煤田三維地震勘探觀測系統優化設計

蘇海倫，葉亞坤，李陽陽

(西北大學地質學系，陜西西安710069)

煤田三維地震勘探觀測系統優化設計

蘇海倫*，葉亞坤，李陽陽

(西北大學地質學系，陜西西安710069)

通過對三維地震勘探觀測系統的優化設計，不僅可以發揮系統工程學的最大特點，得到更合理的地震數據，而且可以為施工方實現成本節約和技術革新，從而為集約型社會貢獻出應盡的責任和力量。在礦方給定的質量指標下，可以結合觀測系統涉及到的主要參數建立合適的數學模型，以設計出多個符合相關地球物理參數的三維地震勘探觀測系統方案，結合當地實際情況，對比分析得出10線8炮中點激發觀測系統，可以實現施工成本的最小化和保證質量的最優化。主要以山西和順李陽礦區為例，扼要介紹煤田三維地震勘探觀測系統優化設計的流程與方法。

觀測系統；地震勘探；優化；集約型

1 概述

由于三維地震勘探獲得信息量豐富，地震剖面分辨率高，所以近年來三維地震勘探技術在尋找礦產資源中發揮著越來越大的作用，尤其在對深部資源和中淺部煤田地震勘探的勘察中大放異彩。

地震資料的野外采集是地震勘探工作的一個重要的環節，它的基本任務就是要高速度、高質量地采集各種地震資料的原始數據，為下一步的資料處理和解釋做準備。因此，這些數據的準確與否直接影響著地震勘探的精度和效果，而貫穿整個地震采集過程的指揮棒就是一份恰如其分的觀測系統設計，通過優選三維觀測系統，可以在控制勘探成本與提高采集資料質量方面取得平衡，為特定目標的地下構造復雜區的地震資料采集提供了一種行之有效的解決方案。

2 觀測系統采集參數及優化設計

觀測系統的優化設計綜合考慮了地質任務、地形及諸多地下因素，其充分利用高密度采集的面積接收技術和炮、檢點網格的靈活組合，獲得分布均勻的地下數據點網格及所要求的覆蓋次數，以保證較高的信噪比和分辨率。而決定其觀測系統優劣而應考慮到的主要參數大致有以下幾種：

（1）施工面積。為了滿足偏移要求，地面的勘探邊界應向下傾方向延伸一定距離L，由施奈爾定律可知：L=h·tanα（L為偏移距離，h為最大目的層深度，α表示目的層傾角）。對于滿覆蓋次數邊界，應以偏移后的面積為準。

（2）采樣間隔。依據采樣定理，需保證時間域、空間域的采樣間隔不出現假頻。包括：①時間采樣間隔：若采用多道數字地震儀器，毫秒級采樣,全頻道接收,能夠高保真地接收較寬頻帶的有效波,滿足縱向分辨率的要求；②：空間采樣間隔：為使檢波點距的選擇不產生空間假頻，在CDP網格設計上按：Dx≤， Dy≤來計算（Dy、Dx為縱、橫采樣間隔；Vrms為均方根速度；fmax為有效波最高頻率；θy、θx為沿縱、橫方向上地震射線入射到地面的角度）。

（3）疊加次數。當信噪比良好時，縱測線方向上的疊加次數通常取大于二維疊加次數的1/2～2/3倍。而且，在地質情況復雜、信噪比低的地區應有較高的疊加次數，信噪比高的地區可適當降低疊加次數，但一般應高于12次覆蓋。

（4）炮排間距。炮排間距，可用公式表示為：

式中：n——地震儀總接收道數；

b——線束內接收線數。

（5）極限炮檢距。最大炮檢距Xmax的選擇既要考慮到求取速度的精度及壓制多次波的效果，也要考慮到動校正拉伸畸變對高頻信號的影響。一般簡單取為最淺目的層深度Hmin的1.2倍或最深目的層深度Hmax。

3 最優性價比的觀測系統設計方法研究模型

3.1 質量最優模型

將觀測系統質量最優問題，轉化成觀測系統參數與地球物理目標論證參數之間差值最小問題，將目標參數結合起來，給定不同的權值，利用數學上的最優化算法，求出質量最優的觀測系統，其數學模型可以表示成如下的形式：Emin{H(Fx，Fy，NL，RLS，SLS)}，其中：H(Fx，Fy，NL，RLS，SLS)=a1(1-F3d/N)2+a2(1-Xmax/ xmax)2+a3(1-ξ*M/mt)。

3.2 成本最小化模型

考慮在每平方公里成本函數最小化的要求下，而得出一個觀測系統優化設計的數學模型：Cost(Fx，Fy，NL，RLS，SLS)=Cr+Cc+Cp。

上述表達式中的符號的含義可以參見表1的說明。

表1 與觀測系統以及地震采集成本有關的參數符號表

4 應用實例分析

以下以山西晉中和順某礦區的煤田三維地震觀測系統優化設計過程為例簡要說明三維地震觀測系統優化設計的基本流程。

4.1 研究區地球物理特征

（1）表、淺層地震地質條件。表層地震地質條件北部較差，南部稍好，由于第四系薄，部分地段基巖出露，覆蓋層、松散層淺，淺層地震地質條件較好。

（2）中深層地震地質條件。本區本次勘探的主要目的層為8#煤層、15#煤層，煤層的頂底板巖性多為砂巖，煤層與圍巖波阻抗差異明顯，煤層頂、底板與煤層的物性差異較大，有利于得到較好的反射波，因此本勘探區的中深部地震地質條件較好。

4.2 觀測系統設計方案及優化選擇

設計的方案中兩個方案為8線8炮觀測系統，2個方案為10線8炮觀測系統，分別為單邊激發和中點激發。其具體參數見表2。

表2 方案參數對比表

結合部分權重較大的參數模擬1km2的滿覆蓋區域的費用概算作對比分析，由上面實驗模擬得出的工區參數可以得出如表3所示的成本概算表。

由表3不難看出，方案四即10線8炮中點激發觀測系統的成本顯然低于其他方案的成本，結合實際若單位內檢波器數量較充裕，采用10線8炮中點激發觀測系統是相對優化的一個方案。

5 結論

（1）對于三維地震勘探觀測系統設計，只要能滿足地質任務即可，不要過分強調高炮密度、大炮檢距、小面元。

（2）在觀測系統設計過程中，充分考慮工程投入與預計效益比。

（3）要將排列長度、炮密度、道距等施工參數與施工日效結合起來。

（4）不要片面強調某一項參數，三維地震勘探工程成本是由多個參數結合在一起來決定的。

（5）三維地震勘探觀測系統設計應由設計人員與工程管理人員共同來完成。

表3 單位滿覆蓋面積成本概算表

[1]張勝業，等.應用地球物理學原理[M].中國地質大學出版社，2004.

[2] 劉天佑，等.應用地球物理數據采集與處理[M].中國地質大學出版社，2004.

[3]張明學，等.地震勘探原理與解釋[M].石油工業出版社，2010.

[4]何樵登，等.應用地球物理教程—地震勘探[M].地質出版社，1991.

[5] 趙虎，等.最優性價比的觀測系統設計方法研究[J].地球物理學進展，2010（10）:160-162.

[6] 朱金平，等.基于地震照明、面向勘探目標的三維觀測系統優化設計[J].石油地球物理勘探，2011（6）:65-68.

[7] 劉二鵬，等.基于面元屬性分析的三維地震觀測系統設計[J].山西煤炭，2011（5）:20-28.

[8]楊德義,趙鐠,王慧.煤礦三維地震勘探技術發展趨勢[J].中國煤炭地質，2011（06）:42-47；55.

[9]吳欽寶,王秀東,寧方助.煤田三維地震勘探的應用及效果分析[J].地球物理學進展,2005（02）:377-380.

[10]楊文府,劉海平,楊雙安,張陽芳,崔玉柱.煤田三維地震勘探測量的技術方法探討[J].煤,2005（05）:53-55.

[11]楊雙安,張胤彬,許鴻雁.煤田三維地震勘探技術的應用及發展前景[J].物探與化探,2004（06）:500-503.

[12] 楊文府,吳云,張陽芳.煤田三維地震勘探測量的作業方法研究進展[J].遼寧工程技術大學學報,2006（2）:49-51.

[13]常鎖亮,唐永洪,陳強,郝治國.煤田三維地震勘探的觀測系統設計現狀與討論[J].中國煤炭地質,2008（09）:50-54.

[14]藺國華，等.煤田采區高分辨三維地震勘探激發參數的優選[J].中國煤炭地質，2011（10）:120-127.

[15]蘇丕波，等.基于地球物理模型正演的三維觀測系統優化設計[J].新疆石油地質，2009（10）:36-38.

[16] 徐峰，等.基于相控理論的炮點組合設計技術[J].石油地球物理勘探，2011（4）:123-125.

P631.4

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1004-5716(2015)02-0134-03

2014-03-20

2014-03-20

蘇海倫（1988-），男（漢族），河南南陽人，西北大學地質學系在讀碩士研究生，研究方向：物探技術、區域構造學。