高密度和常规观测系统的河道成像效果分析

2021-01-29张宪旭

煤田地质与勘探 2020年6期

张宪旭

高密度和常规观测系统的河道成像效果分析

张宪旭

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

煤矿顶板砂岩水害严重影响着煤矿安全生产，河道砂体的有效识别对煤矿防治水具有重要的意义。基于地震数据识别河道是有效途径之一，但河道砂不是煤矿勘探的目的层，研究程度低，并且在地震数据成像中河道是一种线状、孤立的地质异常体，常被忽略，因此，在煤炭地震勘探中该项技术不够成熟。以淮北地区某矿的高密度地震数据在含煤地层上覆新近系中发现的河道为基础，在抽取8条线变换为常规观测系统后，以不同偏移距和方位角等观测系统参数为对象，对常规观测系统和高密度观测系统在剖面和平面图中的河道成像质量进行讨论。结果表明：0.8倍河道埋深的最大偏移距和全方位方位角情况下对河道成像较为有利，高密度较常规观测系统对河道成像较好，特别是振幅类属性上具有一定优势。

煤炭地震勘探；河道砂；方位角；偏移距；常规观测系统；高密度观测系统

煤矿顶板水害是由煤层上覆地层中的含水层通过裂隙和断层等导水通道涌入采煤工作面或巷道，严重恶化工作环境、影响矿井安全生产和威胁矿工的生命安全[1-3]。煤矿顶板含水层主要以砂岩为主，但现有的探测手段精确区分砂岩和泥岩比较困难，难以满足顶板水害防治的实际需求，因此，有效识别含水砂岩是煤矿水文勘探工作者迫切需要解决的难题[4-7]。

河道砂体在石油行业中是目标储层，石油勘探工作者围绕河道砂岩储层展开了广泛且深入的研究，针对河道砂体的成像取得了众多成功范例，被作为最典型的勘探成果出现在学术期刊和教科书中[8-9]。河道砂体在地震数据的层属性中主要呈现弯曲、线状的属性异常，具有典型的地质特征，通常作为判别砂岩储层的直接证据[10-11]。但是在煤炭地震勘探中罕有河道砂体成像的报道，这主要是因为河道作为一种线状、孤立的地质异常体，横向宽度只有几米到几十米，在地震剖面上只有几道，如不刻意寻找不容易被识别[12-13]；另外，煤炭勘探工作的目标层位是煤层[14-15]，对砂岩研究没有煤层那么深入，对河道引起的数据异常认识不足；最后，通常认为河道的发育规模较大，沉积规模一般在上百千米范围[16]，而煤矿采区地震勘探面积较小(通常几千米)不容易发现河道。

在三维地震发展初期，受到地震仪的带道能力限制，三维地震主要是以常规观测系统为主[17-18]。近些年，在石油和煤炭系统中为了提高探测精度在逐步推广全数字高密度地震勘探技术，在构造和岩性勘探中取得了较好的探测效果，并且针对煤层顶板砂岩也逐步开展一系列研究[19-20]。2019年中煤科工集团西安研究院有限公司在淮北地区某煤矿开展了高密度三维地震探测，依据地震数据在含煤地层上覆的新近系内部发现了典型的曲流河，河流在剖面中同相轴呈现向下弯曲的异常，在平面上呈现线状、弯曲的特征。此发现改变了煤炭地震勘探对河道砂体一些认识，基于此，笔者以此高密度地震数据为基础，通过抽取8条线将高密度观测系统转换为常规观测系统，以偏移距、方位角等观测系统参数为对象，围绕河道成像开展对比与讨论，分析常规和高密度观测系统对河道成像质量的影响。

1 勘探区概况

勘探区位于淮北煤田南部宿州市境内，地表为第四纪平原，地震施工条件较好，井田属华北型石炭–二叠纪隐伏式煤田，受到构造运动的影响，地下构造较复杂。

1.1 地质与水文地质情况

勘探区内地层由老至新依次发育为：奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系(图1)。含煤地层主要为二叠系山西组和下石盒子组。区内新近系和第四系总厚度在360 m左右，古沉积环境以湖相、河流相沉积为主。其中，新近系与下伏二叠系呈不整合接触，岩性以钙质黏土、泥灰岩、黏土为主，区内分布稳定。地层内部有沉积间断所形成的剥蚀淋滤淀积层，构成沉积间断的古剥蚀面。水文地质方面，依据地层岩性划分为4个含水层，含水地层岩性主要为砂岩或砾岩。含水层中的地层水受采动影响通过浅部裂隙带和导水裂缝带渗入排泄，是矿井充水的主要补给水源之一[20]。

其中第三含水层为河湖相沉积物，岩性由砾石、中砂、细砂或粉砂岩组成，砂层呈松散状，分选性好，单层厚度大。地层平均埋深在340 m左右，层间常含有1~3层凸透镜状钙质胶结的砂砾岩，层厚1~3 m砾(图1b)，含水层受沉积环境影响横向岩性变化大。

图1 第三含水层邻近地层柱状图

1.2 河道识别

勘探主要目标层为煤层，同时煤层上覆地层的含水层位也是勘探目标之一。由于含煤地层与上覆新近系之间呈角度不整合关系，在煤层露头附近煤层与新近系直接接触，新近系内部的含水层直接威胁着采矿安全。因此，查明新近系内部的砂岩含水层的位置、空间展布、富水性、补给条件及矿体之间的空间位置与接触关系是本次煤矿水文地质勘探的目标之一[21]。基于数据对新近系的隔水层(泥岩)和含水层(砂、砾岩)的展布进行解释，在新近系内部层位(310 ms)中发现了典型的曲流河(图2)，经过井震标定为第三含水地层，河流的存在也与第三含水层的河湖相沉积地质背景相吻合，河道在剖面中呈现透镜状异常，在沿层切片中呈现弯曲线状地质异常体与河道砂岩空间形态相吻合。这是依据地震数据识别含水砂岩的最直接的证据，对煤层上覆砂岩含水层的识别和展布关系的认识具有重要意义。

2 不同观测系统参数对河道成像对比

2.1 采集情况和观测系统抽取

区内的煤层整体构造形态为一单斜构造，倾角10°~15°，埋藏深度为660~900 m，受到地质运动的影响地下断层较为发育。勘探区主要目标层为煤层，依据目的层的地质情况，为了获得较好的横向分辨率、信噪比和完整的地震波场，野外施工采用了全数字高密度三维地震勘探，勘探面积为2.7 km2，观测系统采用24线4炮制，其中最大偏移距为900 m，排列横纵比为0.68，具体参数见表1。

图2 地震数据中的河道

表1 观测系统参数

高密度观测系统和常规观测系统主要是在偏移距、方位角和覆盖次数等参数上有较大不同，而这对地下地质体的信噪比、照明度和成像质量有着直接的关系[22]。而从数据中识别出的河道横向宽度在8道(40 m)左右(图2a)，在剖面中河道异常很小，如果在采集参数、处理参数和解释层位选择中没有考虑河道的成像，异常容易被忽视，因此，对数据的偏移距和方位角等观测参数的讨论是十分必要的。由于当前勘探的观测系统参数设计是针对煤层，使用的观测系统是以满足煤层最大埋深而设计，并且采集采用的是宽方位高密度采集，观测系统的横纵比达到了0.68，最大偏移距和方位角参数对新近系地层都有较大冗余，运用此数据对偏移距和方位角参数进行讨论有较好的理论前提，而覆盖次数参数由于需要以改变线距和道距为前提，因此，将在此不做单独讨论。

2.2 观测系统参数对比

a.偏移距参数对比地震勘探中最大偏移距一般与最深目的层埋深相当，而发现的河道埋深在350 m左右。因此，选取400、300、200、100 m最大偏移距参数进行对比(相应的覆盖次数分别为48、32、24、12次)。

从不同偏移距参数对比(图3)可以看出，400 m偏移距的数据(图3a)的信噪比较高，同相轴连续性较好，但数据的分辨率较低。这是因为偏移距较大的情况下，数据覆盖次数较高(48次)，因此，信噪比较高，同相轴连续性好，但大偏移距的数据由于动校拉伸的作用，数据低频成分较多分辨率较低；而300和200 m偏移距数据(图3b和3c)，覆盖次数为36和24次，因此信噪比适中，分辨率较高，同相轴连续性较好；在100 m偏移距的数据(图3d)中，覆盖次数为12次，虽然分辨率较高，但数据的信噪比降低比较严重，同相轴连续性较差。综合4种情况可知，最大偏移距参数对数据的频率、信噪比和连续性有影响。随着最大偏移距参数增加，数据的覆盖次数增加，数据连续性增强，河道成像质量提升，但当偏移距超过300 m时，虽然数据覆盖次数增加，由于频率降低成像反而变差，高覆盖次数和高信噪比已失去意义。因此，综合考虑分辨率和信噪比2个参数，对于本次数据河道的成像，选择200~300 m最大偏移距(0.8倍左右的埋深)为最终成像参数。

b.方位角参数对比根据偏移距参数的测试，选取河道成像300 m的最大偏移距参数为最终成像参数。从图4b可以看出，偏移距在500 m以内数据已经达到全方位观测(360°)，因此，数据具有对不同方位角数据的河道成像效果进行讨论的基础。由于500 m偏移距以内的有效覆盖次数较低，为了保证数据有一定的覆盖次数，将最大偏移距300 m的数据以60°为单位，将数据分为3个方位角330°~30°和、30°~90°和90°~150°(相应的对称方位角范围为150°~210°、210°~270°和270°~330°)对数据进行讨论。其中全方位角数据的覆盖次数为36次，分方位角数据的覆盖次数分别为12次。

从第三含水层的层位(图4a)可以看出，由于河流连续转弯(InLine438线与河流相交3次)，在交点处河流与线方向的夹角分别约为90°、65°和80°。从数据对比可以看出，全方位角数据(图4f)由于覆盖次数较大信噪比较高，而分方位角数据由于观测角度与河道方位的不同成像有一定的差异，对比3个分方位角的偏移结果可以看出，与河道方向垂直的数据同相轴连续性差，但同相轴曲率较大，河道异常比较明显，如在330°~30°方位角的数据中(图4e)，交叉点①和③，方位角30°~90°的数据中(图4d)交点②；相对的观测角度与河道夹角越小，同相轴连续性较好，但同相轴曲率变小，河道异常相对不明显，如在90°~150°方位角的数据中(图4c)交叉点①、③和30°~90°方位角数据中(图4d)交叉点②。

Xline560数据连续与河道交叉7次，与前述情况类似。全方位数据由于覆盖次数较高，在分方位角数据中，顺着河流方向(0°)的方位角330°~30°的数据中(图5d)河流的曲率较缓，河道异常相对不明显，同相轴连续性较好；与河流方向相对有一定夹角的30°~90°和90°~150°和数据中，河道曲率较大，异常较明显，同相轴连续性较差。综上，根据全方位和分方位角情况可知，河道的曲率和成像质量在不同方位角观测下的曲率、异常清晰程度和连续性是不同的，因此，在河道方向变化较大的情况下，全方位角的观测河道成像更为稳定，而且较大的方位角带会提高覆盖次数，使得数据信噪比提高，从而提高成像质量。

图3 不同偏移距下的河道成像

(a) 剖面位置；(b) 玫瑰图；(c) 方位角90°~150°；(d) 方位角30°~90°；(e) 方位角330°~30°；(f) 全方位

3 常规束状和高密度观测系统对比

煤炭常规地震勘探通常使用的是8线制窄带观测系统，高密度勘探使用的是宽方位观测系统。为了对比2种观测系统的特点，抽取高密度观测系统(图6b)近炮点的8条线，将数据转换为常规观测系统(图6a)。从2种观测系统的玫瑰图(图6c、6d)可以看出，高密度观测系统中横向最大偏移距为800 m，纵向最大偏移距为500 m；常规观测系统中横向最大偏移距为700 m，纵向最大偏移距为200 m。常规观测系统数据中，横向最大偏移距有所不足，数据主要(有较高覆盖次数)集中在角度330°~30°以内(图6)，通过2.2节结论可知，过小的方位角信息会对河道成像有所影响。

对比常规观测系统和高密度观测系统的数据剖面(图7)，高密度观测系统数据相对常规观测系统数据有较高的信噪比，河道成像的同相轴连续性相对较高，但两者数据在视觉上差异较小。这是因为常规观测系统数据虽然主要集中在330°~30°以内，但是更小偏移距内数据还有其他方位的信息，对单一方位角的缺陷有一定的弥补作用。

分别对常规和高密度数据拾取的第三含水层的层位可以看出(图8a和8b)，在层位时间属性中两者差异较小，高密度数据的时间属性中河道略好于常规数据，这说明河道在地震数据中的河道曲率信息差距不大，这主要是因为在常规数据中200 m移距以内的方位角数据还是可以达到较大方位角观测。分别根据常规和高密度数据提取沿层均方根振幅属性(图8c和图8d)，对比属性可以看出，全方位的均方根振幅属性信噪比明显高于常规观测系统数据，河道异常更为清晰，特别是在河道近南北方向。这是因为常规观测系统覆盖次数较高密度数据覆盖次数低，并且由于数据照明主要集中于330°~30°，而河道属于近南北流向时成像由于偏移和方位角范围不够造成振幅属性收敛不够，河道振幅属性不突出，造成了河道异常在常规数据的均方根属性平面图中识别较困难。

(a) 剖面位置；(b) 方位角30°~90°；(c) 方位角90°~150°；(d) 方位角330°~30°；(e) 全方位

(a) 常规观测系统；(b) 高密度观测系统；(c) 常规观测系统玫瑰图；(d) 高密度观测系统玫瑰图

(a) 剖面位置；(b) 常规InLine438剖面；(c) 常规InLine438剖面；(d) 高密度Xline560剖面；(e) 高密度Xline560剖面

(a) 常规层位平面图；(b) 高密度层位平面图；(c) 常规均方根振幅平面图；(d) 高密度均方根振幅平面图

4 结论

a. 地震数据中河道是识别砂层的直接证据，依据地震数据识别河道寻找含水砂岩是规避煤矿水害威胁的有效途径。河道在地震剖面中具有同相轴下凹和振幅局部增强的特点，异常较小不易识别，但在平面时间和振幅属性中呈现弯曲状的线状异常，河道异常容易被识别。

b.河道是一种线状且弯曲的地质异常体，不同观测系统参数对河道成像有较大影响。最大偏移距参数选择约0.8倍河道埋深时河道成像较好，偏移距过大由于动校拉伸作用会降低数据分辨率，偏移距过小会因为覆盖次数不足信噪比过低，降低识别精度；河道方向与数据观测的方位角有直接关系，当方位角与河道方向垂直时河道异常较明显，与河道方向平行时河道异常不明显。

c. 曲流河河道方向在局部变化较大，高密度观测系统方位信息丰富，河道方向改变对河道成像影响较小。常规观测系统由于数据主要集中在有限的方位角内，无法应对河道方向改变造成的成像质量下降，特别是振幅类属性成像质量下降较大。

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Analysis of channel imaging effect of high density and conventional observation system

ZHANG Xianxu

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi_an 710077, China)

The water disaster of sandstone on the roof of the coal seriously affects the safe production of coal mines, and the effective identification of channel sand is of great significance for mine water control. Channel identification based on seismic data is one of the effective ways, but channel sand is not the target layer of coal mine exploration, so the research degree is low, and in seismic data, channel is a linear and isolated geological anomaly wihich is often ignored, so this technology is not mature enough in coalfields. Based on the channel discovered in Neogene overlying coal strata from high density seismic data of a coal mine in Huaibei area, the high density observation system is transformed into the narrow band observation system after extracting 8 lines, this paper discusses the imaging quality of conventional observation system and high density observation system in cross section and plane. The results show that the maximum offset of 0.8 times buried depth and full azimuth are the more favorable for channel imaging. Therefore, high density observation system has a good image of the river channel, especially in the amplitude attributes.

coal seismic exploration; channel sand; azimuth; offset; conventional observation system; high density observation system