三維地震勘探技術(shù)在張灣井田的應(yīng)用

王 晶

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

0 引言

三維地震勘探技術(shù)從20世紀(jì)90年代推廣應(yīng)用以來，以其探測煤層構(gòu)造和地質(zhì)體精度高、工程周期短而被礦山企業(yè)所接受，專門應(yīng)用于詳細(xì)查明地質(zhì)小斷層、小褶曲、陷落柱、采空區(qū)、沖刷帶等[1]。與二維地震勘探相比，三維地震勘探具有諸多優(yōu)勢，尤其三維構(gòu)造精細(xì)化解釋，明顯提高了地震解釋識(shí)別地下小地質(zhì)構(gòu)造及地震異常體的能力，完善和發(fā)展了三維高分辨率地震勘探技術(shù)[2]，擴(kuò)大了地震勘探的應(yīng)用范圍,為解決煤礦開采階段所遇到的構(gòu)造、煤層等地質(zhì)問題提供了一種綜合應(yīng)用地質(zhì)-地球物理資料的解釋方法。

本文將這一技術(shù)應(yīng)用到山東省曹縣煤田張灣勘察區(qū)先期煤田開采地段范圍的勘探工作中，發(fā)揮了三維地震勘探技術(shù)良好的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)加快張灣地區(qū)煤炭資源開發(fā)，將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為能源優(yōu)勢，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐，對(duì)體現(xiàn)三維地震勘探效率高，成本低的優(yōu)勢具有重要意義。

1 工程概況

1.1 區(qū)域地層及構(gòu)造

張灣井田勘察區(qū)域地層區(qū)劃為華北地層大區(qū)（Ⅴ）晉冀魯豫地層區(qū)（Ⅴ4）的魯西地層分區(qū)（Ⅴ48）?？辈靺^(qū)的大地構(gòu)造位置屬華北板塊（Ⅰ）魯西地塊（Ⅱ）魯西南潛隆起區(qū)（Ⅲ）菏澤-兗州隆起（Ⅳ）菏澤凸起（Ⅴ）內(nèi)。該區(qū)含煤巖系為石炭紀(jì)-二疊紀(jì)月門溝群?？辈閰^(qū)內(nèi)的構(gòu)造形態(tài)呈現(xiàn)煤系地層總體走向NW、傾向SW的單斜構(gòu)造形態(tài)，在其上發(fā)育有幅度不大的次一級(jí)向、背斜褶曲構(gòu)造，次一級(jí)褶曲軸向NE，煤系的沉積基底為奧陶紀(jì)馬家溝組，蓋層自上而下有第四系和新近系。區(qū)內(nèi)地層較簡單，由下而上主要為奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系、第四系（圖 1）。

1.2 地震地質(zhì)條件

了解近地表各因素在地震傳播中的影響，是獲得較好地震資料的關(guān)鍵所在[3]。勘查區(qū)地處黃河沖積平原，地勢平坦，海拔高度44～54 m左右，區(qū)內(nèi)河流屬黃河水系，灌溉渠縱橫。施工區(qū)內(nèi)村莊較多，村莊附近有魚塘、養(yǎng)殖場、加工場等障礙物，給地震勘探野外數(shù)據(jù)采集帶來一定的困難。新近系以來的地層厚度約為1 100 m。在地震時(shí)間剖面上易形成多個(gè)較強(qiáng)的反射波組，一定程度上反映了該地層砂泥互層在空間的展布。新近系以來的地層直接覆蓋于煤系地層之上，與下伏地層相比，在沉積環(huán)境、巖石物理力學(xué)性質(zhì)等方面都有很大的差異，其底界面是一良好的反射界面，勘探區(qū)主采煤層3煤層與其頂?shù)装逦镄圆町惷黠@，能形成能量強(qiáng)、波形特征明顯的反射波（T3波），構(gòu)成了良好的深層地震勘探地質(zhì)條件。

圖1 煤田勘察區(qū)域基巖地質(zhì)構(gòu)造圖

2 野外地震數(shù)據(jù)集方案

三維地震技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中經(jīng)過20多年的實(shí)際應(yīng)用，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以有效地解決煤田勘探中地質(zhì)構(gòu)造、覆蓋層厚度和煤層埋藏深度等問題。野外資料數(shù)據(jù)采集作為三維地震勘探的第一步，采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響到三維數(shù)據(jù)處理和地震資料的后期解釋，最終影響地震勘探的效果和成果報(bào)告的質(zhì)量[4]。張灣勘查區(qū)先期開采地段三維地震勘探野外數(shù)據(jù)采集方法正確，技術(shù)措施得當(dāng)，原始記錄采集質(zhì)量良好。

2.1 試驗(yàn)情況

為了獲得高質(zhì)量的地震記錄，項(xiàng)目組技術(shù)人員要對(duì)野外工作方法及采集參數(shù)進(jìn)行充分地試驗(yàn)、優(yōu)化，以選擇適合測區(qū)具體條件的最佳施工方案，獲得高質(zhì)量的原始資料，確保地質(zhì)任務(wù)的完成[5]。針對(duì)研究區(qū)域的地表狀況，勘探前選取不同埋藏深度、不同淺層結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)[6]。本次張灣勘探區(qū)試驗(yàn)較為充分，并針對(duì)區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)條件的特點(diǎn)，在野外采集中采用了適宜的技術(shù)措施。

張灣勘探區(qū)試驗(yàn)工作開展過程中主要根據(jù)踏勘情況，結(jié)合地質(zhì)、地形圖等以往地震地質(zhì)資料，在有代表性的地段布置8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，包括5個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)點(diǎn)和3個(gè)檢核試驗(yàn)點(diǎn)，合計(jì)試驗(yàn)物理點(diǎn)90個(gè)，其點(diǎn)位按照一定的距離、地段分布并盡可能地布放在鉆孔附近，進(jìn)行激發(fā)和接收因素試驗(yàn)，了解三維區(qū)不同地段地震地質(zhì)條件和有效波、干擾波的發(fā)育情況，選擇最佳激發(fā)、接收方案以獲得高信噪比、高分辨率的煤層反射波。試驗(yàn)還進(jìn)行了最佳觀測范圍調(diào)查，野外鋪設(shè)排列100道，道距20 m，排列長1 980 m，在大、小號(hào)采用最佳井深、藥量各放1炮，確定了最佳觀測范圍。

為了掌握區(qū)內(nèi)低速帶厚度和速度的變化規(guī)律，在三維區(qū)共設(shè)計(jì)8個(gè)低速帶調(diào)查點(diǎn)，與試驗(yàn)點(diǎn)在同一位置，采用生產(chǎn)井進(jìn)行激發(fā)，確保在井內(nèi)高速層有4個(gè)以上控制點(diǎn)、激發(fā)點(diǎn)至井口。通過對(duì)微測井、點(diǎn)試驗(yàn)及束線試生產(chǎn)等試驗(yàn)資料的分析，結(jié)合時(shí)間剖面對(duì)比分析，從固定增益、能量、信噪比、時(shí)頻等因素考慮，同時(shí)利用KLSeis等多種軟件對(duì)試驗(yàn)單炮品質(zhì)及時(shí)間剖面進(jìn)行定量分析，各軟件分析結(jié)果相互驗(yàn)證，最終優(yōu)選該區(qū)采用10～12 m井深，藥量2.0～2.5 kg激發(fā)以滿足本次三維地震勘探的地質(zhì)任務(wù)要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)參數(shù)及工程量

通過理論計(jì)算和野外試驗(yàn)，張灣勘探區(qū)選擇10線12炮束狀觀測系統(tǒng)的采集技術(shù)參數(shù)（表1），中點(diǎn)發(fā)炮，接收道數(shù)：90×10=900道；線距 60 m，道距20 m，炮線距120 m；最大炮檢距988.98 m；CDP網(wǎng)格 10×10 m，迭加次數(shù) 6（縱）×4（橫）=24 次；激發(fā)井深10～12 m，藥量2.0～2.5 kg；4個(gè) 60 Hz檢波器2串2并面積組合接收。使用428XL型遙測數(shù)字地震儀，采樣間隔0.5 ms，記錄長度3.0 s。

表1 三維采集觀測系統(tǒng)參數(shù)表

本次三維地震勘探工作共完成束線14束，檢波線72條，炮線165條，線束物理點(diǎn)為6 477個(gè)，試驗(yàn)、低速帶調(diào)查物理點(diǎn)161個(gè)（全部合格）。施工面積23.00 km2，控制面積16.25 km2，總計(jì)物理點(diǎn)6 638個(gè)；物理點(diǎn)成品率99.94%。質(zhì)量指標(biāo)符合技術(shù)設(shè)計(jì)及勘探規(guī)范要求（表2）。

表2 三維剖面質(zhì)量評(píng)價(jià)表

3 數(shù)據(jù)處理

三維地震勘探是一種高密度采集、空間成像、歸位準(zhǔn)確的面積接收技術(shù)[7]，其特點(diǎn)是利用炮點(diǎn)和接收點(diǎn)網(wǎng)格的靈活組合而獲得分布均勻的地下數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格及較為均勻的覆蓋次數(shù)，在各類能源采區(qū)勘探中取得了較好的應(yīng)用效果，是煤田開采中較先進(jìn)的勘探方法[8]。其中三維地震數(shù)據(jù)處理對(duì)空間成像至關(guān)重要。

張灣井田三維地震數(shù)據(jù)處理中針對(duì)原始資料特點(diǎn)，疊前主要采用了保幅去噪技術(shù)、三維地表一致性振幅補(bǔ)償、三維地表一致性反褶積、精細(xì)速度分析，疊后采用了具有吸收邊界的有限差分法波動(dòng)方程三維一步法偏移，并用鉆井等實(shí)際資料進(jìn)行了約束。去噪時(shí)在保證信噪比前提下，最大限度地提高了地震資料的分辨率，使目的煤層有效波主頻范圍達(dá)到 50～60 Hz，獲得了 5 m×5 m×0.5 ms的高分辨三維數(shù)據(jù)體，對(duì)處理的成果三維數(shù)據(jù)體，按50×100 m的網(wǎng)格抽取地震時(shí)間剖面進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中Ⅰ類剖面13.548 km2，占83.372%，Ⅱ類剖面2.702 km2，占16.628%，無Ⅲ類剖面（圖2）。

4 地震資料解釋及成果分析

圖2 地表一致性反褶積效果對(duì)比圖

根據(jù)三維地震勘探規(guī)范，綜合利用三維地震勘探區(qū)及相鄰采區(qū)地震資料、地質(zhì)、鉆井、采掘等資料，確定了通過地震垂直時(shí)間剖面、水平時(shí)間切片、沿層切片等的單獨(dú)和組合使用，開展全三維地震資料解釋[9]。從所獲三維地震數(shù)據(jù)體切出的垂直地震時(shí)間剖面上看（圖3），張灣勘探區(qū)新近系地層與基巖分界面形成的反射波TQ+N波與下伏地層的波相長、相消干涉明顯，波形特征沿橫向變化較大，在時(shí)間剖面上與下伏地層的不整合接觸關(guān)系明顯。在資料解釋中，主要采用強(qiáng)相位對(duì)比方法，利用工作站進(jìn)行有效波的手動(dòng)和自動(dòng)追蹤，對(duì)三維偏移數(shù)據(jù)體、方差數(shù)據(jù)體和層位屬性進(jìn)行反復(fù)細(xì)致的對(duì)比、解釋和檢查。運(yùn)用縱橫時(shí)間剖面相結(jié)合、垂直時(shí)間剖面與水平時(shí)間切片、沿層切片相結(jié)合等綜合解釋手段，方法正確。

4.1 3煤層分叉、合并的解釋

圖3 三維地震數(shù)據(jù)體時(shí)間剖面

圖4 煤層合并在時(shí)間剖面上的顯示圖

本區(qū)3煤層存在分叉、合并、剝蝕現(xiàn)象，剝蝕現(xiàn)象在時(shí)間剖面上能清晰地反映出來，受地震勘探分辨率的限制，分叉間距小到一定程度，在地震時(shí)間剖面上分辨不出來2層煤的反射波（圖4）。利用理論模型提取反射波動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從參數(shù)曲線(圖5)可以發(fā)現(xiàn)，煤層結(jié)構(gòu)的變化對(duì)應(yīng)著反射波的能量突變。這可以作為煤層分叉點(diǎn)的解釋依據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中有重要意義。該區(qū)3煤層合并區(qū)有ZW-22和ZW-23、ZW17和ZW18、ZW-15和ZW-1共3對(duì)鉆孔分別位于3煤層分叉區(qū)與合并區(qū)，3煤層合并的面積約7.58 km2，3煤層厚度為7.55～8.95 m；3煤層分叉的面積約8.67 km2，分叉后的3上煤層厚度4.85～5.39 m，3下煤層厚度 1.83～2.92 m。

圖5 煤層反射波動(dòng)力學(xué)參數(shù)曲線

4.2 斷層解釋

斷層解釋是本次三維地震勘探的主要任務(wù)之一，對(duì)所有地震資料在時(shí)間剖面上能夠分辨的斷點(diǎn)，經(jīng)過了由粗到細(xì)反復(fù)對(duì)比的過程，解釋中充分利用工作站解釋系統(tǒng)的縮放、多窗口動(dòng)態(tài)顯示、多參數(shù)顯示等方法對(duì)斷點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別解釋。斷層在時(shí)間剖面上一般表現(xiàn)為同相軸的錯(cuò)斷或終止、反射波組間距突變現(xiàn)象、同相軸的形狀和產(chǎn)狀變化等，反射層次豐富時(shí)表現(xiàn)為縱向上多個(gè)反射波的錯(cuò)斷，在水平切片上切不到的一盤無能量顯示（圖6）。

圖6 斷層面產(chǎn)狀在時(shí)間剖面上的顯示圖

根據(jù)性質(zhì)、落差及空間展布規(guī)律，時(shí)間剖面有明顯錯(cuò)斷的，共追蹤解釋斷層26條；還發(fā)育有19條落差在5 m左右的小斷層，其表現(xiàn)在時(shí)間剖面上多為同相軸的扭動(dòng)，按斷層落差分類該區(qū)落差≥20 m的斷層6條，20 m≥落差≥10 m的斷層13條，落差為5～10 m的斷層7條，落差為0～5 m的斷層19條（表 3）。

依據(jù)《煤炭煤層氣地震勘探規(guī)范》的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)落差大于5 m的26條斷層按其控制程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其中可靠斷層21條，較可靠斷層5條（表4）。

4.3 煤層隱伏露頭的解釋

該區(qū)北部主要由煤系地層因構(gòu)造的隆起而風(fēng)化剝蝕造成，剝蝕面與上伏地層呈不整合接觸。煤層的傾角與上伏地層傾角不一致，在時(shí)間剖面上可看到煤系地層反射波與新近系底界面有明顯的不整合面現(xiàn)象（圖7）。

5 煤層底板深度的解釋精度對(duì)比分析

根據(jù)張灣井田三維地震勘探數(shù)據(jù)體，對(duì)ZKW2號(hào)鉆孔進(jìn)行了3煤層深度預(yù)測（表5），通過施工完成的鉆孔和地震勘探對(duì)比分析，該鉆孔地震解釋絕對(duì)誤差9.10 m，誤差率只有0.8%，充分證明了三維地震勘探的有效性，同時(shí)地震預(yù)告ZKW2號(hào)孔處于2條斷層之間的斷塊上，并且靠近斷層，斷層在該孔附近落差較小，反映在時(shí)間剖面是同相軸扭曲。

表3 斷層落差統(tǒng)計(jì)表

表4 斷層可靠性統(tǒng)計(jì)表

圖7 煤層隱伏露頭在地震時(shí)間剖面上的顯示圖

表5 ZKW2號(hào)鉆孔的3煤層深度預(yù)測揭露對(duì)比表

6 結(jié)論

張灣勘探區(qū)查明了主采煤層3煤層的底板起伏形態(tài)，在次一級(jí)向、背斜的兩翼上，地層傾角局部達(dá)9°左右。圈定局部3煤層剝蝕帶，查明落差5 m以上的斷層26條，解釋了3煤層宏觀結(jié)構(gòu)及3煤層厚度變化趨勢，控制了3煤層隱伏露頭及其分布范圍，資料解釋手段豐富，地質(zhì)成果可靠，較好地完成了本次勘探的地質(zhì)任務(wù)。說明現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使三維地震勘探方法更完善、手段更充分、應(yīng)用更廣泛、效果更顯著。無論是構(gòu)造復(fù)雜區(qū)還是地表復(fù)雜區(qū)，三維地震勘探都取得了其他勘探手段無法得到的效果，多參數(shù)、多方法的應(yīng)用使解釋分辨力進(jìn)一步提高[10-11]。