工程物探技術(shù)在液化天然氣行業(yè)擴建中的應用分析

上海液化天然氣有限責任公司 遲黎明

0 前言

工程物探是在原地球物理勘探基礎上發(fā)展而來，服務于水文地質(zhì)和工程地質(zhì)，成為工程勘察的一個組成部分。工程物探技術(shù)具有周期短、成本低、信息量大和服務面廣的特點，其作用和地位得到了廣泛的肯定。

上海LNG項目是根據(jù)國家能源戰(zhàn)略及LNG發(fā)展規(guī)劃，依據(jù)上海天然氣市場發(fā)展預測和上海四大天然氣氣源規(guī)劃原則而建設的上海市“十一五”重要能源項目，由上海液化天然氣有限責任公司負責該項目的投資、建設和運營，一期工程于2009年底建成投運，為上海市天然氣供應提供了保障。根據(jù)上海市天然氣市場發(fā)展和調(diào)峰保障的需要，上海液化天然氣公司正在計劃實施上海LNG項目擴建工程，從而進一步提高上海市天然氣調(diào)峰供應和應急保障能力。

根據(jù)規(guī)劃，上海LNG擴建項目擬增加液化天然氣儲罐的建設規(guī)模，為了保證擬建場地選擇的適宜性，采用了工程物探方法對擬擴建罐區(qū)的場地進行勘察，以查明覆蓋層厚度、基巖埋深和斷裂構(gòu)造，為儲罐設計提供了物探依據(jù)。

本文討論的工程物探技術(shù)為地震勘探技術(shù)中的淺地震折射波法和淺地震反射波法。

1 工程物探技術(shù)

1.1 工程物探技術(shù)概述

工程物探是工程地球物理勘探的簡稱，它是以地下巖土層(或地質(zhì)體)的物性差異為基礎，通過儀器觀測自然或人工物理場的變化，確定地下地質(zhì)體的空間展布范圍(大小、形狀、埋深等)并可測定巖土體的物性參數(shù)，達到解決地質(zhì)問題的一種物理勘探方法。

按照勘探對象的不同，工程物探技術(shù)又分為三大分支，即石油工程物探、固體礦工程物探和水工環(huán)工程物探(簡稱工程物探)。

1.2 工程物探的分類

常用的工程物探方法及特點:

(1)電法勘探:包括電剖面法、電測深法、高密度電法、充電法、自然電場法和激發(fā)極化法等。

(2)電磁法勘探:頻率測深法、瞬變電磁法、可控音頻大地電磁測深入法、探地雷達和電磁波CT等。

(3)地震勘探:包括反射波法、折射波法、穿透波法、瑞雷波法、直達波法和地震CT等。

(4)彈性波測試:包括聲波法和地震波法。聲波法可選用單孔聲波、穿透聲波、表面聲波、聲波反射和脈沖回波等；地震波法可選用地震測井、穿透地震波速測試和連續(xù)地震波速測試等。

(5)層析成像:包括聲波層析成像、地震波層析成像、電磁波吸收系數(shù)層析成像或電磁波速度層析成像等。

(6)放射性探測:包括α射線測量、自然γ測量、γ-γ測量。

(7)綜合測井:電測井、聲波測井、鉆孔電視、放射線測井、井上雷達、井徑測量和井斜測量。

1.3 地震勘探技術(shù)

地震勘探是一種使用人工方法激發(fā)地震波，觀測其在巖體內(nèi)的傳播情況，以研究、探測巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)和分布的物探方法。地震波自震源向各方傳播，在存在波速或波阻抗差異的巖層、各類目的體分界面上會發(fā)生反射和折射，然后返回地面，引起地面振動。通過儀器設備(地震儀、檢波器等)記錄振動(地震記錄)，通過分析解釋地震記錄的特性(傳播時間、振幅、相位及頻率等)，就能確定分界面的埋藏深度、巖石的組成成分和物理力學性質(zhì)。在無限介質(zhì)中，震源處的振動(擾動)以地震波的形式傳播并引起介質(zhì)質(zhì)點在其平衡位置附近運動。按照質(zhì)點運動的特點和波的傳播規(guī)律，地震波常可以分為體波和面波。體波包括縱波和橫波兩種。面波主要有瑞雷波和勒夫波等類型。根據(jù)所利用彈性波的類型不同，地震勘探的工作方法可分為:反射波法、折射波法、穿透波法和瑞雷波法。

1.3.1 淺地震折射波法

淺地震折射波法，是利用人工激發(fā)的地震波在巖土界面上產(chǎn)生的折射現(xiàn)象，對淺部具有速度差異的地層或構(gòu)造進行探測的一種地震方法。

淺地震折射波法是目前工程地震勘探中技術(shù)最成熟、應用最廣泛的方法。

折射波法的優(yōu)點:

(1)初始折射波比較容易識別。

(2)探測深度范圍廣，從幾米至幾十米乃至一二百米皆可。

(3)不僅可得到折射波的旅行時，遙相呼應得到能反映巖性及巖體完整性的界面速度。

(4)解決的地質(zhì)問題面較廣，從探測覆蓋層厚度及其分層到解決構(gòu)造問題，地質(zhì)效果一般較好。

折射波法的局限性:

(1)受速度逆轉(zhuǎn)限制，不能探測高速層下部的地質(zhì)情況。

(2)分層能力弱，一般限于3～4層。

(3)因為存在折射波盲區(qū)以及旁側(cè)影響，要求勘探場地較開闊。

(4)所需激發(fā)能量大。當松散層厚度超過10 m時，一般使用炸藥震源；當探測深度大于40 m時，需使用較大的炸藥包，在居民區(qū)、農(nóng)、林、漁區(qū)難于開展工作。

1.3.2 淺地震反射波法

淺地震反射波法是利用人工激發(fā)的地震波在巖土界面上產(chǎn)生反射的原理，對淺層具有波阻抗差異的地層或構(gòu)造進行探測的一種地震勘探方法。

在工程勘察中，淺地震反射波法主要用于探測覆蓋層厚度和進行地層分層，確定幾十米內(nèi)的較小的地質(zhì)構(gòu)造以及尋找局部地質(zhì)體等。

淺地震縱波反射波法探測深度較大，激發(fā)方式多樣；淺地震橫波反射法用于探測淺部松散含水地層效果較好，且分辨率較高，其分層能力一般為1/4有效波波長。

反射波法的優(yōu)點:

(1)不受地層速度逆轉(zhuǎn)限制，可探測高速地層下部的地質(zhì)情況。在軟基勘探中橫波反射波法有較強的分層能力。

(2)水平疊加時間部面圖、等偏移時間部面圖、地震映象波形圖、地震深度剖面圖能較直觀反映地層的起伏形態(tài)和地層的尖滅點及斷層的位置、斷距。

(3)所需震源能量較小，在勘探深度小于四五十米時，一般可使用錘擊震源(與垂直疊加信號增強配合使用)，從而免除使用爆炸震源時購買、運輸、保管、使用雷管炸藥的諸多麻煩，確保生產(chǎn)安全，并可在居民區(qū)、農(nóng)田、果園等不允許進行爆破作業(yè)的測區(qū)開展反射波法勘探。

(4)所需勘探場地較小，可在較狹窄的河谷、山谷開展工作。

反射波法的局限性:

(1)反射波法所受干擾波多(包括面波、聲波、直達波、淺層折射波、多次反射波、背景噪音以及各反射波組間的相互干擾)，野外數(shù)據(jù)采集、資料處理比折射波法復雜，工作效率低，尤其當探測深度小于20 m時，淺層反射波法的工作效率較低(因為要求檢波點距較小)。

(2)探測基巖面埋藏深度時，因為不能較準確求得基巖波速，有時識別基巖頂板反射波同相軸較困難(尤其基巖面較平坦時)，需借助折射波法資料或鉆孔資料確定。

(3)橫波(SH波)反射波法激發(fā)工作效率較低，勘探深度較小(一般小于四五十米)。

2 液化天然氣行業(yè)的工程物探技術(shù)應用

2.1 液化天然氣儲罐擴建的物探概況

上海液化天然氣擴建項目擬增加液化天然氣儲罐的建設規(guī)模，采用了工程物探技術(shù)對擬擴建罐區(qū)場地范圍進行物探勘察，以查明沿線第四系覆蓋層厚度、基巖埋深及基巖面起伏形態(tài)、斷裂構(gòu)造發(fā)育情況，為儲罐設計提供物探依據(jù)。

鑒于測區(qū)地質(zhì)條件較為復雜，覆蓋層自上而下主要為人工拋填石、沖填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，基巖為輝長巖，儲罐擴建的物探采用了淺地震橫波反射波法為主、淺地震折射波法為輔的物探方法。

行業(yè)標準《淺層地震勘查技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0170—1997)對這兩種物探方法的說明:反射波法一般不受地層速度逆轉(zhuǎn)的限制，但被探測地層與上覆地層應有一定的波阻抗差異，并有一定厚度，對沉積地層層序劃分、探測斷層等地質(zhì)構(gòu)造的效果較好。折射波法常用于測定覆蓋層厚度、基巖界面起伏形態(tài)和構(gòu)造破碎帶，求取持力層、堅硬土層及基巖界面埋深和界面速度。

2.2 物探方法和特點

2.2.1 物探試驗

儲罐擴建物探的難點在于場地原為一座小山及淺灘，經(jīng)開山填海后地面為平地，表層為拋填石及沖填土，且各地拋石厚度不一，地表條件不利于地震波的激發(fā)和接收。為了選擇有效的工作方法，首先進行方法試驗，主要為淺地震折射波法和淺地震橫波反射波法試驗，試驗內(nèi)容包括方法的有效性、道間距、偏移距、相遇觀測系統(tǒng)長度、激發(fā)方式等。

2.2.2 物探測線布置

為取得更好的勘察效果，根據(jù)試驗結(jié)果，由西向東共布置了N1至N9九條南北向的測線，由北向南共布置了E1至E10十條東西向的測線，部分測線因為有圍墻等障礙，所以采取了分段及平移施工。測線E9、N9經(jīng)過的部分地方有沙堆、陡坎和大石堆，物探效果不理想，因此在E9、N9測線附近補做了B2和B3兩條測線，以控制基巖面的深度。E2測線采用的是淺地震折射波法。

共完成測線29條，其中，淺地震橫波反射測線7 682 m，淺地震折射測線460 m。

2.2.3 地震物探工作方法物探工作采用了美國產(chǎn)Nx型淺層地震儀，它具有動態(tài)范圍大、分辨率高的特點。由于物探場地為危險品廠區(qū)，為了確保生產(chǎn)安全，淺地震橫波反射波法及淺地震折射波法均采用18磅大錘人工敲擊方式作為震源。橫波接收選用38 Hz橫波檢波器，折射波法接收采用28 Hz縱波檢波器。

淺地震橫波反射法采用施工參數(shù)為道間距2 m，排列長度46 m，疊加次數(shù)4次，炮間距6 m，偏移距中間激發(fā)，采樣率0.5 ms，記錄長度512 ms。淺地震折射波法采用相遇追逐觀測系統(tǒng)，施工參數(shù)為:道間距2 m，排列長度46 m，采樣率0.25 ms，記錄長度256 ms，遠炮點偏移距23 m。

淺地震橫波反射法的資料數(shù)據(jù)處理方法:根據(jù)各測線地震時間剖面圖，在認真進行有效波的相位對比和同相軸追蹤的基礎上，首先控制標準層位(如基巖面反射）并對其連續(xù)追蹤，以后對第四系層位進行對比分析、劃定。在以上相位分析、層位劃定的基礎上結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)，進行時深換算，最后以1:2000的橫向比例尺和1:500的縱向比例尺繪制物探解釋剖面圖，并采用CAD軟件繪制正式圖件。

淺地震折射波法的資料數(shù)據(jù)處理方法:各測線的折射法原始紀錄室內(nèi)回放、拼接和濾波等預處理后經(jīng)人工逐道讀取初至波到時，繪制成原始時距曲線圖。經(jīng)過地形校正和遠炮點時距曲線的“平移”處理后，組成每一個排列的相遇時距曲線。根據(jù)相遇時距曲線，利用折射波解釋中“t0”法反演計算強折射界面(中風化基巖面)的埋深和界面速度。根據(jù)反演計算結(jié)果，最后以1:2 000的橫向比例尺和1:500的縱向比例尺繪制物探解釋剖面圖，并采用CAD軟件繪制正式圖件。

2.3 物探成果的分析

通過淺地震折射波法及淺地震橫波反射波法兩種工程物探方法，結(jié)合鉆探資料分析，首先查明了測區(qū)內(nèi)各測線覆蓋層厚度，基巖面起伏情況，基巖埋深為2～38 m，基巖面標高變化范圍為-31～5 m；宏觀上測區(qū)基巖埋深東南深西北淺，西北部大都為炸山區(qū)，表層多為回填的塊石及砂土；厚度一般為2～3.5 m。東南部原為淺海的回填區(qū)，基巖起伏變化較大，呈北淺南深的特征，覆蓋層厚度為3～38 m，標高為-31～4 m，最深處位于E9測線280 m。

其次在物探勘察所布的測線中，淺地震橫波反射法共發(fā)現(xiàn)基巖異常點15個，編號分別為Y1～Y15。表現(xiàn)特征為信號紊亂、相位不連續(xù)和出現(xiàn)繞射現(xiàn)象。部分異常點采用淺地震折射波法進行查證，該部分異常推斷為基巖內(nèi)部及基巖表面局部裂隙較發(fā)育、破碎和風化程度不一造成的。

3 結(jié)語

綜上所述，分析了地震勘探技術(shù)的優(yōu)點和局限性，并結(jié)合上海液化天然氣儲罐擴建的工程物探項目實際應用，為工程物探技術(shù)今后的發(fā)展提供了理論和實際的依據(jù)。