張憲旭

高密度和常規(guī)觀測系統(tǒng)的河道成像效果分析

張憲旭

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦頂板砂巖水害嚴(yán)重影響著煤礦安全生產(chǎn)，河道砂體的有效識別對煤礦防治水具有重要的意義?；诘卣饠?shù)據(jù)識別河道是有效途徑之一，但河道砂不是煤礦勘探的目的層，研究程度低，并且在地震數(shù)據(jù)成像中河道是一種線狀、孤立的地質(zhì)異常體，常被忽略，因此，在煤炭地震勘探中該項(xiàng)技術(shù)不夠成熟。以淮北地區(qū)某礦的高密度地震數(shù)據(jù)在含煤地層上覆新近系中發(fā)現(xiàn)的河道為基礎(chǔ)，在抽取8條線變換為常規(guī)觀測系統(tǒng)后，以不同偏移距和方位角等觀測系統(tǒng)參數(shù)為對象，對常規(guī)觀測系統(tǒng)和高密度觀測系統(tǒng)在剖面和平面圖中的河道成像質(zhì)量進(jìn)行討論。結(jié)果表明：0.8倍河道埋深的最大偏移距和全方位方位角情況下對河道成像較為有利，高密度較常規(guī)觀測系統(tǒng)對河道成像較好，特別是振幅類屬性上具有一定優(yōu)勢。

煤炭地震勘探；河道砂；方位角；偏移距；常規(guī)觀測系統(tǒng)；高密度觀測系統(tǒng)

煤礦頂板水害是由煤層上覆地層中的含水層通過裂隙和斷層等導(dǎo)水通道涌入采煤工作面或巷道，嚴(yán)重惡化工作環(huán)境、影響礦井安全生產(chǎn)和威脅礦工的生命安全[1-3]。煤礦頂板含水層主要以砂巖為主，但現(xiàn)有的探測手段精確區(qū)分砂巖和泥巖比較困難，難以滿足頂板水害防治的實(shí)際需求，因此，有效識別含水砂巖是煤礦水文勘探工作者迫切需要解決的難題[4-7]。

河道砂體在石油行業(yè)中是目標(biāo)儲層，石油勘探工作者圍繞河道砂巖儲層展開了廣泛且深入的研究，針對河道砂體的成像取得了眾多成功范例，被作為最典型的勘探成果出現(xiàn)在學(xué)術(shù)期刊和教科書中[8-9]。河道砂體在地震數(shù)據(jù)的層屬性中主要呈現(xiàn)彎曲、線狀的屬性異常，具有典型的地質(zhì)特征，通常作為判別砂巖儲層的直接證據(jù)[10-11]。但是在煤炭地震勘探中罕有河道砂體成像的報道，這主要是因?yàn)楹拥雷鳛橐环N線狀、孤立的地質(zhì)異常體，橫向?qū)挾戎挥袔酌椎綆资?，在地震剖面上只有幾道，如不刻意尋找不容易被識別[12-13]；另外，煤炭勘探工作的目標(biāo)層位是煤層[14-15]，對砂巖研究沒有煤層那么深入，對河道引起的數(shù)據(jù)異常認(rèn)識不足；最后，通常認(rèn)為河道的發(fā)育規(guī)模較大，沉積規(guī)模一般在上百千米范圍[16]，而煤礦采區(qū)地震勘探面積較小(通常幾千米)不容易發(fā)現(xiàn)河道。

在三維地震發(fā)展初期，受到地震儀的帶道能力限制，三維地震主要是以常規(guī)觀測系統(tǒng)為主[17-18]。近些年，在石油和煤炭系統(tǒng)中為了提高探測精度在逐步推廣全數(shù)字高密度地震勘探技術(shù)，在構(gòu)造和巖性勘探中取得了較好的探測效果，并且針對煤層頂板砂巖也逐步開展一系列研究[19-20]。2019年中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司在淮北地區(qū)某煤礦開展了高密度三維地震探測，依據(jù)地震數(shù)據(jù)在含煤地層上覆的新近系內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了典型的曲流河，河流在剖面中同相軸呈現(xiàn)向下彎曲的異常，在平面上呈現(xiàn)線狀、彎曲的特征。此發(fā)現(xiàn)改變了煤炭地震勘探對河道砂體一些認(rèn)識，基于此，筆者以此高密度地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過抽取8條線將高密度觀測系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為常規(guī)觀測系統(tǒng)，以偏移距、方位角等觀測系統(tǒng)參數(shù)為對象，圍繞河道成像開展對比與討論，分析常規(guī)和高密度觀測系統(tǒng)對河道成像質(zhì)量的影響。

1 勘探區(qū)概況

勘探區(qū)位于淮北煤田南部宿州市境內(nèi)，地表為第四紀(jì)平原，地震施工條件較好，井田屬華北型石炭–二疊紀(jì)隱伏式煤田，受到構(gòu)造運(yùn)動的影響，地下構(gòu)造較復(fù)雜。

1.1 地質(zhì)與水文地質(zhì)情況

勘探區(qū)內(nèi)地層由老至新依次發(fā)育為：奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系(圖1)。含煤地層主要為二疊系山西組和下石盒子組。區(qū)內(nèi)新近系和第四系總厚度在360 m左右，古沉積環(huán)境以湖相、河流相沉積為主。其中，新近系與下伏二疊系呈不整合接觸，巖性以鈣質(zhì)黏土、泥灰?guī)r、黏土為主，區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定。地層內(nèi)部有沉積間斷所形成的剝蝕淋濾淀積層，構(gòu)成沉積間斷的古剝蝕面。水文地質(zhì)方面，依據(jù)地層巖性劃分為4個含水層，含水地層巖性主要為砂巖或礫巖。含水層中的地層水受采動影響通過淺部裂隙帶和導(dǎo)水裂縫帶滲入排泄，是礦井充水的主要補(bǔ)給水源之一[20]。

其中第三含水層為河湖相沉積物，巖性由礫石、中砂、細(xì)砂或粉砂巖組成，砂層呈松散狀，分選性好，單層厚度大。地層平均埋深在340 m左右，層間常含有1~3層凸透鏡狀鈣質(zhì)膠結(jié)的砂礫巖，層厚1~3 m礫(圖1b)，含水層受沉積環(huán)境影響橫向巖性變化大。

圖1 第三含水層鄰近地層柱狀圖

1.2 河道識別

勘探主要目標(biāo)層為煤層，同時煤層上覆地層的含水層位也是勘探目標(biāo)之一。由于含煤地層與上覆新近系之間呈角度不整合關(guān)系，在煤層露頭附近煤層與新近系直接接觸，新近系內(nèi)部的含水層直接威脅著采礦安全。因此，查明新近系內(nèi)部的砂巖含水層的位置、空間展布、富水性、補(bǔ)給條件及礦體之間的空間位置與接觸關(guān)系是本次煤礦水文地質(zhì)勘探的目標(biāo)之一[21]?；跀?shù)據(jù)對新近系的隔水層(泥巖)和含水層(砂、礫巖)的展布進(jìn)行解釋，在新近系內(nèi)部層位(310 ms)中發(fā)現(xiàn)了典型的曲流河(圖2)，經(jīng)過井震標(biāo)定為第三含水地層，河流的存在也與第三含水層的河湖相沉積地質(zhì)背景相吻合，河道在剖面中呈現(xiàn)透鏡狀異常，在沿層切片中呈現(xiàn)彎曲線狀地質(zhì)異常體與河道砂巖空間形態(tài)相吻合。這是依據(jù)地震數(shù)據(jù)識別含水砂巖的最直接的證據(jù)，對煤層上覆砂巖含水層的識別和展布關(guān)系的認(rèn)識具有重要意義。

2 不同觀測系統(tǒng)參數(shù)對河道成像對比

2.1 采集情況和觀測系統(tǒng)抽取

區(qū)內(nèi)的煤層整體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，傾角10°~15°，埋藏深度為660~900 m，受到地質(zhì)運(yùn)動的影響地下斷層較為發(fā)育?？碧絽^(qū)主要目標(biāo)層為煤層，依據(jù)目的層的地質(zhì)情況，為了獲得較好的橫向分辨率、信噪比和完整的地震波場，野外施工采用了全數(shù)字高密度三維地震勘探，勘探面積為2.7 km2，觀測系統(tǒng)采用24線4炮制，其中最大偏移距為900 m，排列橫縱比為0.68，具體參數(shù)見表1。

圖2 地震數(shù)據(jù)中的河道

表1 觀測系統(tǒng)參數(shù)

高密度觀測系統(tǒng)和常規(guī)觀測系統(tǒng)主要是在偏移距、方位角和覆蓋次數(shù)等參數(shù)上有較大不同，而這對地下地質(zhì)體的信噪比、照明度和成像質(zhì)量有著直接的關(guān)系[22]。而從數(shù)據(jù)中識別出的河道橫向?qū)挾仍?道(40 m)左右(圖2a)，在剖面中河道異常很小，如果在采集參數(shù)、處理參數(shù)和解釋層位選擇中沒有考慮河道的成像，異常容易被忽視，因此，對數(shù)據(jù)的偏移距和方位角等觀測參數(shù)的討論是十分必要的。由于當(dāng)前勘探的觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)是針對煤層，使用的觀測系統(tǒng)是以滿足煤層最大埋深而設(shè)計(jì)，并且采集采用的是寬方位高密度采集，觀測系統(tǒng)的橫縱比達(dá)到了0.68，最大偏移距和方位角參數(shù)對新近系地層都有較大冗余，運(yùn)用此數(shù)據(jù)對偏移距和方位角參數(shù)進(jìn)行討論有較好的理論前提，而覆蓋次數(shù)參數(shù)由于需要以改變線距和道距為前提，因此，將在此不做單獨(dú)討論。

2.2 觀測系統(tǒng)參數(shù)對比

a.偏移距參數(shù)對比 地震勘探中最大偏移距一般與最深目的層埋深相當(dāng)，而發(fā)現(xiàn)的河道埋深在350 m左右。因此，選取400、300、200、100 m最大偏移距參數(shù)進(jìn)行對比(相應(yīng)的覆蓋次數(shù)分別為48、32、24、12次)。

從不同偏移距參數(shù)對比(圖3)可以看出，400 m偏移距的數(shù)據(jù)(圖3a)的信噪比較高，同相軸連續(xù)性較好，但數(shù)據(jù)的分辨率較低。這是因?yàn)槠凭噍^大的情況下，數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)較高(48次)，因此，信噪比較高，同相軸連續(xù)性好，但大偏移距的數(shù)據(jù)由于動校拉伸的作用，數(shù)據(jù)低頻成分較多分辨率較低；而300和200 m偏移距數(shù)據(jù)(圖3b和3c)，覆蓋次數(shù)為36和24次，因此信噪比適中，分辨率較高，同相軸連續(xù)性較好；在100 m偏移距的數(shù)據(jù)(圖3d)中，覆蓋次數(shù)為12次，雖然分辨率較高，但數(shù)據(jù)的信噪比降低比較嚴(yán)重，同相軸連續(xù)性較差。綜合4種情況可知，最大偏移距參數(shù)對數(shù)據(jù)的頻率、信噪比和連續(xù)性有影響。隨著最大偏移距參數(shù)增加，數(shù)據(jù)的覆蓋次數(shù)增加，數(shù)據(jù)連續(xù)性增強(qiáng)，河道成像質(zhì)量提升，但當(dāng)偏移距超過300 m時，雖然數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)增加，由于頻率降低成像反而變差，高覆蓋次數(shù)和高信噪比已失去意義。因此，綜合考慮分辨率和信噪比2個參數(shù)，對于本次數(shù)據(jù)河道的成像，選擇200~300 m最大偏移距(0.8倍左右的埋深)為最終成像參數(shù)。

b.方位角參數(shù)對比 根據(jù)偏移距參數(shù)的測試，選取河道成像300 m的最大偏移距參數(shù)為最終成像參數(shù)。從圖4b可以看出，偏移距在500 m以內(nèi)數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到全方位觀測(360°)，因此，數(shù)據(jù)具有對不同方位角數(shù)據(jù)的河道成像效果進(jìn)行討論的基礎(chǔ)。由于500 m偏移距以內(nèi)的有效覆蓋次數(shù)較低，為了保證數(shù)據(jù)有一定的覆蓋次數(shù)，將最大偏移距300 m的數(shù)據(jù)以60°為單位，將數(shù)據(jù)分為3個方位角330°~30°和、30°~90°和90°~150°(相應(yīng)的對稱方位角范圍為150°~210°、210°~270°和270°~330°)對數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。其中全方位角數(shù)據(jù)的覆蓋次數(shù)為36次，分方位角數(shù)據(jù)的覆蓋次數(shù)分別為12次。

從第三含水層的層位(圖4a)可以看出，由于河流連續(xù)轉(zhuǎn)彎(InLine438線與河流相交3次)，在交點(diǎn)處河流與線方向的夾角分別約為90°、65°和80°。從數(shù)據(jù)對比可以看出，全方位角數(shù)據(jù)(圖4f)由于覆蓋次數(shù)較大信噪比較高，而分方位角數(shù)據(jù)由于觀測角度與河道方位的不同成像有一定的差異，對比3個分方位角的偏移結(jié)果可以看出，與河道方向垂直的數(shù)據(jù)同相軸連續(xù)性差，但同相軸曲率較大，河道異常比較明顯，如在330°~30°方位角的數(shù)據(jù)中(圖4e)，交叉點(diǎn)①和③，方位角30°~90°的數(shù)據(jù)中(圖4d)交點(diǎn)②；相對的觀測角度與河道夾角越小，同相軸連續(xù)性較好，但同相軸曲率變小，河道異常相對不明顯，如在90°~150°方位角的數(shù)據(jù)中(圖4c)交叉點(diǎn)①、③和30°~90°方位角數(shù)據(jù)中(圖4d)交叉點(diǎn)②。

Xline560數(shù)據(jù)連續(xù)與河道交叉7次，與前述情況類似。全方位數(shù)據(jù)由于覆蓋次數(shù)較高，在分方位角數(shù)據(jù)中，順著河流方向(0°)的方位角330°~30°的數(shù)據(jù)中(圖5d)河流的曲率較緩，河道異常相對不明顯，同相軸連續(xù)性較好；與河流方向相對有一定夾角的30°~90°和90°~150°和數(shù)據(jù)中，河道曲率較大，異常較明顯，同相軸連續(xù)性較差。綜上，根據(jù)全方位和分方位角情況可知，河道的曲率和成像質(zhì)量在不同方位角觀測下的曲率、異常清晰程度和連續(xù)性是不同的，因此，在河道方向變化較大的情況下，全方位角的觀測河道成像更為穩(wěn)定，而且較大的方位角帶會提高覆蓋次數(shù)，使得數(shù)據(jù)信噪比提高，從而提高成像質(zhì)量。

圖3 不同偏移距下的河道成像

(a) 剖面位置；(b) 玫瑰圖；(c) 方位角90°~150°；(d) 方位角30°~90°；(e) 方位角330°~30°；(f) 全方位

3 常規(guī)束狀和高密度觀測系統(tǒng)對比

煤炭常規(guī)地震勘探通常使用的是8線制窄帶觀測系統(tǒng)，高密度勘探使用的是寬方位觀測系統(tǒng)。為了對比2種觀測系統(tǒng)的特點(diǎn)，抽取高密度觀測系統(tǒng)(圖6b)近炮點(diǎn)的8條線，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為常規(guī)觀測系統(tǒng)(圖6a)。從2種觀測系統(tǒng)的玫瑰圖(圖6c、6d)可以看出，高密度觀測系統(tǒng)中橫向最大偏移距為800 m，縱向最大偏移距為500 m；常規(guī)觀測系統(tǒng)中橫向最大偏移距為700 m，縱向最大偏移距為200 m。常規(guī)觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中，橫向最大偏移距有所不足，數(shù)據(jù)主要(有較高覆蓋次數(shù))集中在角度330°~30°以內(nèi)(圖6)，通過2.2節(jié)結(jié)論可知，過小的方位角信息會對河道成像有所影響。

對比常規(guī)觀測系統(tǒng)和高密度觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)剖面(圖7)，高密度觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)相對常規(guī)觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)有較高的信噪比，河道成像的同相軸連續(xù)性相對較高，但兩者數(shù)據(jù)在視覺上差異較小。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)雖然主要集中在330°~30°以內(nèi)，但是更小偏移距內(nèi)數(shù)據(jù)還有其他方位的信息，對單一方位角的缺陷有一定的彌補(bǔ)作用。

分別對常規(guī)和高密度數(shù)據(jù)拾取的第三含水層的層位可以看出(圖8a和8b)，在層位時間屬性中兩者差異較小，高密度數(shù)據(jù)的時間屬性中河道略好于常規(guī)數(shù)據(jù)，這說明河道在地震數(shù)據(jù)中的河道曲率信息差距不大，這主要是因?yàn)樵诔Ｒ?guī)數(shù)據(jù)中200 m移距以內(nèi)的方位角數(shù)據(jù)還是可以達(dá)到較大方位角觀測。分別根據(jù)常規(guī)和高密度數(shù)據(jù)提取沿層均方根振幅屬性(圖8c和圖8d)，對比屬性可以看出，全方位的均方根振幅屬性信噪比明顯高于常規(guī)觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，河道異常更為清晰，特別是在河道近南北方向。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)較高密度數(shù)據(jù)覆蓋次數(shù)低，并且由于數(shù)據(jù)照明主要集中于330°~30°，而河道屬于近南北流向時成像由于偏移和方位角范圍不夠造成振幅屬性收斂不夠，河道振幅屬性不突出，造成了河道異常在常規(guī)數(shù)據(jù)的均方根屬性平面圖中識別較困難。

(a) 剖面位置；(b) 方位角30°~90°；(c) 方位角90°~150°；(d) 方位角330°~30°；(e) 全方位

(a) 常規(guī)觀測系統(tǒng)；(b) 高密度觀測系統(tǒng)；(c) 常規(guī)觀測系統(tǒng)玫瑰圖；(d) 高密度觀測系統(tǒng)玫瑰圖

(a) 剖面位置；(b) 常規(guī)InLine438剖面；(c) 常規(guī)InLine438剖面；(d) 高密度Xline560剖面；(e) 高密度Xline560剖面

(a) 常規(guī)層位平面圖；(b) 高密度層位平面圖；(c) 常規(guī)均方根振幅平面圖；(d) 高密度均方根振幅平面圖

4 結(jié)論

a. 地震數(shù)據(jù)中河道是識別砂層的直接證據(jù)，依據(jù)地震數(shù)據(jù)識別河道尋找含水砂巖是規(guī)避煤礦水害威脅的有效途徑。河道在地震剖面中具有同相軸下凹和振幅局部增強(qiáng)的特點(diǎn)，異常較小不易識別，但在平面時間和振幅屬性中呈現(xiàn)彎曲狀的線狀異常，河道異常容易被識別。

b.河道是一種線狀且彎曲的地質(zhì)異常體，不同觀測系統(tǒng)參數(shù)對河道成像有較大影響。最大偏移距參數(shù)選擇約0.8倍河道埋深時河道成像較好，偏移距過大由于動校拉伸作用會降低數(shù)據(jù)分辨率，偏移距過小會因?yàn)楦采w次數(shù)不足信噪比過低，降低識別精度；河道方向與數(shù)據(jù)觀測的方位角有直接關(guān)系，當(dāng)方位角與河道方向垂直時河道異常較明顯，與河道方向平行時河道異常不明顯。

c. 曲流河河道方向在局部變化較大，高密度觀測系統(tǒng)方位信息豐富，河道方向改變對河道成像影響較小。常規(guī)觀測系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)主要集中在有限的方位角內(nèi)，無法應(yīng)對河道方向改變造成的成像質(zhì)量下降，特別是振幅類屬性成像質(zhì)量下降較大。

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Analysis of channel imaging effect of high density and conventional observation system

ZHANG Xianxu

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

The water disaster of sandstone on the roof of the coal seriously affects the safe production of coal mines, and the effective identification of channel sand is of great significance for mine water control. Channel identification based on seismic data is one of the effective ways, but channel sand is not the target layer of coal mine exploration, so the research degree is low, and in seismic data, channel is a linear and isolated geological anomaly wihich is often ignored, so this technology is not mature enough in coalfields. Based on the channel discovered in Neogene overlying coal strata from high density seismic data of a coal mine in Huaibei area, the high density observation system is transformed into the narrow band observation system after extracting 8 lines, this paper discusses the imaging quality of conventional observation system and high density observation system in cross section and plane. The results show that the maximum offset of 0.8 times buried depth and full azimuth are the more favorable for channel imaging. Therefore, high density observation system has a good image of the river channel, especially in the amplitude attributes.

coal seismic exploration; channel sand; azimuth; offset; conventional observation system; high density observation system

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.006

1001-1986(2020)06-0040-08

2020-10-16；

2020-11-15

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2019XAYMS28)；淮北礦業(yè)科研計(jì)劃課題(2018-23)

Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS28)；Research Project of Huaibei Mining(Group) Co.，Ltd. (2018-23)

張憲旭，1979年生，男，陜西寶雞人，碩士，副研究員，從事煤田地震資料處理工作. E-mail：zhagnxianxu@cctegxian.com

張憲旭. 高密度和常規(guī)觀測系統(tǒng)的河道成像效果分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：40–47.

ZHANG Xianxu. Analysis of channel imaging effect of high density and conventional observation system[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：40–47.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)