相同条件下数字检波器与模拟检波器的三维地震勘探效果对比分析

汤红伟

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

相同条件下数字检波器与模拟检波器的三维地震勘探效果对比分析

汤红伟

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

文献资料表明，全数字高密度三维地震勘探技术能够提高地震波的纵、横向分辨率，进而提高煤田地震勘探成果的精度。但模拟检波器与数字检波器(高密度)的勘探效果的对比，往往是在不同采集时期、不同覆盖次数、不同面元网格下进行的，这种对比因时间、空间、激发及接收条件存在差异则不具备科学性。针对这一问题，采用相同的激发、接收条件及相同的处理流程和参数，对模拟检波器与数字检波器进行地震数据采集和处理，以比较两者之间的勘探效果。实际资料表明：在相同条件下，数字检波器比模拟检波器采集的单炮记录频率响应宽、动态范围大；采用相同的处理流程与参数，时间剖面上，数字检波器比模拟检波器具有较强的弱小信号分辨能力，而且能有效拓宽目的层反射波频带和提高主频；数字检波器采集的资料包含较多的低频有效信息，有利于岩性分析。

模拟检波器；数字检波器；反射波频带；全数字高密度三维地震勘探

0 引言

众所周知，地震数据采集是利用地震检波器将振动信号转换为电信号并储存记录的过程，地震信号具有动态范围大、频率范围宽、速度变化快，背景噪声强等特点，因此要求使用的检波器必须满足失真度低、频率响应范围宽、灵敏度高和噪声小的特性。传统的模拟检波器因其频带窄、动态范围小、灵敏度低、一致性差的特性，严重影响了勘探精度的提高。试验测试数据表明，数字检波器具有抗电磁干扰能力强、频率响应范围大、信号失真度低的特点，从理论上讲，数字检波器三维地震勘探技术能有效提高地震勘探精度，作为一种新的地震勘探技术，数字检波器三维地震勘探技术在煤田地震勘探中已投入使用并且取得了一定的效果。然而常规三维地震勘探多采用的是10m×10m的面元网格、覆盖次数为12次或者24次，全数字高密度三维地震勘探采用的是5m×5m的面元网格、覆盖次数为64次，从勘探投入来看，数字检波器三维地震比模拟检波器三维地震的成本投入一般高出3～4倍，勘探精度提高应在情理之中；从技术角度分析来看，随着计算机水平的发展，观测系统的设计更加合理、科学，设计覆盖次数显著提高，地震数据的处理技术也取得长足进步，叠前偏移技术被广泛使用，地震反演及地震属性技术被广泛应用到数据解释工程中，这些技术方法的应用也大大提高了勘探精度。所以，同一区域不同时期进行的模拟检波器同数字检波器三维地震在野外数据采集参数设计、处理流程模块选择及解释方法选择上都有很大不同，单纯的从勘探效果上进行比较，并不科学。为真正实现两种检波器的勘探的效果对比，为后续煤田地震勘探选择合理的勘探方法提供依据，中煤科工集团西安研究院有限公司在焦作矿区采用相同的施工参数、相同的处理流程与参数及同样的解释方法进行数字检波器与模拟检波器的勘探效果的对比研究。

1 试验区选择

为更好对比勘探效果，在试验区选择上主要考虑以下因素：以往三维地震勘探成果且验证效果较好、且很快被揭露的区域；地表条件简单、成孔难度小。综合考虑，选择赵固某矿勘探面积为0.6km2的区域作为试验区，试验区及周围区域于2007年进行过三维地震勘探，采掘资料显示，原三维地震勘探解释的落差大于5m的断层准确率约为70%，落差3～5m的断层验证准确率约为30%，采掘巷道即将进入试验区。

试验区地形平坦，乡间公路纵横相连，交通便利，地面标高80m左右。区内主要可采煤层为二叠系下统山西组的二1煤层，煤层厚度6m左右，埋藏深度550～600m，地层倾角5°左右。试验区内有两条断层，最大落差分别为15、20m。

2 数据采集

2.1 观测系统设计

观测系统参数设计前，对以往施工的三维地震勘探的试验单炮记录与剖面进行了分析。分析认为，野外资料采集和数据解释存在问题，主要表现为面元大、排列长度小，除煤层反射波、新生界底界面反射波外，其余反射波(波组)特征不明显，断层切割深度难以判断；覆盖次数低，部分地段地震资料的信噪比较低、目的层的连续性较差，深层资料的频率低，分辨率差，解释煤层内落差小于5m的断层比较困难。针对原三维地震勘探存在的问题，通过室内计算得到的观测系统基本参数为：线距40m，道距10m，CDP网格5m×5m，覆盖次数24次。通过对多个观测系统的比较，选择了8线16炮制观测系统，观测系统参数为：线距40m、道距10m、CDP网格为5m×5m、接收线8条、单线接收道数为120道、中点激发、最大炮检距632m，下束重叠上束测线4条，设计线束4束。

2.2 测线布置

为了对比数字检波器与模拟检波器的勘探效果，在同一条测线上分别布置60Hz的模拟检波器采集链与单分量数字检波器采集链，同一测点上数字检波器与模拟检波器的间距为30cm，数字检波器采集链与模拟检波器采集链应用交叉站链接，单线接收的测点布置图如如1所示。

图1 单线接收的测点布置示意图Figure 1 A schematic diagram of single line receiving point layout

2.2 野外施工

施工过程中，采用每激发一炮，采用两种检波器同时接收信号。因数字检波器与采集站是一体化的，且检波器的尾椎较粗，直接埋置时很难与地面耦合，因此在施工中配置了专门的检波器埋置成孔工具，成孔工具的外径要略小于数字检波器的外径。由于选择的施工地点为地表无障碍区，施工中基本没有变观炮点。按照《煤炭煤层气地震勘探规范》的评级标准，取得的数字检波器记录与模拟检波器的纵波数据均为甲级记录(图2)。比较发现，数字检波器记录的视信噪比较低。

3 资料处理

3.1 单炮对比分析

资料处理前，对模拟检波器与数字检波器记录的原始单炮记录分别进行频谱、相位、信噪比分析(图3、图4、图5)。

a 模拟检波器记录 b 数字检波器记录图2 模拟与数字检波器的原始单炮记录对比Figure 2 Comparison of original single-shot records from analog and digital geophones

a 模拟检波器频谱 b 数字检波器频谱图3 模拟与数字检波器原始单炮的频谱对比Figure 3 Comparison of original single-shot frequency spectrums from analog and digital geophones

a 模拟检波器单炮相位谱 b 数字检波器单炮相位谱图4 模拟与数字检波器原始单炮相位谱对比Figure 4 Comparison of original single-shot phase spectrums from analog and digital geophones

a 模拟检波器炮集信噪比 b 数字检波器炮集信噪比 图5 模拟与数字检波器原始炮集的信噪比对比 (蓝色、黄色代表信噪比较高区域、红色代表信噪比较低区域)Figure 5 Comparison of original shot gather S/N ratio from analog and digital geophones

图3的频谱对比说明数字检波器频带较宽，高频能量衰减弱。当数字检波器在-30dB能量位置，其频谱范围可达265Hz(5 ～270 Hz)，而模拟检波器在-30dB能量位置，其频谱范围为220Hz(10 ～230 Hz)。另外，数字检波器频率达到500Hz时，其能量为-58dB，而此频率下的模拟检波器的能量为-73dB，说明数字检波器资料比模拟检波器资料高频能量强。

由图4的相位对比可以看出，数字检波器的相位在-25°～25°，模拟检波器的相位在-30°～30°，说明数字检波器资料比模拟检波器资料的相位一致性要好。

图5为原始炮集信噪比对比图，从图中可以看出，模拟检波器原始数据信噪比高于数字检波器。

3.2 关键处理技术

为了有效对比勘探效果，对数字检波器与模拟检波器记录采用了同样的处理流程、相同的处理参数进行了处理。主要处理流程为空间属性定义-静校正-噪音衰减-反褶积-叠加-偏移。为提高信噪比及考虑后续叠前时间偏移处理的需要，在保幅的基础上，采用了保真去噪及保真提高分辨率的关键技术。

3.2.1 保真去噪技术

两种检波器的记录资料分辨率都较高，但干扰严重，淹没了有效信号，影响了目的层成像精度，因此，提高资料的信噪比成了资料处理的关键技术。分析发现，原始单炮记录中存在着不同的干扰波，这些干扰波主要包括强面波干扰、异常振幅、线性干扰和随机噪声等。叠前去噪的原则是针对不同类型的噪声，采用不同的方法进行分类消除，而在剔除和衰减噪声的同时，要尽量多保留有效反射信号，同时又不能产生较多的副作用。因此，在去除噪音时，采用多域多系统组合去噪，先强后弱、先相干后随机、循序渐进、逐级去噪、逐步提高资料信噪比。处理时主要采用了谱编辑面波压制技术+异常振幅压制技术+F-X域相干噪声压制技术+分频去噪技术+多道倾角线性噪声压制技术+十字交叉排列域噪声压制技术+剩余的噪音衰减等噪音处理技术流程。谱编辑面波压制能将任意频带内的噪声能量衰减到绝大多数有效信号的能量级别。利用异常振幅噪音处理技术，可以把在一定的频率范围内，超过阀值的噪音进行衰减去除。分频去噪技术以加权中值为参考，自动识别出噪声，并根据噪声与信号的数值关系，计算出加权曲线，对于不同频带内的噪音进行衰减，分频技术对于剩余线性噪音、次生干扰等都非常有效。而十字交叉排列域噪声压制技术不但能去除面波假频而且体波被很好的保留而不受伤害，保幅性高。处理后，资料的信噪比得到了较大的提高，尤其是数字数字检波器的炮集信噪比提高幅度较大(图6)，这是因为数字检波器把面波等规则噪音完整记录下来，而模拟检波器记录的噪音信号出现了部分假频，从而使得数字检波器记录更容易进行信噪分离。

3.2.2 提高分辨率技术

地震资料在采集过程中受速度、厚度、地表地形和潜水面等地震地质条件的影响，产生了除正常时差校正后的剩余静校正外，还存在因干扰波导致的反射波的能量和波形发生畸变的问题。反射波的能量畸变可以通过去噪、振幅补偿等处理进行消除，而对于波形畸变则要通过波形校正、相位校正、反褶积等手段进行消除。处理时采用了叠前组合反褶积与叠后Q补偿技术。地表一致性反褶积算子稳定、 抗干扰能力强，对子波相位有一定的调整作用，使用反褶积后目的层主频由32Hz提高到60Hz，有效提高了成像精度。Q补偿是一种补偿大地吸收衰减效应的技术，它可以改善地震记录的相位特性，从而改善地震同相轴的连续性，提高弱反射波的能量和地震资料的信噪比和分辨率。Q补偿后地下反射层高频成分得到恢复，振幅能量关系保持良好，子波压缩效果明显，分辨率提高，主频由45Hz提高到了70Hz左右，满足了后续解释的要求。

a 模拟检波器炮集信噪比 b 数字检波器炮集信噪比图6 模拟与数字检波器原始数据去噪后炮集信噪比对比 (蓝色、黄色代表信噪比较高区域、红色代表信噪比较低区域)Figure 6 Comparison of original data after denoising shot gather S/N ratio from analog and digital geophones

3.3 处理效果分析

处理后，偏移剖面的频谱分析中，在-30dB能量位置，数字检波器的频谱范围为150Hz(10～160Hz)，最高频率为450Hz，模拟检波器的频谱范围为140Hz(10～150Hz)，最高频率为450Hz。偏移剖面上，数字检波器的反射波组较多，且弱层发射也有较好反应，但模拟检波器反射波组相对较少，且对于弱层反射的记录较少(图7)。

图7 模拟检波器与数字检波器的偏移剖面对比Figure 7 Comparison of migrated sections from analog and digital geophones

4 结论

1)比较单排记录可知，在相同的激发、接收条件下数字检波器比模拟检波器采集的单炮记录中频率响应宽、动态范围大。

2)比较时间剖面可知，采用相同的处理流程与参数，时间剖面上，数字检波器比模拟检波器具有较强的弱小信号分辨能力，而且能有效拓宽目的层反射波频带和提高主频。

3)从岩性勘探的角度出发，数字检波器采集的资料包含较多的低频有效信息，有利于岩性分析。

4)数字检波器一般与高密度三维地震勘探同时使用，投入相对较高，因此，在检波器选择时应考虑地质任务精度要求。

[1]武喜尊.高密度采集技术在煤田勘探中的应用[J].物探装备,2008(2). 24(3)：40～44.

[2]梁运基,立桂林.陆上高分辨率地震勘探检波器性能及参数选择分析[J].石油物探，2005，44(6)：640～644.

[3]曹务祥.模拟和数字检波器的资料响应特征对比分析[J].勘探地球物理进展，2007，30(2)：96～100.

[4]金丹，程建远，等.高密度全数字检波器地震资料处理的关键技术研究[J].中国煤炭地质,2015,27(3):64-70.

[5]郭建，马国庆，宗遐龄，等.基于微机电系统的数字检波器及其应用[J].石油物探，2005，44(4)348-351.

[6]冯刚，毕丽飞，李建明.单点数字检波器地震资料特点及处理对策[J].石油地球物理勘探，2008，43(2)：115-120.

[7]陈志德，关昕，李玲.数字检波器地震资料高保真宽频带处理技术[J].石油地球物理勘探，2012，47(1):46-55.

[8]张志锋，刘胜，刘远志.数字检波器与模拟检波器采集效果对比[J].物探装备，2013，23(1):1-7.

[9]杨德义，赵镨，王慧.煤砂三维地震勘探技术发展趋势[J].中国煤炭地质，2011，23(6).

[10]田忠斌，高精度三维地震勘探关键技术研究及应用[J].中国煤炭地质，2010，22(3).

ComparativeAnalysisofDigitalGeophoneandAnalogGeophone3DSeismicProspectingResultsunderSameConditions

Tang Hongwei

(Xi'an Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi'an, Shaanxi 710077)

The bibliographical information have shown that the full digital high density 3D seismic prospecting technology can improve vertical and horizontal resolution of seismic waves, further enhance prospecting result accuracy. But the comparison of prospecting results from analog geophone and digital geophone (high density) usually carried out under different acquisition times, different folds and different surface element grids, thus the comparison will not be scientific because of differentials in time, space, shot and receiving conditions. In allusion to this issue, using same shot and receiving conditions and same processing procedure and parameters, carried out seismic data acquisition and processing through both analog geophone and digital geophone to compare prospecting results of the both. The actual data have shown that under the same conditions, the single-shot record from digital geophone comparing with from analog geophone has wider frequency response, larger dynamic range. Using same processing procedure and parameters, digital geophone has stronger weak signal resolving power than analog geophone on time section, and can effectively broaden target reflection wave band and enhance master frequency. In addition, digital geophone acquired data include more low frequency effective information in favor of lithological analysis.

analog geophone; digital geophone; reflection wave band; full digital high density 3D seismic prospecting

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.13

1674-1803(2017)10-0076-05

A

汤红伟(1980—)，女，博士，河南信阳人，副研究员，从事地震资料处理研究。

2016-12-22

责任编辑：孙常长