西部巨厚砾石层地区三维地震勘探技术的应用_李雪梅.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.048西部巨厚砾石层地区三维地震勘探技术的应用李雪梅（江苏煤炭地质物测队，江苏 南京 210046）摘要 新疆戈壁滩砾石层厚度超 200 m，地震反射波在砾石层中能量衰减严重，煤层层数多、间距小、厚度薄、倾角大，地震地质条件复杂，气候条件恶劣。采用可控震源进行三维地震勘探，必须采取相对应的技术措施才能完成地质任务。本次地震勘探数据采集优选观测系统，采用了适合在厚砾石层中激发、接收的技术措施，取得了真实、可靠、品质较高的野外原始地震勘探数据。数据处理重点抓住静校正、去噪、反褶积、叠前偏移等关键技术环节，获得了信噪比较高、分辨率较高的三维数据体。地质成果经钻孔验证精度满足规范要求。该勘探技术取得了较好的效果。关键词 巨厚砾石层；多煤层；可控震源；联合静校正；联合去噪；叠前偏移；地质成果中图分类号P631.4文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0156-050引言三维地震勘探成像精度高、地质成果可靠，现在已成为煤炭等资源开发的常规性勘探技术1。随着近年来采集设备的投入与三维地震处理、解释技术的发展，其勘探成果比十年前已有了明显的进步。但根据具体的地震地质条件、煤层赋存特点需要相对应的技术手段23。本文针对西部戈壁地区的三维地震勘探难点，讨论了现在三维地震勘探实践中的方法技术及勘探成果。1勘探区概况1.1地质概况（1）地层：勘探区位于新疆维吾尔自治区东北部，属于北准噶尔地层分区、北塔山地层小区，地层由老至新主要有石炭系下统（C1）、下侏罗统八道湾组（J1b）、下侏罗统三工河组（J1s）、中侏罗统西山窑组（J2x）、第四系上更新统 Q3、第四系全新统 Q4。（2）煤层：含煤地层为下侏罗统八道湾组（J1b）及中侏罗统西山窑组（J2x），为一套河流相、湖滨相及泥炭沼泽相的沉积。八道湾组岩性以粉砂岩、泥岩为主，夹有细砂岩、粗砂岩，杂色的砂砾岩，共含煤 15 层，其中可采 8 层，各可采煤层平均厚 1.073.9 m，可采平均总厚 14.29 m。西山窑组岩性以粗颗粒的中、粗砂岩，砂砾岩为主，含煤 1 层，厚度 0.32.92 m，平均厚度 1.088 m。（3）构造：褶曲发育，构造形态为一不完整的宽缓向斜构造。断层发育简单。1.2地质任务查明主要可采煤层赋存情况和构造发育特征。1.3地震地质条件1.3.1浅、表层地震地质条件勘探区为南北高、中间低的自然地势，属强烈的风蚀残丘地貌，海拔高差超 100 m。地形起伏相对较大，局部较陡，对可控震源施工有一定影响。勘探区第四系由冲积、洪积砾石所组成，厚度025 m，干燥、松散，无地表水，且煤层上部为 100200 m巨厚砾石层；面波干扰明显，地震反射波在砾石层中能量衰减很快，激发及接收条件差。浅、表层地震地质条件复杂。1.3.2中、深层地震地质条件煤层的顶底板岩性主要是砂砾岩、粉砂岩，与煤层之间有较大的物性差异，是一个良好的波阻抗界面。但煤层薄、层数多、间距小，单层煤层难以形成可连续追踪的反射波，波组的分辨能力受到一定限制。煤层厚度及煤层间间距变化大，致使反射波能量及连续性不稳定，其中较厚煤层和稳定性煤层所获得的反射波连续性好，能量强。因主采煤层向斜两翼倾角大，导致反射点的离散量偏大，降低了资料的分辨能力，影响煤层反射波的连续性和信噪比。中、深层地震地质条件一般。1.3.3综合地震地质条件勘探区浅、表层地震地质条件复杂，中、深层地震地质条件一般，所以勘探区为综合地震地质条件复杂地区。2三维地震勘探技术难点（1）激发、接收条件较差。松散巨厚砾石层对地能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11562023 年 2 月Feb.,2023李雪梅西部巨厚砾石层地区三维地震勘探技术的应用震波的吸收衰减作用明显。根据新疆管控政策没办法采用炸药震源激发，选择可控震源激发也增加了在低信噪比地区的施工难度。（2）气候条件恶劣。勘探区为荒漠戈壁区，干旱少雨，春季多风沙。本项目施工时间为 4、5 月份，大风、沙尘天气较频繁，多次遭遇沙尘暴，甚至风灾。（3）三维地震资料处理解释难度大。煤层多、薄、间距小、倾角大，如何增加下传能量、拓宽频带、提高资料分辨率，是资料处理的重点。3三维地震勘探采集技术获取高质量的原始数据，是本次三维地震勘探成败的关键。针对以上难点，数据采集采取了以下对策：（1）优选观测系统。采用 10 线 10 炮、中间激发双边接收、35 次（横 5纵 7）覆盖的正交三维观测系统。CDP 点网格为 5 m10 m，接收道距 10 m，接收线距 40 m，激发炮线距 20 m，激发炮点距 80 m，最大炮检距 613.27 m。以往地震工作选择的是 24 次叠加，本次勘探35 次叠加，且采用小炮检距，可以有效压制干扰波，提高反射波信噪比，确保三维地震勘探成果精度。图 1 为本区典型时间剖面，从中可见剖面上波组丰富，反射波能量强，信噪比较高。图 1勘探区典型时间剖面（2）优选激发参数，减少干扰能量，增强有效波能量。生产前进行了充分的试验工作，通过 4 个代表性试验点的激发接收参数试验论证及效果分析，针对不同煤层埋深、不同地震地质条件，采用不同激发接收参数。可控震源扫描频率为 15120 Hz，扫描长度为 12 s，驱动幅度为 75%。震源台数与振动次数根据煤层埋深和表层砾石层分布及厚度有所区别：西北部埋深最浅，激发条件相对较好，采用 2台震源、振动次数 3 次；中部浅表层为松散厚砾石层，激发条件差，采用 3 台震源、振动次数 4 次，且适当增加接收排列，并将中部砾石层区域的激发点抽稀，以恢复性放炮的形式在相对较好的区域进行激发（前提是保证资料完整性，叠加次数不少于 24次）；其他大部分区域均采用 2 台震源、振动次数 4次。激发震源台数与振动次数划分区如图 2 所示。图 2勘探区激发震源台数与振动次数划分施工过程中本着边试验边生产的原则。虽然中部厚砾石层区域资料信噪比仍较低，但通过上述技术措施，涉及到的范围较预计（以往二维资料成果）明显减小，波组能量、连续性明显增强，如图 3 所示。图 3三维地震与二维地震剖面对比（3）全区检波器挖坑埋置，插紧、插直、埋实，减少荒漠戈壁风沙的干扰。仪器组密切关注背景干扰，大风干扰严重时暂停施工。图例三维地震勘探范围钻孔名称第四系厚度2 台 4 次3 台 4 次2 台 3 次4 台 4 次北第四系岩性钻孔 13-3钻孔 13-5二维剖面钻孔 13-3钻孔 13-5三维剖面1572023 年 2 月Feb.,2023（4）全区煤层埋深变化较大，深度从 100 m 到600 m。采用端点激发逐渐过渡到中间激发，尽量减少人为因素造成的干扰，同时可一定程度提高放线效率。4三维地震勘探资料处理技术通过对原始资料的波场分布、干扰波的种类和特点、反射信息的频率和振幅、资料静校正量以及速度场等情况的分析，地震资料处理的重点放在解决静校正、去噪、反褶积和叠前偏移成像等方面。4.1联合静校正技术（1）野外一次静校正。勘探区由于地形高差达100 m，地表低降速带变化较大，静校正量复杂。野外一次静校正采用的是层析静校正方法，同时对层析静校正的方法进行了测试，如应用层析方法计算的低频+高频、仅用高频部分、仅用低频部分、应用高程方法计算的低频+高频等。结论表明，采用层析方法计算的低频+高频对资料有较大的改善，反射波连续性更好。（2）地表一致性剩余静校正。地表一致性剩余静校正技术用来解决由于地震资料反射时间因近地表的不一致性造成反射同相轴偏离了正常的双曲线规律而产生的剩余静校正问题，消除高程及低降速带校正后残余的短波长静态时差的影响，改善叠加成像，提高资料的信噪比。做好剩余静校正还有助于提高速度分析的精度和动校正的效果，增强反射同相轴的连续性。在进行剩余静校正处理时，速度分析与剩余静校正进行迭代处理，直到叠加剖面达到最佳效果。4.2叠前及叠后联合去噪技术（1）叠前去噪。在做好波场分析的基础上，针对记录中存在的各种干扰现象和特点，有针对性地采用多种方法组合去噪，采取多域、分区、分类别迭代的去噪技术，按从强至弱逐级去噪的顺序，多域分频去噪，保护低频有效信号。局部振幅异常噪音主要采用地表一致性分频压噪技术进行压制；面波、声波和多次折射波等相干噪音，采用相干噪音压制技术进行衰减和压制；对于少数单炮受 50 Hz 工频干扰，采用单频噪音衰减的方法进行压制。（2）叠后去噪。叠后剖面上残存的干扰波会以相干噪音、随机噪音或者画弧的形式出现在叠加和叠前偏移剖面上。根据剖面的实际情况，对叠后资料综合利用 F-XY、AMCOD、RPF 等方法去除随机噪音，并采用 FK滤波去除倾斜相干干扰等一些处理手段，有效地增强了有效波组的能量，压制了随机噪音及规则干扰波，剖面质量有了较大的提高。4.3叠前反褶积反褶积的作用，一是压缩子波；二是子波整形。根据地质任务和资料本身特点，采用地表一致性预测反褶积。在力求提高分辨率的同时，努力保持波组特征和信噪比，既要兼顾不同地域不同频率的单炮，也要兼顾浅中深层、特别是目的层的各有效波组。综合考虑，选择预测步长为 16 ms、算子长度为120 ms 时，地震信号的频带均有所拓宽，高频成分能量相对提升，资料主频提升。4.4叠前时间偏移叠前时间偏移是一项地震成像精度较高的处理技术。它既避免了叠加所带来的对介质模型过分简化的局限，同时对速度模型的纵横变化不过分苛刻，能适应纵横向速度变化较大的情况和适用于大倾角的偏移成像，是复杂构造地区数据成像较理想的偏移方法。本次对叠前时间偏移效果影响较大的偏移孔径、拉伸切除系数进行了测试，通过对比，最终选择偏移孔径为 3 000 m、拉伸切除百分比选择为 100、反假频因子为 0.6。处理成果叠前偏移时间剖面，信噪比较高、构造清晰可靠。5三维地震资料解释与地质成果5.1资料解释本次资料解释工作是在 Geoframe2012 人机交互解释系统上，充分应用灵活的三维显示，使用了叠加数据体、叠后偏移数据体及叠前时间偏移数据体 3 种数据进行综合解释，其中以叠前时间偏移数据体为主。利用已知钻孔声波测井资料制作人工合成记录，与井旁地震资料进行对比，将反射波与主要煤层联系起来。在数据解释过程中，通过对三维地震资料的精细对比和反复解释，并进行了纵横时间剖面、水平切片、沿层振幅属性及立体显示，为提高微小地质构造、冲刷区、煤层分叉合并等地质现象的解释精度提供了可靠的保证。（1）断层解释。在地震资料解释系统上对断层的解释过程，一般按 Iline 方向和 Xline 方向追踪层位，根据断点解释标志进行断层解释。断点解释是依据地震时间剖面上 5 个标志来确定的，反射波同相轴错断；反射波同相轴数目突然增减或消失；反射波同相轴产状突变；反射波同相轴分叉、合并、扭曲，强相位转换等；特殊波的出现，如断面波、绕射能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11582023 年 2 月Feb.,2023（3）煤层冲刷区解释。煤层冲刷缺失在时间剖面上反应特征为煤层受古河道冲刷时，反射波同相轴振幅突然急剧变弱乃至中断，如图 5 所示。在煤层地震属性图上也可以综合利用反射波频率、相位、能量等各种信息，区分正常煤层与煤层冲刷区。图 5煤层冲刷缺失在时间剖面上的反应（4）煤层分叉合并现象。勘探区煤层横向变化较大，厚度与间距的变化会引起地震反射波振幅、频率的变化。由于受地震解释分辨率的限制，煤层间距很小时，无法将相近的煤层分开，如煤层间距发生变化时，会出现煤层分叉合并现象，如图 6 所示。在时间剖面上钻孔 19-1 至 19-6 之间可以分为3 种地震相：合并相、过渡相和分叉相。19-1 钻孔揭露 A2 与 A3 煤层间距仅 7.65 m，A3 与 A4 煤层间距仅 1.1 m，A4 与 A5 煤层间距仅 1.9 m，所以 A2 至A5 煤层形成复合波，即合并相，其反射波能量强、频率低；19-6 钻孔揭露 A3 煤层缺失，A2 与 A4 煤层间距 9.4 m，A4 煤层与 A5 煤层间距仅 2.4 m，因为 A3 煤层的缺失，致使 A2 与 A4 煤层间距变大，开始出现分叉现象，即分叉相，其反射波能量相对较弱，频率较高；2 个钻孔之间复合波未明显分成 2层波时为过渡相。图 6煤层分叉合并现象在时间剖面上的反应5.2地质成果图 4褶曲构造在时间剖面上反应波。在解释过程中着重利用三维地震数据体沿层多属性，检测属性值“异常点”的分布，精细解释小断层。利用相邻道地震信号之间的属性值“差异”来描述地层、岩性等的横向变化，同时结合地震时间剖面解释，可有效地提高小断层的解释能力。本项目在解释过程中主要应用了以下地震属性：方差体沿层切片、均方根振幅、顺时相位、顺时振幅、顺时频率沿层切片属性。利用这些地震属性来研究地下地质构造及异常体非常有效，但单一属性成像所体现的地质信息多解性较强。要通过多属性融合避免单一属性的局限性，把大量的地震属性信息整合在一起，充分挖潜数据内含信息，提高构造解释的精度和效率。（2）褶曲解释。地震反射波的起伏变化形态直接反映出煤层产状变化为向斜形态，如图 4 所示。缺失点TA2波TA9波TA12波TA2波合并过渡分叉钻孔 19-1钻孔 19-6能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11592023 年 2 月Feb.,2023经分析可知，S3陷落柱突水的危险性系数较大，在以后的开采过程中需要格外关注。同时，还应该采取物探技术进行分析，着重从以下方面实施遇底板陷落柱突水的预防措施。（1）采用充填开采、条带开采等新型绿色开采方式，降低煤层开采对煤层底板以及底板陷落柱周围岩石的塑性破坏。（2）在开采的过程中，采用预注泥浆改造煤层底板、底板陷落柱自身的构造和疏水降压的措施，来增大底板隔水层的有效隔水层厚度；降低含水层水压，阻止底板陷落柱与底板形成涌水通道，将含水层的补给水的水压降低。参考文献1武亚遵，杜鹏卓，林云，等.基于分形分维和模糊层次分析的煤层底板突水危险性评价 J.水资源与水工程学报，2017，28（2）：156-161.2毛正君，王生全，王赟，等.基于模糊层次分析法的矿井水文地质类型划分 J.煤炭技术，2016，35（7）：131-134.3李博.GRA-FAHP 模型的煤层底板突水危险性评价 J.地质论评，2015，61（5）：1128-1134.作者简介崔树文（1975-），男，采煤工程师，毕业于太原理工大学采矿工程专业，长期从事煤矿安全技术管理及矿山灾害与防治研究工作。收稿日期：2022-08-04表 13钻孔原始检验数据统计序号隔水层有效厚度/m含水层水压/MPa陷落柱的孔隙率/%工作面的掘进距离/m煤层开采高度/m隔水层岩石的抗拉强度/MPa1585.8113.02874.53.012623.4212.411215.22.823874.2513.23943.53.73（上接第 108 页）检验样本数据如表 13 所示。本次三维地震勘探工作的主要成果是查明了主要可采煤层的赋存范围和深度，控制了落差大于5 m断层发育情况。（1）煤层深度钻孔验证情况。与钻探揭露实际深度进行对照，对照点数为 45 个。三维地震解释深度不大于 200m时，误差小于 1%的点数占 99.8；三维地震解释深度小于 200 m 时，误差小于 3 m 的点数占 99.5，满足设计地质任务的要求。其误差原因，主要是解释的煤层为复合波的影响及波速取值的影响。（2）断层的验证情况。勘探区断层发育简单，较大的断层为东南部 F3 断层，因 F3 断层落差较大，对煤层的破坏性也较大，造成此处煤层错断或裂隙复杂。以往地质资料中 F3 断层为正断层，本次三维地震解释为逆断层，时间剖面上波组对比清楚，断层清晰，逆断层特征明显。根据 17 勘探线上 3 号孔揭露，西山窑与八道湾煤层间距超 100 m，一般情况下是因逆断层造成的地层重复，且 3 号孔揭露岩层破碎，其断层性质及落差与三维地震解释成果吻合。6结语在新疆戈壁滩厚砾石层、地震地质条件复杂区采用可控震源施工，采用高叠加次数、小炮检距的观测系统，根据表层砾石层的厚度优选激发能量和接收排列长度，检波器挖坑埋置，可获得品质较高的原始资料。资料处理选择有针对性地处理方法和处理参数，开展联合静校正、多次分步振幅补偿、地表一致性反褶积、多种方法组合压制干扰、精细速度分析与速度建模等技术测试，优选成像方法和参数，获得了信噪比较高、分辨率较高的三维数据体。在解释过程中以常规解释为主，通过对三维地震资料的精细对比和反复解释，并进行了纵横时间剖面、水平切片、沿层振幅属性显示，为提高微小地质构造的解释精度提供了可靠的保证。时-深转换以钻孔数据为基础，对各目的层上覆地层平均速度进行了充分、细致地研究，精度较高，地质成果良好，可为矿井建设和生产提供地质依据。参考文献1耿丽娟.新疆哈密戈壁滩区煤层三维地震勘探实践 J.地球物理学进展，2005（2）：393-398.2吴守华.沙漠地区资源高精度三维地震勘探技术应用 J.中国煤田地质，2006（3）：57-59.3张玉军，雷艳.煤田三维地震勘探在西部戈壁地区的应用 J.甘肃地质，2010，19（1）：83-87.作者简介李雪梅（1983-），女，高级工程师，毕业于中国矿业大学应用地球物理与信息处理专业，长期从事地震勘探数据采集、资料处理解释工作。收稿日期：2022-07-12能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1160