陡倾角煤层区三维地震勘探技术探讨
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摘要:以地表相对高差132m的黄土覆盖区且煤层倾角30°~60°的王家山矿区为例，阐述了复杂地表条件下，陡倾角煤层区域三维地震勘探观测系统设计、地震资料采集、地震资料处理与解释的技术方法。
关键词:黄土塬；陡倾角；观测系统；叠前深度偏移
0引言
中西部地区煤炭资源占我国煤炭资源储量的2/3以上，钻探勘探成本大，构造控制精度较低，应用三维地震勘探技术进行中西部地区构造勘探，是煤矿的首选技术，但如何提高地震勘探的准确率，是首先要解决的问题。本文依托王家山煤矿三维地震勘探项目，对复杂地表条件下，陡倾角煤层区的三维地震勘探技术进行了尝试。
1地质概况
王家山矿区地形起伏大，最大相对高差约130m；区内局部区域存在高差达20余米的直立陡坎和冲沟。区内约80%的区域被厚度较大的松散黄土层所覆盖，约20%的区域为白垩系、侏罗系出露地表区。复杂的地形条件给野外测线布置带来了较大的不便，横向变化迅速的浅层结构给地震勘探的成孔与接收带来了较大的困难。另外，多年开采形成的塌陷区对地震波传播路径带来不利影响。矿区主采煤层是2#、3#、4#煤层，其中2#煤层与4#煤层厚度较大；煤层顶、底板以砂岩与泥岩为主，一般来说，煤层与砂岩、泥岩之间存在较大的波阻抗差异，能够形成连续性较好的反射波，煤层层数多，对解释落差较大断层的性质、落差和视倾角有利；但经验表明，上覆煤层对反射波的能量具有较强的吸收作用，使得下传的反射波能量减弱。另外，三维地震区内条件比较复杂，主要表现为：地层倾角大（见图1（a）），给野外施工、资料处理及解释都带来很大的困难；煤层结构、煤层层间距及厚度变化较大，2#、4#煤层间距在40~100m，3#煤层存在沉积缺失区、4#煤层煤局部有分叉合并现象，这种现象同时出现时，容易增加解释的多解性。
2勘探难点
在以往地震勘探经验的基础上，分析勘探区地震地质条件，总结了勘探技术难点，主要表现：①黄土塬区的地震单炮记录信噪比、分辨率低，勘探区大部分为黄土丘陵区，且黄土层较厚；②因交通不便，基岩裸露风化区的成孔相对困难；③塌陷影响区破坏地震波的正常传播路径；④勘探区地表高差较大、低（降）速带厚度横向变化剧烈，静校难度大；⑤勘探区内煤层埋藏深度变化大，单一观测系统难以保证全区的勘探效果；⑥勘探区地层角30°～60°，成像难度较高；⑦煤层层数多，间距小，钻孔资料稀少，同时缺少声波与密度测井曲线，反射波地质含义标定难度大。
3技术对策
3.1观测系统设计
观测系统软件模拟可知，煤田勘探常用的条束状观测系统存在炮检距与方位角分布不均匀的问题，实践证明，这种问题会影响静校正的效果。而采用束状砖块观测系统可以改善炮检距与方位角分布不均匀的问题，进而提高静校正的精度；解决低信噪比的主要措施为增加有效覆盖次数、加大激发井深与药量。地震勘探中，叠前偏移处理技术是确保大倾角地区准确成像的主要手段，而叠前偏移一般要求资料采集时应用宽方位角、大排列接收的观测系统进行数据采集，同时大倾角地层地震勘探时应较小的接收道距；实际资料证明，下倾接收会降低地震资料的分辨率，所以观测系统设计时应采用下倾激发方式。结合勘探区地球物理参数，设计了10线10炮制砖块式束状观测系统，具体参数：线距40m，接收道距10m，接收道数（在埋藏深度小于400m的区域为单线48道，在埋藏深度400~720m的区域为单线84道，埋藏深度大于720m的区域单线为108道），覆盖次数为30次，面元网格为5m×10m。
3.2资料采集
（1）试验工作进行试验时，分别在黄土区激发与接收、黄土区激发基岩裸露区接收、基岩裸露区激发黄土区接收、基岩裸露区激发与接收。试验结果表明，在黄土区激发时，激发层位选择在黄土颜色变深或者含水较多的位置，能够取得较好的激发效果；在基岩裸露区激发时，井深大于4m能够取得较好的激发效果。比较单炮记录可知（见图2），在基岩裸露区激发与接收的效果最好，基岩裸露区激发黄土中接收效果次之，黄土中同时激发与接收的效果最差。因此，在黄土区施工时，尽量做到在基岩裸露区激发，能够保证获得较为理想的单张记录。（2）生产工作针对复杂的地震地质条件，生产施工时需采取的措施：①对激发点进行加密测量，确保激发点不在设计位置的炮点位置准确；②尽可能采取在基岩中激发、黄土塬上接收的施工方式来提高地震资料的信噪比与分辨率；③采用特殊观测系统，对资料质量较差的地段进行补炮；④对基岩裸露风化区，利用浅井组合或机械钻成孔；⑤野外施工过程中，严格按照“下倾放炮、充分镶边”的原则，确保第一手资料的质量；⑥加强塌陷影响区的调查工作，保证炮点、检波点不进入塌陷影响区，为了弥补检波点减少导致的覆盖次数下降的影响，采用在下倾方向加密炮点的设计思路保证资料质量；⑦及时进行记录评级，并将评级结果标示在工程布置图上，参照评级结果，对后续施工中品质较差的记录，应用非纵观测的方法进行弥补。
3.3资料处理
（1）静校正本区地表相对高差大，坡度大，且冲沟发育，在资料处理时，做好地表一次静校正尤为重要。因此，首先利用三维初至折射静校正软件反演地下地层速度结构，求取野外一次静校正量，利用模拟结果进行地表一次静校正。经过静校正后，单炮记录中同相轴连续性明显变好。（2）叠前噪音衰减试验记录显示，工区存在各种噪音干扰，针对不同噪音采用了有针对性的噪音压制技术。①剔除无效的废炮、废道，对超过阀值的异常振幅进行自动识别、衰减，并将其去除；②采用基于波动方程模型的自适应面波衰减方法，用发散的线性噪音进行建模，对于每个频率/波数子集，根据信噪比信息，进行模型与数据自适应匹配，建立模型，最后从数据中减去面波；③在不同的频段内，以加权中值为参考，自动识别噪声，并根据噪音与信号的数值相对关系，计算加权曲线，对噪音进行衰减。（3）相位一致性处理工区采用不同的炮集方式进行施工，分别为黄土区施工及基岩区施工。2种炮集记录具有不同的相位特征，如果不进行相位校正，在重叠部分会出现不同相叠加，所以在反褶积前需要做好相位一致性处理工作。处理时，选择基岩区和黄土区炮集重复的叠加段，求取子波算子。（4）偏移偏移处理是使地下反射点真实归位、绕射波收敛、提高横向分辨率的重要手段。处理时使用了一步法叠后偏移模块，偏移速度是平滑处理后的100%叠加速度，偏移剖面显示，剖面连续性较好、信噪比较高，断点也比较清晰。为进一步提高资料的精度，在原三维地震资料预处理的基础上进行了叠前深度偏移处理。叠前深度偏移有效提高了小断层的识别精度。图3为巷道揭露的3条断层，在叠后时间偏移剖面上，F1断层的升降关系与实际揭露资料不符，F2断层落差偏小。叠前深度偏移剖面上F1、F2、F3这3条断层的平面位置、落差与揭露资料一致性较好。
3.4资料解释
资料解释时首先对测井资料进行分析，选择人工伽马测井曲线与视电阻率曲线拟合出声波测井曲线，利用拟合出的声波测井曲线与地震数据联合制作人工合成地震记录，并将合成地震道与井旁实际地震道进行对比，最终将地震时间剖面上的主要反射波（波组）与地质目的层对应起来。进行波的对比时，以全区可以连续追踪对比的2＃煤层及4＃煤层反射波为主进行波的对比与追踪。图3叠后偏移与叠前深度偏移剖面对比图
4验证情况
巷道验证了叠前深度偏移成果解释的落差大于10m的断层3条，最大落差误差5m，最小落差误差1m，最大平面摆动误差25m，最小平面摆动误差13m。巷道资料显示，2条落差小于5m的断层地震资料不能进行准确解释。
5结语
在复杂地表条件下陡倾角区进行三维地震勘探时，合理的观测系统设计是取得良好勘探效果的前提；精细、科学的施工方法是取得良好资料野外资料的基础。叠前深度偏移技术是解决陡倾角地层成像的有力保障。实际资料表明，只要观测系统设计合理、采集参数应用得当、资料处理方法正确，在复杂地表条件下的陡倾角区进行三维地震勘探是能够取得较理想的地质效果的。
参考文献：
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作者:汤红伟 单位:中煤科工集团 西安研究院有限公司
