南方復(fù)雜山地高信噪比區(qū)激發(fā)問題研究

潘家智 許孝坤

(勝利石油管理局地球物理勘探開發(fā)公司 山東東營(yíng))

南方復(fù)雜山地高信噪比區(qū)激發(fā)問題研究

潘家智 許孝坤

(勝利石油管理局地球物理勘探開發(fā)公司 山東東營(yíng))

南方山地地形、表層情況都非常復(fù)雜,在地震采集中,激發(fā)是其中非常重要的環(huán)節(jié),基于山地激發(fā)技術(shù)的主要理論基礎(chǔ),從藥型(藥性)的選擇、井深的設(shè)計(jì)、藥量的優(yōu)化以及激發(fā)點(diǎn)位的優(yōu)選等幾個(gè)方面,結(jié)合實(shí)際資料進(jìn)行了研究總結(jié),總結(jié)了四要素綜合控制,動(dòng)態(tài)確定激發(fā)井深、兩原則下藥量選擇方法以及激發(fā)點(diǎn)位優(yōu)選技術(shù),從而形成了一系列針對(duì)南方山地高信噪比區(qū)域的激發(fā)技術(shù)。

復(fù)雜山地;激發(fā);細(xì)長(zhǎng)藥柱;井深;視飽和藥量區(qū)間

0 引 言

激發(fā)環(huán)節(jié)是地震采集中極為重要的一環(huán),在山地勘探中更加突出。我們期望激發(fā)出的波場(chǎng)清晰,干擾波能量小,信噪比高,目的層有效波的頻帶寬。對(duì)于特定的工區(qū)和具體的地質(zhì)目標(biāo),激發(fā)效果的好壞取決于三個(gè)方面:震源性能、圍巖巖性及震源與圍巖的耦合程度。南方復(fù)雜山地高信噪比區(qū)以追求高信噪比和寬頻的地震資料為目標(biāo),在一系列激發(fā)理論支持下,通過綜合考慮地表、近地表等因素,在激發(fā)技術(shù)方面逐步成型,并開始形成系列。

1 復(fù)雜山地地震勘探激發(fā)技術(shù)主要理論基礎(chǔ)

炸藥震源爆炸原理:炸藥發(fā)生爆炸后,裝藥周圍的巖土介質(zhì)發(fā)生劇烈的變形響應(yīng),吸收掉大部分爆炸能量,剩余的能量將繼續(xù)向外傳播,形成爆炸地震波。通常將炸藥在巖石中爆炸分成“破碎區(qū)”、“塑性區(qū)”和“彈性形變區(qū)”[1]。

通過理論推導(dǎo),在破碎區(qū),能量隨著激發(fā)層的激發(fā)速度的增大而遞增;爆炸塑性區(qū)的能量也隨著激發(fā)層的激發(fā)速度的增大而遞增;在彈性變形區(qū),理論計(jì)算公式也證明,巖石越致密,子波視頻率越高,但振幅降低,高頻成分表現(xiàn)更為明顯;疏松砂巖的低頻能量強(qiáng),但頻帶窄;選擇合適的藥量,才能獲得適中的能量和較寬的頻帶。也就是說炸藥激發(fā)能量與圍巖巖性以及含水情況有關(guān)。所以,采集時(shí)激發(fā)巖性應(yīng)選擇致密堅(jiān)硬或含水地層作為目標(biāo),以改善激發(fā)效果。

2 高密高爆炸藥適應(yīng)南方山地地震采集需求

2.1 高密高爆炸藥與圍巖的匹配性能好[2]

南方復(fù)雜山地高信噪比區(qū)域表明主要的巖性是泥巖、砂巖及其互層,從表1和表2能夠看出,砂巖和泥巖的阻抗耦合更接近于1,因此能量轉(zhuǎn)化效果更好。

表1 主要巖性基本參數(shù)

表2 炸藥基本參數(shù)

2.2 細(xì)長(zhǎng)藥柱提高信噪比和分辨率的分析[3]

一般認(rèn)為細(xì)長(zhǎng)藥柱爆炸往往作用時(shí)間較長(zhǎng),時(shí)差效應(yīng)會(huì)使激發(fā)頻譜變窄。因此為了做到既發(fā)揮長(zhǎng)藥柱地震波能量強(qiáng)、定向作用明顯的特點(diǎn),而又避免高頻成份的衰減,從而提高長(zhǎng)藥柱的激發(fā)效果,關(guān)鍵在于選擇合適的藥柱長(zhǎng)度和爆速。利用以下公式進(jìn)行分析。

目前南方山地廣泛采用60 mm細(xì)長(zhǎng)藥柱,藥柱長(zhǎng)度一般為4 m左右,藥柱爆炸速度在5 200 m/s左右,而高速層下地震波的傳播速度介于 3 000 m/s～4 000 m/s之間。分別取圍巖速度3 000 m/s、4 000 m/s、4 500 m/s,藥柱長(zhǎng)度為4 m。

依據(jù)式(1)作出長(zhǎng)藥柱的頻率特性曲圖如圖1所示,能夠看出比較高的圍巖速度,4 m的藥柱長(zhǎng)度,低頻響應(yīng)很小。即使隨著入射角加大,波前面的時(shí)差增加,但這種效應(yīng)仍然并不顯著。能夠看出,目前南方山地三維勘探中采用的細(xì)長(zhǎng)藥柱沒有構(gòu)成低頻效應(yīng)。

圖1 長(zhǎng)藥柱(4 m)的頻率特性曲線

2.3 實(shí)際資料證明高密高爆炸藥的效果

在二維、三維的多個(gè)項(xiàng)目中,進(jìn)行了高密高爆和中密中爆炸藥的對(duì)比,實(shí)際資料證明:高密炸藥的效果最為理想,如圖2所示,其產(chǎn)生的主頻更高,高頻段信號(hào)信噪比更高。

圖2 中密(文件號(hào)5)與高密(文件號(hào)3)炸藥的頻譜對(duì)比

3 四要素綜合控制,動(dòng)態(tài)確定激發(fā)井深

3.1 虛反射界面下合理的深度

1)炸藥震源距虛反射界面的距離H要小

根據(jù)虛反射的入射波頻率特性公式為:

取介質(zhì)速度為3 500 m/s,考慮虛反射的不利影響,在保證能量的前提下,ΔH應(yīng)盡量小,以減少因虛反射等現(xiàn)象而使激發(fā)頻譜高頻成分缺失的問題。在南方復(fù)雜山地高信噪比地區(qū),針對(duì)主要目的層,一般要保護(hù)的頻率為120 Hz左右,因此考慮虛反射,井深一般選擇在虛反射界面下7 m。

2)井深要保證炸藥距虛反射界面的距離要大于炸藥的爆炸半徑

通過研究認(rèn)為,炸藥距虛反射界面的距離要大于炸藥的爆炸半徑,即

式(3)中:H為震源距虛反射界面的距離,m;R為震源的爆炸半徑,m;K為比例系數(shù),一般在實(shí)際計(jì)算中取為1.5。

研究區(qū)域藥量選擇為12 kg～16 kg,H要大于3.6 m～3.8 m,所以井深一般選擇為高速層下6 m以下。因此綜合考慮A與B兩個(gè)方面,井深一般選擇在虛反射界面下6 m～8 m。

3.2 有利巖性控制

南方復(fù)雜山地選擇有利巖性一般考慮三個(gè)方面。一是能夠激發(fā)出有利的子波特性的巖性段,分析多種資料,研究有利的巖性段,保證激發(fā)出有利的子波;二是選擇穩(wěn)定的高速層巖性段;三是合理規(guī)避剛性巖性和疏松砂巖。南方山地有多種不利的激發(fā)巖性,其中剛性巖石硬度大,鉆井困難,激發(fā)能量轉(zhuǎn)化率低;疏松砂巖速度低,激發(fā)能量弱,頻帶窄。在這兩種巖性中,井深設(shè)計(jì)采取兩種方式:一是在疏松砂巖層(剛性巖層)和高速層頂之間距離不足8 m時(shí),打穿該層,在其下激發(fā);二是在疏松砂巖層(剛性巖層)和高速層頂之間距離超過8m時(shí),則在其中間激發(fā)。

3.3 地形因素

根據(jù)坡度大小、相對(duì)高差、入射角度等、山體形狀、巖層角度等,綜合考慮,在山頂高部位合理加密井深。

3.4 依據(jù)試驗(yàn)資料,進(jìn)行定量分析驗(yàn)證

選擇典型的試驗(yàn)點(diǎn)位置,進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn),依靠試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際資料定量分析和井深的驗(yàn)證,試驗(yàn)資料注重目的層段的分析、注重高頻段資料的差異。

綜合考慮地形、低降速帶結(jié)構(gòu)、激發(fā)巖性、虛反射界面、試驗(yàn)井深等因素的影響,逐點(diǎn)進(jìn)行超前井深設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了南方山地的動(dòng)態(tài)井深設(shè)計(jì)。

4 應(yīng)用兩原則選擇適中的藥量[4]

4.1 高信噪比、寬頻帶為主,絕對(duì)能量為輔的藥量選擇標(biāo)準(zhǔn)

南方山地重點(diǎn)探區(qū)基本為高信噪比區(qū),地質(zhì)目標(biāo)主要為巖性復(fù)合圈閉,因此在藥量的選擇上首先堅(jiān)持的原則就是:高信噪比、寬頻帶為主,絕對(duì)能量為輔的藥量選擇標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)淺中深目的層,分別進(jìn)行信噪比和頻率的分析如圖3所示,綜合選擇保證地震資料信噪比高、頻帶寬的藥量。

4.2 應(yīng)用視飽和藥量區(qū)間的新概念,激發(fā)藥量的選擇更具操作性

圖3 藥量信噪比曲線

復(fù)雜山地藥量選擇,受巖性、地形和復(fù)雜地物區(qū)的安全距離等不同方面的要求,實(shí)際操作中,一般按照定性的原則。這種方式畢竟是一種泛概念。通過對(duì)南方多個(gè)工區(qū)的資料進(jìn)行了研究和分析,得出高信噪比區(qū)藥量與頻率的擬和曲線一般存在如下情形,如圖4所示。即在某一個(gè)藥量區(qū)間,資料的信噪比和頻帶非常接近;在區(qū)間之外,則變化顯著。

圖4 頻譜與藥量理論和實(shí)際關(guān)系曲線

在南方山地的高信噪比區(qū),上述的一個(gè)藥量范圍可以被定義為“視飽和藥量區(qū)間”,選擇該區(qū)間因素能夠保證資料品質(zhì)的穩(wěn)定。這是對(duì)飽和藥量概念的完善和補(bǔ)充,它可以指導(dǎo)野外激發(fā)點(diǎn)藥量的選取,針對(duì)地形高低、障礙物遠(yuǎn)近在視飽和藥量區(qū)間內(nèi)采取合適的藥量,這種方式在實(shí)際操作上更可行。

5 三步法實(shí)現(xiàn)激發(fā)點(diǎn)位的選擇和優(yōu)化

合理選擇激發(fā)點(diǎn),目標(biāo)是使激發(fā)點(diǎn)均處在合理有利地段,主要要達(dá)到三個(gè)目的:一是最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)觀測(cè)理念;二是追求原始資料品質(zhì)的最優(yōu)化,即頻帶寬、能量強(qiáng)、信噪比高;三是保證安全激發(fā),規(guī)避各種障礙物帶來的危害。

1)基于高精度衛(wèi)片的室內(nèi)井位選擇

利用高精度數(shù)字衛(wèi)星照片進(jìn)行井位的初步選擇,大大提高了激發(fā)點(diǎn)點(diǎn)位設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,尤其在河流、公路、鐵路及其隧道、房屋、高大山峰區(qū)域,對(duì)激發(fā)點(diǎn)提前進(jìn)行偏移,提高井位選擇的一次成功率,同時(shí)也提高了測(cè)量效率。

2)野外基于避就原則的測(cè)量放樣

通常情況下,一般可以遵循“七避七就”(避虛就實(shí)、避高就低、避碎就整、避干就濕、避陡就緩、避危就安、避灰就泥(砂巖、水)的原則優(yōu)選井位。但是“七避七就”原則相互之間的對(duì)立和矛盾,通常情況下的“七避七就”就要辨證地理解和運(yùn)用了。根據(jù)山體形態(tài)、坡度大小、溝谷形狀、溝谷沉積物、懸崖深度、巖性、植被特點(diǎn)、障礙物性質(zhì)綜合確定激發(fā)點(diǎn)位置。

3)鉆井現(xiàn)場(chǎng)基于有利巖性的適時(shí)調(diào)整

在鉆井過程中,測(cè)量組會(huì)調(diào)整測(cè)量?jī)x器跟班鉆井作業(yè),隨時(shí)調(diào)整不合理的鉆井井位。

6 結(jié) 論

1)高爆速炸藥南方山地圍巖的匹配性好,適應(yīng)南方山地地震勘探的需求,能夠激發(fā)出高能寬頻的地震波。同時(shí)采用長(zhǎng)藥柱不會(huì)造成低頻效應(yīng)。

2)根據(jù)地形、表層結(jié)構(gòu)、巖性及試驗(yàn)情況綜合確定激發(fā)井深,實(shí)現(xiàn)山地激發(fā)井深的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。應(yīng)用視飽和區(qū)間的新概念,以高信噪比、寬頻帶為主的藥量選擇標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了藥量的定量選擇。

3)“三步法”的點(diǎn)位優(yōu)化選擇,是山地激發(fā)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵一環(huán),需要進(jìn)一步研究,實(shí)現(xiàn)更加系統(tǒng)的、科學(xué)的體系。

[1] 陸基孟.地震勘探原理[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,2001

[2] 鄧志文.復(fù)雜山地地震勘探[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006

[3] 梁運(yùn)基.虛反射與長(zhǎng)藥柱對(duì)地震子波頻譜影響規(guī)律分析[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2006,28(4)

[4] 李慶忠.地震高分辨率勘探中的誤區(qū)與對(duì)策[J].石油地球物理勘探,1997,32(4)

Study on the exploding technology for high signal-to-noise mountain area.

Pan Jiazhi and Xu Xiaokuen.

The terrain of the south mountain region and surface layer situation are very complex.During the acquisition,the exploding is very important.Based on the dynamite type,depth of shot hole,quantity of dynamite and shot position etc.Four factors are summed up to control and to make dynamic analysis to decide shot hole depth,and to Choose the dynamite quantity by two principles and the technology of shot position selection.A series of the exploding technology for high Signal-to-noise in south mountain area is come into being.

Complex Mountain;explode;shot hole depth;saturate dynamite quantity

P631.3+24

B

1004-9134(2011)04-0058-03

潘家智,男,1973年生,工程師,2004年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)資源勘查專業(yè),長(zhǎng)期從事野外地震采集技術(shù)研究工作。郵編:257100

2011-03-18編輯梁保江)

PI,2011,25(4):58～60

·方法研究·