電火花震源在四川盆地VSP勘探中的應(yīng)用

劉 飛 秦 俐 李敬益 馬 路 譚 興

中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司新興物探開發(fā)處西南經(jīng)理部

0 引言

近年來垂直地震剖面（VSP）[1-2]技術(shù)在四川盆地深層與非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)中發(fā)揮出重要作用[3-6]。目前四川盆地VSP勘探主要采用炸藥震源激發(fā)。炸藥震源激發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是單次激發(fā)能量強(qiáng)，可采集到較強(qiáng)的地震波，輸出振幅一致性好（穩(wěn)定）、頻譜較寬[7]，高頻成分比較豐富、分辨率高，缺點(diǎn)是震源子波的重復(fù)性難以保證，也存在環(huán)保和安全問題的困擾。非炸藥震源主要包括可控震源、氣槍震源及電火花震源等[7-8]?？煽卣鹪醇ぐl(fā)的震源子波重復(fù)性好，能量一致性較好，信號(hào)頻率范圍可以調(diào)節(jié)。但過去四川盆地受限于道路運(yùn)輸?shù)挠绊懀煽卣鹪丛赩SP勘探中使用較少。近年隨著可控震源設(shè)備的改進(jìn)和四川盆地交通路況的改善，可控震源VSP數(shù)據(jù)采集應(yīng)用逐漸增加[9-10]，使用電火花震源的VSP勘探也提上了日程，與炸藥等其他震源相比，電火花震源具有環(huán)境危害小、能量可擴(kuò)充、操作安全等優(yōu)點(diǎn)[11-13]，在四川盆地VSP勘探中開展試驗(yàn)意義重大。

1 電火花震源激發(fā)原理

電火花震源是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置[14]，電火花震源研究的始于50年代，早期的研究存在諸多問題，經(jīng)過21世紀(jì)初期的不斷技術(shù)革新，近年來電火花震源的研究日趨成熟，已成為海洋領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[15]。無論是海洋電火花震源，還是陸地電火花震源，雖然在沖擊力的形成過程中不大相同，但其基本原理大致相同[16]，即首先將電能存儲(chǔ)在電容器中，然后通過脈沖放電，在置于水中的2個(gè)距離很近的電極處產(chǎn)生電?。娀鸹ǎ┓烹姡娀㈦姌O周圍水體汽化，從而產(chǎn)生沖擊壓力，在介質(zhì)中激發(fā)彈性波。電火花震源是一種非爆炸震源，可替代炸藥作為地震勘探震源，可用于地震反射、折射、測(cè)井、跨孔CT等地震勘探。

此次試驗(yàn)采用TDS800KJ型高功率電火花震源，由4個(gè)子系統(tǒng)組成，即邏輯控制子系統(tǒng)、控制回路子系統(tǒng)、充電回路子系統(tǒng)和放電回路子系統(tǒng)。邏輯控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的目的，由PLC和觸摸屏來實(shí)施；控制回路子系統(tǒng)通過控制器實(shí)現(xiàn)安全升壓，同時(shí)包含漏電、過流、過壓、缺相等保護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全控制；充電回路子系統(tǒng)由保護(hù)器、儲(chǔ)能器2個(gè)模塊組成，儲(chǔ)能器主要功能是將電能安全儲(chǔ)存，并提供脈沖放電功能，保護(hù)器具有斷電防護(hù)功能，當(dāng)外部電源故障斷電時(shí)，保護(hù)器立即進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)，將儲(chǔ)能器中的電能釋放。放電回路子系統(tǒng)：此系統(tǒng)含觸發(fā)同步器、點(diǎn)火器、放電電極3個(gè)模塊，主要實(shí)現(xiàn)由外部觸發(fā)信號(hào)對(duì)儲(chǔ)能器點(diǎn)火放電過程的控制（圖1）。

圖1 TD-Sparker（TDS）電火花震源結(jié)構(gòu)原理展示圖

電火花震源可在井中激發(fā),也可在地面激發(fā)[17-18]，其激發(fā)環(huán)境要求放電電極必須處于水體之中。在陸地上使用電火花震源時(shí)，則必須創(chuàng)造電火花震源激發(fā)的水環(huán)境（打井或鉆孔，然后注水）。水體環(huán)境對(duì)電火花激發(fā)能量影響很大，水體中的雜質(zhì)，如泥沙、淤泥使得汽化不完全，會(huì)影響激發(fā)效果[12]。在水域中放電電極沉放深度是影響電火花激發(fā)效果的主要因素之一，在井中激發(fā)時(shí)，炮孔灌滿清水時(shí)效果最佳[19-20]。電火花震源激發(fā)點(diǎn)的深度對(duì)檢波器接收能量有較大的差別，此外松散地層對(duì)地震波的吸收較大[20]，與使用炸藥震源相比，同樣的勘探深度需要更大能量的電火花震源。

2 電火花震源試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

目前四川盆地VSP勘探通常采用炸藥震源進(jìn)行激發(fā)，炸藥震源能量強(qiáng)，可以滿足不同井深的VSP數(shù)據(jù)采集需求，但由于四川盆地地形復(fù)雜、農(nóng)耕密集，有必要尋求施工更安全、成本更低、環(huán)保更友善的震源。理論上電火花震源在安全性、環(huán)保性、可控性方面相比炸藥震源更具優(yōu)勢(shì)，為了驗(yàn)證電火花震源是否可替代炸藥震源用于VSP勘探以及在什么條件下可替代，專門在四川盆地瀘州區(qū)塊北部開展了電火花震源的試驗(yàn)。

試驗(yàn)井目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層，埋深4 000～4 500 m，地表出露中侏羅統(tǒng)沙溪廟組暗紫及紫紅色砂質(zhì)泥巖夾薄層砂巖，底部為葉肢介頁巖，井炮的激發(fā)條件較好。

電火花震源試驗(yàn)過程中使用6級(jí)GEOCHAIN數(shù)字檢波器井中接收，接收深度60～4 000 m，上、下相鄰兩級(jí)檢波器之間用級(jí)間電纜軟連接、級(jí)間距20 m，記錄長度5 s，激發(fā)井3個(gè)，井深3 m，激發(fā)時(shí)井中灌滿清水，激發(fā)井源距103.99～106.90 m。

該井在進(jìn)行電火花震源VSP資料采集的同時(shí)，進(jìn)行了常規(guī)炸藥震源激發(fā)VSP 資料的采集，炸藥震源采用相同級(jí)數(shù)相同型號(hào)的三分量數(shù)字檢波器井中接收，接收深度100～4 050 m。通過在同一口井進(jìn)行電火花震源和炸藥震源VSP 采集資料的對(duì)比分析（電火花震源和井炮震源激發(fā)點(diǎn)處地表均出露沙溪廟組砂泥巖地層），更有利于評(píng)價(jià)電火花震源在四川盆地VSP 資料采集中的適應(yīng)性（圖2）。

圖2 電火花震源與井炮震源VSP資料采集位置示意圖

3 原始資料面貌特征

從電火花震源VSP原始Z分量記錄(圖3)可以看出，初至波起跳干脆、清晰，上行波和下行波關(guān)系清楚、可靠，中淺層上行反射縱波特征明顯，初至一致性較好；深層（裸眼井段＞3 107 m）上行反射縱波能量較弱，記錄的有效反射波不明顯，初至一致性相對(duì)中淺層變差。電火花主頻在32 Hz左右, 頻帶范圍10～80 Hz，主要存在井口道干擾、單頻干擾、背景干擾等。相比炸藥震源，電火花震源主頻偏低，有效頻寬偏窄，均方根振幅能量約為炸藥震源的1/10，炸藥震源上行反射縱波層間波阻特征更加明顯。

圖3 VSP資料原始Z分量記錄對(duì)比圖

通?？煽卣鹪从捎诩ぐl(fā)的重復(fù)性、可控性，理論上往往比炸藥震源激發(fā)產(chǎn)生的子波更加穩(wěn)定。但從此次電火花震源資料VSP資料原始Z分量下行直達(dá)波提取的子波記錄來看（圖4），子波之間的差異性相對(duì)較大，說明電火花震源在實(shí)際使用過程中易受現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的影響，子波并不是十分穩(wěn)定，激發(fā)重復(fù)性稍差。因此為了提高電火花震源在VSP資料采集中的應(yīng)用效果，需要進(jìn)一步對(duì)電火花震源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，摸清影響電火花震源子波穩(wěn)定性的因素，加強(qiáng)改進(jìn)，從而發(fā)揮電火花震源獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

圖4 電火花震源VSP資料原始Z分量下行直達(dá)波提取子波記錄圖

4 資料處理后特征分析

電火花震源與井炮對(duì)比，電火花震源在淺層有較大的干擾，資料經(jīng)過去噪處理后，原始資料上的一些井筒干擾以及低頻干擾得到了明顯的消除，Z分量上行縱波反射同相軸更加明顯。為消除非地質(zhì)因素對(duì)地震波振幅的影響，使其真正反映地下阻抗界面的反射特征，利用下行直達(dá)波提取tar值，補(bǔ)償?shù)卣鸩ㄔ趥鞑ミ^程中地層的吸收衰減，并利用真振幅補(bǔ)償?shù)奶幚矸椒ǎㄋ惴ǎ┙鉀QVSP記錄振幅能量在時(shí)間和空間上的差異。從圖5可以看出，振幅補(bǔ)償后電火花震源VSP記錄Z分量的振幅能量在縱向上和橫向上都得到了很好的補(bǔ)償，相比炸藥震源的Z分量記錄，電火花震源深層裸眼井段的Z分量記錄上行反射波的連續(xù)性變差，受井筒條件的影響更大。

圖5 電火花震源Z分量噪音衰減后與振幅補(bǔ)償后對(duì)比圖

采用的中值濾波方法對(duì)振幅補(bǔ)償后的Z分量進(jìn)行波場(chǎng)分離，首先利用縱波初至將下行縱波拉平，用中值濾波法將拉平的下行縱波視為干擾分離；再將上行縱波動(dòng)校拉平，仍然用中值濾波法將上行縱波分離出來，通過波場(chǎng)分離后的上行縱波波組特征較清楚，同相軸連續(xù)，可用于后續(xù)的疊加或成像處理（圖6）。

圖6 電火花震源波場(chǎng)分離后Z分量記錄剖面

從初至及其后50～100 ms之間截取走廊，走廊的寬度盡量避開干擾成分，消除干擾對(duì)走廊疊加的影響，同時(shí)也考慮相應(yīng)地震剖面的波組特征，對(duì)雙程時(shí)間剖面進(jìn)行了有選擇的切除，以便與地震剖面波組特征的相關(guān)性最好，最終得到縱波走廊疊加剖面的波組特征清楚，信噪比較高。通過將井炮記錄處理得到的走廊疊加剖面和通過電火花記錄處理得到的走廊疊加剖面進(jìn)行帶通濾波（4-8-50-80 Hz）后（保持與過井地震剖面相同的頻寬），并校正到與三維地震剖面同一基準(zhǔn)面，然后同時(shí)嵌入到過井三維地震剖面中，從圖7可以看出，無論是井炮還是電火花，所得到的走廊疊加剖面與過井地震剖面之間主要目的層的波組特征與能量關(guān)系基本一致。但是電火花震源在淺層500 ms以上以及深層2 200 ms以下的走廊疊加剖面與地震剖面的波阻差異性相對(duì)更大。

圖7 走廊疊加剖面與過井剖面對(duì)比分析圖

從上述分析可以看出點(diǎn)火花震源資料處理獲得的走廊疊加剖面與井炮資料處理后得到的走廊疊加剖面特征差別較小，此外利用該井聲波測(cè)井資料制作合成記錄并與電火花震源VSP走廊疊加剖面及過井地震時(shí)間偏移剖面放在一起進(jìn)行對(duì)比分析（圖8），合成記錄（不同頻率雷克子波合成地震記錄）、走廊疊加剖面和地震剖面上主要地質(zhì)層位波組特征一致性也較好。須家河組底地震響應(yīng)特征顯示為波峰、二疊系龍?zhí)督M底地震響應(yīng)特征顯示為波峰、二疊系梁山組底地震響應(yīng)特征顯示為波谷、五峰組底地震響應(yīng)特征顯示為波峰。

圖8 VSP走廊疊加剖面與合成記錄對(duì)比

5 結(jié)論

電火花是一種低能疊加激發(fā)震源[21]，從在四川盆地現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)表明，采用800 KJ電火花震源獲取VSP原始資料主頻可達(dá)30 Hz，總能量特別是深層能量較弱，其分辨率和信燥比都略低于炸藥震源，深層記錄的有效反射波不明顯，提高電火花震源的能量利用率較為關(guān)鍵。

此外電火花震源子波的穩(wěn)定性容易受到現(xiàn)場(chǎng)激發(fā)環(huán)境的影響而變差。但電火花震源相比炸藥震源更加安全與環(huán)保，采用電火花震源激發(fā)獲得的VSP資料Z分量初至波起跳干脆、清晰，上行波和下行波關(guān)系清楚、可靠，處理后獲得的走廊疊加剖面與合成記錄和地震剖面上主要地質(zhì)層位波組特征一致性較好，因此相比炸藥震源，電火花震源在四川盆地中淺層VSP勘探中可以起到很好的補(bǔ)充作用.

當(dāng)儲(chǔ)層深度大于3 500 m時(shí)，建議采用炸藥震源或更高功率的電火花震源。