煤田三維地震采集處理解釋一體化技術(shù)的應(yīng)用研究

1、文章編號：16741803（2011）10005606煤田三維地震采集處理解釋一體化技術(shù)的應(yīng)用研究常鎖亮 1，王啟旺 2（1.中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249；2.山西省煤炭工程項目咨詢評審中心，山西 太原 030012）摘 要：結(jié)合煤田地震勘探特點，以沁水煤田某大型礦井為例，研究地震采集、處理和解釋一體化技術(shù)思路及實現(xiàn)方 法，結(jié)果表明：基于時間連續(xù)、空間高密度的寬方位規(guī)則化數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)真正三維空間處理的基礎(chǔ)；以彎曲射線疊 前時間偏移為重點的資料處理技術(shù)，是一體化思路的核心，也是確保成果資料具有較高信噪比、分辨率和保真度的 關(guān)鍵；在巖性和構(gòu)造綜合解釋方面，充分利

2、用相干濾波、譜分解、傾角探測等多地震屬性解釋特征，可以突出采區(qū)構(gòu) 造和微弱巖性異常的細(xì)節(jié)，從而提高地質(zhì)成果精度。關(guān)鍵詞：高精度地震勘探；一體化技術(shù)；彎曲射線；疊前偏移中圖分類號： p631.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼： aapplied research on coalfield 3d seismic data acquisition, processing andinterpretation integrated techniqueschang suoliang1, wang qiwang2(1. college of geophysics and information engineering, cup

3、b, beijing 102249; 2. shanxi provincial coal engineering projectconsultation, evaluation center, taiyuan, shanxi 030001)abstract: with a view to coalfield seismic prospecting characteristics, taking a large -scale coalmine in the qinshui coalfield as anexample, studied technological train of thought

4、s and realization method in seismic data acquisition, processing and interpretation integrated techniques. the result has demonstrated that: on account of time continuous, spatially high density broad azimuth regularized data acquisition is the foundation to realize genuine 3d spatial processing. ta

5、king the turning ray prestack time migration as the emphasized data processing technology is the kernel of integrative ideas, also the key to ensure higher s/n ratio, resolution and fidelity of resulting data. while in lithologic and structural comprehensive interpretation, taking full advantage of

6、coherent filtering, spectral decomposition, and dip angle detection etc. multiple seismic attribute interpretation characteristics can give prominence to details of winning district structures and faint lithologic anomalies, thus to improve geologic result accuracy.keywords: high-precision seismic p

7、rospecting; integrated technique; turning ray; prestack migration引言近年來， 可采煤炭資源逐漸向深部以及地質(zhì)構(gòu) 造復(fù)雜區(qū)延伸，煤礦高產(chǎn)、高效安全生產(chǎn)對煤層賦存 條件、 構(gòu)造發(fā)育情況以及瓦斯災(zāi)害等地質(zhì)問題提出 了更高的勘探精度要求。 傳統(tǒng)的窄方位采集方法以 及疊后處理解釋技術(shù)提交的地質(zhì)成果準(zhǔn)確率較低， 難以滿足生產(chǎn)要求。李慶忠院士曾指出1，“只要將各 個環(huán)節(jié)的漏洞堵塞一下， 只需利用現(xiàn)有的技術(shù)和裝 備，就可以使分辨率明顯地上一個臺階”。當(dāng)前，基于 地震采集、處理和解釋一體化技術(shù)思路，提高勘探準(zhǔn) 確度和勘探能力的技術(shù)方法在油氣勘探領(lǐng)

8、域已受到 了重視，并研究與應(yīng)用了高密度采集、層析靜校正、疊前偏移及譜分解等一系列新技術(shù)， 取得了好的地0質(zhì)效果2-6。因此，如何結(jié)合煤田地震勘探特點，站在系統(tǒng)應(yīng)用的高度上，從采集、處理和解釋等整個環(huán)節(jié)予以全盤考慮， 對于實現(xiàn)煤礦采區(qū)高精度構(gòu)造及巖 性地震勘探非常重要。研究區(qū)屬沁水煤田“十一五”規(guī)劃的重點礦井， 井型為 500 萬 t/a。 已有的詳查資料雖已查明礦井地 質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜， 瓦斯含量大 ， 主要煤層賦存深度大（700m 以深），且有局部沖刷變薄現(xiàn)象，但其成果精 度仍難滿足現(xiàn)代化礦井采區(qū)布設(shè)要求。為此，針對井 田的具體特點，運用采集、處理、解釋一體化技術(shù)思 路，采用寬方位高密度數(shù)據(jù)采集方

9、法，及以克?；舴?彎曲射線疊前時間偏移為核心的處理技術(shù)， 結(jié)合相 干濾波、譜分解、傾角探測等多地震屬性分析方法， 實現(xiàn)了不同規(guī)模構(gòu)造發(fā)育形態(tài)的高質(zhì)量成像， 并精 細(xì)描述了煤層賦存特征和河道等地質(zhì)異常體。作者簡介：常鎖亮（1972 ），男，山西靈石人，中國石油大學(xué)（北京）博士后，長期從事煤炭煤層氣地震勘探技術(shù)研究與應(yīng)用。收稿日期：2011-08-10責(zé)任編輯：孫常長用基于水平層狀介質(zhì)的疊加偏移方法處理存在較大的局限。目前，基于復(fù)雜非水平介質(zhì)成像的疊前偏移 處理技術(shù)，已被證明是高精度處理的關(guān)鍵技術(shù)9-10。 為此， 本次主要采用了以彎曲射線疊前時間偏移為 核心的高精數(shù)據(jù)處理方法， 處理的目標(biāo)已經(jīng)不

10、僅僅 限于將反射波或繞射波精確成像， 而且還要恢復(fù)其 波形和振幅等動力學(xué)特征。2.1 彎曲射線 kirchhoff 積分疊前時間偏移原理現(xiàn)在煤田疊前時間偏移大部分都是對成像點以 上空間進(jìn)行均勻假設(shè)采用平均速度的直射線走時 kirchhoff 積分偏移算法。 taner 和 koehler 為了改善 速度譜的能量聚焦，根據(jù)層狀介質(zhì)層速度假設(shè)，提出 了彎曲射線走時算法（圖 1），這種彎曲射線計算走 時的 kirchhoff 積分偏移為對稱彎 曲 射 線 kirchhoff 積分疊前時間偏移。 由于后者假設(shè)條件更接近于實 際，計算精度相對更高。 而且大量成功實踐也表明， kirchhoff 彎曲射線

11、疊前時間偏移在保證了計算效率 的前提下， 可較好地實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造條件下數(shù)據(jù)的偏 移歸位，剖面反射特征更加清晰，層間構(gòu)造刻畫更加 精細(xì)11?；趯挿轿挥^測的高密度、規(guī)則化三維數(shù)1據(jù)采集三維觀測與二維觀測的顯著區(qū)別在于， 空間上 的足夠的采樣密度和均勻性， 才能實現(xiàn)真正的三維 方位處理。 另外，從疊前偏移成像效果考慮，覆蓋次 數(shù)僅與疊加效果有關(guān)， 而偏移效果與采樣密度和均 勻性有關(guān)7。 另外，研究區(qū)試驗結(jié)果表明，淺表層和 深層地震地質(zhì)條件良好， 較易獲得信噪比和分辨率 較高的原始資料。因而，通過適宜的觀測系統(tǒng)設(shè)計和 嚴(yán)格的野外技術(shù)措施來保證均勻的高密度采樣是實 現(xiàn)本次高精度三維數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。首先，

12、已有研究表明，寬方位觀測一般均勻性較 好7，而且在高信噪比和靜較正問題不突出的地區(qū)， 應(yīng)采用有利于高分辨率處理和巖性預(yù)測的寬方位觀測系統(tǒng)8。因此，本次研究最終選擇了 8 線 5 炮，面元 5m（縱）10m（橫），24 次覆蓋（橫 4縱 6）的高密度采樣的觀測系統(tǒng)， 并且通過增大排列片的縱橫比（0.8），切實保證了采樣密度和觀測方位角范圍。其次，由于處理和解釋的模型,是建立在數(shù)據(jù)規(guī) 則化的基礎(chǔ)之上的。 因此,規(guī)則化采集十分重要。 根 據(jù)研究區(qū)障礙物較少的有利條件， 在施工中著重強 調(diào)了炮、 道點位嚴(yán)格按設(shè)計要求布設(shè)的質(zhì)量控制措 施，有效保證了本次采集數(shù)據(jù)幾何屬性的均一性。另外， 根據(jù)本次采用的觀

13、測系統(tǒng)重復(fù)線數(shù)多（7 條）， 而研究區(qū)地表起伏劇烈且植被發(fā)育的特點，通 過增加大量備用道數(shù)量的方法， 使總施工道數(shù)達(dá)到1 500 道以上，大大減少了重復(fù)道的鋪設(shè)，降低了檢 波器鋪設(shè)的施工難度, 提高數(shù)據(jù)采集的工作效率和 準(zhǔn)確度。通過上述基于寬方位觀測的高密度、 規(guī)則化三 維數(shù)據(jù)采集方法， 為后續(xù)的處理提供了高質(zhì)量的原 始數(shù)據(jù)， 同時也克服了煤田地震勘探普遍采用的一 個排列片內(nèi)炮點穿過多條接收線的束狀正交型觀測 系統(tǒng)的一系列缺點，如觀測方位窄、方位角分布不均 勻、靜校正耦合差等。2 以彎曲射線疊前時間偏移技術(shù)為核心的 高精度資料處理研究區(qū)目標(biāo)煤層厚度大且穩(wěn)定， 地震原始資料 信噪比較高，煤層反射

14、波較易成像。但由于地形變化 劇烈，且煤層受多期構(gòu)造運動影響，埋深和傾角變化 大，褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，因而，如何提高成像精度圖 1直射線走時及彎曲射線走時對比示意圖figure 1 contrast diagram of straight ray andturning ray travelling times2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備疊前偏移對原始數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高， 必須是靜中 國 煤炭 地 質(zhì)58第 23 卷地消除了地表高程及低（降）速帶厚度、速度的橫向影響；其次，疊前組合去噪主要采用在炮集記錄上進(jìn) 行區(qū)域異常噪聲衰減（zap）方法，壓制低頻面波和 強能量高頻干擾，再在炮集記錄上進(jìn)行 t-x 域傾角

15、 預(yù)測濾波，壓制傾斜規(guī)則干擾，進(jìn)一步提高了資料的 信噪比。此外，為有效提高煤層反射波的分辨率和振 幅一致性， 選擇了地表一致性反褶積方法來歸一化 地震子波，改善了不同記錄道之間波形特征不一致、 能量差異過大的現(xiàn)象。2.3 疊前時間偏移的實現(xiàn)方法本次疊前時間偏移 處理采用全保幅 kirchhoff彎曲射線疊前時間偏移算法。 初始均方根速度由疊法， 在反動校后的偏移道集上進(jìn)行新層速度拾取的方法，進(jìn)行偏移速度場的優(yōu)化迭代。迭代速度優(yōu)化網(wǎng) 格由大到小， 速度精度由粗到細(xì)， 逐步提高偏移精 度。體偏移前對偏移孔徑、去假頻等主要參數(shù)進(jìn)行反 復(fù)試驗，力求實現(xiàn)最佳偏移成像。處理中，共進(jìn)行了四次偏移速度迭代優(yōu)化

16、。第一 次分析網(wǎng)格為 200m200m，每次迭代后減小分析網(wǎng) 格進(jìn)行更精細(xì)的速度分析， 最后一次迭代采用的速 度分析網(wǎng)格為 50m50m， 直至速度體趨勢展布合 理， 偏移后 crp 道集由淺至深都基本拉平 （ 圖 2）。 另外，在迭代過程中，對偏移孔徑、反假頻等主要疊 前時間偏移處理參數(shù)進(jìn)行了測試 ， 選 定 4500m 4000m 的偏移孔徑和三角切除反假頻函數(shù)等偏移參加速度平滑轉(zhuǎn)換而來。初始偏移后，利用剩余延遲圖 2某線不同位置偏移 crp 道集拉平情況示意圖figure 2 a schematic diagram of a prospecting line different posi

17、tion migrated crp trace gather flattening數(shù)對全區(qū)數(shù)據(jù)完成了體偏移。2.4 高精度處理效果分析本次研究在重點實施目標(biāo)層（煤層）反射波處理 的同時，很好地兼顧了其它反射層的成像效果，從研究區(qū)典型剖面上可以看到（圖 3），上部二疊系陸相地層中的 k14 （石千峰組底砂巖） 和下石盒子組 k10底砂巖（tk12，tk14）等標(biāo)志層局部成像較好；而中部海陸過渡相二疊系 2 號和石炭系 9+10 號煤層（t2，t9+圖 3 研究區(qū)典型剖面特征圖figure 3 study area typical section characteristics10）等目的層波組特

18、征非常突出，信噪比高且連續(xù)，波形橫向變化自然。 另外，下部下古生界奧陶系、寒武 系等海相地層中也發(fā)現(xiàn)了多組信噪比較高， 連續(xù)性 較好的反射層(to，t)， 推斷其可能為奧陶系下統(tǒng)下馬家溝組和寒武系上統(tǒng)長山組、 中統(tǒng)徐莊組等地層中發(fā)育的厚層狀泥質(zhì)巖層與灰?guī)r、 白云巖等碳酸 鹽圍巖之間的反射界面12，這些巖層也可能是裂隙 性油、天然氣以及非常規(guī)頁巖氣等資源的烴源巖。這 樣， 由于實現(xiàn)了從淺至深不同層次上的巖性界面的 高精度成像， 為巖性和煤層物性解釋奠定了較好的 基礎(chǔ)。同時， 高精度處理成果也給精細(xì)構(gòu)造解釋方法 提供了更多的選擇， 避免了主要依靠單一性質(zhì)的煤 層反射波和沿層屬性特征等二維構(gòu)造解釋方

19、法帶來 的一些主觀性問題。 可以通過不依賴于層位的三維 相干體解釋方法， 可靠查明規(guī)模較大的斷裂構(gòu)造在 三維空間上的延展、變化特征。如圖 4 中所標(biāo)示的不 同斷裂的斷面交線在不同時間上分布情況， 從中可 以認(rèn)定部分?jǐn)鄬樱╢1、f2 等） 僅在淺部 （400ms 以淺） 發(fā)育，而另外一些較大的斷裂（f3、f5 等）則在深部或 整個地層內(nèi)發(fā)育， 進(jìn)而可以通過同一斷裂在不同時 間上的平面特征，解釋其垂向上的不規(guī)則變化情況。3 構(gòu)造及巖性三維解釋經(jīng)過處理后的地震資料， 均包含兩類明確的信系來識別。 因此，在充分認(rèn)識、理解數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選擇適宜的解釋方法13，以多屬性特征判識和突顯這些 信息，可最終獲得

20、高精度三維地震勘探成果 14。3.1 斷層精細(xì)識別地震屬性分析技術(shù)與構(gòu)造有關(guān)的特殊形態(tài)、特殊反射，常常會引起 地震波的幾何形態(tài)、運動學(xué)特征、動力學(xué)特征和統(tǒng)計 學(xué)特征信號異常。由于小規(guī)模構(gòu)造的異常一般很弱， 有必要在通過解釋性處理后獲得的屬性體上， 提取 層面屬性并分析，以突出表征層面上微小地質(zhì)體（陷 落柱）或斷層特征的構(gòu)造屬性值，使原來無法識別的 地質(zhì)構(gòu)造信息得到識別， 使原來不清楚的地質(zhì)構(gòu)造 信息得到加強。 本次研究利用相位、相干、傾角掃描 等多種解釋性處理技術(shù)，通過對相位、振幅波形等地 震波動力學(xué)特征資料進(jìn)行了充分的分析對比和異常 驗證，提高了小斷層的識別與分辨能力，同時也增強 了解釋成果

21、的可靠性和精度。本次研究在 9.62km2 的勘探范圍內(nèi)共解釋斷層33 條，查明落差大于等于 5m 的斷層 16 條；其余均 小于 5m。 軸長均大于 30m 的陷落柱 21 個。 圖 5 為 首采區(qū) 2 號煤層反射波順層傾角檢測及相關(guān)屬性成 果分析圖?？梢?，先進(jìn)的地震屬性斷裂構(gòu)造分析技術(shù) 對小斷層和陷落柱異常的反映非常敏感， 不同屬性 異?？芍貜?fù)性強和一致性好，具有抗干擾能力強、分 辨率高等突出優(yōu)勢。3.2 巖性地質(zhì)異常體的精細(xì)識別技術(shù)中國煤炭地質(zhì)60第 23 卷圖 4 不同時間的方差屬性切片上斷裂系統(tǒng)變化特征圖figure 4 faulted system variation charac

22、teristics on different time variance attributive slices圖 5 斷層、陷落柱等在傾角分析（左）和相關(guān)屬性（右）順層切片上的異常反映figure 5 anomalous reflexes of fault, subsided column on dip angle detection (left) and correlative attribute (right) bedding slices左右），偽頂和直接頂板缺失；煤層頂板砂巖屬厚層中、粗砂巖系（最厚達(dá) 9m），各種板狀、槽狀交錯層理 發(fā)育，明顯具有三角洲平原分流河道亞相特征。以上 事實

23、表明， 研究區(qū)內(nèi) 2 號煤泥炭層沉積后局部受河 流沖刷影響， 但僅依靠地勘探資料無法解釋河流分 布特征?？紤]到本區(qū)二疊系屬海陸交互相沉積環(huán)境，且 泥炭層為明顯的軟層， 容易記錄并保留各類沉積作 用的痕跡。由于這些痕跡形成的異常很弱，必須利用 高精度處理后的三維地震資料，結(jié)合解釋新技術(shù)，才 有可能判識。 本次研究在寬方位規(guī)則化數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過高保真疊前時間偏移處理，很好地保留了上述微弱異常， 并進(jìn)一步通過對比分析沿 2 號煤 層反射層位進(jìn)行的振幅以及波形類屬性特征， 最終 在多個屬性特征平面上發(fā)現(xiàn)了一貫穿全區(qū)的彎曲條 帶狀異常。 為明確這一條帶異常與 2 號煤在空間上 的關(guān)系， 重點利用了

24、對其反映良好的相關(guān)濾波體屬性數(shù)據(jù)，沿 2 號煤層上下進(jìn)行了一系列的沿層時間切片， 發(fā)現(xiàn)該異常在煤層上方 4ms 處最為明顯，而在煤層上方 15ms 附近及沿煤層的平面上異常迅速 消失(圖 6)，基本可斷定其為鄰近 2 號煤層的異常反 映，從而實現(xiàn)了異常在垂向上的定位。圖 6 2 號煤層頂板河道砂體在不同時間切片上的反映figure 6 reflexes of no.2 coal roof channel sand body on different time slices在此基礎(chǔ)上， 利用調(diào)諧頻率振幅屬性對上述河道異常的平面分布形態(tài)進(jìn)行細(xì)致刻畫。 由于頻譜分 解技術(shù)可提取地震資料有效帶寬范圍內(nèi)

25、所有離散頻 率對應(yīng)的調(diào)諧振幅， 進(jìn)而研究薄層異常在平面上的 連續(xù)變化，因此在判斷沉積相及沉積環(huán)境等方面，該 技術(shù)比傳統(tǒng)的地震屬性方法具有更大的優(yōu)勢14。 通過分析該屬性發(fā)現(xiàn)，30、40hz 低頻段低振幅響應(yīng)異常可以解釋為導(dǎo)致本區(qū) 2 號煤層局部厚度明顯變薄 的一條古分流河道， 這也與區(qū)內(nèi) 4 個鉆孔揭露的 2 號煤層頂板河道砂巖特征極為吻合（圖 7 左、中）。而 在 50hz 及以上的高頻切片上（ 圖 7 右）， 這一異常 特征明顯變?nèi)?、消失，說明本區(qū)河道砂巖異常的低頻圖 7 2 號煤層頂板河道砂體在不同頻率切片上的反映figure 6 reflexes of no.2 coal roof c

26、hannel sand body on different frequency slices響應(yīng)突出，進(jìn)而根據(jù) 30、40hz 等特征低頻段的振幅響應(yīng)異常， 清晰刻畫了本區(qū)古分流河道的平面展布4 結(jié) 論79劉澍濤：在研究探索中感受樂趣10 期行政或黨的工作， 先后擔(dān)任中國礦業(yè)大學(xué)研究生研北京研究生培養(yǎng)管理處副處長、處長，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院黨總支書記、中國礦業(yè) 大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院黨總支書記。 教學(xué)、科研、黨政工作的擔(dān)子都壓在肩頭，唐躍剛卻 做到了巧妙平衡三者之間關(guān)系，并讓其互相促進(jìn)。唐躍剛告訴筆者，正是因為一直堅持教學(xué)科研工 作，所以可以清楚地發(fā)現(xiàn)怎樣才能讓黨

27、政工作更好的 為教學(xué)科研服務(wù)，而自身擔(dān)任的行政或黨的職務(wù)又為 改進(jìn)工作提供了很大的便利。 地球科學(xué)與測繪工程學(xué) 院是一個剛剛成立兩周年的年輕學(xué)院，在總結(jié)老一輩 煤地質(zhì)與測繪教授們的光榮傳統(tǒng)下，他提議，將“嚴(yán) 謹(jǐn)、求實、開拓、奉獻(xiàn)”的字樣掛在了地測學(xué)院網(wǎng)站上 最為顯眼的位置，他希望全院的師生員工都能以此要 求自己。 面對學(xué)院的學(xué)生，唐躍剛像對自己的孩子一 般精心愛護(hù)他們，說起地質(zhì)工程等專業(yè)令人滿意的就 業(yè)率時，他臉上的笑容格外燦爛唐躍剛在野外進(jìn)行實地考察始數(shù)據(jù)方面的要求近乎苛刻， 在中國礦業(yè)大學(xué) （北京）內(nèi)外可謂是“遠(yuǎn)近聞名”。 “一定要是自己扎扎實 實做出來的，一絲一毫都不能作假?！眹?yán)格背后，他的 學(xué)生們因此而受益無窮。根據(jù)組織需要， 唐躍剛從 1998 年 11 月起從事：（上接第 61 頁）向。參考文獻(xiàn)：1 李慶忠.走向精確勘探的道路 高分辨率地震勘探系統(tǒng)工程剖析m.北京：石油工業(yè)出版社，1995.2 范文紅,林漲年,曾海東,等.高郵凹陷深層地震勘探技術(shù)研究j.石 油物探,2004,43（6）：573-577.3 張永華，羅家