河南某矿高精度三维地震勘探技术

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  [摘要]:本文以矿方建设高效、安全生产的现代化矿井要求为出发点,通过河南某矿高精度三维地震勘探的应用实例,针对区内障碍物密集、几何尺寸大、新生界厚度大等实际技术难题,提出了相应的解决对策,并指出在三维地震解释阶段,利用地震多属性提取和波阻抗反演技术,在预测煤厚、煤层隐伏露头和煤层顶板岩性方面都有着较好的应用前景。解释结果经与实际井巷揭露对比,吻合较好,取得了明显的地质效果和经济效益。
  [关键词]:三维地震 障碍物密集 新生界厚度 属性 波阻抗反演
  The High Precision 3D Seismic Survey Technology
  In a Certain Mining Area of HeNan
  Wang Wan-he
  (Xi’an Research Institute , China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an 710077,china)
  Abstract: The article based on the constructed efficiency and produced safety modern mine requirements as a starting point. By the high precision 3D seismic survey applied examples in a Certain Mining Area mining area of HeNan, for practical difficulties of the dense obstacles, the big geometric size and the big Cenozoic thickness, such as put forward the corresponding countermeasures, and pointed out that the 3D seismic interpretation stage, using seismic multi-attributes extracted and wave impedance inversion technique, which had a good application prospect in predicting coal thickness, subcrop of coal and lithology of the coal seam roof. There was a good effect with the interpretation and actual mine roadway contrast, which has obtained the good geological effect and the economic benefits.
  Keyword: 3D seismic; dense obstacles; Cenozoic thickness; attribute; wave impedance inversion
  1. 序言
  焦煤集团河南某矿以往开展过二维及三维地震勘探工作,基本控制了区内主要的构造断裂,尤其是落差15m以上的断层得到了基本控制,但由于勘探精度低,矿方在采掘的过程中,时常遇到新的构造和其它地质异常情况,实际揭露与已知资料存在较大的差异,尤其是二维地震勘探区域,其解释结果和实际揭露的差别更大,这主要源于区内断层构造复杂,尤其是1m至5m的断层发育,二维揭露的断点稀疏分布,各断点之间的组合关系复杂,因此二维解释的断层和实际揭露的断层在平面展布、断层落差等产状上均差异较大,为了高效、安全生产和下一步井巷布设的需要,矿区急需进一步开展三维地震勘探工作,详细查明区内地质构造和主要煤层的赋存情况。
  2.工区概况
  本区位于太行山北麓,属于华北地层区、鲁西分区、徐州小区。缺失上奥陶统至下石炭统和三叠系至古新统等地层,地表被第三、四系松散沉积物覆盖。勘探区属第四系、新近系全掩盖区。据钻孔揭露,本区赋存地层主要有奥陶系中统马家沟组、石炭系中统本溪组和上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、新近系、第四系,其中赋存于二叠系下统山西组下部的二1煤层为主采煤层,在勘探区内煤层埋深535~782m,煤层厚度4.73~6.77m,平均6.16m,属稳定型厚煤层,在矿区的东部,存在二1煤层隐伏露头。
  区内构造特征以断裂为主,局部发育小幅度次级褶曲。发育的断层主要有NE向、NW向和近EW向三组,其中以NE向为主,NW向次之,局部发育近EW向断层。NE向断层延伸长、落差大,频度高,由西北向东南把井田切割为阶梯状长条形断块,且具多期活动性,造成断层两盘新生界地层厚度相差较大。本次勘探区内发育的已知断裂构造主要有百泉断层(F17)和南云门断层(F18)。
  3. 存在技术难点
  (1)施工条件复杂。在11.88km?的勘探区不规则分布着村庄和集镇达11个,障碍物几何尺寸多为500m×500m或近似面积,同时区内分布有河道、公路等,给检波点和炮点的布设带来很大的难度,一旦施工设计的不合理会导致覆盖次数严重不均匀,甚至出现数据空白区,既会增加资料处理和解释的难度,又会降低成果的解释精度和可靠性。
  (2)新生界厚度大。本区属太行山山前洪积平原,新生界厚度约350~450m,厚度较大的洪积层形成明显的低、降速带,对地震波高频成分的吸收衰减作用较强,可能降低地震成果的分辨率。
  (3)煤层顶板基岩厚度小、裂隙發育。区内煤层顶板基岩厚度0~90m,受太行山造山期及后期的地质作用,煤层顶板裂隙发育形态呈片状,在断裂构造附近,裂隙发育相对明显,这会影响速度场的分布,从而影响时深转换,降低解释的精度。   (4)煤层隐伏露头处,受风氧化程度不同,其地震反射波特征不尽相同,因此圈定煤层隐伏露头线较为困难。
  (5)三维地震勘探任务要求的精度高,需解释落差3~5m的小断层,并对3m以下落差的小断层及断点进行了解。因此对观测系统的设计、处理流程及精细解释程度的要求较高。
  4.采取的主要技术措施
  4.1 采集措施[1]~[2]
  (1)计算、分析、试验、优选观测系统。合理的观测系统选择是高精度地震资料采集与处理的基础,针对区内障碍物密集,施工条件复杂的问题,结合煤层埋深及地质情况,把测量获得的区内障碍物分布图导入软件中,通过三维地震勘探数据采集参数计算,可获得区内覆盖次数、面元方位角、炮检距情况,根据试验结果, 可最终优选出本区最佳的观测系统为10线8炮制三维束状,线距40m,炮排距60m,道距10m,束距200m,每线接收道数120道,中点放炮。
  (2)为提高地震资料的分辨率,数据录制参数上选择宽频带接收,检波器堆放,最大限度地保留地震反射信号中的高频成分。
  (3)根据试验情况,确定区内最佳井深为14m,药量1.5kg,施工中,对每一激发点严格控制井深和药量,对资料异常区,及时采取了补做试验。
  4.2 处理关键技术
  为了获得最佳处理流程,本次资料处理工作分为试验处理和批量处理两个阶段。试验处理阶段是要认真做好处理流程及参数测试工作,批量处理阶段则是根据试验处理结果确定的流程及参数对全区做批量处理。同时,根据工区特点,处理过程着重突出以下工作。
  (1)资料处理中要确保“三高”,其中主要是高保真,这是资料处理的基础。
  (2)障碍物分布广,特观较多,炮、检点位置要认真核准。
  (3)针对因障碍物多造成的大炮检距问题,处理中应用地表一致性振幅补偿模块进行地震波时间上的补偿及在排列空间上的能量补偿,解决了由于大炮检距地震有效波能量损耗,采用三维保持振幅叠加,解决了由于覆盖次数不均匀造成的叠加道能量的差异,同时采用EQ-DMO(调和DMO)叠加来消除障碍物大偏移距引起的共反射点发散的影响,提高和改善了三维数据体的质量(图1中a和b)。
  图1 振幅恢复前、后单炮记录对比图
  Fig.1 Comparison figure before and after the record amplitude recoveried
  (4)新生界厚度大,速度分析要精细。通过高密网度、多次求取剩余校正量反复迭代的大工作量常速扫描,可较好的拾取叠加速度。
  (5)在叠前采用地表一致性反褶积技术,叠后又进行反Q滤波频率补偿,使高频信号得到补偿,频带得到拓宽。
  (6)测区的南部和北部均为大断裂,缺乏已知的控制点,通过吸收边界差分法的波动方程三维一步法偏移,偏移结果是否正确以断点是否清晰,绕射波是否完全收敛为准(见图2)。
  图2 偏移前、后剖面对比图
  Fig.2 Comparison figure before and after the section migrated
  4.3 综合解释技术
  (1)采用人机交互式解释系统。根据区内已知钻孔揭露和声波测井曲线,合成地震记录,与井旁实际资料对比标定反射波层位,赋予地震波地质属性。
  (2)以垂直剖面与水平切片解释相结合为主,配以相干体技术对地质构造进行细致的解释,尤其是相干体对小构造异常的解释。
  (3)采用地震属性提取技术,尤其是最大振幅属性、平均能量属性等,可较好的获得区内煤层厚度及隐伏露头带的分布范围[3]。
  (4)应用测井约束波阻抗反演技术,实现对煤层顶板岩性预测。测井约束波阻抗反演是基于模型的反演,它是以区内三维地震勘探数据体和区内测井资料为基础,根据钻井分层数据及时深关系对井进行精细时深标定,合成间隔不足一个采样点的薄层,建立一个初始波阻抗模型,用此模型合成的地震剖面与实际地震剖面比较,然后不断修改模型,使合成剖面最佳地逼近实际剖面,最终获得与实际地质模型较为接近的剖面。该方法以测井资料丰富的高频信息和完整的低频成分补充地震资料有限频宽的不足,用已知地质信息和测井资料作为约束条件,推算出波阻抗资料,在此基础上,将钻井获得的地层变化情况标定在波阻抗剖面上,使反演的地层波阻抗具有明确的地质含义,从而为煤层深度、厚度、岩性等物性的精细描述提供可靠的依據[4]~[8]。
  (5)在资料解释和后期资料成果追踪过程中,加强与矿方地质人员密切合作,探采对比,使地质成果符合矿井构造规律,并提高资料解释水平。
  5. 主要地质成果
  本次三维地震勘探共完成测线22束,有效控制面积12.24km2,由于施工方案合理,资料处理流程选择正确,模块搭配合适,得到了信噪比高、目的层齐全、分辨率高的三维数据体,再经过精细的资料解释,取得了丰富的地质成果。
  (1)全区共解释断层76条,落差大于100m的断层3条, 50~100m的断层4条, 30~50m的断层1条, 10~30m的断层21条, 5~10m的断层13条,小于5m的断层34条。其中修正原解释断层9条,否定原断层7条,新发现断层60条。
  (2)确定了二1煤层隐伏露头的位置。
  (3)根据区内已知钻孔,利用井约束波阻抗反演,获得了理想的波阻抗反演数据体,图3是过13202、13151和8004钻孔的波阻抗反演剖面,从波阻抗反演剖面可以看出,煤层顶板的波阻抗值变化不大,约7.5*103g/m2.s,经钻孔标定为砂质泥岩。根据区内钻孔揭露的岩性情况,通过提取全区煤层顶板波阻抗值,建立波阻抗数据体与岩性之间的对应关系,从而较好的实现了对全区煤层顶板岩性的预测[9]-[10]。   图3 过13202、13151和8004钻孔波阻抗反演剖面
  Fig.3 The impendence inversion section of No.K77,No.13151 and No.8004 well
  (4)目前,该矿的11071上顺槽工作面已掘进约1300m,I盘区上段胶带大巷已掘进约200m,其中在11071上顺槽工作面揭露的F30-1断层位置、落差大小和断层性质与解释结果吻合较好,其中水平误差小于4m,落差小于1%。I盘区上段胶带大巷目前的超前探井穿过F30断层,出水量大,根据钻进位置与解释的F30断层对比,吻合度高,已确定为F30断层,由于该断层断至近地表附近,具有很好的导通性,目前正积极的采取注浆等措施,开展井下水害防治工作。
  6. 结论
  三维地震勘探技术因其经济、高效、可靠程度高,已成为煤田地质勘探不可或缺的重要地球物理方法之一。
  针对不同的施工条件,采取了相应的技术措施,尤其是地震多属性的提取和波阻抗反演技术的广泛应用,为进一步提高地震勘探的分辨率提供了重要的前提。
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  作者简介:王万合(1981.10—),男,汉族,安徽蒙城人,2007年毕业于中国地质大学(武汉)地球探测与信息技术专业,硕士研究生学历,工程师,现在中煤科工集团西安研究院有限公司从事煤田地质勘探工作。
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