劉興金,王有智,宋琳,高登輝,崔江龍,路永平

(1.山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊 山東 濟南 250104;2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 煙臺 264004;3.山東省地質(zhì)測繪院,山東 濟南 250002)

0 引言

地震勘探是地球物理勘探中最重要的一種物探方法,因其勘探精度高和投資回報快成為石油、天然氣、煤炭等地下天然礦產(chǎn)的主要勘探技術(shù)手段。震源是地震勘探技術(shù)的重要組成部分,是產(chǎn)生地震信號的源頭,震源的信號質(zhì)量直接影響地震勘查效果[1]。地震勘探所使用的震源分為兩大類,一類是炸藥震源,而另一類則統(tǒng)稱為非炸藥震源[2]。非炸藥震源又分為脈沖震源(例如電火花震源、重錘、空氣槍等)和可控震源[3-8]。目前在煤田地震勘探中,受地形條件限制、爆炸物品安全性及管控、環(huán)境保護因素等影響,在東部平原、西部山區(qū)與黃土高原等地形主要采用炸藥震源激發(fā),新疆、內(nèi)蒙等戈壁與草原地形逐步采用可控震源替代炸藥震源激發(fā)方式。

三維地震勘探技術(shù)作為煤礦采區(qū)構(gòu)造與巖性勘探的主要手段,已獲得廣泛應(yīng)用,為煤礦安全、高效開采提供了技術(shù)保障[4]。

1 電火花震源的激發(fā)原理

電火花震源是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械波能量的動力裝置,主要由充電單元、脈沖放電單元以及放電電極組成[10-11]。具體工作原理是在激發(fā)前,高壓整流電路先使高壓電容充電到幾千伏,高壓電容通過放電電纜和放電開關(guān)與放置于水中的一對電極相連。激發(fā)時,放電開關(guān)接通,電極突然獲得幾千伏的高壓,電極間水介質(zhì)中形成幾萬安培的放電電流,瞬間產(chǎn)生出幾萬焦耳的熱能,將附近土層水氣化形成高溫高壓區(qū),瞬間爆炸產(chǎn)生地震波[12-13]。

電火花發(fā)射能量可用公式表示為:

E=CU2/2

(1)

式中:E—電火花發(fā)射能量,單位為J(焦耳);C—電火花中用來存儲電能的電容器的電容,單位為F(微法);U—電容器中存儲的電壓,單位為kV(千伏)。

根據(jù)式(1)可以看出,電火花震源的輸出能量是可以調(diào)控的。對于電火花震源來說,系統(tǒng)的電容C是確定的,要想得到大小不同的爆炸能量E,可以通過控制電容器的電壓U的大小來達到目的[14-15]。

電火花震源是一種典型的非炸藥地震勘探震源,安全綠色環(huán)保,對周圍環(huán)境的影響小,可用于各種地震方法,可根據(jù)需求定制其激發(fā)頻率、能量等參數(shù),以此滿足各種工況的使用要求。與空氣槍震源對比,由于完全沒有“氣泡效應(yīng)”,效果優(yōu)于空氣槍。并且,同能量情況下,電火花震源比空氣槍震源體積小,重量輕幾個數(shù)量級;與重錘震源相比,其激發(fā)的地震波頻率高于重錘,適合地質(zhì)構(gòu)造精細結(jié)構(gòu)的探測;與炸藥震源對比,綠色環(huán)保,對周邊環(huán)境影響小。

2 地質(zhì)概況及地震地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于山東省微山縣縣城西北約6.0km處,位于成武、滕縣凹陷的東部,滕縣煤田的南部。鉆孔揭露的地層自下而上有奧陶紀馬家溝群,石炭-二疊紀月門溝群本溪組、太原組、山西組,二疊紀石盒子群,侏羅-白堊紀淄博群三臺組,第四系。主要含煤地層為石炭-二疊紀月門溝群太原組和山西組(1)山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊,山東省滕縣煤田一采區(qū)三維地震勘探報告,2021年7月。。

2.2 地震地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地勢平坦,地面標高在35～37m左右,為魯西南沖積平原北部邊緣部分,但是村莊分布較多,對檢波點和炮點布設(shè)造成了較大的影響。本區(qū)潛水面一般在地表以下3m左右,潛水面以下厚層流砂及砂漿石使成孔困難,激發(fā)條件變差,同時厚層流砂對地震波高頻成分吸收衰減嚴重。主采煤層為位于山西組中的3上、3下煤層,鉆孔揭露3上煤層厚度1.02～5.63m,3下厚度0～5.3m,間距9～47m,煤層頂?shù)装迳皫r與煤層之間存在明顯波阻抗界面,可產(chǎn)生較強反射波,埋藏相對較淺,深度300～430m之間,斷層發(fā)育,3上、3下煤層存在沖刷與沉缺地質(zhì)現(xiàn)象,綜上分析,區(qū)內(nèi)表、淺層地震地質(zhì)條件比較復(fù)雜,深層地震地質(zhì)條件一般。

本體的描述語言，也稱之為表示語言、構(gòu)建語言或者標記語言，種類較多，例如OKBC、OCML、XOL、OWL等。李景就其中13種重要的本體表示語言進行深入的比較分析，得出結(jié)論是：Loom、CycL和OWL是較佳的Ontology表示語言[9]。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 試驗資料分析

在井中激發(fā),對地震資料品質(zhì)影響較大因素主要是井深和能量,即需要有理想的激發(fā)層位和足夠的激發(fā)能量,來獲得最佳單炮記錄。試驗接收儀器為法國Sercel公司428XL數(shù)字地震儀,35Hz模擬檢波器兩串兩并組合接收;采用單線120道接收,道距10m,排列長度1190m,不對稱激發(fā),采樣率0.5ms;激發(fā)采用武漢長大CD-2電火花震源,發(fā)射電壓5～1kV,能量200kJ,頻帶范圍10～150Hz。前人對電火花激發(fā)能量與炸藥震源激發(fā)能量進行對比試驗,認為電火花200～800kJ能級激發(fā)的能量相當于炸藥震源2～4kg激發(fā)的能量[16]。

3.1.1 井深試驗

區(qū)內(nèi)潛水面在地表以下3m左右,潛水面以下分布有厚層流砂及砂漿石,激發(fā)條件復(fù)雜。試驗激發(fā)電壓固定為6kV,能量120kJ,井深分別為8m、9m、10m、11m、12m、13m,對比不同井深激發(fā)獲得單炮記錄效果,試驗結(jié)果如圖1所示。8～13m井深激發(fā)單炮記錄上均能獲得目的層的反射波,其中以井深12m單炮記錄上目的層反射波組能量最強、同相軸連續(xù)較好,面波干擾小,單炮有效頻帶約為10～100Hz,主要目的層的頻帶寬度約40～90Hz。通過成孔發(fā)現(xiàn),流沙及砂漿石主要分布在8～11m之間,對能量有較強的吸收作用。因此,區(qū)內(nèi)電火花震源激發(fā)井深選擇12m。

3.1.2 能量試驗

激發(fā)能量試驗采用固定激發(fā)井深12m?？紤]到設(shè)備本身的安全問題,選擇電容充電電壓為5kV、6kV、7kV、8kV,對應(yīng)4種輸出能量100kJ、120kJ、140kJ、160kJ進行試驗對比。從不同激發(fā)能量單炮記錄對比看,上述4種激發(fā)能量均能得到品質(zhì)較高的單炮記錄,隨著激發(fā)能量的提高,單炮記錄信噪比有所提升,反射波同相軸連續(xù)性增強,尤其是7kV、8kV激發(fā)時,深部400ms附近弱反射波能量有所增強、連續(xù)性變好(圖2)。

圖2 相同井深不同激發(fā)能量單炮記錄對比圖

3.1.3 試驗結(jié)論

(1)通過對點試驗資料綜合分析,本區(qū)電火花震源激發(fā)井深采用12m,激發(fā)能量選擇電容充電電壓為7kV,對應(yīng)能量140kJ,考慮到淺層流沙及砂漿石對地震波激發(fā)及吸收作用,在生產(chǎn)過程中,激發(fā)井深穿過該層位。記錄長度2.0s,采樣間隔0.5ms。

(2)干擾波主要有面波、聲波和多次折射波,后期資料處理采取針對性措施進行干擾波去除。

(3)單炮記錄顯示單邊排列長度超過300m時,受到多次折射波干擾,因此接收道數(shù)不宜大于70道。

(4)針對本區(qū)目的層埋藏淺、地震地質(zhì)條件較差情況,數(shù)據(jù)采集宜采用小道距接收,增加覆蓋次數(shù),以此提高資料的信噪比。

(5)與炸藥震源相比,電火花震源使用起來更加方便靈活,對建筑物的破壞性小,環(huán)保無污染,可以節(jié)約地震勘探費用,但是電火花震源激發(fā)時需要1～2min的充電時間,在放炮效率上要低于炸藥震源。在勘探效果上,本次電火花震源所獲得單炮記錄有效波頻帶寬度約10～100Hz,主要目的層的頻帶寬度約40～90Hz,分辨率較高,可以達到炸藥震源激發(fā)的效果。

3.2 數(shù)據(jù)采集方法

根據(jù)區(qū)內(nèi)表淺層、深層地震地質(zhì)條件以及點試驗結(jié)果,本次三維地震數(shù)據(jù)采集采用束狀12線10炮制、中點激發(fā)觀測系統(tǒng),主要參數(shù)見表1。

表1 觀測系統(tǒng)參數(shù)一覽表

3.3 地震資料處理

針對原始資料的特點,本次處理工作主要圍繞高通濾波、真振幅恢復(fù)、反褶積、速度分析、剩余靜校正、DMO處理、隨機噪聲衰減、三維偏移等8個處理技術(shù)展開,在資料處理過程中,始終以提高信噪比、保真度、分辨率為目標展開資料處理工作。

4 應(yīng)用效果分析

從電火花震源激發(fā)三維地震資料看,時間剖面整體信噪比較高,主要目的層3上、3下煤層對應(yīng)T3S、T3X波能量強、同相軸連續(xù);受上部3煤層屏蔽作用,深部16煤層T16波能量弱,但連續(xù)性較好;奧灰頂界面為不整合面,界面不光滑,上下巖性變化大,理論上對應(yīng)反射波特征變化大,時間剖面中TO波特征也真實的反映了奧灰頂界面賦存狀況。

研究區(qū)內(nèi)3煤層存在分叉、合并現(xiàn)象,西南部為合并區(qū),東北部為分叉區(qū)。在分叉區(qū)內(nèi)3下煤層存在沖刷變薄至不可采。煤層反射波振幅強度與煤層厚度成正比關(guān)系,反射波振幅強弱直接反映了煤層的厚度變化趨勢[17-18],當3下煤層沖刷后,時間剖面中T3X波能量、振幅明顯變?nèi)?圖3)。

1—3下煤層沖刷區(qū);2—已施工鉆孔圖3 電火花震源激發(fā)三維地震時間剖面圖

以往研究表明,與巖性有關(guān)的信息包含在與振幅相關(guān)的地震屬性中[19-20]。通過提取振幅、頻率、相位、方差、能量等多種屬性參數(shù)進行對比,其中3下煤層層位同相軸均方根振幅屬性,可以較好的反映出3下煤層變化情況,其時窗長度為3下煤層反射波同相軸上下各5ms。從3下煤層均方根振幅屬性圖中可以看出,藍色與粉紅色區(qū)域?qū)?yīng)振幅值小,其中藍色區(qū)域反映該區(qū)域煤層較薄至不可采,粉紅色區(qū)域為沖刷變薄區(qū),與鉆孔實際揭露資料吻合較好(表2),為3下煤層開采提供了可靠地質(zhì)依據(jù),取得了較好的應(yīng)用效果(圖4)。

表2 分叉區(qū)3煤層厚度統(tǒng)計表

1—鉆孔及編號;2—沖刷區(qū);3—沖刷變薄區(qū)圖4 3下煤層均方根振幅屬性示意圖

5 結(jié)論

電火花震源作為非炸藥震源,具有安全環(huán)保、能量強、激發(fā)頻率高等優(yōu)點。實踐表明,在煤礦采區(qū)三維地震勘探中,可以獲得信噪比、分辨率較高的單炮記錄,地震時間剖面中煤層反射波同向軸連續(xù)性較好,能夠真實反映地下煤層賦存情況,滿足煤礦采區(qū)三維地震勘探的要求。

電火花震源在井中激發(fā)要想獲得品質(zhì)較高的單炮記錄,需要有最佳的激發(fā)層位和較強的激發(fā)能量。電火花震源可以作為炸藥震源的補充震源,在復(fù)雜地表條件下煤礦采區(qū)三維地震勘探中推廣應(yīng)用。