湯紅偉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077)

相同條件下數(shù)字檢波器與模擬檢波器的三維地震勘探效果對比分析

湯紅偉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077)

文獻資料表明，全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)能夠提高地震波的縱、橫向分辨率，進而提高煤田地震勘探成果的精度。但模擬檢波器與數(shù)字檢波器(高密度)的勘探效果的對比，往往是在不同采集時期、不同覆蓋次數(shù)、不同面元網(wǎng)格下進行的，這種對比因時間、空間、激發(fā)及接收條件存在差異則不具備科學(xué)性。針對這一問題，采用相同的激發(fā)、接收條件及相同的處理流程和參數(shù)，對模擬檢波器與數(shù)字檢波器進行地震數(shù)據(jù)采集和處理，以比較兩者之間的勘探效果。實際資料表明：在相同條件下，數(shù)字檢波器比模擬檢波器采集的單炮記錄頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大；采用相同的處理流程與參數(shù)，時間剖面上，數(shù)字檢波器比模擬檢波器具有較強的弱小信號分辨能力，而且能有效拓寬目的層反射波頻帶和提高主頻；數(shù)字檢波器采集的資料包含較多的低頻有效信息，有利于巖性分析。

模擬檢波器；數(shù)字檢波器；反射波頻帶；全數(shù)字高密度三維地震勘探

0 引言

眾所周知，地震數(shù)據(jù)采集是利用地震檢波器將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號并儲存記錄的過程，地震信號具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、速度變化快，背景噪聲強等特點，因此要求使用的檢波器必須滿足失真度低、頻率響應(yīng)范圍寬、靈敏度高和噪聲小的特性。傳統(tǒng)的模擬檢波器因其頻帶窄、動態(tài)范圍小、靈敏度低、一致性差的特性，嚴重影響了勘探精度的提高。試驗測試數(shù)據(jù)表明，數(shù)字檢波器具有抗電磁干擾能力強、頻率響應(yīng)范圍大、信號失真度低的特點，從理論上講，數(shù)字檢波器三維地震勘探技術(shù)能有效提高地震勘探精度，作為一種新的地震勘探技術(shù)，數(shù)字檢波器三維地震勘探技術(shù)在煤田地震勘探中已投入使用并且取得了一定的效果。然而常規(guī)三維地震勘探多采用的是10m×10m的面元網(wǎng)格、覆蓋次數(shù)為12次或者24次，全數(shù)字高密度三維地震勘探采用的是5m×5m的面元網(wǎng)格、覆蓋次數(shù)為64次，從勘探投入來看，數(shù)字檢波器三維地震比模擬檢波器三維地震的成本投入一般高出3～4倍，勘探精度提高應(yīng)在情理之中；從技術(shù)角度分析來看，隨著計算機水平的發(fā)展，觀測系統(tǒng)的設(shè)計更加合理、科學(xué)，設(shè)計覆蓋次數(shù)顯著提高，地震數(shù)據(jù)的處理技術(shù)也取得長足進步，疊前偏移技術(shù)被廣泛使用，地震反演及地震屬性技術(shù)被廣泛應(yīng)用到數(shù)據(jù)解釋工程中，這些技術(shù)方法的應(yīng)用也大大提高了勘探精度。所以，同一區(qū)域不同時期進行的模擬檢波器同數(shù)字檢波器三維地震在野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)計、處理流程模塊選擇及解釋方法選擇上都有很大不同，單純的從勘探效果上進行比較，并不科學(xué)。為真正實現(xiàn)兩種檢波器的勘探的效果對比，為后續(xù)煤田地震勘探選擇合理的勘探方法提供依據(jù)，中煤科工集團西安研究院有限公司在焦作礦區(qū)采用相同的施工參數(shù)、相同的處理流程與參數(shù)及同樣的解釋方法進行數(shù)字檢波器與模擬檢波器的勘探效果的對比研究。

1 試驗區(qū)選擇

為更好對比勘探效果，在試驗區(qū)選擇上主要考慮以下因素：以往三維地震勘探成果且驗證效果較好、且很快被揭露的區(qū)域；地表條件簡單、成孔難度小。綜合考慮，選擇趙固某礦勘探面積為0.6km2的區(qū)域作為試驗區(qū)，試驗區(qū)及周圍區(qū)域于2007年進行過三維地震勘探，采掘資料顯示，原三維地震勘探解釋的落差大于5m的斷層準確率約為70%，落差3～5m的斷層驗證準確率約為30%，采掘巷道即將進入試驗區(qū)。

試驗區(qū)地形平坦，鄉(xiāng)間公路縱橫相連，交通便利，地面標高80m左右。區(qū)內(nèi)主要可采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組的二1煤層，煤層厚度6m左右，埋藏深度550～600m，地層傾角5°左右。試驗區(qū)內(nèi)有兩條斷層，最大落差分別為15、20m。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 觀測系統(tǒng)設(shè)計

觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計前，對以往施工的三維地震勘探的試驗單炮記錄與剖面進行了分析。分析認為，野外資料采集和數(shù)據(jù)解釋存在問題，主要表現(xiàn)為面元大、排列長度小，除煤層反射波、新生界底界面反射波外，其余反射波(波組)特征不明顯，斷層切割深度難以判斷；覆蓋次數(shù)低，部分地段地震資料的信噪比較低、目的層的連續(xù)性較差，深層資料的頻率低，分辨率差，解釋煤層內(nèi)落差小于5m的斷層比較困難。針對原三維地震勘探存在的問題，通過室內(nèi)計算得到的觀測系統(tǒng)基本參數(shù)為：線距40m，道距10m，CDP網(wǎng)格5m×5m，覆蓋次數(shù)24次。通過對多個觀測系統(tǒng)的比較，選擇了8線16炮制觀測系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)參數(shù)為：線距40m、道距10m、CDP網(wǎng)格為5m×5m、接收線8條、單線接收道數(shù)為120道、中點激發(fā)、最大炮檢距632m，下束重疊上束測線4條，設(shè)計線束4束。

2.2 測線布置

為了對比數(shù)字檢波器與模擬檢波器的勘探效果，在同一條測線上分別布置60Hz的模擬檢波器采集鏈與單分量數(shù)字檢波器采集鏈，同一測點上數(shù)字檢波器與模擬檢波器的間距為30cm，數(shù)字檢波器采集鏈與模擬檢波器采集鏈應(yīng)用交叉站鏈接，單線接收的測點布置圖如如1所示。

圖1 單線接收的測點布置示意圖Figure 1 A schematic diagram of single line receiving point layout

2.2 野外施工

施工過程中，采用每激發(fā)一炮，采用兩種檢波器同時接收信號。因數(shù)字檢波器與采集站是一體化的，且檢波器的尾椎較粗，直接埋置時很難與地面耦合，因此在施工中配置了專門的檢波器埋置成孔工具，成孔工具的外徑要略小于數(shù)字檢波器的外徑。由于選擇的施工地點為地表無障礙區(qū)，施工中基本沒有變觀炮點。按照《煤炭煤層氣地震勘探規(guī)范》的評級標準，取得的數(shù)字檢波器記錄與模擬檢波器的縱波數(shù)據(jù)均為甲級記錄(圖2)。比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)字檢波器記錄的視信噪比較低。

3 資料處理

3.1 單炮對比分析

資料處理前，對模擬檢波器與數(shù)字檢波器記錄的原始單炮記錄分別進行頻譜、相位、信噪比分析(圖3、圖4、圖5)。

a 模擬檢波器記錄 b 數(shù)字檢波器記錄圖2 模擬與數(shù)字檢波器的原始單炮記錄對比Figure 2 Comparison of original single-shot records from analog and digital geophones

a 模擬檢波器頻譜 b 數(shù)字檢波器頻譜圖3 模擬與數(shù)字檢波器原始單炮的頻譜對比Figure 3 Comparison of original single-shot frequency spectrums from analog and digital geophones

a 模擬檢波器單炮相位譜 b 數(shù)字檢波器單炮相位譜圖4 模擬與數(shù)字檢波器原始單炮相位譜對比Figure 4 Comparison of original single-shot phase spectrums from analog and digital geophones

a 模擬檢波器炮集信噪比 b 數(shù)字檢波器炮集信噪比 圖5 模擬與數(shù)字檢波器原始炮集的信噪比對比 (藍色、黃色代表信噪比較高區(qū)域、紅色代表信噪比較低區(qū)域)Figure 5 Comparison of original shot gather S/N ratio from analog and digital geophones

圖3的頻譜對比說明數(shù)字檢波器頻帶較寬，高頻能量衰減弱。當(dāng)數(shù)字檢波器在-30dB能量位置，其頻譜范圍可達265Hz(5 ～270 Hz)，而模擬檢波器在-30dB能量位置，其頻譜范圍為220Hz(10 ～230 Hz)。另外，數(shù)字檢波器頻率達到500Hz時，其能量為-58dB，而此頻率下的模擬檢波器的能量為-73dB，說明數(shù)字檢波器資料比模擬檢波器資料高頻能量強。

由圖4的相位對比可以看出，數(shù)字檢波器的相位在-25°～25°，模擬檢波器的相位在-30°～30°，說明數(shù)字檢波器資料比模擬檢波器資料的相位一致性要好。

圖5為原始炮集信噪比對比圖，從圖中可以看出，模擬檢波器原始數(shù)據(jù)信噪比高于數(shù)字檢波器。

3.2 關(guān)鍵處理技術(shù)

為了有效對比勘探效果，對數(shù)字檢波器與模擬檢波器記錄采用了同樣的處理流程、相同的處理參數(shù)進行了處理。主要處理流程為空間屬性定義-靜校正-噪音衰減-反褶積-疊加-偏移。為提高信噪比及考慮后續(xù)疊前時間偏移處理的需要，在保幅的基礎(chǔ)上，采用了保真去噪及保真提高分辨率的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.1 保真去噪技術(shù)

兩種檢波器的記錄資料分辨率都較高，但干擾嚴重，淹沒了有效信號，影響了目的層成像精度，因此，提高資料的信噪比成了資料處理的關(guān)鍵技術(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，原始單炮記錄中存在著不同的干擾波，這些干擾波主要包括強面波干擾、異常振幅、線性干擾和隨機噪聲等。疊前去噪的原則是針對不同類型的噪聲，采用不同的方法進行分類消除，而在剔除和衰減噪聲的同時，要盡量多保留有效反射信號，同時又不能產(chǎn)生較多的副作用。因此，在去除噪音時，采用多域多系統(tǒng)組合去噪，先強后弱、先相干后隨機、循序漸進、逐級去噪、逐步提高資料信噪比。處理時主要采用了譜編輯面波壓制技術(shù)+異常振幅壓制技術(shù)+F-X域相干噪聲壓制技術(shù)+分頻去噪技術(shù)+多道傾角線性噪聲壓制技術(shù)+十字交叉排列域噪聲壓制技術(shù)+剩余的噪音衰減等噪音處理技術(shù)流程。譜編輯面波壓制能將任意頻帶內(nèi)的噪聲能量衰減到絕大多數(shù)有效信號的能量級別。利用異常振幅噪音處理技術(shù)，可以把在一定的頻率范圍內(nèi)，超過閥值的噪音進行衰減去除。分頻去噪技術(shù)以加權(quán)中值為參考，自動識別出噪聲，并根據(jù)噪聲與信號的數(shù)值關(guān)系，計算出加權(quán)曲線，對于不同頻帶內(nèi)的噪音進行衰減，分頻技術(shù)對于剩余線性噪音、次生干擾等都非常有效。而十字交叉排列域噪聲壓制技術(shù)不但能去除面波假頻而且體波被很好的保留而不受傷害，保幅性高。處理后，資料的信噪比得到了較大的提高，尤其是數(shù)字數(shù)字檢波器的炮集信噪比提高幅度較大(圖6)，這是因為數(shù)字檢波器把面波等規(guī)則噪音完整記錄下來，而模擬檢波器記錄的噪音信號出現(xiàn)了部分假頻，從而使得數(shù)字檢波器記錄更容易進行信噪分離。

3.2.2 提高分辨率技術(shù)

地震資料在采集過程中受速度、厚度、地表地形和潛水面等地震地質(zhì)條件的影響，產(chǎn)生了除正常時差校正后的剩余靜校正外，還存在因干擾波導(dǎo)致的反射波的能量和波形發(fā)生畸變的問題。反射波的能量畸變可以通過去噪、振幅補償?shù)忍幚磉M行消除，而對于波形畸變則要通過波形校正、相位校正、反褶積等手段進行消除。處理時采用了疊前組合反褶積與疊后Q補償技術(shù)。地表一致性反褶積算子穩(wěn)定、 抗干擾能力強，對子波相位有一定的調(diào)整作用，使用反褶積后目的層主頻由32Hz提高到60Hz，有效提高了成像精度。Q補償是一種補償大地吸收衰減效應(yīng)的技術(shù)，它可以改善地震記錄的相位特性，從而改善地震同相軸的連續(xù)性，提高弱反射波的能量和地震資料的信噪比和分辨率。Q補償后地下反射層高頻成分得到恢復(fù)，振幅能量關(guān)系保持良好，子波壓縮效果明顯，分辨率提高，主頻由45Hz提高到了70Hz左右，滿足了后續(xù)解釋的要求。

a 模擬檢波器炮集信噪比 b 數(shù)字檢波器炮集信噪比圖6 模擬與數(shù)字檢波器原始數(shù)據(jù)去噪后炮集信噪比對比 (藍色、黃色代表信噪比較高區(qū)域、紅色代表信噪比較低區(qū)域)Figure 6 Comparison of original data after denoising shot gather S/N ratio from analog and digital geophones

3.3 處理效果分析

處理后，偏移剖面的頻譜分析中，在-30dB能量位置，數(shù)字檢波器的頻譜范圍為150Hz(10～160Hz)，最高頻率為450Hz，模擬檢波器的頻譜范圍為140Hz(10～150Hz)，最高頻率為450Hz。偏移剖面上，數(shù)字檢波器的反射波組較多，且弱層發(fā)射也有較好反應(yīng)，但模擬檢波器反射波組相對較少，且對于弱層反射的記錄較少(圖7)。

圖7 模擬檢波器與數(shù)字檢波器的偏移剖面對比Figure 7 Comparison of migrated sections from analog and digital geophones

4 結(jié)論

1)比較單排記錄可知，在相同的激發(fā)、接收條件下數(shù)字檢波器比模擬檢波器采集的單炮記錄中頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大。

2)比較時間剖面可知，采用相同的處理流程與參數(shù)，時間剖面上，數(shù)字檢波器比模擬檢波器具有較強的弱小信號分辨能力，而且能有效拓寬目的層反射波頻帶和提高主頻。

3)從巖性勘探的角度出發(fā)，數(shù)字檢波器采集的資料包含較多的低頻有效信息，有利于巖性分析。

4)數(shù)字檢波器一般與高密度三維地震勘探同時使用，投入相對較高，因此，在檢波器選擇時應(yīng)考慮地質(zhì)任務(wù)精度要求。

[1]武喜尊.高密度采集技術(shù)在煤田勘探中的應(yīng)用[J].物探裝備,2008(2). 24(3)：40～44.

[2]梁運基,立桂林.陸上高分辨率地震勘探檢波器性能及參數(shù)選擇分析[J].石油物探，2005，44(6)：640～644.

[3]曹務(wù)祥.模擬和數(shù)字檢波器的資料響應(yīng)特征對比分析[J].勘探地球物理進展，2007，30(2)：96～100.

[4]金丹，程建遠，等.高密度全數(shù)字檢波器地震資料處理的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國煤炭地質(zhì),2015,27(3):64-70.

[5]郭建，馬國慶，宗遐齡，等.基于微機電系統(tǒng)的數(shù)字檢波器及其應(yīng)用[J].石油物探，2005，44(4)348-351.

[6]馮剛，畢麗飛，李建明.單點數(shù)字檢波器地震資料特點及處理對策[J].石油地球物理勘探，2008，43(2)：115-120.

[7]陳志德，關(guān)昕，李玲.數(shù)字檢波器地震資料高保真寬頻帶處理技術(shù)[J].石油地球物理勘探，2012，47(1):46-55.

[8]張志鋒，劉勝，劉遠志.數(shù)字檢波器與模擬檢波器采集效果對比[J].物探裝備，2013，23(1):1-7.

[9]楊德義，趙鐠，王慧.煤砂三維地震勘探技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國煤炭地質(zhì)，2011，23(6).

[10]田忠斌，高精度三維地震勘探關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2010，22(3).

ComparativeAnalysisofDigitalGeophoneandAnalogGeophone3DSeismicProspectingResultsunderSameConditions

Tang Hongwei

(Xi'an Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi'an, Shaanxi 710077)

The bibliographical information have shown that the full digital high density 3D seismic prospecting technology can improve vertical and horizontal resolution of seismic waves, further enhance prospecting result accuracy. But the comparison of prospecting results from analog geophone and digital geophone (high density) usually carried out under different acquisition times, different folds and different surface element grids, thus the comparison will not be scientific because of differentials in time, space, shot and receiving conditions. In allusion to this issue, using same shot and receiving conditions and same processing procedure and parameters, carried out seismic data acquisition and processing through both analog geophone and digital geophone to compare prospecting results of the both. The actual data have shown that under the same conditions, the single-shot record from digital geophone comparing with from analog geophone has wider frequency response, larger dynamic range. Using same processing procedure and parameters, digital geophone has stronger weak signal resolving power than analog geophone on time section, and can effectively broaden target reflection wave band and enhance master frequency. In addition, digital geophone acquired data include more low frequency effective information in favor of lithological analysis.

analog geophone; digital geophone; reflection wave band; full digital high density 3D seismic prospecting

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.13

1674-1803(2017)10-0076-05

A

湯紅偉(1980—)，女，博士，河南信陽人，副研究員，從事地震資料處理研究。

2016-12-22

責(zé)任編輯：孫常長