厚碳酸盐岩覆盖区RVSP三维地震勘探应用效果分析

胡小鹏

(江苏煤炭地质物测队，江苏 南京 210046)

地震勘探是高精度构造勘探较有效的一种方法，也是煤矿开采前必需进行的一种勘探手段[1-3]。中国南方是中国煤炭资源丰富地区，由于该地区地表碳酸盐岩覆盖层厚，地形起伏剧烈，地面地震成孔困难，阴雨天气多，资料处理静校正难等多种原因，导致在这些地区开展地面三维地震勘探不但成本高，且效果也不甚理想。该文以贵州某区RVSP三维地震施工效果为例，介绍了RVSP的观测系统及资料处理等在该地区实施方法和效果，为在碳酸盐岩覆盖区进行地震勘探提供方法借鉴。

1 RVSP技术

随着能源需求不断加大，煤炭资源开采不断加速，导致有利煤炭资源逐渐枯竭。煤炭地质勘探也进入了表浅层地质复杂地区，如碳酸盐岩覆盖区、沙漠及戈壁，地质构造探测难度不断加大，常规地震勘探技术很难达到勘探目的，爆震RVSP(Vertical seismic profiling)是应运而生的一种精细地震勘探方法[4]。由于逆VSP是井中激发、地面接收，因此，地面接收到的地震波穿过地层路径大大减少，降低了能量传播过程中的衰减，另外，井中激发受表浅层地震地质条件和自然环境因素的影响也较小，避免了面波的干扰，其他干扰波的影响也大大降低，较常规地面地震，分辨率得到一定的提高。地面检波器只接收上行波，包括直达上行波、反射或多次反射后到达的上行波，波场分离简单化．另外，地面布置检波器可进行规则组合，弥补了常规VSP的不足。除此之外，RVSP技术同时能够提供区域内钻井信息，有利于地质构造综合解释[5]。

2 实例分析

贵州某煤业有限公司一采区北翼前期施工的地震资料因表浅层复杂地质条件影响导致成果精度不高，地质勘查程度偏低(1)兖矿东华建设有限公司，五轮山煤业有限公司一采区北翼RVSP三维地震勘探报告，2019年。。为了查明区内主要可采煤层底板埋深、构造展布等详细地质资料，决定利用钻探施工的8口井，对该区进行RVSP三维地震勘探。

2.1 地质概况

根据井田内施工钻孔揭露情况，井田内地层主要有第四系、三叠系和二叠系。

(1)表浅层地球物理条件

井田属高原中山地形，地势总体为西北高，东南低，以河谷、冲沟等侵蚀地貌为主，局部形成陡崖(图1)。

图1 勘探区域内地形地貌概况

区内第四系覆盖层较薄，为三叠纪地层垮塌后的坡积物或山麓堆积物。地层较薄，在陡崖及地表可见到大面积的风化基岩出露，以三叠纪飞仙关组石灰岩地层为主，在地表亦常见有溶蚀作用形成的溶洞、溶孔等，灰岩的存在对地震波的激发和接收较为不利，且灰岩与粉砂岩波阻抗相似，难以形成较强的波阻抗反射界面，因此区内浅层地震地质条件较差。

(2)深层地球物理条件

深部二叠纪上统龙潭组为主要含煤地层，由碎屑岩、生物化学岩及有机岩等组成，属海陆交互相含煤建造。含煤35层，其中可采及局部可采煤层11层，总厚15.63m。

由于煤层内地震波传播速度相对较低，与围岩存在明显的物性差异，为产生反射波提供了基础条件。从已知地质资料可知，区内可采煤层赋存稳定，能够获得能量强、连续性好的反射波。但可采煤层层数多，且2～3层形成一组，组内煤层间距小，通常形成复合反射波。因此，深层地震地质条件较差。

干扰波主要为多次波、随机噪声及次生干扰等。

综上所述，该区施工条件及中、深层地震地质条件较复杂。不利于地面地震勘探。采用RVSP可避开这些不利因素，获得较好的地震地质效果。

2.2 观测系统

该次RVSP采用三维线性观测系统，地面接收点布置方式与常规地面地震勘探观测系统相似，多条测线相互平行，整体在地面上呈纵、横的线性排列，如图2所示。

图2 RVSP观测系统示意图

观测系统的确定主要围绕目的层深度及区内地震资料信噪比，依据“两宽一高”的高分辨勘探方法，并进行理论论证。

(1)炮点距

如图3所示，炮点S1和炮点S2深度分别为H1，H2，D表示目的层深度，L为最大的偏移距，反射点间隔ΔR可表示为：

图3 RVSP射线路径示意图

(1)

从(1)式可知，固定浅层炮点深度H2，当增加炮点距及H1时，反射点偏移距ΔR变大。同时对于相邻的两炮，偏移距越大，ΔR也越大，为了保证大偏移距处CMP网格的覆盖次数，炮点距不宜取太大。通过的RVSP实验最终确定炮点距5m。

(2)面元边长

面元大小的确定主要是有利于提高资料的横向分辨率，能够对细微构造特征的分辨；同时，面元的大小必须保证地震资料的两相叠加，降低混波效应。鉴于以上考虑，面元大小应满足以下2个方面。

①横向分辨率

由地震勘探原理可知，每个主频的波长保证至少有2个采样点，才能达到较佳的横向分辨效果[6-8]。面元边长经验公式为：

(2)

式中：b—面元尺寸;Fdom—目的层的优势频率;Vint—目的层的上一层层速度。

②最高无混叠频率

根据经验公式可知，要保证偏移前达到最高无混叠频率要求，面元边长一般要满足：

(2)

式中：b—面元边长；Vrms—均方根速度；Fmax—最高无混叠频率；θ—目的层地层倾角。取Vrms=3000m/s，Fmax=80Hz，θx=10°，θy=10°。可知应满足Dx<40m和Dy<40m。

考虑到该区小断层较为发育，采用较小面元有利于高频成分的保护，保证了地震资料的分辨率，有利于小地质体、小断层的分辨；同时，面元越小，同相叠加效果也好，可进一步提高资料的信噪比。

依据上述论证结果，结合工区地下地质构造特点，面元尺寸选择为10m×10m，可满足反射信息正确成像和提高资料的纵横向分辨之目的。

(3)覆盖次数

针对区内干扰波发育，构造复杂等因素，选择高覆盖次数有助于提高资料的整体信噪比，也有利于随机噪音的充分压制，另外，由于RVSP三维地震勘探获得的地震信息来自于地下的各个方向，为提高剩余静校正和速度分析的精度，必须保证纵横向覆盖次数较为均匀及纵向上有足够的炮检距分布，从而获得高信噪比的地震资料。

根据理论分析及试验资料确定的RVSP观测系统及采集参数进行数据采集(表1)，采用60Hz高频检波器3串2并组合接收,道距20m，接收线距40m，炮点井深间隔5m。

2.3 资料处理

(1)空间属性的建立及等效变换

空间属性的正确与否是整个资料处理的基础工作，要确保每个炮点及检波点的点位正确。首先把野外班报输入到处理系统，数据置完道头后对每个炮点的位置都进行检查，保证正确后才能进入下步处理。该次处理CDP面元采用10m×10m。

表1 RVSP观测系统参数

①按照RVSP等效变换原理，将炮点等效到同一基准面，并进行基准面后的炮-检波点及等效后CDP点分布情况与野外采集的实际位置图进行对比，检查炮点及检波点的正确与否。

②利用覆盖次数图异常反应，检查仪器班报，查找真正原因。

③检波点静校正。对于地面地震勘探、VSP，RVSP三种勘探方法来说，当勘探区域地形复杂，地形变化剧烈，有低降速带时，都会面临反射波时距曲线畸变的问题，导致野外RVSP记录的信噪比低，资料品质差，给RVSP资料数据处理和解释带来很大的难度。因此，在RVSP资料等效变换之前，首先要对RVSP资料进行检波点静校正处理。层析静校正技术具有适应复杂地表条件的优点。对原始数据建立三维RVSP观测系统，并拾取初至时间，进行检波点层析静校正计算。

图4所示为检波点静校正前后的共炮点道集，检波点静校正后，反射波双曲线形态得到恢复，同相轴连续性加强。

a—静校正前；b—静校正后图4 RVSP静校正效果

(2)波场分离

RVSP数据可以在共检波点道集中区分出上下行波，利用上下行波的视速度差异，可以有效提取上行反射波信号。这也是相比地面地震，RVSP所具有的特殊去噪手段。图5左图所示为原始共检波点记录，从中可以清晰地识别出上行反射波。为了进一步提高反射波信噪比，采用FK滤波，在RVSP共检波点道集中可有效实现波场分离。图5右图为波场分离得到的上行波记录。

a—原始记录；b—波场分离上行波记录图5 FK滤波提取上行反射波效果

(3)反褶积处理

反褶积处理能够提高分辨率，利用RVSP下行波作为反褶积因子，对上行反射波进行反褶积处理，是RVSP/VSP数据的特有优势。图6所示为反褶积前后共检波点道集。反褶积后反射波信分辨率明显提高。

a—反褶积前；b—反褶积后图6 反褶积前后共检波点记录

(4)等效地面处理

RVSP观测系统的空间特殊性，使得RVSP地震数据处理流程不同于常规地震方法，一般都是利用RVSP-CDP变换公式，将RVSP地震数据完全等效到统一基准面地震CDP道集，进而采用常规地震处理方法进行后续处理。图7为层状介质假设多目的层简单等效地面变换原理[7]。

图7 层状介质假设多目的层简单等效地面变换原理

根据RVSP等效地面处理方法，将静校正、反褶积后预处理的RVSP数据等效变换到统一基准面地震域中，利用常规地震处理技术和流程，开展速度分析、动校正、叠加和偏移等模块后续处理[9]。

(5)道集组合处理

由于等效成地面炮后，每一炮只有一个接收道，无法在炮集上进行去噪，多道反褶积等后续处理工作，必须进行道集组合处理，根据道集显示特征，将相同接收点号的所有等效炮组合成一个新的炮集。

(6)叠后时间偏移

为了实现反射层的准确成像归位，就必须对水平叠加剖面进行偏移处理。该次处理选用了全三维有限差分波动方程FD偏移方法，该方法能很好地处理速度垂向变化，对陡倾角及速度横向变化也有很好的处理效果(图8)。

a—叠加剖面；b—偏移剖面图8 叠加剖面与偏移剖面对比图

(7)处理成果及质量评述

通过对处理流程、模块参数反复测试，对速度仔细分析，形成了CDP网度为10m×10m，时长1s的三维数据体，整个数据体满覆盖面积为2.62km2。

经过处理后的三维地震数据体频带宽，浅层、中层及深层波组层次较丰富。主要有效波突出、连续性好、信噪比高。

2.4 RVSP效果分析

通过该次RVSP施工，得到了品质较好的数据资料，区内RVSP反射波信号信噪比高。

(1)RVSP处理获得的时间剖面显示反射波同相轴连续，能量较强(图9)。

图9 主要目的层反射波RVSP时间剖面上的显示

(2)RVSP资料处理成果分辨率较高，具有解释细小构造的能力(图10)。

图10 F3,F4断层在X369时间剖面上显示

(3)通过对RVSP三维地震资料的精细对比和反复解释，获得了精度较高的地震地质资料。

①较好地控制了主要煤层3#、5-3#、6-3#、8#等煤层底板深度和起伏形态，控制了主要煤层主体褶皱形态均为一宽缓的背斜褶曲(图11)，对背幅宽大于或等于10m的褶曲均进行了控制。

图11 W1背斜轴在时间剖面上显示

②RVSP三维地震勘探控制测区内了各煤层可靠断层11条，较可靠断层14条，控制可靠性差的断层13条。

③利用地震属性并结合钻孔资料对各主要煤层的厚度进行了计算和圈定。

经巷道揭露验证，该次RVSP三维地震勘探获得的地质成果与实际资料吻合较好，完全满足生产地质任务要求。

2.5 RVSP制约条件

目前，RVSP地震发展面临着几个关键环节：一是数据采集中需要选择合适的震源，既能产生足够能量的上行反射波，又不会对钻孔造成破坏，能够重复激发；二是资料处理过程中的波场分离和速度分析，目前波场分离方法较多，如F-K滤波和Radon变换等，但各种方法均存在一定局限性，要实现高精度的上行反射波提取还需进一步研究。另外，由于RVSP资料速度扫描是利用初至波反演地层速度，然后利用空间属性等效变换后的资料来获得最深炮点以下地层速度信息[9]，高精度速度分析是RVSP发展中需要研究的主要内容。

3 结语

通过上述例子分析可知，逆VSP是一种高精度井中探测技术，与常规地面地震相比，克服了碳酸盐岩地区地面激发成孔困难，交通不便，施工成本高等诸多不利因素。观测时地震波经过的地层少、吸收衰减少，干扰波少，分辨率高。