复杂地表高分辨煤矿三维地震勘探及效果

（2001年三维地震勘探论文集)

1．引言

   陕北侏罗纪煤田被誉为世界八大煤田之一，它位于鄂尔多斯盆地东北部，毛乌素沙漠东南缘，含煤地层为中生界侏罗系延安组，煤层埋藏浅，储量大，为特低灰、特低磷、特低硫的优质环保煤，具有很高的开采价值。
   大柳塔矿井是一设计年产煤炭800万吨的世界一流的现代化矿井。它位于陕北侏罗纪煤田神木北部矿区，煤层埋藏浅，地表条件复杂多变，且小构造较为发育，是地震反射工作的困难地区。
   陕西省煤田地质局物探测量队自1992年以来，受华能精煤集团神东公司委托，多次在大柳塔矿井进行地震勘探工作。其中有针对松散层调查，解决开采技术条件的地震折射勘探，有针对煤层及构造的地震反射勘探。由于大柳塔煤矿在生产中揭示其小断裂构造（5米以下）较为发育，且延伸较长，这直接影响到矿井工作面的布置和高产高效的实施。为此，该队在大柳塔矿井XX盘区进行了0.5平方公里的三维地震勘探，目的是了解该方法在沙漠丘陵区的应用效果，特别是对小构造的控制精度。

2．地质概况及地震地质条件

2．1．地质概况

    测区地层为一套中新生代陆相盆地碎屑沉积，其地层由老到新有：三叠系上统永坪组（T3y）、侏罗系下统富县组（J1f）、中下统延安组（J1-2y）、中统直罗组（J2Z）以及第四系下统三门组（Q1s）、上更新统萨拉乌素组（Q3z）和全新统冲积层、风积层（Q4）。本区主要含煤地层是侏罗纪中下统延安组（J1-2y），所含煤层埋藏较浅，厚度较大，层数较多。其主要可采煤层为2-2煤和5-2煤，其中2-2煤层埋深为60～95米，厚度约4.0米。5-2煤层埋深为200米左右，厚度约6.0米。区内构造相对简单，总体为一单斜构造，倾角较小，小断层较为发育。

2．2．地震地质条件

    表层地震地质条件：该区地表为固定、半固定风积沙及黄土覆盖，覆盖层干燥、松散，对有效波特别是对高频信息的吸收衰减作用较为强烈。另外，该区地形属沙漠丘陵地带，丘陵、沙包及黄土冲沟混杂，沟壑纵横，行车非常困难，这对地震施工极为不利。
    浅层地震地质条件：本区新生界地层由粘土、亚粘土、淤泥质亚砂土及冲积沙、风积沙组成。其中粘土、亚粘土中富含不规则的钙质结核。该地层物性及厚度沿横向变化较大，激发层位不易选取，成孔较困难，加之本区无潜水面，故地震激发条件差。

 
图1测区地貌

    深层地震地质条件：本区中深层主要为砂岩、泥岩和煤岩互层，主要可采煤层厚度较大，沉积稳定，埋藏较浅，煤层与围岩之间波阻抗差异较大，具有形成良好反射波的条件。但主要目的层2-2煤埋深较浅，埋深为60～95米，厚度约4.0米，有效波易受折射波、直达波的干扰，不利于有效波的获取。5-2煤层埋深为200米左右，厚度约6.0米，其有效波相对较好，可避免折射波的干扰。
    综上所述，复杂多变的浅表层条件及较浅的煤层埋深是本次施工的难点。

3.试验工作

    针对本区的表层及浅层地震地质条件较差，煤层埋藏浅，有效波易受初至波、面波、折射波的干扰，在生产前做了充分的点段试验工作。
    点试验:点试验以激发因素选择为主,分别进行了井深（20米、24 米、28米、32米、40米）、（药量2公斤、4公斤）、检波器类型（100Hz、60Hz）了井深（20米、24 米、28米、32米、40米）、药量（2公斤、4公斤）、检波器类型（100Hz、60Hz）对比及仪器因素等试验。

图2点试验记录

    图2为点试验的单炮记录，其因素为：井深30米，药量4公斤，检波器60Hz，3个串联。从记录上可以明显看出记录中无面波干扰，但2-2煤层反射波在远道受到了折射波干扰。由此可见，井越深，记录面波干扰越少，但井太深，又造成2-2煤反射波受初至干涉，故施工中要兼顾二者，将井深选择合理。
    段试验:为了验证点试验结论的正确性，我们在区内作了一条段试验，段试验采用点试验的所确定的最佳激发因素和接收因素，中点放炮，偏移距10米，道距10米，内距2米，60道接收，24次叠加观测系统。
    图3为试验段时间剖面，可以看出主要目的层2-2煤和5-2煤反射波连续性好，能量强，信噪比高，说明通过点试验所选定的各种参数合理。

图3试验段时间剖面

4.野外数据采集方法

    野外数据采集采用束状8线3炮制三维地震观测系统,如图4所示。其主要采集参数是： 192道（24道×8线）接收；接收线距20米；接收道距10米；叠加次数：3×6=18次（横向3次，纵向6次）；炮点网格：20米×20米；检波点网格：10米×20米；CDP网格：5米×10米（纵向×横向）；纵向最大炮检距120米，横向最大炮检距90米，最大非纵炮检距150米，纵向最小炮检距10米，横向最小炮检距10米，最小非纵炮检距14.14米；放炮方式为中点激发；检波器采用60Hz3个串联；仪器因素使用DS-6型高分辨率数字地震仪，采样间隔1ms，前放增益36dB，滤波25—200Hz；激发因素：降速层内单井激发，井深10～45米，药量4公斤。见图4：三维观测系统图。
    由于区内有村庄、高压线、输水管道等障碍物影响，不能按正常观测系统施工。为防止局部丢跑现象，施工过程中，采取了不对称偏移距方法进行变观，使得实际CDP 点位置与设计的CDP点位置相吻合，满足CDP叠加次数的要求。

图4三维观测系统图

5.资料处理

    本区资料全部在中国煤田地质总局物探研究院新引进的Origin2000计算机上，使用法国CGG公司的Geovecteur Plus 6100地震数据处理系统进行处理。资料处理流程如图5。

本次地震数据处理具有下述特点：

①强化叠前处理，重点做好静校正、反褶积、折射波精细切除、速度分析和剩余静校正等工作。
    本区资料处理的静校正分二步进行，第一步先校正到浮动基准面，然后再由浮动基准面校正到统一基准面（统一基准面为海拔1250米）.在反褶积测试中，对多、单道预测反褶积、脉冲反褶积、地表一致性反褶积等方法进行了比较分析。结果表明：多道预测反褶积的效果最好。
    针对地震原始记录中2-2煤层反射波受折射波干扰的情况，我们采用精细切除的方法来消除折射波的影响。
    速度分析与剩余静校正是相互制约、相互影响的。通过详细速度分析与剩余静校正的多次迭代处理获得了比较满意的结果。
②在叠后处理中重点是做好三维一步法偏移，三维一步法偏移是在插值后的DMO叠加数据体上进行的，而偏移速度的求取是关键。根据区内钻孔资料及该区的地层产状，采用射线追踪法求取钻孔处的偏移速度，再与钻孔处的DMO叠加速度进行比较、拟合，从而得到全区偏移速度场，然后进行全区三维一步法偏移。

 
图5 三维地震处理流程图

６．资料解释

    本次地震资料解释工作是在物探研究院Sun Uitra-60工作站上进行的，使用美国斯仑贝谢公司的GeoFzame3.7全三维解释系统，利用高分辨率偏移数据体（图6）进行解释，数据体网度为2.5m×5m×1ms，采用最新解释技术及多种解释方法、多种数据属性对地震资料进行综合分析、解释，确保了解释成果的可靠性和准确性。

６.１解释方法：
①以人机联作解释为基础，充分利用三维可视化及方差体分析等新技术，进行层位自动追踪及方差体的同相轴连续性异常自动检测，再利用解释系统的自动拾取功能，生成2-2煤及5-2煤层反射波t0数据体，做各煤层顺层切片（见图7），从而形成全区构造初步框架。解释过程由粗（网格5m×10m）到细（网格2.5m×5m）逐步加密解释。对断层进行由大到小，由易到难逐点分析，剖面、平面互相验证，从而建立全区构造框架。利用三维数据体的加密及沿任意方向切时间剖面来完成对小断层和小构造变化的追踪，最终确定整体解释方案。
②纵向与横向时间剖面相结合，任意剖面与联井时间剖面相结合，时间剖面与顺层方差体切片（图8）、水平切片（图9）、顺层切片相结合，全方位进行分析、解释，可增加对构造及地质现象的动态识别能力及立体感，确保解释结果的可靠性、准确性。
③以高分辨偏移数据体为核心，从地震波的运动学和动力学特征的各个方面正确认识地震波场，进而解释出地质成果。

         图6高分辨三维偏移数据体                          图7煤层顺层切片

  
     图8 方差体水平切片          图9时间剖面与水平切片

 ６.２解释步骤

本次解释采用的流程如图10所示。

           图10三维地震解释流程图

地震地质层位的标定:
    利用地质钻孔及测井资料做人工合成记录，并参考二维地震勘探成果对煤层反射波进行标定。
反射波对比追踪:
    对煤层反射波进行全区层位自动追踪，然后进行一定网度（5m×10m）的对比追踪，对反映出的断层进行反复确认，并在平面上对断点进行初步组合，形成全区构造的基本框架，最后进行加密追踪对比。为确保层位对比正确、可靠，除在屏幕上利用不同方向的时间剖面反复闭合外，还利用三维可视化技术及水平切片、顺层切片核对解释结果，从多个角度认识断层特征，综合分析、研究，达到精细、准确解释的目的。
断点解释:
    以时间剖面为主，结合彩色剖面及各种切片解释断点。在解释小断层时，充分利用解释系统对时间剖面进行局部放大，分析水平切片振幅的强弱变化、同相轴错断程度及顺层切片上的振幅变化等多种显示方法反复确认其形态和性质。
断层组合:
    将性质相同、落差相近的相邻剖面上的断点按一定的展布规律组合起来，组合后断层的走向应符合区域地质构造规律。在平行断层走向的剖面（横向剖面）上检查断层走向的合理性；在垂直断层走向的剖面（纵向剖面）上检查其落差、断面形态及水平断距，而在水平切片上检查其平面分布是否符合地质规律。结合三维可视化立体显示功能，互相验证，提高了断层组合的可靠程度。

图11同一条断层在不同方向时间剖面上的反映

    同一条断层与剖面的交角不同，断层在剖面上的显示也不同（如图11），断层正确的空间位置应该是在经过断层的各个方向的剖面上解释断层位置与剖面相吻合。

6．3构造图的绘制

①首先利用解释系统读取各煤层的t0值，形成数据库；
②由于三维区内仅有三个钻孔，且集中在北部，故时深转换速度的求取是：在北部以钻孔标定速度为主，在南部则参照叠加速度对标定速度做适当调整；
③将①与②的结果相结合进行时深转换，最终得出构造成果图。

7．地质成果

7．1 主要煤层构造形态

   查明了测区2-2及5-2煤层的起伏形态和埋藏深度。两煤层均在整体西北高、东南低的单斜构造上发育有宽缓的波状起伏。2-2煤层发育有三个小隆起，5-2煤层有一个凹陷。

7．2 断层控制情况

   考虑到本区是首次进行三维地震勘探，且具有试验性质，故在解释中对于2～4米的小断层也进行了大胆解释，其目的是探索三维地震勘探在本区的勘探精度及其所能解决的问题。本次查明了区内断层的发育情况，共解释断层13条，其中落差大于等于5米的断层2条，落差小于5米的断层11条（占断层总数的85%）。详见表1。

表1断层统计表

7．3三维与二维地震勘探构造情况对比

   原二维解释断层两条，本次三维否定了一条断层（巷道已验证无此断层），修正了一条断层，另新发现断层12条。

7．4 资料验证情况

   由于该矿先期只开采2-2煤层，故仅有2-2煤层的验证情况。目前已有一条巷道通过三维区北部地震解释的三条断层（SF9、SF3、SF6），其验证情况见表2。由于2-2煤层埋藏太浅，其反射波距初至太近或受初至干涉，处理时易被切除或分离不开，故能量较弱，使精度也受到了一定影响，预计5-2煤层的验证情况会更好。

表2巷道验证情况表

8．小结

   大柳塔煤矿三维高分辨率地震勘探表明，在沙漠、丘陵混杂区进行三维地震勘探是可行的，是解决煤矿小构造的有效手段。但是针对目的层埋藏浅，表层无潜水的情况，必须选择合适的井深和恰当的激发层位，在资料处理时，要进行精细切除，合理去噪，则可获得较好的效果。
   本次三维地震勘探圆满完成了预定的地质任务，其成果不论在精度上还是对构造反映的详细程度上都比二维地震勘探有明显提高，其丰富的地质信息也是二维无法比拟的。

   本次成果表明，在该地区查明5米以上的断层有足够的把握，而对小于5米的小断层，本次仅做了初步尝试，其可靠程度还需巷道进一步验证。

   本次三维地震勘探，虽然工作量很少，但是它首开了该区三维地震勘探的先河，使矿方改变了该区不宜进行三维地震勘探的看法。今年矿方又投资开展了一个区的三维地震勘探工作，目前此工作正在进行。

陕西省煤田地质局物探测量队

                                       二○○一年九月二十八日