新型氣爆震源技術在山西山區(qū)深部煤層氣地震勘探中的應用研究

李 娟，申有義，田忠斌,2，楊曉東，王建青

(1.山西省煤炭地質物探測繪院，山西晉中 030600； 2.中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083)

地震勘探首先需要人工方法激發(fā)地震波，激發(fā)地震波的效果至關重要，直接影響地震勘探的成像深度和精度[1]。目前地震波的激發(fā)源可分為炸藥震源和非炸藥震源，原理大致相同，非炸藥震源主要有重錘震源、氣爆震源、電火花震源、空氣槍震源、可控震源等[2-3]。

從19世紀20年代至今，炸藥震源一直是地震勘探的主要常規(guī)震源[4]，炸藥產(chǎn)生的能量大，很容易激發(fā)出地震波，實踐證明，在地震勘查、石油勘探中使用炸藥震源具有良好的效果。由于炸藥震源環(huán)境破壞大、危險性高、可重復性、費用高差等缺點[5]，近年來隨著環(huán)保問題及公共安全問題的日益突出，炸藥在地震勘探中的使用遇到了很大的限制，人們一直研究用非炸藥震源激發(fā)地震波。

單個非炸藥震源雖然能量比炸藥震源小，但具有組合使用、提高多次疊加的生產(chǎn)效率、綠色環(huán)保、低成本、安全、高效等特點[6]。氣爆震源是一種非爆炸震源，它可以彌補爆炸震源的不足。本文嘗試在山西山區(qū)深部煤層氣勘探中進行新型氣爆震源激發(fā)地震波試驗，并與普通炸藥震源激發(fā)的地震波在能量、頻率及信噪比等方面進行了激發(fā)效果對比研究。

1 新型氣爆震源基本原理

氣爆震源裝置是將丙烷、氧氣或空氣的混合物導入爆炸室內，由電火花引爆或者直接產(chǎn)生地震波，可在海洋或陸地應用，氣爆震源在傳輸上比固體炸藥優(yōu)越，是非炸藥震源中地震能量較高的一種[7-9]。

本次研究使用的新型氣爆震源的基本原理是：甲烷和氧氣按照一定配比在密閉的鋼制容器中進行混合(甲烷在空氣中的爆炸極限約為5%～15%，其中甲烷在9.5%左右爆炸最為劇烈)，混合氣體通過外部導線點火后發(fā)生爆轟反應，在容器內產(chǎn)生高壓空氣。在容器側面設有限壓閥門，當初始壓力高于閾值后閥門脫落將高壓氣體向外瞬間釋放。高壓氣體瞬間釋放時可對外部形成沖擊產(chǎn)生地震波(圖1)。在激發(fā)中，限壓閥門位于容器底部，從而確保主要沖擊方向向下，有利于能量向下方傳播。

圖1 氣爆震源的激發(fā)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of gas exploder excitation installation

2 應用實例

2.1 研究區(qū)概況

(1)地層特征

本次研究區(qū)位于沁水盆地復向斜東翼，區(qū)內地層總體為一走向北東、傾向北西的單斜構造，傾角3°～10°。研究目的層主要為二疊系山西組3號煤層和石炭系太原組的15號煤層。研究區(qū)3號煤層厚度1.90～2.90m，平均厚2.07m，全區(qū)穩(wěn)定可采；煤層平均埋深1 389m。15號煤層厚度0.90～1.70m，平均1.03m，全區(qū)穩(wěn)定可采；煤層平均埋深1 494m。近幾年隨著勘探程度的不斷提高，深部煤層成為重要的關注目標[10]，研究區(qū)煤層埋深較大(大于1 000m)，達到了深部煤層氣的研究范疇[11]。

(2)地震地質條件

研究區(qū)地處沁水盆地中段東部，太行山西麓，區(qū)內大部分被第四系黃土覆蓋，由一系列的黃土梁沖溝組成，屬于中山-丘陵區(qū)，溝谷縱橫，地形較復雜。淺層低降速帶厚度不均勻，橫向速度變化大，增加了地震勘探資料采集的復雜程度。淺表層地震地質條件較復雜。

山西組3號、15號煤層穩(wěn)定，均與其頂、底板圍巖存在明顯的波阻抗差異，可形成能量強、波形突出、大部可連續(xù)追蹤對比的反射波(T3波、T15波)(圖2)。研究區(qū)深層地震地質條件一般。

圖2 研究區(qū)主要地震波組特征及地質層位對應關系Figure 2 Main seismic wave group features and correspondence with geological horizons in study area

綜上，研究區(qū)地震地質條件屬一般區(qū)。

2.2 試驗內容

2.2.1 儀器及參數(shù)

地震儀器：428XL型數(shù)字地震儀。

檢波器：自然頻率10Hz，組合形式為6個一組，串聯(lián)堆放接收。

激發(fā)震源：高爆速成型炸藥柱，地震勘探專用瞬發(fā)電雷管；氣爆震源。

2.2.2 觀測系統(tǒng)

為了獲得高分辨率、高信噪比的地震數(shù)據(jù)，本次采用中間激發(fā)，360道接收，道距20m，覆蓋次數(shù)60次的觀測系統(tǒng)。

2.2.3 試驗點位置選取

為便于分析對比試驗結果，在區(qū)內選擇了一個黃土較薄，激發(fā)條件相對較好的點位，以便于資料的對比分析。該點位黃土厚度約13m，0～1m為土黃色粉砂土，2～13m為棕紅色亞黏土。主要煤層埋深約為1 600m。

2.2.4 試驗內容

研究區(qū)試驗工作的重點是激發(fā)震源的對比，對比炸藥震源和氣爆震源在能量激發(fā)、信噪比及頻率等方面的特征。

炸藥震源采用高爆速成型炸藥柱，地震勘探專用瞬發(fā)電雷管激發(fā)地震波。為了比較氣爆震源不同尺寸、當量和深度激發(fā)地震波的效果，本次試驗采用兩類氣爆震源裝置進行激發(fā)試驗(A裝置：Φ120mm×1 000mm；B裝置：Φ120mm×500mm)。具體試驗內容如表1所示。

表1 試驗內容情況統(tǒng)計表

2.3 試驗效果分析

2.3.1 氣爆震源與炸藥震源試驗效果對比

在井深相同的條件下(井深13m，基巖面激發(fā))，分別試驗炸藥震源(藥量8kg)，氣爆震源(A裝置：Φ120mm×1 000mm，壓力6MPa和壓力3MPa； B裝置：Φ120mm×500mm，壓力6MPa)激發(fā)。通過對原始純波記錄進行帶通濾波(20～80Hz)顯示后(圖3)，可以看到炸藥激發(fā)的單炮記錄能量強，煤層反射波明顯，連續(xù)性好； 氣爆震源激發(fā)的單炮記錄上A裝置6MPa的能量較強，煤層反射波明顯，連續(xù)性較好； 而A裝置3MPa的單炮記錄和B裝置6MPa的記錄能量弱，近道可看到能量很弱、連續(xù)性差的煤層反射波，有一半的記錄道(遠道)全部為背景噪聲。說明氣爆震源在壓力減小和體積減小的情況下，能量衰減較快。從記錄上也可以看出氣爆震源的視頻率高于炸藥震源。

圖3 炸藥震源與氣爆震源激發(fā)效果單炮記錄對比圖(帶通濾波)Figure 3 Single-shot records contrast between explosive and gas exploder excited effects (band-pass filtering)

在獲得明顯煤層反射波情況下，通過對原始純波記錄進行能量(圖4)的定量分析后，可以看到在矩形時窗和沿煤層反射波時窗內炸藥激發(fā)的單炮記錄能量最強，能量最強的氣爆震源(A裝置6MPa)的能量僅為炸藥的四分之一，A裝置3MPa的記錄能量最小。在沿煤層反射波時窗內的頻譜分析圖(圖5)上，可以看出氣爆震源激發(fā)的單炮記錄上煤層反射波頻寬為9～38Hz，主頻為35Hz； 炸藥激發(fā)的單炮記錄煤層反射波頻寬為9～32Hz，主頻為20Hz； 初步可以說明氣爆震源激發(fā)的頻帶略寬于炸藥激發(fā)，主頻略高于炸藥震源。

圖4 炸藥震源與氣爆震源激發(fā)地震波能量分析對比Figure 4 Analytical contrast between seismic wave energies excited by explosive and gas exploder

416為炸藥震源，511為氣槍震源A裝置6MPa,524為B裝置6MPa，539為A裝置3MPa圖5 氣爆震源(左)與炸藥震源(右)激發(fā)效果沿煤層反射波時窗頻譜對比Figure 5 Contrast of gas exploder (left) and explosive (right) excited effects on coal seam reflection time window frequency spectra

2.3.2 不同氣爆裝置試驗效果對比

在本次試驗中對不同氣爆裝置進行了試驗對比。包括A裝置6MPa(激發(fā)井深分別為2m和13m)，B裝置6MPa(激發(fā)井深13m)；A裝置3MPa (激發(fā)井深13m)，B裝置3MPa(激發(fā)井深2m)。從圖6可以看出，只有A裝置6MPa在不同井深激發(fā)時均獲得了明顯的煤層反射波，且激發(fā)井深深的煤層反射波能量強，頻率高。其他氣爆裝置激發(fā)能量弱，背景噪聲明顯。

圖6 不同氣爆裝置震源激發(fā)效果原始記錄對比Figure 6 Comparison of original records of different gas exploder excited effects

3 結論

1)井深相同情況下，煤層埋深約為1 600m時，氣爆震源與炸藥震源均可取得較明顯的煤層反射波。在氣爆震源裝置合適時(A裝置6MPa)，井深相同情況下氣爆震源激發(fā)的能量低于炸藥震源；氣爆震源激發(fā)的主頻和頻帶寬度高于8kg炸藥震源。

2)通過本次試驗說明在山區(qū)深部煤層氣地震勘探中利用氣爆震源震源激發(fā)地震波的可行性，在后續(xù)的研究中開展詳細的井深、藥量的激發(fā)與氣爆震源的對比。同時在后續(xù)的研究中開展多種地震地質條件下的炸藥震源與氣爆震源的對比試驗。