刘 伟 李 彪 陈凯滨 张婧瑶 胡 峰 杨智超 肖 玮 杨 平

1.中国石油东方地球物理公司西南物探分公司 2.中国石油西南油气田公司致密气项目部

0 引言

炸药震源是陆上地震勘探最常用的震源，其药量选取和不同的激发岩性直接影响到激发效果[1-3]。同时地震子波主频越高，频带越宽，能量越高，激发效果就越好[4]。而延迟激发技术能够分散药包，实现小药量间隔一定时间，地震波前面在垂直向下方向实现能量叠加，产生优质的子波。2003年谭绍泉等[5]对震源延迟叠加技术进行了理论研究，2004年于世焕等[6]在三维高分辨率地震勘探中首次应用延迟震源技术进行探索研究。但前人的延迟激发存在一定的局限性：①靠改变爆破索长短来控制延迟时间，延迟激发实现工艺粗略，延迟激发时间不精确，未达到波前面相切，增加下传能量的目的；②小药包之间的间隔未考虑炸药破坏半径；③延迟激发只是在资料信噪比高的泥岩进行应用，在激发条件极差的石灰岩区没有进行相关试验和研究。同时由于实现工艺等原因，该项技术在四川盆地未得到推广应用。

因此，笔者在前人的研究基础上，针对四川盆地东部高陡构造石灰岩和砂泥岩激发地区，采用较精确的延时时间、充分考虑爆炸半径和准确的间隔距离并还原真实地层物理属性等，对延迟激发技术进行充分论证和严格的试验质量控制，获得了真实的试验数据和可靠的研究结论。

1 延迟爆炸叠加激发技术

1.1 常规井炮激发

爆炸理论经验表明，在均匀各向同性介质中，点震源炸药爆炸后的波前面是球面，能量均匀分散在球面上；在实际地表中，点炸药震源爆炸后的波前面是椭球体，能量传递与地下介质的密度有密切关系，疏松（密度低）的介质对弹性波的能量吸收快，地震波的大部分能量向上传递，被疏松的介质吸收[7]。

在四川盆地川中泥砂岩地区和川西北部石灰岩地区实际地震勘探中的地震记录中，每一个地区选取相邻5炮，提取原始总能量和有效下传能量，对比分析表明泥砂岩地区能量下传率为40%左右，石灰岩地区能量下传率为25%左右。这是因为震源下部灰岩岩石密度比上部的风化层表土密度高数倍，炸药激发瞬间，激发能量绝大部分散失在风化层表土内。这也是石灰岩区地震波能量弱的主要原因。

众所周知，随着激发药量的增大，爆炸产生的弹性波能量会随之增加，但爆炸时形成的破碎空间也随着增大，消耗的能量也随之增多，当药量增大到一定程度时，弹性波能量的增大幅度就很小[8]。激发药量大，则激发能量强、激发主频低、频宽窄；激发药量小, 则激发能量弱、激发主频高、频宽宽。

常规整装炸药激发，随着激发药量的增大，激发能量虽强，但激发主频低，频宽就窄，不利于产生理想的弹性子波。而延迟激发，既保障激发子波的能量，又确保了激发子波具有主频高、频带宽等优势。图1是延迟激发能量包络图，多级延迟激发通过小药量从上往下间隔一定时间激发，在垂直向下的方向上波切面相切，同向叠加增加下传能量，且小药量激发能够产生高主频、宽频带的地震子波，各小药量震源的波切面到达地面时间不同，降低了横向振动强度，对地面障碍物的危害更小。

图1 延迟激发能量包络图

1.2 延迟激发技术原理

在常规地震勘探中，地震波入射角通常较小，炸药延迟爆炸激发时，由入射角所引起的地震波波形及其频谱畸变十分微小。研究结果表明：相同药量条件下，采用延迟爆炸激发方式可增大地震波下行能量、提高地震波主频、拓宽地震波频宽[5]。炸药激发的方向性或炸药围岩的不均匀性是引起地震波传播方向性的重要因素，长药柱激发或组合激发时，地震波的传播往往存在方向性[9]。当组合基距或长药柱的爆速适当时，这种方向性不会对地震记录产生明显影响，如果激发参数选取不合适或激发条件不好，就会对浅中层的大倾角反射波产生明显影响，破坏地震记录的一致性。点震源激发技术是解决地震波传播方向性的理想技术，但受钻井技术限制，不可能将大药量的炸药做成点震源放进井中进行激发；延迟爆炸技术是充分考虑点震源优势及长药柱地震波传播方向性差等因素提出来的激发理论，是解决地震波传播方向性的有效技术，通过人为控制各炸药间隔和起爆时间来控制地震波传播的方向。延迟激发技术试验表明：①地震波方向性影响达到最小，在垂直向下的方向上各炸药波切面相切达到增加下传能量，在水平方向上，沿地面传播的地震波到达的波切面是分散的，波切面无法同向叠加，从而降低地面振动；②小药量提高激发主频，有效拓展高频频宽，有利于高分率勘探[10]。

图2是多级间隔装药延迟激发技术的装药结构及波前轨迹示意图。从实现工艺而言，延迟激发技术就是把每节分散的小药包都可以看作点源，由延迟雷管和小药包组成1级，各级之间间隔一定的距离，同时起爆，因延迟雷管作用，产生垂向波前面相切的同相位叠加地震波。

图2 多级间隔装药激发1 ms后的波切面对比图

1.3 多级延迟激发波叠加分析

在延迟爆炸过程中各爆炸单元所产生的地震波波前面，在垂直向下方向，各单元炸药所激发的地震波正好同相叠加，其能量达到最大；其他方向上各波前面之间由于存在时差，该时差随着入射角的增大而增大，平行于地表方向的时差值最大。入射角为0°时，即垂直向下方向，质点震动时差为0，并且随着传播时间的增加，质点之间震动时差一直为0；但随着入射角增大，达到90°（水平方向）时，质点震动时差最大，并且随着传播时间增加，质点之间的震动时差会越来越大。

图3是延迟激发水平方向不同传播时间质点震动图。

图3 延迟激发水平方向不同传播时刻质点位置图

当t=3 ms时刻（第3药包起爆1ms时），tA≈ 2.23 ms，tB≈ 1.73 ms，tC=1.0 ms，那么tA-tB≈ 0.5 ms，tA-tC≈ 1.23 ms，tB-tC≈ 0.73 ms。

当t=4 ms时刻（第3药包起爆2 ms时），tA'≈ 3.46 ms，tB'≈ 2.82 ms，tC'=2.0 ms，那么tA'-tB'≈ 0.64 ms，tA'-tC'≈ 1.46 ms，tB'-tC'≈ 0.82 ms。

当t=5 ms时刻（第3药包起爆3ms时），tA''≈ 4.58 ms，tB''≈ 3.87 ms，tC''=3.0 ms，那么tA''-tB''≈ 0.71 ms，tA''-tC''≈ 1.58 ms，tB''-tC''≈ 0.87 ms。

随着传播时间（传播距离）越大，在水平方向上3个波的波切面位移越拉越大！地震波不同时刻到达地表障碍，减少了对地面障碍物的震动强度。

1.4 延迟激发设计约束因素

要实现在同一口井的多个小药量炸药依次起爆，达到在垂直向下方向上各波前面相切，下传能量增加，不伤害小药量产生的频率特性，水平方向地面震动强度弱，同时，充分考虑小药量炸药爆破的爆破半径以及炸药的殉爆距离等因素，综合起来实现多级延迟激发需要达到如下3个激发工艺要素：①一级装药形成的冲击波到达二级装药的最佳延迟时间由炸药的间隔距离和冲击波在地层的传播速度决定，调整间隔距离可获得最佳的延迟时间；②炸药爆炸的粉碎圈半径，级间装药间距应大于一级装药爆炸后形成的破坏半径；③不被冲击波或电磁感应而被起爆的距离，级间装药间隔应大于炸药爆炸殉爆距离。

影响延迟激发效果的参数主要为延迟级数、延迟时间和药间距。延迟级数也就是激发药柱越多则成本越高；延迟时间与药间距是成正比的，药间距越大，延迟时间越长。过长的药柱或大药量不利于中浅层高分辨率地震勘探，也不利于施工，要根据勘探目标和激发介质综合确定延迟参数。研究和试验表明：①对中浅层而言，多级小药量小延迟时间是提高分辨率的首选，这既能满足最佳岩性段的要求，又可激发出宽频带的地震子波；②对深层而言，在总药量一定的前提下，适当增加延迟级别可提升反射频率，在激发层段允许的情况下，适当加大延迟间隔有助于提高地震记录的信噪比。

2 延迟激发技术的应用效果

地震勘探井中激发炸药的药型和药量决定地震资料品质[11]，笔者首次将延迟激发技术应用于川东地区侏罗系泥岩区和三叠系石灰岩区进行探索实验，采集参数采用观测系统24L6S180R，纵向排列方式4475-25-50-25-4475，接收道距50 m，单排列接收道数180道，总接收道数4320道。资料分析抽取近排列和远排列进行定性和定量对比，通过资料分析，获得了该技术在不同构造特性、复杂近地表[12]地震地质条件下的单炮资料品质认识。由于炸药在井中激发过程复杂多变，延迟激发应用更要精准匹配延迟激发工艺三要素，笔者在四川盆地先导性开展二级延迟激发的综合应用，探讨其激发效果。

2.1 延迟激发技术实现工艺

延迟时间精度是实现延迟激发技术实验成功与否的首要因素，笔者同时与国内专业雷管制造公司共同研制出高精度的延迟雷管装置（图4），延迟雷管装置为延迟激发技术在四川盆地的成功应用打下了基础。

图4 延迟雷管装置设计及实物照片

为了精确控制药包之间的间隔距离和最大程度还原间隔岩性，采用震源药柱空管内部填满钻井岩屑并压实，在闷井时将 钻井岩屑填补炸药和井壁的空隙，达到还原原始地层物性。依据延迟激发理论和延迟激发实现的关键三要素，结合试验点近地表调查结果，笔者设计了延迟时间为1 ms的不同地层的级间距离。在侏罗系泥岩区级间距选择1.8 ～2.2 m适宜，在嘉陵江灰岩区级间距选择在2.5～3.2 m适宜（表1）。

表1 地层延迟时间与级间距表

2.2 延迟激发资料品质分析

在四川盆地川东地区泥岩区[13]，采用相同排列接收，相同井深，相同总药量，相同延迟时间，不同间隔距离进行延迟激发和常规单体激发实验。实验点近地表模型分为两层，表土低速层厚度2.56 m，速度651 m/s，泥岩速度1913 m/s。实验井深均为15 m，炸药总药量6 kg，延迟激发时将炸药制作成两个3 kg药包，药包间隔距离134 cm、167.5 cm、201 cm、234.5 cm，延迟时间设置成1 ms。

图5是侏罗系泥岩的常规整体激发和延迟激发单炮优势频段记录，图6是原始单炮记录能量图和提取的子波频谱图。从激发能量上看，侏罗系泥岩区延迟1 ms、药包间隔201 cm延迟激发单炮的视能量最强，能够见到明显的有效反射；从有效反射上看，主频段单炮记录显示，延迟1 ms、药包间隔201 cm延迟激发单炮目的层同相轴最连续，明显优于常规单体激发的单炮记录；从激发频率上看，延迟激发单炮激发频率高，频带宽，延迟1 ms、药包间隔201 cm延迟激发单炮在高频端频率特性明显优于常规激发的单炮频率特性，药包间隔201 cm子波主频62 Hz，频宽28～106 Hz，类比常规记录提高了14.3%，主频提高了7%，频宽在高频端拓展5%。实验表明：采用在适合的延迟时间和间隔距离延迟激发在四川盆地泥岩区能够获得高分辨的原始记录。

图5 侏罗系泥岩单炮记录高频段剖面展示图（50～100 Hz）

图6 侏罗系泥岩单炮记录能量及子波频谱展示图

在川东地区灰岩区，采用相同排列接收，相同井深，相同总药量，相同延迟时间，不同间隔距离进行延迟激发和常规单体激发实验，获得不同激发工艺技术的地震资料原始单炮记录。实验点近地表模型分为3层，表土低速层厚度1.26 m，速度361 m/s，降速层厚度3.25 m，速度1 021 m/s，灰岩速度3 016 m/s。实验井深均为18 m，炸药总药量12 kg，延迟激发时将炸药制作成两个6 kg药包，药包间隔距离167.5 cm、201.0 cm、234.5 cm、268.0 cm，延迟时间设置成1 ms。

图7是三叠系石灰岩的常规整体激发和延迟激发单炮优势频段记录，图8是原始单炮记录能量图和提取的子波频谱图。从激发能量上看，三叠系石灰岩区延迟1 ms、药包间隔268 cm延迟激发单炮的视能量最强，能够见到明显的有效反射，定量分析单炮能量最强；从有效反射上看，主频段（20～40 Hz）单炮记录显示，延迟1 ms、药包间隔268 cm延迟激发单炮目的层同相轴最连续，明显优于常规单体激发的单炮记录；从激发频率上看，延迟激发单炮激发频率高，频带宽，延迟1 ms、药包间隔268 cm延迟激发单炮在高频端频率特性明显优于常规激发的单炮频率特性，类比单体激发记录能量提高了35.8%。主频提高了5%，频宽拓展了3%。实验表明：采用在适合的延迟时间和间隔距离延迟激发在四川盆地石灰岩区能够获得高信噪比的原始记录。

图7 三叠系灰岩岩单炮记录主频段剖面展示图（20～40 Hz）

图8 三叠系灰岩单炮记录能量及子波频谱展示图

2.3 延迟激发地面震动强度分析

采用爆破测振仪实测延迟激发和常规连续装药瞬发的地面振动数据。爆破测振仪测试时，仪器距离激发井要求相同的距离，振动监测峰值可以看出，在总药量相等情况下，延迟激发的地面振动较常规单体装药瞬发激发峰值降低。图9 是侏罗系泥岩和三叠系石灰岩不同激发对地面的震动强度。在侏罗系泥岩区所有延迟激发的对地面的震动强度都低于单体常规激发的震动强度，延迟1 ms间隔201 cm激发地面震动强度只有常规强度的57%，而单炮记录的能量比常规激发能量强；在三叠系石灰岩区所有延迟激发的对地面的震动强度都低于单体常规激发的震动强度，延迟1 ms间隔268 cm激发地面震动强度只有常规强度的66%，而单炮记录的能量比常规激发能量强。充分证明，延迟激发技术激发炸药震源，降低对地面的震动强度，有利于在过障碍区炮点布设可以更靠近障碍物，提高观测系统属性的均匀性[14]。

图9 不同激发方式对地面的震动强度展示图

3 结论

1）延迟激发技术无论在四川盆地侏罗系泥岩还是在三叠系石灰岩，采用合适的延迟激发参数都能够获得强能量、高信噪比、高分辨率的原始资料。

2）延迟激发瞬间对地面的地震强度低于常规单体激发瞬间对地面的震动强度，避免地震勘探因震动引起的民事纠纷，而且炮井位置靠近障碍物更近，提高了炮井位置的正点率，炮井分布更均匀化，过障碍观测系统属性更均匀，地震资料有利于开展地震属性分析。