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电火花震源在煤矿采区三维地震勘探中的应用收稿日期:2 0 2 3 0 4 2 0;修订日期:2 0 2 3 0 8 1 2;编辑:王敏作者简介:刘兴金(1 9 8 2),男,宁夏中卫人,高级工程师,主要从事煤田地震勘探技术应用与研究工作;Em a i l:2 8 4 1 0 2 0 9 3q q.c o m刘兴金1,王有智2,宋琳1,高登辉1,崔江龙1,路永平3(1.山东省煤田地质局物探测量队 山东 济南 2 5 0 1 0 4;2.山东省第三地质矿产勘查院,山东 烟台 2 6 4 0 0 4;3.山东省地质测绘院,山东 济南 2 5 0 0 0 2)摘要:电火花震源是一种典型的非炸药地震勘探震源,多用于海洋地震勘探中,具有安全、绿色、环保等优点。以往由于电火花震源体积笨重,施工效率低,在煤矿采区三维地震勘探中应用极少。随着技术进步,电火花震源实现了轻量化、智能化,能够适应各种地质工况的需求。山东省滕县煤田一采区三维地震勘探区地表村庄等障碍物较多,表层地震地质条件较为复杂,炸药震源激发离房屋近对建筑物破坏性大,偏移距过大又会造成地震剖面开天窗,目的层反射波不连续。经过调查对比分析,本次三维地震野外数据采用电火花震源激发,生产前进行了井深与电火花能量试验,确定了激发参数。结果所获单炮记录与地震剖面信噪比高、目的层反射波同相轴连续性好,能够满足煤矿采区三维地震精细勘探,取得了较好的应用效果。电火花震源可以作为一种补充震源,在煤矿采区复杂地表条件地震勘探中推广应用。关键词:电火花震源;煤矿采区;三维地震勘探;炸药震源;滕县煤田中图分类号:P 6 3 1.4 文献标识码:A d o i:1 0.1 2 1 2 8/j.i s s n.1 6 7 2 6 9 7 9.2 0 2 3.1 0.0 0 8引文格式:刘兴金,王有智,宋琳,等.电火花震源在煤矿采区三维地震勘探中的应用J.山东国土资源,2 0 2 3,3 9(1 0):5 1 5 5.L I UX i n g j i n,WAN GY o u z h i,S ONGL i n,e ta l.A p p l i c a t i o no fE l e c t r i cS p a r kS o u r c e i n3 DS e i s m i cE x p l o r a t i o no fC o a lM i n i n gA r e aJ.S h a n d o n gL a n da n dR e s o u r c e s,2 0 2 3,3 9(1 0):5 1 5 5.0 引言地震勘探是地球物理勘探中最重要的一种物探方法,因其勘探精度高和投资回报快成为石油、天然气、煤炭等地下天然矿产的主要勘探技术手段。震源是地震勘探技术的重要组成部分,是产生地震信号的源头,震源的信号质量直接影响地震勘查效果1。地震勘探所使用的震源分为两大类,一类是炸药震源,而另一类则统称为非炸药震源2。非炸药震源又分为脉冲震源(例如电火花震源、重锤、空气枪等)和可控震源38。目前在煤田地震勘探中,受地形条件限制、爆炸物品安全性及管控、环境保护因素等影响,在东部平原、西部山区与黄土高原等地形主要采用炸药震源激发,新疆、内蒙等戈壁与草原地形逐步采用可控震源替代炸药震源激发方式。三维地震勘探技术作为煤矿采区构造与岩性勘探的主要手段,已获得广泛应用,为煤矿安全、高效开采提供了技术保障4。滕县煤田一采区煤矿位于山东省济宁市微山县,经过近四十年的开采,剩余接续采区村庄较多、人口稠密,地表条件较为复杂。经过综合分析,接续采区三维地震勘探野外数据采集利用电火花震源激发,通过点试验确定了激发参数,最终所获单炮记录与地震时间剖面中,上部3煤层、下部1 6煤层及奥灰顶界面反射波信噪比高、频率高、同相轴连续性好,取得较好的应用效果。为今后类似地震地质条件煤矿采区三维地震勘探采用电火花震源激发积累了经验。1 电火花震源的激发原理电火花震源是一种将电能转化为机械波能量的动力装置,主要由充电单元、脉冲放电单元以及放电电极组成1 01 1。具体工作原理是在激发前,高压整流电路先使高压电容充电到几千伏,高压电容通过15第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月放电电缆和放电开关与放置于水中的一对电极相连。激发时,放电开关接通,电极突然获得几千伏的高压,电极间水介质中形成几万安培的放电电流,瞬间产生出几万焦耳的热能,将附近土层水气化形成高温高压区,瞬间爆炸产生地震波1 21 3。电火花发射能量可用公式表示为:E=C U2/2(1)式中:E电火花发射能量,单位为J(焦耳);C电火花中用来存储电能的电容器的电容,单位为F(微法);U电容器中存储的电压,单位为k V(千伏)。根据式(1)可以看出,电火花震源的输出能量是可以调控的。对于电火花震源来说,系统的电容C是确定的,要想得到大小不同的爆炸能量E,可以通过控制电容器的电压U的大小来达到目的1 41 5。电火花震源是一种典型的非炸药地震勘探震源,安全绿色环保,对周围环境的影响小,可用于各种地震方法,可根据需求定制其激发频率、能量等参数,以此满足各种工况的使用要求。与空气枪震源对比,由于完全没有“气泡效应”,效果优于空气枪。并且,同能量情况下,电火花震源比空气枪震源体积小,重量轻几个数量级;与重锤震源相比,其激发的地震波频率高于重锤,适合地质构造精细结构的探测;与炸药震源对比,绿色环保,对周边环境影响小。2 地质概况及地震地质条件2.1 地质概况研究区位于山东省微山县县城西北约6.0k m处,位于成武、滕县凹陷的东部,滕县煤田的南部。钻孔揭露的地层自下而上有奥陶纪马家沟群,石炭二叠纪月门沟群本溪组、太原组、山西组,二叠纪石盒子群,侏罗 白垩纪淄博群三台组,第四系。主要含煤地层为石炭 二叠纪月门沟群太原组和山西组。2.2 地震地质条件区内地势平坦,地面标高在3 53 7m左右,为鲁西南冲积平原北部边缘部分,但是村庄分布较多,对检波点和炮点布设造成了较大的影响。本区潜水面一般在地表以下3m左右,潜水面以下厚层流砂及砂浆石使成孔困难,激发条件变差,同时厚层流砂对地震波高频成分吸收衰减严重。主采煤层为位于山西组中的3上、3下煤层,钻孔揭露3上煤层厚度1.0 25.6 3m,3下厚度05.3m,间距94 7m,煤层顶底板砂岩与煤层之间存在明显波阻抗界面,可产生较强反射波,埋藏相对较浅,深度3 0 04 3 0m之间,断层发育,3上、3下煤层存在冲刷与沉缺地质现象,综上分析,区内表、浅层地震地质条件比较复杂,深层地震地质条件一般。3 数据采集与处理3.1 试验资料分析在井中激发,对地震资料品质影响较大因素主要是井深和能量,即需要有理想的激发层位和足够的激发能量,来获得最佳单炮记录。试验接收仪器为法国S e r c e l公司4 2 8 X L数字地震仪,3 5H z模拟检波器两串两并组合接收;采用单线1 2 0道接收,道距1 0m,排列长度11 9 0m,不对称激发,采样率0.5m s;激发采用武汉长大C D 2电火花震源,发射电压51k V,能量2 0 0k J,频带范围1 01 5 0H z。前人对电火花激发能量与炸药震源激发能量进行对比试验,认为电火花2 0 08 0 0k J能级激发的能量相当于炸药震源24k g激发的能量1 6。3.1.1 井深试验区内潜水面在地表以下3m左右,潜水面以下分布有厚层流砂及砂浆石,激发条件复杂。试验激发电压固定为6k V,能量1 2 0k J,井深分别为8m、9m、1 0m、1 1m、1 2m、1 3m,对比不同井深激发获得单炮记录效果,试验结果如图1所示。81 3m井深激发单炮记录上均能获得目的层的反射波,其中以井深1 2m单炮记录上目的层反射波组能量最强、同相轴连续较好,面波干扰小,单炮有效频带约为1 01 0 0H z,主要目的层的频带宽度约4 09 0H z。通过成孔发现,流沙及砂浆石主要分布在81 1m之间,对能量有较强的吸收作用。因此,区内电火花震源激发井深选择1 2m。3.1.2 能量试验激发能量试验采用固定激发井深1 2m。考虑到设备本身的安全问题,选择电容充电电压为5k V、6k V、7k V、8k V,对应4种输出能量1 0 0k J、1 2 0k J、1 4 0k J、1 6 0k J进行试验对比。从不同激发25第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月山东省煤田地质局物探测量队,山东省滕县煤田一采区三维地震勘探报告,2 0 2 1年7月。能量单炮记录对比看,上述4种激发能量均能得到品质较高的单炮记录,随着激发能量的提高,单炮记录信噪比有所提升,反射波同相轴连续性增强,尤其是7k V、8k V激发时,深部4 0 0m s附近弱反射波能量有所增强、连续性变好(图2)。图1 相同能量不同井深单炮记录对比图图2 相同井深不同激发能量单炮记录对比图3.1.3 试验结论(1)通过对点试验资料综合分析,本区电火花震源激发井深采用1 2m,激发能量选择电容充电电压为7k V,对应能量1 4 0k J,考虑到浅层流沙及砂浆石对地震波激发及吸收作用,在生产过程中,激发井深穿过该层位。记录长度2.0 s,采样间隔0.5m s。(2)干扰波主要有面波、声波和多次折射波,后期资料处理采取针对性措施进行干扰波去除。(3)单炮记录显示单边排列长度超过3 0 0 m时,受到多次折射波干扰,因此接收道数不宜大于7 0道。(4)针对本区目的层埋藏浅、地震地质条件较差情况,数据采集宜采用小道距接收,增加覆盖次数,以此提高资料的信噪比。(5)与炸药震源相比,电火花震源使用起来更加方便灵活,对建筑物的破坏性小,环保无污染,可以节约地震勘探费用,但是电火花震源激发时需要12m i n的充电时间,在放炮效率上要低于炸药震源。在勘探效果上,本次电火花震源所获得单炮记录有效波频带宽度约1 01 0 0H z,主要目的层的频带宽度约4 09 0H z,分辨率较高,可以达到炸药震源激发的效果。3.2 数据采集方法根据区内表浅层、深层地震地质条件以及点试验结果,本次三维地震数据采集采用束状1 2线1 0炮制、中点激发观测系统,主要参数见表1。表1 观测系统参数一览表序号观测系统参数参数值1接收道数6 0道/线1 2线=7 2 0道2接收线距4 0 m3接收道距1 0 m4横向炮点距2 0 m5纵向炮排距6 0 m6最小非纵炮检距1 0 m7最大非纵炮检距3 1 0 m8最大炮检距4 7 5 m9C D P网格5 m(纵向)1 0 m(横向)1 0覆盖次数5次(纵向)5次(横向)=2 5次3.3 地震资料处理针对原始资料的特点,本次处理工作主要围绕高通滤波、真振幅恢复、反褶积、速度分析、剩余静校正、DMO处理、随机噪声衰减、三维偏移等8个处理技术展开,在资料处理过程中,始终以提高信噪比、保真度、分辨率为目标展开资料处理工作。4 应用效果分析从电火花震源激发三维地震资料看,时间剖面整体信 噪 比 较 高,主 要 目 的 层3上、3下煤 层 对 应35第3 9卷第1 0期 水文地质环境地质 2 0 2 3年1 0月T 3 S、T 3 X波能量强、同相轴连续;受上部3煤层屏蔽作用,深部1 6煤层T 1 6波能量弱,但连续性较好;奥灰顶界面为不整合面,界面不光滑,上下岩性变化大,理论上对应反射波特征变化大,时间剖面中TO波特征也真实的反映了奥灰顶界面赋存状况。研究区内3煤层存在分叉、合并现象,西南部为合并区,东北部为分叉区。在分叉区内3下煤层存在冲刷变薄至不可采。煤层反射波振幅强度与煤层厚度成正比关系,反射波振幅强弱直接反映了煤层的厚度变化趋势1 71 8,当3下煤层冲刷后,时间剖面中T 3 X波能量、振幅明显变弱(图3)。13下煤层冲刷区;2已施工钻孔图3 电火花震源激发三维地震时间剖面图以往研究表明,与岩性有关的信息包含在与振幅相关的地震属性中1 92 0。通过提取振幅、频率、相位、方差、能量等多种属性参数进行对比,其中3下煤层层位同相轴均方根振幅属性,可以较好的反映出3下煤层变化情况,其时窗长度为3下煤层反射波同相轴上下各5m s。从3下煤层均方根振幅属性图中可以看出,蓝色与粉红色区域对应振幅值小,其中蓝色区域反映该区域煤层较薄至不可采,粉红色区域为冲刷变薄区,与钻孔实际揭露资料吻合较好(表2),为3下煤层开采提供了可靠地质依据,取得了较好的应用效果(图4)。1钻孔及编号;2冲刷区;3冲刷变薄区图4 3下煤层均方根振幅属性示意图表2 分叉区3煤层厚度统计表序号孔号3上煤厚度/m3下煤厚度/m16 6 2 24.7 64.6 12F 6 93.8 53.7 33F 5 13.8 34.2 24F 5 21.5 41.5 6(冲刷变薄)5F 5 34.5 8完全冲刷6X 8 1 73.9 10.1 7(冲刷变薄)7F 4 1断缺断缺86 3 2 34.0 50.2 7(冲刷变薄)9F 4 24.3 30.4 7(冲刷变薄)5 结论电火花震源作为非炸药震源,具有安全环保、能量强、激发频率高等优点。实践表明,在煤矿采区三维地震勘探中,可以获得信噪比、分辨率较高的单炮记录,地震时间剖面中煤层反射波同向轴连续性较好,能够真实反映地下煤层赋存情况,满足煤矿采区三维地震勘探的要求。电火花震源在井中激发要想获得品质较高的单炮记录,需要有最佳的激发层位和较强的激发能量。电火花震源可以作为炸药震源的补充震源,在复杂地表条件下煤矿采区三维地震勘探中推广应用。45第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月参考文献:1 林君.电磁驱动可控震源地震勘探原理及应用M.北京:科学出版社,2 0 0 4:1 1 5.2 闫妤靖,王军民,吕志杰.无线数据传输设计在电火花震源地震勘探中的应用J.科学技术与工程,2 0 2 0,2 0(3):9 1 8 9 2 3.3 蒋辉,李海军,高斌,等.电火花震源在石油地震勘探中的应用J.物探装备,2 0 1 8,2 8(1):4 2 4 4.4 汤红伟.煤矿采区高密度三维地震技术研究与应用D.西安:煤炭科学研究总院西安研究院,2 0 1 0:1 2 0.5 裴彦良,王揆洋,刘晨光,等.电火花震源系统充电技术研究J.海洋技术,2 0 0 7,2 6(3):7 3 7 6.6 左公宁.煤田地震勘探用陆地电火花震源通过监定J.电工电能新技术,1 9 8 8(3):5 7.7 蒋士钧.煤田地震陆地电火花震源试验通过监定J.煤田地质与勘探,1 9 8 8(4):7 4.8 王中原,罗明璋,王军民,等.基于物联网的电火花震源电力参数实时记录系统设计J.长江大学学报(自然科学版),2 0 1 8,1 5(5):3 74 0.9 佟训乾,林君,姜弢,等.陆地可控震源发展综述J.地球物理学进展,2 0 1 2,2 7(5):1 9 1 2 1 9 2 1.1 0 史孝侠,高迎慧,孙鹞鸿,等.重频脉冲下海洋电火花震源的研制J.电源技术,2 0 1 3,3 7(4):6 4 6 6 4 9.1 1 戚宾,王详春,赵庆献.海洋电火花震源地震勘探研究进展J.物探与化探,2 0 2 0,4 4(1):1 0 7 1 1 1.1 2 左公宁.电火花震源J.勘察科学技术,1 9 8 8(1):5 8 6 0.1 3 卓武,张伟,丁海燕,等.基于电火花震源的微测井技术在复杂沙漠地区的应用研究J.地球物理学进展,2 0 1 9,3 4(5):1 9 8 8 1 9 9 5.1 4 任立刚,杨德宽.电火花震源在平原水域区地震采集中的应用及效果分析J.地球物理学进展,2 0 1 9,3 3(6):2 5 8 1 2 5 8 7.1 5 陈首桑,王清源,孙林.几种非炸药震源的物理过程及其特性分析J.石油物探,1 9 8 5,2 4(1):1 0 1 1 0 7.1 6 刘沛然,杨晨莹.电火花震源在地震采集中的应用J.石油物探,2 0 2 1,6 0(增1):5 9.1 7 董守华,马彦良,周明.煤层厚度与振幅、频率地震属性的正演模拟J.中国矿业大学学报,2 0 0 4(1):3 2 3 5.1 8 刘兴金,宋嗣麒,张运国.三维地震勘探综合解释技术在探测3煤层中的应用J.山东国土资源,2 0 2 0,3 6(6):5 8 6 2.1 9 张可宝,张红斌,赵玉光,等.均方根振幅与岩性J.石油地球物理勘探,2 0 0 7(S 1):9 3 9 6.2 0 赵彤,王雨辰,李根云,等.综合物探方法在煤矿采空区勘察中的应用:以 济 南 市 钢 城 区 某 项 目 为 例 J.山 东 国 土 资 源,2 0 2 2,3 8(3):2 7 3 3.A p p l i c a t i o no fE l e c t r i cS p a r kS o u r c e i n3 DS e i s m i cE x p l o r a t i o no fC o a lM i n i n gA r e aL I UX i n g j i n1,WANGY o u z h i2,S ONGL i n1,GAOD e n g h u i1,C U I J i a n g l o n g1,L UY o n g p i n g3(1.G e o p h y s i c a l S u r v e y i n gB r i g a d eo fS h a n d o n gC o a l f i e l dG e o l o g yB u r e a u,S h a n d o n gJ i n a n2 5 0 1 0 4,C h i n a;2.N o.3E x p l o r a t i o n I n s t i t u t eo fG e o l o g ya n dM i n e r a lR e s o u r c e s,S h a n d o n gY a n t a i 2 6 4 0 0 4,C h i n a;3.S h a n-d o n gI n s t i t u t eo fG e o l o g i c a lS u r v e y i n ga n dM a p p i n g,S h a n d o n gJ i n a n2 5 0 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:E l e c t r i cs p a r ks o u r c e i s a t y p i c a l n o n e x p l o s i v e s e i s m i c e x p l o r a t i o ns o u r c e,w h i c h i sm o s t l yu s e di nm a r i n e s e i s m i c e x p l o r a t i o n,a n dh a s t h e a d v a n t a g e s o f s a f e t y,g r e e na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n.I n t h ep a s t,d u e t o t h eb u l k yv o l u m e a n d l o wc o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c yo f e l e c t r i c s p a r ks o u r c e,i tw a s r a r e l yu s e d i nt h r e e d i m e n s i o n a l s e i s m i ce x p l o r a t i o n i nc o a lm i n i n ga r e a s.W i t ht h ep r o g r e s so f t e c h n o l o g y,t h ee l e c t r i cs p a r ks o u r c eh a s r e a l i z e dl i g h t w e i g h ta n di n t e l l i g e n t,a n dc a nm e e t t h en e e d so fv a r i o u sg e o l o g i c a l c o n d i-t i o n s.T h e r ea r em a n yo b s t a c l e ss u c ha ss u r f a c ev i l l a g e si nt h e3 Ds e i s m i ce x p l o r a t i o na r e ao fT e n g x i a nc o a l f i e l d,S h a n d o n gP r o v i n c e.T h es u r f a c es e i s m i cg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa r e r e l a t i v e l yc o m p l e x.T h ee x p l o-s i v es o u r c ee x c i t a t i o ni sc l o s et ot h eb u i l d i n g,w h i c hi sd e s t r u c t i v et ot h eb u i l d i n g.T o ol a r g eo f f s e tw i l lc a u s e t h es e i s m i cp r o f i l e t oo p e nt h es k y l i g h t,a n dt h e r e f l e c t i o nw a v eo f t h e t a r g e t l a y e r i sd i s c o n t i n u o u s.A f t e r i n v e s t i g a t i o n,c o m p a r i s o na n da n a l y s i s,t h i s3 Ds e i s m i c f i e l dd a t a i se x c i t e db ye l e c t r i c s p a r ks o u r c e.W e l l d e p t ha n de l e c t r i cs p a r ke n e r g yt e s t sa r ec o n d u c t e db e f o r ep r o d u c t i o n,a n dt h ee x c i t a t i o np a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d.T h eo b t a i n e ds i n g l e s h o t r e c o r da n ds e i s m i cp r o f i l eh a v eh i g hs i g n a l t o n o i s e r a t i o,a n dt h ec o n t i n u i t yo f t h e t a r g e t l a y e rr e f l e c t i o nw a v e i sg o o d,w h i c hc a nm e e t t h er e q u i r e m e n t so f t h r e e d i-m e n s i o n a l s e i s m i c f i n ee x p l o r a t i o n i nc o a lm i n i n ga r e a s,a n dh a s a c h i e v e dg o o da p p l i c a t i o nr e s u l t s.E l e c t r i cs p a r ks o u r c e c a nb eu s e da s as u p p l e m e n t a r ys o u r c e i ns e i s m i c e x p l o r a t i o no f c o m p l e xs u r f a c e c o n d i t i o n s i nc o a lm i n i n ga r e a s.K e yw o r d s:E l e c t r i c s p a r ks o u r c e;c o a lm i n i n ga r e a;3 Ds e i s m i c e x p l o r a t i o n;e x p l o s i v e s o u r c e;T e n g x i a nc o a l f i e l d55第3 9卷第1 0期 水文地质环境地质 2 0 2 3年1 0月