CN105652344A - 基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其中，包括以下步骤：步骤一，根据任务要求，获得计算采集参数所需要的原始数据，计算采集参数；步骤二，确定四维地震观测系统，并按计算的采集参数确定四维地震观测系统细节；步骤三，采用分辨率函数、AVP函数、聚焦射束分析、优度分析和采集足痕对四维地震观测系统进行评价；步骤四，根据步骤三得到的评价结果，对四维地震观测系统进行修改，直至符合任务要求为止。利用本发明可以定量的评价四维地震观测系统，使四维地震观测系统设计更加符合任务要求。

Description

基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法

技术领域

本发明涉及煤炭地震勘探技术领域，具体涉及一种基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法。

背景技术

四维地震(4DSeismic)和时移地震(Time-lapseseismic)是用于现代油气藏动态管理的监测方法，是利用不同时间观测的地震数据属性之间的差异变化，来研究油气藏特性的变化，它们均强调地震资料的重复性。四维地震主要是指利用重复三维地震观测资料进行油藏动态监测，而时间推移地震与四维地震相比则具有较宽的外延，它可以是重复多次二维观测，也可以是重复多次三维观测。

四维地震研究是一个复杂的系统工程，它涉及到地质、岩石物理实验、地震资料采集、地震资料处理和地震资料综合解释等方面。利用时移地震技术，通过对比解释多次地震数据在相位、反射振幅、地震速度、地震属性等方面存在的差异，可以对地层变化做出判断。

四维地震不仅用于探查煤系地层精细地质构造，而且更要用于对煤系地层岩性、各向异性、孔隙、裂隙、含流体特征的检测，因而对观测系统设计的要求将更加严格。

现有技术中对四维地震采集系统的评价方法为面元属性分析法，采用覆盖次数、炮检距、炮检方位分布、方位角分布等参数，通过肉眼辨别覆盖次数，偏移距分布和方位角分布三种分布图，观察振幅均匀性、信噪比、方位分析的可能性，来定性地、间接地评价采集系统参数对勘探成果的影响，不能准确的评价四维地震采集系统是否达到了任务要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，以解决现有技术中的问题，定量的评价四维地震采集系统。

本发明提出一种基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其中，包括以下步骤：步骤一，根据任务要求，获得计算采集参数所需要的原始数据，计算采集参数；步骤二，确定四维地震观测系统，并按计算的采集参数确定四维地震观测系统细节；步骤三，采用分辨率函数、AVP函数、聚焦射束分析、优度分析和采集足痕对四维地震观测系统进行评价；步骤四，根据步骤三得到的评价结果，对四维地震观测系统进行修改，直至符合任务要求为止。

优选地，其中，还包括步骤五，利用步骤四得到的四维地震观测系统进行现场试验，对采集参数进行实地确认，实地获得的采集参数与计算的采集参数不匹配时，对四维地震观测系统进行修改，确定最终的四维地震观测系统设计方案。

优选地，其中，采集参数包括面元、炮检距、覆盖次数和偏移孔径。

优选地，其中，原始数据包括目标层深度、厚度、地层倾角、接收窗口、地质异常体的大小、波的传播速度、频带宽度、零偏移距反射时间和信噪比。

优选地，其中，偏移孔径的设计方法为：a)令大于地质上估计的每个倾角的横向移动为Z*tanθ，其中Z为地层深度，θ为地层倾角；b)收集30°出射角范围内的绕射能量所需要的距离，且不小于第一菲涅尔的半径；c)偏移孔径选a)和b)二者之中的较大者。

优选地，其中，基于目标尺度选择面元的尺寸；其中，目标尺度是指目标地质体的大小，在主测线方向或横测线方向上需至少2-3道，将面元确定为目标尺度的1/3。

优选地，其中，观测系统细节包括观测系统形状、激发位置、接收线束、接收道数、总接收道数、接收线距、接收道距、横向炮距、纵向炮距、最大炮检距、最小炮检距、CDP网格和覆盖次数。

本发明提供了一种基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法通过采用分辨率函数、AVP函数、聚焦射束分析、优度分析和采集足痕的方法，直接、定量地分析四维地震观测系统对分辨率和保真度的影响，实现了对四维地震观测系统进行直接、定量的评价，使得四维地震观测系统的设计更加的符合任务要求。

附图说明

图1是本发明的基于煤炭开采的四维地震观测系统设计过程示意图；

图2是本发明实施例的基于煤炭开采的四维地震观测系统设计过程示意图；

图3是本发明实施例的聚焦性与检波器和震源分布关系示意图；

图4是本发明实施例的基于煤炭开采的四维地震观测系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。

图1示出了本发明的基于煤炭开采的四维地震观测系统设计过程示意图，本发明实施例提供的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，包括以下步骤：

步骤一，根据任务要求，获得计算采集参数所需要的原始数据，计算采集参数；

明确四维地震地质任务的要求，根据地质任务的要求，了解采集工区的测区范围，收集采集工区内现有的地形、地物、地质及物探资料，掌握采集参数计算所需的原始数据，如目标层深度、厚度、地层倾角、接收窗口、地质异常体的大小、波的传播速度、频带宽度、零偏移距反射时间和信噪比等，然后根据采集的原始数据计算采集参数，采集参数包括面元、炮检距、覆盖次数和偏移孔径等。

计算采集参数的方法如下：

①面元

面元：由主测线方向和横测线方向上相邻共中心点围成的面积称为共中心点(CMP)面元尺寸。

面元尺寸选择需要考虑三个要素：目标尺度、由地层倾角推算的最高无混叠频率和横向分辨率。

(1)目标尺度：目标地质体的大小，在主测线方向或横测线方向一般至少需要2-3道即可，根据经验法则，面元可以确定为目标尺度的1/3；

(2)最高无混叠频率：条件是零炮检距射线的时差小于半个周期；

偏前：b＝Vint/(4*Fmax*Sinθ)；

偏后：b＝Vint/(4*Fmax*Tanθ)；

式中：b—面元边长；

Vint—上一层层速度；

Fmax—最高无混叠频率；

θ—地层倾角。

(3)横向分辨率：根据经验法则可以确定为优势频率(Fdom)的1/2波长(Vint/2Fdom)。

②炮检距

炮检距：炮点与检波点之间的距离。实际上，不同炮点对应的炮检距又是不同的。

最大最小炮检距：在一个子区内(由相邻接收线和相邻两条炮线围成的范围称为子区)，不同CMP面元的最小炮检距是不同的，其中最大的最小炮检距称为最大最小炮检距。

最大炮检距：在三维观测系统中，炮点到最远检波点的距离，称为最大炮检距。

③覆盖次数

覆盖次数：一个共中心点上重复观测的次数。三维覆盖次数可分解纵向覆盖次数和横向覆盖次数。

总覆盖次数＝纵向覆盖次数×横向覆盖次数；

纵向覆盖次数＝N/2d；

其中，N为单条排列线接收道数、d为炮线距与道间距之比。

横向覆盖次数比较复杂：一般横向覆盖次数为接收线数的1/2；也可以设计为横向覆盖次数与接收线数相等；横向覆盖次数通常可以使用下面公式计算：

横向覆盖次数＝Nr×Ns/2d

其中，Nr为接收线数；Ns为一排炮炮点数；d为相邻束线横向滚动距离相当于炮点距数。

④偏移孔径

为了使倾斜层和断层正确归位，必须进行偏移。在偏移之后成像面积会往地层上倾方向收缩；另外考虑绕射波收敛，也需要附加勘探面积。为了偏移成像，地表需要附加的勘探面积，从一个方向看，附加的勘探长度称为偏移孔径。

偏移孔径设计原则一般遵循如下原则：

a)大于地质上估计的每个倾角的横向移动为Z*tanθ，其中Z为地层深度，θ为地层倾角；

b)收集30°出射角范围内的绕射能量所需要的距离，决不能小于第一菲涅尔的半径。

c)偏移孔径一般选a)和b)二者之中的较大者。

步骤二，确定四维地震观测系统，并按计算的采集参数确定四维地震观测系统细节；

根据计算的面元、炮检距、覆盖次数和偏移孔径等参数，选择观测系统类型，如中心激发观测系统、固定排列观测系统等，同时，设定观测系统细节。观测系统细节包括观测系统形状、激发位置、接收线束、接收道数、总接收道数、接收线距、接收道距、横向炮距、纵向炮距、最大炮检距、最小炮检距、CDP(共反射点道集)网格和覆盖次数等。

步骤三，采用分辨率函数、AVP函数、聚焦射束分析、优度分析和采集足痕对四维地震观测系统进行评价；具体方法如下：

①优度分析

优度是指面元道集压制多次波的平均压制量与方位角元中最大与最小压制量差值之比，是以多次波压制特性为度量标准来评价面元的炮检距与炮检方位分布均匀性的一个量。

纵波地震勘探优度计算公式为：

$GN=\frac{\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{\stackrel{\‾}{P}}_m}{{\stackrel{\‾}{P}}_{\max }-{\stackrel{\‾}{P}}_{\min }}---\left(1\right)$

${\stackrel{\‾}{P}}_m=20log{\stackrel{\‾}{p}}_m---\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{p}}_m=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{P}_m\left(q\right)---\left(3\right)$

$P_m\left(q\right)=\frac{1}{N}\sqrt{{\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\cos 2{\mathrm{\πfX}}_n^{2}q\right)}^2+{\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\sin 2{\mathrm{\πfX}}_n^{2}q\right)}^2}---\left(4\right)$

$q=\frac{1}{2t_0}(\frac{1}{V_{mul}^2}-\frac{1}{{V_{\sin }}^2})---\left(5\right)$

其中，GN表示优度，m＝1，2，…M表示面元被分为M个角元时，各角元的编号；表示第m个角元在q₁～q_L范围内的平均压制量；和表示M个角元中最大与最小压制量；n＝1，2，…N表示角元内有N道时各道的编号，Xn表示第n道炮检距，l＝1，2，…L表示计算压制量时的q值取样范围。V_sin和V_mul分别代表一次和多次波速度。

对于转换波地震勘探，只需将式(5)中的速度参数换为转换波的等效速度，即可用式(1)-(5)计算优度。

利用优度评价炮检距及方位分布的均匀性可以使评价工作由定性转为定量。优度愈大表明该面元道集对多次波的压制量愈大，炮检距与炮检方位的分布愈均匀；反之，则压制特性不好，炮检距与炮检方位分布不均匀。

应用时，只需预先根据地质任务要求制定一个优度标准，就可以根据优度分布，圈定出适于做各向异性分析的面元分布范围，确保解释成果的可靠性。

②聚焦射束分析

图2示出了聚焦性与检波器和震源分布关系示意图，频率-空间域的叠前偏移可以通过检波器射线束和震源射线束的聚焦性，而这种聚焦性又与检波器及震源分布的几何形态直接相关，所以可以使用聚焦射束来定量地评价四维地震观测系统对成像质量的影响。

在均匀介质情况下，聚焦射线束计算公式为：

其中，k为圆波数，k＝ω/V；r_d为散射点(x_f,y_f,z_f)到接收点(x_d,y_d,0)的距离，r为接收点(x_d,y_d,0)到射束计算点(x,y,z)的距离。

聚焦震源射线束的计算公式为：

其中，S(x_s,y_s)为震源采样算子，r_s为散射点(x_f,y_f,z_f)到震源点(x_s,y_s,0)的距离。

在纵波情况下，式(6)、(7)中的k均按k＝ω_p/V_p＝2πf_p/V_p计算，f_p为纵波优势频率，V_p为纵波速度；

在转换波情况下,式(7)中的k仍按纵波的频率和速度计算，但式(6)中的k则按k＝ω_s/V_s＝2πf_s/V_s计算，f_s为横波优势频率,V_s为横波速度。

③分辨率函数和AVP函数

分辨率函数描述了共聚焦点偏移的横向分辨率状态，AVP函数则描述了双聚焦点偏移振幅在期望的空间带宽内的保真性。有了聚焦检波器和聚焦震源射线束，就可以计算出相应的分辨率函数(RF)和AVP函数(AVP)：

其中，∑表示在偏移孔径内求和，p_x和p_y分别表示x和y方向上的射线参数，和分别表示射线参数域的聚焦检波器和聚焦震源射线束，可由空间域聚焦射束的拉东变换求得。

如果分辨率函数具有窄而高的主瓣和小的旁瓣，各面元相应的主瓣振幅相等，AVP函数的幅度在所期望的空间带宽内保持常量，那就表明分辨率高，振幅保真性好，对构造和岩性解释有利，是设计期望的结果。如果相反，则需调整观四维地震测系统。

④采集足痕

采集足痕是指处理结果中由四维地震观测系统本身造成的地震属性异常。如果这种异常比较大，就会对真正异常造成干扰，降低了解释的可靠性。所以在四维地震观测系统设计中应尽量设法减小采集足痕。

采集足痕的简单计算方法是：按偏移孔径大小，根据式(8)求出每个面元对应的RF极大值RF_max，然后绘制RF_max平面分布图，则RF_max在整个测区平面分布的非均匀性就代表了采集足痕的大小。

根据①-④计算方法可以计算出优度值、聚焦检波器射线束、聚焦震源射线束、分辨率函数及采集足痕大小的具体数据，并绘出他们各自的几何分布图，由此可以定量地评价四维地震观测系统是否能够满足地质任务要求。当分辨率函数主瓣窄而高、旁瓣小，AVP函数空间带宽平坦且分布均匀，优度值高，采集足痕弱，覆盖次数、偏移距和方位角分布均匀，则表明四维地震观测系统具有很好的分布特性；反之，则重新调整四维地震观测系统。

同时，也可以结合常规面元属性对四维地震观测系统进行分析，通过直接观察覆盖次数、偏移距分布和方位角的分布，根据振幅均匀性、信噪比和方位分析来定性地评估叠加数据质量。

步骤四，根据步骤三得到的评价结果，对四维地震观测系统进行修改，直至符合任务要求为止。

如果根据步骤三得到的评价结果不满意，则重新选择四维地震观测系统类型，并按计算的采集参数对四维地震观测系统性能进行评价；根据评价结果对四维地震观测系统性能做适当修改，然后再评价，再修改，直至符合地质任务要求，且经济合理可行为止。

如图2，进一步地，还包括步骤五，利用步骤四得到的四维地震观测系统进行现场试验，对采集参数进行实地确认，实地获得的采集参数与计算的采集参数不匹配时，对四维地震观测系统进行修改，确定最终的四维地震观测系统设计方案。

图3示出了本发明实施例提供的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法的观测系统示意图，在本实施例中，根据勘察地质任务，按照步骤一获得的原始数据主要有目标层位深度、地层倾角和接收窗口等：

目标层位深度：5m～350m；

煤系地层倾角：1°～3°；

最佳接收窗口：10～350m；

根据步骤一提供的计算方法，计算的采集参数包括面元、覆盖次数、偏移距和偏移孔径等，具体如下：

面元大小：10m×10m；

覆盖次数：16次；

最大偏移距：350m；

偏移孔径：350m。

根据计算的采集参数，选择四维地震观测系统，并进行四维地震观测系统细节设置，具体如下：

如图4所示，四维地震观测系统采用24线×24道、2线×2炮方块状观测系统，检波点距为20m，横向最大炮检距为245m，根据区内煤系地层倾角较小的情况，采用中点激发观测系统，576道接收，最小偏移距为5m，纵向最大炮检距为245m。采集参数拟定如下：

观测系统类型：中点激发方块状观测系统；

接收线数：24条(每条24道接收)；

总接收道数：24×24＝576道；

接收线距：20m；

接收道距：20m；

炮线数：2条(每条2炮激发)；

总炮数：2×2＝4炮；

横向炮距：30m；

纵向炮距：30m；

最大炮检距：346.48m；

最小炮检距：7.07m；

CDP网格：5m×5m；

覆盖次数：16次。

设计完成后，采用步骤三所述的方法对四维地震观测系统进行评价。

从本发明实施例提供的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法的优度分析、聚焦检波器射线束、聚焦震源射线束、分辨率函数、AVP函数和采集足痕的分布图可以看出，分辨率函数具有窄而高的主瓣和小的旁瓣，主瓣强度全区分布均匀，AVP函数在期望的空间带宽内保持平坦，且全区分布均匀，优度值高，采集足痕弱，则表明分辨率高，振幅保真性好，对多次波的压制量大，信噪比高，炮检距与炮检方位分布均匀，对构造和岩性解释有利，符合设计期望，对四维地震观测系统的评价结果为满意。

对四维地震观测系统的评价结果满意之后，进行现场试验，以便对采集参数进行确认，最终确定四维地震观测系统的设计方案，进行投产。在本实施例中，为了研究煤层开采过程对煤岩层结构的影响变化规律，设计进行4次三维地震数据采集。第一次采集选在工作面主采煤层未开采时进行，此时地层处于原生状态，将本次采集的三维数据作为基础数据；第二次采集选在主采煤层已采研究区一半的位置时开采，本次采集的三维数据处于采动过程中，得到的数据作为第一个监测数据；第三次采集选在主采煤层已开采完时，本次采集的三维数据处于采动过程中，得到的数据作为第二个监测数据；第四次采集选在与第三次采集相隔数月后开采，主采煤层已开采完，并得到一定时间的沉降，得到的数据作为第三个监测数据，通过四维地震观测系统进行现场试验，得到一个基础数据和三个监测数据，达到研究煤层开采对煤岩层结构的影响目的。

本发明提供的方法通过计算出优度值、聚焦检波器射线束、聚焦震源射线束、分辨率函数及采集足痕大小的具体数据，将观测系统评价参数数值化、定量化，可以直接地评价观测系统是否达到地质任务要求，相对于现有技术中的定性估计，更加地科学可靠。

上述观测系统评价只从技术的角度探讨了观测系统的评价方法，尚未考虑到经济方面的要求。在实际应用过程中，要充分考虑技术与经济问题，找一个折中的平衡点，最终确定一个在生产中能够实现的设计方案。

以上，结合具体实施例对本发明的技术方案进行了详细介绍，所描述的具体实施例用于帮助理解本发明的思想。本领域技术人员在本发明具体实施例的基础上做出的推导和变型也属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据任务要求，获得计算采集参数所需要的原始数据，计算采集参数；

步骤二，确定四维地震观测系统，并按计算的采集参数确定四维地震观测系统细节；

步骤三，采用分辨率函数、AVP函数、聚焦射束分析、优度分析和采集足痕对四维地震观测系统进行评价；

步骤四，根据步骤三得到的评价结果，对四维地震观测系统进行修改，直至符合任务要求为止。

2.如权利要求1所述的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其特征在于，其中，还包括步骤五，利用步骤四得到的四维地震观测系统进行现场试验，对采集参数进行实地确认，实地获得的采集参数与计算的采集参数不匹配时，对四维地震观测系统进行修改，确定最终的四维地震观测系统设计方案。

3.如权利要求1所述的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其特征在于，其中，采集参数包括面元、炮检距、覆盖次数和偏移孔径。

4.如权利要求3所述的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其特征在于，其中，原始数据包括目标层深度、厚度、地层倾角、接收窗口、地质异常体的大小、波的传播速度、频带宽度、零偏移距反射时间和信噪比。

5.如权利要求3所述的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其特征在于，其中，偏移孔径的设计方法为：

a)令大于地质上估计的每个倾角的横向移动为Z*tanθ，其中Z为地层深度，θ为地层倾角；

b)收集30°出射角范围内的绕射能量所需要的距离，且不小于第一菲涅尔的半径；

c)偏移孔径选a)和b)二者之中的较大者。

6.如权利要求3所述的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其特征在于，其中，基于目标尺度选择面元的尺寸；其中，目标尺度是指目标地质体的大小，在主测线方向或横测线方向上需至少2-3道，将面元确定为目标尺度的1/3。

7.如权利要求1所述的基于煤炭开采的四维地震观测系统定量评价方法，其特征在于，其中，观测系统细节包括观测系统形状、激发位置、接收线束、接收道数、总接收道数、接收线距、接收道距、横向炮距、纵向炮距、最大炮检距、最小炮检距、CDP网格和覆盖次数。