不同激发震源在同一煤炭勘查区的应用研究

2023-11-13张慧利

中国煤炭 2023年10期

张慧利，赵豫，沈阳

(1.河南省地质局矿产资源勘查中心，河南省郑州市，450053；2.河南省自然资源科技创新中心(地球物理深部探测研究)，河南省郑州市，450053)

0 引言

焦作煤田某煤炭勘查区获得较大勘探成果，提交了约7亿t煤资源储量，其中利用地震勘探方法探明煤层的埋藏深度和分布范围发挥了重要作用。地震勘探是利用人工激发的弹性波在岩石中的传播来研究地质结构和岩性信息的一种方法。在地表，使用炸药震源或可控震源激发地震波，其向地下传播时遇到波阻抗不同的物性界面，地震波将发生反射与折射，在地表用检波器接收这种地震波，继而对其中的反射波进行分析，可获得关于目的层埋藏深度及分布情况的信息[1]。

勘查区内地表为第四系黄土层覆盖，局部地段下伏卵石层且埋藏较浅，钻机成孔困难，同时区内村庄较多，仅采用常规炸药获得震源激发较好的煤层反射剖面较困难。经过分析，认为可将可控震源激发作为有效补充，为确保采集信息的一致性，对炸药震源激发参数(激发井深、激发药量)和可控震源激发参数(驱动幅度、震动台数、震动次数、扫描长度、扫描频率)进行充分实验后确定了最佳采集参数[2]，获得的炸药震源和可控震源反射波时间剖面经钻探验证，解释精度较高，体现了不同震源在同一地震勘探区中综合应用的优越性[3]。

1 区域地质概况

1.1 区域构造概况

焦作煤田位于北东向太行山背斜南翼和东西向武陟背斜北翼部位。地层走向一般为北东向、北东东向，倾向南东，地层倾角为8°～15°，局部倾角较陡[4]。薄壁断层长约30 km，为南东盘下降正断层，断距超过1 km，构成煤田西北边界。朱村断层为盘古寺断层东延部分，断面倾向南西，断距超过2 km，为焦作煤田西南边界，耿黄断层断面倾向南东，为焦作煤田的东南边界。焦作煤田构造纲要如图1所示。

整个煤田以断块构造为特征，可按近东西走向的凤凰岭断层和北西走向的峪河断层为界分为3个部分，即凤凰岭断层以南为南部，凤凰岭断层和峪河断层之间为中部，峪河断层以东为北部。南部以走向近东西的褶皱和断层为主，主要有平陵断层和董村断层，中部受北东向断层(马坊泉断层)与北西向断层(方庄断层)共同作用，形成多个阶梯状小块断，北部发育有北东向断层，主要是九里山断层和西仓上断层。

1.2 区域地层概况

根据钻孔揭露，该区域分布有奥陶系中统马家沟组、石炭系、二叠系、新近系和第四系，地层自下而上分述如下。

(1)奥陶系中统马家沟组。主要由中厚-巨厚层状的灰岩及白云岩组成。

(2)石炭系。为一套海陆交互相含煤建造，平均厚度为100 m左右。按地层沉积层序自下而上划分为本溪组和太原组。本溪组(C2b)主要为灰色-灰黄色的泥岩、铝土质泥岩，厚度为6～10 m，与下伏奥陶系地层呈平行不整合接触关系。太原组(C2t)为一套海陆交互相沉积建造，沉积旋回明显。主要由灰黑色泥岩、泥质粉砂岩、深灰色含生物碎屑石灰岩、煤层及煤线互层组成，与下伏的本溪组呈整合接触，是一2煤层的赋存层位。

(3)二叠系。为一套过渡相碎屑岩系，与下伏地层不整合接触，平均厚度为418 m左右。按地层沉积层序自下而上划分为山西组、下石盒子组和上石盒子组。山西组(P1s)为区内主要含煤岩系，由碎屑岩和煤层组成，厚度为49～97 m，本组内的A层铝土和大占砂岩是判别二1煤层的重要标志层。下石盒子组(P1x)厚度为232～337 m，底部为含砾中-粗粒长石石英砂岩(砂锅窑砂岩)，灰色，正粒序，水平层理或斜层理，裂隙不发育，层面见有较多云母片，砂锅窑砂岩中下部夹有少量不规则泥质团块，底部见有泥砾，与下伏地层分界明显，是重要的标志层。上石盒子组(P2s)底部为中粗粒石英砂岩(田家沟砂岩)，厚度为2.5～24 m。白色、浅灰色，正反粒序，层理不明显，发育1～2组近垂直裂隙，由方解石填充，裂隙宽度为1～4 mm；顶底部长石含量较高时岩性为长石石英砂岩，斜层理发育，偶夹薄层泥岩。

(4)新近系。与上石盒子组不整合接触，岩性以黄褐色、褐红色粘土为主，岩性多为砂质粘土，含有数层砾石层，砾石成分以灰岩为主，次为砂岩，砾径约5 cm，磨圆度中等。

(5)第四系。普遍分布，与下伏地层新近系不整合接触，岩性以黄褐色、黄色粘土和砂质粘土为主，软塑性，与新近系角度不整合接触，分界明显。

2 采集参数的确定

震源参数的选取对于获取高信噪比的原始记录较为重要，在综合考虑地表及地震地质条件的基础上，本次地震勘探所使用的地震仪器为法国生产 408UL遥测数字地震仪器，采用多道数、长排列的接收方式，接收采用60 Hz 检波器，每个检波器串采用 4个检波器以两串两并的方式组合在一起，作为接收道放在同一点上采集数据，能有效地增强反射信息的能量。

勘查区分别采用炸药震源和可控源作为激发震源。在进行野外原始数据采集之前开展了充分的方法实验，以选取最佳的采集参数。

2.1 炸药激发参数实验

严格按照单一因素变化的原则对炸药激发的井深和药量进行实验，共采集了10个原始数据，具体实验参数见表1。

表1 实验参数

(1)井深实验。药量为3 kg，井深为8、10、12、13、14 、15、16 m。对比各炮记录可以看出，12、13、14、15 m单炮记录的目的层反射波同相轴显示较好；8、10 m井深的单炮记录目的层反射波同相轴显示模糊，16 m井深的单炮记录目的层显示能量较弱，基于勘探效果，激发井深确定为12 m。井深实验单炮记录如图2所示。

图2 井深实验单炮记录

(2)药量实验。井深为12 m，药量为1、2、3、4 kg。对比各炮记录可以看出，药量为3 kg单炮记录的目的层反射波同相轴好于1、2 kg的单炮记录；药量为4 kg单炮记录的目的层反射波同相轴反应效果与3 kg单炮记录相近，考虑勘探成本，激发药量确定为3 kg。药量实验单炮记录如图3示。

图3 药量实验单炮记录

2.2 可控震源激发参数实验

在相同干扰背景下，采用相同排列接收，按照单一因素变化的原则实验不同激发参数(驱动幅度、震动台数、震动次数、扫描长度、扫描频率)的激发效果。

(1)驱动幅度。驱动幅度俗称出力，是可控震源一项关键参数。驱动幅度越大，震源给出的扫描信号也越强，但过大的驱动幅度容易引起扫描信号的强烈畸变。在实际生产中，需要考虑震源底板与地表的耦合情况，在底板与地面耦合性较好的情况下，可以适当加大震源驱动幅度[5-6]。本次采用2台可控震源，设置条件为：扫描频率15～95 Hz、扫描长度为12 s、叠加 12次，进行了可控震源驱动幅度对比实验。分别实验了60%、70%、80%的驱动幅度，随着驱动幅度的增加，深层反射波能量和连续性随之改善，但是 70%和 80%差别较小，在此采用70%的震源输出力为宜。驱动幅度实验单炮记录如图4所示。

图4 驱动幅度实验单炮记录

(2)震动台数。增加可控震源的台数是加强向地下发射信号能量的常用手段，可以有效提高资料信噪比。设置扫描频率为 15～95 Hz、扫描长度为12 s、驱动幅度为70%、垂直叠加次数为12次的条件下，进行了激发台数对比实验。分别实验了单台激发和双台激发，从对比记录来看，单台激发的能量较弱，在双台震源车激发记录上反射层信息较清晰，因此，震源激发采用双台可控震源激发。震动台数实验单炮记录如图5所示。

图5 震动台数实验单炮记录

(3)震动次数。震动次数就是指可控震源的垂直叠加次数，通过将同一位置多次激发的记录叠加在一起形成单炮地震记录，主要是通过压制随机干扰，从而提高目的层的信噪比，使反射能量突出[7-10]。设置扫描长度 12 s、驱动幅度70%、扫描频率 15～95 Hz，震动次数分别选用 8、10、12、14次进行对比。从对比记录来看，随着震动次数的增加，随机噪声得到压制，12次震动时效果最好，因此确定震动次数为12次。震动次数实验单炮记录如图6所示。

图6 震动次数实验单炮记录

(4)扫描长度。可控震源在向下传播扫描信号的时间即为扫描长度，扫描长度越长，累计的能量也越强，相应的信噪比也越高。在实际工作中，需要综合考虑目标层的埋藏深度及施工效率，合理选择扫描长度，另外，还需要避免相关虚像对单炮记录的影响。由于12 s扫描长度已经可以满足本次中浅部地震数据信噪比的要求，因此没有再进行扫描长度的实验。

(5)扫描频率。扫描频率的设置需要综合考虑勘查区地层的频率响应、干扰波发育情况、检波器性质与采集参数等因素，主要是对扫描频率最低(地震低频信号)与扫描频率最高(地震高频信号)这2个参数进行选择。地震低频信号在识别隐伏目标体、地震反演与成像的精度中有重要作用，在深部地震勘探中采集数据的频率越低越好。在煤炭勘探中，起始频率 20 Hz 已经可以满足中浅部勘探需求，频率过低也会出现低频干扰。因此，从提高中浅部地震勘探信噪比的角度出发，起始频率的选择还需考虑低频噪声的压制效果。通过综合考虑，勘查区可控震源的起始频率设置为 15 Hz，当终止频率小于 95 Hz 时，有效频带宽度随着终止频率的升高而升高，分辨率也随之升高；当终止频率超过95 Hz时，有效频带宽度基本不变，分辨率也没有大的提升，但是高频随机干扰开始出现，因此扫描频率设置为15～95 Hz。

2.3 观测系统实验

经过对激发参数的实验，当炸药震源激发时，确定采用井深12 m、药量3 kg激发，单炮记录上能够获得清晰的目的层反射波同相轴。按照此激发参数进行实验段数据采集，对比分析后选择合适的观测系统。

观测系统实验布设时考虑到要抽取不同接收道进行对比，因此使用小道距、长排列进行，具体参数是10 m道距、20 m激发点距、180道(中间激发，两边接收)接收，主要分为两大类进行。

(1)采用10 m道距、20 m激发点距，抽取不同接收道数进行对比，120道中间接收30次叠加如图7所示，120道单边接收30次叠加如图8所示，144道中间接收36次叠加如图9所示。

图7 120道中间接收30次叠加

图9 144道中间接收36次叠加

通过对比图7～图9可知，在10 m道距、20 m 激发点距抽取不同的接收道数的情况下，120道中间接收时浅部反射波显示强度好于120道单边接收，但2种观测系统的目的层连续性及强度相似；144道(48+96道)接收的观测系统，其显示效果与120道中间接收的显示效果相近，叠加次数高的时间剖面能量稍强。

(2)采用20 m道距、20 m激发点距，抽取不同接收道数进行对比，60道单边接收30次叠加如图10所示，72道单边接收36次叠加如图11所示，90道中间接收45次叠加如图12所示。

图10 60道单边接收30次叠加

图11 72道单边接收36次叠加

图12 90道中间接收45次叠加

通过对比图10～图12可知，在20 m道距、20 m激发点距抽取不同的接收道数的情况下，每种观测系统获得的剖面显示效果较10 m道距在垂向分辨率上均稍强；叠加次数高时获得的时间剖面能量较强，45次叠加时间剖面的反射波同相轴连续性及能量要好于36次、30次叠加的时间剖面。

经过实验确定观测系统后，在同一地段分别进行了炸药震源激发和可控震源激发对比段数据的采集，经过精细数据处理，获得了较好的目的层反射波时间剖面，对比段不同震源激发反射剖面如图13所示。

通过对比不同激发震源采集的对比段剖面可知，采用炸药震源和可控震源激发所获得的地震反射剖面在波组连续性及一致性方面相似，不同震源激发数据叠加后剖面如图14所示。

图14 不同震源激发数据叠加后剖面

图14为对比段(同一位置，采用不同震源激发)数据叠加在一起的处理结果，在频谱、相位和探测深度等方面具有一致性，获得的地震剖面信噪比较高、能量较强，为在该勘查区综合利用不同震源激发的地震资料提供了技术支持。

2.4 生产参数的确定及应用

在充分实验的基础上，使用法国生产的408UL数字地震仪进行采集原始数据，设置参数为采样间隔1 ms、记录长度2.5 s、前放增益12 db，每道4个60 Hz检波器采用两串两并的方式组合在一起，同点埋置；观测系统设置参数为20 m道距、20 m激发点距、96道接收、48次叠加。

当炸药激发时，采集参数设定为井深12 m、(小于8 m时采用双井组合激发)药量3 kg(过村庄可适当减小药量)。可控震源激发时，采集参数设定为扫描长度12 s、扫描频率15～95 Hz、驱动幅度70%、震动台次2×12次进行激发。

勘查区北部浅表层地震地质条件复杂，为了保证采集数据的质量，炸药激发采取12 m双井组合，单井药量3 kg，由于部分地段浅表层深度在1～2 m附近存在厚砾石层，手摇钻和机械钻均无法成孔，为保证地震勘探剖面资料的完整性，采用2台M18-612可控震源车进行施工，炸药震源和可控震源在同一地震测线上联合施工获得的地震反射波时间剖面如图15所示。

图15 不同震源联合施工剖面

由图15可以看出(图中彩色线条为解释目的层)，地震反射剖面分辨率较高，反射波组一致性较好，目的层可连续追踪，能满足本次地震勘探的任务要求，说明炸药震源和可控震源在地震勘探数据采集中可联合使用。

3 应用效果

在焦作煤田某煤炭勘查区进行地震勘探时，不同激发震源的综合应用使该勘查区获得了高信噪比、高保幅度的反射波时间剖面，勘探结果查明了区内二1煤层总体构造形态，构造复杂程度属中等，总体构造形态为走向北东、倾向南东的单斜构造，区内部分存在小的褶皱[11-15]。勘查区含煤地层倾角约5°～25°，埋深约450～1 700 m，依据地震反射剖面解释的二1煤层深度与钻孔揭露的二1煤层埋藏深度误差在2%以内。验证钻孔位置分布如图16所示，二1煤层埋深解释误差见表2。