榆神礦區三維地震節點檢波器應用及采空區解釋效果

李步遜，王磊

（中國煤炭地質總局物測隊，河北邢臺 054000）

0 引言

我國榆神礦區地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的交接地帶，是國家特大型現代化礦區。主要開采煤層為淺部侏羅系煤層，煤層厚度大、間距小、地層平緩、構造簡單，開采條件好。但隨著認識程度的提高，加之煤礦開采過程中實際遇到的問題，需要對煤層開采技術條件重新認識，以免影響煤礦的安全生產。

構建智能化開采是我國煤礦邁向安全、高質量發展的必由之路。利用高密度三維地震技術是構建智能化開采中一個重要的手段。此次研究區受多種因素制約，傳統地震采集效率低，難以高效率轉化為成果，針對該區開展三維地震節點檢波器高效采集應用開展技術研究，并經過資料精細化處理，獲得地質成果，這一高效采集技術應用在構建智能化開采手段中優勢比較顯著。

1 地質概況及地震地質條件

1.1 地質概況

研究區地貌單元屬風積沙所覆蓋的黃土丘陵區，呈黃土梁和風成沙丘相間的地貌景觀，地形較平坦。該區地形特征是西南部低東北部高，海拔高程一般在1297 ～1254 m，相對高差約43 m。

研究區地層劃屬華北地層區鄂爾多斯盆地分區。煤礦含煤地層為侏羅系中下統延安組，31 煤層是研究區內三層主要可采煤層之一，也是目前的主采煤層，煤層平均厚度約3.15 m，厚度變化很小，結構簡單，其它主要可采煤層為42 煤、52 煤。

1.2 地震地質條件

勘探區地貌單元屬風積沙所覆蓋的黃土丘陵區，呈黃土梁和風成沙丘相間的地貌景觀，地形較平坦。第四系上更新統薩拉烏素組和全新統風積沙（Q3s+Q4eol） 在該區廣泛分布，以固定沙、半固定沙、流動沙覆于其它地層之上，厚度變化不均勻。不僅影響到施工效率，而且對地震波的高頻成分吸收強烈，使得地震資料的分辨率較低。31 煤層埋深為156 ～191 m，平均埋深約為173 m，煤層賦存較穩定、煤層產狀變化不大，但31 煤層埋深較淺，受三維地震技術限制，波形穩定性相對較差、連續性欠佳的反射波。綜上所述，該區地震地質條件復雜。

2 數據采集

針對研究區地震地質條件影響和研究目的，確立了“寬方位、高密度、高覆蓋”三維觀測方案，選擇20 線3 炮正交觀測系統參數。

觀測系統具有較寬的方位特性和較均勻的炮檢距分布，提高淺部目的層的成像。如圖1 ～圖2 所示。

圖1 觀測系統示意Fig.1 Observation system

觀測系統類型激發方式接收道數接收線數/條接收線間距/m接收道間距/m激發炮線距/m激發炮排距/m CDP 網格/m疊加次數/次橫向最大炮檢距/m橫向最小炮檢距/m縱向最大炮檢距/m縱向最小炮檢距/m最大炮檢距/m最小炮檢距/m縱橫比20L×3S×72T×1R×90 次中間激發1440 道（20×72）20 條3010 1040 5（縱） ×5（橫）90 次（橫10×縱9）2955 3600 465.435 0.8514

3 野外接收對比

榆神礦區以往地震采集均采用有線采集模式，施工時間長，難以滿足現在的施工需求，通過研究區進行的采集模式對比試驗分析，認為采用節點采集模式接收能夠獲得與有線采集模式接收品質相當的地震資料，如圖3 所示。

圖3 節點采集系統與有線采集系統時間剖面對比Fig.3 Comparison of time profiles between node acquisition system and wired acquisition system

節點檢波器具有高靈敏度、高可靠性、便于施工等優點。通過野外對比試驗分析，系統采用全節點高密度三維地震規模化采集。結合試驗分析，對比節點采集系統與有線采集系統地震資料，認為節點采集系統可以滿足榆神礦區構建智能化開采所需地震資料質量要求。

4 研究區資料處理

研究區地貌單元屬風積沙所覆蓋的黃土丘陵區，靜校正問題十分突出，原始資料信噪比差異較大，針對以上兩點難題，處理過程通過適合本區塊的靜校正方法，多域、多方法疊前去噪，相對保幅處理，組合反褶積技術，疊前時間偏移等新技術充分試驗，獲得可靠地震數據體。

4.1 靜校正

靜校正是陸地地震資料都需要解決的問題。而初至的正確拾取至關重要。對初至波進行優化處理，可提高信噪比及拾取效率；利用頻率域寬帶Ricker 子波整形反褶積+ 寬帶Ricker 子波濾波，初至整形效果好，新技術可使初至波形簡單、橫向一致性好，易于拾取。

研究區由于表層結構、低降速帶厚度、速度及地表高程有一定變化，帶來較嚴重的靜校正問題。通過高程、野外靜校正與綠山折射波靜校正測試并根據資料情況及以往經驗，選取應用綠山折射靜校正技術（圖4）。該方法消除了高程和低降速帶變化對資料造成的影響，綠山折射靜校正量計算準確、效果顯著（圖5、圖6）。

圖4 綠山折射靜校正量計算Fig.4 Calculation of green mountain refraction static correction

圖5 折射波靜校正前后單炮記錄對比Fig.5 Comparison of single shot records before and after static correction of refraction wave

圖6 折射波靜校正前后時間剖面對比Fig.6 Comparison of time profiles before and after static correction of refraction wave

4.2 疊前多域、多方法噪聲壓制技術

針對研究區低信噪比特征，疊前去噪是地震資料處理中顯得十分重要，它關系到資料速度分析的準確度和最后成像的品質，需進行針對性去噪。針對該區資料含有不同類型的干擾波，應用不同的去噪方法，采用多域分步漸進式保真保幅的去噪技術。

此次處理對主要參數進行充分試驗，選取最佳參數，很好地消除聲波及強能量異常噪音、面波及線性干擾，去噪效果顯著，如圖7、圖8 所示。

圖7 疊前多域、多方法噪聲壓制前后單炮記錄對比Fig.7 Comparison of single shot records before and after noise suppression by pre-stack multi-domain and multi-method

圖8 疊前多域、多方法噪聲壓制前后疊加剖面對比Fig.8 Comparison of superimposed profiles before and after noise suppression by pre-stack multi-domain and multi-method

4.3 組合反褶積方法

反褶積是一種通過壓縮地震子波來提高地震資料的縱向分辨率的方法。地表多種因素會對地震波傳播產生影響，造成地震子波的差異，在地震記錄上表現為波形、振幅、相位、頻率等特征的不一致。地震子波處理是反褶積的核心內容，分離子波與反射系數序列是反褶積的2 個主要目的，作用有3 個方面：一提高地震剖面的分辯率，能對薄目的層進行分辯；二是對子波和相位進行一致性處理，使地震剖面橫向上子波和相位的一致；三是對剖面相位進行處理。選擇合理反褶積組合，既保證能獲得具有足夠的分辨率目標層位，又能保持好各反射層的波組特征、確保疊加偏移成像。

（1） 地表一致性反褶積。

由于不同激發、接收因素導致原始資料在子波振幅、頻率等方面存在一定的差異，消除這些差異最好的手段就是地表一致性處理。通過地表一致性反褶積技術應用，對地震子波進行校正，消除地震子波中地表條件差異對其影響，從而增強地震子波橫向穩定和一致。

通過分別選用不同步長進行測試，經過反復對比，選擇出最優步長，不僅對目的層成像有利，還能兼顧淺中層信噪比和分辨率。

（2） 頻率域高分辨率寬帶Ricker 子波期望輸出反褶積（WPDcon）。

在應用地表一致性反褶積技術的基礎上，通過運用串聯頻率域高分辨率寬帶Ricker 子波期望輸出反褶積模塊（WPDcon） 的方法，進一步做到疊前資料分辨率的提高。

這一技術實現了寬帶Ricker 子波期望輸出疊前多道反褶積處理。它能夠通過頻率域求取和多道時窗自相關函數，并運用快速傅里葉變換提高計算效率。以構造高分辨率寬帶Ricker 子波作為期望輸出算子，并采用最小平方法求取反子波，算法為一個通過托布尼茲遞推為輔助的托布尼茲矩陣正則方程，這種算法與傳統算法不同，充分考慮了遞推過程中的傳遞誤差并對此誤差進行消除，因此此次所用算法穩健且高精度。所獲得的高分辨率反算子，具有高分辨率，算子穩定，高信噪比的特性。

高分辨率寬帶Ricker 子波期望輸出算子，具有低頻陡度大，高頻陡度小特點的子波，其主瓣尖銳，旁瓣幅度小，利于高分辨率處理。即能提高記錄分辨率，又能保證一定的信噪比是該反褶積方法的優點。

在地表一致性反褶積的基礎上，夠進一步提高壓縮子波、拓寬頻帶的效果可通過串聯組合WPDcon 寬帶Ricker 子波反褶積實現。通過組合反褶積前后水平疊加、頻譜及自相關結果對比（圖9、圖10），表明地表一致性+ WPDcon 寬帶Ricker 子波反褶積組合能有效改善子波的橫向一致性。

圖9 地表一致性反褶積+WPDcon 測試Fig.9 Surface consistency deconvolution test of“+WPDcon”

疊前時間偏移是解決復雜構造成像的有力工具。此次研究資料處理，通過試驗選擇運用彎曲射線疊前時間偏移方法，因為這種方法充分考慮成像射線的彎曲，因此更可靠真實，同時克希霍夫積分法偏移對傾角沒有限制，成像角度可以達到90°。

經過多次迭代疊前時間偏移目標線速度分析，準確求得偏移速度模型后，運用彎曲射線克希霍夫積分法對以疊前CMP 道集和速度模型為輸入的全數據體進行疊前時間偏移。圖11 為水平疊加及疊后、疊前偏移時間剖面對比，從中可以看出，一些地段的疊前時間偏移時間剖面的斷面、斷點比疊后偏移時間剖面清晰。

5 采空區資料效果

研究區主要為上部31 煤采空，在上部煤層采空地震勘探中，不僅采空區不能形成良好的反射波，而且由于受上部煤層采空的“屏蔽”，下部煤的反射波在穿透破壞的覆巖，其能量被大量吸收、散射，在時間剖面上亦出現異常現象（圖12）。

研究區內采空區的波組特征表現為，煤層采空和受采空牽引作用的周邊區域，在地震時間剖面上T31 波表現為同相軸出現下凹、中斷、消失、扭曲、剖面面貌零亂，頻率降低和振幅減弱；在采空區下部煤層反射波出現同相軸“彎曲”、“下陷”等現象（圖12）。

在最大振幅、弧長、方差體、頻率等地震屬性上識別，工作面南北兩順（巷道） 及煤層采空和下部煤層受采空影響區域均有較明顯的反映（圖13、圖14），于最大振幅屬性切片上顯示為低幅值，且成片或長條狀分布，于弧長屬性上巷道位置存在突變和高阻抗的反差，可以較清晰地反映巷道的展布，于方差體層拉平切片圖上顯示方差值增大。

圖13 31 煤采空區在T31 波最大振幅地震屬性上的反映Fig.13 The reflection of No.31 coal goaf on the seismic attribute of the maximum amplitude of No.T31 wave

圖14 T42 波受影響范圍及巷道在T42 波弧長地震屬性上的反映Fig.14 The affected area of No.T42 wave and the reflection of roadway on the seismic attribute of No.T42 wave arc length

此次依據31 煤層采空區在地震時間剖面上波組特征和31 煤層反射波在地震屬性上的反映，結合現有的地質資料，進行分析解釋圈定了采空區范圍，并能在T42 波弧長和最大振幅地震屬性上較清晰地識別工作面兩順的位置（淺顏色條帶狀）。由于31 煤層埋深淺，成像效果較差，故巷道在T31波地震屬性圖上的反映沒有下部T42 波反映效果明顯。T42 波和T52 波在時間剖面上和地震屬性的異常反映，是受上部31 煤層采空區的影響，與42煤、52 煤層實際賦存情況無關。

綜上所述，采空區屬性、時間剖面反應清晰，解釋效果較好。

6 結語

2019 年，煤田三維地震首次采用節點采集創造風積沙地區三維平均日采集生產600 炮，單日最高1200 炮的效率，形成了風積沙三維節點高效采集配套技術系列。2022 年，煤田高密度三維地震首次采用節點采集，并通過后期靜校正等多項處理技術，獲得了良好數據資料，并且采空區解釋效果較好，有效解決了風積沙地表下地質目標探查的需求。