复杂构造条件下多煤层地震勘探新思路

2018-05-07杨广宪杨臣明

中国煤炭地质 2018年4期

杨广宪，杨臣明

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

淮南煤田位于华北板块的南缘，秦岭纬向构造带北缘，东至华夏构造郯庐断裂，西抵阜阳断裂，整个煤田为一近东西走向的对称构造盆地。受秦岭纬向构造带南北向压应力的挤压作用，总体呈北西西向延展的复向斜构造，并在复向斜南北两翼发育了一系列走向压扭性逆冲断层，成复向斜两翼的叠瓦式构造，甚至部分地层自立倒转[1]。HDGD煤矿位于淮南盆地北部边缘中段，可采煤层较多。井田中北部逆断层、小断层和微小地质体发育，受南北挤压和东西拉伸应力影响，断层以东西走向和南北走向为主，伴有北西方向的断层，构造条件复杂。

1 技术难点

(1)经历了拉伸(东西方向)和挤压(南北方向)构造运动的改造，北部边界断层多、倾角大；速度横向变化大，地震观测窗口小，有效反射较弱，地震成像困难。

(2)受到相互垂直应力的影响，断层呈现交叉垂直现象，且主断层与地层倾向总体也存在垂直现象，常规地震勘探布线方式无法满足测线垂直于构造走向的要求。

(3)可采煤层多，上组煤(包括13-1和11-2煤以上煤层)反射波频率高、能量强、信噪比高。受到上部地层和上组煤屏蔽影响，中组煤(包括从4煤至8煤)和下组煤(3煤以下煤层)反射波频率低、能量弱、信噪比低。

2 数据采集

在煤田三维地震勘探中，野外数据采集的质量直接决定了地震勘探的成败[2]。

2.1 观测系统选择

2.1.1 全方位观测系统

目前煤田三维地震勘探多采用窄方位角束状观测系统，其炮检对方位数量主要集中在沿测线较窄的方位[3]。而全位观测系统所采集的炮检对方位数量在全方位上均匀分布，炮间距等于道间距，炮排距等于线间距，实现了正真的全三维数据采集。其优势在于：①可以从不同方向观测目标地质体，使每个方向的目标地质体都能清晰成像；②一次只滚动一条线，实现在纵横两个方向上连续采样，最大限度降低观测系统噪音，有利于弱信号成像；③全方位采集能最大限度减小横向上不同覆盖次数的过渡带，容易跨越地表障碍物和地下阴影带；④相对窄方位观测系统其成像分辨率更高，更有利于微小地质体成像；⑤有利于衰减相干噪声；⑥衰减多次波的能力优于窄方位角[4]。

2.1.2 “三小”高密度采集

面元的大小主要影响地震横向分辨率。通常情况下，在一个方向上分辨一个小目标需要2～3个CDP[5]。即在三维地震勘探中，分辨一个微小地质体需要4～9个面元，目标地质体越小，需要更小的面元才能分辨。

对于倾斜目的层来说，能够分辨目的层的直径Dx取决于倾斜同相轴的最高无混叠频率Fmax、同相轴的上一地层的层速度υint和地层倾角θ。对倾斜目的层的分辨可以表示为：

Dx=υint/(4Fmaxsinθ)

也就是说，大倾角地层需要更小的采集面元才能够分辨。当然，小面元也就意味着小炮距激发和小道距接收。实践证明，小道距、小炮距、小面元(“三小”)高密度采集有利于提高横向分辨率；有利于大倾角地层和微小地质体成像[6-7]。

2.1.3 高覆盖次数

理论上讲，地震波的信噪比在小于0.5时，信号无法分辨；当信噪比从0.5升到1时，分辨能力可以提高2.5倍；但当信噪比大于2时，对于分辨能力改善意义就不大了[7]。对于多煤层勘探而言，由于上组煤的屏蔽，中、下组煤层信噪比很低，因此，提高覆盖次数有利于中、下组煤弱反射信号成像。

综上所述，针对该区的构造特点和地质任务，经过正演模拟论证，最终决定采用16线10炮全方位角观测系统(如图1)，炮间距和道间距都是10m，炮排距和线间距都是100m，覆盖次数为64次(纵横向均8次)，图2为炮检对玫瑰图。

图1 16线10炮观测系统示意图Figure 1 A schematic diagram of 16 lines and 10 shots field setup

图2 炮检对玫瑰图Figure 2 Rose diagram of shot-geophone pairs

2.2 采集技术措施

2.2.1 采用数字检波器接收

数字检波器是加速度检波器，具有宽频带线性幅频响应特点，，频带范围为0～800Hz振幅误差小(为±0.25%)[8]。其数字检波器记录的动态范围远远大于地震信号的频率，而普通模拟检波器(速度检波器)有固定的主频和频带记录范围，只有近主频范围的信号会得到加强，反之削弱，超出其频带范围的信号衰减严重。图3是数字检波器与普通速度检波器的振幅与相位响应对比，可见，数字检波器在地震信号的有效频带范围内具有相同的响应特征，更容易无失真地记录低频信号和高频弱信号。

图3 数字检波器与普通速度检波器振幅响应对比(上)和相位响应对比(下)Figure 3 Comparison of digital geophone and ordinary velocity geophone amplitude response (upper) and phase response (lower)

本区主要可采煤层共5层，受上部煤层屏蔽影响，8煤以下反射波高频信号很弱，需要动态范围大、灵敏度高的检波器；同时，下组煤埋藏深，煤层反射波主频低，数字检波器更容易无失真地记录主频小于10Hz的低频信号。

2.2.2 单点、单分量采集技术

传统地震勘探在野外采用多检波器组合压制相干规则噪音，这种方法可提高信噪比，与此同时，它也带来资料频率和保真度方面的损失，在压制噪音的同时，也降低了地震信号的动态范围。本区构造复杂，小断层和微小地质体发育，采用单点激发和接收有利于提高资料纵横向分辨率，增加小断层、微小地质体的解释精度[9]。虽然这样降低了野外压制干扰波的能力，但可以充分利用全方位角高密度采集的优势，在室内消除规则干扰，同时，利用高覆盖次数提高微弱信号的信噪比。

2.2.3 激发岩性与药量选择

解释小断层，查清下组煤的构造，需要地震波具有高频率、大能量。但是药量大，激发能量虽得到增强，但激发子波的主频就会降低[10]。人工激发地震波场的强弱和激发频率与激发药量、激发药型、激发耦合和激发有效能量下传紧密相关[11]。在耦合没有问题的情况下，好的激发层位中激发的地震子波能量强、主频高。

针对不同地表优选物理点设计井深，确保炸药能够安放在最优的激发层位中，同时闷井激发，确保能量能够向下传递。适当加大药量，采用2kg大药量激发。

3 数据处理

地震数据处理是搞好复杂构造条件下多煤层勘探的关键一环。全方位数字高密度地震资料信息十分丰富，其地震资料处理涉及到能量补充、噪音衰减、静校正、动校正和偏移成像等各个环节，下面介绍其中的噪音衰减、静校正和叠前时间偏移技术。

3.1 基于空间子集的规则噪音衰减技术

在实现地震反射波无假频采样的同时，高密度地震数据也实现了对某些规则噪音的无假频采样。这种连续干扰波场，在地震数据集中特征明显，易于分辨和识别[12]。全方位角高密度地震技术具有空间采样均匀、对称、波场不失真的特点，为三维空间域信号、噪声波场分离技术的有效实施创造了有利条件。即便如此，也不可能实现各个方向都连续采样。为了弥补垂直接收线方向上单炮记录空间采样的不足，用垂直接收线的多个炮记录，按炮点到接收线的距离进行互换，模拟空间采样均匀炮集，即正交子集，然后进行去噪。去噪后再返回各炮记录，这是空间子集波场分离去噪的技术实质[13]。利用高密度资料空间子集3D-FK波场分离法对面波和主要线性干扰进行有效分离，实现传统采集资料难以达到的保真去噪效果。

3.2 弱信号同相处理

数字检波器动态范围大、灵敏度高、相频特征响应稳定，其宽频、弱信号的地震信息有利于对中、下组煤弱反射信息的分析研究。关键是如何利用数字高密度小面元高覆盖次数的技术优势提升高频弱信号的信噪比和边缘检测能力。

在传统处理技术的基础上，利用分频剩余静校正、高密度双谱速度分析校正等技术，逐步改善高频弱信号的同相处理水平，最终实现反射波同相叠加[13]。

3.3 叠前时间偏移技术

叠前时间偏移技术取消了输入数据为零炮检距的假设，避免了NMO校正叠加所产生的畸变，输入数据包含了各个炮检距的信息[14]，适用于大倾角和纵横向速度变化较大的情况下偏移成像，是目前偏移归位成像处理较理想的偏移方法。影响叠前时间偏移效果的三大因素是偏移速度、偏移倾角和偏移孔径[15]。HDGD煤矿逆断层发育，横向速度变化大，构造复杂。求取偏移速度时，从DMO速度入手，采用逐次迭代的办法，反复逼近，力求偏移速度准确；选择偏移倾角时，根据叠后偏移剖面并结合实际钻孔资料；在偏移孔径选择上，要建立在试验的基础上，充分考虑到地层倾角的因素，确保尽更多信息参与偏移，改善大角度地层偏移成像质量。