厚碳酸鹽巖覆蓋區(qū)RVSP三維地震勘探應用效果分析

胡小鵬

(江蘇煤炭地質物測隊，江蘇 南京 210046)

地震勘探是高精度構造勘探較有效的一種方法，也是煤礦開采前必需進行的一種勘探手段[1-3]。中國南方是中國煤炭資源豐富地區(qū)，由于該地區(qū)地表碳酸鹽巖覆蓋層厚，地形起伏劇烈，地面地震成孔困難，陰雨天氣多，資料處理靜校正難等多種原因，導致在這些地區(qū)開展地面三維地震勘探不但成本高，且效果也不甚理想。該文以貴州某區(qū)RVSP三維地震施工效果為例，介紹了RVSP的觀測系統(tǒng)及資料處理等在該地區(qū)實施方法和效果，為在碳酸鹽巖覆蓋區(qū)進行地震勘探提供方法借鑒。

1 RVSP技術

隨著能源需求不斷加大，煤炭資源開采不斷加速，導致有利煤炭資源逐漸枯竭。煤炭地質勘探也進入了表淺層地質復雜地區(qū)，如碳酸鹽巖覆蓋區(qū)、沙漠及戈壁，地質構造探測難度不斷加大，常規(guī)地震勘探技術很難達到勘探目的，爆震RVSP(Vertical seismic profiling)是應運而生的一種精細地震勘探方法[4]。由于逆VSP是井中激發(fā)、地面接收，因此，地面接收到的地震波穿過地層路徑大大減少，降低了能量傳播過程中的衰減，另外，井中激發(fā)受表淺層地震地質條件和自然環(huán)境因素的影響也較小，避免了面波的干擾，其他干擾波的影響也大大降低，較常規(guī)地面地震，分辨率得到一定的提高。地面檢波器只接收上行波，包括直達上行波、反射或多次反射后到達的上行波，波場分離簡單化．另外，地面布置檢波器可進行規(guī)則組合，彌補了常規(guī)VSP的不足。除此之外，RVSP技術同時能夠提供區(qū)域內鉆井信息，有利于地質構造綜合解釋[5]。

2 實例分析

貴州某煤業(yè)有限公司一采區(qū)北翼前期施工的地震資料因表淺層復雜地質條件影響導致成果精度不高，地質勘查程度偏低(1)兗礦東華建設有限公司，五輪山煤業(yè)有限公司一采區(qū)北翼RVSP三維地震勘探報告，2019年。。為了查明區(qū)內主要可采煤層底板埋深、構造展布等詳細地質資料，決定利用鉆探施工的8口井，對該區(qū)進行RVSP三維地震勘探。

2.1 地質概況

根據(jù)井田內施工鉆孔揭露情況，井田內地層主要有第四系、三疊系和二疊系。

(1)表淺層地球物理條件

井田屬高原中山地形，地勢總體為西北高，東南低，以河谷、沖溝等侵蝕地貌為主，局部形成陡崖(圖1)。

圖1 勘探區(qū)域內地形地貌概況

區(qū)內第四系覆蓋層較薄，為三疊紀地層垮塌后的坡積物或山麓堆積物。地層較薄，在陡崖及地表可見到大面積的風化基巖出露，以三疊紀飛仙關組石灰?guī)r地層為主，在地表亦常見有溶蝕作用形成的溶洞、溶孔等，灰?guī)r的存在對地震波的激發(fā)和接收較為不利，且灰?guī)r與粉砂巖波阻抗相似，難以形成較強的波阻抗反射界面，因此區(qū)內淺層地震地質條件較差。

(2)深層地球物理條件

深部二疊紀上統(tǒng)龍?zhí)督M為主要含煤地層，由碎屑巖、生物化學巖及有機巖等組成，屬海陸交互相含煤建造。含煤35層，其中可采及局部可采煤層11層，總厚15.63m。

由于煤層內地震波傳播速度相對較低，與圍巖存在明顯的物性差異，為產(chǎn)生反射波提供了基礎條件。從已知地質資料可知，區(qū)內可采煤層賦存穩(wěn)定，能夠獲得能量強、連續(xù)性好的反射波。但可采煤層層數(shù)多，且2～3層形成一組，組內煤層間距小，通常形成復合反射波。因此，深層地震地質條件較差。

干擾波主要為多次波、隨機噪聲及次生干擾等。

綜上所述，該區(qū)施工條件及中、深層地震地質條件較復雜。不利于地面地震勘探。采用RVSP可避開這些不利因素，獲得較好的地震地質效果。

2.2 觀測系統(tǒng)

該次RVSP采用三維線性觀測系統(tǒng)，地面接收點布置方式與常規(guī)地面地震勘探觀測系統(tǒng)相似，多條測線相互平行，整體在地面上呈縱、橫的線性排列，如圖2所示。

圖2 RVSP觀測系統(tǒng)示意圖

觀測系統(tǒng)的確定主要圍繞目的層深度及區(qū)內地震資料信噪比，依據(jù)“兩寬一高”的高分辨勘探方法，并進行理論論證。

(1)炮點距

如圖3所示，炮點S1和炮點S2深度分別為H1，H2，D表示目的層深度，L為最大的偏移距，反射點間隔ΔR可表示為：

圖3 RVSP射線路徑示意圖

(1)

從(1)式可知，固定淺層炮點深度H2，當增加炮點距及H1時，反射點偏移距ΔR變大。同時對于相鄰的兩炮，偏移距越大，ΔR也越大，為了保證大偏移距處CMP網(wǎng)格的覆蓋次數(shù)，炮點距不宜取太大。通過的RVSP實驗最終確定炮點距5m。

(2)面元邊長

面元大小的確定主要是有利于提高資料的橫向分辨率，能夠對細微構造特征的分辨；同時，面元的大小必須保證地震資料的兩相疊加，降低混波效應。鑒于以上考慮，面元大小應滿足以下2個方面。

①橫向分辨率

由地震勘探原理可知，每個主頻的波長保證至少有2個采樣點，才能達到較佳的橫向分辨效果[6-8]。面元邊長經(jīng)驗公式為：

(2)

式中：b—面元尺寸;Fdom—目的層的優(yōu)勢頻率;Vint—目的層的上一層層速度。

②最高無混疊頻率

根據(jù)經(jīng)驗公式可知，要保證偏移前達到最高無混疊頻率要求，面元邊長一般要滿足：

(2)

式中：b—面元邊長；Vrms—均方根速度；Fmax—最高無混疊頻率；θ—目的層地層傾角。取Vrms=3000m/s，F(xiàn)max=80Hz，θx=10°，θy=10°。可知應滿足Dx<40m和Dy<40m。

考慮到該區(qū)小斷層較為發(fā)育，采用較小面元有利于高頻成分的保護，保證了地震資料的分辨率，有利于小地質體、小斷層的分辨；同時，面元越小，同相疊加效果也好，可進一步提高資料的信噪比。

依據(jù)上述論證結果，結合工區(qū)地下地質構造特點，面元尺寸選擇為10m×10m，可滿足反射信息正確成像和提高資料的縱橫向分辨之目的。

(3)覆蓋次數(shù)

針對區(qū)內干擾波發(fā)育，構造復雜等因素，選擇高覆蓋次數(shù)有助于提高資料的整體信噪比，也有利于隨機噪音的充分壓制，另外，由于RVSP三維地震勘探獲得的地震信息來自于地下的各個方向，為提高剩余靜校正和速度分析的精度，必須保證縱橫向覆蓋次數(shù)較為均勻及縱向上有足夠的炮檢距分布，從而獲得高信噪比的地震資料。

根據(jù)理論分析及試驗資料確定的RVSP觀測系統(tǒng)及采集參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集(表1)，采用60Hz高頻檢波器3串2并組合接收,道距20m，接收線距40m，炮點井深間隔5m。

2.3 資料處理

(1)空間屬性的建立及等效變換

空間屬性的正確與否是整個資料處理的基礎工作，要確保每個炮點及檢波點的點位正確。首先把野外班報輸入到處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)置完道頭后對每個炮點的位置都進行檢查，保證正確后才能進入下步處理。該次處理CDP面元采用10m×10m。

表1 RVSP觀測系統(tǒng)參數(shù)

①按照RVSP等效變換原理，將炮點等效到同一基準面，并進行基準面后的炮-檢波點及等效后CDP點分布情況與野外采集的實際位置圖進行對比，檢查炮點及檢波點的正確與否。

②利用覆蓋次數(shù)圖異常反應，檢查儀器班報，查找真正原因。

③檢波點靜校正。對于地面地震勘探、VSP，RVSP三種勘探方法來說，當勘探區(qū)域地形復雜，地形變化劇烈，有低降速帶時，都會面臨反射波時距曲線畸變的問題，導致野外RVSP記錄的信噪比低，資料品質差，給RVSP資料數(shù)據(jù)處理和解釋帶來很大的難度。因此，在RVSP資料等效變換之前，首先要對RVSP資料進行檢波點靜校正處理。層析靜校正技術具有適應復雜地表條件的優(yōu)點。對原始數(shù)據(jù)建立三維RVSP觀測系統(tǒng)，并拾取初至時間，進行檢波點層析靜校正計算。

圖4所示為檢波點靜校正前后的共炮點道集，檢波點靜校正后，反射波雙曲線形態(tài)得到恢復，同相軸連續(xù)性加強。

a—靜校正前；b—靜校正后圖4 RVSP靜校正效果

(2)波場分離

RVSP數(shù)據(jù)可以在共檢波點道集中區(qū)分出上下行波，利用上下行波的視速度差異，可以有效提取上行反射波信號。這也是相比地面地震，RVSP所具有的特殊去噪手段。圖5左圖所示為原始共檢波點記錄，從中可以清晰地識別出上行反射波。為了進一步提高反射波信噪比，采用FK濾波，在RVSP共檢波點道集中可有效實現(xiàn)波場分離。圖5右圖為波場分離得到的上行波記錄。

a—原始記錄；b—波場分離上行波記錄圖5 FK濾波提取上行反射波效果

(3)反褶積處理

反褶積處理能夠提高分辨率，利用RVSP下行波作為反褶積因子，對上行反射波進行反褶積處理，是RVSP/VSP數(shù)據(jù)的特有優(yōu)勢。圖6所示為反褶積前后共檢波點道集。反褶積后反射波信分辨率明顯提高。

a—反褶積前；b—反褶積后圖6 反褶積前后共檢波點記錄

(4)等效地面處理

RVSP觀測系統(tǒng)的空間特殊性，使得RVSP地震數(shù)據(jù)處理流程不同于常規(guī)地震方法，一般都是利用RVSP-CDP變換公式，將RVSP地震數(shù)據(jù)完全等效到統(tǒng)一基準面地震CDP道集，進而采用常規(guī)地震處理方法進行后續(xù)處理。圖7為層狀介質假設多目的層簡單等效地面變換原理[7]。

圖7 層狀介質假設多目的層簡單等效地面變換原理

根據(jù)RVSP等效地面處理方法，將靜校正、反褶積后預處理的RVSP數(shù)據(jù)等效變換到統(tǒng)一基準面地震域中，利用常規(guī)地震處理技術和流程，開展速度分析、動校正、疊加和偏移等模塊后續(xù)處理[9]。

(5)道集組合處理

由于等效成地面炮后，每一炮只有一個接收道，無法在炮集上進行去噪，多道反褶積等后續(xù)處理工作，必須進行道集組合處理，根據(jù)道集顯示特征，將相同接收點號的所有等效炮組合成一個新的炮集。

(6)疊后時間偏移

為了實現(xiàn)反射層的準確成像歸位，就必須對水平疊加剖面進行偏移處理。該次處理選用了全三維有限差分波動方程FD偏移方法，該方法能很好地處理速度垂向變化，對陡傾角及速度橫向變化也有很好的處理效果(圖8)。

a—疊加剖面；b—偏移剖面圖8 疊加剖面與偏移剖面對比圖

(7)處理成果及質量評述

通過對處理流程、模塊參數(shù)反復測試，對速度仔細分析，形成了CDP網(wǎng)度為10m×10m，時長1s的三維數(shù)據(jù)體，整個數(shù)據(jù)體滿覆蓋面積為2.62km2。

經(jīng)過處理后的三維地震數(shù)據(jù)體頻帶寬，淺層、中層及深層波組層次較豐富。主要有效波突出、連續(xù)性好、信噪比高。

2.4 RVSP效果分析

通過該次RVSP施工，得到了品質較好的數(shù)據(jù)資料，區(qū)內RVSP反射波信號信噪比高。

(1)RVSP處理獲得的時間剖面顯示反射波同相軸連續(xù)，能量較強(圖9)。

圖9 主要目的層反射波RVSP時間剖面上的顯示

(2)RVSP資料處理成果分辨率較高，具有解釋細小構造的能力(圖10)。

圖10 F3,F4斷層在X369時間剖面上顯示

(3)通過對RVSP三維地震資料的精細對比和反復解釋，獲得了精度較高的地震地質資料。

①較好地控制了主要煤層3#、5-3#、6-3#、8#等煤層底板深度和起伏形態(tài)，控制了主要煤層主體褶皺形態(tài)均為一寬緩的背斜褶曲(圖11)，對背幅寬大于或等于10m的褶曲均進行了控制。

圖11 W1背斜軸在時間剖面上顯示

②RVSP三維地震勘探控制測區(qū)內了各煤層可靠斷層11條，較可靠斷層14條，控制可靠性差的斷層13條。

③利用地震屬性并結合鉆孔資料對各主要煤層的厚度進行了計算和圈定。

經(jīng)巷道揭露驗證，該次RVSP三維地震勘探獲得的地質成果與實際資料吻合較好，完全滿足生產(chǎn)地質任務要求。

2.5 RVSP制約條件

目前，RVSP地震發(fā)展面臨著幾個關鍵環(huán)節(jié)：一是數(shù)據(jù)采集中需要選擇合適的震源，既能產(chǎn)生足夠能量的上行反射波，又不會對鉆孔造成破壞，能夠重復激發(fā)；二是資料處理過程中的波場分離和速度分析，目前波場分離方法較多，如F-K濾波和Radon變換等，但各種方法均存在一定局限性，要實現(xiàn)高精度的上行反射波提取還需進一步研究。另外，由于RVSP資料速度掃描是利用初至波反演地層速度，然后利用空間屬性等效變換后的資料來獲得最深炮點以下地層速度信息[9]，高精度速度分析是RVSP發(fā)展中需要研究的主要內容。

3 結語

通過上述例子分析可知，逆VSP是一種高精度井中探測技術，與常規(guī)地面地震相比，克服了碳酸鹽巖地區(qū)地面激發(fā)成孔困難，交通不便，施工成本高等諸多不利因素。觀測時地震波經(jīng)過的地層少、吸收衰減少，干擾波少，分辨率高。