煤礦采區高密度三維地震采集參數討論

程建遠，王千遙，朱書階

煤礦采區高密度三維地震采集參數討論

程建遠，王千遙，朱書階

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著煤礦采區高密度三維地震技術的不斷推廣，對其采集參數選擇有了新的認識，特別是線束方向、線距大小、最大炮檢距以及覆蓋次數與CDP面元等關鍵采集參數的選擇。從理論計算到工程實踐角度，對煤礦采區高密度三維地震采集參數進行了分析與討論，認為：道距、線距、炮點距、炮線距的大小與面元尺寸大小密切相關，能否實現無假頻空間采樣取決于面元大小，增大線距有利于提高性價比；以煤層構造勘探為目標的前提下，最大炮檢距可以大于目的層埋深；在地震條件良好地區，高密度三維地震設計的覆蓋次數不宜太高，以提高分辨率；高密度三維地震是面積采集、立體勘探，其線束方向設計不應受制于構造走向的約束。通過不同面元大小、不同覆蓋次數以及大線距采集的典型工程實例，初步印證了上述結論的正確性。

煤礦采區；高密度三維地震；兩寬一高；面元大小；覆蓋次數

1988年L. Ongkiehong[1]首次提出了“不受約束的采集”思想。隨著儀器制造技術的進步，地震勘探儀器的道數出現了指數級的增長，L. Ongkiehong的想法已經變為現實[2-4]。以占全球地震儀器市場70%的法國SERCEL公司為例：過去30多年(1989—2019年)時間里，SERCEL公司將地震儀的采集道數從百道規模提升到百萬道，增長了10 000倍，其最新的無線節點式地震儀可以實現無限道布設，真正實現了“不受約束的采集”的目標。

隨著地震數據采集儀器的技術進步，高密度三維地震勘探技術逐漸興起[5-7]。所謂高密度三維地震勘探技術是指炮點密度/接收點密度大幅提高、地下CDP面元縮小、三維地震的道密度達到常規三維地震勘探4倍以上，或CDP面元大小小于常規三維地震的1/4等[8]。

2000年挪威PGS公司在海上地震勘探中首次采用高密度三維地震采集[9]；2004年Western Geco 與科威特石油公司合作在Minagish油田進行了首次真正意義上的高密度三維地震勘探試驗，所獲資料的縱橫向分辨率明顯改善，成像精度得到顯著提高；2006年Khaled進行了高密度石油地震勘探數據采集試驗，并進行了地震數據反演、多屬性分析以及神經網絡分析等[10]。目前，國外高密度三維地震勘探已經形成了三大主流技術，分別是PGS公司的HD3D(High Density Three Dimension Seismic Exploration，簡稱HD3D技術)、法國CGG公司的Eye-D和Western Geco公司的“Q-Technology”技術，其中HD3D技術以單點數字檢波器采集為標志，主要用于陸上高密度全數字三維地震勘探；Eye-D以高精度單點模擬檢波器接收為主要特征，而Q-Technology是主要用于海上高密度地震勘探的特色技術[11-12]。

國內石油系統較早開展了陸地高密度地震勘探技術的研究。1997年在塔里木盆地腹地開展了10 m道距的二維地震數據采集，2003 年在蘇里格進行了 5 m 道距二維地震數據采集；2004 年在大慶油田開展了 10 m×10 m 面元的三維地震勘探；2005年開始推廣全數字高密度三維地震勘探技術[10]。目前，石油行業高密度三維地震已經將CDP面元由以往常規三維地震的25 m×25 m縮小到12.5 m×12.5 m、6.25 m×6.25 m[13]。

2005年中國煤炭地質總局依托“西部煤炭資源高精度三維地震勘探技術”項目，開展了煤礦采區高密度地震勘探試驗研究[14-15]；2007年中石油東方地球物理公司在淮南丁集煤礦西翼首采區進行高密度全數字三維地震勘探的試驗示范[16]；2011年中煤科工集團西安研究院有限公司在焦作礦區開展了高密度全數字三分量地震勘探的方法研究和現場試驗，并進行了相同激發條件、記錄條件下數字檢波器與模擬檢波器的單因素變化對比試驗[17]。隨著地震儀器從千道儀向萬道儀擴展、檢波器從模擬檢波器組合接收向數字檢波器單點接收發展，煤礦采區高密度三維地震的CDP面元從10 m×10 m、10 m×5 m加密到5 m×5 m、5 m×2.5 m以至于2.5 m×2.5 m，覆蓋次數也從24次、32次增加到64次；同時，高密度三維地震數據處理從常規的疊后時間偏移向疊前時間偏移、疊前深度偏移邁進，其解決地質問題的能力得到顯著提升，如在淮南礦區高密度三維地震能夠查明落差2 m以上斷層、直徑15 m以上陷落柱、檢測埋深800 m的采煤工作面巷道等[18]。據不完全統計：2009年—2019年，煤礦采區全數字高密度三維地震勘探項目的面積約410 km2，主要以淮南、淮北、皖北為主，永煤、晉煤、伊泰、陜煤、神華、陽煤、新集、伊泰等礦區，陸續開展了煤礦采區高密度三維地震的試驗和示范。盡管高密度三維地震勘探技術在各大礦區開展了一些試驗、示范和推廣，但是尚未形成燎原之勢，其中成本偏高是重要原因之一。野外地震數據采集占地震勘探成本的70%以上，如何優化高密度三維地震的采集參數，提高其投入產出的性價比，是一個值得研究的課題。

1 問題的提出

國內外開展了高密度三維地震觀測系統設計方法的研究工作，提出了野外數據采集“兩寬一高”的設計原則[19-21]。在高密度三維地震勘探的工程實踐中，經常面臨一些采集參數設計問題的困擾。

1.1 線束方向是否應該垂直構造？

三維地震束狀觀測系統的線束方向，應該垂直于構造方向，這是幾乎所有經典教科書上對于三維地震觀測系統的設計要求，而這一要求在實際生產設計中有時難以兼顧。眾所周知：地質構造包括褶曲(背斜、向斜等)和斷裂(斷層、裂隙等)，地層的走向與斷層走向絕大多數情況下不盡一致，甚至相互垂直，這時觀測系統設計中應以哪個構造為準？如果褶曲軸向在空間上出現偏轉、斷層存在兩組不同走向時，線束方向如何適應？

另外，在以往三維地震設計實踐中，一些建設方盲目要求單端、下傾放炮，而不考慮技術與經濟的協調統一，也給施工單位造成困擾。

1.2 擴大線距是否造成空間假頻？

三維地震觀測系統設計中的接收點距(道距)、接收線距、炮點距、炮線距4個參數，除了接收點距要受制于定制電纜外，其他3個參數的選擇不受硬件條件的約束。一般情況下，煤礦采區高密度三維地震勘探在CDP尺寸5 m×5 m的條件下，道距一般為10 m；而線距的選擇則比較靈活，增大線距對于跨越障礙物非常有利，也可以在一定程度上減少對儀器大道數的過度依賴。

在工程實踐中，一些技術人員認為：線距過大會造成空間假頻，一般將線距限定在2~4倍道距之間。如果這樣設計，勢必造成在儀器道數偏少情況下，高密度三維地震觀測系統的橫縱比偏小、炮檢距與方位角分布不均勻等問題。實際上，中石油東方公司在煤礦采區高密度三維地震施工中，經常采用10 m道距、100 m線距進行施工，同樣取得了很好的后期地質驗證效果。那么，線距設計可否擴大到道距的5~10倍呢？

1.3 最大炮檢距與勘探深度的關系

DZ/T 0300—2017《煤田地震勘探規范》中要求：地震勘探的最大炮檢距宜接近主要目的層的深度。這一要求的理論依據是什么？實踐中是否合理？

如果按照上述要求去設計施工，在煤層埋深較淺的地區(如埋深小于300 m)開展高密度三維地震勘探，則儀器大道數的優勢無法發揮；在黃土塬區、沙漠戈壁等地震激發條件復雜地區，小炮檢距上面波、折射波、聲波、散射波等干擾嚴重，無法獲得高信噪比的第一手野外數據，將給后續資料處理帶來巨大的困難。

1.4 覆蓋次數與CDP面元的關系

目前，煤礦采區高密度三維地震的覆蓋次數出現了偏高的傾向。DZ/T 0300—2017《煤田地震勘探規范》要求：總覆蓋次數應不少于最佳品質二維覆蓋次數的2/3，而以往煤礦采區二維地震的覆蓋次數一般為12~24次。根據常規三維地震設計的指導思想，考慮到三維具有空間壓制噪聲和準確偏移歸位屬性，認為三維地震覆蓋次數為二維地震的1/2~2/3為宜[22]。目前，煤礦采區高密度三維地震的覆蓋次數一般為36次，有的甚至達到64次。高密度三維地震過高的覆蓋次數在不同程度上造成地震工程造價居高不下，影響了高密度三維地震技術的推廣應用。針對具體的地質任務，如何處理CDP大小與覆蓋次數的關系，這一問題直困繞擾著技術人員。

針對上述高密度三維地震施工設計中面臨的具體問題，如何從地震勘探原理上加以闡釋，從地震工程實踐上進行評價，在學習石油行業高密度三維地震先進經驗的基礎上，抓住高精度三維地震的共性，突出煤礦采區三維地震的個性，以達到最佳的性價比。在借鑒石油行業高密度三維地震工程經驗的基礎上，下面對高密度三維地震數據采集的關鍵參數加以分析與討論，以澄清一些混淆的認識。

2 高密度三維地震采集參數的優化分析

2.1 三維地震觀測系統設計原則

常規三維地震觀測系統的設計原則，是以鄰區或本區以往三維地震采集的經驗為基礎，根據工區地形地貌、地質條件以及地質任務等技術約束條件，綜合考慮項目工期、成本費用等因素，以規則束狀觀測系統為主，進行三維地震觀測系統設計，該設計主要考慮了三維地震觀測系統的幾何屬性。

高密度三維地震觀測系統設計原則中，增加了“充分性、均勻性、對稱性”的要求，既要考慮三維地震觀測系統的幾何屬性外，又要兼顧地震波的振幅屬性、地層的各向異性以及全三維處理等要求。所謂充分采樣，是指按照期望信號無假頻原則，將連續波場轉換為離散波場，在此過程中盡可能減小空間采樣間隔；所謂均勻采樣，是指炮點、檢波點在地表均勻布設；而所謂的對稱采樣，是指炮點距=接收點距、炮線距=接收線距、面元尺寸對稱、觀測排列片對稱(寬方位角)等。

2.2 三維地震設計的采集參數

三維地震設計的主要參數包括線束方向、道距、線距、接收道數、接收線數、炮點距、炮線距、最小/最大非縱距、最小/最大炮檢距、CDP面元大小、覆蓋次數等，其他有關采集參數包括震源選擇、井深、藥量、激發方式以及時間采樣間隔、記錄長度等。高密度三維地震是從常規三維地震勘探技術演變而來的，只是高密度三維地震觀測系統設計中增加了“兩寬一高”(寬頻段接收、寬方位采集、高密度)的設計要求，即在保證覆蓋次數均勻的前提下，還要求炮檢距、方位角分布較均勻，三維地震線束的橫縱比盡可能接近1.0，錢榮鈞[23]給出了衡量空間采樣密度及均勻性的量化標準。

2.3 高密度三維地震采集參數的選擇

2.3.1 面元大小的選擇

目前，在煤礦采區高密度三維地震設計中，基于小道距、小線距、小面元、大道數、高覆蓋的設計思想占據主導地位。實際上，面元的縱橫向尺寸是否滿足空間采樣定理是最為核心的技術要求，而面元大小又與炮距、道距、接收線距和炮線距有關。

一般情況下，max可以根據地震激發與接收條件、目的層埋深以及吸收衰減等因素給出經驗值；視速度的估算相對復雜，它要考慮地震波在三維空間條件下界面反射波的時距曲線方程：

式中：為界面法向深度，為地層傾角，為軸的方位角。據此可以估算界面反射波的視速度d/d?？梢姡乜v測線方向地震采集的最大道距取決于地震波的最短視波長，實際上與界面埋深、地層速度、地層走向、地層傾角和炮間距有關。

b. 空間采樣間隔取決于CDP面元大小 現實的問題是：高密度三維地震縱測線的道距一般選為10 m，煤炭系統隊伍在高密度三維地震施工中縱測線之間的線距一般選在40~60 m，而中石油東方公司的線距一般選為100 m，以加密橫向炮點(距)的方式實現設計的CDP面元大小與覆蓋次數。

炮點與檢波點的互換原理是地震勘探的基本原理之一。線距擴大、炮點距縮小與線距縮小、炮距加大的效果是等效的；因此，片面強調小道距、小線距的做法欠妥。

從這個意義上講，面元大小的選擇要有利于提高地震資料的橫向分辨率，同時面元的大小必須保證對小尺度地質異常體單方向2~3個、面元內4~9個以上采樣點的要求。鑒于以上考慮，面元大小應滿足以下兩個方面：

按照采樣定理要求的最高無混疊頻率以及地質異常體2個以上采樣點的需求，CDP面元大小的選擇公式為：

式中：為面元邊長，rms為均方根速度，max為最高無混疊頻率(最高頻率的1.2倍)，為目的層地層傾角。

2.3.2 覆蓋次數的選擇

地震勘探的覆蓋次數是從單次覆蓋觀測系統發展到多次覆蓋觀測系統后產生的，增加覆蓋次數可以壓制隨機干擾與加強深部弱反射能量，改善波場復雜區資料品質等。另一方面，隨著覆蓋次數的增加，地震資料的分辨率會有所下降、勘探成本相應增加。

目前，煤礦采區三維地震勘探普遍采用了基于△–∑24位A/D的先進儀器設備，但是在激發條件選擇(如低速帶調查)、接收條件改善(如檢波器挖坑埋置、插直插深插穩)等方面卻出現了不夠重視的現象；同時，在地震地質條件復雜情況下，有時從單炮記錄上無法看到反射波，一些技術人員不分析其原因只是簡單地通過增加覆蓋次數以提高信噪比等。這是造成覆蓋次數盲目增加的原因之一。

為此，高密度三維地震數據采集必須嚴把施工質量關，開展現場監控處理，在確保第一手資料質量的前提下，覆蓋次數仍以24~36次為好，不宜一味提高覆蓋次數，造成施工成本直線上升。

2.3.3 最大炮檢距的選擇

地震勘探最大炮檢距的選擇，重點考慮以下因素：① 主要目的層的深度；② 動校拉伸率；③ 速度分析的精度；④ 保證反射系數穩定；⑤ 不被直達波和折射波所干涉等。

《煤田地震勘探規范》要求最大炮檢距宜接近目的層的深度，如果最大炮檢距小于等于目的層深度，則可把動校正拉伸率控制在12.5％范圍內，減少動校正拉伸對信號頻率影響；另一方面，考慮到地震波入射角接近臨界角時，反射系數不穩定，會出現異常極值。

反過來講，地震資料的速度分析、多次波壓制、深部地層探測等均要求盡可能增加炮檢距；地震數據處理的偏移孔徑選擇要求有較大的炮檢距范圍；在黃土塬區等地震地質條件復雜或非常復雜地區，如果一味地強調最大炮檢距小于目的層深度，則目的層的反射波就會陷入面波、次生散射波等強干擾區域，導致信噪比很低、后期的信噪分離困難等；同時，小炮檢距無疑限制了高密度三維地震施工中地震儀大道數性能的發揮等。

綜合考慮以上正反兩方面的因素，高密度三維地震觀測系統中最大炮檢距的選擇，在以構造勘探為主要目標的前提下，不應受不大于目的層深度的限制，最大炮檢距可以達到1.5~2.5倍的最大目的層深度，由此誘發的動校正畸變可以在處理時加以切除，不會對疊加造成低頻化影響。

2.3.4 線束方向與激發方式

受二維地震偏移處理的影響，二維地震勘探設計要求測線方向垂直構造方向。三維地震是一種面積激發、面積接收、立體探測的技術，因此，三維地震線束方向可以自由選擇，不應受制于所謂的三維地震線束方向應該垂直于構造方向的束縛。

在地層傾斜條件下，以往要求三維地震采用單端、下傾放炮的施工方式，其原因在于上傾方向激發、下傾方向接收會出現折射波，另一個原因是上傾方向激發地震波到達地表的旅行時間加長等。顯然，按照最大炮檢距的設計，目的層反射界面上的入射波難以達到臨界角，即使淺層出現折射波也很容易在資料處理時剔除；再者，上傾方向激發引起的射線路徑有所加長，但是地震波的衰減主要是在近地表的低降速帶內，在煤巖中地震波的衰減可以忽略不計[26]。

因此，煤礦采區高密度三維地震的觀測系統，應該按照“兩寬一高”的整體要求設計，而無需受制于傳統二維地震設計思維的束縛。

3 高密度三維地震采集參數的對比實例

3.1 不同大小面元的對比

圖1為ZZ礦3404工作面實際揭露的落差6 m斷層在常規三維地震(圖1a)與高密度三維地震(圖1b)時間偏移剖面上的反映，其中高密度三維地震解釋的NDF146斷層落差5 m、實際揭露落差6 m，與平面位置基本一致，局部略有偏擺；而在常規的三維地震剖面上，該斷層沒有異常顯示。

圖1 6 m斷層在2種三維地震剖面上的顯示

ZZ礦常規三維地震采用10 m×10 m的面元、24次覆蓋(縱向6×橫向4次)；而該礦高密度三維地震的面元為5 m×5 m，覆蓋次數為64次[27]。

盡管高密度三維地震的覆蓋次數比常規三維地震要高，但是二者不同覆蓋次數之下的信噪比都很高，因此，對于6 m斷層的分辨中覆蓋次數并不起主導作用，小面元增強了地震資料的縱橫向分辨率[28-29]。隨著面元縮小能夠實現對包括目的層反射波、面波、斷面波等充分采樣，這就為后續通過資料處理手段壓制干擾、提高分辨率創造了前提。特別是：對于陡傾角的斷面充分采樣、準確偏移歸位后，斷層面的成像與目的層的成像結果必將相互疊加和干涉，這是6 m斷層能夠在高密度三維地震剖面上得到成像的主要原因之一。

3.2 不同覆蓋次數的對比

圖2是DJ煤礦高密度三維地震資料退化處理后形成的同一面元(5 m×5 m)、不同覆蓋次數的地震疊后偏移時間剖面對比圖。

圖2 高密度三維地震不同覆蓋次數對比

從圖2可以看出：16、32、64次地震時間剖面上，地下地層、構造形態都能夠得到清晰反映。所不同的是：16次覆蓋的剖面背景不夠干凈，存在一些隨機噪聲；而32、64次覆蓋的剖面信噪比明顯增高，但是64次覆蓋的剖面上波形明顯發胖、呆板，預示著分辨率的下降。從另一方面來說，煤礦采區高分辨地震勘探的核心是保護地震分辨率盡量不受損害，16次覆蓋的剖面上波形活躍、視頻率較高，才是高分辨率地震勘探的理想選擇。分析認為：該區適宜的覆蓋次數可以選擇24次，而不是64次。在實際工作中，覆蓋次數的選擇主要取決于單炮地震記錄的信噪比，不同地區的覆蓋次數應有所差異。如果在以往開展過三維地震的區域開展高密度三維地震，可以參考以往三維地震實際覆蓋次數與探測效果而定；而在一些新的勘探區，可以通過試驗段的處理分析確定合適的覆蓋次數。

3.3 不同線距的采集效果

2007年中石油東方公司在淮南丁集煤礦開展了國內煤炭行業第一次高密度全數字三維地震勘探試驗。丁集煤礦第四系松散沉積層埋深約520 m、主采二疊系上石盒子組13-1煤層埋深為780~830 m、11-2煤層埋深為840~900 m，而下石盒子組8煤層埋深在920~980 m，地質任務要求不得遺漏落差大于3 m的斷層，落差2~3 m的斷層準確率達到80%以上。當時采用的觀測系統為16L10S160TIR(16線10炮160道，橫向滾動1條接收線)，其中道距10 m、線距100 m、炮點距10 m、炮線距100 m、2 560道接收，面元大小5 m×5 m、覆蓋次數8×8，三維地震最大炮檢距1 142 m。

盡管該區采用了較大的接收線距(100 m)和最大炮檢距(約為目的層埋深的1.4倍)，但是后期煤礦井下8個回采工作面實際揭露情況表明：本次全數字高密度三維地震勘探成果對于2 m以上斷層解釋準確率達到80%左右，查明了直徑15 m以上的陷落柱，并對地下埋深近800 m的13-1煤層回風巷、運輸巷與切眼道顯示清晰，具有極高的分辨率，成為煤礦采區全數字高密度三維地震勘探技術的標志性項目[30]。

4 結論

a. 煤礦采區高密度三維地震技術的地質效果顯著，但是成本偏高，通過采集參數和觀測系統的優化選擇，可以提高該技術的性價比，有利于新技術的推廣應用。

b. 煤礦采區高密度三維地震施工設計中，線束方向選擇與構造走向的關系不大，中點放炮有利于方位角均勻分布，覆蓋次數控制在24~36之間較為合適，不宜一味提高覆蓋次數。

c. 高密度三維地震以“兩寬一高”為設計原則，其道距與線距、炮點距與炮線距只影響CDP面元大小，面元尺寸才是衡量空間采樣間隔是否合適的量化標準，通過適當增大線距、增加炮檢距有利于跨越障礙和提高工效。

d. 今后，煤礦采區高密度三維地震觀測系統的設計前，應該先建立地下地震地質模型，通過正演模擬軟件開展“照明度”分析、采集腳印壓制效果模擬以及炮檢距、方位角等屬性分析等，以期進一步提高高密度三維地震觀測系統設計的科學性。

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Discussion on parameters of high density 3D seismic exploration acquisition in coal mining districts

CHENG Jianyuan, WANG Qianyao, ZHU Shujie

(Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077, China)

High density 3D seismic technology is being popularized in coal mining districts, but there is some confused understanding about its acquisition parameters design up to now. For design of the direction of the swath, the interval of lines, the maximum offset, the CDP multiplicity and bin size, this paper analyzed and discussed these key acquisition parameters from the theoretical calculation to the engineering consideration. The result is:The bin size is related to geophone interval, line space, shot point distance and shot lines distance, space acquisition without alias depends on the size of the surface element, and the increase of the line spacing is favorable for improvement of the cost performance ratio; If the purpose is aimed at coal and structural exploration, the maximum offset may be greater than the burial depth of the target layer; In the areas with good seismic conditions, it is better for the coverage times of high density 3D seismic to be 24 times rather than too high; The design of the swath direction should’t be restricted by the tectonic strike because high density 3D seismic exploration is 3D exploration by means of area acquisition. In the end, the paper gives several successful examples about different surface element size, different fold number and large line spacing, which shows the correctness of the above conclusions.

coal mining districts; high density 3D seismic exploration; wide band, wide azimuth and high fold number; surface element size; fold number

請聽作者語音介紹創新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.004

1001-1986(2020)06-0025-08

2020-10-09；

2020-11-04

國家重點研發計劃課題(2018YFC0807804，2018YFC0807806)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804，2018YFC0807806)

程建遠，1966年生，男，陜西乾縣人，博士生導師，研究員，從事物探技術與裝備研究工作. E-mail：cjy6608@163.com

程建遠，王千遙，朱書階. 煤礦采區高密度三維地震采集參數討論[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：25–32.

CHENG Jianyuan，WANG Qianyao，ZHU Shujie. Discussion on parameters of high density 3D seismic exploration acquisition in coal mining districts，2020，48(6)：25–32.

(責任編輯 聶愛蘭)