水上三維地震勘探新工藝的研究與應(yīng)用

林全章

（山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，濟(jì)南 250104）

0 引言

新安煤礦是一座年產(chǎn)煤400萬(wàn)噸的大型現(xiàn)代化煤礦，由于新安煤礦井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，只采用傳統(tǒng)的勘探方式（鉆探）很難滿足煤炭開(kāi)采的需要，迫切需要通過(guò)三維地震勘探進(jìn)一步探明采區(qū)的構(gòu)造發(fā)育情況。然而，新安煤礦采區(qū)地面基本為湖水覆蓋，以往傳統(tǒng)的三維地震勘探一般只能在陸地上進(jìn)行，因此，如何在水上進(jìn)行三維地震勘探成了該項(xiàng)目能否順利完成的關(guān)鍵。

相較于傳統(tǒng)的陸地三維地震勘探，水上三維地震勘探的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要集中在野外數(shù)據(jù)采集方面[1]，地震勘探野外數(shù)據(jù)采集主要包括地震測(cè)線布置、地震波的激發(fā)和接收。地震測(cè)線布置采用GPS進(jìn)行，與陸地三維地震勘探基本一致。地震波的激發(fā)通過(guò)震源藥柱井中激發(fā)，接收通過(guò)檢波器、電纜線、地震儀器進(jìn)行[2]。在水上三維地震勘探前，需要重點(diǎn)研究如何在水面上進(jìn)行打孔操作，同時(shí)還要保證孔的位置與設(shè)計(jì)一致，孔的深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；如何讓檢波器、電纜線在水下正常工作，不出現(xiàn)檢波器漏電而無(wú)法正常工作的現(xiàn)象。為了解決上述問(wèn)題，本文從勘探區(qū)實(shí)際地面為濱湖淺水地形的基礎(chǔ)研究工作著手，利用防水檢波器，結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的水上鉆井平臺(tái)，設(shè)計(jì)科學(xué)的觀測(cè)系統(tǒng)和施工工藝，最終很好地完成了該項(xiàng)目野外數(shù)據(jù)采集工作。

1 工作區(qū)概況

1.1 地形地貌

新安煤礦位于滕北煤田中部，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，東部陸地為濱湖沖積平原，西部大部分為湖區(qū)，地面標(biāo)高+35.50～+36.35 m，湖底標(biāo)高+32 m左右，為地勢(shì)東高西低的湖泊和濱湖沖積平原，地形地面坡度為0.4‰左右。礦井北部有北沙河，河水自東北向西南流入獨(dú)山湖；南部有小荊河，由東向西流入獨(dú)山湖，均屬季節(jié)性河流。礦井西側(cè)為昭陽(yáng)湖、獨(dú)山湖，與南陽(yáng)湖、微山湖連成統(tǒng)一水體（統(tǒng)稱南四湖）[3]。湖區(qū)中部水深在2 m左右，枯水季節(jié)水深一般小于1 m，汛期可達(dá)3.5 m，冬季結(jié)冰封凍。邊緣地帶多為雜草、蘆葦叢生的沼澤地，水深一般0.5～1.0 m，旱季無(wú)水或有少量積水。

1.2 地震地質(zhì)條件

三維地震勘探區(qū)位于獨(dú)山湖和昭陽(yáng)湖區(qū)，地面施工區(qū)域全部被湖水覆蓋。湖底地形起伏不大，總體東北高，西南低，湖底標(biāo)高+31.29～+32.80 m。水深一般2 m左右，湖內(nèi)水草叢生，飼養(yǎng)魚(yú)蝦的網(wǎng)箱分布密集，地表?xiàng)l件復(fù)雜。測(cè)區(qū)主要目的層石炭二疊系3煤層厚度較大，一般在5～8 m，煤層較穩(wěn)定，能形成較好的反射波，深層地震地質(zhì)條件較好。

2 野外數(shù)據(jù)采集相關(guān)工藝

2.1 選用適合水上施工的觀測(cè)系統(tǒng)

水上三維地震勘探野外施工時(shí)檢波器的插置和炮點(diǎn)的布置誤差要比陸地施工大[4]，并且很難避免，所以水上三維地震勘探野外施工不宜采用小道距、小線距的觀測(cè)系統(tǒng)，在滿足目的層有效覆蓋次數(shù)的前提下盡量采用大道距、大線距的觀測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)考慮到野外施工的困難程度，排列不宜過(guò)大。經(jīng)計(jì)算和分析，該項(xiàng)目野外施工采用8線12炮觀測(cè)系統(tǒng)，道距 20 m，線距 60 m，炮距 20 m (橫向)×80 m(縱向)，384道接收，24次覆蓋次數(shù)（圖1）。通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)的改變，能大大提高施工效率，同時(shí)盡量減少系統(tǒng)誤差。

圖1 適合水上施工的8線12炮觀測(cè)系統(tǒng)

2.2 采用適合水上施工的防水檢波器

普遍使用的陸地檢波器，因雨淋或放置于潮濕的環(huán)境中很容易進(jìn)水或受潮而發(fā)生漏電現(xiàn)象[5]，更不適于水中使用。水上三維地震勘探要想順利實(shí)施，首先要解決的是檢波器的防水問(wèn)題。普遍使用的檢波器一般由內(nèi)部的電子元件、與地面直接接觸的金屬尾椎、保護(hù)電子元件的外殼以及連接線組成，為了使檢波器能像在陸地上一樣正常工作，重點(diǎn)要做的是加強(qiáng)檢波器外殼的防水性。通過(guò)對(duì)檢波器實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，相關(guān)技術(shù)人員對(duì)檢波器進(jìn)行了改造，給檢波器加上防水的金屬外殼，同時(shí)在線與金屬外殼之間加裝防水護(hù)墊，并在空隙內(nèi)注滿玻璃膠以使檢波器內(nèi)的電子元件與外部環(huán)境隔絕，達(dá)到密閉防水防潮的特性。同時(shí)考慮到湖底淤泥層較厚，一般陸地用檢波器尾椎較短，為保證數(shù)據(jù)采集時(shí)檢波器與地面耦合良好，在對(duì)檢波器進(jìn)行防水改造的同時(shí)還需要給檢波器另外加焊一個(gè)50 cm左右長(zhǎng)的尾椎。

2.3 改進(jìn)成孔工藝

相對(duì)于陸地勘探，如何在水上成孔是水上三維地震勘探的重點(diǎn)及難點(diǎn)之一。能否在設(shè)計(jì)的炮點(diǎn)位置打到預(yù)定的深度是決定能否獲得高品質(zhì)資料的前提。以往施工方法采用兩船并排，施工人員站在兩船之間進(jìn)行打井操作的方法進(jìn)行鉆井[6]，由于兩船在水上很難同時(shí)固定，同時(shí)水流的運(yùn)動(dòng)也使得兩船難以協(xié)調(diào)一致。利用這樣的打井方法不僅效率低下，也很難在設(shè)計(jì)炮點(diǎn)位置成孔。針對(duì)此問(wèn)題，項(xiàng)目組對(duì)原來(lái)作為鉆井平臺(tái)的小木船進(jìn)行了改造，在船中心開(kāi)鑿了一個(gè)直徑10 cm左右的圓孔，并在該圓孔上安裝一個(gè)同樣大小的鐵管，鐵管高出船艙，以保證水不會(huì)進(jìn)入船艙內(nèi)。另外在船左右靠近船頭和船尾處各焊接上一個(gè)圓環(huán)，用于鉆井過(guò)程中船體的固定。通過(guò)該方法對(duì)船體進(jìn)行改造，一個(gè)安全實(shí)用的鉆井平臺(tái)就誕生了，利用該鉆井平臺(tái)進(jìn)行打井操作，不僅大大提高了工作效率，同時(shí)也節(jié)約了成本 (圖 2)。

3 水上三維地震勘探野外施工方法

通過(guò)前文的分析，采用改造過(guò)的防水檢波器進(jìn)行野外數(shù)據(jù)接收，利用自主研發(fā)的鉆井平臺(tái)進(jìn)行水面成孔，使得水上三維地震勘探就能像陸地三維地震勘探一樣方便可靠了。具體的施工方法如下：

3.1 水上測(cè)量布點(diǎn)

圖2 改裝過(guò)的鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

水上測(cè)量采用全球定位系統(tǒng)GPS測(cè)量?jī)x器，相較于傳統(tǒng)的全站儀，GPS具有靈活方便，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，本次測(cè)量分2個(gè)班組同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)班組配備1艘機(jī)船和2艘小木船，進(jìn)入工區(qū)后由測(cè)量人員乘坐小木船進(jìn)行測(cè)量，并由專人插設(shè)代表檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)位置的竹竿，以保證測(cè)量點(diǎn)在哪里竹竿就插在哪里，為了使測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)清晰，竹竿必須露出水面1 m以上，同時(shí)每個(gè)竹竿上貼好測(cè)線號(hào)和樁號(hào)。并且檢波線與炮線系上不同顏色的布條加以區(qū)別（紅色表示炮線，白色表示檢波線），力求湖區(qū)內(nèi)測(cè)量定線的標(biāo)記明顯、整齊有序，避免施工中出現(xiàn)測(cè)線混淆不清的問(wèn)題。

3.2 水上打孔下藥

成孔下藥是地震勘探野外數(shù)據(jù)采集中極其重要的一環(huán)，同時(shí)也是決定野外資料品質(zhì)的關(guān)鍵因素，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不僅要求孔深達(dá)到設(shè)計(jì)的深度，還要求成孔的位置盡量打在設(shè)計(jì)點(diǎn)上。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，只要打孔的時(shí)候能固定好鉆機(jī)并保持平衡就能像陸地上一樣操作，因此我們采用了改造過(guò)的中間有孔、兩端能固定的小木船作為簡(jiǎn)易的鉆井平臺(tái)，打孔人員使用與陸地上施工相似的鉆井設(shè)備在上面進(jìn)行打孔操作（圖3a）。當(dāng)打到預(yù)定深度后由打孔人員使用塑料套管下放震源藥柱，待藥柱下放到預(yù)定深度后拔出套管并在炮線上系好記有炮點(diǎn)樁號(hào)的浮漂，至此，該工序就完成了。

3.3 水上檢波器的插置

采用加長(zhǎng)尾椎的特制防水檢波器，鋪設(shè)檢波器時(shí)由放線班使用專門(mén)制造的插檢波器的夾子工具[7]，把檢波器插入水下的淤泥中，并保證檢波器插直插緊。同時(shí)把檢波線與大線連接的一端拉出水面與采集站連接，大線和采集站用繩子綁定在測(cè)量時(shí)插置的竹竿上，必須保證捆綁結(jié)實(shí)，同時(shí)竹竿也要插緊插實(shí)，以防止放炮時(shí)水面震動(dòng)而導(dǎo)致采集站掉入水中的現(xiàn)象發(fā)生（圖3b）。

圖3 水上打孔及檢波器插置

3.4 數(shù)據(jù)的接收

檢波器鋪設(shè)完成后，通過(guò)儀器電纜線把各個(gè)檢波器按順序連接到數(shù)字地震儀上，并通過(guò)儀器建立好排列，在此過(guò)程中，要注意檢查電纜線上的各個(gè)采集站是否全部梆牢在竹竿上，同時(shí)檢查排列上的檢波器是否有漏電現(xiàn)象。待儀器檢查排列正常后，設(shè)置好接收參數(shù)后便可以放炮采集數(shù)據(jù)了。

4 勘探效果及分析

通過(guò)對(duì)檢波器的防水處理，在實(shí)際施工過(guò)程中基本沒(méi)有出現(xiàn)檢波器的漏電進(jìn)水現(xiàn)象，保證了野外施工的順利進(jìn)行。通過(guò)對(duì)檢波器進(jìn)行加長(zhǎng)尾椎的改造，使檢波器與湖底耦合良好，施工中沒(méi)有出現(xiàn)放炮過(guò)程中由于湖水的震蕩檢波器倒伏、隨意震動(dòng)影響資料品質(zhì)的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)水上鉆井平臺(tái)的改造，大大加強(qiáng)了炮點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性，同時(shí)提高了效率，節(jié)約了成本。地震野外施工完成后，按照規(guī)范對(duì)單炮記錄進(jìn)行評(píng)價(jià)，甲級(jí)率為65.81%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范中復(fù)雜地區(qū)甲級(jí)率不低于40%的要求[8]。圖4為水上施工獲得的單炮記錄，從單炮記錄上可以看出檢波器空道死道現(xiàn)象較少，主要目的層反射波區(qū)域雖然有些雜亂，但能量突出，通過(guò)拾取初至波并進(jìn)行靜校正后煤層反射波同相軸能清晰地顯示出來(lái)。

對(duì)原始記錄進(jìn)行資料疊加偏移處理。獲得的三維數(shù)據(jù)體（圖5a）地質(zhì)現(xiàn)象反映清晰，煤系地層構(gòu)造褶曲一目了然，時(shí)間剖面（圖5b）信噪比、分辨率較高，各主要層位反射波清晰可見(jiàn)，說(shuō)明該項(xiàng)目野外數(shù)據(jù)采集效果良好。

圖4 野外原始單炮記錄

圖5 處理及解釋成果

5 結(jié)論及推廣應(yīng)用范圍

通過(guò)采用合理的觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水上檢波器、鉆井平臺(tái)的研究與改進(jìn)，很好地解決了新安煤礦三維地震勘探水上施工的問(wèn)題，并取得了良好的資料。說(shuō)明利用先進(jìn)的施工工藝，在水上也能取得較高品質(zhì)的三維地震資料。該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)水上檢波器、鉆井平臺(tái)的研究與應(yīng)用，為水上三維地震勘探在類(lèi)似地區(qū)開(kāi)展工作提供了經(jīng)驗(yàn)，具有一定的借鑒價(jià)值。本次水上三維地震勘探技術(shù)適用于地面為淺水覆蓋的一些礦區(qū)的野外數(shù)據(jù)采集作業(yè)，同時(shí)包括內(nèi)陸湖泊地區(qū)及一些較淺的濱海地區(qū)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。