煤田數(shù)字高密度地震勘探的應(yīng)用效果探析

劉俊杰 王彥春

(1.中國地質(zhì)大學(xué) (北京)，北京市海淀區(qū)，100083；2.法國地球物理研究總公司維里達(dá)斯 (北京)，北京市朝陽區(qū)，100004)

三維地震勘探主要用于煤田勘探階段的首采區(qū)和煤礦建設(shè)與生產(chǎn)過程中，所能解決的地質(zhì)任務(wù)以控制構(gòu)造為主，為采煤工作面設(shè)計和高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供地質(zhì)依據(jù)。隨著綜合機械化開采程度的不斷提高和開采條件的日趨復(fù)雜，煤炭高效安全生產(chǎn)對地震勘探提出了更高的要求，希望能夠勘探落差更小的斷層。安徽淮南、淮北，山西潞安、晉城等煤炭企業(yè)提出要解決落差小于2m的斷層，由于這些小斷層比較發(fā)育，往往成為煤田瓦斯和水害的聚集場所，嚴(yán)重制約煤礦企業(yè)高效安全生產(chǎn)。

近年來，利用數(shù)字檢波器進(jìn)行單點高密度三維地震勘探技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在小構(gòu)造檢測和下組煤層勘探中顯示出巨大技術(shù)優(yōu)勢。煤田常規(guī)地震勘探所采用的仍然是模擬檢波器，以串組合的采集方式。模擬檢波器一般工作在自然頻率 (一般10Hz)之上，在自然頻率之下存在-6dB的衰減，其動態(tài)范圍一般在60dB左右，并且穩(wěn)定性差，畸變大；而基于微電子機械系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)制造的數(shù)字加速度計簡稱數(shù)字檢波器 (DSU)工作在自然頻率 (一般在1000Hz)之下，因此在0～800Hz范圍內(nèi)全頻接收，無相位畸變和高、低頻衰減，振幅保真性好；DSU數(shù)字檢波器具有120dB的動態(tài)范圍，因此能夠在煤田地面干擾噪音非常大的情況下很好地記錄來自地下煤層的微弱高、低頻反射信號；并且由于數(shù)字檢波器直接輸出數(shù)字信號，不受外界電磁信號干擾的影響，抗50Hz工業(yè)干擾能力強，因此，數(shù)字檢波器保證了在煤田高電磁干擾環(huán)境下，采集到更高分辨率和更高保真度的地震資料。

1 數(shù)字檢波器的地球物理特性

數(shù)字檢波器以MEMS硅芯片為傳感器單元，MEMS硅芯片是電容式加速度計，基于MEMS芯片的數(shù)字檢波器在0～800Hz范圍內(nèi)輸出頻帶保持平直；輸出相位為零相位，對低頻和高頻均沒有衰減壓制作用；而模擬檢波器線性頻帶一般在10～80Hz，從10～0Hz存在固有的-6dB的衰減(這里對比的是10Hz檢波器，其它可以類推)，從而對頻率低于10Hz的地震信號有壓制衰減作用，對于高于80Hz的高頻信號，模擬檢波器會存在一定程度的高頻衰減，導(dǎo)致各個檢波點輸出的地震道振幅特性的損失，不利于AVO等以振幅保真為前提的振幅檢測技術(shù)使用。

圖1 SERCEL DSU3數(shù)字檢波器與模擬檢波器的幅頻特性對比

通過對數(shù)字檢波器與模擬檢波器的幅頻特性和相位特性進(jìn)行對比，見圖1和圖2。從圖中可以看出:模擬檢波器存在由低頻到高頻的相位畸變，表現(xiàn)為在低頻端大相位，高頻端小相位的特性，模擬檢波器相位的變化與它所采用的動圈式結(jié)構(gòu)有必然的關(guān)系，這必然使模擬檢波器串內(nèi)的各個檢波器相位特性不一致，導(dǎo)致各個檢波點輸出的地震道相位特性不同，而數(shù)字檢波器在0～800Hz范圍內(nèi)的相位響應(yīng)是零相位。正是由于數(shù)字檢波器優(yōu)異的幅頻特性和相位響應(yīng)特性，使得數(shù)字檢波器特別適合于高分辨率和高精度地震勘探。

圖2 SERCEL DSU3數(shù)字檢波器與模擬檢波器的相位特性進(jìn)行對比

2 數(shù)字檢波器的應(yīng)用方法

采用數(shù)字檢波器單點高密度接收 (點距一般10～20m)，能夠避免常規(guī)方法使用模擬檢波器串組合采集的組合效應(yīng)，對信號和噪音均無壓制和衰減，高保真地記錄地震波場，即所謂 “全進(jìn)全出”。正因為數(shù)字檢波器采用單點接收，其原始單炮資料信噪比往往要低于組合接收的模擬檢波器資料，并且，數(shù)字檢波器空間采樣密度高，避免了低視速度干擾波 (如面波等)出現(xiàn)空間假頻，對干擾波的無假頻采樣更有利于信噪分離，干擾波的壓制效果更好；利用數(shù)字檢波器單點記錄通過室內(nèi)數(shù)字組合技術(shù) (DGF)，首先通過動校正解決大的組合基距引起的正常時差；然后通過靜校正把靜校正量實施給每個獨立的檢波點，使組內(nèi)道間時差趨于零，有效波組合時達(dá)到同相疊加，將常規(guī)垂直疊加頻率濾波作用減小到最小。因此，以往僅憑信噪比評價原始記錄優(yōu)劣的方法不再適用于單點數(shù)字檢波器的資料，應(yīng)當(dāng)增加相應(yīng)的去噪后的疊加剖面評價標(biāo)準(zhǔn)。

圖3是組合檢波器與數(shù)字單點接收的對比圖，單點接收在野外就拋棄了組合壓噪的概念，雖然原始炮記錄信噪比低于常規(guī)檢波器，但它利用數(shù)字檢波器全頻帶的特點，保護(hù)了低頻和高頻弱信息，有利于寬頻帶的保存記錄下來自地下的反射，因此，針對數(shù)字檢波器資料應(yīng)該有配套的疊前壓噪處理方法。只有從觀測系統(tǒng)設(shè)計開始就充分考慮單點接收的特點進(jìn)行高密度的觀測系統(tǒng)設(shè)計，在處理階段針對性地應(yīng)用疊前壓噪處理方法，才能保持其優(yōu)點，克服其缺點，最終發(fā)揮出數(shù)字檢波器在振幅保真、高分辨率成像等方面的優(yōu)勢。

圖3 組合檢波與點接收對比

3 高密度數(shù)字地震勘探在丁集煤田的應(yīng)用

2007年，淮南礦業(yè)集團(tuán)與中石油東方地球物理公司合作，在丁集煤礦進(jìn)行了數(shù)字高密度精細(xì)三維地震勘探，目標(biāo)是查明主要煤層 (13-1、11-2、8煤層)中落差2m以上的斷層。這是我國煤田系統(tǒng)地震勘探中首次采用基于MEMS技術(shù)的DSU1數(shù)字檢波器，用來提高高頻弱信號的接收能力，達(dá)到提高資料的縱、橫向分辨率，落實小斷層的目的。本次采集野外接收采用16線10炮160道接收三維觀測系統(tǒng)，接收線距等于炮線距，均為100m，檢波點距等于炮點距，均為10m，每次滾動一條檢波線，縱橫比達(dá)到1∶1，達(dá)到了較高的覆蓋次數(shù) (64次)和較高的空間采樣 (CMP面元5m×5m)，實現(xiàn)了理論意義上的對稱、正交、寬方位角觀測效果。

本次勘探首次使用了數(shù)字檢波器 (DSU1)進(jìn)行單點接收高密度采集，通過對原始地震數(shù)據(jù)的分析，本次采集的地震資料具有兩個突出特點。第一，本次采集的原始炮記錄上沒有工業(yè)頻率干擾，這是由于DSU1數(shù)字檢波器采用全數(shù)字傳輸，大地反射信號在被MEMS芯片檢波后，立即經(jīng)ASIC芯片數(shù)字化，然后傳輸?shù)街醒胗涗泦卧?，不存在模擬數(shù)傳，因此，避免了工業(yè)50Hz交流電的影響。第二，本次采集的原始地震資料頻帶寬，根據(jù)對原始資料的品質(zhì)分析，低頻端達(dá)到2Hz左右，而高頻帶端達(dá)到了200Hz以上，地震資料的品質(zhì)較高，這是由于數(shù)字檢波器是寬頻檢波器且采用單點接收對信號和噪音均無壓制和衰減，因此能夠全部記錄高、低頻反射信息，高保真地記錄地震波場。

為了達(dá)到識別主要煤層 (13-1、11-2、8煤層)中落差小于2m的斷層，在資料處理階段針對性地應(yīng)用了疊前去噪、串聯(lián)反褶積和疊前時間偏移技術(shù)。疊前去噪的目的是通過壓制各種規(guī)則干擾，保護(hù)來自斷層的微弱的繞射信息和散射信號，提高煤層的信噪比。在實際處理中應(yīng)用正交十字排列域面波及規(guī)則干擾壓制處理技術(shù)，利用有效波和干擾波視速度和視頻率的差別，把數(shù)據(jù)按照正交十字排列選排，根據(jù)有效信號淺層高頻低速、深層高速低頻的特點，在頻率-偏移距域，使用最小平方陷波濾波方法，消除規(guī)則干擾 (如面波)的頻率-波數(shù)域分量。應(yīng)用串聯(lián)反褶積技術(shù)的目的是壓縮子波，提高分辨率，雖然本區(qū)數(shù)字檢波器資料頻帶較寬，但受近地表吸收和在地層傳播衰減的影響仍然存在著子波空間不一致性，以及層間多次波影響薄煤層的分辨率等問題；并且本區(qū)煤層層數(shù)多 (可采煤層達(dá)3層)，煤層厚度變化大，合理應(yīng)用地表一致性反褶積和多道預(yù)測反褶積就能有效地改善子波一致性，壓縮子波長度，壓制多次波，提高主要煤層 (13-1、11-2、8煤層)的分辨率。

疊前時間偏移成像技術(shù)是本次數(shù)字單點高密度地震應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，雖然本區(qū)主要煤層傾角不大，但陷落柱和斷層比較發(fā)育，速度存在著橫向變化；并且本區(qū)多年實踐已經(jīng)證明常規(guī)疊后時間偏移不能很好地落實陷落柱和斷層的具體位置，存在著較大誤差。本區(qū)應(yīng)用疊前時間偏移技術(shù)的重點在于高精度均方根速度模型的迭代和修正，在前期疊前噪聲壓制、精細(xì)反褶積和高精度迭代靜校正的基礎(chǔ)上，通過多次迭代速度更新和參數(shù)選取，最終獲得了高信噪比、高分辨率、高精度疊前成像。

圖4 T4煤層波阻抗平面圖

在精細(xì)地質(zhì)解釋的基礎(chǔ)上，數(shù)字高密度地震在丁集煤礦的應(yīng)用揭示出很好的地質(zhì)效果，在采用數(shù)字檢波器高密度采集的三維地震數(shù)據(jù)上進(jìn)行地震多屬性分析可有效地識別區(qū)內(nèi)斷距小于2m的小斷層。圖4為T4煤層波阻抗平面圖，從圖4中可以清楚地識別煤層中的巷道，如箭頭所示。經(jīng)丁集煤田1262(1)、1252 (1)、1422 (1)3個工作面的實際生產(chǎn)驗證:3個工作面實際揭露的小于2m的斷點14個，數(shù)字高密度地震勘探成果發(fā)現(xiàn)12個，遺漏的2個點，驗證成功率達(dá)85.71%。

4 結(jié)論

丁集煤礦的應(yīng)用效果表明，在煤田地震勘探中進(jìn)行單點接收高密度數(shù)字地震，有利于煤田小斷層、小陷落柱和隱覆構(gòu)造的高精度成像與識別，從而降低潛在安全風(fēng)險，提高煤田的生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效益。當(dāng)前，隨著煤炭工業(yè)西移戰(zhàn)略的實施，高密度數(shù)字三維地震技術(shù)迎來了更加寬廣的技術(shù)舞臺。

[1]劉俊杰.高密度地震勘探的激發(fā)和接收技術(shù)探討[J].中國煤炭地質(zhì)，2010 (8)

[2]劉萬金.煤田三維地震勘探采集設(shè)計中的偏移孔徑探討[J].中國煤炭，2011(4)

[3]方良才等.淮南煤田三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展[J].中國煤炭地質(zhì)，2010 (8)

[4]梁運基.陸上高分辨率地震勘探檢波器性能及參數(shù)選擇分析[J].石油物探，2005 (6)