鶴崗礦區(qū)巨厚礫石等復(fù)雜條件下三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用

易 強(qiáng)，袁勝輝，丁保國，白忠建

(1.黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江鶴崗 154100，2.中國石油集團(tuán)東方地球物理公司，河北任丘 062552)

0 引言

鶴崗礦區(qū)已有近百年的開采歷史，目前淺層煤已基本開采完畢，開發(fā)深層煤已成為當(dāng)務(wù)之急[1]。但由于深層煤地震地質(zhì)條件的復(fù)雜性，及近地表巨厚礫石層和淺層煤采空區(qū)對(duì)地震波下傳能量屏蔽的影響，導(dǎo)致現(xiàn)有的地震資料品質(zhì)較差，不能滿足制定煤田開采方案及科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)的需求[2]。因此，開展高精度三維地震勘探新技術(shù)攻關(guān)，獲取高品質(zhì)的地震資料，提高復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)的識(shí)別精度具有重大意義。

煤礦采空區(qū)是指在煤礦作業(yè)過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔[3]。采空區(qū)及其上部地層相對(duì)于開采前的地球物理特征也發(fā)生變化，包括密度、速度及其他彈性參量的差異，為采用地震方法探測(cè)采空區(qū)提供了物性基礎(chǔ)[4-7]。

鶴崗礦區(qū)除了近地表有一層巨厚的礫石層以外，淺層煤存在采空區(qū)，以往的炸藥震源井炮激發(fā)、常規(guī)三維觀測(cè)系統(tǒng)、疊后偏移處理、疊前偏移處理以及基于地震剖面的常規(guī)地質(zhì)解釋等均難以滿足深層精細(xì)勘探的需求。為此，龍煤鶴崗礦業(yè)公司與東方地球物理公司聯(lián)合開展攻關(guān)，形成了一套高精度三維地震勘探技術(shù)，解決了近地表巨厚礫石、多層采空區(qū)對(duì)地震波下傳能量屏蔽的問題，獲得高品質(zhì)的地震資料，查明了目標(biāo)區(qū)煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為預(yù)防煤礦地質(zhì)災(zāi)害提供了有效的資料信息。

1 鶴崗礦區(qū)地震勘探技術(shù)難點(diǎn)

1)鶴崗礦區(qū)開采時(shí)間長，淺層煤已開采完畢，下一步開采的煤層均為深層煤(大于800m)。由于鶴崗礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，近地表存在200～600m巨厚的礫石層(圖1)，而且淺層還存在多層采空區(qū)，對(duì)地震波下傳能量具有極強(qiáng)的屏蔽作用，常規(guī)的地震采集方法激發(fā)效果較差，獲得的地震原始資料品質(zhì)能量弱、信噪比較低。

圖1 鶴崗礦區(qū)近地表巨厚的的礫石層照片F(xiàn)igure 1 Photos of near surface hugely thick gravels in Hegang mining area

2)鶴崗礦區(qū)近地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巨厚礫石覆蓋區(qū)由于難以開展精細(xì)表層結(jié)構(gòu)工作，缺乏微測(cè)井、小折射等表層調(diào)查資料，常規(guī)的靜校正方法難以建立準(zhǔn)確的表層結(jié)構(gòu)模型，使得靜校正問題突出。

3)除了巨厚礫巖層、多層采空區(qū)外，深層還涉及到多套近距離的煤層，常規(guī)的資料處理技術(shù)難以保證深部煤層偏移成像精度。另外，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，大中型斷層較多，其派生斷層不計(jì)其數(shù)，常規(guī)地質(zhì)解釋技術(shù)難以準(zhǔn)確識(shí)別薄煤層、小斷層、采空區(qū)、垮塌區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)，不能滿足煤礦防災(zāi)減災(zāi)的需求。

2 “兩寬一高”地震采集技術(shù)

針對(duì)鶴崗礦區(qū)的巨厚礫石覆蓋區(qū)、多層采空區(qū)、多套近距離煤層等復(fù)雜條件，改變以往炸藥激發(fā)、低覆蓋與窄方位采集方法，攻關(guān)基于可控震源的“兩寬一高(寬頻帶、寬方位和高密度)”三維地震采集技術(shù)，取得了良好的效果。

2.1 大噸位可控震源寬頻帶激發(fā)技術(shù)

可控震源具有安全、環(huán)保、可控、可重復(fù)等優(yōu)勢(shì)，一般采用倍頻程來定義可控震源的頻帶寬度，倍頻程的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(1)

式中：fH為終止頻率；fL為起始頻率，而真正意義的寬頻帶應(yīng)該在5個(gè)倍頻程以上。

可控震源采用東方地球物理公司自主研發(fā)的28噸EV56，該震源激發(fā)頻率為1.5～96Hz，達(dá)到6個(gè)倍頻程，實(shí)現(xiàn)了寬頻激發(fā)和綠色環(huán)?？碧?，利用低頻信息穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，不僅有效解決了巨厚礫石層由于鉆井成孔困難導(dǎo)致炸藥震源激發(fā)效果差的問題，同時(shí)增強(qiáng)了近地表巨厚礫石層和多層采空區(qū)地震波的下傳能量(圖2)，提高了資料的信噪比。

圖2 寬頻、常規(guī)采集的地震剖面及其頻譜Figure 2 Wide band and conventional acquired seismic sections and their spectra

2.2 寬方位高密度觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

寬方位采集觀測(cè)系統(tǒng)要求橫縱比大于0.5 ，對(duì)于可控震源激發(fā)，高密度則要求覆蓋密度每平方千米大于100萬次[8]。經(jīng)過前期調(diào)研分析認(rèn)為，寬方位高密度地震采集具有：提高空間照明度與增加空間信息量，從而提高地震資料的信噪比和分辨率，有利于探測(cè)各向異性體(如：陷落柱)全貌，提高小斷層的橫向分辨率；可開展分方位及OVT處理及解釋，提高微裂縫預(yù)測(cè)的精度等優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)鶴崗礦區(qū)深層煤對(duì)地震資料信噪比、分辨率要求高的特點(diǎn)，在觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，將橫縱比由以往的0.5提高到1.0，覆蓋密度由以往的30萬次/km2增加到400萬次/km2。通過寬方位高密度采集，地震資料低頻信息實(shí)現(xiàn)了“從無到有”的重大突破(圖3)。

圖3 鶴崗礦區(qū)YX礦新(上)老(下)觀測(cè)系統(tǒng)地震剖面對(duì)比Figure 3 Comparison of new (upper)and old (lower)field setup seismic sections in YX coalmine,Hegang mining area

3 高精度地震資料處理技術(shù)

以往資料處理時(shí)，一般都采用模型法靜校正、疊后/疊前時(shí)間偏移等常規(guī)方法。近年來，在“兩寬一高”采集基礎(chǔ)上，通過采用低頻補(bǔ)償、層析反演靜校正、OVT域偏移、疊前深度偏移等新處理技術(shù)，最大限度地提取有效信號(hào)，為地質(zhì)解釋提供了可靠的地震信息。

3.1 基于子波的低頻補(bǔ)償處理技術(shù)

鶴崗礦區(qū)受近地表巨厚礫石層和淺層多層采空區(qū)的影響，輸出的低頻能量在激發(fā)接收過程中會(huì)有不同程度的損失，需要進(jìn)行合理的補(bǔ)償處理。表1為目前常用的低頻補(bǔ)償處理方法原理及其特點(diǎn)。

表1 不同低頻補(bǔ)償處理方法原理及其優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Different low-frequency compensational processing method principles and strengths,weaknesses

根據(jù)鶴崗礦區(qū)地震資料的實(shí)際情況，擇優(yōu)采用基于子波的低頻補(bǔ)償方法，該方法的原理公式：

(2)

式中：A(f)為補(bǔ)償后的振幅值；A′(f)歸一化后的振幅值；f數(shù)據(jù)的主頻；M為控制補(bǔ)償幅度；N為控制補(bǔ)償寬度。通過M和N的組合，可以實(shí)現(xiàn)很好的補(bǔ)償效果。通過低頻補(bǔ)償處理，提高了資料信噪比，提升低頻端能量(圖4)。

圖4 低頻補(bǔ)償處理前(左)后(右)疊加剖面Figure 4 Stacked sections before (left)and after (right)low-frequency compensational processing

3.2 基于菲涅爾帶的層析反演靜校正技術(shù)

鶴崗礦區(qū)巨厚礫石覆蓋區(qū)由于缺乏微測(cè)井、小折射等表層調(diào)查資料，致使建立準(zhǔn)確的表層結(jié)構(gòu)模型難度較大。為了解決巨厚礫石覆蓋區(qū)靜校正這一系統(tǒng)性難題，采用了“有理有序”的靜校正措施：有理即根據(jù)近地表實(shí)際情況，選擇合適的靜校正方法；有序即為遵循先長波長，后中波長及剩余靜校正的順序。

基于菲涅爾帶的層析反演靜校正技術(shù)首先將地質(zhì)模型假設(shè)由速度單元組成，每個(gè)單元是常速，單元之間的速度不同，利用單炮初至進(jìn)行近地表速度模型反演；其次基于菲涅爾帶理論，根據(jù)上述反演結(jié)果求取靜校正量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行近地表校正。該技術(shù)較常規(guī)基于射線理論的折射波、初至波等靜校正能更準(zhǔn)確建立表層速度模型，從而提高靜校正精度(圖5)。

圖5 常規(guī)層析反演靜校正(左)、菲涅爾帶的層析反演靜校正(右)剖面Figure 5 Conventional tomographic inversion statics section (left)and Fresnel zone based tomographic reversion statics section (right)

3.3 OVT域偏移處理技術(shù)

OVT(Offset Vector Tile，即炮檢距向量片)域偏移處理技術(shù)是不同于常規(guī)處理方法的新技術(shù)[11-12]，它不僅保留了方位角、入射角(偏移距)信息，而且克服了共炮檢距域偏移CRP道集遠(yuǎn)近道能量弱、中間偏移距能量強(qiáng)的問題，更真實(shí)的反應(yīng)出AVO響應(yīng)。針對(duì)鶴崗礦區(qū)的寬方位高密度地震數(shù)據(jù)。

與常規(guī)處理方法相比，OVT域偏移處理后，除常規(guī)的X、Y、Z信息外，還有反射角和方位角信息，被稱為5維道集，可實(shí)現(xiàn)從三維(X、Y、Z)到五維(X、Y、Z、方位角、入射角)解釋跨越，研究各向異性的地質(zhì)信息，開展微小斷裂或裂縫的預(yù)測(cè)。另外，在OVT域疊前偏移道集的基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加處理得到的三維數(shù)據(jù)體，煤層的成像精度較常規(guī)處理方法有明顯提高(圖6)。

圖6 常規(guī)偏移(上)、OVT域偏移(下)地震剖面對(duì)比Figure 6 Comparison of conventional migration (upper)and OVT domain migration (lower)sections

4 煤田地質(zhì)目標(biāo)精細(xì)解釋技術(shù)

針對(duì)鶴崗礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)目標(biāo)，在以往利用地震剖面開展常規(guī)解釋的基礎(chǔ)上，提取并充分應(yīng)用地震的振幅、曲率、相干等幾何體屬性，有效提高了煤田地質(zhì)目標(biāo)的解釋精度。

4.1 小斷層識(shí)別技術(shù)

受地震資料主頻的制約，直接通過地震剖面解釋5m左右的小斷層幾乎是不可能的。因此，針對(duì)鶴崗礦區(qū)小斷層識(shí)別的總體思路是：利用地震剖面進(jìn)行常規(guī)解釋，建立工區(qū)構(gòu)造格架。在此基礎(chǔ)上，從地震數(shù)據(jù)體中提取的沿層振幅、相干體、方差體和曲率體等現(xiàn)代幾何體屬性，與地震剖面聯(lián)合進(jìn)行解釋，從而大幅度地提高了小斷層的識(shí)別精度，更為準(zhǔn)確地落實(shí)了斷裂發(fā)育情況。

4.2 采空區(qū)識(shí)別技術(shù)

在地震剖面上，非采空區(qū)為強(qiáng)振幅特征，而采空區(qū)為弱振幅，波組特征凌亂[13]。通過對(duì)比分析認(rèn)為，沿層地震屬性(尤其是最正曲率體屬性)和采空區(qū)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，通過應(yīng)用高品質(zhì)的地震剖面與沿層振幅最正曲率屬性聯(lián)合解釋，能準(zhǔn)確地識(shí)別出采空非垮塌區(qū)和采空垮塌區(qū)的范圍(圖7)。

圖7 沿層振幅最正曲率屬性240ms切片(左)與地震剖面(右)Figure 7 Bedding amplitude most positive curvature attribute 240ms slice (left)and seismic section (right)

4.3 瓦斯氣/煤層氣預(yù)測(cè)技術(shù)

一般情況下，通過反演縱橫波速比(或泊松比)方式進(jìn)行地層含氣性預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)是基于地層含氣后將使得地層速度降低[14]，但煤層本身就表現(xiàn)為低速、低密度、低阻抗的特征，含氣前后難以產(chǎn)生明顯的地震響應(yīng)差異，而且由于瓦斯氣主要為吸附氣，賦存狀態(tài)與以游離氣為主的常規(guī)油氣存在較大差別，因此常規(guī)油氣預(yù)測(cè)技術(shù)并不適用于瓦斯氣的預(yù)測(cè)。為此，針對(duì)鶴崗礦區(qū)的煤層氣/瓦斯氣，在基于地震幾何體屬性開展目標(biāo)區(qū)的斷裂發(fā)育、構(gòu)造形態(tài)、地層埋深、煤層厚度等精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上，分析導(dǎo)致煤與瓦斯突出的主要影響因素，從而對(duì)瓦斯/煤層氣的含量進(jìn)行定性預(yù)測(cè)。

5 勘探效果

針對(duì)鶴崗礦區(qū)“雙復(fù)雜”的地震地質(zhì)條件的現(xiàn)狀，充分考慮礦區(qū)地質(zhì)工作的需要，解決鶴崗礦區(qū)地震勘探凝滯不前的狀態(tài)，2016年在鶴崗礦區(qū)東北部礦井開展了高精度三維地震勘探。該區(qū)近地表有一套500m左右的巨厚礫石，由于淺層煤已開采完畢存在多層采空區(qū)，勘探的目的層(即深層煤)為由多套近距離煤層組成。可控震源“兩寬一高”地震采集、高精度地震資料處理、煤田地質(zhì)目標(biāo)精細(xì)解釋等技術(shù)應(yīng)用后，有效攻克了巨厚礫巖覆蓋區(qū)、多層采空區(qū)、深層多套近距離煤層等技術(shù)難題，獲得了高精度地震地質(zhì)成果資料(圖8)，在勘探區(qū)內(nèi)查明了煤層中落差≥5m的斷層88條，與地質(zhì)精查結(jié)果吻合率>90%，準(zhǔn)確地識(shí)別出采空非垮塌區(qū)和采空垮塌區(qū)的范圍，其中采空非垮塌區(qū)面積為0.76km2，采空垮塌區(qū)的面積為0.85km2，而且定性預(yù)測(cè)了目標(biāo)區(qū)瓦斯/煤層氣的含量。

圖8 鶴崗礦區(qū)東北部礦井2016年三維地震勘探成果剖面Figure 8 Hegang mining area northeast coalmine 2016 3D seismic prospecting resulting section

鶴崗礦區(qū)近地表為巨厚礫巖層所覆蓋，煤系地層有富水性，主要導(dǎo)水通道即為大的構(gòu)造裂隙，通過高精度三維地震勘探探清了大的裂隙構(gòu)造發(fā)育，且圈定了采空區(qū)和透水高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，在工作面布局和礦井生產(chǎn)中有目的的避開高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域施工，預(yù)防透水事故發(fā)生。

6 結(jié)語

1)基于大噸位低頻可控震源的“兩寬一高”地震采集技術(shù)，有效解決了巨厚礫石層由于鉆井成孔困難導(dǎo)致炸藥震源激發(fā)效果差的問題，同時(shí)增加了近地表巨厚礫石層和多層采空區(qū)地震波的下傳能量，提高了資料的信噪比。

2)基于子波的低頻補(bǔ)償、基于菲涅爾帶的層析反演靜校正和OVT域偏移處理技術(shù)，不僅讓地震資料的信噪比和成像精度提高一倍以上，而且獲得了X、Y、Z、方位角、入射角等五維地質(zhì)信息，為后續(xù)煤層構(gòu)造精細(xì)解釋和各向異性研究提供了豐富的基礎(chǔ)資料。

3)基于地震幾何體屬性的精細(xì)解釋技術(shù)，從地震數(shù)據(jù)體中提取順層振幅、相干體、方差體和曲率體等現(xiàn)代幾何體屬性，結(jié)合地質(zhì)剖面進(jìn)行聯(lián)合解釋研究，在很大程度上可彌補(bǔ)地震資料主頻不足的問題，提高小斷層、采空區(qū)、垮塌區(qū)瓦斯/煤層氣等煤田復(fù)雜目標(biāo)的識(shí)別精度。