平原复杂地表采集区震源研究

2013-08-20曹国滨中石化胜利石油管理局地球物理勘探开发公司山东东营257086

石油天然气学报 2013年5期

曹国滨（中石化胜利石油管理局地球物理勘探开发公司，山东东营257086）

随着油田勘探程度的不断深入，地质任务要求越来越高，而地表条件越来越复杂，给地震采集造成了很大的困难。复杂地表和复杂地质体的 “双复杂”问题严重制约了地震采集的效果，影响了高品质地震资料的获取。激发作为地震采集的关键环节，受 “双复杂”问题影响尤为严重，主要表现在3个方面：①平原复杂地表采集区障碍物类型众多，包括城区、乡镇、厂矿、养殖区等，而且范围和面积不断扩大，出于安全因素，小药量采集方式大量增加，严重影响地震资料信噪比，甚至由于无法激发造成地震资料浅层缺口；②小断块、低幅构造等复杂地质体勘探对地震资料分辨率要求较高，也对激发震源提出了较高的要求；③地震采集向着大道数、高密度发展，高密度的观测系统形式在平原复杂地表采集区实现难度较大，尤其是许多炮点不得不采取变观的方式激发，在一定程度上损失了目的层的覆盖次数，观测系统属性难以完全满足设计要求。复杂地表的激发需要减少上传能量，最大限度地减小对地表建筑物的破坏；同时增强下传能量，确保得到高信噪比和高分辨率的地震资料。为此，笔者针对平原复杂地表采集区减震震源和地下震源进行研究，对比不同结构、不同壳体和不同药型的8种震源的激发效果，选取最佳的激发方式。

1 减震震源研究

1.1 减震原理研究

1）垂向延期多点起爆对地表的减震分析垂向延期多点起爆时，由于小药量垂向分散装药，其垂直向下的能量可以通过精确的延期时间叠加在一起；而各级分散装药的单级药柱爆炸后，其能量分先后次序到达地表，是不能叠加在一起的，使一个大的能量分解成多个不同时间到达地表的小的能量，因此对地表的震动破坏程度会降低，这是其他结构方式的炸药震源难以做到的。两级炸药的间隔距离越长，延期时间越长，对地表的破坏程度越小，所以应尽量加大药柱之间的距离。

2）超速聚能对地表的减震分析超速聚能是通过装药结构的改变，使得聚能角无限小，起爆后爆轰产物向药柱的轴线方向集中，汇聚成一股高速高压的气流，这种气流称为超聚能气流，速度可以达到一般聚能气流的6～9倍，具有很高的能量密度；同时由于气流的汇聚压缩，冲击波的能量得到提高，通过增加下传能量从而减少上传能量，最终实现对地表的减震。

1.2 数值模拟分析

1）延迟叠加震源数值模拟分析垂向延期多点起爆，地震波分次分期到达地表，数值模拟选用三级装药（0.5kg＋0.5kg＋0.5kg）。取距离井口1m处模拟压力时间曲线（图1），可以看出地表压力出现了3个峰值，这是因为有3个震源点，这3个峰值并没有叠加在一起，而是分散开来，达到了震源向上压力分散的目的，起到了减震的效果。

2）超速聚能震源与普通震源数值模拟对比分析对比超速聚能与普通爆轰的压力变化，数值模拟选用30m井深、3kg药量。取距离井口10m处的模拟压力时间曲线，超速聚能震源应力波的压力极大值pmax＝2.33444×10－5MPa，而普通震源应力波的压力极大值pmax＝2.40129×10－5MPa，说明超速聚能震源对地表的破坏能力低，达到了对地表的减震效果。

图1 距井口1m处压力时间曲线

2 地下震源研究

2.1 增加下传能量的研究

炸药在岩土中爆炸时，岩土的破裂、破碎及抛掷是爆炸应力波和爆生气体共同作用的结果，爆破能量是通过冲击波和爆生气体传递给岩土的。炸药爆炸产生的总的爆破能量可分为冲击波能量和爆生气体膨胀能量，前者主要消耗在岩土变形、开裂和形成粉碎区上，后者主要用于扩胀爆腔、延伸裂隙和抛掷岩土上。也就是说爆炸冲击波能量主要消耗在扩胀爆腔、产生裂隙和引起岩土弹性变形上，因此要增加爆炸冲击波能量[1]。

2.1.1 垂向延迟叠加原理

假设两质量相等、爆速相同的球形装药在同一介质中垂向延期起爆，二级装药在一级装药的冲击波传播到二级装药时起爆，两级装药之间的间隔距离为L（m）。压力衰减方程为：

式中：p1、p2分别为一级冲击波压力峰值和二级冲击波压力峰值，MPa；pm为冲击波对孔壁的初始压力峰值，MPa；r0为炸药的初始半径，m；Rc为粉碎区的半径，m；α为衰减系数，1。

叠加后的压力（p）可表述为：

若仅考虑波的压力峰值的作用，则：

两级爆炸后冲击波转换成地震波的能量[2]为：

式中：Es为地震波能量，106N；E为弹性模量，MPa；λ为泊松比，1。

同理可得，三级或多级药柱垂向延期起爆叠加后的压力，因此利用垂向延迟叠加原理可以有效提高下传能量。

2.1.2 超速聚能原理

依据聚能理论的基本关系式[3]：

式中：v1为射流速度，m/s；v0为金属罩微元汇流速度，m/s；α为聚能角，（°）。

在聚能爆炸时，当聚能角α越小，爆炸后射流速度越高；当聚能角α无限小时，理论射流速度无限大，即超速聚能。

2.1.3 药型研究

通过改变不同药型来改变激发能量，例如合理搭配钢壳TNT、硝酸铵、黑索金、钝化泰安等药型的配比，从而改变不同震源的爆速、猛度、威力、感度等爆炸性能，起到增加激发能量的目的。

2.2 提升主频及拓宽频带的研究

2.2.1 激发子波的强度分析

激发子波首先要求有足够的强度，在此基础上才能讨论频率。根据经验公式，激发子波的强度或振幅与药量的立方根成正比[3]，即：

式中：A为振幅；c1为常数；Q为药量。

从式（6）可以看出，A随Q的增大而增强，但不是线性的关系。随Q不断增大，A的增加越来越平缓；当Q大于某个值之后，Q再增大，A的增量很小，即所谓A随Q的增大有个极限值。

2.2.2 激发子波的频率分析

根据经验公式，激发子波的频率（f）和峰值频率（fp）与Q的立方根成反比，即：

式中：c2、c3为系数。

它是一条反比例曲线，当Q较小时，fp较高；随Q增大，fp很快变低，但在Q大于某个值后，再增加Q值，f变化很小。

通过以上分析认为，存在着药量与频率的矛盾关系，小药量虽然能增大地震波主频，但其能量较小，来自深层的反射信号十分微弱，影响采集质量，而能量过大又会导致地震波频率变低，降低分辨率。

2.2.3 解决方法

1）采用延迟爆炸法。一般认为，随着药量的加大，各频率成分都得到一定程度的提高，只是低频成分的幅值要比高频的幅值增加的多，这表明增大药量对于获得深层的高频信号是有一定作用的，只是它的作用相对有限。利用延迟爆炸的方法可以有效地解决该问题。采用多个小药量炸药连续激发，不会因为药量的增大而使地震波的主频和频宽迅速减小。

2）改变炸药结构及药型。通过改变炸药的不同结构类型、不同壳体材料（钢壳、塑壳）、同结构不同性质等改变震源的频率。

3 实际效果分析

根据以上平原复杂地表采集区的减震震源和地下震源的分析和研究，研制了不同结构、不同壳体和不同药型的8种震源，在永新地区进行试验（见表1），炸药量均为2kg，井深为12m，延迟震源为15m，保证激发顶端深度相同。

表1 永新地区炸药震源试验类型

3.1 能量对比分析

从浅层不同震源能量量化图（图2（a））可以看出，能量排序为：常规延迟震源＞塑壳高能超速聚能震源＞高能常规震源＞钢壳TG50超速聚能震源＞常规震源＞钢壳TNT超速聚能延迟震源＞钢壳TNT超速聚能震源＞塑壳TNT超速聚能震源。从深层不同震源能量量化图（图2（b））可以看出，能量排序为：高能常规震源＞常规延迟震源＞塑壳高能超速聚能震源＞常规震源＞钢壳TG50超速聚能震源＞钢壳TNT超速聚能震源＞钢壳TNT超速聚能延迟震源＞塑壳TNT超速聚能震源。

图2 不同震源能量量化分析

1）钢壳震源对比 ①钢壳TG50超速聚能震源能量最强，说明改变药型（TNT50%，黑索金50%）能够有效提高激发能量；②在浅层钢壳TNT超速聚能延迟震源强于钢壳TNT超速聚能震源，而在深层恰恰相反，说明延迟震源能量衰减较快。

2）塑壳震源对比塑壳高能超速聚能震源的能量明显强于常规震源，而塑壳TNT超速聚能震源能量弱于常规震源，说明改变药型（TNT35%，钝化泰安65%）能够有效提高激发能量，塑壳本身不能增加激发能量。

3）钢壳与塑壳震源对比无论从浅层还是深层看，钢壳TNT超速聚能震源均明显强于塑壳TNT超速聚能震源，说明改变壳体材料（钢壳）能够有效提高激发能量。

4）常规震源对比 ①常规延迟震源和高能常规震源能量均强于常规震源，说明改变震源结构（二级一延迟）和改变药型（TNT35%，钝化泰安65%）均能够有效提高激发能量；②在浅层常规延迟震源能量强于高能常规震源，而在深层相反，说明延迟结构震源能量衰减较快。

5）高能震源对比在浅层塑壳高能超速聚能震源的能量强于高能常规震源，而在深层则相反，说明超速聚能结构能够有效提高激发能量，但是随着目的层加深能量衰减较快。

3.2 频率对比分析

进行解编、滤波、开时窗（1500～1700ms，460～470道）频谱分析、单道谱分析、道集内频率分析、道集间时频分析、子波分辨率分析，最后对频率作综合评价。不同震源频率排序为：钢壳TNT超速聚能延迟震源＞塑壳高能超速聚能震源＞钢壳TG50超速聚能震源＞常规延迟震源＞常规震源＞高能常规震源＞钢壳TNT超速聚能震源＞塑壳TNT超速聚能震源。

1）高能震源对比塑壳高能超速聚能震源的子波一致性和分辨率均好于高能常规震源，说明超速聚能结构有效地提高了地震资料分辨率。

2）钢壳震源对比 ①钢壳震源的频宽基本上均高于常规震源，说明钢壳结构显著地拓宽了激发子波的有效频带；②钢壳TG50超速聚能震源和钢壳TNT超速聚能延迟震源的主频和有效频带均高于常规震源，说明延迟结构和药型改变（TNT50%，黑索金50%）有效地提升了地震资料频率；③钢壳TNT超速聚能延迟震源的子波一致性及分辨率好于钢壳TG50超速聚能震源，说明了延迟结构对于地震子波的分辨率要好于药型的改变（TNT50%，黑索金50%）；④钢壳TNT超速聚能震源的子波一致性及分辨率相比常规震源差，说明药型（TNT80%，硝酸铵20%）降低了地震资料频率。

3）塑壳震源对比 ①与常规震源相比，塑壳TNT超速聚能震源的主频最低，子波分辨率最差，说明了塑壳结构降低了频率和激发子波的分辨率；②塑壳高能超速聚能震源的子波一致性及分辨率最好，而说明高能药型（TNT35%，钝化泰安65%）能够有效提高资料分辨率。

4）常规震源对比常规延迟震源的有效频带及子波分辨率好于高能常规震源，高能常规震源好于常规震源，说明了延迟震源结构对于有效频带的拓宽效果最好，其次是高能药型（TNT35%，钝化泰安65%）。