煤田數字高密度地震勘探的應用效果探析

劉俊杰 王彥春

(1.中國地質大學 (北京)，北京市海淀區，100083；2.法國地球物理研究總公司維里達斯 (北京)，北京市朝陽區，100004)

三維地震勘探主要用于煤田勘探階段的首采區和煤礦建設與生產過程中，所能解決的地質任務以控制構造為主，為采煤工作面設計和高產高效生產提供地質依據。隨著綜合機械化開采程度的不斷提高和開采條件的日趨復雜，煤炭高效安全生產對地震勘探提出了更高的要求，希望能夠勘探落差更小的斷層。安徽淮南、淮北，山西潞安、晉城等煤炭企業提出要解決落差小于2m的斷層，由于這些小斷層比較發育，往往成為煤田瓦斯和水害的聚集場所，嚴重制約煤礦企業高效安全生產。

近年來，利用數字檢波器進行單點高密度三維地震勘探技術得到了迅速的發展，在小構造檢測和下組煤層勘探中顯示出巨大技術優勢。煤田常規地震勘探所采用的仍然是模擬檢波器，以串組合的采集方式。模擬檢波器一般工作在自然頻率 (一般10Hz)之上，在自然頻率之下存在-6dB的衰減，其動態范圍一般在60dB左右，并且穩定性差，畸變大；而基于微電子機械系統 (MEMS)技術制造的數字加速度計簡稱數字檢波器 (DSU)工作在自然頻率 (一般在1000Hz)之下，因此在0～800Hz范圍內全頻接收，無相位畸變和高、低頻衰減，振幅保真性好；DSU數字檢波器具有120dB的動態范圍，因此能夠在煤田地面干擾噪音非常大的情況下很好地記錄來自地下煤層的微弱高、低頻反射信號；并且由于數字檢波器直接輸出數字信號，不受外界電磁信號干擾的影響，抗50Hz工業干擾能力強，因此，數字檢波器保證了在煤田高電磁干擾環境下，采集到更高分辨率和更高保真度的地震資料。

1 數字檢波器的地球物理特性

數字檢波器以MEMS硅芯片為傳感器單元，MEMS硅芯片是電容式加速度計，基于MEMS芯片的數字檢波器在0～800Hz范圍內輸出頻帶保持平直；輸出相位為零相位，對低頻和高頻均沒有衰減壓制作用；而模擬檢波器線性頻帶一般在10～80Hz，從10～0Hz存在固有的-6dB的衰減(這里對比的是10Hz檢波器，其它可以類推)，從而對頻率低于10Hz的地震信號有壓制衰減作用，對于高于80Hz的高頻信號，模擬檢波器會存在一定程度的高頻衰減，導致各個檢波點輸出的地震道振幅特性的損失，不利于AVO等以振幅保真為前提的振幅檢測技術使用。

圖1 SERCEL DSU3數字檢波器與模擬檢波器的幅頻特性對比

通過對數字檢波器與模擬檢波器的幅頻特性和相位特性進行對比，見圖1和圖2。從圖中可以看出:模擬檢波器存在由低頻到高頻的相位畸變，表現為在低頻端大相位，高頻端小相位的特性，模擬檢波器相位的變化與它所采用的動圈式結構有必然的關系，這必然使模擬檢波器串內的各個檢波器相位特性不一致，導致各個檢波點輸出的地震道相位特性不同，而數字檢波器在0～800Hz范圍內的相位響應是零相位。正是由于數字檢波器優異的幅頻特性和相位響應特性，使得數字檢波器特別適合于高分辨率和高精度地震勘探。

圖2 SERCEL DSU3數字檢波器與模擬檢波器的相位特性進行對比

2 數字檢波器的應用方法

采用數字檢波器單點高密度接收 (點距一般10～20m)，能夠避免常規方法使用模擬檢波器串組合采集的組合效應，對信號和噪音均無壓制和衰減，高保真地記錄地震波場，即所謂 “全進全出”。正因為數字檢波器采用單點接收，其原始單炮資料信噪比往往要低于組合接收的模擬檢波器資料，并且，數字檢波器空間采樣密度高，避免了低視速度干擾波 (如面波等)出現空間假頻，對干擾波的無假頻采樣更有利于信噪分離，干擾波的壓制效果更好；利用數字檢波器單點記錄通過室內數字組合技術 (DGF)，首先通過動校正解決大的組合基距引起的正常時差；然后通過靜校正把靜校正量實施給每個獨立的檢波點，使組內道間時差趨于零，有效波組合時達到同相疊加，將常規垂直疊加頻率濾波作用減小到最小。因此，以往僅憑信噪比評價原始記錄優劣的方法不再適用于單點數字檢波器的資料，應當增加相應的去噪后的疊加剖面評價標準。

圖3是組合檢波器與數字單點接收的對比圖，單點接收在野外就拋棄了組合壓噪的概念，雖然原始炮記錄信噪比低于常規檢波器，但它利用數字檢波器全頻帶的特點，保護了低頻和高頻弱信息，有利于寬頻帶的保存記錄下來自地下的反射，因此，針對數字檢波器資料應該有配套的疊前壓噪處理方法。只有從觀測系統設計開始就充分考慮單點接收的特點進行高密度的觀測系統設計，在處理階段針對性地應用疊前壓噪處理方法，才能保持其優點，克服其缺點，最終發揮出數字檢波器在振幅保真、高分辨率成像等方面的優勢。

圖3 組合檢波與點接收對比

3 高密度數字地震勘探在丁集煤田的應用

2007年，淮南礦業集團與中石油東方地球物理公司合作，在丁集煤礦進行了數字高密度精細三維地震勘探，目標是查明主要煤層 (13-1、11-2、8煤層)中落差2m以上的斷層。這是我國煤田系統地震勘探中首次采用基于MEMS技術的DSU1數字檢波器，用來提高高頻弱信號的接收能力，達到提高資料的縱、橫向分辨率，落實小斷層的目的。本次采集野外接收采用16線10炮160道接收三維觀測系統，接收線距等于炮線距，均為100m，檢波點距等于炮點距，均為10m，每次滾動一條檢波線，縱橫比達到1∶1，達到了較高的覆蓋次數 (64次)和較高的空間采樣 (CMP面元5m×5m)，實現了理論意義上的對稱、正交、寬方位角觀測效果。

本次勘探首次使用了數字檢波器 (DSU1)進行單點接收高密度采集，通過對原始地震數據的分析，本次采集的地震資料具有兩個突出特點。第一，本次采集的原始炮記錄上沒有工業頻率干擾，這是由于DSU1數字檢波器采用全數字傳輸，大地反射信號在被MEMS芯片檢波后，立即經ASIC芯片數字化，然后傳輸到中央記錄單元，不存在模擬數傳，因此，避免了工業50Hz交流電的影響。第二，本次采集的原始地震資料頻帶寬，根據對原始資料的品質分析，低頻端達到2Hz左右，而高頻帶端達到了200Hz以上，地震資料的品質較高，這是由于數字檢波器是寬頻檢波器且采用單點接收對信號和噪音均無壓制和衰減，因此能夠全部記錄高、低頻反射信息，高保真地記錄地震波場。

為了達到識別主要煤層 (13-1、11-2、8煤層)中落差小于2m的斷層，在資料處理階段針對性地應用了疊前去噪、串聯反褶積和疊前時間偏移技術。疊前去噪的目的是通過壓制各種規則干擾，保護來自斷層的微弱的繞射信息和散射信號，提高煤層的信噪比。在實際處理中應用正交十字排列域面波及規則干擾壓制處理技術，利用有效波和干擾波視速度和視頻率的差別，把數據按照正交十字排列選排，根據有效信號淺層高頻低速、深層高速低頻的特點，在頻率-偏移距域，使用最小平方陷波濾波方法，消除規則干擾 (如面波)的頻率-波數域分量。應用串聯反褶積技術的目的是壓縮子波，提高分辨率，雖然本區數字檢波器資料頻帶較寬，但受近地表吸收和在地層傳播衰減的影響仍然存在著子波空間不一致性，以及層間多次波影響薄煤層的分辨率等問題；并且本區煤層層數多 (可采煤層達3層)，煤層厚度變化大，合理應用地表一致性反褶積和多道預測反褶積就能有效地改善子波一致性，壓縮子波長度，壓制多次波，提高主要煤層 (13-1、11-2、8煤層)的分辨率。

疊前時間偏移成像技術是本次數字單點高密度地震應用的關鍵技術，雖然本區主要煤層傾角不大，但陷落柱和斷層比較發育，速度存在著橫向變化；并且本區多年實踐已經證明常規疊后時間偏移不能很好地落實陷落柱和斷層的具體位置，存在著較大誤差。本區應用疊前時間偏移技術的重點在于高精度均方根速度模型的迭代和修正，在前期疊前噪聲壓制、精細反褶積和高精度迭代靜校正的基礎上，通過多次迭代速度更新和參數選取，最終獲得了高信噪比、高分辨率、高精度疊前成像。

圖4 T4煤層波阻抗平面圖

在精細地質解釋的基礎上，數字高密度地震在丁集煤礦的應用揭示出很好的地質效果，在采用數字檢波器高密度采集的三維地震數據上進行地震多屬性分析可有效地識別區內斷距小于2m的小斷層。圖4為T4煤層波阻抗平面圖，從圖4中可以清楚地識別煤層中的巷道，如箭頭所示。經丁集煤田1262(1)、1252 (1)、1422 (1)3個工作面的實際生產驗證:3個工作面實際揭露的小于2m的斷點14個，數字高密度地震勘探成果發現12個，遺漏的2個點，驗證成功率達85.71%。

4 結論

丁集煤礦的應用效果表明，在煤田地震勘探中進行單點接收高密度數字地震，有利于煤田小斷層、小陷落柱和隱覆構造的高精度成像與識別，從而降低潛在安全風險，提高煤田的生產安全和生產效益。當前，隨著煤炭工業西移戰略的實施，高密度數字三維地震技術迎來了更加寬廣的技術舞臺。

[1]劉俊杰.高密度地震勘探的激發和接收技術探討[J].中國煤炭地質，2010 (8)

[2]劉萬金.煤田三維地震勘探采集設計中的偏移孔徑探討[J].中國煤炭，2011(4)

[3]方良才等.淮南煤田三維地震勘探技術應用進展[J].中國煤炭地質，2010 (8)

[4]梁運基.陸上高分辨率地震勘探檢波器性能及參數選擇分析[J].石油物探，2005 (6)