平原復(fù)雜地表采集區(qū)震源研究

曹國濱 （中石化勝利石油管理局地球物理勘探開發(fā)公司，山東 東營257086）

隨著油田勘探程度的不斷深入，地質(zhì)任務(wù)要求越來越高，而地表?xiàng)l件越來越復(fù)雜，給地震采集造成了很大的困難。復(fù)雜地表和復(fù)雜地質(zhì)體的 “雙復(fù)雜”問題嚴(yán)重制約了地震采集的效果，影響了高品質(zhì)地震資料的獲取。激發(fā)作為地震采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受 “雙復(fù)雜”問題影響尤為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：①平原復(fù)雜地表采集區(qū)障礙物類型眾多，包括城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、廠礦、養(yǎng)殖區(qū)等，而且范圍和面積不斷擴(kuò)大，出于安全因素，小藥量采集方式大量增加，嚴(yán)重影響地震資料信噪比，甚至由于無法激發(fā)造成地震資料淺層缺口；②小斷塊、低幅構(gòu)造等復(fù)雜地質(zhì)體勘探對地震資料分辨率要求較高，也對激發(fā)震源提出了較高的要求；③地震采集向著大道數(shù)、高密度發(fā)展，高密度的觀測系統(tǒng)形式在平原復(fù)雜地表采集區(qū)實(shí)現(xiàn)難度較大，尤其是許多炮點(diǎn)不得不采取變觀的方式激發(fā)，在一定程度上損失了目的層的覆蓋次數(shù)，觀測系統(tǒng)屬性難以完全滿足設(shè)計(jì)要求。復(fù)雜地表的激發(fā)需要減少上傳能量，最大限度地減小對地表建筑物的破壞；同時(shí)增強(qiáng)下傳能量，確保得到高信噪比和高分辨率的地震資料。為此，筆者針對平原復(fù)雜地表采集區(qū)減震震源和地下震源進(jìn)行研究，對比不同結(jié)構(gòu)、不同殼體和不同藥型的8種震源的激發(fā)效果，選取最佳的激發(fā)方式。

1 減震震源研究

1.1 減震原理研究

1）垂向延期多點(diǎn)起爆對地表的減震分析 垂向延期多點(diǎn)起爆時(shí)，由于小藥量垂向分散裝藥，其垂直向下的能量可以通過精確的延期時(shí)間疊加在一起；而各級分散裝藥的單級藥柱爆炸后，其能量分先后次序到達(dá)地表，是不能疊加在一起的，使一個(gè)大的能量分解成多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)地表的小的能量，因此對地表的震動(dòng)破壞程度會(huì)降低，這是其他結(jié)構(gòu)方式的炸藥震源難以做到的。兩級炸藥的間隔距離越長，延期時(shí)間越長，對地表的破壞程度越小，所以應(yīng)盡量加大藥柱之間的距離。

2）超速聚能對地表的減震分析 超速聚能是通過裝藥結(jié)構(gòu)的改變，使得聚能角無限小，起爆后爆轟產(chǎn)物向藥柱的軸線方向集中，匯聚成一股高速高壓的氣流，這種氣流稱為超聚能氣流，速度可以達(dá)到一般聚能氣流的6～9倍，具有很高的能量密度；同時(shí)由于氣流的匯聚壓縮，沖擊波的能量得到提高，通過增加下傳能量從而減少上傳能量，最終實(shí)現(xiàn)對地表的減震。

1.2 數(shù)值模擬分析

1）延遲疊加震源數(shù)值模擬分析 垂向延期多點(diǎn)起爆，地震波分次分期到達(dá)地表，數(shù)值模擬選用三級裝藥 （0.5kg＋0.5kg＋0.5kg）。取距離井口1m處模擬壓力時(shí)間曲線 （圖1），可以看出地表壓力出現(xiàn)了3個(gè)峰值，這是因?yàn)橛?個(gè)震源點(diǎn)，這3個(gè)峰值并沒有疊加在一起，而是分散開來，達(dá)到了震源向上壓力分散的目的，起到了減震的效果。

2）超速聚能震源與普通震源數(shù)值模擬對比分析 對比超速聚能與普通爆轟的壓力變化，數(shù)值模擬選用30m井深、3kg藥量。取距離井口10m處的模擬壓力時(shí)間曲線，超速聚能震源應(yīng)力波的壓力極大值pmax＝2.33444×10－5MPa，而普通震源應(yīng)力波的壓力極大值pmax＝2.40129×10－5MPa，說明超速聚能震源對地表的破壞能力低，達(dá)到了對地表的減震效果。

圖1 距井口1m處壓力時(shí)間曲線

2 地下震源研究

2.1 增加下傳能量的研究

炸藥在巖土中爆炸時(shí)，巖土的破裂、破碎及拋擲是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果，爆破能量是通過沖擊波和爆生氣體傳遞給巖土的。炸藥爆炸產(chǎn)生的總的爆破能量可分為沖擊波能量和爆生氣體膨脹能量，前者主要消耗在巖土變形、開裂和形成粉碎區(qū)上，后者主要用于擴(kuò)脹爆腔、延伸裂隙和拋擲巖土上。也就是說爆炸沖擊波能量主要消耗在擴(kuò)脹爆腔、產(chǎn)生裂隙和引起巖土彈性變形上，因此要增加爆炸沖擊波能量[1]。

2.1.1 垂向延遲疊加原理

假設(shè)兩質(zhì)量相等、爆速相同的球形裝藥在同一介質(zhì)中垂向延期起爆，二級裝藥在一級裝藥的沖擊波傳播到二級裝藥時(shí)起爆，兩級裝藥之間的間隔距離為L（m）。壓力衰減方程為：

式中：p1、p2分別為一級沖擊波壓力峰值和二級沖擊波壓力峰值，MPa；pm為沖擊波對孔壁的初始壓力峰值，MPa；r0為炸藥的初始半徑，m；Rc為粉碎區(qū)的半徑，m；α為衰減系數(shù)，1。

疊加后的壓力（p）可表述為：

若僅考慮波的壓力峰值的作用，則：

兩級爆炸后沖擊波轉(zhuǎn)換成地震波的能量[2]為：

式中：Es為地震波能量，106N；E為彈性模量，MPa；λ為泊松比，1。

同理可得，三級或多級藥柱垂向延期起爆疊加后的壓力，因此利用垂向延遲疊加原理可以有效提高下傳能量。

2.1.2 超速聚能原理

依據(jù)聚能理論的基本關(guān)系式[3]：

式中：v1為射流速度，m/s；v0為金屬罩微元匯流速度，m/s；α為聚能角，（°）。

在聚能爆炸時(shí)，當(dāng)聚能角α越小，爆炸后射流速度越高；當(dāng)聚能角α無限小時(shí)，理論射流速度無限大，即超速聚能。

2.1.3 藥型研究

通過改變不同藥型來改變激發(fā)能量，例如合理搭配鋼殼TNT、硝酸銨、黑索金、鈍化泰安等藥型的配比，從而改變不同震源的爆速、猛度、威力、感度等爆炸性能，起到增加激發(fā)能量的目的。

2.2 提升主頻及拓寬頻帶的研究

2.2.1 激發(fā)子波的強(qiáng)度分析

激發(fā)子波首先要求有足夠的強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上才能討論頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，激發(fā)子波的強(qiáng)度或振幅與藥量的立方根成正比[3]，即：

式中：A為振幅；c1為常數(shù)；Q為藥量。

從式（6）可以看出，A隨Q的增大而增強(qiáng)，但不是線性的關(guān)系。隨Q不斷增大，A的增加越來越平緩；當(dāng)Q大于某個(gè)值之后，Q再增大，A的增量很小，即所謂A隨Q的增大有個(gè)極限值。

2.2.2 激發(fā)子波的頻率分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，激發(fā)子波的頻率（f）和峰值頻率（fp）與Q的立方根成反比，即：

式中：c2、c3為系數(shù)。

它是一條反比例曲線，當(dāng)Q較小時(shí)，fp較高；隨Q增大，fp很快變低，但在Q大于某個(gè)值后，再增加Q值，f變化很小。

通過以上分析認(rèn)為，存在著藥量與頻率的矛盾關(guān)系，小藥量雖然能增大地震波主頻，但其能量較小，來自深層的反射信號十分微弱，影響采集質(zhì)量，而能量過大又會(huì)導(dǎo)致地震波頻率變低，降低分辨率。

2.2.3 解決方法

1）采用延遲爆炸法。一般認(rèn)為，隨著藥量的加大，各頻率成分都得到一定程度的提高，只是低頻成分的幅值要比高頻的幅值增加的多，這表明增大藥量對于獲得深層的高頻信號是有一定作用的，只是它的作用相對有限。利用延遲爆炸的方法可以有效地解決該問題。采用多個(gè)小藥量炸藥連續(xù)激發(fā)，不會(huì)因?yàn)樗幜康脑龃蠖沟卣鸩ǖ闹黝l和頻寬迅速減小。

2）改變炸藥結(jié)構(gòu)及藥型。通過改變炸藥的不同結(jié)構(gòu)類型、不同殼體材料 （鋼殼、塑殼）、同結(jié)構(gòu)不同性質(zhì)等改變震源的頻率。

3 實(shí)際效果分析

根據(jù)以上平原復(fù)雜地表采集區(qū)的減震震源和地下震源的分析和研究，研制了不同結(jié)構(gòu)、不同殼體和不同藥型的8種震源，在永新地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn) （見表1），炸藥量均為2kg，井深為12m，延遲震源為15m，保證激發(fā)頂端深度相同。

表1 永新地區(qū)炸藥震源試驗(yàn)類型

3.1 能量對比分析

從淺層不同震源能量量化圖 （圖2（a））可以看出，能量排序?yàn)椋撼Ｒ?guī)延遲震源＞塑殼高能超速聚能震源＞高能常規(guī)震源＞鋼殼TG50超速聚能震源＞常規(guī)震源＞鋼殼TNT超速聚能延遲震源＞鋼殼TNT超速聚能震源＞塑殼TNT超速聚能震源。從深層不同震源能量量化圖 （圖2（b））可以看出，能量排序?yàn)椋焊吣艹Ｒ?guī)震源＞常規(guī)延遲震源＞塑殼高能超速聚能震源＞常規(guī)震源＞鋼殼TG50超速聚能震源＞鋼殼TNT超速聚能震源＞鋼殼TNT超速聚能延遲震源＞塑殼TNT超速聚能震源。

圖2 不同震源能量量化分析

1）鋼殼震源對比 ①鋼殼TG50超速聚能震源能量最強(qiáng)，說明改變藥型 （TNT50%，黑索金50%）能夠有效提高激發(fā)能量；②在淺層鋼殼TNT超速聚能延遲震源強(qiáng)于鋼殼TNT超速聚能震源，而在深層恰恰相反，說明延遲震源能量衰減較快。

2）塑殼震源對比 塑殼高能超速聚能震源的能量明顯強(qiáng)于常規(guī)震源，而塑殼TNT超速聚能震源能量弱于常規(guī)震源，說明改變藥型 （TNT35%，鈍化泰安65%）能夠有效提高激發(fā)能量，塑殼本身不能增加激發(fā)能量。

3）鋼殼與塑殼震源對比 無論從淺層還是深層看，鋼殼TNT超速聚能震源均明顯強(qiáng)于塑殼TNT超速聚能震源，說明改變殼體材料 （鋼殼）能夠有效提高激發(fā)能量。

4）常規(guī)震源對比 ①常規(guī)延遲震源和高能常規(guī)震源能量均強(qiáng)于常規(guī)震源，說明改變震源結(jié)構(gòu) （二級一延遲）和改變藥型 （TNT35%，鈍化泰安65%）均能夠有效提高激發(fā)能量；②在淺層常規(guī)延遲震源能量強(qiáng)于高能常規(guī)震源，而在深層相反，說明延遲結(jié)構(gòu)震源能量衰減較快。

5）高能震源對比 在淺層塑殼高能超速聚能震源的能量強(qiáng)于高能常規(guī)震源，而在深層則相反，說明超速聚能結(jié)構(gòu)能夠有效提高激發(fā)能量，但是隨著目的層加深能量衰減較快。

3.2 頻率對比分析

進(jìn)行解編、濾波、開時(shí)窗 （1500～1700ms，460～470道）頻譜分析、單道譜分析、道集內(nèi)頻率分析、道集間時(shí)頻分析、子波分辨率分析，最后對頻率作綜合評價(jià)。不同震源頻率排序?yàn)椋轰摎NT超速聚能延遲震源＞塑殼高能超速聚能震源＞鋼殼TG50超速聚能震源＞常規(guī)延遲震源＞常規(guī)震源＞高能常規(guī)震源＞鋼殼TNT超速聚能震源＞塑殼TNT超速聚能震源。

1）高能震源對比 塑殼高能超速聚能震源的子波一致性和分辨率均好于高能常規(guī)震源，說明超速聚能結(jié)構(gòu)有效地提高了地震資料分辨率。

2）鋼殼震源對比 ①鋼殼震源的頻寬基本上均高于常規(guī)震源，說明鋼殼結(jié)構(gòu)顯著地拓寬了激發(fā)子波的有效頻帶；②鋼殼TG50超速聚能震源和鋼殼TNT超速聚能延遲震源的主頻和有效頻帶均高于常規(guī)震源，說明延遲結(jié)構(gòu)和藥型改變 （TNT50%，黑索金50%）有效地提升了地震資料頻率；③鋼殼TNT超速聚能延遲震源的子波一致性及分辨率好于鋼殼TG50超速聚能震源，說明了延遲結(jié)構(gòu)對于地震子波的分辨率要好于藥型的改變 （TNT50%，黑索金50%）；④鋼殼TNT超速聚能震源的子波一致性及分辨率相比常規(guī)震源差，說明藥型 （TNT80%，硝酸銨20%）降低了地震資料頻率。

3）塑殼震源對比 ①與常規(guī)震源相比，塑殼TNT超速聚能震源的主頻最低，子波分辨率最差，說明了塑殼結(jié)構(gòu)降低了頻率和激發(fā)子波的分辨率；②塑殼高能超速聚能震源的子波一致性及分辨率最好，而說明高能藥型 （TNT35%，鈍化泰安65%）能夠有效提高資料分辨率。

4）常規(guī)震源對比 常規(guī)延遲震源的有效頻帶及子波分辨率好于高能常規(guī)震源，高能常規(guī)震源好于常規(guī)震源，說明了延遲震源結(jié)構(gòu)對于有效頻帶的拓寬效果最好，其次是高能藥型 （TNT35%，鈍化泰安65%）。

4 結(jié)論

1）超速聚能結(jié)構(gòu)和延遲結(jié)構(gòu)均能夠起到很好的減震作用，將二者結(jié)合在一起研制的鋼殼TNT超速聚能延遲震源將會(huì)大大提高地震采集在平原復(fù)雜地表采集區(qū)地表的減震能力。

2）延遲結(jié)構(gòu)無論在增強(qiáng)下傳能量還是拓寬有效頻帶方面，均具有顯著的優(yōu)勢，效果最好，使用小藥量延遲震源能夠較好地解決復(fù)雜地表地震資料分辨率的問題。

3）鋼殼材料對于提升激發(fā)子波主頻和拓寬有效頻帶具有顯著的作用，但是其造價(jià)太高且野外使用難度較大。

4）高能藥型 （TNT35%，鈍化泰安65%）、鋼殼TG50超速聚能震源的藥型 （TNT50%，黑索金50%）在增強(qiáng)下傳能量方面有較好的效果。

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