煤田三维地震勘探的观测系统设计现状与讨论.doc

煤田三维地震勘探的观测系统设计现状与讨论常锁亮 1、2，唐永洪 3，陈强 1、2，郝治国 2（1.中国地质大学，北京 10083；2.山西山地物探技术有限公司，山西 晋中 030600；3.云南省煤田地质局地质处，云南 昆明 650034）摘 要：根据煤田三维地震观测系统设计现状，指出常规的的评价参数已不能完整反映观测系统的性能。 在煤田精细构造和岩性勘探中，还需增加对采集脚印、反射弥散、目的层照明度和照明率等属性的分析。 通过对几种观测系统从 循环节、唯一炮检距覆盖次数、炮检距变化系数等属性的分析讨论，认为：对目前常用的 1/2 横向滚动的束状观测 系统应通过减少滚动线数进行优化；在低信噪比和静较正问题突出、勘探目的以构造为主的地区，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而言，斜交型观测系统普遍优于正交型观测系统。 关键词：三维观测系统；循环节；唯一炮检距覆盖次数；炮检距变化系数；采集脚印中图分类号： P631.4文献标识码： A0 引言20世纪 90 年代中期以来，以多道数字地震仪在 煤田系统的引进和折射波静校正技术的应用为基 础， 煤田三维地震勘探技术在全国范围内得到了迅 速推广与应用。 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1-2。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。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3。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4-9，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 观测系统的面元属性分析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1 煤田三维观测系统设计现状与不足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 2060m）；炮线距大于接收线距；作者简介：常锁亮（1972 ）， 男， 中国地质 大学（ 北京） 博士研究生 ，高级工程师，主要从事煤炭、煤层气地震勘探技术研究与应用。 收稿日期：2008-08-13 责任编辑：孙常长表 1 4 种观测系统参数对比Table 1 Parameter contrast of four recording geometries 8 线 8 炮 束 状 8 线 4 炮 直 线 型 观测系统类型正交（a）45°斜交（b）正交（c） 45°斜交（d）开动道数接收线距 炮线距 横向滚动线数Xmax864（108×8）40m90m4579m768（96×8）40m80m4589m768（96×8）80m80m1571m768（96×8）80m80m1597m图 2 常规覆盖次数与对应的惟一炮检距覆盖次数的对比Figure 2 Contrast of conventional fold and unique offset fold 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 炮检距分布变化系数分析一个面元内炮检距分布的均匀程度可以用炮检图 1 排列片示意图（由左至右依次对应于表 1 中 a、b、c、d 四种观测系统）Figure 1 A schematic diagram of arrangement patch性进行了分析比较。2.1 循环节对比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距分布变化系数来表示，义13为：炮检距分布变化系数的定n（Xi-X軍）2i=1炮检距变化系数= ， S= 姨S，n-1X軍其中：n单位面元内的 炮 检 距 间 隔 数 ；X炮检距；X軍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大10-11。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 唯一炮检距覆盖次数分析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12。 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 数图 3 一个循环节的唯一炮检距覆盖次数（20m 步长）对比图（由左至右依次对应于表 1 中 a、b、c、d 四种观测系统）低， 反映了面元上真正对叠加起作用的覆Figure 3 Contrast of one loop body unique offset fold (20m step distance)中 国 煤 炭地质第 20 卷52覆盖和炮检分布属性有较好的改善。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3；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。宽方位观图 4 一个循环节内的炮检距分布变化系数对比图（由左至右依次对应于表 1 中 a、b、c、d 四种观测系统）Figure 4 Contrast of one loop body offset distribution variability coefficient 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。图 5 四种观测系统方位角分布示意图（由左至右依次对应于表 1 中 a、b、c、d 四种观测系统）Figure 5 A schematic diagram of azimuth distribution of four kinds recording geometry3 讨论与认识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4-6。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13,14。 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。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: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 46 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10,11。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。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4 应用实例4.1 束状斜交型观测系统的应用及效果山西文水赤峪勘探区坡陡沟深、出露岩性多变，究要求， 经充分研究首次将宽方位砖墙式观测系统(20 次覆盖、8 线 5 炮) 应用煤田勘探（ 图 8）， 既 获得了理想的构造勘探成果又为煤储层瓦斯富集 研究提供了基础，取得了良好的地质效果：勘探区 断层、 陷落柱和采空区等构造现象反映清晰 （图9)， 利用叠前弹性阻抗（EI） 反演技术预测的瓦斯 富集成果（图 10 中深色部分含气量大) 符合煤层 气赋存规律。图 6 12 线 8 炮制束状斜交观测系统示意图Figure 6 A schematic diagram of 12 line 8 shot system bunchy skew-swath type recording geometry图 7文水赤峪勘探区典型剖面Figure 7 Typical section in Chiyu prospecting area, Wenshui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（6001 000m）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 宽方位观测系统的应用及效果山西阳泉矿区石港矿属于高瓦斯矿井， 为保证 在满足构造勘探的基础上兼顾储层瓦斯富集程度研图 10石港矿 EI 反演技术预测的含气性成果Figure 10 EI inversion predicted gas-bearing property inShigang coalmine5 结束语李庆忠院士曾指出 “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。图 8 砖墙式观测系统示意图Figure 8 A schematic diagram of brick-wall type recording geometry图 9石港矿顺层方差切片参考文献：1 程建远，郭恒庆，王屹，等.三维地震施工设计中Figure 9 Bedding variance slicesin Shigang coalmine中 国 煤炭 地 质第 20 卷54几个有关问题的探讨J煤田地质与勘探,2005，33(增刊):5-8.2 武喜尊. 关于煤 炭三维 地震 勘 探 发 展 的 几 点 思 考 中 国 煤 田 地 质,2007,19(2):66-69.3 印兴耀，韩文功，李振春，等地震技术新进展（上）M东营:中国石 油大学出版社,2006.4 彭晓波，彭苏萍，詹阎，等P 波方位 AVO 在煤层裂缝探测中的应用.岩石力学与工程学报,2005,24(16):2960-2965.5 常锁亮，刘大锰，王明寿.煤层气勘探开发中地震技术的作用与应用探讨.中国煤层气,2008,(2).6 陈强，刘鸿福应用 P 波 AVO 技术预测煤层气储层裂隙.科技情报开发与经济,2008,13，131-133.7 姚 本 全 三 维 地 震 采 集 设 计 方 法 研 究 江 汉 石 油 学 院 院 报,2004,26(增刊):58-60.8 赵明金，尚新民，王元庆，等三维地震观测系统对 AVO 处理的影响物探与化探 2003，27(1)：55-58.9 白焕新，俞寿朋，刘洋基于 CMP 理论的横向分辨率研究G中国地球物理 2006:35-36.10 董世泰,刘雯林,乐金.压制三维地震数据采集脚印的方法研究J . 石油地球物理勘探,2007,42(1):7-10.11 张军华，张帆，郑旭刚， 等地震采集脚印综 合评述J石油 仪器,2007,21(5):1-4.12 Andreas Cordsen John W.Peirce 著， 俞寿朋， 等译 陆 上 三 维 地 震勘探设计M河北 涿州：石油物探局，199613 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China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2. Shanxi Shandi Geophysical Prospecting Technological Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 030600; 3. Geological Division, Yunnan Bureau of Coal Geological Exploration, Kunming, Yunnan 650034) Abstract: Based on the status quo of coalfield 3D seismic prospecting recording geometry design, pointed out that the conventional assessment parameters can not reflect the performance of recording geometry. In coalfield precision structural and lithologic prospecting needs to adding attribute analysis for acquisition footprint, reflective dispersion, target illumination intensity and utilization coefficient etc. Through some recording geometry loop body, unique offset fold and offset variability coefficient attribute analysis anddiscussion, suggested: With regard to 1/2 transversal looping bunchy recording geometry in common use at present should beoptimized through loop number reducing; In structural prospecting areas with low S/N ratio and protruding problems of statics should use narrow azimuth recording geometry in favor of structure imaging, while in high S/N ratio, less problems of statics areas should use wide azimuth recording geometry in favor of resolution improving and reservoir prediction; Similar typed recording geometry with regard to its bin attribute, the skew-swath type gains advantage over orthogonal-swath type recording geometry at large. Keywords: 3D recording geometry; loop body; unique offset fold; offset variability coefficient; acquisition footprint!欢迎订阅煤田地质与勘探煤田地质与勘探1973 年创刊，是煤炭科学研究总院西安研究院主办的煤田地质行业学术与实用技术 并重的综合性期刊，主要刊载煤田地质、矿井地质、煤层气、水文地质工程地质、煤田物探、探矿工程等方面， 具有较高学术、技术水平和实用价值的研究成果、学术论文、新技术、新方法和先进经验等。本刊为全国科技核心期刊、中文核心期刊；被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、美国 能源研究院煤文摘（COAL ABSTRACT）和国际能源机械煤文摘（COAL HIGHLIGHTS）、日本科学技 术社数据库(JST)、波兰哥白尼索引（IC）和美国乌利希国际期刊指南(Ulrich''s IPD)等国际重要检索数 据库收录；是中国科技论文统计与分析源期刊，已入编中国期刊网（）、中国学术期刊（光盘 版）、万方数据-数字化期刊群()、中文科技期刊数据库()、中文 电子期刊服务（.tw），为全文上网期刊。本刊为双月刊（双月 25 日出版），国际标准大 16 开本，2009 年每册定价 12.00 元，全年 6 册 72.00 元，合 订本 120.00 元（含邮费）。 本刊刊号 ISSN1001-1986、CN61-1155/P,邮发代号 52-14。 广大读者可通过邮局或 编辑部及时订阅（汇款请注明“订刊款”字样）。欢迎订阅 / 投稿 / 刊登广告地邮 电 传址：西安市雁塔北路 52 号编：710054邮局汇款地址：西安市雁塔北路 52 号煤田地质与勘探编辑部银行信汇户名：煤炭科学研究总院西安研究院话：（029）878625267真：（029）8785050487862517账开号：3700023009004613256行：工商行西安市雁塔路分理处户E-mail:ccrimtdzykt