煤田三维观测系统设计的现状与发展

煤田三维观测系统设计的现状与发展

0地震勘探精度分析与技术对策20世纪90年代中期以来，基于多通道地震数字地震仪在基于屋顶系统的应用和折射波静态校正技术的基础上，屋顶三维地震勘探技术在全国得到了迅速普及和应用。勘探成果为优化矿井设计、合理布置采区与工作面、保障安全生产等提供了重要的地质保障。但多年以来煤田三维地震的构造勘探精度一直徘徊不前,甚至在个别矿区有下降的趋势。作者认为造成这一状况的因素是多方面的,除施工队伍技术管理水平良莠不齐、近几年市场恶性竞争造成的勘探投入不断减少和施工周期越来越短等非技术因素导致的技术投入不足外,更大程度上可能是在技术应用层面研究不够深入、实际应用缺乏针对性。需要认真反思,找到切实可行的技术对策,努力提高勘探精度。本文旨在从观测系统设计的角度,对目前参数选择、属性评价的现状进行讨论,指出存在的问题与不足,并提出解决或改善的建议。1观测系统属性的评价目前煤田三维地震勘探中,各施工单位不论在什么条件下采用的几乎均为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(如8线8炮、8线6炮、6线4炮等)。该类型的观测系统一般具有接收线距小(一般20~60m);炮线距大于接收线距;横向接收线重合少(一般为1/2接收线数)等特点,与二维观测系统具有较好的相似性,沿袭了二维观测系统设计的思想。由于其具有横向滚动快、施工成本低、效率高以及容易理解、便于实施等优点,在煤田三维勘探中广泛使用。但该类观测系统炮检距、方位角分布不均匀、静校正耦合差的缺点也是显而易见的。目前观测系统性能的评价是基于水平层状介质假设和水平叠加的理论基础,侧重于面元大小、覆盖次数、最大偏移距、偏移孔径、常规炮检距及方位角分布等参数与属性的分析。但是在高精度构造勘探、岩性解释(煤层厚度、宏观结构、瓦斯富集程度等)研究及复杂地区三维勘探中,对观测系统设计提出了更高的要求,仅考察这些参数与属性不能完整反映观测系统的性能,需要对观测系统属性作更全面细致的分析和评价。设计中对采集脚印、反射弥散、目的层的照明度和照明率等属性的分析也不容忽视。2炮点过8线的观测系统参数分析比较面元属性分析就是对观测系统的CMP面元进行覆盖次数、炮检距、方位角以及由它们衍生出来的属性进行分析。本文以目前常用的炮点穿过四条接收线的8线8炮束状正交观测系统(参数见表1)为例,与在覆盖次数(24=4×6)、面元大小(10m×5m)、道距(10m)、炮点距(20m)等参数相同及最大炮检距参数相近条件下的45°束状斜交、在一个接收线内放炮的直线型正交及45°斜交4种观测系统(图1)就其循环节大小、唯一炮检距覆盖次数、炮检距变化系数等3种属性进行了分析比较。2.1循环节属性分析循环节是指可以代表三维观测系统属性的最小面元集合,一个循环节内各面元间的属性是两两不相同的,其大小相当于排列片的一个纵向滚动距离和一个横向滚动距离所圈定的面元数。在标准观测系统中其概念等同于“子区”。图1所示的4种观测系统中,a、b、c、d的循环节依次为288(16×18)、256(16×16)、128(8×16)和128(8×16)个面元。面元属性在纵向上以炮线距、横向上以横向滚动距离为循环发生变化,通过分析可以发现循环节越大,面元属性变化越大,循环节交接处产生采集脚印的可能性越大。因此同样覆盖次数情况下,在一个接收线内放炮的观测系统由于循环节小于炮点穿过几条接收线的观测系统,面元属性变化小,对采集脚印的压制要好一些。2.2面元上的覆盖次数惟一炮检距覆盖次数的含义是:将某面元对应的炮检距按一定的步长,划分成若干份,在每份中其所包含的共中心点数均按一次计,依次对其余的炮检距范围进行计算,总数的和就是对应面元内的惟一炮检距覆盖次数。惟一炮检距覆盖次数与一般意义上的面元覆盖次数不同,前者代表了面元上炮检距的分布情况,如果面元上缺失一些炮检距值,则其惟一炮检距覆盖次数就会下降。在一般情况下大部分面元的惟一炮检距覆盖次数较常规覆盖次数低,反映了面元上真正对叠加起作用的覆盖次数,代表了面元的属性。图2展示的为同一观测系统的常规覆盖次数与对应的惟一炮检距覆盖次数的对比,常规覆盖次数均匀,但惟一炮检距覆盖次数不均匀,呈规律性变化。显然,惟一炮检距覆盖次数越高,对叠加真正的贡献越大。观察图3可以看出:就最大惟一炮检距覆盖次数而言,直线型比束状的高;就惟一炮检距覆盖次数达到常规覆盖次数2/3以上的面元数而言,束状斜交型比束状正交型高,且差别较大;而直线斜交也比直线正交型高,但差别较小。2.3单位面元内炮检距分布的均匀性一个面元内炮检距分布的均匀程度可以用炮检距分布变化系数来表示,炮检距分布变化系数的定义为:其中:n——单位面元内的炮检距间隔数;X——炮检距;——单位面元内的炮检距平均值。炮检距分布变化系数图可以清晰的表征循环节内的炮检距分布的均匀性。显然,面元间炮检距分布变化系数差异越小的观测系统越符合水平叠加理论的假设条件,越有利于叠加速度求取和随机噪音压制。分析图4可以看出目前常用的束状正交观测系统的炮检距分布均匀性较差,有些CMP面元小偏移距或大偏移距相对集中,有些CMP面元缺少中偏移距信息。而束状斜交与直线型观测系统有较好的改善。3约束状观测系统设计随着三维地震勘探技术应用的不断深入,地震资料的动力学特征研究越来越受到重视。如果观测系统设计不当,使得振幅或相位等动力学特征不能真实反映地质变化,将产生严重的采集脚印。因此在观测系统设计时应全面对其属性进行分析,最大限度的减小观测系统的采集脚印。通过本文对几种观测系统属性的对比得到以下几点认识:①观测系统参数的选择特别是炮线距、接收线距和滚动步长的选择,决定了循环节和采集脚印的大小。观测系统参数过小则施工成本太高,过大则会引起采集脚印现象。炮线距和接收线距一般选择道距的4~6倍为宜;滚动线距步长过大也会产生采集脚印,造成面元属性不均匀,一般选择小于接收排列线数的1/4较合适。从这个意义上,本文所示的后两种观测系统优于前两种观测系统。对目前常用的1/2横向滚动的束状观测系统应通过减小滚动线数进行优化。②就唯一炮检距覆盖次数和炮检距分布变化系数而言,目前采用最多的炮点穿过接收线的束状正交观测系统炮检分布最差,这一缺陷在煤田地震勘探较低的覆盖次数(一般≤24次)情况下,对叠加速度的求取精度和叠加效果将产生较大影响,从而降低资料的分辨率、模糊小构造。而对应的斜交观测系统和在一个接收线内放炮的观测系统对唯一炮检距覆盖和炮检分布属性有较好的改善。③图1所示的前两种属于窄方位观测系统,后两种属于宽方位观测系统(图5)。目前煤田地震勘探中常用的束状正交观测系统多属于窄方位观测系统。在相同覆盖次数条件下,窄方位观测系统沿排列方向附近分布的炮检对和大炮检对多,这样沿排列方向的叠加速度求取精度也会相对较高,有利于改善inline方向的成像质量;但束状观测系统横向较大的滚动步长也会使得cross方向耦合较差,静校正量统计不足,产生采集脚印、造成假得不连续,导致对小构造的错误解释可能性增大。宽方位观测系统由于横向接收线重合多、耦合好,有利于静校正求解,提高分辨率。此外较宽的方位分布还有利于方位信息的获得,为利用方位分析技术(如方位AVO)预测煤储层物性提供了可能。④目前煤田系统观测系统的设计思想是基于水平层状介质假设和地面共中心点和面元的水平叠加理论基础。复杂地区观测系统设计应基于地质模型分析,脱离或部分脱离基于地面共中心点和面元,把立足点落实到目的层段模型上,设计立足点应从地面转到地下主要目的层位上。观测系统设计、评价标准应逐步由原来以能量和覆盖次数为中心转变为以照明度和聚焦性为中心的设计理念。实际勘探中,观测系统设计应根据工区的地形地貌、地震地质条件及地质目的进行充分论证,合理地选择观测系统类型与参数。总体而言,在低信噪比和静较正问题突出的以构造勘探为主要目的的地区,应采用有利于构造成像的窄方位观测系统。在高信噪比和静较正问题不突出的地区,应采用有利于提高分辨率和储层预测的宽方位观测系统。同类型观测系统就其面元属性整体而言,斜交型观测系统普遍优于正交型观测系统,应积极推广。4使用示例4.1束状斜交观测系统山西文水赤峪勘探区坡陡沟深、出露岩性多变,炮井成孔难度极大。针对表浅层地震地质条件非常复杂且主要煤层埋深较大(600~1000m)特点,为尽可能减少放炮工作量,同时克服常规束状正交观测系统由于纵向滚动距离大引起的炮检距分布不合理的缺点,经多次论证采用了24次覆盖的束状斜交12线8炮制观测系统(图6),使得CMP面元内炮检距分布趋于合理,保证了叠加效果(图7),获得了理想的构造勘探成果。4.2利用和影响宽方观测系统的应用和影响5油田三维地震勘探方向李庆忠院士曾指出“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”。煤田三维地震勘探也不例外,近年来随着高密度采集、层析静校正、叠前偏移及谱分解等一系列新技术的研究与应用,煤田三维地震正逐步走向精细构造勘探和岩性勘探。因此从源头上切实重视地震勘探观测系统设计的研究与合理应用,保证最大限度的取全取准原始数据依然是煤田物探技术人员应不断努力的目标与方向。山西阳泉