刘 飞 秦 俐 李敬益 马 路 谭 兴

中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司新兴物探开发处西南经理部

0 引言

近年来垂直地震剖面（VSP）[1-2]技术在四川盆地深层与非常规油气藏的勘探开发中发挥出重要作用[3-6]。目前四川盆地VSP勘探主要采用炸药震源激发。炸药震源激发的优点是单次激发能量强，可采集到较强的地震波，输出振幅一致性好（稳定）、频谱较宽[7]，高频成分比较丰富、分辨率高，缺点是震源子波的重复性难以保证，也存在环保和安全问题的困扰。非炸药震源主要包括可控震源、气枪震源及电火花震源等[7-8]。可控震源激发的震源子波重复性好，能量一致性较好，信号频率范围可以调节。但过去四川盆地受限于道路运输的影响，可控震源在VSP勘探中使用较少。近年随着可控震源设备的改进和四川盆地交通路况的改善，可控震源VSP数据采集应用逐渐增加[9-10]，使用电火花震源的VSP勘探也提上了日程，与炸药等其他震源相比，电火花震源具有环境危害小、能量可扩充、操作安全等优点[11-13]，在四川盆地VSP勘探中开展试验意义重大。

1 电火花震源激发原理

电火花震源是一种将电能转化为机械能的装置[14]，电火花震源研究的始于50年代，早期的研究存在诸多问题，经过21世纪初期的不断技术革新，近年来电火花震源的研究日趋成熟，已成为海洋领域的研究热点[15]。无论是海洋电火花震源，还是陆地电火花震源，虽然在冲击力的形成过程中不大相同，但其基本原理大致相同[16]，即首先将电能存储在电容器中，然后通过脉冲放电，在置于水中的2个距离很近的电极处产生电弧（电火花）放电，电弧将电极周围水体汽化，从而产生冲击压力，在介质中激发弹性波。电火花震源是一种非爆炸震源，可替代炸药作为地震勘探震源，可用于地震反射、折射、测井、跨孔CT等地震勘探。

此次试验采用TDS800KJ型高功率电火花震源，由4个子系统组成，即逻辑控制子系统、控制回路子系统、充电回路子系统和放电回路子系统。逻辑控制子系统主要实现人机交互的目的，由PLC和触摸屏来实施；控制回路子系统通过控制器实现安全升压，同时包含漏电、过流、过压、缺相等保护模块，实现对整个系统的安全控制；充电回路子系统由保护器、储能器2个模块组成，储能器主要功能是将电能安全储存，并提供脉冲放电功能，保护器具有断电防护功能，当外部电源故障断电时，保护器立即进入安全保护状态，将储能器中的电能释放。放电回路子系统：此系统含触发同步器、点火器、放电电极3个模块，主要实现由外部触发信号对储能器点火放电过程的控制（图1）。

图1 TD-Sparker（TDS）电火花震源结构原理展示图

电火花震源可在井中激发,也可在地面激发[17-18]，其激发环境要求放电电极必须处于水体之中。在陆地上使用电火花震源时，则必须创造电火花震源激发的水环境（打井或钻孔，然后注水）。水体环境对电火花激发能量影响很大，水体中的杂质，如泥沙、淤泥使得汽化不完全，会影响激发效果[12]。在水域中放电电极沉放深度是影响电火花激发效果的主要因素之一，在井中激发时，炮孔灌满清水时效果最佳[19-20]。电火花震源激发点的深度对检波器接收能量有较大的差别，此外松散地层对地震波的吸收较大[20]，与使用炸药震源相比，同样的勘探深度需要更大能量的电火花震源。

2 电火花震源试验目的

目前四川盆地VSP勘探通常采用炸药震源进行激发，炸药震源能量强，可以满足不同井深的VSP数据采集需求，但由于四川盆地地形复杂、农耕密集，有必要寻求施工更安全、成本更低、环保更友善的震源。理论上电火花震源在安全性、环保性、可控性方面相比炸药震源更具优势，为了验证电火花震源是否可替代炸药震源用于VSP勘探以及在什么条件下可替代，专门在四川盆地泸州区块北部开展了电火花震源的试验。

试验井目的层为上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩储层，埋深4 000～4 500 m，地表出露中侏罗统沙溪庙组暗紫及紫红色砂质泥岩夹薄层砂岩，底部为叶肢介页岩，井炮的激发条件较好。

电火花震源试验过程中使用6级GEOCHAIN数字检波器井中接收，接收深度60～4 000 m，上、下相邻两级检波器之间用级间电缆软连接、级间距20 m，记录长度5 s，激发井3个，井深3 m，激发时井中灌满清水，激发井源距103.99～106.90 m。

该井在进行电火花震源VSP资料采集的同时，进行了常规炸药震源激发VSP 资料的采集，炸药震源采用相同级数相同型号的三分量数字检波器井中接收，接收深度100～4 050 m。通过在同一口井进行电火花震源和炸药震源VSP 采集资料的对比分析（电火花震源和井炮震源激发点处地表均出露沙溪庙组砂泥岩地层），更有利于评价电火花震源在四川盆地VSP 资料采集中的适应性（图2）。

图2 电火花震源与井炮震源VSP资料采集位置示意图

3 原始资料面貌特征

从电火花震源VSP原始Z分量记录(图3)可以看出，初至波起跳干脆、清晰，上行波和下行波关系清楚、可靠，中浅层上行反射纵波特征明显，初至一致性较好；深层（裸眼井段＞3 107 m）上行反射纵波能量较弱，记录的有效反射波不明显，初至一致性相对中浅层变差。电火花主频在32 Hz左右, 频带范围10～80 Hz，主要存在井口道干扰、单频干扰、背景干扰等。相比炸药震源，电火花震源主频偏低，有效频宽偏窄，均方根振幅能量约为炸药震源的1/10，炸药震源上行反射纵波层间波阻特征更加明显。

图3 VSP资料原始Z分量记录对比图

通常可控震源由于激发的重复性、可控性，理论上往往比炸药震源激发产生的子波更加稳定。但从此次电火花震源资料VSP资料原始Z分量下行直达波提取的子波记录来看（图4），子波之间的差异性相对较大，说明电火花震源在实际使用过程中易受现场施工环境的影响，子波并不是十分稳定，激发重复性稍差。因此为了提高电火花震源在VSP资料采集中的应用效果，需要进一步对电火花震源进行现场试验，摸清影响电火花震源子波稳定性的因素，加强改进，从而发挥电火花震源独特的优势。

图4 电火花震源VSP资料原始Z分量下行直达波提取子波记录图

4 资料处理后特征分析

电火花震源与井炮对比，电火花震源在浅层有较大的干扰，资料经过去噪处理后，原始资料上的一些井筒干扰以及低频干扰得到了明显的消除，Z分量上行纵波反射同相轴更加明显。为消除非地质因素对地震波振幅的影响，使其真正反映地下阻抗界面的反射特征，利用下行直达波提取tar值，补偿地震波在传播过程中地层的吸收衰减，并利用真振幅补偿的处理方法（算法）解决VSP记录振幅能量在时间和空间上的差异。从图5可以看出，振幅补偿后电火花震源VSP记录Z分量的振幅能量在纵向上和横向上都得到了很好的补偿，相比炸药震源的Z分量记录，电火花震源深层裸眼井段的Z分量记录上行反射波的连续性变差，受井筒条件的影响更大。

图5 电火花震源Z分量噪音衰减后与振幅补偿后对比图

采用的中值滤波方法对振幅补偿后的Z分量进行波场分离，首先利用纵波初至将下行纵波拉平，用中值滤波法将拉平的下行纵波视为干扰分离；再将上行纵波动校拉平，仍然用中值滤波法将上行纵波分离出来，通过波场分离后的上行纵波波组特征较清楚，同相轴连续，可用于后续的叠加或成像处理（图6）。

图6 电火花震源波场分离后Z分量记录剖面

从初至及其后50～100 ms之间截取走廊，走廊的宽度尽量避开干扰成分，消除干扰对走廊叠加的影响，同时也考虑相应地震剖面的波组特征，对双程时间剖面进行了有选择的切除，以便与地震剖面波组特征的相关性最好，最终得到纵波走廊叠加剖面的波组特征清楚，信噪比较高。通过将井炮记录处理得到的走廊叠加剖面和通过电火花记录处理得到的走廊叠加剖面进行带通滤波（4-8-50-80 Hz）后（保持与过井地震剖面相同的频宽），并校正到与三维地震剖面同一基准面，然后同时嵌入到过井三维地震剖面中，从图7可以看出，无论是井炮还是电火花，所得到的走廊叠加剖面与过井地震剖面之间主要目的层的波组特征与能量关系基本一致。但是电火花震源在浅层500 ms以上以及深层2 200 ms以下的走廊叠加剖面与地震剖面的波阻差异性相对更大。

图7 走廊叠加剖面与过井剖面对比分析图

从上述分析可以看出点火花震源资料处理获得的走廊叠加剖面与井炮资料处理后得到的走廊叠加剖面特征差别较小，此外利用该井声波测井资料制作合成记录并与电火花震源VSP走廊叠加剖面及过井地震时间偏移剖面放在一起进行对比分析（图8），合成记录（不同频率雷克子波合成地震记录）、走廊叠加剖面和地震剖面上主要地质层位波组特征一致性也较好。须家河组底地震响应特征显示为波峰、二叠系龙潭组底地震响应特征显示为波峰、二叠系梁山组底地震响应特征显示为波谷、五峰组底地震响应特征显示为波峰。

图8 VSP走廊叠加剖面与合成记录对比

5 结论

电火花是一种低能叠加激发震源[21]，从在四川盆地现场应用试验表明，采用800 KJ电火花震源获取VSP原始资料主频可达30 Hz，总能量特别是深层能量较弱，其分辨率和信燥比都略低于炸药震源，深层记录的有效反射波不明显，提高电火花震源的能量利用率较为关键。

此外电火花震源子波的稳定性容易受到现场激发环境的影响而变差。但电火花震源相比炸药震源更加安全与环保，采用电火花震源激发获得的VSP资料Z分量初至波起跳干脆、清晰，上行波和下行波关系清楚、可靠，处理后获得的走廊叠加剖面与合成记录和地震剖面上主要地质层位波组特征一致性较好，因此相比炸药震源，电火花震源在四川盆地中浅层VSP勘探中可以起到很好的补充作用.

当储层深度大于3 500 m时，建议采用炸药震源或更高功率的电火花震源。