尹奇峰,潘冬明,于景邨,劉盛東

(1.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院,江蘇徐州 221116)

基于三維RVSP多孔聯(lián)合技術煤礦采空區(qū)的探測

尹奇峰1,2,潘冬明1,2,于景邨1,2,劉盛東1,2

(1.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院,江蘇徐州 221116)

RVSP是一種高精度井中探測技術,在油氣勘探領域已得到有效應用,為了實現(xiàn)其在煤礦采空區(qū)探測中的技術突破,利用高階有限差分算法進行層狀介質RVSP正演數(shù)值模擬,研究其波場傳播特征及其在煤礦采空區(qū)探測的可行性。針對單孔RVSP深部盲區(qū)難題,提出一種三維RVSP多孔聯(lián)合勘探技術,并結合SIRT反演算法還原模型速度場,實現(xiàn)異常體準確定位。將三維RVSP多孔聯(lián)合技術應用于煤礦采空區(qū)探測,經(jīng)過層析反演得到勘探區(qū)內速度信息,準確劃定采空區(qū),結果表明:該方法能夠提供精細地震成像。

RVSP;采空區(qū);多孔聯(lián)合勘探技術;層析成像

煤礦采空區(qū)分布往往是孤立、不連續(xù)、無規(guī)律可尋的,長期以來嚴重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)[1],由于其形成年代、埋藏深度、空間結構、圍巖條件、冒落、充填和積水情況都存在較大差異,因此不同采空區(qū)的物性差異也較大,給探測工作帶來困難[2]。目前國內外對于采空區(qū)的探測技術手段較多,各探測手段具有一定的效果但也存在局限性,如地質雷達探測分辨能力強但深度有限且易受金屬物干擾[3];直流電法受接地條件和地形起伏影響較大[2];淺層地震在對多層發(fā)育的采空區(qū)探測時,能量衰減嚴重探測分辨率有限等[4-5]。針對不同煤礦采空區(qū)的物性特征,研究適合其具體條件的有效探測技術迫在眉睫。

RVSP(reverse vertical seismic profiling)地震勘探是在傳統(tǒng)地面地震勘探方法和現(xiàn)已成熟的VSP(vertical seismic profiling)基礎上結合鉆井工程發(fā)展起來的新技術,包括隨鉆RVSP與爆震RVSP[6]。隨著地震勘探進入復雜地區(qū)和精細構造階段,煤礦采空區(qū)探測難度不斷加大,常規(guī)勘探技術很難達到勘探目的,爆震RVSP是應運而生的一種精細地震勘探方法[7-8]。RVSP采用井中激發(fā)、地面接收觀測方式,地震波穿過地層一次,大大降低了能量衰減[9-11],且井中激發(fā)避免了面波及其他干擾波的影響,相比于地面地震而言提高了勘探分辨率[12-13]。其檢波器可在地面沿線或面組合展開,提高建模和成像精度,彌補了常規(guī)VSP的不足[14-17]。除此之外,RVSP技術受地表條件影響小,同時能夠提供區(qū)域內鉆井信息,有利于采空區(qū)綜合解釋。

RVSP技術起源于國外,1990年美國Texas Friendwood成功采集了RVSP數(shù)據(jù),井深只有340 m; 1998年Michigan Tech應用P/GSI公司的井下液壓軸向震源進行了RVSP采集工作,井深達1 000 m,但地面排列較短,只有268 m;目前發(fā)達國家一些大公司,如Schlumberger,IFP等RVSP裝置已投入市場,并取得了一定的社會經(jīng)濟效益,但這些公司只提供現(xiàn)場服務,不出售其產(chǎn)品[7-9]。國內RVSP研究較晚,還處在理論研究和方法試驗階段,與國外水平相差甚遠,1999年西安石油學院張紹槐、韓繼勇等研究的“隨鉆地震技術理論及工程應用”是國內較早進行相關基礎方面的研究,2002年東方地球物理公司在塔里木盆地也進行了RVSP試驗工作,2003年又在吐哈盆地紅臺地區(qū)進行了第2口井的試驗采集[6,8,12]。國內外RVSP勘探成功實例很少,阻礙其發(fā)展的最大難題是研制一種具備足夠大能量又不破壞井壁的井中震源,且尚未形成有效的處理技術[7]。目前,RVSP技術在油氣勘探領域取得了一定的成果,但在煤礦采空區(qū)方面應用較少[15,18]。筆者在前人研究基礎上,提出三維RVSP多孔聯(lián)合勘探技術,結合層析成像方法[19-25],獲得井中炮點與地面檢波點之間的速度場信息,成功解釋了復雜地區(qū)煤礦采空區(qū)范圍。

1 RVSP觀測系統(tǒng)

圖1為RVSP二維觀測示意,井中激發(fā)地震波,地面布置檢波器觀測。其優(yōu)點在于地面大量布設的檢波器可以面積組合,不僅提高了信噪比,而且最大限度地降低了面元數(shù)據(jù)體的缺失,獲得豐富的數(shù)據(jù)信息以提高解釋精度[8-9,26]。

圖1 二維RVSP觀測系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of 2D RVSP observation system

三維RVSP同樣是在井中激發(fā)、地面接收地震波,與二維觀測系統(tǒng)的區(qū)別主要在于地面測線及檢波點的布置,根據(jù)不同的測線及檢波點布置情況可以將3D RVSP觀測系統(tǒng)分為線性觀測系統(tǒng)、環(huán)形觀測系統(tǒng)及放射狀觀測系統(tǒng)[14-15]。

(1)線性觀測系統(tǒng)。線性觀測系統(tǒng)在地面橫向或縱向布置多條檢波器,即檢波點橫、縱向變化,面積接收地震波,如圖2(a)所示。

圖2 3D RVSP觀測系統(tǒng)Fig.2 3D RVSP observation system

(2)環(huán)形觀測系統(tǒng)。環(huán)形觀測系統(tǒng)是檢波點在地面圍繞井移動,每次保持檢波點離開井口的距離變化,但相對于井處于不同的方位,如圖2(b)所示。

(3)放射狀觀測系統(tǒng)。該觀測方式檢波點為線狀觀測,每條線為直線,炮點等間隔變化,并且過井口,線與線成一定的角度變化,如圖2(c)所示。

2 RVSP正演數(shù)值模擬及層析反演

地震波模擬技術能夠再現(xiàn)地震波在介質中的傳播過程,有助于我們研究地震波傳播規(guī)律與地下介質參數(shù)之間的定量和定性關系,減少地質解釋的多解性,對地震采集處理提供技術支持[27-28]。在RVSP觀測系統(tǒng)中,由于震源放置在地下,更加靠近地下構造,產(chǎn)生的波場比地面地震更加復雜。因此,有必要通過數(shù)值模擬對RVSP波場特征進行分析[2,10]。有限差分法是一種最常用的數(shù)值模擬方法,它是將波動方程中波場函數(shù)的空間導數(shù)和時間導數(shù)用相應的空間、時間的差分代替[27,29-30],筆者采用高階有限差分聲波方程進行RVSP二維數(shù)值模擬。

首先設計如圖3所示的層狀地質模型,模型大小為1 000 m×600 m,各地層參數(shù)見表1。檢波點沿地表布設,道間距為5 m,排列長度為1 000 m,全排列接收,井孔位于500 m處,井深600 m,炮間距10 m,從井深50 m開始由淺至深放炮,共放56炮。數(shù)值模擬中,模型網(wǎng)格大小1m×1m,采樣間隔為0.5 ms,震源主頻60 Hz。

圖3 層狀地質模型Fig.3 Layered geologicalmodel

表1 層狀地質模型參數(shù)Table 1 Layered geologicalmodel param eters

圖4為模擬產(chǎn)生的井深120 m時的單炮記錄, RVSP地震記錄同樣存在直達波、反射波(圖中為煤層頂、底板反射波)以及多次波等,但相比于一般的地面地震,其記錄形態(tài)以及能量有很大差別,目的層反射波旅行時較短,當炮點深度變化時,RVSP的高頻成分保留完好,這正是RVSP勘探的優(yōu)勢所在。

圖4 RVSP單炮記錄及初至拾取Fig.4 RVSP single shot seismic record and first break time picking

在對模擬記錄初至進行反復多次拾取以保證精度后(圖4),以800 m/s作為層析反演初始梯度速度模型的起始值,速度掃描范圍為800～5 000 m/s,采用5 m×1 m網(wǎng)格進行層析反演,獲得圖5的速度場。圖中色標以藍—黃—紅順序表示速度值(m/s)遞增,可以看到層析反演結果縱向分層較好,橫向上具有連續(xù)性,與正演模型吻合較好。由于RVSP觀測方式的改變導致勘探區(qū)域底部兩側穿過射線較少,深部信息缺失,形成了勘探盲區(qū),使得剖面成倒三角形狀。

圖5 反演速度模型Fig.5 Inversion velocitymodel

為了解決RVSP深部盲區(qū)問題,獲得準確高效的RVSP勘探成果,進一步優(yōu)化觀測系統(tǒng),設計圖6的多孔聯(lián)合RVSP勘探觀測地質模型,同時嵌入采空區(qū)以進一步驗證該方法的可行性。模型參數(shù)同圖3的簡單地質模型,采空區(qū)坐標范圍橫向580～620 m,縱向標高380～480 m,設計規(guī)格為40 m(橫)×100 m (縱),縱波速度1 500 m/s,橫波速度為866 m/s,密度為1 900 kg/m3,井孔K1,K2,K3位置分別在300, 500,700 m,每口井深均為600 m,炮點間距10 m,均從井深50 m開始由淺至深放炮,每口井放56炮。

圖6 多孔聯(lián)合RVSP觀測地質模型Fig.6 Geologicalmodel ofmuti-hole joint RVSP observation

圖7為多孔聯(lián)合RVSP正演模擬的單炮記錄,由于存在采空區(qū)異常,直達波出現(xiàn)下滑和扭曲(黃色圈出),相比于簡單地質模型,除了直達波、反射波及多次波外,在采空區(qū)處產(chǎn)生明顯的繞射波異常。

圖7 多孔聯(lián)合RVSP單炮記錄及初至拾取Fig.7 Single shot seismic record and firstbreak time picking ofmuti-hole joint RVSP observation

以相同的方法對多孔聯(lián)合RVSP數(shù)據(jù)拾取初至(圖8),以800 m/s作為層析反演初始梯度速度模型的起始值,速度約束范圍為800～5 000 m/s,網(wǎng)格采用5 m×1 m進行反演成像得到圖8所示的速度模型,圖中色譜以藍—黃—紅順序表示速度值(m/s)遞增,反演結果縱向分層性優(yōu)于圖5,橫向上在采空區(qū)位置速度場不連續(xù),出現(xiàn)低速異常,其速度值和范圍與正演模型吻合。因此,多孔聯(lián)合RVSP觀測方式在提高成像精度的同時,有效解決了單孔激發(fā)時深部盲區(qū)問題,使有效勘探范圍有了成倍增加,深部信息更加豐富。

3 實際應用

圖8 多孔聯(lián)合RVSP反演速度模型Fig.8 Inversion velocitymodel ofmuti-hole joint RVSP observation

某礦區(qū)大部分被黃土覆蓋,地形起伏較大,井田內溝谷縱橫交錯,地形切割嚴重。地方小窯無序濫采濫挖形成采空區(qū),形狀不規(guī)則,分布無規(guī)律,為了減少老窯采空區(qū)對礦山安全生產(chǎn)的威脅,需探明采空區(qū)位置以便進行有效治理。該礦區(qū)煤層埋深淺,老空區(qū)破壞嚴重,常規(guī)的物探手段很難達到探測要求,RVSP技術具備高效、高精度勘探特征且適應復雜地區(qū)勘探,決定采用RVSP多孔聯(lián)合初至層析成像方法解決該地區(qū)采空區(qū)探測問題。

3.1 RVSP野外施工

本次RVSP勘探施工鉆孔7個,編號為K1～K7,深度平均為120 m,本區(qū)主采煤層埋深100 m,采空區(qū)分布無規(guī)律,為了獲得較高信噪比的地震數(shù)據(jù),同時考慮到施工范圍及成本,鉆孔沿探測區(qū)邊界地勢較低處設計(圖9),紅色為鉆孔位置。鉆孔及測線平面布置如圖10所示,藍色點表示地面檢波器,采用3個10 Hz低頻檢波器蹲點組合接收,采樣間隔0.25 ms。施工過程中逐孔進行炸藥激發(fā),炮距為5 m,由井底逐炮往上提升至井深20 m處停止激發(fā),每孔放20炮,每個孔地面接收排列網(wǎng)格為20 m×20 m,布設600道檢波器,具體探測方式如圖11所示。進行下一個孔放炮采集時,地面排列整體滾動至該孔最佳采集范圍內,部分道與前一排列重合,確保滿覆蓋探測。

圖9 地形及鉆孔布置Fig.9 Diagram of terrain and drilling plan

圖10 鉆孔及測線平面布置Fig.10 Layout chart of drilling and survey line

圖11 三維RVSP實際觀測示意Fig.11 Schematic diagram of3D RVSPpractical observing

圖12 單炮記錄及初至拾取Fig.12 Single shot seismic record and first break time picking

3.2 資料處理解釋

圖12為不同測線上采集的單炮記錄,從圖12可以看到記錄初至清晰,沒有出現(xiàn)地面勘探時的面波等干擾,信噪比較高。

在對資料初至進行反復拾取以保證精度后,結合實際地質資料,確定800 m/s作為本區(qū)層析反演的初始速度模型,速度約束范圍為800～3 000 m/s,網(wǎng)格采用5 m×5 m×5 m進行層析反演得到整個工區(qū)三維速度場,提取三維數(shù)據(jù)體任意方向切片來實現(xiàn)對采空異常體的定位。圖13為沿煤層深度方向提取的水平切片,同樣色譜以藍—黃—紅順序表示速度值(m/s)遞增,圖中低速異常區(qū)明顯且精度較高(粉色線劃定區(qū)),共解釋采空區(qū)8個,經(jīng)后期打鉆驗證5個為采空區(qū),2個為自然塌陷區(qū),1個為正常區(qū)域。同樣,可以沿任意方向提取速度剖面,過K7孔沿南北向進行速度提取,并對有效勘探范圍之外的數(shù)據(jù)進行白化處理得到圖14所示速度剖面,縱向上速度遞變明顯,成層性較好,符合該區(qū)地層規(guī)律,橫向速度不連續(xù),出現(xiàn)異常區(qū)域(粉色區(qū)域),解釋為采空區(qū),與水平切片以及鉆孔驗證資料相吻合?？碧匠晒?jīng)驗證表明:三維RVSP聯(lián)合勘探技術達到了較好的效果,解決了該區(qū)域采空區(qū)探測問題。

圖13 沿煤層速度場水平切片F(xiàn)ig.13 Horizontal section of velocity field along coal seam

圖14 過K7速度剖面Fig.14 Vertical section of velocity field across K7

4 結 語

將三維RVSP多孔聯(lián)合探測技術應用于煤礦采礦區(qū)探測,解決了單孔激發(fā)深部盲區(qū)問題,結合層析成像技術,取得了較好的探測效果。實際施工認識到RVSP勘探受地形影響小,地面布設檢波器使采集數(shù)據(jù)成倍增加,提高了勘探精度,適合復雜地區(qū)勘探。本次勘探區(qū)目的層埋深較淺,目前的井中震源技術仍能取得較好的效果,對于深部勘探需要研制更先進的井中震源,RVSP震源激發(fā)深度不斷變化,其接收能量存在差異,縱向能量均衡工作需進一步研究。RVSP能夠為復雜構造解釋以及非常規(guī)能源勘探提供更高精度的地震數(shù)據(jù),因此,對RVSP技術的深入研究意義重大。

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3D RVSPmultihole united exp loration technology in coalm ine goaf detection

YIN Qi-feng1,2,PAN Dong-ming1,2,YU Jing-cun1,2,LIU Sheng-dong1,2

(1.State Key Laboratory forGeoMechanicsand Deep Underground Engineering,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.School of Resource and Earth Science,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221116,China)

RVSP,a borehole detection technology of high precision,has been effectively used in the field of oil and gas exploration.In order to make a technological breakthrough in coalmine goaf detection by RVSP,a layered medium RVSP forward numerical simulation was performed by high-order finite differencemethod to figure out the propagation mechanism of seismic wave and to study the feasibility of coalmine goaf detection.A 3D RVSPmultihole united exploration technology was put forward for the problem of blind spot in deep area by single hole RVSP,and combined with SIRT inversion algorithm to restore the velocity field of forwardmodel and then to fix the position of abnormal body accurately.3D RVSPmultihole united exploration technology was applied to coalmine goaf detection.The velocity information of exploration area was obtained through tomographic inversion and the goaf was accurately delimited.It turns out that thismethod could provide accurate seismic imaging.

RVSP;goaf;multihole united exploration technology;tomography

煤礦科技規(guī)范名詞與廢棄名詞比對(15)

P631.4

A

0253-9993(2014)07-1338-07

尹奇峰,潘冬明,于景邨,等.基于三維RVSP多孔聯(lián)合技術煤礦采空區(qū)的探測[J].煤炭學報,2014,39(7):1338-1344.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1158

Yin Qifeng,Pan Dongm ing,Yu Jingcun,et al.3D RVSP multihole united exploration technology in coalmine goaf detection[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1338-1344.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1158

2013-08-13 責任編輯:韓晉平

國家科技專項資助項目(2011ZX05035)

尹奇峰(1986—),男,江蘇丹陽人,講師。E-mail:yinqifeng2005@163.com。通訊作者:潘冬明(1964—),男,江蘇泰州人,教授,博士生導師。E-mail:pdm3816@163.com