基于探采对比分析的三维地震资料精细解释方法探讨

汤红伟

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)



★ 煤炭科技·地质与勘探 ★

基于探采对比分析的三维地震资料精细解释方法探讨

汤红伟

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

本文以永城矿区三维地震探采资料为基础，分析了三维地震解释成果产生误差的原因。在探采对比分析的基础上建立了三维地震资料的小断层识别依据，探讨了提高小断层解释精度的技术方法；尝试运用在反射波等时平面图上增加虚拟钻孔、消除低速带影响的方法进行时深转换。采掘资料表明，在探采对比分析的基础上进行精细解释能有效提高三维地震勘探的解释精度。

探采对比 精细解释 误差分析 识别依据 时深转换

近年来，随着煤矿开采难度的不断加大，对煤矿勘探的精度也提出了更高要求。为提高煤层的回采率及减少在开采、掘进过程中因小构造而导致的瓦斯突出、突水、冒顶等事故，煤矿已将落差3～5 m的小断层作为三维地震勘探的主要地质任务。大量采掘资料显示，在地震地质条件较好的区域，还存在落差大于5 m的未解释断层、解释的断层落差与实际揭露断层的落差绝对误差较大等问题。除了受当前地震勘探分辨率的限制外，主要还是缺乏科学的小断层(小断层密集带)解释方法和识别依据。因此，研究提高小断层勘探精度的技术方法对煤矿安全开采具有重大意义。本文以探采对比分析为基础，以永城矿区陈四楼煤矿F18断层北部区域三维地震资料为实例，研究总结了适合本区的小断层的解释方法和识别依据，以期为同类矿区的小断层(小断层密集带)的解释提供依据。

1 概况

1.1 地质概况

根据钻孔揭露资料，F18断层北部三维地震勘探区内地层自下而上有中奥陶统、中石炭统、上石炭统和二叠系、第三系。太原组含煤两层，未见可采点。山西组含煤3层，编号二1、二2、二3，其中二2稳定可采。下石盒子组含煤7层，未见可采点。上石盒子组含煤1～2层，均不可采。二2煤层厚度为0.98～3.5 m，平均为2.6 m。

1.2 三维地震勘探成果

F18断层北部三维地震勘探于2005年完成，施工采用12线9炮制束状观测系统，观测系统线距20 m、道距20 m、CDP网格为10 m×10 m、覆盖次数24次，束距180 m、最大炮检距550 m，共完成勘探面积9.37 km2，生产物理点7398个，其中甲级率为71.3%，成品合格率为99.5%。

解释成果中组合断层83条，其中落差大于100 m的断层1条，落差大于10 m的17条，落差5～10 m的断层45条，落差3～5 m的断层20条，另有孤立断点9个。

2 探采对比分析

2.1 采掘资料信息

2009年5月-2012年12月，F18断层北部三维地震勘探区已有采掘活动区域的面积为5.3 km2，完成采掘工作的工作面有9个，圈定工作面9个。这些采动区域包含了原地震资料解释的46条断层，其中落差大于100 m的断层1条，落差大于10 m的断层10条，落差5～10 m的断层27条，落差3～5 m的断层8条，另有孤立断点4个。

2.2 断层验证情况

从采掘资料看，三维地震解释的落差大于5 m的断层验证情况较好，落差小于5 m的断层验证情况较差，尤其是落差小于3 m的断层，煤层底板标高在褶曲发育部位相对误差较大。具体情况如下：

(1)三条下山巷道揭露了落差大于100 m的断层，断层平面摆动误差分别为22 m、14 m、27 m，断层落差误差分别为18 m、21 m、15 m；

(2)工作面揭露了落差大于10 m的断层12条，其中10条断层的平面位置与地震资料解释的落差大于10 m的断层平面位置基本一致，另有2条断层的落差比揭露断层的落差小6 m，断层最大平面摆动误差23 m、最小平面摆动误差6 m，断层落差误差最大6 m、最小0.5 m；

(3)工作面揭露了落差5～10 m的断层31条，其中25条与地震解释的落差5～10 m的断层平面位置基本一致，4条与地震解释的落差3～5 m的断层平面位置基本一致，1条与地震解释的孤立断点平面位置基本一致，1条地震没有做任何解释，断层平面摆动误差最大23 m、最小平面摆动误差3 m，断层落差误差最大3 m、最小0.5 m；

(4)工作面揭露了落差3～5 m的断层9条，其中4条与地震解释的落差3～5 m的断层平面位置基本一致，2条与地震解释的孤立断点平面位置基本一致，3条地震勘探没有做任何解释；

(5)采掘过程中揭露了落差小于3 m的断层25条，其中2条与地震解释的孤立断点平面位置基本一致，其余地震勘探没有做任何解释。

综上所述，地震资料解释的断层落差小于实际揭露断层的落差，地震资料解释的断层延展长度小于实际揭露断层的延展长度，断层落差越大，平面摆动误差也相对较大，煤层倾角大于20°时，地震解释的断层平面位置摆动较大，且落差小于5 m尤其是小于3 m的断层解释精度较差。

2.3 煤层底板标高验证情况

通过对多条巷道中105个煤层底板标高点的实测可以看出，地震资料解释的煤层底板标高误差为-2.5%～4%，多数在-1%～1.5%之间。在大断层、煤层产状变化大及远离钻孔的区域，煤层底板标高相对误差较大。

2.4 误差原因分析

2.4.1 断层平面摆动

造成断层平面位置摆动的主要原因有采集时的CDP网格大小、外力影响及偏移速度选择等。尽管地震解释成果数据体的CDP网格为5 m×5 m，但在野外数据采集时采用的网格为10 m×10 m，这样分布在小断层上的面元数量较少，增加了小断层平面摆动误差的可能。对于大断层而言，由于断层在形成时不同位置受力不同，断层两侧的破碎带宽度也会不一致，另外，在破碎带处煤层反射波连续性较差，依据同向轴连续性解释的断层位置会有较大误差的原理，偏移速度不准确也是造成断层平面位置摆动的主要原因。数据体中偏移量的大小取决于地层倾角、反射波时间及叠加速度。如果地层倾角确定，反射波时间正确，偏移量就取决于叠加速度的精度。一般而言，叠加速度能够精确到95%，而对于地层倾角和埋藏深度较大的区域，偏移误差也会增大。

2.4.2 断层落差

根据探采资料，地震解释的断层落差总体小于实际揭露的断层落差，分析认为，时深转换时速度偏低是主要原因，也说明原资料解释过程中应用钻孔平均速度求取速度场的方法并不合适。

2.4.3 断层遗漏解释

造成断层被遗漏解释的原因是多方面的，有主观原因也有客观原因。如地震资料先天不足，时间剖面的分辨率较低，无法有效识别较小断层；或者解释网格过大，小断层上的面元网格较少造成小断层被遗漏解释等客观原因；也存在因解释人员经验不足，解释过程中对辅助层位或者负相位的异常反应不够重视等主观原因。

2.4.4 煤层底板标高

研究区钻孔稀疏且分布不均匀会导致求取的平均速度场变化趋势与反射波等时平面图变化趋势不一致。一般来说，煤层埋藏越深其反射波双程旅行时间越大、平均速度值越大。对于断裂构造不发育的单斜地层来说，利用钻孔的平均速度求取平均速度场不会带来较大的深度误差，但对于褶曲发育或者大断层附近区域，应用钻孔平均速度求取平均速度场就会带来较大的速度误差。造成误差的原因可以应用勘探线地震时间剖面(图1)及对应的平均速度剖面图(图2)来综合说明，图1中目的层反射波显示剖面为向斜，对于给定的3个点来说1216钻孔处的反射波时间值最小、xxz钻孔处的反射波时间最大；应用钻孔资料求取平均速度，再应用插值的方法可以得到勘探线上各点的速度值，从图中可以看出，速度最大的不是反射波旅行时最大的位置，这说明只通过钻孔插值的方式求取的平均速度值有较大的误差，最终会影响深度的精度。

图1 勘探线地震时间图

图2 勘探线平均速度剖面图

3 技术措施

针对原三维地震资料处理、解释过程中存在的问题，在精细解释过程中采取以下关键技术：

(1)采用不同的偏移速度值或者叠前时间偏移技术进行资料处理，确保资料准确归位；

(2)在层位的解释过程中，尽量采用自动追踪波峰的方式，保证同相轴解释的一致性；

(3)依据揭露的小断层在地震时间剖面、属性平面图上的响应特征，建立小断层的识别依据，在断层解释过程中结合负相位、辅助相位的变化并应用多属性综合分析技术对小断层进行解释；

(4)在时深转换过程时，消除新生界地层的影响，同时依据时间剖面特征、反射波等时平面图人为增加速度控制点，确保速度平面图的精度。

3.1 资料处理

探采对比可以看出，三维地震勘探成果的准确率总体较高，说明资料处理的流程搭配与处理参数的选择比较合理，但因研究区大倾角区域的断层存在平面摆动误差，即把平滑处理后的叠加速度作为偏移速度进行偏移处理，以减小断层的平面摆动误差。

3.2 资料精细解释

3.2.1 层位自动追踪

利用解释软件的自动追踪功能，按照80 m×80 m的网格对正、负相位进行解释，并逐条检查层位的闭合情况，当所有层位闭合完好后再进行加密解释，直至加密至5 m×5 m的网度。

3.2.2 建立小断层识别依据

在地震时间剖面上，解释断点的依据为反射波(波组)同相轴的错断、分叉合并、扭曲及同相轴形状突变等；在水平时间切片上解释断点的依据为同相轴中断、错动、扭曲和频率突变等。理论计算可知，若层速度为3000 m/s的地层中存在落差为3 m左右的断层，地震时间剖面上断层时差约为2 ms左右。以此为参照，巷道揭露的落差分别为3.6 m(F16P9)、3.1 m(F1209G6)、3.2 m(F1603P11)、2.6 m(F1603P12)、3.1 m(F1603P13)的小断层在常规地震时间剖面上的显示见图3～图5。

图3 巷道揭露的F16P9断层在地震时间剖面上的反应

图4 巷道揭露的F1209G6断层在地震时间剖面上的反应

对比可知，断层落差为3 m时，在对应的地震时间剖面中上下盘的时差约2 ms左右，这样的时差值在常规地震时间剖面上多数情况下无明显显示，少数情况下表现为煤层反射波振幅减弱。因此，为了有效提高落差小于5 m断层的解释精度，在资料的二次解释过程中，首先根据采掘资料揭露的小断层在地震时间剖面、多属性平面图中的响应特征，建立小断层的识别依据，具体如下。

(1)调整剖面显示比例，部分落差小于3 m的断层在地震时间剖面也有显示，如图6所示，图中的断层(F16P9)为巷道揭露断层，断层落差为3.2 m，在放大显示的地震时间剖面上，断层处存在一定的时间差，且断层附近出现反射波变弱现象。

(2)部分落差小于3 m的断层在地震波多属性平面图中出现线条状的不连续异常，如图7所示，图中椭圆长轴位置为巷道揭露断层(F1209G6)的断煤交线位置，在对应的地震时间剖面上，断层显示不明显。

(3)在时间剖面上反射连续性较差、在属性平面图中呈现线条状的不连续异常现象为小断层密集带的发育标志。

图6 巷道揭露的F16P9断层在缩放后的地震时间剖面上的反应

图7 巷道揭露的F1209G6断层在多属性平面图上的反应

3.2.3 提高速度场的转换精度

常规时深转换中，速度场的求取多利用钻孔处的平均速度进行插值来完成，将这种方法应用于褶曲与断裂构造不发育且钻孔较多的区域时，煤层底板标高与断层落差值不会产生较大误差。但本研究区存在较大倾角区域，因此，为了提高速度场的转换精度，在求取时采用了增加虚拟钻孔和消除低速带的办法。

增加虚拟钻孔主要是依据反射波等时平面图及钻孔的分布情况人为增加钻孔，确保钻孔分布比较均匀。消除低速层的影响主要是应用公式消除降低平均速度的低速层的影响。求取单点速度的公式如下式：

(1)

式中：V——目的层平均速度，m/s；

a——新生界底界面标高，m；

h——煤层底板标高，m；

time——钻孔处目的层双层旅行时间，s。

4 地质成果与验证情况

精细解释共组合断层63条。与原三维解释成果相比较，只有12条断层与原解释的结果基本一致，修正21条断层的落差大小或者延展长度，新发现了30条落差3～5 m的断层，新解释了小断层密集带5个。2年后，采掘区域涉及到了二次解释的3个小断层密集带、20条落差3～5 m的断层，其中3个小断层密集带及15条落差3～5 m的小断层得到了验证。断层密集带的验证率达到了100%，小断层的验证率达到了70%。

5 结论

(1)采掘资料是三维地震精细处理解释的基础。

(2)进行采掘资料与地震成果资料的对比分析是精细解释的关键步骤，在探采对比分析中可以查找出原三维地震勘探资料处理解释过程中存在的问题。

(3)应用采掘资料揭露的地质信息建立异常识别依据，是提高小构造地震资料识别依据是提高小构造验证准确率的重要手段。

(4)时深转换过程中，去掉低速层而求取速度的方法，是提高煤层底板标高解释精度及断层落差解释精度的有效方法。

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[5] 张宏，谢文伟.地震勘探中煤层隐伏露头的解释精度[J]. 中国煤炭地质，2016(3)

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(责任编辑 郭东芝)

Discussion on fine interpretation method of 3D seismic data based on contrastive analysis of exploration and mining data

Tang Hongwei

(Xi'an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

Based on 3D seismic exploration and mining data of Yongcheng mining area, the author analyzed reasons for errors of 3D seismic interpretation results, established identification marks for small faults based on contrastive analysis of exploration and mining data, and discussed technical methods improving the interpretation accuracy of small faults. Adding virtual drillings in reflected wave isochronal graph and eliminating low-speed zone influence were tried to performed time-depth conversion. Mining data indicated that fine interpretation based on contrastive analysis of exploration and mining data could improve effectively the interpretation accuracy of 3D seismic exploration.

contrast of exploration and mining data, fine interpretation, error analysis, identification mark, time-depth conversion

汤红伟. 基于探采对比分析的三维地震资料精细解释方法探讨[J]. 中国煤炭，2017，43(4)：43-47. Tang Hongwei. Discussion on fine interpretation method of 3D seismic data based on contrastive analysis of exploration and mining data[J]. China Coal, 2017, 43(4):43-47.

P631.4

A

汤红伟(1980-)，女，河南信阳人，博士，副研究员，毕业于煤炭科学研究总院西安研究院地球探测与信息技术专业，现在中国煤炭科工集团西安研究院从事地震勘探技术研究工作。