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中国煤矿采区地震勘探技术的回顾与展望(上)

中国煤矿采区地震勘探技术的回顾与展望(上)

煤炭科学研究总院西安分院 程建远
1、技术发展历程 我国煤田地震勘探技术在近50年的发展历程中,伴随着仪器制造技术、计算机技术和信息技术的发展,出现了多次重大的技术进步,目前已经成为石油、煤炭等领域进行构造勘探的首选技术。从仪器更新、数字处理、解释方法和应用效果等几个方面,总结我国煤田地震勘探技术的发展历史,可以将其归纳为三次技术飞跃。 (1)第一次技术飞跃 1955年,我国煤炭工业上开始采用地震勘探技术,并在华东组建了全国第一支地震勘探队伍。当时,所用仪器为光点地震仪,用照相的办法,获得地震波的折射记录,进行人工解释。当时仪器动态范围小(约20dB)、资料不能数字处理,资料也不便保存;地震勘探的任务局限在寻找新煤田和新的含煤区。 1971年,由煤炭科学研究总院西安分院、渭南煤矿专用设备厂研制成功MD-1型半导体磁带记录地震仪,这是我国第一套自行设计制造的煤田地震勘探仪器,并在国内煤田地震队中推广应用。至此,煤田地震勘探实现了第一次技术飞跃,其主要标志是:
  • 地震仪器由光点地震仪更新为模拟磁带地震仪;
  • 勘探方法由折射波法地震勘探发展到反射波法地震勘探;
  • 资料处理由单次地震剖面上升到多次叠加剖面;
  • 地震勘探基本能够查明落差大于30m以上的断层。
限于当时的仪器水平和处理技术,所获地震剖面的分辨率低,信噪比也不够高,时—深转换精度差,反射面的空间归位不准等因素,还远远不能煤矿开采的要求,只能作为地面钻探的辅助手段。 (2)第二次技术飞跃 1979年我国打破了西方国家的技术封锁,成功研制出MDS-1型数字地震仪,对数字地震勘探起到了很大的推动作用。1984~1985年,随着对外改革开放政策的实施,我国煤田地震勘探队伍开始从国外引进21套以DFS-V和SN338为主的数字地震仪,同时引进了以IBM-4381为主机的地震数据处理系统,先后在山东济宁、江苏龙固、安徽刘庄等地区,开展二维高分辨率地震勘探技术试验研究,并于1986年首次在安徽刘庄第一个中日合作精查地质勘探项目中查明了落差大于15m以上的断层,精度高于规范要求一倍以上,取得了重大的技术突破。图1是一条经过实际验证的二维地震时间剖面,可以看出:该剖面对于落差10m以上的两条断层显示非常清晰,对于落差5m左右的两条小断层也有良好的反映。此后,煤矿采区地震勘探掀起了第一次高潮,实现了第二次技术飞跃。其主要标志表现在:
  • 地震仪器实现了模拟地震仪器到数字地震仪器的升级换代;
  • 地震数字处理技术水平明显提高;
  • 高分辨率地震勘探技术的研究成果已经初见成效;
  • 人工合成地震记录确立了煤层反射波的形成机理;
  • 二维地震勘探的解释精度能够查明落差15m以上断层。

图1 二维地震时间剖面的断层解释 此后为此,原国家能源投资公司1992(612)文件明确规定:在有条件地区,基建矿井必须补作采区二维地震勘探。煤田二维地震勘探首次成为钻探、地震综合勘探中构造勘探的主角,减少了钻探密度,缩短了勘探周期,经济效益和社会效益显著。 (3)第三次技术飞跃 1978年,中国煤田地质总局在伊敏河矿区开展煤田三维地震勘探技术前提性研究;1989年、1993年山东煤田物探队与煤炭科学研究总院西安分院利用小型数字地震仪进行三维地震勘探技术的试验研究;1994年,由中国矿业大学和安徽煤田物探测量队联合开展的“煤矿采区高分辨率三维地震技术”研究项目,在安徽淮南矿务局谢桥煤矿采区地震勘探中首次在采区地质勘探中查明了落差大于5m以上的断层(参见图2),取得了重大的技术突破。高分辨率三维地震勘探成果,显示了很高的信噪比和分辨率,其解决地质问题的效果和能力,是以往常规二维地震勘探所无法比拟的,由此掀起了采区地震勘探技术的新高潮。三维地震勘探的成熟,标志着煤田地震勘探实现了第三次技术进步。 图2 淮南三维地震勘探效果展示 (左图:5m落差小断层的显示;右图:埋深460m、断面3.2*3.8m2、相距50m的主副石门被检测) 不难看出:煤田地震50年的发展史是一部地震勘探的科技进步史。目前,仪器方面正向遥测遥控、高采样率、多道发展,A/D转换器达到24位;地震资料处理解释技术快速发展,人机联作解释技术日趋成熟,地震勘探迎来了一个难得的发展机遇。但是,应该看到:随着煤矿综采机械化技术水平的不断提高,综采放顶煤技术、锚网支护技术、全断面光面爆破技术等综采配套技术发展很快,对于地震勘探的精度又提出了新的更高的要求,如:在构造勘探上要求达到探查3~5m的断层、在岩性勘探上要求能够预测煤层厚度变化、裂隙密集带、地应力集中区等。这一切都迫切需要在现有基础上进一步提高地震勘探的技术水平。 2、面临的几个实际问题 2.1 采区地震勘探存在的几个问题 李庆忠院士指出:地震勘探是一个系统工程。“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”。这一点,在当前各个施工队伍任务比较繁重,有时已经出现了“技术浮躁”的现实情况下,不能不引起我们的深思!下面,依据作者近几年掌握的一些资料,对目前制约采区地震勘探精度的几个问题加以阐述。 2.1.1高频信号接收的“瓶颈” 众所周知:地震勘探是一个系统工程,主要包括采集、处理与解释等主要环节。近年来,地震勘探仪器升级换代的速度明显加快,由以往的10年左右提高到5年左右;地震仪器的道数不断增加,由原来的集中式数控型变为分布式数控型,开动道数由原来的300~400道扩充到上千道;地震勘探仪器的性能不断改进,由原来的16位A/D模数转换器(96dB)上升到24位A/D(144dB)……。这一切,都为真实记录来自于不同地下地质结构的地震波奠定了基础。对于地震数据采集而言,地震信号的检波器接收处于记录系统的前端;相对于地震仪的更新而言,对于检波器的选择、更新和维护显得远远不足,是进一步提高地震勘探分辨率的“瓶颈”。 地震检波器是是地震信号最重要的接收设备。国内目前在石油、煤炭地震勘探中采用的检波器,绝大多数都是基于法拉第电磁感应定律、将地震震动信号直接转换为电信号的模拟检波器,这些微弱的电信号送入采集站进行A/D转换,之后将数字信号经过地震电缆的数传线路,直接送入地震仪的中央采集站进行记录与编排。因此,高分辨率地震勘探要求地震检波器信号的响应,应该具有较大的动态范围、良好的一致性和较宽的频带范围。 实际上,地震信号的电压范围是1μV到1V级,其动态范围大于120Db,24位高精度遥测数字地震仪的动态范围为144Db,可以满足深层微弱信号的记录要求,但是检波器的动态范围主要受制于畸变的影响。下表给出了检波器的失真度、动态范围:
检波器失真度(%)0.20.10.050.020.01
动态范围(dB)53.976066.0273.9880
目前,国内检波器的失真度指标要求控制在0.2%以内,其动态范围小于60dB,不到地震仪动态范围的1/2;检波器的“允差”国内规定控制在±5.0%,将会导致检波器的道间一致性出现3ms的相位差。因此,检波器作为地震数据采集的前端,从“入口”处就限制了高频、深层弱信号的接收,形成了“小马拉大车”的怪圈,这尚且还不包括检波器作为低值易耗品,如不及时淘汰、更换以致出现永磁体老化褪磁等造成的影响。可见,在研究如何进一步提高地震勘探分辨率的时候,对于作为地震采集前端的检波器问题,应该在今后引起人们足够的重视。 2.1.2野外地震数据采集的“脚印” 据统计:石油地震勘探中数据采集几乎占到全部费用70%~80%,煤田地震也在50%以上。因此,优化地震采集设计、降低勘探成本、从技术和经济上统筹考虑最优化设计方案,精心设计、精细处理,显得格外重要。 图3是某区三维地震成果数据体中,煤系地层上部一个全区稳定的标志层上反射波振幅分布平面图。可以看出:反射能量的分布呈现出明显的条带性,该“异常”条带与煤层反射波上出现的条带位置完全一致,也与该区野外施工的Inline线设计方向完全一致。出现该“异常”现象的原因,基本能够排除岩浆岩自身横向不均匀的因素,最大的可能性在于野外三维地震设计上可能存在问题,才会形成如此规则的平面分布条带。上述“假象”对地质解释造成的影响是不言而喻的,正是在该区三维地震解释漏掉了一条落差10m的断层,造成生产上的极大被动,工作面长度不得不缩短550m,提前结束回采。国外学者称之为“采集脚印”。 因此,对于今后的三维地震勘探,建议完善监理制度,把好施工设计、数据采集与处理等核心环节,对于地震成果资料的提交坚持反复校核、严格验收等原则。由于对区内地质条件了解不足,造成地震勘探施工设计的缺陷或不足,对于采区高分辨率三维地震勘探的影响是巨大的,因为野外采集会造成后期资料处理与解释的“硬伤”,不可恢复的,实际上也是难以补救的;而资料处理流程、参数使用不当,是可以重现的、可以重复处理的;地震资料的构造解释方案,也是可以不断深化认识,而加以修正的。 图3 三维地震设计缺陷造成的“条带异常” 2.1.3地震资料解释的“陷阱” 影响地震资料解释精度的因素很多,除了地震地质条件的地区差异(如东部平原与中西部低山丘陵区等)、控制密度(如10m×10m、5m×10m等)、覆盖次数(12次、16次、20次或24次等)、地表条件(如平原、山区、丘陵、戈壁与黄土塬区等)外,目前地震资料解释还存在不少解释误区,这是由于地震勘探毕竟是一种间接勘探的手段,另外地震勘探的精度还受制于地震勘探本身的方法原理、数据处理技术的发展阶段等因素制约。概括起来,主要存在以下误区:  地形影响“静校不静”问题 不容否认:地震勘探发展到今天,一些简单地区的勘探工作已经基本已经完成,地震勘探正面临着勘探条件越来越复杂(地形复杂、勘探深度加大)、地质任务要求越来越高(如要求能够解决3~5m左右的断层、并能够解决煤层厚度变化问题)等问题。 静校正是地震勘探资料处理流程中处于前端的处理模块,它主要是把由于地形高程、激发井深和低降速带这些非地质因素变化导致地震波旅行时间的变化,通过校正处理把炮点、检波点校正到一个全区统一的基准面上。尽管静校正技术发展很快,但是对于复杂的、复合的地表条件(如既有基岩直接裸露、又有山前坡积物存在、还有黄土覆盖的条件),现在静校正应用效果较好的绿山初至折射静校正软件,也难以取得较好效果,一个明显的表现就是经过静校正后,能够较好地消除短波长的静校正,实现了各反射段的反射波同相叠加,但是在一个比较大的范围内,难以很好消除长波长的静校正量,以致造成在地震叠加剖面上褶曲形态的失真;更为严重的是,随之而产生的问题是在用于地质解释的地震偏移时间剖面上,构造形态失真,断层、陷落柱的平面摆动误差加大。 这种情况出现的原因在于:一是绿山折射静校正的前提是能够寻找地下一个统一的高速界面,对其以上的低降速进行校正,实际上在复杂条件下难以实现这一点;二是煤层埋藏深度一般较浅,地震的接收排列长度较短,小于地表地形变化的一个波长,客观上也导致了地震长波长静校正实际上在资料采集时就没有采集到。  速度变化导致“褶曲失真” 地震勘探能够准确获得的是地下反射波的时间信息。要获得一个可以进行地震地质解释的地震偏移时间剖面,地层速度是最关键的信息。因为地震波的传播速度直接携带了与地下构造和岩性有关的地质信息,获取正确的速度参数是处理和解释的中心问题之一。 由于现有的地震勘探存在如下基本假设:地下介质是水平、层状、均匀介质。这实际上是不存在的,而现有的地震处理模块均是在这一假设前提下编制的。这就导致由于地下地层速度的空间变化,造成解释上的失误。

[ 本帖最后由 ntt1983 于 2008-7-11 16:43 编辑 ]

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