復(fù)雜構(gòu)造條件下多煤層地震勘探新思路

楊廣憲，楊臣明

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

0 引言

淮南煤田位于華北板塊的南緣，秦嶺緯向構(gòu)造帶北緣，東至華夏構(gòu)造郯廬斷裂，西抵阜陽(yáng)斷裂，整個(gè)煤田為一近東西走向的對(duì)稱(chēng)構(gòu)造盆地。受秦嶺緯向構(gòu)造帶南北向壓應(yīng)力的擠壓作用，總體呈北西西向延展的復(fù)向斜構(gòu)造，并在復(fù)向斜南北兩翼發(fā)育了一系列走向壓扭性逆沖斷層，成復(fù)向斜兩翼的疊瓦式構(gòu)造，甚至部分地層自立倒轉(zhuǎn)[1]。HDGD煤礦位于淮南盆地北部邊緣中段，可采煤層較多。井田中北部逆斷層、小斷層和微小地質(zhì)體發(fā)育，受南北擠壓和東西拉伸應(yīng)力影響，斷層以東西走向和南北走向?yàn)橹?，伴有北西方向的斷層，?gòu)造條件復(fù)雜。

1 技術(shù)難點(diǎn)

(1)經(jīng)歷了拉伸(東西方向)和擠壓(南北方向)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，北部邊界斷層多、傾角大；速度橫向變化大，地震觀測(cè)窗口小，有效反射較弱，地震成像困難。

(2)受到相互垂直應(yīng)力的影響，斷層呈現(xiàn)交叉垂直現(xiàn)象，且主斷層與地層傾向總體也存在垂直現(xiàn)象，常規(guī)地震勘探布線方式無(wú)法滿足測(cè)線垂直于構(gòu)造走向的要求。

(3)可采煤層多，上組煤(包括13-1和11-2煤以上煤層)反射波頻率高、能量強(qiáng)、信噪比高。受到上部地層和上組煤屏蔽影響，中組煤(包括從4煤至8煤)和下組煤(3煤以下煤層)反射波頻率低、能量弱、信噪比低。

2 數(shù)據(jù)采集

在煤田三維地震勘探中，野外數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量直接決定了地震勘探的成敗[2]。

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)選擇

2.1.1 全方位觀測(cè)系統(tǒng)

目前煤田三維地震勘探多采用窄方位角束狀觀測(cè)系統(tǒng)，其炮檢對(duì)方位數(shù)量主要集中在沿測(cè)線較窄的方位[3]。而全位觀測(cè)系統(tǒng)所采集的炮檢對(duì)方位數(shù)量在全方位上均勻分布，炮間距等于道間距，炮排距等于線間距，實(shí)現(xiàn)了正真的全三維數(shù)據(jù)采集。其優(yōu)勢(shì)在于：①可以從不同方向觀測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體，使每個(gè)方向的目標(biāo)地質(zhì)體都能清晰成像；②一次只滾動(dòng)一條線，實(shí)現(xiàn)在縱橫兩個(gè)方向上連續(xù)采樣，最大限度降低觀測(cè)系統(tǒng)噪音，有利于弱信號(hào)成像；③全方位采集能最大限度減小橫向上不同覆蓋次數(shù)的過(guò)渡帶，容易跨越地表障礙物和地下陰影帶；④相對(duì)窄方位觀測(cè)系統(tǒng)其成像分辨率更高，更有利于微小地質(zhì)體成像；⑤有利于衰減相干噪聲；⑥衰減多次波的能力優(yōu)于窄方位角[4]。

2.1.2 “三小”高密度采集

面元的大小主要影響地震橫向分辨率。通常情況下，在一個(gè)方向上分辨一個(gè)小目標(biāo)需要2～3個(gè)CDP[5]。即在三維地震勘探中，分辨一個(gè)微小地質(zhì)體需要4～9個(gè)面元，目標(biāo)地質(zhì)體越小，需要更小的面元才能分辨。

對(duì)于傾斜目的層來(lái)說(shuō)，能夠分辨目的層的直徑Dx取決于傾斜同相軸的最高無(wú)混疊頻率Fmax、同相軸的上一地層的層速度υint和地層傾角θ。對(duì)傾斜目的層的分辨可以表示為：

Dx=υint/(4Fmaxsinθ)

也就是說(shuō)，大傾角地層需要更小的采集面元才能夠分辨。當(dāng)然，小面元也就意味著小炮距激發(fā)和小道距接收。實(shí)踐證明，小道距、小炮距、小面元(“三小”)高密度采集有利于提高橫向分辨率；有利于大傾角地層和微小地質(zhì)體成像[6-7]。

2.1.3 高覆蓋次數(shù)

理論上講，地震波的信噪比在小于0.5時(shí)，信號(hào)無(wú)法分辨；當(dāng)信噪比從0.5升到1時(shí)，分辨能力可以提高2.5倍；但當(dāng)信噪比大于2時(shí)，對(duì)于分辨能力改善意義就不大了[7]。對(duì)于多煤層勘探而言，由于上組煤的屏蔽，中、下組煤層信噪比很低，因此，提高覆蓋次數(shù)有利于中、下組煤弱反射信號(hào)成像。

綜上所述，針對(duì)該區(qū)的構(gòu)造特點(diǎn)和地質(zhì)任務(wù)，經(jīng)過(guò)正演模擬論證，最終決定采用16線10炮全方位角觀測(cè)系統(tǒng)(如圖1)，炮間距和道間距都是10m，炮排距和線間距都是100m，覆蓋次數(shù)為64次(縱橫向均8次)，圖2為炮檢對(duì)玫瑰圖。

圖1 16線10炮觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Figure 1 A schematic diagram of 16 lines and 10 shots field setup

圖2 炮檢對(duì)玫瑰圖Figure 2 Rose diagram of shot-geophone pairs

2.2 采集技術(shù)措施

2.2.1 采用數(shù)字檢波器接收

數(shù)字檢波器是加速度檢波器，具有寬頻帶線性幅頻響應(yīng)特點(diǎn)，，頻帶范圍為0～800Hz振幅誤差小(為±0.25%)[8]。其數(shù)字檢波器記錄的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震信號(hào)的頻率，而普通模擬檢波器(速度檢波器)有固定的主頻和頻帶記錄范圍，只有近主頻范圍的信號(hào)會(huì)得到加強(qiáng)，反之削弱，超出其頻帶范圍的信號(hào)衰減嚴(yán)重。圖3是數(shù)字檢波器與普通速度檢波器的振幅與相位響應(yīng)對(duì)比，可見(jiàn)，數(shù)字檢波器在地震信號(hào)的有效頻帶范圍內(nèi)具有相同的響應(yīng)特征，更容易無(wú)失真地記錄低頻信號(hào)和高頻弱信號(hào)。

圖3 數(shù)字檢波器與普通速度檢波器振幅響應(yīng) 對(duì)比(上)和相位響應(yīng)對(duì)比(下)Figure 3 Comparison of digital geophone and ordinary velocity geophone amplitude response (upper) and phase response (lower)

本區(qū)主要可采煤層共5層，受上部煤層屏蔽影響，8煤以下反射波高頻信號(hào)很弱，需要?jiǎng)討B(tài)范圍大、靈敏度高的檢波器；同時(shí)，下組煤埋藏深，煤層反射波主頻低，數(shù)字檢波器更容易無(wú)失真地記錄主頻小于10Hz的低頻信號(hào)。

2.2.2 單點(diǎn)、單分量采集技術(shù)

傳統(tǒng)地震勘探在野外采用多檢波器組合壓制相干規(guī)則噪音，這種方法可提高信噪比，與此同時(shí)，它也帶來(lái)資料頻率和保真度方面的損失，在壓制噪音的同時(shí)，也降低了地震信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。本區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，小斷層和微小地質(zhì)體發(fā)育，采用單點(diǎn)激發(fā)和接收有利于提高資料縱橫向分辨率，增加小斷層、微小地質(zhì)體的解釋精度[9]。雖然這樣降低了野外壓制干擾波的能力，但可以充分利用全方位角高密度采集的優(yōu)勢(shì)，在室內(nèi)消除規(guī)則干擾，同時(shí)，利用高覆蓋次數(shù)提高微弱信號(hào)的信噪比。

2.2.3 激發(fā)巖性與藥量選擇

解釋小斷層，查清下組煤的構(gòu)造，需要地震波具有高頻率、大能量。但是藥量大，激發(fā)能量雖得到增強(qiáng)，但激發(fā)子波的主頻就會(huì)降低[10]。人工激發(fā)地震波場(chǎng)的強(qiáng)弱和激發(fā)頻率與激發(fā)藥量、激發(fā)藥型、激發(fā)耦合和激發(fā)有效能量下傳緊密相關(guān)[11]。在耦合沒(méi)有問(wèn)題的情況下，好的激發(fā)層位中激發(fā)的地震子波能量強(qiáng)、主頻高。

針對(duì)不同地表優(yōu)選物理點(diǎn)設(shè)計(jì)井深，確保炸藥能夠安放在最優(yōu)的激發(fā)層位中，同時(shí)悶井激發(fā)，確保能量能夠向下傳遞。適當(dāng)加大藥量，采用2kg大藥量激發(fā)。

3 數(shù)據(jù)處理

地震數(shù)據(jù)處理是搞好復(fù)雜構(gòu)造條件下多煤層勘探的關(guān)鍵一環(huán)。全方位數(shù)字高密度地震資料信息十分豐富，其地震資料處理涉及到能量補(bǔ)充、噪音衰減、靜校正、動(dòng)校正和偏移成像等各個(gè)環(huán)節(jié)，下面介紹其中的噪音衰減、靜校正和疊前時(shí)間偏移技術(shù)。

3.1 基于空間子集的規(guī)則噪音衰減技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)地震反射波無(wú)假頻采樣的同時(shí)，高密度地震數(shù)據(jù)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)某些規(guī)則噪音的無(wú)假頻采樣。這種連續(xù)干擾波場(chǎng)，在地震數(shù)據(jù)集中特征明顯，易于分辨和識(shí)別[12]。全方位角高密度地震技術(shù)具有空間采樣均勻、對(duì)稱(chēng)、波場(chǎng)不失真的特點(diǎn)，為三維空間域信號(hào)、噪聲波場(chǎng)分離技術(shù)的有效實(shí)施創(chuàng)造了有利條件。即便如此，也不可能實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向都連續(xù)采樣。為了彌補(bǔ)垂直接收線方向上單炮記錄空間采樣的不足，用垂直接收線的多個(gè)炮記錄，按炮點(diǎn)到接收線的距離進(jìn)行互換，模擬空間采樣均勻炮集，即正交子集，然后進(jìn)行去噪。去噪后再返回各炮記錄，這是空間子集波場(chǎng)分離去噪的技術(shù)實(shí)質(zhì)[13]。利用高密度資料空間子集3D-FK波場(chǎng)分離法對(duì)面波和主要線性干擾進(jìn)行有效分離，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)采集資料難以達(dá)到的保真去噪效果。

3.2 弱信號(hào)同相處理

數(shù)字檢波器動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高、相頻特征響應(yīng)穩(wěn)定，其寬頻、弱信號(hào)的地震信息有利于對(duì)中、下組煤弱反射信息的分析研究。關(guān)鍵是如何利用數(shù)字高密度小面元高覆蓋次數(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)提升高頻弱信號(hào)的信噪比和邊緣檢測(cè)能力。

在傳統(tǒng)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用分頻剩余靜校正、高密度雙譜速度分析校正等技術(shù)，逐步改善高頻弱信號(hào)的同相處理水平，最終實(shí)現(xiàn)反射波同相疊加[13]。

3.3 疊前時(shí)間偏移技術(shù)

疊前時(shí)間偏移技術(shù)取消了輸入數(shù)據(jù)為零炮檢距的假設(shè)，避免了NMO校正疊加所產(chǎn)生的畸變，輸入數(shù)據(jù)包含了各個(gè)炮檢距的信息[14]，適用于大傾角和縱橫向速度變化較大的情況下偏移成像，是目前偏移歸位成像處理較理想的偏移方法。影響疊前時(shí)間偏移效果的三大因素是偏移速度、偏移傾角和偏移孔徑[15]。HDGD煤礦逆斷層發(fā)育，橫向速度變化大，構(gòu)造復(fù)雜。求取偏移速度時(shí)，從DMO速度入手，采用逐次迭代的辦法，反復(fù)逼近，力求偏移速度準(zhǔn)確；選擇偏移傾角時(shí)，根據(jù)疊后偏移剖面并結(jié)合實(shí)際鉆孔資料；在偏移孔徑選擇上，要建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分考慮到地層傾角的因素，確保盡更多信息參與偏移，改善大角度地層偏移成像質(zhì)量。

4 應(yīng)用效果

通過(guò)一系列針對(duì)性的技術(shù)措施，疊加剖面反射層次齊全、特征清楚，偏移成果剖面信噪比高、地質(zhì)現(xiàn)象清楚、斷層和構(gòu)造特征明顯，取得較好的地質(zhì)效果。

圖4是13-1煤層局部方差體切片，圖中顯示，HDGD煤礦的斷裂系統(tǒng)以近東西、南北為主，伴有北西方向的次一級(jí)斷層，東西方向斷層將南北方向斷層切割，錯(cuò)斷明顯。

HDGD煤礦構(gòu)造復(fù)雜，受南北擠壓和東西拉伸應(yīng)力的影響，地層傾角大，伴生小斷層多。圖5是過(guò)逆斷層的聯(lián)絡(luò)線680線疊前時(shí)間偏移剖面，可見(jiàn)，復(fù)雜構(gòu)造成像清楚、斷層反應(yīng)明顯、斷面清晰，小斷塊和微幅構(gòu)造成像清楚。

圖4 13-1煤局部方差體屬性切片F(xiàn)igure 4 Coal No.13-1 local variance cube attribute slices

圖5 聯(lián)絡(luò)線(CL680線)偏移剖面Figure 5 Cross line (line CL680) migration section

5 結(jié)論

本次三維地震勘探通過(guò)全方位角數(shù)字三維地震勘探方法，提供了一種解決復(fù)雜構(gòu)造條件下多煤層地震勘探問(wèn)題的思路，研究結(jié)果表明：

(1)利用全方位觀測(cè)系統(tǒng)采集地震資料，可以從不同方向觀測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體，使個(gè)方向的目標(biāo)地質(zhì)體都能清晰成像，解決不同方向構(gòu)造成像問(wèn)題；

(2)數(shù)字檢波器頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大，能夠接收到下組煤的微弱反射信號(hào)，輔之以高密度、高覆蓋次數(shù)，通過(guò)合適的處理方法，可以提高中、下組煤層反射波的信噪比，是解決多煤層地震勘探的重要思路；

(3)數(shù)字檢波器記錄頻帶寬，使用數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收，采用小道距、小炮距、高密度和高覆蓋次數(shù)技術(shù)采集地震資料，能夠使小斷層和微幅構(gòu)造成像更加清晰；

(4)全方位角高密度地震數(shù)據(jù)為室內(nèi)利用三維波場(chǎng)分離法將有效波和規(guī)則干擾分離打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，通過(guò)3D-FK能夠成功消除規(guī)則干擾波，成果數(shù)據(jù)更保真；波場(chǎng)凈化徹底的高密度地震數(shù)據(jù)更有利于疊前時(shí)間偏移成像，是解決復(fù)雜構(gòu)造成像的一種手段。

復(fù)雜構(gòu)造條件下多煤層地震勘探是目前勘探界的難題，全方位角數(shù)字高密度三維地震勘探是一種好手段，給我們提供了一種解決多煤層復(fù)雜構(gòu)造地震勘探的新思路。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著該技術(shù)的不斷完善，最終成為煤田地質(zhì)勘探的重要手段。

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