川渝地區可控震源道路激振效果分析

李 琴，蒲 偉，黃志強，席御僖，李 剛，王若豪

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500；2.中國石油集團東方地球物理公司勘探有限責任公司西南物探分公司，四川成都 610213）

隨著我國油氣對外依存度的不斷升高[1-2]，國家能源安全面臨巨大挑戰，因此深度開發我國天然氣資源勢在必行。要實現在四川盆地建設2個“氣大慶”，不斷提高我國頁巖油氣、天然氣供給能力，推動碳達峰、碳中和，就必須提高川渝地區油氣勘探水平，實現勘探開發提質增效。

炸藥震源勘探作業效率低，環境污染大，安全風險高。可控震源是一種非爆炸震源，具有安全、環保、高效等優點，被廣泛應用于天然氣勘探[3-4]。中國石油天然氣集團有限公司首次研制了BV500型可控震源，在我國天然氣主要產區——川渝地區的鄉村道路實施勘探作業[5-7]，以加快四川盆地天然氣資源開發。許多學者對可控震源的激振效果進行了研究。平板是可控震源與大地聯系的媒介，平板與大地的耦合情況直接影響著可控震源激發信號的質量[8]。Wei[9-11]等通過研究發現，平板剛度、大地與平板之間的接觸剛度、平板質量和平板底面積等都會影響平板與大地的耦合情況。歐倩茹[12]提出了大地粒子在鉛垂方向的運動強度和下傳能量兩項評價指標，用以評價可控震源的激發效果，但該指標只能從激振強度的角度評價可控震源的激振效果，并不能評價激發信號質量。郝磊[13]通過分析得出，平板變形會造成平板與大地之間局部脫耦和平板底部受力不均勻。黃志強等[14-15]構建了振動器平板-大地耦合模型，研究發現，在多頻下平板響應差異的原因是平板剛度不足，提高平板剛度可以提升可控震源多頻輸出信號的品質，而材料非線性和大地表面粗糙度會影響可控震源激發信號。李剛[16]基于彈性半空間理論建立了振動器-大地振動模型，研究了耦合系統參數對耦合振動動力學響應的影響規律。然而，上述研究均未構建可控震源道路激振模型，更未對川渝地區可控震源道路激振效果進行針對性的分析。

川渝地區地勢起伏大、地形復雜。可控震源在其鄉村道路激振時，常出現激發能量耗散大、激發信號質量不高、激發信號在不同地表差異明顯等問題。針對此，作者建立了可控震源道路激振模型，構建了激振效果評價體系，開展了川渝地區BV500型可控震源鄉村道路激振效果研究。對比了在相同激振參數下可控震源在碎石土路、瀝青道路、水泥道路的激振效果，分析了可控震源在碎石土路和無缺陷水泥道路激振時的能量耗散，以期為川渝地區可控震源鄉村道路激振效果的改善提供理論指導。

1 可控震源道路激振效果評價體系的構建

BV500型可控震源水泥道路激振的現場如圖1所示。

圖1 BV500型可控震源水泥道路激振現場Fig.1 Cement road excitation site of BV500 vibroseis

結合川渝地區鄉村道路的特征和可控震源的激振特點，分別從可控震源的激發信號質量和激振強度兩方面，能量、運動和力三大類，互作用力失真度、平板與道路的脫耦量、道路與大地的脫耦量、傳地能量、地表接觸中心點振幅和互作用力振幅六指標，構建“兩方面、三大類、六指標”的道路激振效果評價體系，如圖1所示，以較為全面地對川渝地區可控震源道路激振效果進行評價。

圖2 川渝地區可控震源道路激振效果評價體系Fig.2 Evaluation system of road excitation effect of vibroseis in Sichuan and Chongqing area

1.1 激發信號質量

激發信號質量用互作用力失真度、平板與道路的脫耦量和道路與大地的脫耦量三個指標來表征。

用互作用力失真度來定量反映激發信號的畸變情況。評價準則是：互作用力失真度越小，激振效果越好。

平板與道路的脫耦量、道路與大地的脫耦量分別反映平板與道路、道路與大地的脫耦情況。在勘探時進行多點取值，使其能準確表征可控震源在川渝地區鄉村道路激振的特點。評價準則是：平板與道路、道路與大地的脫耦量越小，平板—道路—大地的接觸越緊密，耦合情況越好，越有利于減弱沖擊振動，減少噪聲干擾，提高信號質量，激振效果越好。脫耦量測點的設置如圖3所示。

圖3 脫耦量測點的設置Fig.3 Setting of decoupling measuring point

1.2 激振強度

激振強度用傳地能量、地表接觸中心點振幅和互作用力振幅三個指標來表征，可以較為全面地從能量、運動和力的角度評價可控震源在川渝地區鄉村道路的激振強度。

傳地能量指可控震源激振時重錘輸出的能量經平板和道路下傳到大地的能量。傳地能量越大，表明激振強度越大。

地表接觸中心點振幅指大地表面接觸中心點（即圖3中的A4點）的振幅。地表接觸中心點振幅越大，表明激振強度越大。

互作用力振幅指平板與道路的互作用力和道路與大地的互作用力。互作用力振幅越大，表明激振強度越大。

2 可控震源道路激振模型的構建和驗證

2.1 模型建立

可控震源振動器存在許多局部結構，如倒角、圓角、螺紋孔等，這些結構對整體的動力學仿真結果基本沒影響，因此對以上局部結構進行簡化。同時為了盡可能準確地表征川渝地區鄉村道路，建立道路尺寸為20 m×3.5 m×0.22 m，大地尺寸為20 m×10 m×10 m。Wei等[17]等通過有限元分析得知，可控震源平板捕獲的大地約為一個半徑為1.8 m的半球，因此建立的大地有限元模型能夠包含被道路捕獲的大地。所建立的可控震源道路激振有限元模型如圖4所示。

圖4 可控震源道路激振有限元模型Fig.4 Finite element model of vibroseis road excitation

為了準確研究可控震源在川渝地區不同鄉村道路進行勘探作業時激發信號質量和激振強度的變化情況，分別建立了可控震源在碎石土路、瀝青道路和無缺陷水泥道路激振的有限元模型，如圖5所示。

圖5 可控震源在不同道路激振的有限元模型Fig.5 Finite element model of vibroseis excitation on different roads

通過實地調研并結合川渝地區鄉村道路的特點發現，川渝地區鄉村道路主要是水泥道路，并且部分水泥道路存在孔洞、裂縫等缺陷。因此，為了研究這些缺陷對激振效果的影響，建立了方形孔洞、圓形孔洞、軸向裂縫、鉛垂裂縫四種缺陷水泥道路激振有限元模型，將各缺陷置于平板正下方，如圖6所示。水泥道路缺陷的尺寸設置如表1所示。

圖6 可控震源缺陷水泥道路有限元模型Fig.6 Finite element model of vibroseis excitation on defective cement roads

表1 水泥道路缺陷的尺寸設置Table 1 Size setting of cement road defects 單位：mm

2.2 材料設置與網格劃分

振動器工作時，平板、道路和大地的變形均屬于彈性變形，因此將平板、道路和大地的材料設置為彈性材料。平板材料選擇為鋁合金，道路材料選擇為混凝土，大地材料選擇為硬質土和砂巖。相關材料的參數如表2所示。

表2 可控震源道路激振模型的材料參數Table 2 Material parameters of vibroseis road excitation model

平板、道路、大地等立方體構件采用六面體網格，平板與道路、道路與大地的接觸部分也采用六面體網格，活塞桿、立柱和底座等異形構件采用四面體網格，以在保證計算精度的同時減少計算時間。模型的網格劃分如圖7所示。

圖7 可控震源道路激振模型網格劃分Fig.7 Grid division of vibroseis road excitation model

2.3 載荷施加

振動器的載荷分為2類，一類為重錘和可控震源車的靜載荷，另一類為液壓油的動載荷。仿真時將液壓油的輸出高壓換算為力信號進行加載。載荷加載位置與加載形式如圖8所示。圖中，用2個空氣彈簧平衡重錘重力，用6個空氣彈簧將可控震源車整車壓重作用于振動器平板，動載荷作用于活塞桿凸臺上下兩個端面處。液壓油輸出高壓，借助活塞桿凸臺的端面推動重錘上下運動，其反作用力使得振動器平板作反向振動，從而使可控震源產生振動信號。在研究不同道路條件下可控震源的激振效果時，選擇動載荷激振信號為3～120 Hz的掃頻信號，互作用力信號的峰值為1.54×105N，時間長度為16 s。

圖8 可控震源道路激振模型載荷加載位置與加載形式Fig.8 Loading position and loading form of vibroseis road excitation model

2.4 邊界條件設置

振動器振動時，大地的位移量很小，因此在大地的底面和4個側面施加完全固定約束。同時，對大地底面和4個側面施加無反射邊界條件，即當應力波傳播到大地底面和4個側面時，應力波將被完全吸收而不會反射回去以致影響仿真結果。施加無反射邊界條件能夠較為準確地模擬無窮大的大地。

2.5 模型驗證

為了驗證仿真模型的準確性，利用波速理論計算波速，并與實測值[18]和仿真值進行對比。通過縱波波速公式計算得出的理論波速為2 724.53 m/s。仿真模型中A5和A6點在鉛垂方向的位移曲線如圖9所示。應力波在鉛垂方向傳播1 m對應的響應時間為0.34×10-3s，因此可得到波速的仿真值為2944.10m/s，與理論值的相對誤差為7.46%。波速實測值為3 036.58 m/s，仿真值與實測值的相對誤差為3.14%。可見，波速仿真值與理論值和實測值的契合度都較高。

圖9 A5、A6點在鉛垂方向的位移曲線Fig.9 Displacement curves ofA5andA6points in the vertical direction

為了避免單一計算組的偶然性，模擬大地隨著深度而變化的不同的地層構成，仿真計算不同大地彈性模量下的縱波波速，并與計算值進行對比，如圖10所示。由圖可知，波速的仿真值與理論值基本一致，最大相對誤差為7.458%，說明了仿真模型的準確性較高。

圖10 不同大地彈性模量下縱波波速仿真值與計算值的對比Fig.10 Comparison between simulated and calculated values of longitudinal wave velocity under different earth elastic modulus

進一步地，提取川渝地區可控震源道路激振時實際互作用力，并與仿真值進行對比，如圖11所示。由圖可知，實測值與仿真值比較吻合，進一步說明了仿真模型的準確度較高。

圖11 可控震源道路激振時互作用力仿真值與實測值的對比Fig.11 Comparison between simulated and measured values of interaction force when vibroseis vibrated

3 可控震源道路激振效果評價

3.1 脫耦量分析

3.1.1 平板與道路的脫耦量

通過考察平板與道路接觸中心處的脫耦量來分析平板與道路的耦合情況。可控震源在碎石土路激振時平板與大地的脫耦量較大，為8.732 mm；在無缺陷水泥道路激振時脫耦量較小，為1.354 mm。碎石土路主要由硬質土構成，其彈性模量比水泥混凝土小，因此在相同的力激振下，位移更大。

可控震源在缺陷水泥道路激振時平板與道路的脫耦量如圖12所示。由圖可知：可控震源在缺陷水泥道路激振時耦合情況較差，脫耦量為1.224～1.638 mm；在圓形孔洞缺陷水泥道路激振時平板與道路的耦合情況最差。可見缺陷的存在會在一定程度上影響平板與道路的耦合緊密性。

圖12 可控震源在缺陷水泥道路激振時平板與道路的脫耦量Fig.12 Decoupling amount between plate and road when vibroseis vibrated on defective cement roads

3.1.2 道路與大地的脫耦量

可控震源在無缺陷水泥道路激振時道路與大地的耦合情況較好，脫耦量為0.548 mm。在缺陷水泥道路激振時道路與大地的脫耦量如圖13所示。由圖可知：在缺陷水泥道路激振時耦合情況較差，脫耦量為0.366～1.105 mm；在圓形孔洞缺陷水泥道路激振時道路與大地的耦合情況最差。可見可控震源在鄉村道路激振時，平板與道路的脫耦量大于道路與大地的脫耦量，水泥道路缺陷的存在會在一定程度上影響道路與大地的耦合緊密性，其中圓形孔洞道路缺陷的影響尤為突出。

圖13 可控震源在缺陷水泥道路激振時道路與大地的脫耦量Fig.13 Decoupling amount between road and earth when vibroseis vibrated on defective cement roads

3.2 激振強度分析

可控震源在鄉村道路激振時的激振強度如表3所示。從傳地能量、地表接觸中心點振幅和互作用力振幅來看，可控震源在無缺陷水泥道路激振時最小，分別為在碎石土路激振的51.69%、22.56%和81.82%。可控震源在川渝地區碎石土路激振時的激振強度最大，其次是在瀝青道路，在無缺陷水泥道路激振時的激振強度最小，因此在無缺陷水泥道路激振不利于深層勘探。

表3 可控震源在鄉村道路激振時的激振強度Table 3 Excitation intensity when vibroseis vibrated on rural roads

可控震源在缺陷水泥道路激振時的激振強度如表4所示。由表可知：相比無缺陷水泥道路，可控震源在缺陷水泥道路激振時的激振強度較小；從傳地能量、地表接觸中心點振幅和互作用力振幅來看，可控震源在圓形孔洞缺陷水泥道路激振分別為在無缺陷水泥道路激振的45.06%、94.43%和78.84%，傳地能量的削減程度最大，可見水泥道路缺陷的存在對激振強度的影響較大。

表4 可控震源在缺陷水泥道路激振時的激振強度Table 4 Excitation intensity when vibroseis vibrated on defective cement roads

3.3 信號畸變分析

可控震源在鄉村道路激振時互作用力失真度如圖14所示。由圖可知：在碎石土路激振時互作用力失真度較小，其次是在瀝青道路，在無缺陷水泥道路最大，為26.79%。因此，可控震源在無缺陷水泥道路激振時可能會造成激發信號質量不高，畸變大。現場作業的要求是可控震源輸出力誤差在40%以內，因此BV500型可控震源在川渝地區鄉村道路上激振時可以滿足要求。

圖14 可控震源在鄉村道路激振時的互作用力失真度Fig.14 Distortion of interaction force when vibroseis vibrated on rural roads

可控震源在缺陷水泥道路激振時的互作用力失真度如圖15所示。由圖可知：可控震源在缺陷水泥道路激振時的互作用力失真度都較大，其中在軸向裂縫缺陷水泥道路激振時失真度最大，為45.67%。可見水泥道路缺陷的存在對可控震源激發信號質量的影響較大。

圖15 可控震源在缺陷水泥道路激振時的互作用力失真度Fig.15 Distortion of interaction force when vibroseis vibrated on defective cement roads

3.4 激振效果總體分析

相比碎石土路，可控震源在水泥道路激振時脫耦量、激振強度較小，激發信號畸變較大；在圓形孔洞缺陷水泥道路上激振時平板與道路的脫耦情況最差，傳地能量和互作用力振幅最小，激發信號畸變較大；在軸向裂縫缺陷水泥道路上激振時地表接觸中心點振幅最小，激發信號畸變最大。

綜合來看：可控震源在碎石土路的激振效果較好，其次是在瀝青道路、水泥道路，在缺陷水泥道路激振效果最差。可見水泥道路缺陷的存在對可控震源激振效果有較大影響，可控震源在進行勘探作業時應盡可能避開道路缺陷。

4 可控震源道路激振能量耗散分析

針對川渝地區可控震源道路激振存在的激發信號畸變較大、激振強度較小的問題，須進行原因分析并予以解決。川渝地區鄉村道路主要是水泥道路和碎石土路，因此分析可控震源在水泥道路和碎石土路激振時的能量耗散情況，從而找出能量耗散最嚴重的部件，著重對其進行改進。

能量耗散分為結構能量耗散和接觸阻尼能量耗散兩類，如圖16所示。

圖16 可控震源道路激振能量耗散分類Fig.16 Classification of road excitation energy dissipation of vibroseis

4.1 結構能量耗散分析

借助建筑基礎振動的計算公式，得到阻尼系數c的計算公式為[19]：

式中：r0為平板等效半徑；G為平板剪切模量；ρ為平板密度；ac為校正系數，與圓頻率ω和泊松比μ有關，ac接近于0.85。

結構能量耗散主要由振動系統的黏性阻尼導致。系統的結構耗散能量Esd為[20]：

式中：?為系統質點相對于地面的速度。

通過式(1)和式(2)可以計算出1個周期內各部件的結構耗散能量。

4.2 接觸阻尼能量耗散分析

振動時存在平板與道路、道路與大地的接觸阻尼。提取1個激振周期內各接觸面的互作用力-法向位移曲線，由曲線圍成的封閉區域的面積即為接觸面的接觸阻尼所耗散的能量[21]。可控震源在無缺陷水泥道路和碎石土路激振時各接觸面的互作用力-法向位移曲線如圖17所示。

4.3 能量耗散總體分析

通過結構能量耗散和接觸阻尼能量耗散的分析，可以算得1個激振周期內不同耗散位置的耗散能量，如表5所示。

表5 1個激振周期內不同耗散位置的耗散能量Table 5 Dissipated energy at different dissipation positions in one excitation period

可見，平板的結構耗散能量較大，約占系統總耗散能量的90%。平板阻尼系數與平板彈性模量、平板質量、平板面積相關，因此可以通過改變平板彈性模量、平板質量和平板面積來減少平板結構能量耗散。可控震源在川渝地區無缺陷水泥道路激振時，下傳到大地的能量減少，是水泥道路的結構能量耗散和平板與水泥道路、水泥道路與大地的接觸阻尼能量耗散所致。

4.4 提升可控震源道路激振效果的措施

提升可控震源道路激振效果的措施是在振動器平板下方固連一層10 mm厚的橡膠墊，如圖18所示，以改善水泥道路與大地的接觸情況，減少接觸阻尼能量耗散。施加橡膠墊前后可控震源在無缺陷水泥道路激振時的激振強度和互作用力失真度分別如表6和圖19所示。

圖18 振動器平板下方固連10 mm厚的橡膠墊Fig.18 10 mm thick rubber pad fixed under the vibrator plate

表6 施加橡膠墊前后可控震源在無缺陷水泥道路激振時的激振強度Table 6 Excitation intensity when vibroseis vibrated on non-defective cement road before and after applying rubber pad

圖19 施加橡膠墊前后可控震源在無缺陷水泥道路激振時的互作用力失真度Fig.19 Distortion of interaction force when vibroseis vibrated on non-defective cement road before and after applying rubber pad

施加橡膠墊后，平板與無缺陷水泥道路的脫耦量由1.656 mm減小到1.141 mm，減小了31.10%；傳地能量減弱1.65%，地表接觸中心點振幅下降了1.19%，互作用力振幅下降了4.76%；互作用力失真度減小了20.57%。可見激發信號質量變好，可控震源道路激振效果得到提升。

5 結 論

1）結合川渝地區鄉村道路的特征和可控震源的激振特點，構建了可控震源道路激振效果評價體系，可以較為全面地對川渝地區可控震源道路激振效果進行評價。

2）開展了可控震源鄉村道路激振效果評價分析。相比碎石土路，可控震源在無缺陷水泥道路激振時傳地能量減弱48.31%，地表接觸中心點振幅下降77.44%，互作用力振幅下降18.18%，信號畸變增大34.69%，激振效果較差；平板與無缺陷水泥道路的耦合效果較好，現役BV500型可控震源適合于在川渝地區無缺陷水泥道路上進行勘探作業。

3）構建了可控震源缺陷水泥道路激振模型，開展了可控震源在缺陷水泥道路和無缺陷水泥道路激振效果的對比。結果表明，道路缺陷嚴重削弱了可控震源地震波的激發，其中圓形孔洞道路缺陷的影響尤為突出，傳地能量減弱54.94%，地表接觸中心點振幅下降5.57%，互作用力振幅下降21.16%，信號畸變增大36.17%。可控震源進行勘探作業時，應盡可能避開道路缺陷。

4）可控震源在川渝地區鄉村水泥道路激振時存在能量耗散，這主要由水泥道路的結構能量耗散和平板與水泥道路、水泥道路與大地的接觸阻尼能量耗散所致。通過在振動器平板下方固連一層10 mm厚的橡膠墊，可以改善水泥道路與大地的接觸情況，減小接觸阻尼能量耗散，提升可控震源道路激振效果。