沙漠邊緣區(qū)煤田三維地震勘探技術(shù)

湯紅偉

【摘 要】煤礦采區(qū)構(gòu)造勘探的主要手段是三維地震勘探技術(shù)，在東部區(qū)域取得了巨大的成功。但對(duì)于地震地質(zhì)條件較差的沙漠區(qū)效果不太理想。本文在對(duì)袁大灘井田三維地震勘探區(qū)地震地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了野外數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵點(diǎn)；指出了數(shù)據(jù)處理與資料解釋的關(guān)鍵技術(shù)；得到了較準(zhǔn)確的地質(zhì)成果。實(shí)踐證明，在沙漠區(qū)進(jìn)行三維地震勘探是可行的。

【關(guān)鍵詞】沙漠；煤；三維地震勘探；反演

中圖分類號(hào)： P631.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）20-0174-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.077

【Abstract】The main method of structural exploration in coal mining areas is 3d seismic exploration technology， which has achieved great success in the eastern region. However， the effect is not ideal for desert areas with poor seismic and geological conditions. Based on the analysis of the seismic geological conditions in the three-dimensional seismic exploration area of yuandatang mine field， this paper summarizes the key points of field data acquisition. The key technologies of data processing and data interpretation are pointed out. More accurate geological results have been obtained. Practice has proved that it is feasible to carry out 3d seismic exploration in desert areas.

【Key words】Desert； Coal； 3D seismic； Inversion

1 概況

1.1 勘探區(qū)地形地貌

袁大灘三維地震勘探區(qū)位于陜北黃土高原北端，毛烏素沙漠東南緣。全區(qū)被第四系風(fēng)積沙和風(fēng)沙灘地所覆蓋，以風(fēng)蝕風(fēng)積沙漠丘陵地貌為主。地表標(biāo)高在1243m～1216m之間變化，一般為1206m左右。按地貌成因、地貌形態(tài)及組成物質(zhì)，區(qū)內(nèi)地貌單元可劃分為沙丘沙地和風(fēng)沙灘地兩種。沙丘沙地約占全區(qū)面積的84%。總體以方向不一、大小不等、連綿起伏的呈鏈狀或壟狀沙丘為主，沙丘高度低者2～3m，一般10～20m（圖1）。風(fēng)沙灘約占全區(qū)面積的16%。

1.2 勘探區(qū)地質(zhì)概況

勘探內(nèi)地表全部被第四系松散沉積物覆蓋。根據(jù)地質(zhì)填圖及鉆孔揭露，地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)永坪組，侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)洛河組，第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組及全新統(tǒng)風(fēng)積沙。

侏羅系中統(tǒng)延安組為區(qū)內(nèi)含煤地層，鉆孔控制厚度214.60～288.44m，平均243.47m。井田內(nèi)第四系廣泛分布，與下伏地層呈不整合接觸，厚度23.80～128.18m。

區(qū)內(nèi)共發(fā)育有2號(hào)、2下、3號(hào)、3-1、4-2、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)共9層煤層，可采煤層為2號(hào)、3-1、4-2、5號(hào)煤層。2號(hào)煤層底板板標(biāo)高838.8～880.69m，煤層厚度2.01～4.26m，；3-1煤層底板標(biāo)高805.53～833.85m，煤層厚度0.7～0.84m；4-2煤層底板標(biāo)高754.7～782.34m，煤層厚度1.49～2.07m；5號(hào)煤層底板標(biāo)高715.03～744.47m，煤層厚度1.56～1.69m各煤層起伏形態(tài)基本一致，南高北低。

2 地震地質(zhì)條件分析

2.1 表淺層地震地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)平緩低洼處潛水位為1.5～2.5m，隨著沙丘高度的增加處潛水位深度逐步增加、潛水位最深為30m。潛水位的存在對(duì)地震波的激發(fā)較為有利，但臨近區(qū)地震勘探激發(fā)時(shí)震動(dòng)對(duì)房屋、羊圈、機(jī)井具有較強(qiáng)的破壞作用。這要求進(jìn)行充分的井深與藥量試驗(yàn)工作，確保地震波的激發(fā)能力，同時(shí)又不損害建筑物。同時(shí)沙質(zhì)松軟，對(duì)地震波的高頻成分具有強(qiáng)烈的吸收衰減作用，不利于提高地震資料的分辨率。

2.2 中深層地震地質(zhì)條件

煤層與其頂、底板巖層的波阻抗差異十分明顯，是一個(gè)良好的波阻抗界面，煤層埋藏深度適中，能形成良好的煤層反射波，煤層較多，對(duì)斷層視傾角判斷較為有利；但上組煤層厚度較大，對(duì)下組煤層具有較強(qiáng)的遮蔽作用。

綜合來說，本區(qū)地震地質(zhì)條件較好。

3 資料采集

3.1 試驗(yàn)工作

3.1.1 低速帶調(diào)查

用小折射的方法進(jìn)行低速帶的分布情況調(diào)查，為野外施工激發(fā)條件的選擇和資料的處理提供參數(shù)。觀測(cè)時(shí)使用24道接收，總長(zhǎng)度146m，在第1道和第24道兩處激發(fā)，每個(gè)點(diǎn)藥量為2發(fā)雷管。經(jīng)過計(jì)算，低速帶速度為500m/s，降速帶速度約為1600m/s，低速帶厚度（潛水位深度）約為3m～18m、其厚度大小與地形相關(guān)。井深選擇在潛水附近及潛水下5m進(jìn)行。

3.1.2 激發(fā)條件試驗(yàn)

在不同潛水位深度的區(qū)域進(jìn)行多個(gè)井深與藥量的激發(fā)條件試驗(yàn)，下面以低洼處潛水位深度為3m處為說明。

（1）井深試驗(yàn)

以選用1kg藥量單井井深分別為3m～12m進(jìn)行試驗(yàn)，從試驗(yàn)記錄看出井深3m、4m時(shí)不能看到有效目的層反射波，5m時(shí)能隱約看到煤層反射波的存在，但是背景干擾比較明顯；6m、7m時(shí)可看到較明顯的有效目的層反射波，但是面波及聲波影響明顯；井深8m時(shí)效果最好，初至清楚，遠(yuǎn)道能量強(qiáng)，信噪比高（圖2、圖3）。

綜合多點(diǎn)試驗(yàn)情況，選擇在潛水位下5m激發(fā)能獲得理想的單炮記錄。

（2）藥量試驗(yàn)

選擇井深為8m，藥量分別為1.0kg、2kg、3kg進(jìn)行藥量試驗(yàn)。從試驗(yàn)記錄看出藥量1kg、2kg、3kg對(duì)于單炮記錄的影響較小，激發(fā)能量足夠，初至清楚，但是3kg藥量的單炮記錄較1kg單炮記錄的頻率低，因此選擇1kg的震源藥柱激發(fā)效果理想。

3.2 觀測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集

選擇8線10炮制束狀觀測(cè)系統(tǒng)，接收總道數(shù)為8線×96道/線=768道、中點(diǎn)激發(fā)、接收道距10m、接收線距40m、疊加次數(shù)24次（橫向4次，縱向6次）、CDP網(wǎng)格5m×10m、束線距200m。

在施工前對(duì)勘探區(qū)進(jìn)行詳細(xì)踏勘，尤其是對(duì)村莊等障礙物進(jìn)行了周詳測(cè)量，并標(biāo)注在1：5000的圖上，作為三維觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工時(shí)的必備資料。針對(duì)障礙物設(shè)計(jì)特殊觀測(cè)系統(tǒng)，以便勘探區(qū)內(nèi)障礙物影響范圍內(nèi)的資料獲取，從而保證了覆蓋次數(shù)分布的均勻性，炮檢距分布的合理性以及方位角分布的合理性，最終實(shí)現(xiàn)全區(qū)地震野外數(shù)據(jù)的獲取。

4 數(shù)據(jù)處理重要模塊

4.1 初至折射靜校正

由于受地形起伏、爆炸井深不一、風(fēng)化層厚度和速度變化等因素的影響，使得地震波的反射時(shí)距曲線發(fā)生畸變，偏離雙曲線形態(tài)，而靜校正就是用來補(bǔ)償高程變化、風(fēng)化層厚度及風(fēng)化層速度變化對(duì)地震波旅行時(shí)的影響，其目的是將地震資料校正到一個(gè)指定的基準(zhǔn)面上，獲得在一個(gè)平面上進(jìn)行采集，且沒有風(fēng)化層或低速介質(zhì)存在時(shí)的反射波到達(dá)時(shí)間?？碧絽^(qū)內(nèi)折射波較為發(fā)育。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)以及以往沙漠區(qū)處理的經(jīng)驗(yàn)，初至折射校正法是較好解決沙漠區(qū)靜校正問題的方法。

4.2 地表一致性振幅補(bǔ)償

在地震資料采集中，由于激發(fā)條件與接收條件不同常常會(huì)造成不同的炮間和不同的道間存在較大的能量差異。為了消除這種由于激發(fā)因素與接收因素不同所造成的能量差異，必須進(jìn)行一定的能量校正和補(bǔ)償。地表一致性振幅校正是針對(duì)因地表激發(fā)和接收條件不一致（也包括認(rèn)為因素導(dǎo)致的不一致）造成的各個(gè)地震記錄道間的能量不均衡，并通過對(duì)共炮點(diǎn)、共檢波點(diǎn)、共偏移距、共中心點(diǎn)道集的振幅進(jìn)行一致性統(tǒng)計(jì)分析和補(bǔ)償，有效地消除各炮、道之間的非正常能量差異。經(jīng)過地表一致性振幅補(bǔ)償，能夠基本消除由于地表?xiàng)l件、激發(fā)接收條件的空間變化對(duì)地震波振幅的影響，使得地震波振幅的空間變化，能夠反映地下巖性的空間變化情況。

4.3 地表一致性反褶積

為了消除大地的濾波作用，拓寬頻帶，壓縮地震子波，提高地震資料的縱向分辨率，反褶積方法很多如：脈沖單道反褶積、脈沖多道反褶積、預(yù)測(cè)反褶積、自適應(yīng)反褶積、地表一致性反褶積等。經(jīng)大量的測(cè)試對(duì)比后，選擇了地表一致性預(yù)測(cè)反褶積。這種反褶積方法是基于地震子波可以被分解為共炮點(diǎn)、共接收點(diǎn)、共偏移距、共反射點(diǎn)等多種成份的思想，它不僅能壓縮地震子波，而且能進(jìn)一步消除地表?xiàng)l件的變化對(duì)地震波的振幅特性和相位特性的影響，同時(shí)對(duì)多次波也有壓制作用。由于反褶積在提高分辨率的同時(shí)將會(huì)降低資料信噪比，所以處理時(shí)在保證資料信噪比的情況下再提高分辨率。

5 資料解釋

5.1 反射波標(biāo)定與層位追蹤

利用測(cè)井資料制作的合成地震記錄與井旁地震道比較，可以直觀地分析地震時(shí)間剖面上的反射波所代表的地質(zhì)意義。

根據(jù)地震資料在平面上主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)線相交構(gòu)成測(cè)網(wǎng)、形成時(shí)間域三維空間的特點(diǎn)，解釋采用以垂直時(shí)間剖面為主、水平切片為輔的方法，在反射波的對(duì)比追蹤中，運(yùn)用波組、波系的關(guān)系，先選取本區(qū)連續(xù)性好的、能量強(qiáng)的、波形穩(wěn)定的強(qiáng)相位進(jìn)行追蹤對(duì)比，然后采用主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)線相交的交點(diǎn)互做閉合檢查。

5.2 斷層解釋

斷點(diǎn)解釋是一個(gè)關(guān)鍵而復(fù)雜的問題，由正演得知，當(dāng)?shù)貙诱r(shí)，時(shí)間剖面上反射波同相軸穩(wěn)定、連續(xù)性好、沒有畸變。若時(shí)間剖面上標(biāo)準(zhǔn)反射波同相軸發(fā)生錯(cuò)斷、強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換、分叉合并、同相軸數(shù)目增多或者發(fā)生扭曲變形等則是識(shí)別斷層的依據(jù)。

5.2.1 煤層厚度解釋

地震反射波中包含極其豐富的地下地質(zhì)信息，利用地震反射波可以用來進(jìn)行煤層厚度的解釋。波形振幅方法就是利用地震反射波的波形特征和振幅信息與煤厚的相關(guān)性來進(jìn)行煤層厚度的橫向預(yù)測(cè)。根據(jù)Windess的薄層理論，當(dāng)薄層厚度小于1/4波長(zhǎng)時(shí)，薄層反射波波峰與波谷視差近視為一個(gè)常數(shù)，而反射波振幅隨薄層厚度呈準(zhǔn)線性變化，即薄層的厚度信息包含在反射波振幅之中。本次運(yùn)用反演方法取得煤層厚度變化趨勢(shì)。波阻抗剖面能直觀地反應(yīng)煤層厚度，用Jason反演軟件得到各煤層波阻抗值。提取過井處的某一時(shí)間某一范圍內(nèi)的波阻抗值（即厚度樣點(diǎn)值），結(jié)合過井處的煤層厚度，擬合公式，求取煤層厚度（圖4）。

6 地質(zhì)成果

本次地震勘探查明了勘探區(qū)內(nèi)主要煤層的起伏形態(tài)。共解釋組合斷層12條，對(duì)勘探區(qū)內(nèi)主要煤層的厚度變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

7 結(jié)論

（1）對(duì)應(yīng)沙漠區(qū)域三維地震勘探來說，合理的激發(fā)參數(shù)選取是取得成功的基礎(chǔ)。

（2）合理地組合運(yùn)用資料處理模塊，是獲得質(zhì)量較高地震數(shù)據(jù)體的關(guān)鍵；波阻抗反演技術(shù)是煤厚預(yù)測(cè)的合理方法。

（3）沙漠區(qū)地表情況下三維地震勘探是可行的。

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