可控沖擊波震源在地震勘探中的試驗

汶小崗，韓志雄，韓軍鋒，李 亮

（1.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021）

0 引 言

地震勘探是利用人工震源激發地震波，通過地震勘探數據采集系統接收和記錄地震波，經過室內分析和研究地震波，從而調查地下地層的構造和巖性等地質特征。地震勘探技術是尋找煤炭、油氣和其他礦藏資源的有效的勘探方法之一。人工震源分為炸藥震源和非炸藥震源，而非炸藥震源比較常用的有可控震源、重錘、氣錘、氣槍震源、電火花震源等，炸藥震源目前仍是地震勘探的主要震源，但其破壞性大，辦理審批手續復雜，施工風險高。尤其是近年來，國家對安全生產和環境保護的新要求越來越嚴格，炸藥震源的管控和使用限制條件越來越多，在安全生產形勢嚴峻，火工品使用受限，其他現有的其他類型震源又無法滿足施工要求的區域，很大程度上限制了地震勘探方法的應用。可控沖擊波技術是西安交通大學張永民教授團隊以脈沖功率技術為基礎研發的新技術，其具備幅值和沖量可控、作業區域不受限制、可重復使用等特點，目前研發了一系列可產生不同能量沖擊波的可控沖擊波設備。可控沖擊波理論研究技術與現有電火花震源均是以脈沖功率技術為基礎，理論上可作為震源應用到地震勘探施工中。本文結合現有地震勘探震源系統理論知識，對可控沖擊波設備改進后進行實際地震波激發試驗，驗證可控沖擊波技術應用于地震勘探領域的可行性。

1 可控沖擊波技術

1.1 可控沖擊波技術的發展

可控沖擊波技術的基礎是脈沖功率技術，該技術是將能量以慢的方式儲存，借助各種開關的快速切換實現脈沖壓縮、功率放大、用很高的強度以單個脈沖或受控的重復脈沖形式，以盡可能短的時間將能量瞬間釋放給負載。負載以各種物理原理將高功率電磁能量轉換為所需要的能量形式，在有限的空間和有限的時間內形成各種極端條件下的物理環境，以達到一般功率條件下達不到的目的。可控沖擊波技術經歷了三代的發展，如圖1所示。

圖1 可控沖擊波技術發展歷程Fig.1 Development history of controllable shock wave technology

第一代是跟蹤發展階段，主要是高電壓擊穿換能器；第二代是同步研究階段，主要是電爆炸絲換能器；第三代是獨創引領階段，主要是聚能棒換能器。第一代與第二代屬于電脈沖技術，通過液電反應將設備儲存的電能轉換為機械能沖擊波，第一代因其受電能儲能密度低的影響，能量轉化效率低；第二代可通過改造優化金屬絲的參數（直徑、長度、數量）來控制、調節和提高能量轉換效率；第三代是在電脈沖技術上附加了化學能，即在金屬絲周圍包裹含能材料，形成聚能棒，液電反應使得金屬絲爆炸，進而驅動含能材料釋放能量。通過優化聚能棒的參數可大幅度提高沖擊波的沖擊脈寬與沖擊峰值。

1.2 可控沖擊波產生的原理

本文試驗所使用的可控沖擊波產生裝置儲能為100 kJ的脈沖功率源，其直流工作電壓10～30 kV，放電回路短路電流峰值可達180 kA，在連接結構上，主要由恒流高壓電源及氣路控制系統(V1)、儲能電容器(C1)、大通流放電開關(U1)、高壓同軸電纜及電纜附件(T1)、換能器以及車載固定箱體等單元組成，如圖2所示。

圖2 可控沖擊波產生裝置總體結構Fig.2 Overall structure of controllable shock wave generating device

可控沖擊波產生裝置的基本原理是，利用大通流放電開關將儲能電容器儲存的高電壓脈沖電能量快速加載到換能器負載上，在水下產生脈沖強沖擊波，簡化電路如圖3所示。恒流高壓電源及氣路控制系統將工頻電源先整流，再逆變成中頻輸出，通過傳輸電纜將中頻電流提供給高壓直流電源供電，高壓直流電源升壓整流后為儲能電容器充電。當充電到能量控制器的控制閾值時，能量控制器接通儲能電容器與能量轉換器，將電能傳送給能量轉換器，能量轉換器轉換電能為沖擊波能量。在能量轉換器中，放電電流迅速加熱、汽化、電離金屬絲在水中電爆炸產生沖擊波。

圖3 沖擊波產生裝置簡化電路圖Fig.3 Simplified circuit diagram of shock wave generating device

1.3 一體化換能器

換能器是將輸入的電功率轉換成機械功率（即聲波）的負載裝置，該負載裝置能滿足金屬絲和聚能棒現場安裝需求。電源一端連接于筒體，另一端連接于高壓中心通桿的上端，然后電流流至負載上連接端和負載下連接端之間的金屬絲產生沖擊波，沖擊波通過換能器窗口側壁的開口作用于目標，該負載裝置使用時安全性高、可靠性高，能夠抵抗沖擊波帶來的震動。

結合地震勘探的施工特點，對原有換能器進行了改進，引入了一體化短端頭換能器，換能器金屬筒體直徑設計為52 mm，能更好下到激發孔內，如圖4所示。金屬絲的長度約為10 cm，直徑為1～2 mm，材質可根據實際應用選取銅絲、鋁絲或者鉭絲等。

圖4 一體化短端頭換能器及原理Fig.4 Integrated short end transducer and its principle

2 可控沖擊波技術在地震勘探的適用性

2.1 電火花震源與可控沖擊波震源的對比分析

在地勘探領域經過半個多世紀發展的電火花震源技術的基本電路原理依然是電容放電，主要結構由脈沖電源和放電電極兩部分構成。隨著高頻開關電源、高壓儲能電容器和大功率半導體元器件技術的進步，脈沖源的儲能密度和能量效率方面得到提高，半導體放電開關（如可控硅開關）的應用使得脈沖電源的輸出穩定性和工作壽命得到了很大提升。

放電電極作為放電回路里的負載和電—聲能量轉換的換能器，主要采用2種技術方案，雙極性電極對和單極性電極，簡化的結構如圖5所示。雙極性電極對一般用于產生脈沖電弧放電，單脈沖放電能量可以達到數百千焦，特點是電—聲能量轉化效率高，但也存在電極燒蝕嚴重等缺陷。

圖5 電火花震源的放電電極結構Fig.5 The discharge electrode structure of spark source

可控沖擊波技術與電火花震源技術均是以脈沖功率技術為基礎，利用水中脈沖放電產生沖擊波效應。可控沖擊波技術放電形式主要是采用金屬絲電爆炸和聚能棒換能器，優勢在于放電可靠性高、絕緣要求低和能量轉換效率高。

2.2 聯機同步測試

根據可控沖擊波產生裝置的結構、發電和能量傳輸特點，結合現有地震勘探觸發同步方式，選擇最有效的有線同步的方式實現可控沖擊波產生裝置與地震數據采集系統的同步。實現方式是在高壓傳輸電纜上加一個羅氏線圈，在放電的瞬間產生一個感應脈沖電流，經過衰減調制后使電壓小于+5 V，電流2～50 mA，持續時間大于20μs，滿足聯機的428XL地震勘探儀器的觸發條件，通過100 m的同軸電纜連接到428XL地震勘探儀器的TB針腳。經過多次同步聯機觸發測試，均能完美觸發儀器，且100 m的同軸電纜電脈沖傳輸延遲為微秒級，滿足行業規定±1 ms的同步精度。

3 試驗情況分析

3.1 激發試驗情況

此次試驗選擇在地表為黃土層覆蓋場地，選用洛陽鏟成孔，在5 m深度時土質變為紅膠泥，因紅膠泥含水洛陽鏟成孔困難，最終孔深為5.5 m，孔徑為70 cm。可控沖擊波產生裝置初始能量選取了70 kJ和100 kJ兩個檔位進行試驗，金屬絲選取長度10 cm、直徑1.6 mm的鋁絲，同時還選取了大、中、小3種聚能棒進行激發試驗。試驗排列鋪設64道，道距5 m，排列315 m，單邊激發。接收儀器選擇通過同步測試的428XL數字地震儀，采樣率1 ms，記錄長度2 s，前放增益12 dB，5個60 Hz檢波器串聯，全頻帶接收。

3.2 能量對比分析

試驗選用偏移距10 m，初始能量分別采用70 kJ（記錄號109）和100 kJ（記錄號113），井深5.5 m的相同參數的單炮記錄，如圖6所示。從單炮記錄可以看出，初至最遠處113的壓制效果明顯好于109，700 ms以深113的記錄比109的效果要好。

圖6 同井深能量對比Fig.6 Energy comparison at the same well depth

偏移距增加到120 m，初始能量70 kJ（記錄號118）和100 kJ（記錄號119），井深5.5 m的相同參數的單炮記錄，如圖7所示。從圖7可以看出，119記錄優于118，但是效果不明顯。

圖7 1 20 m偏移距同井深能量對比Fig.7 Energy comparison of 120 m offset distance at the same well depth

3.3 干濕孔對比

圖8中112為5.5 m、100 kJ孔中無水，113為5.5 m、100 kJ孔中注水。從圖中可以明顯看出，干孔的能量遠遠小于注水孔，也進一步證明可控沖擊波震源對水的依賴性。

圖8 干濕孔激發分析對比Fig.8 The excitation analysis comparison of dry and wet hole

3.4 井深對比分析

在100 kJ初始能量下，分別進行了5.5 m井深（113）和1 m井深（114）的激發對比試驗，如圖9所示。從圖中可以看出深井的激發效果明顯。

圖9 不同井深激發分析對比Fig.9 The excitation analysis comparison of different well depths

3.5 聚能棒試驗分析

使用聚能棒進行能量對比試驗，如圖10所示，115、116、117分別為使用大、中、小聚能棒進行激發試驗。從圖10中明顯可以看出，聚能棒的能量要比金屬絲（109、110、113、114）要大很多，115的大號聚能棒的能量已經達到了113的100 kJ金屬絲激發的2倍。

圖1 0聚能棒與金屬絲激發對比分析Fig.10 The excitation comparison analysis of energy gathering stick and metal wire

3.6 數據疊加分析

圖11是對不同初始能量的數據疊加后的能量、頻率和信噪比對比情況，圖中201（109、110）、202（109、113）、203（109、110、113）為疊加后的數據。從圖中的能量屬性可以看出，疊加后的數據能量明顯大于原始能量，疊加后的能量比大號聚能棒的能量還要強，幅頻曲線頻率一致性也比較好，信噪比也有所提高。

圖1 1 數據疊加前后對比分析Fig.11 The comparison analysis before and after data stacking

4 結 語

通過對可控沖擊波技術的理論分析和電火花震源對比分析，結合實際實驗驗證了可控沖擊波技術在地震勘探應用的可行性。現階段的可控沖擊波產生裝置，設備集成度較好，防護性能高，與地震儀器聯機運行正常穩定；一體化短端頭換能器和聚能棒的引入較為成功，試驗中聚能棒的能量較金屬絲的能量提升了1倍，提升效果明顯；100 kJ能量的金屬絲電爆炸激發的地震波最大傳播距離超過430 m，現階段的沖擊波裝置已經可以應用到地震勘探中，解決淺層地質問題了。但在試驗過程也發現該技術存在裝置體積較大，緊湊性不夠，重心偏移，換能器的材料強度、耐久度不夠易損壞等問題，后續研究過程中需要對設備的儲能結構、穩定性、能量轉換效率等問題進行進一步改進。