煤田地震勘探的震源参数试验研究

宋玉龙，牟 义

(1.山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

煤炭资源在我国能源结构中占有重大比例，关系到我国的经济发展和社会进步，而煤田勘探是煤炭资源开发利用的基础，勘探技术的提升可以促进煤炭资源高效开采利用。传统的煤田勘探多采用三维地震勘探方法，三维地震勘探震源多以传统炸药震源为主，近些年，可控震源等非炸药震源也开始大量试验。汪恩华等[1]讨论了交替扫描激发、滑动扫描激发、滑动扫描同步激发和独立同步扫描激发等中国石油勘探的4 种可控震源高效采集技术方法以及国外应用进展，对今后我国陆上不同地表、不同地下地质条件区域如何应用高效采集技术进行了展望；赵殿栋[2]在塔里木盆地沙漠区油气资源勘探中开展了以“点、线、束、面”逐步推进、对激发参数和观测系统不断优化为技术思路的可控震源三维地震采集试验；Thomas[3]等通过分析炸药震源和可控震源的不同特点，对深部地壳地震反射剖面应用进行了详细对比，最终得出两种震源的应用效果；朱建刚[4]针对新疆哈密某矿使用可控震源精细三维地震勘探，选取合理采集参数、处理流程以及精细解释方法，最终地震成果与采掘对比揭露准确率明显提高；赫云兰等[5]在新疆准南煤田三维地震数据采集尝试采用了可控震源的激发方式，对驱动幅度、扫描频率、扫描长度、震源台数、震动次数等参数进行试验优选，确定了符合勘探区地震条件的激发参数组合；Andrei[6]等对埋在弹性半空间中的炸药震源激发的井孔地震信号进行全面的试验分析，得出了炸药震源激发信号的详细参数；陈杰等[7]在城市地质调查三维地震勘探中选用的电火花震源，通过试验对比优选电火花震源激发参数(激发能量，激发井深)，证实电火花震源在城市浅层地震勘探中具有较好的应用前景。从上述研究可以看出，国内外对地震震源的研究技术较为成熟，但在煤炭勘探中研究较少，且对可控震源、炸药震源、空气枪、电火花等单一震源研究较多，而对不同震源在煤田三维地震探测效果对比分析较少，随着震源趋向于多元化、可控化的发展方向，煤田三维地震迫切需要对不同震源技术方法进行总结。本文在分析炸药震源、可控震源及电火花等震源特点的基础上，试验确定适合不同区域的最佳激发参数，并应用到现场中。

1 煤田地震勘探原理方法

地震勘探(seismic prospecting method)是用人工的方法(激发震源)产生地震波[8](如炸药爆炸、可控震源震动[9]、电火花震源放电产生震动)，地震波经地下地层反射返回地面，使用检波器等装置以一定的观测方式接收这些返回的震动(图1(a))，机械震动转化为电信号后，通过一系列的数字信号转换会得到波形和时间的地震记录，反射信号记录根据反射波特点和传播时间形成不同的记录信息(图1(b))，再通过抽道集、速度分析、叠加偏移等数据处理手段后得到地震时间剖面，根据时间剖面与时深转换的最终成果推断地下地质构造的特点。

图1 地震激发和反射信号记录

煤田地震勘探主要利用煤层和周围岩层之间的空间结构和机械性质的差异引起的波阻抗不同进行探测的技术[10]。如果主采煤层顶底板为厚层中、粗砂岩或其他高阻抗差异的岩性组成，与煤层之间形成明显波阻抗界面，且煤层较厚的情况下可产生较强反射波。该波在地震时间剖面上会呈现出同相轴能量较强，连续性好，波形明显的特征，是构造解释的主要依据。这就为地震探测煤田位置、埋藏深度和厚度提供了前提条件。

一般地区煤层埋藏较深，在第四系地层以下。第四系地层结构一般是强风化层，会与下伏地层的组成存在明显波阻抗差异，因此，理论上第四系底界面可形成较强的反射波(图2(a))，可以区分这层强反射波组和煤层形成的波组。但有的地区第四系厚度较薄或者直接被风化剥蚀掉，很难获得第四系底界面的反射波，并且会对反射波形成较强散射作用造成低频干扰(图2(b))，影响对埋藏更深的煤层勘探[11]。

图2 单炮反射记录

2 震源特性与试验方法

2.1 震源类型及特点

传统的地震勘探震源以冲击震源为主，其中陆上用震源可分为炸药震源和非炸药震源，炸药震源分成型炸药和爆炸索；非炸药震源分气动震源和重锤震源；水上用震源分为空气枪震源和电火花震源。可激发产生连续扫频信号的车载可控震源也越来越频繁地应用于煤田地震勘探。水上用的电火花震源经过一定改良，也在煤田地震勘探得到应用。以后越来越多的震源激发方式方法会被研发应用，但是各种震源激发产生的脉冲信号是否满足勘探开发的需要，震源使用质量、效率、可控性等因素是震源研发必须要考虑的问题。因此，不同震源的选择是影响探测效果的重要一环。

2.1.1 炸药震源激发

激发方式：井中爆炸瞬态激发，产生高度集中脉冲信号，激发频率不可控，部分频率在数据采集过程中不需要。

适应条件：便于打孔放炮就可以使用。

优点：受地形影响小；可通过调整打孔深度，药量等参数控制探测深度和分辨率。

缺点：炸药震源审批手续繁琐，审批时间长，需要专门的库管保存，专业的爆破人员、库管员和运输员运输车辆等进行炸药相关的业务操作。而且打孔、放炮会破坏勘探工区周边的生态环境，不符合绿色勘探的大方向。

2.1.2 车载可控震源激发

激发方式：可控扫描频率机械振动产生低振幅、长信号、相对弱地震信号。可根据探测深度范围调整带宽，只激发需要频带范围内信号[12]。

适应条件：需要车辆能通行，在相对平整、可落振动板处使用。

优点：车载可控震源具有灵活的特性，随震随走，对震动位置零破坏，是公路上震源施工的理想工具[13]，使垂直地震剖面法勘探技术的施工变得更为方便快捷，拓展了浅层工程地震勘探的激发点布置范围和空间，提高了施工效率，增加地震勘探的覆盖次数，提高了分辨率，是高效率高勘探质量的新型环保勘探设备。具有携带简便，施工快捷，信号强，信噪比高，生产效率高，剖面图像直观等突出优点[14]。

缺点：极易受施工现场的路况影响，造成大范围缺炮，影响采集的覆盖次数和分辨率。

2.1.3 电火花震源激发

激发方式：电能震源，利用高压电极在水中放电产生电火花形成振动地震信号，激发地震波频率高，分辨率高，提供能量较低，一般采用组合激发方式。

适应条件：便于打孔放电极就可以使用。

优点：受地形影响小；使用方便，安全绿色环保，对周边环境影响相对较小；可通过调整打孔深度，放电能量等参数控制探测深度和分辨率。

缺点：需要打孔并灌水才能保证其激发能量的充分利用，电火花震源的激发能量与炸药震源和可控震源相比略显不足，更适合浅层地震勘探。

2.2 震源试验方法与参数

在煤田勘探实际工作中，由于其复杂的勘探环境，正式采集数据前要进行充分的试验工作以确保选择参数的实用性。试验工作的另一任务是了解工区需要范围内，具体的地震地质条件的可利用度，有效波、干扰波发育情况及特征，根据试验结果选择适应本区施工的激发参数、确定好接收条件、选择合适的观测系统，排除仪器因素影响，为确保野外数据采集质量提供保障。试验目的是了解和掌握区内激发层位的变化情况，通过试验确定适合本区的最佳激发参数。本节介绍优化的三种震源常用煤田地震勘探试验参数。

2.2.1 炸药震源试验参数

井深：可选井深6，8，10，12，14，16，18，20，22m等；激发能量：可选范围0.5～3kg；激发时长：瞬时激发；激发频率：瞬时高频。

试验注意事项：炸药震源试验工作受地形影响较小，应选择具有代表性的试验点。试验目的主要是确定能够满足地质任务要求的激发因素，包括不同岩性段的井深、药量的试验，确定不同表层结构区的合理井深、药量，以提高单炮信噪比[15]。

2.2.2 车载可控震源试验参数

井深：地面激发；激发能量：12，18，28t等震源，可选范围30%～80%出力；激发时长：扫描震动可选时长6，8，10，12s等[16]；激发频率：可选范围5～250Hz。

试验注意事项：车载可控震源试验首先要选取合适的试验点，确保车辆可顺利通过的同时，也要确保试验点能代表整个测区范围内地质及地貌条件[17]，如果测区范围较大可选取多个试验点，以保证选取的参数能适应整个测区范围的探测工作。其次，车载可控震源试验工作要选取合适的试验参数，激发参数如震动出力大小、驱动幅度、扫描长度、震动次数进行对比试验，检波器接收道数、道距以及炮点炮距等参数。在实际工作中，车载可控震源最常见的问题是车辆通行困难。此外，对于浅层地层砂石层较厚地区激发受影响也较大[18]。

2.2.3 电火花震源试验参数

井深：可选井深6，8，10，12，14，16，18，20，22m等；激发能量：根据需要能量可选范围50000～300000J；激发时长：瞬时激发；激发频率：瞬时高频。

试验注意事项：电火花震源试验工作受地形影响较小，应选择具有代表性的试验点。试验目的主要是确定能够满足地质任务要求的激发因素，主要是对不同岩性段的井深试验，确定不同表层结构区的合理井深以提高单炮信噪比。

3 典型震源参数试验

3.1 炸药震源

某地区炸药震源同药量不同井深试验结果如图3所示。井深6、8、10、12m单炮记录，由于没有打透浅层砂石区，单炮记录差别不大，干扰较强，单炮效果较差；井深16m存在一层砂石凝结层导致爆炸效果差，单炮记录有效波同向轴能量变弱；井深14m单炮记录效果要比其他井深效果好。试验结果表明，不同激发层位地质成分和构造对炸药震源效果影响很大。

图3 炸药震源1.5kg药量时不同井深激发单炮记录

3.2 车载可控震源

某地区车载可控震源同扫描时长不同震动次数试验单炮记录如图4所示。1次叠加单炮记录压制干扰效果差。有效波不明显；2次叠加可以有效压制干扰，有效波明显增强；3次叠加基本可以压制干扰，有效波层次明显；3次叠加以后有效波效果变化不大。试验结果表明随着震动次数的叠加有效波效果也逐渐变好，叠加到一定程度后优化效果就会减弱，需要通过多次试验确定最佳的震动叠加次数，以免因为震动次数过多引起施工效率降低。

图4 车载可控震源扫描时长12s时不同震动次数激发单炮记录

3.3 电火花震源

某地区电火花震源同井深不同能量单炮记录如图5所示。根据井深试验确定14m为最佳激发层位，在14m井深用四种不同激发能量，可以看出，不同激发能量产生的单炮记录效果明显有差别。50000J能量压制干扰能力较弱；100000J压制干扰能量明显变强，有效波同向轴清晰；150000J基本可以压制所有干扰，有效波分层；200000J可以压制干扰，并且有效波分层明显。试验结果表明，同井深不同激发能量电火花震源效果影响很大。

图5 电火花震源14m井深时不同能量激发单炮记录

4 应用实例

4.1 现场概况

一般煤田地震勘探前期会进行充分的现场踏勘，根据本次现场踏勘情况，工区附近田地比较多，地面平整，障碍物较少，潜水面较浅，部分工区附近有较多建筑物，没有高压线、强烈的震动干扰等高干扰源的存在。经调查潜水面一般在地表以下3m左右，受季节降雨控制明显。潜水面以下风化层较厚，第四系底界面灰岩泥灰岩发育，激发条件较好，适合三种震源的使用。

4.2 震源试验参数

实例勘探震源采用炸药震源，经过试验确定药量为2kg进行单井激发，井深16m，通过瞬时激发，获得的野外原始记录品质较高如图6(a)所示，单炮初至明显，有效波组清晰。地面平整处采用BV-300型可控震源车来激发地震波。该震源激震频率范围为6～250Hz，可选线性扫描频率，也可选非线性扫描频率，最大出力可达180kN。具体施工过程，通过对多次试验进行具体分析，最终采用两台震源[14]选择相同参数同时起震进行叠加，中间放炮系统，驱动幅度70%的出力，扫描长度10s，扫描频率8～120Hz，震动次数3次，通过该参数激发，获得的野外原始记录品质较高如图6(b)所示，单炮初至不如炸药震源单炮明显，有效波组更清晰且能量更强。对于建筑物较多处，采用电火花震源激发，经过试验确定激发能量200000J，进行单井激发，井深16m，通过瞬时激发，获得的野外原始记录压制干扰能力较弱，如图6(c)所示，单炮初至不如另外两种震源明显，建筑物附近干扰较多，有效波组较差，能量较弱。

图6 野外原始单炮记录

4.3 勘探成果分析

不同震源的现场处理的监控剖面如图7所示，针对该区的地震资料，首先利用地震时间剖面上地震反射波同相轴不同层次的强弱关系和钻孔揭露的目的层间距关系等，从整体宏观上初步确定反射波的地质意义，再进一步利用以往施工三维地震资料和区内已有的钻探、测井资料，具体标定煤层、地层界面反射波对应的反射波同相轴。通过对地震时间剖面的反映分析，将时间剖面上反射波能量强、信噪比高、连续性好的反射波定为标准波。其波形特征与煤层的对应关系较好，能量强、同相轴光滑、由两个正相位和一个负相位组成，在全区能够连续追踪，时间剖面上能清晰地反映出构造的变化。

图7 现场处理的监控剖面

图7(a)为炸药震源在现场的一条监控剖面，从剖面看，在较浅位置地质信息反应不明显，中间位置有极其明显的构造存在，强能量波组明显，震源取得良好的激发效果，为后续的进一步处理解释提供了有力支持。图7(b)为车载可控震源在现场的一条监控剖面，从剖面看，靠小号位置有极其明显的构造存在，强能量波组明显，且浅层地层信息更加丰富，激发能量足够达到探测深度要求，震源取得良好的激发效果。图7(c)为电火花震源在现场的一条监控剖面，从剖面看，较浅位置地质信息较少，在中间位置强能量波组明显，深部位置能量明显变弱，能量穿透力不足，小号位置干扰明显压制较弱，可以提供一部分相对较深地层的地质信息。

通过在应用实例中的效果对比可知，三种震源各具特点，在同一工区通过试验选择震源各自的参数，可以达到煤田地震勘探的要求。炸药震源对浅部地层信息不敏感，对深部地层探测效果好；车载可控震源对浅部地层和深部地层都有很好的勘探效果，综合效果好；与刘恋等[13]在可控震源与炸药震源联合采集在煤炭勘探上的应用中的研究结果一致。电火花震源对浅部地层信息反应较少，相对较深地层敏感度高；与刘沛然等[17]的研究结果相对应。

5 结 语

1)炸药震源由于其激发频率高，通过使用试验优化后的井深(16m)和药量(2kg)可以达到要求的探测深度；但是同等条件下对于浅部地层信息反应较少，对深部地层敏感度更高；同样应用条件也受限制，使用过程中造成的污染和破坏也是不可逆的，使用过程中需要注意各方面问题。

2)车载可控震源由于其扫描频率由低到高的激发特性，通过试验选择优化后的扫描频率8～120Hz、扫描时间10s、震动3次叠加和震动出力70%，对于浅部地层和深部地层都有很好的勘探效果，综合效果好，是一种有更高效的效率、更简单的操作、更安全的保存、更绿色环保的勘探震源，但有时会受制于浅层低速层散射影响，不利于地震波向下传播导致勘探效果不理想，在山地和交通情况差的地方也难以进行作业。

3)电火花震的源瞬时激发频率高，可以调节不同的激发能量和井深进行不同深度勘探，对于浅部地层信息反应较少，相对较深地层敏感度更高，但是受其激发能量限制，对于深部地层勘探效果相对较差。

4)本文研究的三种方法在煤田地震勘探的应用环境相对简单，没有在更为复杂的地质条件下进行分析研究，具有一定的局限性。希望在以后的研究中，能够结合各种震源的优势，优化震源激发方法，实现绿色、高效勘探。