煤田三维地震采集处理解释一体化技术的应用研究.doc

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1、文章编号：16741803（2011）10005606煤田三维地震采集处理解释一体化技术的应用研究常锁亮 1，王启旺 2（1.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京 102249；2.山西省煤炭工程项目咨询评审中心，山西 太原 030012）摘 要：结合煤田地震勘探特点，以沁水煤田某大型矿井为例，研究地震采集、处理和解释一体化技术思路及实现方 法，结果表明：基于时间连续、空间高密度的宽方位规则化数据采集是实现真正三维空间处理的基础；以弯曲射线叠 前时间偏移为重点的资料处理技术，是一体化思路的核心，也是确保成果资料具有较高信噪比、分辨率和保真度的 关键；在岩性和构造综合解释方面，充分利

2、用相干滤波、谱分解、倾角探测等多地震属性解释特征，可以突出采区构 造和微弱岩性异常的细节，从而提高地质成果精度。关键词：高精度地震勘探；一体化技术；弯曲射线；叠前偏移中图分类号： P631.4文献标识码： AApplied Research on Coalfield 3D Seismic Data Acquisition, Processing andInterpretation Integrated TechniquesChang Suoliang1, Wang Qiwang2(1. College of Geophysics and Information Engineering, CUP

3、B, Beijing 102249; 2. Shanxi Provincial Coal Engineering ProjectConsultation, Evaluation Center, Taiyuan, Shanxi 030001)Abstract: With a view to coalfield seismic prospecting characteristics, taking a large -scale coalmine in the Qinshui coalfield as anexample, studied technological train of thought

4、s and realization method in seismic data acquisition, processing and interpretation integrated techniques. The result has demonstrated that: on account of time continuous, spatially high density broad azimuth regularized data acquisition is the foundation to realize genuine 3D spatial processing. Ta

5、king the turning ray prestack time migration as the emphasized data processing technology is the kernel of integrative ideas, also the key to ensure higher S/N ratio, resolution and fidelity of resulting data. While in lithologic and structural comprehensive interpretation, taking full advantage of

6、coherent filtering, spectral decomposition, and dip angle detection etc. multiple seismic attribute interpretation characteristics can give prominence to details of winning district structures and faint lithologic anomalies, thus to improve geologic result accuracy.Keywords: high-precision seismic p

7、rospecting; integrated technique; turning ray; prestack migration引言近年来， 可采煤炭资源逐渐向深部以及地质构 造复杂区延伸，煤矿高产、高效安全生产对煤层赋存 条件、 构造发育情况以及瓦斯灾害等地质问题提出 了更高的勘探精度要求。 传统的窄方位采集方法以 及叠后处理解释技术提交的地质成果准确率较低， 难以满足生产要求。李庆忠院士曾指出1，“只要将各 个环节的漏洞堵塞一下， 只需利用现有的技术和装 备，就可以使分辨率明显地上一个台阶”。当前，基于 地震采集、处理和解释一体化技术思路，提高勘探准 确度和勘探能力的技术方法在油气勘探领

8、域已受到 了重视，并研究与应用了高密度采集、层析静校正、叠前偏移及谱分解等一系列新技术， 取得了好的地0质效果2-6。因此，如何结合煤田地震勘探特点，站在系统应用的高度上，从采集、处理和解释等整个环节予以全盘考虑， 对于实现煤矿采区高精度构造及岩 性地震勘探非常重要。研究区属沁水煤田“十一五”规划的重点矿井， 井型为 500 万 t/a。 已有的详查资料虽已查明矿井地 质构造复杂， 瓦斯含量大 ， 主要煤层赋存深度大（700m 以深），且有局部冲刷变薄现象，但其成果精 度仍难满足现代化矿井采区布设要求。为此，针对井 田的具体特点，运用采集、处理、解释一体化技术思 路，采用宽方位高密度数据采集方

9、法，及以克希霍夫 弯曲射线叠前时间偏移为核心的处理技术， 结合相 干滤波、谱分解、倾角探测等多地震属性分析方法， 实现了不同规模构造发育形态的高质量成像， 并精 细描述了煤层赋存特征和河道等地质异常体。作者简介：常锁亮（1972 ），男，山西灵石人，中国石油大学（北京）博士后，长期从事煤炭煤层气地震勘探技术研究与应用。收稿日期：2011-08-10责任编辑：孙常长用基于水平层状介质的叠加偏移方法处理存在较大的局限。目前，基于复杂非水平介质成像的叠前偏移 处理技术，已被证明是高精度处理的关键技术9-10。 为此， 本次主要采用了以弯曲射线叠前时间偏移为 核心的高精数据处理方法， 处理的目标已经不

10、仅仅 限于将反射波或绕射波精确成像， 而且还要恢复其 波形和振幅等动力学特征。2.1 弯曲射线 Kirchhoff 积分叠前时间偏移原理现在煤田叠前时间偏移大部分都是对成像点以 上空间进行均匀假设采用平均速度的直射线走时 Kirchhoff 积分偏移算法。 Taner 和 Koehler 为了改善 速度谱的能量聚焦，根据层状介质层速度假设，提出 了弯曲射线走时算法（图 1），这种弯曲射线计算走 时的 Kirchhoff 积分偏移为对称弯 曲 射 线 Kirchhoff 积分叠前时间偏移。 由于后者假设条件更接近于实 际，计算精度相对更高。 而且大量成功实践也表明， Kirchhoff 弯曲射线

11、叠前时间偏移在保证了计算效率 的前提下， 可较好地实现复杂构造条件下数据的偏 移归位，剖面反射特征更加清晰，层间构造刻画更加 精细11。基于宽方位观测的高密度、规则化三维数1据采集三维观测与二维观测的显著区别在于， 空间上 的足够的采样密度和均匀性， 才能实现真正的三维 方位处理。 另外，从叠前偏移成像效果考虑，覆盖次 数仅与叠加效果有关， 而偏移效果与采样密度和均 匀性有关7。 另外，研究区试验结果表明，浅表层和 深层地震地质条件良好， 较易获得信噪比和分辨率 较高的原始资料。因而，通过适宜的观测系统设计和 严格的野外技术措施来保证均匀的高密度采样是实 现本次高精度三维数据采集的关键。首先，

12、已有研究表明，宽方位观测一般均匀性较 好7，而且在高信噪比和静较正问题不突出的地区， 应采用有利于高分辨率处理和岩性预测的宽方位观测系统8。因此，本次研究最终选择了 8 线 5 炮，面元 5m（纵）10m（横），24 次覆盖（横 4纵 6）的高密度采样的观测系统， 并且通过增大排列片的纵横比（0.8），切实保证了采样密度和观测方位角范围。其次，由于处理和解释的模型,是建立在数据规 则化的基础之上的。 因此,规则化采集十分重要。 根 据研究区障碍物较少的有利条件， 在施工中着重强 调了炮、 道点位严格按设计要求布设的质量控制措 施，有效保证了本次采集数据几何属性的均一性。另外， 根据本次采用的观

13、测系统重复线数多（7 条）， 而研究区地表起伏剧烈且植被发育的特点，通 过增加大量备用道数量的方法， 使总施工道数达到1 500 道以上，大大减少了重复道的铺设，降低了检 波器铺设的施工难度, 提高数据采集的工作效率和 准确度。通过上述基于宽方位观测的高密度、 规则化三 维数据采集方法， 为后续的处理提供了高质量的原 始数据， 同时也克服了煤田地震勘探普遍采用的一 个排列片内炮点穿过多条接收线的束状正交型观测 系统的一系列缺点，如观测方位窄、方位角分布不均 匀、静校正耦合差等。2 以弯曲射线叠前时间偏移技术为核心的 高精度资料处理研究区目标煤层厚度大且稳定， 地震原始资料 信噪比较高，煤层反射

14、波较易成像。但由于地形变化 剧烈，且煤层受多期构造运动影响，埋深和倾角变化 大，褶皱和断裂构造发育，因而，如何提高成像精度图 1直射线走时及弯曲射线走时对比示意图Figure 1 Contrast diagram of straight ray andturning ray travelling times2.2 基础数据准备叠前偏移对原始数据质量要求较高， 必须是静中 国 煤炭 地 质58第 23 卷地消除了地表高程及低（降）速带厚度、速度的横向影响；其次，叠前组合去噪主要采用在炮集记录上进 行区域异常噪声衰减（ZAP）方法，压制低频面波和 强能量高频干扰，再在炮集记录上进行 T-X 域倾角

15、 预测滤波，压制倾斜规则干扰，进一步提高了资料的 信噪比。此外，为有效提高煤层反射波的分辨率和振 幅一致性， 选择了地表一致性反褶积方法来归一化 地震子波，改善了不同记录道之间波形特征不一致、 能量差异过大的现象。2.3 叠前时间偏移的实现方法本次叠前时间偏移 处理采用全保幅 Kirchhoff弯曲射线叠前时间偏移算法。 初始均方根速度由叠法， 在反动校后的偏移道集上进行新层速度拾取的方法，进行偏移速度场的优化迭代。迭代速度优化网 格由大到小， 速度精度由粗到细， 逐步提高偏移精 度。体偏移前对偏移孔径、去假频等主要参数进行反 复试验，力求实现最佳偏移成像。处理中，共进行了四次偏移速度迭代优化

16、。第一 次分析网格为 200m200m，每次迭代后减小分析网 格进行更精细的速度分析， 最后一次迭代采用的速 度分析网格为 50m50m， 直至速度体趋势展布合 理， 偏移后 CRP 道集由浅至深都基本拉平 （ 图 2）。 另外，在迭代过程中，对偏移孔径、反假频等主要叠 前时间偏移处理参数进行了测试 ， 选 定 4500m 4000m 的偏移孔径和三角切除反假频函数等偏移参加速度平滑转换而来。初始偏移后，利用剩余延迟图 2某线不同位置偏移 CRP 道集拉平情况示意图Figure 2 A schematic diagram of a prospecting line different posi

17、tion migrated CRP trace gather flattening数对全区数据完成了体偏移。2.4 高精度处理效果分析本次研究在重点实施目标层（煤层）反射波处理 的同时，很好地兼顾了其它反射层的成像效果，从研究区典型剖面上可以看到（图 3），上部二叠系陆相地层中的 K14 （石千峰组底砂岩） 和下石盒子组 K10底砂岩（Tk12，Tk14）等标志层局部成像较好；而中部海陆过渡相二叠系 2 号和石炭系 9+10 号煤层（T2，T9+图 3 研究区典型剖面特征图Figure 3 Study area typical section characteristics10）等目的层波组特

18、征非常突出，信噪比高且连续，波形横向变化自然。 另外，下部下古生界奥陶系、寒武 系等海相地层中也发现了多组信噪比较高， 连续性 较好的反射层(To，T)， 推断其可能为奥陶系下统下马家沟组和寒武系上统长山组、 中统徐庄组等地层中发育的厚层状泥质岩层与灰岩、 白云岩等碳酸 盐围岩之间的反射界面12，这些岩层也可能是裂隙 性油、天然气以及非常规页岩气等资源的烃源岩。这 样， 由于实现了从浅至深不同层次上的岩性界面的 高精度成像， 为岩性和煤层物性解释奠定了较好的 基础。同时， 高精度处理成果也给精细构造解释方法 提供了更多的选择， 避免了主要依靠单一性质的煤 层反射波和沿层属性特征等二维构造解释方

19、法带来 的一些主观性问题。 可以通过不依赖于层位的三维 相干体解释方法， 可靠查明规模较大的断裂构造在 三维空间上的延展、变化特征。如图 4 中所标示的不 同断裂的断面交线在不同时间上分布情况， 从中可 以认定部分断层（F1、F2 等） 仅在浅部 （400ms 以浅） 发育，而另外一些较大的断裂（F3、F5 等）则在深部或 整个地层内发育， 进而可以通过同一断裂在不同时 间上的平面特征，解释其垂向上的不规则变化情况。3 构造及岩性三维解释经过处理后的地震资料， 均包含两类明确的信系来识别。 因此，在充分认识、理解数据的基础上，选择适宜的解释方法13，以多属性特征判识和突显这些 信息，可最终获得

20、高精度三维地震勘探成果 14。3.1 断层精细识别地震属性分析技术与构造有关的特殊形态、特殊反射，常常会引起 地震波的几何形态、运动学特征、动力学特征和统计 学特征信号异常。由于小规模构造的异常一般很弱， 有必要在通过解释性处理后获得的属性体上， 提取 层面属性并分析，以突出表征层面上微小地质体（陷 落柱）或断层特征的构造属性值，使原来无法识别的 地质构造信息得到识别， 使原来不清楚的地质构造 信息得到加强。 本次研究利用相位、相干、倾角扫描 等多种解释性处理技术，通过对相位、振幅波形等地 震波动力学特征资料进行了充分的分析对比和异常 验证，提高了小断层的识别与分辨能力，同时也增强 了解释成果

21、的可靠性和精度。本次研究在 9.62km2 的勘探范围内共解释断层33 条，查明落差大于等于 5m 的断层 16 条；其余均 小于 5m。 轴长均大于 30m 的陷落柱 21 个。 图 5 为 首采区 2 号煤层反射波顺层倾角检测及相关属性成 果分析图。可见，先进的地震属性断裂构造分析技术 对小断层和陷落柱异常的反映非常敏感， 不同属性 异常可重复性强和一致性好，具有抗干扰能力强、分 辨率高等突出优势。3.2 岩性地质异常体的精细识别技术中国煤炭地质60第 23 卷图 4 不同时间的方差属性切片上断裂系统变化特征图Figure 4 Faulted system variation charac

22、teristics on different time variance attributive slices图 5 断层、陷落柱等在倾角分析（左）和相关属性（右）顺层切片上的异常反映Figure 5 Anomalous reflexes of fault, subsided column on dip angle detection (left) and correlative attribute (right) bedding slices左右），伪顶和直接顶板缺失；煤层顶板砂岩属厚层中、粗砂岩系（最厚达 9m），各种板状、槽状交错层理 发育，明显具有三角洲平原分流河道亚相特征。以上 事实

23、表明， 研究区内 2 号煤泥炭层沉积后局部受河 流冲刷影响， 但仅依靠地勘探资料无法解释河流分 布特征。考虑到本区二叠系属海陆交互相沉积环境，且 泥炭层为明显的软层， 容易记录并保留各类沉积作 用的痕迹。由于这些痕迹形成的异常很弱，必须利用 高精度处理后的三维地震资料，结合解释新技术，才 有可能判识。 本次研究在宽方位规则化数据采集的基础上，通过高保真叠前时间偏移处理，很好地保留了上述微弱异常， 并进一步通过对比分析沿 2 号煤 层反射层位进行的振幅以及波形类属性特征， 最终 在多个属性特征平面上发现了一贯穿全区的弯曲条 带状异常。 为明确这一条带异常与 2 号煤在空间上 的关系， 重点利用了

24、对其反映良好的相关滤波体属性数据，沿 2 号煤层上下进行了一系列的沿层时间切片， 发现该异常在煤层上方 4ms 处最为明显，而在煤层上方 15ms 附近及沿煤层的平面上异常迅速 消失(图 6)，基本可断定其为邻近 2 号煤层的异常反 映，从而实现了异常在垂向上的定位。图 6 2 号煤层顶板河道砂体在不同时间切片上的反映Figure 6 Reflexes of No.2 coal roof channel sand body on different time slices在此基础上， 利用调谐频率振幅属性对上述河道异常的平面分布形态进行细致刻画。 由于频谱分 解技术可提取地震资料有效带宽范围内

25、所有离散频 率对应的调谐振幅， 进而研究薄层异常在平面上的 连续变化，因此在判断沉积相及沉积环境等方面，该 技术比传统的地震属性方法具有更大的优势14。 通过分析该属性发现，30、40Hz 低频段低振幅响应异常可以解释为导致本区 2 号煤层局部厚度明显变薄 的一条古分流河道， 这也与区内 4 个钻孔揭露的 2 号煤层顶板河道砂岩特征极为吻合（图 7 左、中）。而 在 50Hz 及以上的高频切片上（ 图 7 右）， 这一异常 特征明显变弱、消失，说明本区河道砂岩异常的低频图 7 2 号煤层顶板河道砂体在不同频率切片上的反映Figure 6 Reflexes of No.2 coal roof c

26、hannel sand body on different frequency slices响应突出，进而根据 30、40Hz 等特征低频段的振幅响应异常， 清晰刻画了本区古分流河道的平面展布4 结 论79刘澍涛：在研究探索中感受乐趣10 期行政或党的工作， 先后担任中国矿业大学研究生研北京研究生培养管理处副处长、处长，中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院党总支书记、中国矿业 大学（北京）地球科学与测绘工程学院党总支书记。 教学、科研、党政工作的担子都压在肩头，唐跃刚却 做到了巧妙平衡三者之间关系，并让其互相促进。唐跃刚告诉笔者，正是因为一直坚持教学科研工 作，所以可以清楚地发现怎样才能让党

27、政工作更好的 为教学科研服务，而自身担任的行政或党的职务又为 改进工作提供了很大的便利。 地球科学与测绘工程学 院是一个刚刚成立两周年的年轻学院，在总结老一辈 煤地质与测绘教授们的光荣传统下，他提议，将“严 谨、求实、开拓、奉献”的字样挂在了地测学院网站上 最为显眼的位置，他希望全院的师生员工都能以此要 求自己。 面对学院的学生，唐跃刚像对自己的孩子一 般精心爱护他们，说起地质工程等专业令人满意的就 业率时，他脸上的笑容格外灿烂唐跃刚在野外进行实地考察始数据方面的要求近乎苛刻， 在中国矿业大学 （北京）内外可谓是“远近闻名”。 “一定要是自己扎扎实 实做出来的，一丝一毫都不能作假。”严格背后，

28、他的 学生们因此而受益无穷。根据组织需要， 唐跃刚从 1998 年 11 月起从事：（上接第 61 页）向。参考文献：1 李庆忠.走向精确勘探的道路 高分辨率地震勘探系统工程剖析M.北京：石油工业出版社，1995.2 范文红,林涨年,曾海东,等.高邮凹陷深层地震勘探技术研究J.石 油物探,2004,43（6）：573-577.3 张永华，罗家群，田小敏.高精度三维地震在泌阳凹陷北部复杂断 块群勘探中的应用J.石油物探，2005，44（3）：280-283.4 马义忠，张付生.泌阳凹陷核三下段高精度三维地震观测系统设 计与采集效果J.大庆石油地质与开发，2008，27(3）：139-142.5

29、P M Duncan，白振瑞.3D 地震数据采集、处理、解释一体化J.勘探 地球物理进展,1997,（02）:65-69.6 冯兵, 蒋进勇. 一体化解释在塔河油田三叠系油藏预测中的应用J.石油物探,2003,42（3）：384-388.7 熊翥.高精度三维地震(I)：数据采集J勘探地球物理进展，2009,32 (1):1-11.8 常锁亮,唐永洪,陈强,等.煤田三维地震勘探的观测系统设计现状与讨论J.中国煤炭地质，2008,20(9):50-54.图 8 2 号煤层顶板河道砂体的精细雕刻图Figure 8 Precision sculptural graph of No.2 coal roo

30、f channel sand body9 熊翥. 高精度三维地震 (II)： 数据处理 J. 勘探地球物理进展,2009,32(2):81-95.10 邬达理.复杂条件下三维地震资料处理中的几个关键问题J. 石 油物探，2002,41（2）:179-185.11 罗银河,刘江平,董桥梁,等.Kirchhoff 弯曲射线叠前时间偏移及应 用J.天然气工业，2005，25(8):35-37.12 承金，汪新文，王小牛.山西沁水盆地热史演化特征J.现代地质，2009,23(6):1093-1099.13 程建远.三维地震资料微机解释性处理技术M. 北京 ： 石油工业 出版社，2002.14 熊翥.高精度三维地震(14): 资料解释与配套技术J. 勘探地球物 理进展,2009,32(3):157-166.三维叠前偏移成像是高精度三维地震勘探的核心。为完成对构造和岩性的精细勘探，一定要从最 终偏移成像要求出发，全面考虑采集、处理、解释的 需求。目前先进的计算机及新技术、新方法使采集、 处理、解释 3 个环节之间的联系不可分割，一体化技 术思路是挖掘和提高地震方法应用潜力的重要方