煤矿采区高密度三维地震采集参数讨论

程建远，王千遥，朱书阶

煤矿采区高密度三维地震采集参数讨论

程建远，王千遥，朱书阶

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

随着煤矿采区高密度三维地震技术的不断推广，对其采集参数选择有了新的认识，特别是线束方向、线距大小、最大炮检距以及覆盖次数与CDP面元等关键采集参数的选择。从理论计算到工程实践角度，对煤矿采区高密度三维地震采集参数进行了分析与讨论，认为：道距、线距、炮点距、炮线距的大小与面元尺寸大小密切相关，能否实现无假频空间采样取决于面元大小，增大线距有利于提高性价比；以煤层构造勘探为目标的前提下，最大炮检距可以大于目的层埋深；在地震条件良好地区，高密度三维地震设计的覆盖次数不宜太高，以提高分辨率；高密度三维地震是面积采集、立体勘探，其线束方向设计不应受制于构造走向的约束。通过不同面元大小、不同覆盖次数以及大线距采集的典型工程实例，初步印证了上述结论的正确性。

煤矿采区；高密度三维地震；两宽一高；面元大小；覆盖次数

1988年L. Ongkiehong[1]首次提出了“不受约束的采集”思想。随着仪器制造技术的进步，地震勘探仪器的道数出现了指数级的增长，L. Ongkiehong的想法已经变为现实[2-4]。以占全球地震仪器市场70%的法国SERCEL公司为例：过去30多年(1989—2019年)时间里，SERCEL公司将地震仪的采集道数从百道规模提升到百万道，增长了10 000倍，其最新的无线节点式地震仪可以实现无限道布设，真正实现了“不受约束的采集”的目标。

随着地震数据采集仪器的技术进步，高密度三维地震勘探技术逐渐兴起[5-7]。所谓高密度三维地震勘探技术是指炮点密度/接收点密度大幅提高、地下CDP面元缩小、三维地震的道密度达到常规三维地震勘探4倍以上，或CDP面元大小小于常规三维地震的1/4等[8]。

2000年挪威PGS公司在海上地震勘探中首次采用高密度三维地震采集[9]；2004年Western Geco 与科威特石油公司合作在Minagish油田进行了首次真正意义上的高密度三维地震勘探试验，所获资料的纵横向分辨率明显改善，成像精度得到显著提高；2006年Khaled进行了高密度石油地震勘探数据采集试验，并进行了地震数据反演、多属性分析以及神经网络分析等[10]。目前，国外高密度三维地震勘探已经形成了三大主流技术，分别是PGS公司的HD3D(High Density Three Dimension Seismic Exploration，简称HD3D技术)、法国CGG公司的Eye-D和Western Geco公司的“Q-Technology”技术，其中HD3D技术以单点数字检波器采集为标志，主要用于陆上高密度全数字三维地震勘探；Eye-D以高精度单点模拟检波器接收为主要特征，而Q-Technology是主要用于海上高密度地震勘探的特色技术[11-12]。

国内石油系统较早开展了陆地高密度地震勘探技术的研究。1997年在塔里木盆地腹地开展了10 m道距的二维地震数据采集，2003 年在苏里格进行了 5 m 道距二维地震数据采集；2004 年在大庆油田开展了 10 m×10 m 面元的三维地震勘探；2005年开始推广全数字高密度三维地震勘探技术[10]。目前，石油行业高密度三维地震已经将CDP面元由以往常规三维地震的25 m×25 m缩小到12.5 m×12.5 m、6.25 m×6.25 m[13]。

2005年中国煤炭地质总局依托“西部煤炭资源高精度三维地震勘探技术”项目，开展了煤矿采区高密度地震勘探试验研究[14-15]；2007年中石油东方地球物理公司在淮南丁集煤矿西翼首采区进行高密度全数字三维地震勘探的试验示范[16]；2011年中煤科工集团西安研究院有限公司在焦作矿区开展了高密度全数字三分量地震勘探的方法研究和现场试验，并进行了相同激发条件、记录条件下数字检波器与模拟检波器的单因素变化对比试验[17]。随着地震仪器从千道仪向万道仪扩展、检波器从模拟检波器组合接收向数字检波器单点接收发展，煤矿采区高密度三维地震的CDP面元从10 m×10 m、10 m×5 m加密到5 m×5 m、5 m×2.5 m以至于2.5 m×2.5 m，覆盖次数也从24次、32次增加到64次；同时，高密度三维地震数据处理从常规的叠后时间偏移向叠前时间偏移、叠前深度偏移迈进，其解决地质问题的能力得到显著提升，如在淮南矿区高密度三维地震能够查明落差2 m以上断层、直径15 m以上陷落柱、检测埋深800 m的采煤工作面巷道等[18]。据不完全统计：2009年—2019年，煤矿采区全数字高密度三维地震勘探项目的面积约410 km2，主要以淮南、淮北、皖北为主，永煤、晋煤、伊泰、陕煤、神华、阳煤、新集、伊泰等矿区，陆续开展了煤矿采区高密度三维地震的试验和示范。尽管高密度三维地震勘探技术在各大矿区开展了一些试验、示范和推广，但是尚未形成燎原之势，其中成本偏高是重要原因之一。野外地震数据采集占地震勘探成本的70%以上，如何优化高密度三维地震的采集参数，提高其投入产出的性价比，是一个值得研究的课题。

1 问题的提出

国内外开展了高密度三维地震观测系统设计方法的研究工作，提出了野外数据采集“两宽一高”的设计原则[19-21]。在高密度三维地震勘探的工程实践中，经常面临一些采集参数设计问题的困扰。

1.1 线束方向是否应该垂直构造？

三维地震束状观测系统的线束方向，应该垂直于构造方向，这是几乎所有经典教科书上对于三维地震观测系统的设计要求，而这一要求在实际生产设计中有时难以兼顾。众所周知：地质构造包括褶曲(背斜、向斜等)和断裂(断层、裂隙等)，地层的走向与断层走向绝大多数情况下不尽一致，甚至相互垂直，这时观测系统设计中应以哪个构造为准？如果褶曲轴向在空间上出现偏转、断层存在两组不同走向时，线束方向如何适应？

另外，在以往三维地震设计实践中，一些建设方盲目要求单端、下倾放炮，而不考虑技术与经济的协调统一，也给施工单位造成困扰。

1.2 扩大线距是否造成空间假频？

三维地震观测系统设计中的接收点距(道距)、接收线距、炮点距、炮线距4个参数，除了接收点距要受制于定制电缆外，其他3个参数的选择不受硬件条件的约束。一般情况下，煤矿采区高密度三维地震勘探在CDP尺寸5 m×5 m的条件下，道距一般为10 m；而线距的选择则比较灵活，增大线距对于跨越障碍物非常有利，也可以在一定程度上减少对仪器大道数的过度依赖。

在工程实践中，一些技术人员认为：线距过大会造成空间假频，一般将线距限定在2~4倍道距之间。如果这样设计，势必造成在仪器道数偏少情况下，高密度三维地震观测系统的横纵比偏小、炮检距与方位角分布不均匀等问题。实际上，中石油东方公司在煤矿采区高密度三维地震施工中，经常采用10 m道距、100 m线距进行施工，同样取得了很好的后期地质验证效果。那么，线距设计可否扩大到道距的5~10倍呢？

1.3 最大炮检距与勘探深度的关系

DZ/T 0300—2017《煤田地震勘探规范》中要求：地震勘探的最大炮检距宜接近主要目的层的深度。这一要求的理论依据是什么？实践中是否合理？

如果按照上述要求去设计施工，在煤层埋深较浅的地区(如埋深小于300 m)开展高密度三维地震勘探，则仪器大道数的优势无法发挥；在黄土塬区、沙漠戈壁等地震激发条件复杂地区，小炮检距上面波、折射波、声波、散射波等干扰严重，无法获得高信噪比的第一手野外数据，将给后续资料处理带来巨大的困难。

1.4 覆盖次数与CDP面元的关系

目前，煤矿采区高密度三维地震的覆盖次数出现了偏高的倾向。DZ/T 0300—2017《煤田地震勘探规范》要求：总覆盖次数应不少于最佳品质二维覆盖次数的2/3，而以往煤矿采区二维地震的覆盖次数一般为12~24次。根据常规三维地震设计的指导思想，考虑到三维具有空间压制噪声和准确偏移归位属性，认为三维地震覆盖次数为二维地震的1/2~2/3为宜[22]。目前，煤矿采区高密度三维地震的覆盖次数一般为36次，有的甚至达到64次。高密度三维地震过高的覆盖次数在不同程度上造成地震工程造价居高不下，影响了高密度三维地震技术的推广应用。针对具体的地质任务，如何处理CDP大小与覆盖次数的关系，这一问题直困绕扰着技术人员。

针对上述高密度三维地震施工设计中面临的具体问题，如何从地震勘探原理上加以阐释，从地震工程实践上进行评价，在学习石油行业高密度三维地震先进经验的基础上，抓住高精度三维地震的共性，突出煤矿采区三维地震的个性，以达到最佳的性价比。在借鉴石油行业高密度三维地震工程经验的基础上，下面对高密度三维地震数据采集的关键参数加以分析与讨论，以澄清一些混淆的认识。

2 高密度三维地震采集参数的优化分析

2.1 三维地震观测系统设计原则

常规三维地震观测系统的设计原则，是以邻区或本区以往三维地震采集的经验为基础，根据工区地形地貌、地质条件以及地质任务等技术约束条件，综合考虑项目工期、成本费用等因素，以规则束状观测系统为主，进行三维地震观测系统设计，该设计主要考虑了三维地震观测系统的几何属性。

高密度三维地震观测系统设计原则中，增加了“充分性、均匀性、对称性”的要求，既要考虑三维地震观测系统的几何属性外，又要兼顾地震波的振幅属性、地层的各向异性以及全三维处理等要求。所谓充分采样，是指按照期望信号无假频原则，将连续波场转换为离散波场，在此过程中尽可能减小空间采样间隔；所谓均匀采样，是指炮点、检波点在地表均匀布设；而所谓的对称采样，是指炮点距=接收点距、炮线距=接收线距、面元尺寸对称、观测排列片对称(宽方位角)等。

2.2 三维地震设计的采集参数

三维地震设计的主要参数包括线束方向、道距、线距、接收道数、接收线数、炮点距、炮线距、最小/最大非纵距、最小/最大炮检距、CDP面元大小、覆盖次数等，其他有关采集参数包括震源选择、井深、药量、激发方式以及时间采样间隔、记录长度等。高密度三维地震是从常规三维地震勘探技术演变而来的，只是高密度三维地震观测系统设计中增加了“两宽一高”(宽频段接收、宽方位采集、高密度)的设计要求，即在保证覆盖次数均匀的前提下，还要求炮检距、方位角分布较均匀，三维地震线束的横纵比尽可能接近1.0，钱荣钧[23]给出了衡量空间采样密度及均匀性的量化标准。

2.3 高密度三维地震采集参数的选择

2.3.1 面元大小的选择

目前，在煤矿采区高密度三维地震设计中，基于小道距、小线距、小面元、大道数、高覆盖的设计思想占据主导地位。实际上，面元的纵横向尺寸是否满足空间采样定理是最为核心的技术要求，而面元大小又与炮距、道距、接收线距和炮线距有关。

一般情况下，max可以根据地震激发与接收条件、目的层埋深以及吸收衰减等因素给出经验值；视速度的估算相对复杂，它要考虑地震波在三维空间条件下界面反射波的时距曲线方程：

式中：为界面法向深度，为地层倾角，为轴的方位角。据此可以估算界面反射波的视速度d/d。可见，沿纵测线方向地震采集的最大道距取决于地震波的最短视波长，实际上与界面埋深、地层速度、地层走向、地层倾角和炮间距有关。

b. 空间采样间隔取决于CDP面元大小 现实的问题是：高密度三维地震纵测线的道距一般选为10 m，煤炭系统队伍在高密度三维地震施工中纵测线之间的线距一般选在40~60 m，而中石油东方公司的线距一般选为100 m，以加密横向炮点(距)的方式实现设计的CDP面元大小与覆盖次数。

炮点与检波点的互换原理是地震勘探的基本原理之一。线距扩大、炮点距缩小与线距缩小、炮距加大的效果是等效的；因此，片面强调小道距、小线距的做法欠妥。

从这个意义上讲，面元大小的选择要有利于提高地震资料的横向分辨率，同时面元的大小必须保证对小尺度地质异常体单方向2~3个、面元内4~9个以上采样点的要求。鉴于以上考虑，面元大小应满足以下两个方面：

按照采样定理要求的最高无混叠频率以及地质异常体2个以上采样点的需求，CDP面元大小的选择公式为：

式中：为面元边长，rms为均方根速度，max为最高无混叠频率(最高频率的1.2倍)，为目的层地层倾角。

2.3.2 覆盖次数的选择

地震勘探的覆盖次数是从单次覆盖观测系统发展到多次覆盖观测系统后产生的，增加覆盖次数可以压制随机干扰与加强深部弱反射能量，改善波场复杂区资料品质等。另一方面，随着覆盖次数的增加，地震资料的分辨率会有所下降、勘探成本相应增加。

目前，煤矿采区三维地震勘探普遍采用了基于△–∑24位A/D的先进仪器设备，但是在激发条件选择(如低速带调查)、接收条件改善(如检波器挖坑埋置、插直插深插稳)等方面却出现了不够重视的现象；同时，在地震地质条件复杂情况下，有时从单炮记录上无法看到反射波，一些技术人员不分析其原因只是简单地通过增加覆盖次数以提高信噪比等。这是造成覆盖次数盲目增加的原因之一。

为此，高密度三维地震数据采集必须严把施工质量关，开展现场监控处理，在确保第一手资料质量的前提下，覆盖次数仍以24~36次为好，不宜一味提高覆盖次数，造成施工成本直线上升。

2.3.3 最大炮检距的选择

地震勘探最大炮检距的选择，重点考虑以下因素：① 主要目的层的深度；② 动校拉伸率；③ 速度分析的精度；④ 保证反射系数稳定；⑤ 不被直达波和折射波所干涉等。

《煤田地震勘探规范》要求最大炮检距宜接近目的层的深度，如果最大炮检距小于等于目的层深度，则可把动校正拉伸率控制在12.5％范围内，减少动校正拉伸对信号频率影响；另一方面，考虑到地震波入射角接近临界角时，反射系数不稳定，会出现异常极值。

反过来讲，地震资料的速度分析、多次波压制、深部地层探测等均要求尽可能增加炮检距；地震数据处理的偏移孔径选择要求有较大的炮检距范围；在黄土塬区等地震地质条件复杂或非常复杂地区，如果一味地强调最大炮检距小于目的层深度，则目的层的反射波就会陷入面波、次生散射波等强干扰区域，导致信噪比很低、后期的信噪分离困难等；同时，小炮检距无疑限制了高密度三维地震施工中地震仪大道数性能的发挥等。

综合考虑以上正反两方面的因素，高密度三维地震观测系统中最大炮检距的选择，在以构造勘探为主要目标的前提下，不应受不大于目的层深度的限制，最大炮检距可以达到1.5~2.5倍的最大目的层深度，由此诱发的动校正畸变可以在处理时加以切除，不会对叠加造成低频化影响。

2.3.4 线束方向与激发方式

受二维地震偏移处理的影响，二维地震勘探设计要求测线方向垂直构造方向。三维地震是一种面积激发、面积接收、立体探测的技术，因此，三维地震线束方向可以自由选择，不应受制于所谓的三维地震线束方向应该垂直于构造方向的束缚。

在地层倾斜条件下，以往要求三维地震采用单端、下倾放炮的施工方式，其原因在于上倾方向激发、下倾方向接收会出现折射波，另一个原因是上倾方向激发地震波到达地表的旅行时间加长等。显然，按照最大炮检距的设计，目的层反射界面上的入射波难以达到临界角，即使浅层出现折射波也很容易在资料处理时剔除；再者，上倾方向激发引起的射线路径有所加长，但是地震波的衰减主要是在近地表的低降速带内，在煤岩中地震波的衰减可以忽略不计[26]。

因此，煤矿采区高密度三维地震的观测系统，应该按照“两宽一高”的整体要求设计，而无需受制于传统二维地震设计思维的束缚。

3 高密度三维地震采集参数的对比实例

3.1 不同大小面元的对比

图1为ZZ矿3404工作面实际揭露的落差6 m断层在常规三维地震(图1a)与高密度三维地震(图1b)时间偏移剖面上的反映，其中高密度三维地震解释的NDF146断层落差5 m、实际揭露落差6 m，与平面位置基本一致，局部略有偏摆；而在常规的三维地震剖面上，该断层没有异常显示。

图1 6 m断层在2种三维地震剖面上的显示

ZZ矿常规三维地震采用10 m×10 m的面元、24次覆盖(纵向6×横向4次)；而该矿高密度三维地震的面元为5 m×5 m，覆盖次数为64次[27]。

尽管高密度三维地震的覆盖次数比常规三维地震要高，但是二者不同覆盖次数之下的信噪比都很高，因此，对于6 m断层的分辨中覆盖次数并不起主导作用，小面元增强了地震资料的纵横向分辨率[28-29]。随着面元缩小能够实现对包括目的层反射波、面波、断面波等充分采样，这就为后续通过资料处理手段压制干扰、提高分辨率创造了前提。特别是：对于陡倾角的断面充分采样、准确偏移归位后，断层面的成像与目的层的成像结果必将相互叠加和干涉，这是6 m断层能够在高密度三维地震剖面上得到成像的主要原因之一。

3.2 不同覆盖次数的对比

图2是DJ煤矿高密度三维地震资料退化处理后形成的同一面元(5 m×5 m)、不同覆盖次数的地震叠后偏移时间剖面对比图。

图2 高密度三维地震不同覆盖次数对比

从图2可以看出：16、32、64次地震时间剖面上，地下地层、构造形态都能够得到清晰反映。所不同的是：16次覆盖的剖面背景不够干净，存在一些随机噪声；而32、64次覆盖的剖面信噪比明显增高，但是64次覆盖的剖面上波形明显发胖、呆板，预示着分辨率的下降。从另一方面来说，煤矿采区高分辨地震勘探的核心是保护地震分辨率尽量不受损害，16次覆盖的剖面上波形活跃、视频率较高，才是高分辨率地震勘探的理想选择。分析认为：该区适宜的覆盖次数可以选择24次，而不是64次。在实际工作中，覆盖次数的选择主要取决于单炮地震记录的信噪比，不同地区的覆盖次数应有所差异。如果在以往开展过三维地震的区域开展高密度三维地震，可以参考以往三维地震实际覆盖次数与探测效果而定；而在一些新的勘探区，可以通过试验段的处理分析确定合适的覆盖次数。

3.3 不同线距的采集效果

2007年中石油东方公司在淮南丁集煤矿开展了国内煤炭行业第一次高密度全数字三维地震勘探试验。丁集煤矿第四系松散沉积层埋深约520 m、主采二叠系上石盒子组13-1煤层埋深为780~830 m、11-2煤层埋深为840~900 m，而下石盒子组8煤层埋深在920~980 m，地质任务要求不得遗漏落差大于3 m的断层，落差2~3 m的断层准确率达到80%以上。当时采用的观测系统为16L10S160TIR(16线10炮160道，横向滚动1条接收线)，其中道距10 m、线距100 m、炮点距10 m、炮线距100 m、2 560道接收，面元大小5 m×5 m、覆盖次数8×8，三维地震最大炮检距1 142 m。

尽管该区采用了较大的接收线距(100 m)和最大炮检距(约为目的层埋深的1.4倍)，但是后期煤矿井下8个回采工作面实际揭露情况表明：本次全数字高密度三维地震勘探成果对于2 m以上断层解释准确率达到80%左右，查明了直径15 m以上的陷落柱，并对地下埋深近800 m的13-1煤层回风巷、运输巷与切眼道显示清晰，具有极高的分辨率，成为煤矿采区全数字高密度三维地震勘探技术的标志性项目[30]。

4 结论

a. 煤矿采区高密度三维地震技术的地质效果显著，但是成本偏高，通过采集参数和观测系统的优化选择，可以提高该技术的性价比，有利于新技术的推广应用。

b. 煤矿采区高密度三维地震施工设计中，线束方向选择与构造走向的关系不大，中点放炮有利于方位角均匀分布，覆盖次数控制在24~36之间较为合适，不宜一味提高覆盖次数。

c. 高密度三维地震以“两宽一高”为设计原则，其道距与线距、炮点距与炮线距只影响CDP面元大小，面元尺寸才是衡量空间采样间隔是否合适的量化标准，通过适当增大线距、增加炮检距有利于跨越障碍和提高工效。

d. 今后，煤矿采区高密度三维地震观测系统的设计前，应该先建立地下地震地质模型，通过正演模拟软件开展“照明度”分析、采集脚印压制效果模拟以及炮检距、方位角等属性分析等，以期进一步提高高密度三维地震观测系统设计的科学性。

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Discussion on parameters of high density 3D seismic exploration acquisition in coal mining districts

CHENG Jianyuan, WANG Qianyao, ZHU Shujie

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

High density 3D seismic technology is being popularized in coal mining districts, but there is some confused understanding about its acquisition parameters design up to now. For design of the direction of the swath, the interval of lines, the maximum offset, the CDP multiplicity and bin size, this paper analyzed and discussed these key acquisition parameters from the theoretical calculation to the engineering consideration. The result is:The bin size is related to geophone interval, line space, shot point distance and shot lines distance, space acquisition without alias depends on the size of the surface element, and the increase of the line spacing is favorable for improvement of the cost performance ratio; If the purpose is aimed at coal and structural exploration, the maximum offset may be greater than the burial depth of the target layer; In the areas with good seismic conditions, it is better for the coverage times of high density 3D seismic to be 24 times rather than too high; The design of the swath direction should’t be restricted by the tectonic strike because high density 3D seismic exploration is 3D exploration by means of area acquisition. In the end, the paper gives several successful examples about different surface element size, different fold number and large line spacing, which shows the correctness of the above conclusions.

coal mining districts; high density 3D seismic exploration; wide band, wide azimuth and high fold number; surface element size; fold number

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P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.004

1001-1986(2020)06-0025-08

2020-10-09；

2020-11-04

国家重点研发计划课题(2018YFC0807804，2018YFC0807806)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804，2018YFC0807806)

程建远，1966年生，男，陕西乾县人，博士生导师，研究员，从事物探技术与装备研究工作. E-mail：cjy6608@163.com

程建远，王千遥，朱书阶. 煤矿采区高密度三维地震采集参数讨论[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：25–32.

CHENG Jianyuan，WANG Qianyao，ZHU Shujie. Discussion on parameters of high density 3D seismic exploration acquisition in coal mining districts，2020，48(6)：25–32.

(责任编辑 聂爱兰)