鹤岗矿区巨厚砾石等复杂条件下三维地震勘探技术应用

易 强，袁胜辉，丁保国，白忠建

(1.黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司，黑龙江鹤岗 154100，2.中国石油集团东方地球物理公司，河北任丘 062552)

0 引言

鹤岗矿区已有近百年的开采历史，目前浅层煤已基本开采完毕，开发深层煤已成为当务之急[1]。但由于深层煤地震地质条件的复杂性，及近地表巨厚砾石层和浅层煤采空区对地震波下传能量屏蔽的影响，导致现有的地震资料品质较差，不能满足制定煤田开采方案及科学防灾减灾的需求[2]。因此，开展高精度三维地震勘探新技术攻关，获取高品质的地震资料，提高复杂地质目标的识别精度具有重大意义。

煤矿采空区是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔[3]。采空区及其上部地层相对于开采前的地球物理特征也发生变化，包括密度、速度及其他弹性参量的差异，为采用地震方法探测采空区提供了物性基础[4-7]。

鹤岗矿区除了近地表有一层巨厚的砾石层以外，浅层煤存在采空区，以往的炸药震源井炮激发、常规三维观测系统、叠后偏移处理、叠前偏移处理以及基于地震剖面的常规地质解释等均难以满足深层精细勘探的需求。为此，龙煤鹤岗矿业公司与东方地球物理公司联合开展攻关，形成了一套高精度三维地震勘探技术，解决了近地表巨厚砾石、多层采空区对地震波下传能量屏蔽的问题，获得高品质的地震资料，查明了目标区煤矿地质结构，为预防煤矿地质灾害提供了有效的资料信息。

1 鹤岗矿区地震勘探技术难点

1)鹤岗矿区开采时间长，浅层煤已开采完毕，下一步开采的煤层均为深层煤(大于800m)。由于鹤岗矿区地质条件复杂，近地表存在200～600m巨厚的砾石层(图1)，而且浅层还存在多层采空区，对地震波下传能量具有极强的屏蔽作用，常规的地震采集方法激发效果较差，获得的地震原始资料品质能量弱、信噪比较低。

图1 鹤岗矿区近地表巨厚的的砾石层照片Figure 1 Photos of near surface hugely thick gravels in Hegang mining area

2)鹤岗矿区近地表结构复杂，巨厚砾石覆盖区由于难以开展精细表层结构工作，缺乏微测井、小折射等表层调查资料，常规的静校正方法难以建立准确的表层结构模型，使得静校正问题突出。

3)除了巨厚砾岩层、多层采空区外，深层还涉及到多套近距离的煤层，常规的资料处理技术难以保证深部煤层偏移成像精度。另外，矿区地质构造复杂，大中型断层较多，其派生断层不计其数，常规地质解释技术难以准确识别薄煤层、小断层、采空区、垮塌区等复杂地质目标，不能满足煤矿防灾减灾的需求。

2 “两宽一高”地震采集技术

针对鹤岗矿区的巨厚砾石覆盖区、多层采空区、多套近距离煤层等复杂条件，改变以往炸药激发、低覆盖与窄方位采集方法，攻关基于可控震源的“两宽一高(宽频带、宽方位和高密度)”三维地震采集技术，取得了良好的效果。

2.1 大吨位可控震源宽频带激发技术

可控震源具有安全、环保、可控、可重复等优势，一般采用倍频程来定义可控震源的频带宽度，倍频程的数学表达式：

(1)

式中：fH为终止频率；fL为起始频率，而真正意义的宽频带应该在5个倍频程以上。

可控震源采用东方地球物理公司自主研发的28吨EV56，该震源激发频率为1.5～96Hz，达到6个倍频程，实现了宽频激发和绿色环保勘探，利用低频信息穿透能力强的特点，不仅有效解决了巨厚砾石层由于钻井成孔困难导致炸药震源激发效果差的问题，同时增强了近地表巨厚砾石层和多层采空区地震波的下传能量(图2)，提高了资料的信噪比。

图2 宽频、常规采集的地震剖面及其频谱Figure 2 Wide band and conventional acquired seismic sections and their spectra

2.2 宽方位高密度观测系统设计技术

宽方位采集观测系统要求横纵比大于0.5 ，对于可控震源激发，高密度则要求覆盖密度每平方千米大于100万次[8]。经过前期调研分析认为，宽方位高密度地震采集具有：提高空间照明度与增加空间信息量，从而提高地震资料的信噪比和分辨率，有利于探测各向异性体(如：陷落柱)全貌，提高小断层的横向分辨率；可开展分方位及OVT处理及解释，提高微裂缝预测的精度等优势。

针对鹤岗矿区深层煤对地震资料信噪比、分辨率要求高的特点，在观测系统参数设计时，将横纵比由以往的0.5提高到1.0，覆盖密度由以往的30万次/km2增加到400万次/km2。通过宽方位高密度采集，地震资料低频信息实现了“从无到有”的重大突破(图3)。

图3 鹤岗矿区YX矿新(上)老(下)观测系统地震剖面对比Figure 3 Comparison of new (upper)and old (lower)field setup seismic sections in YX coalmine,Hegang mining area

3 高精度地震资料处理技术

以往资料处理时，一般都采用模型法静校正、叠后/叠前时间偏移等常规方法。近年来，在“两宽一高”采集基础上，通过采用低频补偿、层析反演静校正、OVT域偏移、叠前深度偏移等新处理技术，最大限度地提取有效信号，为地质解释提供了可靠的地震信息。

3.1 基于子波的低频补偿处理技术

鹤岗矿区受近地表巨厚砾石层和浅层多层采空区的影响，输出的低频能量在激发接收过程中会有不同程度的损失，需要进行合理的补偿处理。表1为目前常用的低频补偿处理方法原理及其特点。

表1 不同低频补偿处理方法原理及其优缺点Table 1 Different low-frequency compensational processing method principles and strengths,weaknesses

根据鹤岗矿区地震资料的实际情况，择优采用基于子波的低频补偿方法，该方法的原理公式：

(2)

式中：A(f)为补偿后的振幅值；A′(f)归一化后的振幅值；f数据的主频；M为控制补偿幅度；N为控制补偿宽度。通过M和N的组合，可以实现很好的补偿效果。通过低频补偿处理，提高了资料信噪比，提升低频端能量(图4)。

图4 低频补偿处理前(左)后(右)叠加剖面Figure 4 Stacked sections before (left)and after (right)low-frequency compensational processing

3.2 基于菲涅尔带的层析反演静校正技术

鹤岗矿区巨厚砾石覆盖区由于缺乏微测井、小折射等表层调查资料，致使建立准确的表层结构模型难度较大。为了解决巨厚砾石覆盖区静校正这一系统性难题，采用了“有理有序”的静校正措施：有理即根据近地表实际情况，选择合适的静校正方法；有序即为遵循先长波长，后中波长及剩余静校正的顺序。

基于菲涅尔带的层析反演静校正技术首先将地质模型假设由速度单元组成，每个单元是常速，单元之间的速度不同，利用单炮初至进行近地表速度模型反演；其次基于菲涅尔带理论，根据上述反演结果求取静校正量，对数据进行近地表校正。该技术较常规基于射线理论的折射波、初至波等静校正能更准确建立表层速度模型，从而提高静校正精度(图5)。

图5 常规层析反演静校正(左)、菲涅尔带的层析反演静校正(右)剖面Figure 5 Conventional tomographic inversion statics section (left)and Fresnel zone based tomographic reversion statics section (right)

3.3 OVT域偏移处理技术

OVT(Offset Vector Tile，即炮检距向量片)域偏移处理技术是不同于常规处理方法的新技术[11-12]，它不仅保留了方位角、入射角(偏移距)信息，而且克服了共炮检距域偏移CRP道集远近道能量弱、中间偏移距能量强的问题，更真实的反应出AVO响应。针对鹤岗矿区的宽方位高密度地震数据。

与常规处理方法相比，OVT域偏移处理后，除常规的X、Y、Z信息外，还有反射角和方位角信息，被称为5维道集，可实现从三维(X、Y、Z)到五维(X、Y、Z、方位角、入射角)解释跨越，研究各向异性的地质信息，开展微小断裂或裂缝的预测。另外，在OVT域叠前偏移道集的基础上进行叠加处理得到的三维数据体，煤层的成像精度较常规处理方法有明显提高(图6)。

图6 常规偏移(上)、OVT域偏移(下)地震剖面对比Figure 6 Comparison of conventional migration (upper)and OVT domain migration (lower)sections

4 煤田地质目标精细解释技术

针对鹤岗矿区复杂的地质目标，在以往利用地震剖面开展常规解释的基础上，提取并充分应用地震的振幅、曲率、相干等几何体属性，有效提高了煤田地质目标的解释精度。

4.1 小断层识别技术

受地震资料主频的制约，直接通过地震剖面解释5m左右的小断层几乎是不可能的。因此，针对鹤岗矿区小断层识别的总体思路是：利用地震剖面进行常规解释，建立工区构造格架。在此基础上，从地震数据体中提取的沿层振幅、相干体、方差体和曲率体等现代几何体属性，与地震剖面联合进行解释，从而大幅度地提高了小断层的识别精度，更为准确地落实了断裂发育情况。

4.2 采空区识别技术

在地震剖面上，非采空区为强振幅特征，而采空区为弱振幅，波组特征凌乱[13]。通过对比分析认为，沿层地震属性(尤其是最正曲率体属性)和采空区有良好的对应关系。因此，通过应用高品质的地震剖面与沿层振幅最正曲率属性联合解释，能准确地识别出采空非垮塌区和采空垮塌区的范围(图7)。

图7 沿层振幅最正曲率属性240ms切片(左)与地震剖面(右)Figure 7 Bedding amplitude most positive curvature attribute 240ms slice (left)and seismic section (right)

4.3 瓦斯气/煤层气预测技术

一般情况下，通过反演纵横波速比(或泊松比)方式进行地层含气性预测，其预测的理论基础是基于地层含气后将使得地层速度降低[14]，但煤层本身就表现为低速、低密度、低阻抗的特征，含气前后难以产生明显的地震响应差异，而且由于瓦斯气主要为吸附气，赋存状态与以游离气为主的常规油气存在较大差别，因此常规油气预测技术并不适用于瓦斯气的预测。为此，针对鹤岗矿区的煤层气/瓦斯气，在基于地震几何体属性开展目标区的断裂发育、构造形态、地层埋深、煤层厚度等精细解释的基础上，分析导致煤与瓦斯突出的主要影响因素，从而对瓦斯/煤层气的含量进行定性预测。

5 勘探效果

针对鹤岗矿区“双复杂”的地震地质条件的现状，充分考虑矿区地质工作的需要，解决鹤岗矿区地震勘探凝滞不前的状态，2016年在鹤岗矿区东北部矿井开展了高精度三维地震勘探。该区近地表有一套500m左右的巨厚砾石，由于浅层煤已开采完毕存在多层采空区，勘探的目的层(即深层煤)为由多套近距离煤层组成。可控震源“两宽一高”地震采集、高精度地震资料处理、煤田地质目标精细解释等技术应用后，有效攻克了巨厚砾岩覆盖区、多层采空区、深层多套近距离煤层等技术难题，获得了高精度地震地质成果资料(图8)，在勘探区内查明了煤层中落差≥5m的断层88条，与地质精查结果吻合率>90%，准确地识别出采空非垮塌区和采空垮塌区的范围，其中采空非垮塌区面积为0.76km2，采空垮塌区的面积为0.85km2，而且定性预测了目标区瓦斯/煤层气的含量。

图8 鹤岗矿区东北部矿井2016年三维地震勘探成果剖面Figure 8 Hegang mining area northeast coalmine 2016 3D seismic prospecting resulting section

鹤岗矿区近地表为巨厚砾岩层所覆盖，煤系地层有富水性，主要导水通道即为大的构造裂隙，通过高精度三维地震勘探探清了大的裂隙构造发育，且圈定了采空区和透水高风险区域，在工作面布局和矿井生产中有目的的避开高风险区域施工，预防透水事故发生。

6 结语

1)基于大吨位低频可控震源的“两宽一高”地震采集技术，有效解决了巨厚砾石层由于钻井成孔困难导致炸药震源激发效果差的问题，同时增加了近地表巨厚砾石层和多层采空区地震波的下传能量，提高了资料的信噪比。

2)基于子波的低频补偿、基于菲涅尔带的层析反演静校正和OVT域偏移处理技术，不仅让地震资料的信噪比和成像精度提高一倍以上，而且获得了X、Y、Z、方位角、入射角等五维地质信息，为后续煤层构造精细解释和各向异性研究提供了丰富的基础资料。

3)基于地震几何体属性的精细解释技术，从地震数据体中提取顺层振幅、相干体、方差体和曲率体等现代几何体属性，结合地质剖面进行联合解释研究，在很大程度上可弥补地震资料主频不足的问题，提高小断层、采空区、垮塌区瓦斯/煤层气等煤田复杂目标的识别精度。