煤矿采区高密度三维地震勘探模式与效果
2021-01-30金学良
金学良,王 琦
煤炭资源安全高效绿色智能开采,对煤矿地质保障系统提出了新的更高的要求。煤矿采区三维地震勘探技术是煤矿地质保障系统的核心技术之一,在超前查明采区地质条件、保障安全高效开采中发挥了巨大作用,但是在小断层、陷落柱以及岩性勘探等方面仍存在不足。随着电子技术、计算技术、信息技术、仪器制造等多学科的融合发展,高密度三维地震勘探技术日趋成熟。以“两宽一高”为特色的高密度三维地震在石油天然气领域取得了显著的效果,近年来正在煤炭系统进行推广应用。
为了促进高密度三维地震技术发展,交流共享煤矿采区高密度三维地震勘探技术方面取得的科技成果,推动我国煤炭工业高质量发展,《煤田地质与勘探》编辑部特邀中国矿业大学董守华教授、中煤科工集团西安研究院有限公司程建远研究员担任客座主编,中国煤炭地质总局孟凡彬正高级工程师担任客座编辑,共收到投稿文章23篇、本期专题选登13篇,内容覆盖了煤矿采区高密度三维地震采集、处理、解释与应用方面,展示了我国煤炭高密度三维地震勘探技术的进步,对今后该技术的创新发展和推广应用具有重要的意义。
煤矿采区高密度三维地震勘探模式与效果
金学良,王 琦
(淮北矿业(集团)有限责任公司,安徽 淮北 235000)
煤矿安全高效生产对三维地震勘探精度要求越来越高,如何进一步提高勘探精度,设计思路、采集方法、处理和解释过程中的每个环节都至关重要。煤矿采区高密度三维地震勘探采用数字检波器接收,观测方式为全方位、高密度、大偏移距,获得更接近理想波场的信息;采用宽频带处理,获得宽频带、高保真度的数据体,为解释工作打下良好基础。以淮北矿区近年施工的高密度三维地震勘探工程为例,从观测系统设计优化、处理解释思路及方法、工程施工过程控制等方面入手,总结出一套煤矿采区高密度三维地震勘探新模式,对进一步提高煤矿采区三维地震勘探精度以及为煤矿采区设计、工作面开采提供详实的地质保障基础资料具有一定的意义。
高密度三维地震;全三维观测系统;叠加次数;处理方法;地质保障
煤矿资源安全高效生产在很大程度上依赖于对地下地质条件的査明程度。髙分辨率地震勘探技术作为煤炭资源勘査的主要手段,在构造地质条件探査中发挥了重要的作用[1]。目前,常规三维地震勘探对小构造、陷落柱的探査精度偏低,无法满足机械化开采对于地质条件査明程度的需要[2-4]。理论上讲提高空间采样密度、缩小面元尺寸能够有效地改善地震数据品质,提高成像精度[5]。
高密度地震技术是近年来国内外发展较快的物探技术之一,该方法采用单点数字检波器接收,具有保真度高、频带宽、低频信息丰富、分辨率高的特点[6]。在国外,1988年,首次提出了不受约束采集(uncommitted Acquisition)的思想,2002年这种思想被实践,并引出“高密度采集”(High-density)这一概念[7-8];2003年挪威PGS公司推出了高密度三维地震技术(High Density Three Dimension seismic Exploration,简称HD3D),首次阐述了海上HD3D的概念[9]。在国内,全数字高密度地震勘探技术在油田领域进入了推广应用阶段,2006年以来在塔中地区、准噶尔盆地西北缘、吐哈盆地丘陵油田等重点地区开展了高密度三维地震工程。在煤炭领域,潞安矿区高河煤矿采用道距为10 m,叠加次数40次的采集参数进行了高密度三维地震勘探,修正了先前常规三维地震勘探的解释误差[10];2007年东方地球物理公司对淮南丁集煤矿西翼首采区进行了全数字高密度三维地震勘探,所用的面元网格为5 m×5 m。全数字高密度三维地震勘探结果表明:相比原勘探成果中落差6~8 m的断层不能被查明的情况,高密度地震勘探中2 m断距的断层显示得非常清楚,查明了含煤地层的起伏形态,并解释出了幅度在3 m以上的小褶曲[11]。
自2014年开始,淮北矿业集团先后在14对矿井26个采区开展了煤矿采区高密度三维地震勘探的生产、试验和研究工作,勘探面积达到150 km2,总物理点32万炮。淮北矿区作为中国东部煤田地震地质条件较为典型的矿区,通过对大量高密度三维地震资料的分析、研究,总结出了“一全(全三维)、二宽(宽方位、宽频带)、三高(高密度、高分辨、高保真)、四精(精致设计、精心施工、精细处理、精确解释)”的煤矿采区高密度三维地震勘探模式(以下简称“1234”),并进行了推广与示范,为煤炭安全高效开采提供有力的地质保障[12-14]。
1 高密度三维地震与常规三维地震对比分析
1.1 地质任务对比
对比全数字高密度地震勘探与常规三维地震勘探地质任务可以发现:高密度三维地震勘探在地质任务上最大变化是对于断层落差解释的要求由5 m以上(含5 m)提升为3 m以上(含3 m),落差3~5 m的小断层是高密度三维地震勘探重要的地质任务。随着叠加次数的大幅度增加,其资料的信噪比高于常规三维地震;高密度三维地震勘探采用的5 m×5 m小面元网格提高了地震成果的横向分辨能力,减小了构造的平面摆动误差;同时,高密度勘探采用数字检波器单点接收,频带较宽,低频信号丰富,有利于岩性解释。
1.2 采集方法对比
高密度三维地震勘探与常规三维地震勘探的观测系统主要不同之处在于:高密度三维地震勘探面元小,道距和炮距都小于常规三维地震勘探;高密度三维地震勘探一般采用多线宽方位采集,常规三维地震勘探一般采用窄方位,每束的线数也都小于高密度三维地震勘探观测系统,高密度三维勘探线束间横向重叠线数、叠加次数也远高于常规三维地震勘探。因此,从面元尺寸、方位角、叠加次数等方面,高密度地震勘探都有其独特的优势。
1.2.1 小面元地震采集
高密度三维地震观测系统采用比常规三维地震观测系统的面元尺寸更小,炮点密度更高,这使得采集数据在横向上有与纵向相近的数据密度,有利于应用一些新技术进行更加保幅的去噪,有利于复杂构造的偏移成像。小面元采集是提高横向分辨率的重要手段,在某种意义上也有利于提高纵向分辨率。
1.2.2 全方位角地震采集
通常宽、窄方位角观测系统的定义为:当横纵比大于0.5时,为宽方位角采集观测系统;当横纵比小于0.5时,为窄方位角采集观测系统[15]。常规三维地震勘探大多采用窄方位角观测系统,其优点是炮点检波点布置简单,野外施工方便;缺点是排列横纵比小,所获信息主要来自纵向,横向信息不足,对于诸如褶曲发育等地下地层走向复杂地区难以选择合适的布线方向,不利于后期偏移成像,而宽方位地震采集弥补了窄方位采集的这些缺点。
1.2.3 高叠加次数
高密度三维地震勘探的叠加次数普遍大于常规三维地震勘探,目前大部分高密度三维地震勘探的叠加次数都在60次以上。叠加次数是提高资料信噪比的一个重要手段,叠加次数越高,资料的信噪比越高,因此,高密度地震勘探具有更高的信噪比。
2 “1234”煤矿采区高密度三维地震勘探模式
2.1 一全:全三维观测系统
煤矿采区高密度三维地震具有CDP面元尺寸更小、目的层深度更浅、地质目标的勘探分辨率更高等特点。G. J. O. Vermeer[16]提出一种特别强调地震采样空间连续性的采集系统设计方法—均衡采样方法。三维地震高密度采集的均匀性是指观测系统CDP面元各种属性的分布要均匀,包括叠加次数分布均匀、炮检距分布均匀、方位角分布均匀等[17-18]。而CDP面元内炮检距是从小到大均匀分布,才能保证同时勘探浅、中、深各个目标层,使观测系统既能保证取得各目标层的有效反射信息,又有利于后续地震数据的各种处理分析[19-20]。因此,要树立煤矿采区全三维观测系统高密度三维地震勘探的指导思想,在采集时实现全方位、充分性、均匀性和对称性目标的统一,以获得理想的三维波场。全方位体现在观测系统的道间距、炮间距、接收线距、炮线距、接收道数和接收线数上;均匀性体现在观测系统各个属性分布均匀,即叠加次数分布均匀、炮检距分布均匀、方位角分布均匀;充分性表现为对各种波场进行充分采样、采集脚印小和尽量密集的空间采样间隔;对称性表现为炮域和检波点域采集地震波场的参数基本相同。因此,高密度观测系统要满足全三维观测系统(横纵比等于1)[21-22]。
对祁南煤矿31采区浅部2.0 km2范围进行全三维采集试验,观测系统为40L×2S×80T×1R×200次线束状,横纵比为1,具体参数见表1。共反射面元在各个方位角上均匀分布,取得了较好的效果(图1)。
2.2 二宽:宽方位和宽频带采集与处理
开展宽方位、宽频带采集与处理方法,拓宽频带宽度,提高分辨能力,并精确成像。
表1 全三维观测系统参数
图1 全三维区域观测系统及玫瑰图
2.2.1 宽方位
淮北矿区煤层倾角大、褶曲发育,横向速度变化大,常规三维地震勘探多采用8线接收,6、8或10炮激发,叠加次数18~24,面元网格10 m×10 m,横纵比<0.5,窄方位束状观测系统采集的波场主要来自纵向,横向信息不足,成像效果差;而高密度地震勘探每束接收线数超过18线,面元网格5 m×5 m,叠加次数超过64次,横纵比≥0.75(表2),宽方位的观测系统采集的波场信息纵横方向均匀,成像效果明显改善。
表2 常规三维地震勘探与高密度三维地震勘探采集参数对比
如图2所示,淮北采区三维地震勘探采用窄方位角的束状观测系统,其炮检距分布不均匀,采集脚印大。而高密度勘探观测系统方位角宽,有利于小断层识别及复杂地质体成像;炮检距远、中、近分布均匀,有利于精确的速度分析;面元间的炮检距方位角一致性越好,采集脚印小。相比常规三维地震勘探10 m×10 m面元网格,高密度三维地震勘探5 m×5 m面元网格的高采样有利于识别小断层,减小平面位置摆动误差。高密度三维地震勘探相对于常规三维地震勘探叠加次数提高了3倍以上,可以弥补数字检波器单点接收信噪比低的缺点,有效提升了成果质量的信噪比和准确程度。
2.2.2 宽频带
高密度三维地震勘探采用数字检波器,而数字检波器一个显著的特点是频带宽,试验表明:数字检波器在0~350 Hz频率范围的振幅能量大于其他模拟检波器,高频范围内更加明显。在处理阶段,需要进行宽方位、宽频带配套处理,即保低频去噪处理、提高低频能量、谱白化、Q补偿、保振幅与叠前深度偏移等流程,当然也考虑面波、多次波衰减,充分保留低频和高频信息,一方面高频有利于解释煤层中的小构造;另一方面低频信息穿透能力强,能量损失小,有利于深部目的层(特别是灰岩)成像;再则低频信息有助于岩性和属性解释(图3)。
2.3 三高:高密度、高分辨和高保真方法
2.3.1 高密度
高密度包括高叠加次数、小面元、小空间采样间隔等。叠加次数是指在某个CDP面元内的道数,高叠加次数的高密度地震勘探具有更高的信噪比,通常叠加次数增加与信噪比呈非线性关系递增,当叠加次数提高到一定数值之后,地震资料信噪比就无明显提升。针对不同的目的层、埋藏深浅、不同的形态以及不同的地质任务,采用不同的叠加次数。中深目的层叠加次数不应少于64次,在浅部和障碍物下要保证有效叠加次数不少于24次。小面元采集是提高横向分辨率的重要手段,面元尺寸通常选择5 m×5 m。小空间采样间隔是为了提高纵向分辨率以及岩性解释的需要,采样间隔通常采用0.5~1.0 ms。
图2 常规三维地震与高密度三维地震观测系统玫瑰图
2.3.2 高分辨
高分辨始终是地震勘探追求的目标。影响分辨率的因素很多,从观测系统的设计、采集参数(井深、药量等)的确定到资料处理的流程等,每个环节都至关重要,所以每个环节都要根据试验与实际情况采取不同的措施。特别是地震属性滤波、蚂蚁体追踪与属性融合、地震多属性RGB(Red Green Blue)融合断层精细刻画等,能够大大地提高地震属性的分辨能力。
2.3.3 高保真
在常规处理流程基础上,进一步强化基于高密度三维空间采样特点的空间域处理技术、弱信号运动学、动力学特征的一致性处理等技术。
图3 常规三维地震与高密度三维地震单炮记录及频谱对比
2.4 四精:精致设计、精心施工、精细处理、精确解释
2.4.1 精致设计
淮北矿区具有地表条件复杂(村庄密布、河流密集、公路交错)、构造密集、陷落柱发育、目的层倾角变化大且深浅不一、煤层多、间距小、岩浆岩侵蚀严重等特点。每个勘探区都有不同的特点,因此,针对不同勘探区的地震地质条件,要完成同样的地质任务,需采用不同且行之有效的观测系统;需要针对不同的特点,进行观测系统的精致设计。
2.4.2 精心施工
精心施工包括合理有效采集参数(井深、药量、采样间隔)的确定、炮检点测量、现场监控处理等工作。
2.4.3 精细处理
高密度三维地震数据不同于常规三维地震,由于观测系统、检波器的不同,其具有波场全、噪声与弱信号兼得、信噪比低、海量数据等特点。针对高密度三维地震数据的特点和淮北矿区地震地质条件,重点进行叠前保幅去噪、提高分辨率处理、复杂断块区偏移成像、叠前时间偏移、叠前深度偏移以及灰岩含水层目标处理等技术。
2.4.4 精确解释
除常规的人工剖面解释外,进行多属性及属性融合解释、岩性反演解释和叠前深度偏移解释,使解释精度大幅度提高。
3 淮北矿区高密度三维地震应用效果
2006年淮北祁南煤矿31采区进行了常规三维地震勘探工作,常规三维数据体是以窄方位角、常规检波器和低叠加次数采集方式;为了提高勘探精度,2019年该区又进行了高密度三维地震勘探工作,高密度三维数据体是以宽方位角、数字检波器和高叠加次数的采集方式,其中对浅部2.0 km2范围进行全三维观测系统试验。2次三维地震勘探数据体在地震时间剖面质量、构造反映、深部灰岩地层反射等方面有着不同程度的差异,在相同勘探区高密度获得的数据在频带宽度、信噪比、深层反射波方面,均好于常规采区三维地震。
3.1 地震资料成像精度
祁南煤矿31采区高密度三维地震时间剖面分辨率高、层次清晰,上中下三组煤层反射波具有良好的分辨率和连续性;而常规时间剖面上部煤层能量强,但下部煤层的反射波能量较弱、频率低、连续性差,不利于中、下组煤层的构造解释(图4)。
图4 高密度与常规三维地震成像效果
3.2 断点解释
3.2.1 小断点的显示对比
本次高密度三维地震勘探所获取的时间剖面对小断点的成像精度高,表现为断点清晰、位置明确,原常规三维地震勘探多数小断层的断点不易识别(图5)。
3.2.2 复杂断块显示对比
高密度剖面对于断块复杂的区域,能够将断块的错断情况反映更清楚;常规时间剖面在断块相互交切的位置不明,难以理清构造的真实情况(图6)。
3.3 奥灰顶界面解释
高密度剖面对于奥灰顶界面反映较好,表现为频带宽、能量强、信噪比高,常规三维地震勘探对于奥灰顶界面的反映频带窄、信噪比低,连续性较差(图7)。
图5 小断层在高密度与常规三维地震时间剖面上的反映
图6 复杂断块在高密度与常规时间剖面上的反映
4 结论
a. “一全(全三维)、二宽(宽方位、宽频带)、三高(高密度、高分辨、高保真)、四精(精致设计、精心施工、精细处理、精确解释)”的煤矿采区高密度三维地震勘探模式,实现了采集参数充分性、均匀性和对称性目标的统一,保证了煤矿采区高密度三维地震勘探采集、处理与解释过程的一体化与标准化,值得大力推广。
图7 奥灰顶界面反射在高密度与常规时间剖面上的反映
b. 与常规三维地震勘探效果相比,祁南煤矿31采区工程实践获得的全数字高密度地震数据,具有宽方位、多偏移距、数据量大的特点,地震资料的分辨率和信噪比高,成像精度更高,解释的小断层断点更清晰,复杂断块的相互交切位置清晰,深部灰岩反映明显。高密度三维地震成果能够进一步提高煤矿采区勘探精度,为实现煤炭精准开采提供更有力的地质保障依据。
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Pattern and effect of the high density 3D seismic exploration in coal mining districts
JIN Xueliang, WANG Qi
(Huaibei Mining(Group) Co., Ltd., Huaibei 235000, China)
Safe and efficient production of coal mine requires higher and higher precision of 3D seismic exploration. How to further improve the precision of exploration, design ideas, acquisition methods, processing and interpretation of each link are of vital importance. High density three-dimensional seismic exploration in coal mining districts adopts the reception by digital detectors. The observation method is of omni, high density and large offset, so that the information closer to the ideal wave field can be obtained. Broadband processing is adopted to obtain the data body with broadband and high fidelity, which lays a good foundation for interpretation. the high density three-dimensional seismic exploration projects in Huaibei mining area in recent years were taking as an example, from the observation system design optimization, the train of thought and method of processing and interpretation, the project construction process control and other aspects, a new pattern of high density three-dimensional coal mining districts seismic exploration was summed up, which has certain significance for further improvement of the precision of 3D seismic exploration, providing detailed basic geological guarantee data for the design of mining districts and mining in working faces.
high density 3D seismic exploration; full 3D observation system; stacking times; processing method; geological guarantee
请听作者语音介绍创新技术成果等信息,欢迎与作者进行交流
P315.8;P631
A
10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.01
1001-1986(2020)06-0001-07
2020-10-17;
2020-11-04
淮北矿业科研计划项目(2019-45,2019-46)
Research Project of Huaibei Mining(Group) Co.,Ltd. (2019-45,2019-46)
金学良,1982年生,男,安徽东至人,高级工程师,研究方向为煤田地质与勘探方向. E-mail:54789751@qq.com
王琦,1963年生,男,安徽淮北人,正高级工程师,研究方向为煤田地质与勘探方向. E-mail:799682116@qq.com
金学良,王琦. 煤矿采区高密度三维地震勘探模式与效果[J]. 煤田地质与勘探,2020,48(6):1–7.
JIN Xueliang,WANG Qi. Pattern and effect of the high density 3D seismic exploration in coal mining districts[J]. Coal Geology & Exploration,2020,48(6):1–7.
(责任编辑 聂爱兰)