井深匹配的两个原则，一是以选择最好激发 岩性为准则，二是以减小虚反射干扰，以药柱顶 面距地表虚反射面的深度介于 1/81/16 反射波长 为依据。 对比不同井深激发单炮图 3， 整体记录信噪比 均非常低，随着井深增大且大于 16 m 后，多次波和 面波干扰较弱，目的层受污染程度较轻，视觉信噪 比相对较高。 图 3 中不同井深激发记录能量、信噪比及频率 的定量分析显示在井深达到 16 m 时能量趋于饱 和；继续增加井深，目的层反射能量增加缓慢甚至 出现负增长；随井深增加信噪比呈阶梯状增加，井 深大于 18 m 时信噪比较高；在井深达到 18 m 后， 优势频带内的能量和信噪比变化趋于稳定，高频段 信息更丰富，但井深大于 20 m 后，虚反射对高频资 料有一定影响。 综合考虑定性分析和定量分析结果，再结合表 层结构调查结果，该区低速层厚约 210 m，因而， 井深采用 18 m 比较合理。 3.3激发药量匹配 本工区随药量增加，有效反射能量增加，但同 ChaoXing 164煤田地质与勘探第 46 卷 图 3不同井深激发效果对比 Fig.3Comparison of single-shot records excited at different well depths 时面波及散射能量也增大，进而降低资料特别是浅 层煤层反射资料信噪比。因此，药量的选择既要考 虑能量问题又要考虑干扰和信噪比因素。激发药量 的匹配主要是通过激发因素试验确定。 表 1 为不同药量激发单炮的能量与信噪比定量 分析结果， 显示药量增加， 能量增加， 药量达到 6 kg 时激发能量趋于饱和、有效反射能量增长缓慢；信 噪比分析显示药量大于 4 kg 时，信噪比随药量增加 呈降低趋势，表明激发能量多为低频噪声。综合分 析，药量选择 46 kg，能量较强，信噪比相对较高。 表 1不同药量激发单炮能量与信噪比 Table 1Energy and SNR of single-shot records excited by different charges 药量/kg2 46810 能量126127165169176 信噪比0.690.740.660.630.54 4观测系统设计与优化 在观测系统设计上，以近地表模型、构造模型 构建为基础，以正演模拟为手段，从成像角度出发， 开展基于模型模拟、满足浅层煤层地震成像的观测 系统设计优化工作； 同时结合目标区地上地下特点， 对观测系统整体采集效果做预估，根据评价结果小 范围调整采集参数，优化观测系统。针对织金地区 浅层煤层反射信噪比低、波组连续性差等问题，先 后开展了宽线、小道距数字单线以及三维地震等不 同观测系统设计及采集工作，针对不同接收线数 13 线、不同道距520 m、 不同覆盖次数60270 次、不同观测系统小道距单线、宽线、三维等重 点参数进行了充分试验，建立了该区观测系统设计的 主要原则，获得了较高信噪比的煤层地震反射资料。 4.1浅煤层有效覆盖次数分析 灰岩地表速度较高，测井资料揭示二叠系龙潭 组地层速度介于 3 0004 300 m/s，而上覆灰岩地层 速度一般大于 5 500 m/s，较大的速度差异使得地震 临界角较小，地表排列仅能接收到有限角度的反射 波，大部分反射波超过临界角，发生折射或不能到 达地表。地震资料处理中发现，该区主要煤层反射 有效道较少，中、远排列大部分道集为无效道集， 被切除，导致资料实际有效覆盖次数远低于设计的 满覆盖次数。 5 m 道距、30 m 炮距、2 397.5-2.5-5-2.5-2 397.5 排列的单线二维观测系统，设计满覆盖次数 60 次， 在本工区应用情况来看，针对埋深 400500 m 的煤 层实际有效覆盖次数小于 16 次。10 m 道距、30 m 炮点距、2 695-5-5-5-2 695 排列的单线二维观测系 统，设计满覆盖次数 90 次，针对埋深 400500 m 的 煤层实际有效覆盖次数小于 21 次。 ChaoXing 第 4 期薛野等 贵州织金浅煤层地震勘探技术的实践与认识165 以上两种观测系统均在埋深较大部位获取了资料 信噪比较高的地震剖面，但在埋深过浅区域500 m 由于有效覆盖次数难以保障，波组连续性变差。 因此，提高浅层的有效覆盖次数是本区煤层地 震反射成像的关键因素，采用小排列长度、小道距、 小炮点距及宽线观测是本区二维地震提高浅层覆盖 次数的有效手段。 4.2二维宽线地震观测系统 宽线地震观测技术在复杂低信噪比勘探区取得 了较好的应用效果[10-12]。 采用 1 炮 3 线、 10 m 道距、 30 m 炮点距、270 次覆盖在织金地区进行宽线观测 试验。图 4 为不同覆盖次数、不同接收线数剖面对 比，随覆盖次数增加，资料信噪比显著改善，90 次 及以上覆盖次数剖面煤层资料信噪比较高、连续性 好，增强了有效反射，背景噪声得到更好的压制， 优于 45 次叠加剖面； 超过 180 次时增加覆盖次数剖 面改善效果相对不明显，这主要是由于地震波的观 测方位还是以纵向为主，虽然对纵向干扰具有较强 的压制能力，但对于侧面干扰或者近地表相干干扰 的压制能力不足。 90 次叠加剖面煤层的实际有效覆盖次数为 22 次，获得了相对连续、稳定的反射波组。因此针对 煤层有效覆盖次数应不小于 22 次。 相同覆盖次数条件下 1 炮 1 线、1 炮 2 线与 1 炮 3 线观测剖面对比显示随接收线数增加，剖面 信噪比提高、连续性变好，这主要是由于宽线可以 扩大横向组合基距，对近地表噪声压制能力强，尤 其是利于对侧面干扰的压制。 图 4不同接收线数、不同覆盖次数剖面对比 Fig.4Comparison of profiles with different number of receiving lines and coverages 4.3基于小道距观测的数字检波器加权道组合 技术 数字检波器室内道组合是提高原始资料信噪 比常用的重要方法[13-15]。 开展了 5 m 小道距数字检 波器单线观测试验，观测系统采用 5 m 道距、40 m 炮点距、60 次覆盖，最终采集资料显示二维数字 单线成像效果改善不明显。研究发现通过对数字 单点接收资料进行加权道组合处理， 提高有效覆盖 次数尤其对浅层至关重要，可以显著提高资料信 噪比。 权重比例分别为第一道 0.25正点道左一道， 第二道 0.50正点道，第三道 0.25正点道右一道 进行相邻 3 道组合，得到道间组合单炮和剖面。与 剖面对比图 5可见经道间组合后叠加剖面二叠 系龙潭组煤层及深层寒武系地层的反射资料信噪 比高、连续性更好、层间信息更为丰富，说明小道 距数字检波器道组合技术是提高该区资料叠加成 像效果的有效手段。 4.4“二小二高”可变面元三维地震观测系统 针对贵州织金煤储层特点，观测系统设计上引 入了可变面元三维设计思路，形成了小线距、小排 列长度、高炮点密度及高横纵比的“二小二高”设计 理念。织金三维观测系统参数24 线 3 炮 108 道， 道距 20 m， 线距 60 m， 炮点距 80 m， 炮线距 120 m， 横纵比 0.72。织金三维地震观测系统在 10 m10 m 面元条件下浅层煤层有效覆盖次数为 2124 次，扩 大至 20 m20 m 面元时浅层煤层有效覆盖次数达到 8794 次。图 6 为同位置织金二维与三维地震剖面 对比，实际资料分析证实“二小二高”三维地震观 测大幅提升了剖面品质，煤层反射资料信噪比高、 能量强、波组连续性好。 ChaoXing 166煤田地质与勘探第 46 卷 图 5道组合前与三道加权组合后叠加剖面对比 Fig.5Comparison of stacked profiles before and after seismic overlapping processing 图 6同位置二维地震剖面与三维地震剖面对比 Fig.6Comparison between 2D seismic profile and 3D seismic profile at the same location 5结 论 a. 灰岩地表导致目的层反射能量弱、干扰大、 有效观测角度小，是该区地震资料信噪比低的最主 要影响因素。改善地震激发接收效果、提高浅层有 效覆盖次数和加强观测系统的抗干扰能力是该区地 震勘探的关键。 b. 两串模拟检波器垂直构造线性组合，具有较 好的压制噪声能力。激发岩性、井深及药量等关键 参数的有效匹配， 较好地提高了该区地震激发效率。 c. 小道距、宽线地震观测有利于提高波场采样 充分性及浅层有效覆盖次数，同时宽线观测具有较 强噪声压制能力，较好地改善了浅煤层地震反射资 料品质; 小线距、小排列长度、高炮点密度及高横 纵比的“二小二高”三维地震观测显著改善了资料品 质，三维地震资料浅、中、深层信息更加丰富、信 噪比更高、构造更为清晰。 d. 建议持续开展针对灰岩复杂地表煤层气探 区的地震勘探关键因素攻关研究，如基于煤层气储 层预测要求的观测系统设计与优化、针对浅层薄煤 层的高分辨率地震采集及处理方法研究、灰岩裸露 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