三維地震勘探技術(shù)在三塘湖煤田的應(yīng)用

任小麗

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三維地震勘探技術(shù)在三塘湖煤田的應(yīng)用

任小麗

(新疆煤田地質(zhì)局 綜合地質(zhì)勘查隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009)

采用三維地震勘探技術(shù)在三塘湖煤田進(jìn)行勘探，通過分析區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)條件，建立相應(yīng)的觀測系統(tǒng)。針對獲取的原始數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用折射波靜校正、動較切除、多道預(yù)測反褶積等技術(shù)進(jìn)行處理，取得了良好的三維處理成果。在資料解釋中，重點(diǎn)將地震反演技術(shù)與地質(zhì)資料相結(jié)合，構(gòu)建全三維地質(zhì)模型，充分展現(xiàn)了煤層及其厚度的發(fā)育情況，與地質(zhì)認(rèn)識吻合較好，體現(xiàn)出解釋成果的可靠性和準(zhǔn)確性。

三維地震勘探；三塘湖煤田；波阻抗反演；全三維地質(zhì)模型

(ComprehensiveGeologicalProspectingTeam,XinjiangBureauofCoalGeologicalExploration,UrumqiXinjiang830009,China)

1 引 言

目前，煤田地球物理勘探技術(shù)主要有測井、地震、電法、磁法及重力勘探技術(shù)[1，2]，而地震勘探技術(shù)在煤炭資源勘查中起著重要作用。隨著煤炭資源減少，勘探開發(fā)的難度增大，勘探目標(biāo)轉(zhuǎn)向地表復(fù)雜、構(gòu)造復(fù)雜、埋藏較深、儲量規(guī)模更小的目標(biāo)，對獲取的地震資料信噪比、分辨率、成像精度等都提出了更高的要求，三維地震勘探技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-6]。相比常規(guī)地震勘探，三維地震勘探具有以下特性：①獲取的數(shù)據(jù)齊全完整、準(zhǔn)確可靠，可提供一個(gè)小網(wǎng)格的三維數(shù)據(jù)體，能較精細(xì)地反映地下地質(zhì)情況；②三維數(shù)據(jù)體的完整統(tǒng)一性推動了解釋的自動化和人機(jī)聯(lián)作的發(fā)展，減少了人為因素的影響；③正確歸位，三維數(shù)據(jù)體經(jīng)過了三維偏移，空間歸位正確，使地震與地質(zhì)的空間對應(yīng)關(guān)系簡單化[7,8]?，F(xiàn)今，三維地震勘探主要用于查明勘探區(qū)構(gòu)造形態(tài)，控制區(qū)內(nèi)主要可采煤層底板以及定性解釋區(qū)內(nèi)煤層厚度變化趨勢等，提高了地質(zhì)構(gòu)造的解釋精度，增加了可靠性。

三塘湖煤田地處東天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地東部北緣，區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，品質(zhì)優(yōu)良，是新疆自治區(qū)“十二五”規(guī)劃和“疆煤東運(yùn)”重要的煤炭生產(chǎn)基地。本次采用高分辨率、高保真度、高信噪比[9]的三維地震勘探技術(shù)在三塘湖煤田進(jìn)行了大面積的勘探，依據(jù)勘探區(qū)煤層特征和采集數(shù)據(jù)特點(diǎn)，利用波阻抗反演進(jìn)行巖性預(yù)測，通過分析主要煤層分布特征及厚度變化規(guī)律，獲得各煤層厚度變化圖，取得了良好的地震勘探效果。

2 工區(qū)地質(zhì)及地球物理概況

三維地震勘探區(qū)行政區(qū)劃隸屬哈密地區(qū)巴里坤縣三塘湖鄉(xiāng)管轄，區(qū)內(nèi)有簡易公路，交通條件一般?？碧絽^(qū)地層區(qū)劃屬北疆地層區(qū)(Ⅰ1)，北準(zhǔn)噶爾地層分區(qū)(Ⅰ12)，北塔山地層小區(qū)(Ⅰ12-5)中部，東準(zhǔn)噶爾界山褶皺帶和北天山褶皺帶的復(fù)合處，為一南東向傾斜的單斜，傾角6°～17°。本區(qū)是以二疊-石炭系為基地的中新生代的沉積盆地，本區(qū)含煤地層為侏羅系，主要煤層集中在下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)且全區(qū)發(fā)育，含煤8～17層，自上而下編號為4～20號，一般由1層厚—特厚煤層和5～16層薄—中厚煤層組成。

本區(qū)屬風(fēng)蝕戈壁殘丘地貌，潛水位較深或無潛水位；全區(qū)分布厚度不均的礫石、砂石、砂土，表層的松散層極不利于成孔和地震波的激發(fā)。區(qū)內(nèi)煤層與圍巖波阻抗差異明顯，且煤層發(fā)育較厚，有利于得到反射波能量較強(qiáng)、信噪比高、連續(xù)性好的反射波。由此可見，本區(qū)的表、淺層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，中、深層地震地質(zhì)條件較好。

3 勘探技術(shù)與方法

區(qū)內(nèi)地表結(jié)構(gòu)及速度變化較大，進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)調(diào)查，可使靜校正量的求取更加準(zhǔn)確。因此，布設(shè)低速帶控制點(diǎn)8個(gè)，采用折射相遇時(shí)距曲線法進(jìn)行低速帶調(diào)查分析，得出低速帶厚度在5～7 m之間，降速帶厚度40～50 m之間(表1)。

表1 小折射計(jì)算成果

本區(qū)煤系地層基本為一單斜構(gòu)造，煤層的埋藏深度西部淺，東部深。為保證野外采集質(zhì)量，本次采用了束狀10線4炮制，單邊下傾激發(fā)(圖1)，接收道數(shù)600道，接收線距20 m，接收道距10 m，最大炮檢距618.47m，炮線網(wǎng)格50m×20m，CDP網(wǎng)格5 m×10 m，覆蓋次數(shù)6次×4次。激發(fā)方式采用單井激發(fā)、成型柱狀炸藥，采用德國曼鉆成孔，檢波器挖坑埋置。生產(chǎn)中對每個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，獲得了高質(zhì)量的野外原始數(shù)據(jù)。

圖1 觀測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Observing system schematic diagram

4 三維資料處理、解釋

4.1 處理方法

根據(jù)勘探區(qū)原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本次的處理方案為：

1)低速帶變化較大，采用折射波靜校正處理，基準(zhǔn)面為900 m，替換速度為1 900 m/s；

2)古近系埋深較淺，采取抽道Crossline方向動校切除；

3)由于地表因素變化造成子波振幅、相位的不一致性，采用多道預(yù)測反褶積，步長為8 ms，因子長度為100 ms；

4)精確的速度分析，充分利用了處理系統(tǒng)速度分析的交互能力，同時(shí)結(jié)合速度掃描、動校切除，并多次迭代進(jìn)行速度分析，確保速度分析的精度和準(zhǔn)確性[10,11]。

經(jīng)過細(xì)致、認(rèn)真的處理工作，獲得了良好的三維處理成果。經(jīng)評級Ⅰ+Ⅱ類時(shí)間剖面占總剖面的95.68 %；根據(jù)時(shí)間剖面評級和順層切片，Ⅰ+Ⅱ類區(qū)塊面積占總面積的95.67 %。這為地震資料的解釋打下良好基礎(chǔ)。

4.2 解釋方法

本次采用GeoQuest全三維解釋系統(tǒng)，以人工解釋為基礎(chǔ)，工作站人機(jī)聯(lián)作解釋為工具，充分利用了縱向、橫向時(shí)間剖面相結(jié)合，任意向時(shí)間剖面與聯(lián)井時(shí)間剖面相結(jié)合；時(shí)間剖面、順層切片相結(jié)合的方式，立體全方位的分析和解釋資料[12]。

三塘湖煤田的煤層層數(shù)較多，主要煤層為9、15、19、20號煤層，與之對應(yīng)的反射波分別命名為T9、T15、T19、T20波，為主要標(biāo)準(zhǔn)波。利用測井資料制作的合成地震記錄與井旁地震道比較，可知9、19、20號煤層反射波對應(yīng)關(guān)系良好，而15號煤層相對較薄對應(yīng)效果不太明顯(圖2)。同時(shí)，綜合利用時(shí)間剖面和順層切片識別、追蹤斷層(圖3)，主要表現(xiàn)在同向軸中斷、錯(cuò)開，振幅發(fā)生突變，相鄰兩組同向軸走向不一致等[13,14]。

為了提高反演精度，依據(jù)基礎(chǔ)資料對各煤層的分布規(guī)律、速度差異、煤層厚度分布特征進(jìn)行分析，對測井資料進(jìn)行歸一化處理，得出煤層段的聲波時(shí)差在500 μs/m左右，而上下圍巖的聲波時(shí)差在350 μs/m左右，煤層段與上下圍巖相比具有明顯的低速特征，即在波阻抗曲線上具有可分辨性。利用本區(qū)的地震數(shù)據(jù)體、煤層反射波解釋層位及斷層數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、巖性及柱狀數(shù)據(jù)、結(jié)合地質(zhì)資料，對該區(qū)進(jìn)行了多井約束下的三維疊后反演，最終得到了反映煤層分層及厚度變化情況的波阻抗數(shù)據(jù)。

本次運(yùn)用Jason反演進(jìn)行巖性預(yù)測。首先，進(jìn)行煤層標(biāo)定，主要利用測井曲線校正及分析和實(shí)際子波提取及合成記錄制作。測井曲線選定自然伽瑪和密度曲線作為基礎(chǔ)曲線，從圖4中可以看出，合成記錄和井旁地震道的對應(yīng)關(guān)系比較，9、1 5、19、20號煤層底板各對應(yīng)一強(qiáng)波峰，連續(xù)性好，借助高分辨率的反演剖面得到各煤層的厚度變化趨勢。其次，通過區(qū)內(nèi)的解釋成果數(shù)據(jù)、地質(zhì)鉆孔資料結(jié)合地質(zhì)資料，研究煤層厚度橫向變化，建立全三維地質(zhì)模型(圖5)。用正演方法預(yù)測井間煤巖層變化，建立煤巖層反演解釋思路，確定反演解釋方案，驗(yàn)證反演結(jié)果的正確性。最后，以模型為基礎(chǔ)進(jìn)行稀疏脈沖反演[15]。

圖2 地震反射波與地質(zhì)層位對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Seismic reflection wave and geological horizon corresponding diagram

圖3 斷層在時(shí)間剖面及順層切片上的反映Fig.3 Fault on time section and bedding slice section

圖4 合成記錄Fig.4 Synthetic seismogram

基于模型反演的基本原理是：假設(shè)一個(gè)N層地層模型，各層厚度、速度、密度參數(shù)分別為d(i)、v(i)、ρ(i)(i=1,2,3,…,N)[16]。

地震波在各層垂直傳播時(shí)間：

t(i)=2d(i)/v(i)

(1)

則第i層底部的反射時(shí)間：

t(i)=∑t(j) (i=1,2,…,N)

(2)

其地震褶積模型：

M(i)=∑r(j)w[i-τ(j)+1] (i=1,2,…,N)

定義目標(biāo)函數(shù)：

(3)

反演成果以9號煤層為例，發(fā)育總趨勢由南向北變薄，厚度在8～20 m之間，中部和南部大部分區(qū)域煤層厚度穩(wěn)定在12～16 m之間，受露頭影響西部9號煤層缺失(圖5)。從反演剖面(圖6)可得出9號、20號煤層厚度較厚且變化較大， 15號、19號煤層厚度較薄且變化小。鉆孔5-1處9號煤層由于局部分叉導(dǎo)致厚度變薄，到鉆孔5-2處，9號煤層合并厚度變厚，20號煤層局部分叉厚度變薄，遇斷層TDF3后煤層合并厚度變厚。反演結(jié)果與地質(zhì)認(rèn)識相吻合，從平面和立體角度研究煤系地層的構(gòu)造、巖性的變化[1,18]，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 地震地質(zhì)成果

本次三維地震勘探在三塘湖煤田獲得了良好的地震勘探效果，控制了區(qū)內(nèi)落差大于5 m的斷層并對其發(fā)育情況進(jìn)行了評價(jià)；對各煤層底板的構(gòu)造形態(tài)和露頭進(jìn)行了控制；通過波阻抗反演解釋，得到了主要煤層厚度，分析了煤層頂?shù)装鍘r性及煤層夾矸等；控制了區(qū)內(nèi)古近系地層底界面埋藏深度及起伏形態(tài)。為后期井田劃分提供了重要依據(jù)。

圖5 三維地震反演Fig.5 3D seismic inversion (a)3D inversion stereogram; (b)9 coal seam thickness change trend

圖6 聯(lián)井反演成果Fig.6 Combined well inversion results chart

6 結(jié) 語

三塘湖煤田三維地震勘探充分利用三維數(shù)據(jù)體包含的豐富地質(zhì)信息，通過人機(jī)聯(lián)作利用垂直時(shí)間剖面、順層切片、相干體等多種方法全方位的三維可視化顯示，提供精細(xì)的解釋地質(zhì)構(gòu)造，修正了F25斷層，新發(fā)現(xiàn)TDF1、TDF2、TDF3三條斷層，并對9號、15號煤層露頭進(jìn)行修訂。實(shí)踐證明，三維地震勘探在控制和查明勘探區(qū)構(gòu)造形態(tài)，控制區(qū)內(nèi)主要可采煤層底板以及定性解釋區(qū)內(nèi)煤層厚度變化趨勢等優(yōu)勢顯著，且具有精度高、投入少、見效快的優(yōu)勢，解決了以往常規(guī)方法無法解決的地質(zhì)問題，三維地震勘探技術(shù)在煤田勘探開發(fā)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

[1]李世峰,金瞰昆,周俊杰.資源與工程地球物理勘探[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2]孫文濤,方正.我國煤田物探技術(shù)的回顧與展望[J].地球物理學(xué)報(bào),1997,40(0):363-367.

[3]何漢漪.二十一世紀(jì)的地震勘探技術(shù)[J].地學(xué)前緣,2000,7(3):267-269.

[4]王香增,曹金舟,王忠.陜西延長油田高精度三維地震勘探項(xiàng)目實(shí)施探討[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2010,7(4):408-412.

[5]熊翥.高精度三維地震(I):數(shù)據(jù)采集[J].勘探地球物理進(jìn)展,2009,32(1):2-8.

[6]武喜尊,趙鐠.中國煤炭地震勘探技術(shù)發(fā)展[J].中國煤田地質(zhì),2003,15(6):51-53.

[7]吳欽寶,王秀東,寧方助.煤田三維地震勘探的應(yīng)用及效果分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2005,20(2):377-380.

[8]彭蘇萍,杜文鳳,趙偉,等.煤田三維地震綜合解釋技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(增1):2 760-2 765.

[9]陸基孟,王永剛.地震勘探原理(上、下冊)[M].東營:石油大學(xué)出版社,2004.

[10]范慶榮,張建州,王晶,等.三維地震勘探技術(shù)在新疆山區(qū)的應(yīng)用效果[J].中國煤炭地質(zhì),2010,22(8):55-57.

[11]張晨林.博格達(dá)山山前斷褶帶山地地震采集方法及效果[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(4):462-466.

[12]常鎖亮,王啟旺.煤田三維地震采集處理解釋一體化技術(shù)的應(yīng)用研究[J].中國煤炭地質(zhì),2011,23(10):56-61.

[13]王永剛.地震資料綜合解釋方法[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2009.

[14]夏媛媛,趙民,藏歌,等.正演模擬技術(shù)在解釋反演中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(6):842-846.

[15]龔偉,胡小菊,劉軍,等.Jason反演在塔中順西地區(qū)碳酸鹽巖儲層預(yù)測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(5):590-598.

[16]呂鐵良,王永剛,謝萬學(xué),等.稀疏脈沖反演技術(shù)在井間地震反演中的應(yīng)用[J].石油物探,2007,46(1):58-63.

[17]崔若飛,孫學(xué)凱,崔大尉.地震反演——煤田地震勘探的新進(jìn)展[J].中國煤炭地質(zhì),2008,20(6):50-52.

[18]吳有信.煤礦采區(qū)三維地震勘探資料的反演及其巖性解譯實(shí)例[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2012,9(4):473-479.

The Application of 3D Seismic Prospecting Technology in Santanghu Coal-field

Ren Xiaoli

By analyzing the seismic geological conditions in the area, the paper uses 3D seismic prospecting technology for prospecting in Santanghu coal-field to establish the corresponding observation system. According to the characteristics of obtaining the original data, the refraction static correction, resection, multichannel predictive deconvolution are adopted, and the good 3D processing results are obtained. In the data interpretation, the seismic inversion technology is firstly combined with geological data so as to construct the whole 3D geological model and fully demonstrate the development situation of coal seam and its thickness, which is identical to the geological knowledge and shows the reliability and accuracy of interpretation result.

3D seismic prospecting; Santanghu coal-field; wave impedance inversion; entire 3D geological model

1672—7940(2016)05—0646—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.015

新疆國土資源項(xiàng)目(編號：2011-6)

任小麗(1982-)，女，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榈厍蛭锢砜碧?。E-mail:hixiaoli@163.com

P631.4

A

2016-05-11