煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)體系建立與發(fā)展研究

程 彥, 趙 鐠, 汪 洋, 林建東, 黃亞平, 郎玉泉, 楊臣明

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局, 北京 100038; 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院, 河北涿州 072750;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008)

“高密度采集”這一概念首次提出是在2002年召開(kāi)的SEG會(huì)議上，其基本思想是在野外數(shù)據(jù)采集時(shí)不再考慮室內(nèi)處理、解釋的要求，進(jìn)行“不受約束采集”，進(jìn)行處理、解釋時(shí)根據(jù)實(shí)際需要再靈活選擇空間采樣間隔。同年由沙特石油公司使用可控震源激發(fā)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：高密度方式采集能較好的提高勘探精度，通過(guò)室內(nèi)組合處理對(duì)提高信噪比有較大效果。隨后，國(guó)外開(kāi)展了一系列的高密度采集工作，主要分為野外組合模擬檢波器采集和室內(nèi)組合單點(diǎn)數(shù)字檢波器采集兩類(lèi)，前者的代表技術(shù)有挪威PGS公司的HD3D(High density three dimension)和法國(guó)CGG公司的Eye-D一體化技術(shù)；后者的代表技術(shù)有Western Geoco公司的“Q-Technology”[1]。國(guó)內(nèi)物探工作者也在高密度地震勘探試驗(yàn)和方法研究方面進(jìn)行了一系列的探索，在石油勘探和煤田勘探方面進(jìn)行了多次小道距、小面元尺寸、高覆蓋次數(shù)的地震勘探施工，取得了良好的效果，勘探精度與小構(gòu)造識(shí)別能力均有較大提升[2-7]。

1 煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)研究現(xiàn)狀

2005年開(kāi)始，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局開(kāi)始在煤田開(kāi)展高密度技術(shù)試驗(yàn)研究，揭開(kāi)了煤炭系統(tǒng)高密度地震勘探的序幕[8-11]。煤田全數(shù)字高密度采集一般指的是使用數(shù)字檢波器(常用的有Sercel DSU-1等)采集，觀測(cè)系統(tǒng)采用5m×5m網(wǎng)格、覆蓋次數(shù)在60次以上、縱橫比接近于1的采區(qū)三維地震勘探工作。2007年中石油東方地球物理公司在淮南礦業(yè)集團(tuán)丁集礦西部首采區(qū)(2.5km2)、2010年中國(guó)煤炭地質(zhì)總局物探研究院在淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦二水平深部(西部采區(qū))(8.86km2)實(shí)施了全數(shù)字高密度三維地震勘探，相比于淮南地區(qū)常規(guī)三維地震工作，在數(shù)據(jù)采集、處理、解釋方面都具有較大的技術(shù)改善和成果提升，資料的保真度、信噪比和分辨率都有明顯提高，具有鮮明的代表性，落差2m以上的斷層在剖面上的反映明顯，且下組煤層、灰?guī)r界面成像均有較大改善，典型時(shí)間剖面如圖1所示。其他物探單位也在淮南礦業(yè)集團(tuán)、淮北礦業(yè)集團(tuán)、皖北礦業(yè)集團(tuán)、中煤新集能源集團(tuán)、同煤集團(tuán)、潞安礦業(yè)集團(tuán)、雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)、鐵法煤業(yè)集團(tuán)等礦業(yè)集團(tuán)開(kāi)展了大規(guī)?；蛟囼?yàn)性的全數(shù)字高密度三維地震勘探工作。

(a)InLine方向典型時(shí)間剖面 (b) CrossLine方向典型時(shí)間剖面圖1 淮南礦區(qū)典型全數(shù)字高密度三維地震勘探時(shí)間剖面Figure 1 Huainan mining area typical full-digital high-density 3D seismic prospecting time sections

2 煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)體系

地震勘探的基本原理是利用地震子波從地下波阻抗差異界面反射回地表時(shí)帶回的雙程旅行時(shí)信息和子波在振幅、頻率、相位等變化的信息來(lái)研究波阻抗差異界面的埋深及地下介質(zhì)巖性的變化。全數(shù)字高密度地震勘探也是以這個(gè)基本原理為基礎(chǔ)，又在觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、資料采集、處理、解釋各環(huán)節(jié)上又采用了更為先進(jìn)且實(shí)用的技術(shù)，具有小面元、高覆蓋、炮檢距(方位角)均勻的特點(diǎn)，研究該技術(shù)的目的是最大限度的提高地震勘探精度。所以，全數(shù)字高密度地震勘探技術(shù)體系包括觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)、采集技術(shù)、處理技術(shù)、解釋技術(shù)組成，在體系建設(shè)中也包括了由于投入大量采集設(shè)備而隨之改變的施工組織方案。

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)

全數(shù)字高密度地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是具有小面元、高覆蓋次數(shù)、炮檢距均勻、全方位觀測(cè)和連續(xù)采樣等，在使用時(shí)的設(shè)計(jì)思路是采用采集面元5m×5m、覆蓋次數(shù)60次以上、縱橫比近似1、每束線滾動(dòng)一條線、同時(shí)保證炮間距、方位角分布均勻，兼顧靈活高效，施工布設(shè)時(shí)一般采用縱向、橫向滾進(jìn)滾出布設(shè)線束。全方位、高覆蓋次數(shù)觀測(cè)可增加采集照明度，獲得較完整的地震波場(chǎng)；易于研究振幅隨炮間距和方位角的變化、地層速度隨方位角的變化等，具有更高的陡傾角成像能力，可以有效增強(qiáng)識(shí)別斷層、裂隙和地層巖性變化的能力；有利于壓制地表散射干擾，提高地震資料信噪比、分辨率和保真度。為便于比較差別，以淮南礦區(qū)為例，列明常規(guī)三維地震觀測(cè)系統(tǒng)與全數(shù)字高密度三維地震觀測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比(表1)，觀測(cè)系統(tǒng)玫瑰圖如圖2所示。

2.2 采集技術(shù)

得益于數(shù)字檢波器的應(yīng)用，全數(shù)字高密度三維地震勘探在施工中更加注重于施工工藝的改進(jìn)，包括精準(zhǔn)的激發(fā)參數(shù)設(shè)計(jì)、精細(xì)的井位設(shè)計(jì)等。在數(shù)據(jù)采集施工中要求詳細(xì)摸清工區(qū)低、降速帶厚度及分布情況，增加試驗(yàn)工作量，精準(zhǔn)確定激發(fā)參數(shù)(井深、藥量等)，遇到建筑物等地面障礙物，要提前做好觀測(cè)系統(tǒng)變更，逐點(diǎn)設(shè)計(jì)井位、藥量和檢波器位置，變觀工作滿(mǎn)足覆蓋次數(shù)等要求后，施工中嚴(yán)格按照預(yù)訂方案(或提供的SPS文件)執(zhí)行?？碧皆O(shè)計(jì)階段要逐點(diǎn)井位精細(xì)化設(shè)計(jì)，為保障滿(mǎn)足勘探任務(wù)要求并易于實(shí)施的要求，地表障礙物復(fù)雜區(qū)域同一位置可能要經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)論證。為了進(jìn)一步提高施工效率、減少因重復(fù)鋪設(shè)檢波器帶來(lái)的人為鋪設(shè)位置偏差，一般需要備用道數(shù)達(dá)到采集單炮接收道數(shù)的3倍以上，采用橫向滾動(dòng)施工方式，具體要根據(jù)勘探區(qū)的地形地貌、觀測(cè)系統(tǒng)布置情況等確定。圖3為某勘探區(qū)采集設(shè)計(jì)方案與實(shí)際炮檢點(diǎn)位置圖的對(duì)比圖。

2.3 處理技術(shù)

圖4為某勘探區(qū)常規(guī)三維地震單炮記錄(普通60Hz檢波器)與全數(shù)字高密度三維地震單炮記錄(DSU-I數(shù)字檢波器)對(duì)比圖，從圖中可以看到，全數(shù)字高密度三維地震單炮記錄有效層位更明顯，數(shù)據(jù)信噪比、分辨率更高。由于全數(shù)字高密度三維地震勘探采集數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)三維地震勘探，提供的信息更多，所以在處理時(shí)要使用更多處理技術(shù)，保障提取更多有用信息，還要在處理流程優(yōu)化方面作一些特色完善。特色處理技術(shù)包括非網(wǎng)格層析靜校正技術(shù)、FAMNDE高能噪聲分頻自適應(yīng)模型法壓制技術(shù)、F-x-y-o域最大似然準(zhǔn)則L1模4D 隨機(jī)噪音衰減、克萊伯特Butterworth傾角濾波、寬帶Butterworth子波反褶積、優(yōu)化串聯(lián)反褶積技術(shù)、倍頻子波壓縮技術(shù)、OVT域五維疊前面元數(shù)據(jù)規(guī)則化技術(shù)、疊前深度偏移技術(shù)等,在處理過(guò)程中要盡可能的拓寬頻帶，提高微小構(gòu)造分辨能力。從處理后的時(shí)間剖面上看，各波組特征更清楚，斷點(diǎn)、斷塊、斷面更清晰，細(xì)節(jié)更豐富。圖5為某勘探區(qū)常規(guī)流程處理時(shí)間剖面與全數(shù)字高密度流程處理時(shí)間剖面對(duì)比圖，可以看到在巖漿巖下相應(yīng)區(qū)域的成像效果改善較大，構(gòu)造關(guān)系更加清晰。

表1 常規(guī)三維地震觀測(cè)系統(tǒng)與全數(shù)字高密度三維地震觀測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比Table 1 Parametric comparison between conventional 3D seismic field setup and full-digital high-density 3D seismic field setup

(a)常規(guī)三維地震觀測(cè)系統(tǒng)的玫瑰圖 (b)全數(shù)字高密度三維地震觀測(cè)系統(tǒng)的玫瑰圖圖2 常規(guī)三維地震觀測(cè)系統(tǒng)與全數(shù)字高密度三維地震觀測(cè)系統(tǒng)的玫瑰圖對(duì)比Figure 2 Rose diagram comparison of conventional 3D seismic field setup and full-digital high-density 3D seismic field setup

(a)采集設(shè)計(jì)方案 (b)實(shí)際炮檢點(diǎn)位置圖3 某勘探區(qū)采集設(shè)計(jì)方案與實(shí)際炮檢點(diǎn)位置對(duì)比Figure 3 Comparison between acquisition designed scheme and actual shot and detector point positions in a prospecting area

(a)典型單炮(普通60Hz檢波器) (b)典型單炮(DSU-I數(shù)字檢波器) 圖4 某勘探區(qū)常規(guī)三維地震單炮記錄(普通60Hz檢波器)與全數(shù)字高密度三維地震單炮記錄(DSU-I數(shù)字檢波器)對(duì)比Figure 4 Comparison between conventional 3D seismic single shot record (common 60Hz geophone) andfull-digital high-density 3D seismic single shot record (DSU-I digital geophone)-in a prospecting area

2.4 解釋技術(shù)

全數(shù)字高密度三維地震勘探的目的和資料解釋的要求是小、微構(gòu)造解譯和巖性精準(zhǔn)識(shí)別方面。除常規(guī)剖面解釋方法外，在解釋技術(shù)上注重多屬性和反演技術(shù)的研究與應(yīng)用。包括構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波、多屬性反演、譜分解、螞蟻+多信息融合技術(shù)等。圖6為某勘探區(qū)敏感屬性?xún)?yōu)選與融合，從融合成果上看多屬性融合有利于減少屬性多解性，提高小斷層解釋精度；圖7為精確預(yù)測(cè)砂泥巖分布的反演剖面圖，從反演結(jié)果上可以看出， 對(duì)于2m以上的煤層反應(yīng)清晰， 可以反映3～5m的砂/泥巖體，對(duì)薄層反應(yīng)精度大幅提高。

圖5 某勘探區(qū)常規(guī)流程處理時(shí)間剖面與全數(shù)字高密度流程處理時(shí)間剖面對(duì)比Figure 5 Comparison between conventional flow processed time section and full-digital high-densityflow processed time section in a prospecting area

(a)“螞蟻”+頻率屬性 (b)“螞蟻”+振幅屬性 (c)“螞蟻”+傾角屬性 (d)融合成果圖圖6 某勘探區(qū)敏感屬性?xún)?yōu)選與融合Figure 6 Sensitive attributes optimization and fusion in a prospecting area

圖7 某勘探區(qū)反演剖面圖Figure 7 Inversion section of a prospecting area

3 煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)發(fā)展

3.1 全數(shù)字資料采集隊(duì)伍與動(dòng)態(tài)管理智能化建設(shè)構(gòu)想

煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地震采集檢波器的數(shù)字化，而為了適應(yīng)煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)發(fā)展需求，達(dá)到全方位采集質(zhì)量監(jiān)管的要求，還需要注重加強(qiáng)地震勘探數(shù)字化、智能化隊(duì)伍建設(shè)，著力構(gòu)建地震勘探項(xiàng)目野外采集全過(guò)程數(shù)字化、動(dòng)態(tài)化管理體系。以移動(dòng)端數(shù)字地圖為基礎(chǔ)，利用無(wú)人機(jī)搭載相關(guān)設(shè)備代替人工進(jìn)行全區(qū)踏勘，形成精細(xì)的地表數(shù)字化平面圖，并輸入觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，實(shí)時(shí)智能形成野外施工設(shè)計(jì)與方案。利用4G網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)或工業(yè)局域網(wǎng)，搭建采集監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)影音系統(tǒng)，利用人工智能QC軟件協(xié)同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、人員實(shí)時(shí)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程全方位、智能化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)安全管理全覆蓋。

3.2 以深度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的處理與解釋技術(shù)方法構(gòu)建

為滿(mǎn)足煤炭資源開(kāi)采對(duì)地震數(shù)據(jù)處理的特殊需求，形成了一套以疊前深度偏移為核心的煤炭三維地震資料處理技術(shù)，獲得兼顧復(fù)雜構(gòu)造的精細(xì)刻畫(huà)與低信噪比成像的地震偏移數(shù)據(jù)體，其核心技術(shù)是不斷提高疊前道集的品質(zhì)和速度建模的精度的方法集成體系。深度域地震剖面與時(shí)間域地震剖面相比，具有地下構(gòu)造反映真實(shí)且直觀、易于應(yīng)用等特點(diǎn)，針對(duì)智能化開(kāi)采分米級(jí)的巖性識(shí)別需求，建立一套以深度域多屬性分析為核心的煤炭三維地震資料解釋技術(shù)，其核心技術(shù)是適合煤礦復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域的精細(xì)識(shí)別小微構(gòu)造的技術(shù)方法體系。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力不斷提升、求解運(yùn)算方法和處理、解釋流程的不斷優(yōu)化，更適應(yīng)于小微構(gòu)造成像和顯示的方法將得到進(jìn)一步發(fā)展。

3.3 “人工智能+”煤田物探技術(shù)展望

將人工智能與煤田地震勘探技術(shù)結(jié)合，解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的技術(shù)難題或替代人工勞動(dòng)，打破傳統(tǒng)物探技術(shù)的發(fā)展瓶頸。將人工智能與采集設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化觀測(cè)系統(tǒng)選擇、智能化布設(shè)炮檢點(diǎn)，從而降低人工經(jīng)驗(yàn)的高度依懶性；實(shí)現(xiàn)將人工智能與處理、解釋技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化初至拾取、速度分析和層位、構(gòu)造解釋等，在提高準(zhǔn)確性的同時(shí)解放勞動(dòng)力。

4 結(jié)論

當(dāng)常規(guī)三維地震勘探地質(zhì)構(gòu)造控制精度或下組煤及深部目的層勘探效果不能滿(mǎn)足煤礦安全高效生產(chǎn)地質(zhì)需求，或者需要開(kāi)展巖性地震勘探工作時(shí)，宜采用全數(shù)字高密度三維地震勘探方法。全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的變革是全方位的，不僅僅停留在技術(shù)本身優(yōu)勢(shì)，在三維地震勘探設(shè)計(jì)、采集、處理、解釋整個(gè)勘探流程中都有突破和創(chuàng)新，也促使在項(xiàng)目管理和質(zhì)量監(jiān)管方面采取新的應(yīng)對(duì)措施。全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)著施工設(shè)備、施工工藝的不斷改進(jìn)，新型設(shè)備的投入使用促使我們不斷改進(jìn)工作思路、優(yōu)化工作流程，盡最大可能地降本增效、保障質(zhì)量。如今，煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探體系僅是摸索建立階段，成果的取得更多的來(lái)自于數(shù)字檢波器應(yīng)用和觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的更新，采集、處理、解釋成本投入大，系統(tǒng)性的研究尚不完善，這需要煤田物探工作者繼續(xù)加大科技研發(fā)投入，利用大量的實(shí)踐機(jī)會(huì)培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才，推動(dòng)全數(shù)字高密度三維地震勘探體系趨向完善。下一步的研究方向應(yīng)著重于解決影響煤礦安全生產(chǎn)的重大地質(zhì)問(wèn)題，為地震勘探在煤炭開(kāi)發(fā)中的發(fā)展貢獻(xiàn)技術(shù)力量，為煤礦安全、高效、綠色生產(chǎn)提供保障。