煤矿采区三维地震勘探技术的回顾与展望

2003年第6期　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　61

煤矿采区三维地震勘探技术的回顾与展望

王　磊　何　伟

(中国煤炭地质总局　北京市　100039)

提要　该文在阐述采区三维地震勘探的发展概况、基本概念与地质任务的基础上,重点介绍了采区三维地震勘探的应用、研究现状及其最新进展情况,指出了采区三维地震勘探面临的困难及存在问题,展望了采区三维地震勘探技术的应用前景。

关键词　三维地震勘探　观测系统　叠前深度偏移　全三维解释　模式识别技术

ReviewandProspectof3-DSeismicExplorationTechnologyinCoalMine

WangLei　HeWei

(ChinaNationalAdministrationofCoalGeology)

Abstract　Basedongeneralsituationofdevelopmentandgeologicaltaskof3-Dincoalminingareas,thispaperfocusedonintroducingits2tionofevolution.Itpointsoutfacingdifficultiesandprospectsofapplicationinthefuture.

Keywords　3-Dseismic;setupmigration;full3-Dinterpreta2tion;pattern1　引言

近年来,随着现代化大型矿井建设的发展,越来越需要精确的地质构造信息,以三维地震勘探为基础的采区三维地震勘探为煤矿采区的开发决策、巷道布置与开拓提供了可靠依据,三维地震勘探在勘探小断层、褶曲、巷道、陷落柱、火成岩分布、采空区等检测工程及解决问题的能力上是二维地震勘探无法比拟的。自20世纪70年代以来,随着数字化和计算机技术的高速发展,使得三维地震勘探这项新技术成为地球物理勘探领域里的实用方法。在80年代初期,我国的三维地震勘探技术首先在石油系统取得了长足进步,得到了大范围推广。煤田系统于1978年在伊敏河矿区开始三维地震勘探试验工作,并利用TQ—16计算机系统自编软件完成了资料处理工作,为煤田地质系统开展三维地震勘探进行了积极的探索。1989年,在山东济宁煤田唐口中日合作勘探项目

作者简介:王磊,男,1972年生,工程师,从事三维地震勘探方法的研究与应用工作。收稿日期:2003-06-30

中,进行了煤田地质系统第一个三维地震勘探的生产项目,取得良好的地质成果,为今后的煤矿采区三维地震勘探积累了经验,打下了技术基础。采区三维地震勘探于1993～1994年在淮南矿务局谢桥煤矿东、西采区首次成功。在随后的几年里,采区三维地震勘探得到了迅速地推广应用,地震勘探的精度和分辨率大大提高,取得了显著的地质效果和巨大的社会经济效益。

2　基本概念与地质任务

三维地震勘探的概念是地球物理学家沃尔顿于1970年正式提出来的。三维地震勘探是把沿测线观测的二维地震方法扩展到三维空间,由深度方向Z和构成面积的X、Y构成三维空间,通过面积测量技术获得与地质体相适应的三维数据体。相对二维地震勘探而言,三维地震勘探主要有如下特点:第一,数据量大,可形成一个较小间隔(煤田一般为10m×10m×1ms)的三维数据体,能够沿任意方向抽取剖面和按任意时间(深度)提取切片,能比较精细地反映地下地质情况。第二,偏移归位准确,三维数据体经过了三维偏移,空间

　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　2003年第6期62归位正确,使地震与地质的空间对应关系简单化。

采区三维地震勘探是相对资源开发而提出的,它与资源勘探的三维地震类似,但由于地质目标不同,在资料野外采集、数据处理和解释等方面还有不少差别,它要求较小的时空采样间隔,高分辨率、高信噪比、高保真度,反射波准确归位,即“三高一准确”处理方法及精细的构造解释。采区三维地震勘探的主要地质任务有:

1)查明5m以上的断层,控制煤层底板形态。2)查明采区内主要煤层露头位置。3)解释陷落柱等其它地质现象。4)解释区内主要煤层厚度变化趋势。5)圈定区内主要煤层受古河床、古隆起、岩浆岩等的侵入范围。

技术上和经济上统筹考虑最优化的问题。

312　技术装备不断更新,适用领域不断扩大

采区三维地震勘探技术的成功为煤矿带来了巨大的经济效益,同时也有效地推进了勘探技术装备的更新和发展。

1)地震采集系统。现在煤田系统拥有法国SN—388遥测地震采集系统,美国产BOX、DS—6

地震仪,德国产的SUMMIT地震仪,以及美国IΠO公司的IMAGE系统。引进和开发了山地钻机及水上施工的特殊设备,正是由于仪器装备的改进与发展,采集方法技术不断推陈出新,使得采区三维地震勘探已经从平原走向山区、湖泊沼泽区、卵砾石丘陵区,并取得了满意的效果。

2)处理解释设备。目前煤田系统拥有以SGIorigin2000并行机、SUNULTRA60图型工作站为代表的最先进的处理解释设备,移技术、障。a.做好静校正;c.充分利用分频手段;d.精细速度分析和剩余静校正;e.偏移的准确归位;f.注重模块的前后搭配。

2)目标处理技术。随着处理技术的提高和相关软件的更新,对过去采集的、已经处理的资料进行再处理,针对不同目的层、不同地质目标、不同地质任务重新处理,重新认识和解释,开发其潜在价值,并摸索出了一套新方法,取得了显著的效果。

3)叠前深度偏移技术。煤田系统已有多套三维叠前深度偏移软件,深度偏移的难点是速度模型的建立,目前有两种建模思路:一是基于层剥离的快速速度扫描,通过判别共反射点道集同相轴是否水平状的聚集分析思路,从浅到深逐层建立模型。二是偏移扫描法,该方法比较简单,采用迭代的方法,不断地修改地质模型、速度模型,逐步逼近,当然所耗机时也是惊人的,该项技术煤田系统基本上掌握,可以应用于科研和生产。

4)波阻抗处理技术。利用地震资料与已知地质规律相结合,以钻井、测井资料为约束,形成的波阻抗剖面,是一种特殊地震处理技术,在实际应用中取得了显著的地质效果。只有波阻抗信息才能在地震剖面和地质层位之间架起一座桥梁,为解释人员在薄互煤层的解释中提供帮助。

3　应用与研究现状

随着采区三维地震装备的不断更新、技术的日趋完善和成熟以及资金投入的不断增加,采区三维地震勘探在方法研究、应用的广度和深度上都取得了显著的成果。

311　优化采集设计,集,%,,为。目前采区三维观测系统的设计思路更为宽阔、更为灵活、更为实用。

1)宽方位采集。由初期的窄方位观测系统发展成现在的宽方位观测系统,如初期的8线5炮、6线4炮发展成现在的8线10炮、6线12炮等宽方位观测系统,改善了面元方位角特性,同时加大了检波线间隔,方便复杂地表条件施工,减少了检波器铺设的工作量,可提高工作效率,降低勘探成本。

2)面元技术的应用。在地质构造简单,目的层倾角较小的情况下,采用灵活的面元技术,用较少的炮点和检波点达到同样的地质效果。以提高采集速度、减少成本,同时能够保证采集质量。

3)块状式观测系统。在三维三分量的勘探中,将观测系统设计成块状,在采集过程中,保持检波器埋置不动,保证了地震波接收特性的一致性,更有利于转换波的接收。

4)专业软件。专业化设计软件不断推出,给设计人员一个更广阔的思维空间,使设计人员在

2003年第6期　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　63314　三维解释技术的内容更为丰富,手段多样化

地震资料解释是地震勘探的关键步骤,解释所用的方法直接影响着地质成果的质量,因此解释技术得到了较快发展。

1)全三维解释技术。传统的二维解释技术是通过选一定的间隔的主测线和联络测线,在其上进行主要层位和断层的解释,再根据层位和断层的空间关系勾绘出等值线图。这种方法没有充分利用三维数据体的全部信息,缺乏地质体的整体空间概念,不易发现细微构造,其精度和效率都很低,尤其是没有进行三维属性数据体的分析。所谓全三维解释是利用可视化技术对三维数据体解释(观察、分析、描述、认识等)。其主要内容包括:面块切片技术、相干体(方差体)技术,属性分析技术、沿层切片解释技术、立体空间自动追踪技术,可视化技术等。

2)模式识别技术解释小断层。在解释小断层过程中,充分利用与地下构造及岩性有关的动力学信息,提取出煤层反射波中含有大量反映煤层构造变化的地质信息(地震特征参数),模式识别技术(模糊综合评判、分段线性模式识别、3)。展,,速度参数和成图方法的选取对于提高三维反射层构造图的精度很重要。目前煤田系统已积累和发展了多种时深转换方法,根据勘探区的构造背景、勘探区内已知钻孔资料,巷道资料的情况以及地震资料本身的特点,可选取不同的时深转换方法,概括起来有以下几种:a.钻孔反算求取平均速度法;b.分区块建立平均速度法;c.应用层速度进行时深转换;d.用V0β,法拟合速度法;e.建立空间速度场法;f.虚拟地层时深转换法。315　积极实践和探索三维三分量地震勘探从理论上讲多波多分量地震勘探技术是解决煤矿生产、建设中的水、瓦斯、应力场以及煤储层中裂隙等问题的有效手段。20世纪90年代未,煤炭系统与高校、科研院所合作,研究了三维三分量观测系统设计、采集方法和技术,研究并联合开发三维三分量处理解释技术和相应的软件,形成了三维三分量数据处理解释系统。通过几年的科研攻关和大胆偿试,三维三分量勘探取得了初步成果。

4　存在问题与困难

近20年来,采区三维地震勘探虽然取得了很大成就,但在技术应用上仍然存在一些急需解决的问题,主要表现为:一是勘探目的层为大倾角时,在资料采集和处理上尚存在较多困难;二是复杂地表条件下的静校正特别是山区静校正还需大力攻关;三是地质异常体的解释还存在多解性。

从行业发展看,也必须清醒地认识到与油田和地矿系统尚存在较大差距。主要表现为:一是生产规模小,缺少专业技术人才;二是生产技术装备和技术手段相对落后,资金投入不够;三是研究力量分散,缺少基础性、突破性、能转化成生产力的科研成果,难以真正形成生产力,四是市场竞争尚不规范,无资质施工,竞相压价和盲目提出过高的地质任务等现象较多,的发展。

5,采区三维地震的勘探,勘探目标转向地质情况更复杂、埋藏更深,厚度更小的煤层储藏区。面对新世纪,地震勘探技术必将进一步发展,以满足煤矿高产高效的需要。

1)三维地震勘探仍将是主流技术。采区三维地震是解决复杂地质问题的最有效的手段,为高产高效煤矿生产和建设提供了重要地质保证,是保持煤炭工业可持续发展的重要技术手段之一。

2)提高分辨率是关键。三维地震良好的勘探效果得益于其信息量大,提高三维地震解决地质问题的能力的唯一途径是进一步增加信息量。但它在空间上的信息密度已经很大了,进一步增加信息量的余地不大,提高分辨率实质上是在频率域增加地震信息量,是提高勘探效果的有效途径。

3)前沿技术向实用化发展。三维叠前深度偏移技术将进一步发展并成为常规处理技术,全三维可视化的解释技术将使三维地震信息得到更充分的利用,三维三分量技术也会逐步走向实用。

4)向岩性勘探进军。煤田物探工作者加强测井知识的学习,努力掌握地震资料的反演技术。钻井资料的特点是纵向精细,地震资料的特点是横向密集,地震反演技术是把二者的优势结合,因而会有较好的发展前景,也是岩性勘探的基础。岩性勘探的课题离不开三维三分量勘探的发展,

　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　2003年第6期64三维三分量的技术的全面实用化,将使煤矿的许多地质问题得到解决,如地应力场变化,裂隙发育情况,煤层顶底板岩性也将得到解决。将地震勘探技术从构造勘探走向岩性勘探。

5)继续拓宽服务领域。开展浅层三维地震勘探,向工程勘察领域拓展,深入研究和探索浅层工程地震勘探技术特点,努力消除影响采集过程的不利因素。

6)基础理论研究。注重适应煤田勘探的各向异性孔隙弹性理论模型及波动方程的研究,各向异性数学模型和物理模型制作应进一步完善和更接近于实际,开发适合煤田系统的自身软件。

参考文献

1　张爱敏.采区高三分辨率三维地震勘探.北京:中国矿业大学出版社,19972　中国煤炭地质总局编.煤矿采区三维地震勘探经验交流会论文集.北京:中国矿业大学出版社,20013　王磊,林建东.叠加速度成图在CPS3绘图系统中的实现.煤田地质与勘探,2000,(5)4　崔若飞,王磊.应用人工神经网络识别断层.煤田地质与勘探,1997,(3)5　王炳章.勘探地球物理方法技术的最新进展.石油地球物理勘探,1999,34(4)6　赵镨.多波多分量地震技术在煤田勘查中的应用.中国煤田地质,2001,13(2)7　MTΠT897—2000　煤炭煤层气地震勘探规范

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