可控沖擊波震源技術(shù)在陜北沙漠區(qū)地震勘探的應(yīng)用

薛海軍,韓志雄,韓軍鋒,汶小崗,張永民,吳大林

(1.陜西省煤田物探測(cè)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021;3.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049;4.西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710024)

0 引言

在煤田地質(zhì)勘查領(lǐng)域中地震勘探是不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)[1],而通過各種震源激發(fā)地震波是地震勘探技術(shù)野外數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)[2]。目前地震勘探的主要震源仍是炸藥震源,非炸藥震源中常用的有重錘、氣錘、氣槍、電火花等脈沖震源和可控震源等[3]。隨著國(guó)家對(duì)民爆物品管控越來越嚴(yán)格,炸藥的審批手續(xù)復(fù)雜,耗時(shí)長(zhǎng),電火花等非炸藥震源逐漸在陸地勘探中得到了應(yīng)用[4]。現(xiàn)有的電火花震源多是以水中電擊穿,即液電效應(yīng)為基礎(chǔ),因水間隙的能量泄漏嚴(yán)重,產(chǎn)生沖擊波的強(qiáng)度較低,因此能量轉(zhuǎn)換效率低[5]。西安交通大學(xué)張永民教授團(tuán)隊(duì)以高功率脈沖技術(shù)和金屬電爆炸原理為基礎(chǔ)研發(fā)了金屬絲電爆炸可控沖擊波技術(shù),其具備幅值、沖量、作用區(qū)域和重復(fù)次數(shù)可控且一致性好的特點(diǎn),目前已研發(fā)了一系列可產(chǎn)生不同能量沖擊波的可控沖擊波設(shè)備[6]。經(jīng)分析其原理和結(jié)構(gòu),該技術(shù)可作為勘探震源應(yīng)用于地震勘探中。為此,在介紹金屬絲電爆炸可控沖擊波技術(shù)和可控沖擊波震源裝置工作原理的基礎(chǔ)上,分析可控沖擊波技術(shù)作業(yè)為地震勘探野外數(shù)據(jù)采集激發(fā)源的特點(diǎn),并通過在陜北沙漠區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),探究該技術(shù)作為一種新的地震勘探激發(fā)震源在陜北煤田地震勘探領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展前景。

1 金屬絲電爆炸可控沖擊波技術(shù)與設(shè)備

1.1 金屬絲電爆炸可控沖擊波技術(shù)

金屬絲電爆炸可控沖擊波技術(shù)是為了提高沖擊波能量轉(zhuǎn)換效率,結(jié)合水中金屬絲電爆炸產(chǎn)生沖擊波的原理而發(fā)展的[7],該技術(shù)是以高功率脈沖和放電等離子體為基礎(chǔ),通過不同結(jié)構(gòu)的換能器,將電能轉(zhuǎn)化為沖擊波機(jī)械能[8],在相同區(qū)域重復(fù)產(chǎn)生幅值、沖量可控的強(qiáng)沖擊波[9],典型的換能器結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的波形如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)在于將電壓直接施加在金屬絲上,極大地降低了早期以液電效應(yīng)為基礎(chǔ)的可控沖擊波技術(shù)存在的異常放電等故障,同時(shí)也避免了液電效應(yīng)的電擊穿延遲和能量泄漏等缺陷,有效地將能量沉積到金屬絲上,從而提高了穩(wěn)定性、一致性和能量轉(zhuǎn)換效率,有研究表明其能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24%[5,10]。通過對(duì)金屬絲電爆炸與可控沖擊波設(shè)備各部件的關(guān)系研究,脈沖功率驅(qū)動(dòng)源的儲(chǔ)能與金屬絲的質(zhì)量2個(gè)參數(shù)影響金屬絲電爆炸的物理過程,是提高沖擊波能量轉(zhuǎn)換效率的主要影響因素。可通過改造優(yōu)化金屬絲的參數(shù)(質(zhì)量、直徑、長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu))和控制、調(diào)節(jié)脈沖功率源的儲(chǔ)能達(dá)到系統(tǒng)最佳的匹配關(guān)系,來提高能量轉(zhuǎn)換效率。

圖1 金屬絲換能器結(jié)構(gòu)和沖擊波波形[5]Fig.1 Structure of wire transducer and shock waveform

1.2 可控沖擊波震源裝置

可控沖擊波震源裝置的基本原理是利用大通流放電開關(guān)將儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存的高電壓脈沖電能量快速加載到換能器負(fù)載上,在水環(huán)境中產(chǎn)生脈沖強(qiáng)沖擊波,結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。其工作原理是:電源控制系統(tǒng)設(shè)置閾值,恒流高壓電源系統(tǒng)將工頻電源變頻(工頻-中頻)、升壓(0.380～30 kV)、整流(交流-直流)后為儲(chǔ)能電容充電,當(dāng)充電到控制系統(tǒng)的控制閾值時(shí),大通流放電開關(guān)啟動(dòng)放電,將儲(chǔ)能電容的電能通過高壓傳輸電纜傳送給換能器,在換能器中,大電流迅速加熱、汽化、電離金屬絲在水中電爆炸產(chǎn)生沖擊波。

圖2 可控沖擊波震源裝置結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structural principle diagram of controllable shock source device

圖3為長(zhǎng)度為10 cm,直徑1.6 mm的鋁絲在水下電爆炸實(shí)測(cè)放電回路電流和沖擊波波形,此時(shí),脈沖功率源的充電電壓為23.5 kV,電容器儲(chǔ)能120 kJ。從圖3中可看出,回路電流達(dá)到100 kA,沖擊波超壓在距源區(qū)43 cm處已達(dá)到14 MPa,可滿足多種現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的應(yīng)用需求。

圖3 可控沖擊波震源裝置放電回路電流和水下沖擊波波形圖Fig.3 Discharge circuit current of controllable shock source device and underwater shock waveform

1.3 同步聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)可控沖擊波震源裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理,用羅果夫斯基線圈拾取放電主回路的電流信號(hào),經(jīng)電路整形后,同步觸發(fā)信號(hào)持續(xù)200 μs,幅值5 V。通過有線同步聯(lián)機(jī)方式與428XL儀器多次聯(lián)機(jī)測(cè)試,均成功觸發(fā)儀器采集,同步誤差保持在0.3 ms以內(nèi),滿足行業(yè)規(guī)范要求的1 ms同步精度。

2 可控沖擊波作為地震勘探震源的特點(diǎn)

根據(jù)金屬絲電爆炸可控沖擊波技術(shù)“可控”和一致性好的特點(diǎn),可控沖擊波震源激發(fā)的效果可根據(jù)單次激發(fā)沖擊波的幅值、激發(fā)次數(shù)(依據(jù)施工要求確定)和鉆孔深度來控制,在相同地球物理特征情況下,與傳統(tǒng)炸藥激發(fā)在機(jī)理上具有相似性。單次激發(fā)時(shí),根據(jù)作業(yè)要求和激發(fā)巖性,通過調(diào)整放電電壓、放電能量、換能器狀態(tài)(金屬絲參數(shù))來控制沖擊波的幅值,選擇合適的激發(fā)層位,以達(dá)到最佳效果。多次重復(fù)激發(fā)可加強(qiáng)作用效果,但在一定的地層條件下,隨幅值、沖擊次數(shù)增加,激發(fā)點(diǎn)位附近的介質(zhì)破碎程度不斷增加,形成疲勞作用,導(dǎo)致波阻抗增加,沖擊波衰減速度增加[11]。因此在單點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)激發(fā)作業(yè)時(shí),需選擇最優(yōu)的幅值和作業(yè)次數(shù),以達(dá)到最佳的激發(fā)效果。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)區(qū)位于陜北榆林毛烏素沙漠東南緣,主要為風(fēng)蝕、風(fēng)積作用形成的沙丘和丘陵地貌,區(qū)內(nèi)松散沙層厚度為2～20 m,松散沙層,行車?yán)щy,影響施工效率,區(qū)內(nèi)潛水面埋深一般在3～15 m,煤系地層埋藏在350～600 m。

成孔工具使用沖槍水鉆,井深為6～10 m,潛水位以下3 m左右,為防止塌孔,選用φ75 mm的PVC套管進(jìn)行護(hù)孔,套管底部使用細(xì)密孔紗布進(jìn)行封堵,防止泥沙返流進(jìn)孔內(nèi)。可控沖擊波震源初始能量選取了50 kJ、75 kJ、100 kJ、120 kJ這4個(gè)檔位與炸藥進(jìn)行了能量對(duì)比試驗(yàn),選取初始能量100 kJ進(jìn)行了段試驗(yàn)激發(fā),金屬絲選取長(zhǎng)度10 cm,直徑1.6 mm的鋁絲。

接收排列200道,道距5 m。可控沖擊波震源先激發(fā)后,原孔內(nèi)下炸藥進(jìn)行對(duì)比激發(fā),井深比可控沖擊波震源激發(fā)的井深淺1～2 m。采集儀器為428XL型數(shù)字地震儀全頻帶接收,采樣率0.5 ms,前放增益12 dB,記錄長(zhǎng)度2 s,檢波器為GDK-7 Hz高靈敏度檢波器。

3.2 能量對(duì)比分析

能量對(duì)比試驗(yàn)選用中點(diǎn)激發(fā),井深為6.5 m,可控沖擊波震源初始能量分別采用50 kJ(記錄號(hào)168),75 kJ(記錄號(hào)167)、100 kJ(記錄號(hào)166)和120 kJ(記錄號(hào)169),單炮記錄如圖4(a)所示;炸藥0.25 kg(記錄號(hào)230)、0.5 kg(記錄號(hào)234)和1 kg(記錄號(hào)227),單炮記錄如圖4(b)所示。從單炮記錄可以看出,初至壓制效果都很好,炸藥震源記錄整體頻率要低于可控沖擊波震源,且面波也較可控沖擊波震源記錄明顯。

圖4 不同能量激發(fā)對(duì)比單炮記錄Fig.4 Comparison of single shot recordings with different energy excitation

通過對(duì)單炮進(jìn)行能量、頻譜、信噪比分析,如圖5所示,從圖5中可以看出,可控沖擊波震源激發(fā)相較于炸藥能量小,120 kJ激發(fā)的幅值僅有1 kg炸藥的1/10,但其激發(fā)記錄的頻率高,且高頻部分信噪比整體較高。

圖5 不同能量激發(fā)對(duì)比分析Fig.5 Contrast analysis of different energy excitation

3.3 頻率一致性分析

圖6(a)為不同初始儲(chǔ)能50 kJ(記錄號(hào)168)、75 kJ(記錄號(hào)167)、100 kJ(記錄號(hào)166)和120 kJ(記錄號(hào)169),相同井深6.5 m的頻譜分析圖,從圖中可以看出在相同的激發(fā)位置,可控沖擊波震源激發(fā)頻率一致性較好,只是幅值大小因能量而變化。圖6(b)為相同初始儲(chǔ)能100 kJ,不同井深12 m(記錄號(hào)161)、10 m(記錄號(hào)162)、8 m(記錄號(hào)163)、6 m(記錄號(hào)164)和4 m(記錄號(hào)165)的頻譜分析圖,從圖中可以看出可控沖擊波震源隨著激發(fā)井深變淺,頻率不斷變低,幅頻曲線的峰值頻率從30 Hz附近降低至15 Hz附近。分析結(jié)果可以證明可控沖擊波震源激發(fā)的地震波一致性好,有利于通過疊加來提高激發(fā)能量,而且相同激發(fā)條件(巖性、水環(huán)境)的疊加效果是最理想的。

圖6 可控沖擊波震源激發(fā)頻譜分析Fig.6 Excitation spectrum analysis of controllable shock wave seismic source

3.4 疊加分析

圖7是對(duì)不同初始能量的數(shù)據(jù)疊加后的能量、頻率和信噪比對(duì)比情況,圖中1661(166、167、168、169)為疊加后的數(shù)據(jù),從圖中的能量屬性可以看出疊加后的數(shù)據(jù)能量雖然與227(1 kg)的能量相差較大,但明顯大于169(120 kJ)的能量,提升了近1倍,幅頻曲線頻率一致性也比較好,信噪比也有所提高。

圖7 數(shù)據(jù)疊加前后對(duì)比分析Fig.7 Comparison analysis of data before and after superposition

3.5 段試驗(yàn)分析

段試驗(yàn)固定排列200 m,道距5 m,炮距10 m。對(duì)炸藥震源和可控沖擊波震源進(jìn)行了段試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。圖8為100 kJ和1 kg正常處理后的剖面,CDP為5 m。從處理后的剖面可看出沖擊波震源100 kJ的能量明顯比1 kg的炸藥震源的能量小,整體頻率高,分辨率高。800 ms以淺,可控沖擊波震源剖面頻率高,分辨率高;800 ms以深可控沖擊波震源剖面連續(xù)性較差。

圖中T1波來自1-1煤層,T2波來自2-2與2-2下煤層形成的復(fù)合波,T3波是來自3-1煤層,T4波是來自4-2煤層的反射波,T5波是來自5-2煤層的反射波,從圖中可以看出,100 kJ能量單次激發(fā)已基本可滿足本區(qū)域的勘探要求。

4 結(jié)論

(1)雖然在陜北沙漠區(qū)表層沙對(duì)可控沖擊波震源高頻信號(hào)吸收衰減嚴(yán)重,120 kJ激發(fā)效果僅為1 kg炸藥的1/10,但激發(fā)的記錄初至清晰,主頻率高,信噪比高,且頻率一致性較好,可通過疊加來提高激發(fā)效果。

(2)段試驗(yàn)結(jié)果表明,現(xiàn)階段100 kJ的可控沖擊波震源雖然激發(fā)能量比炸藥小,但是激發(fā)頻率高,淺層資料分辨率高,已可滿足煤層埋藏較淺、含潛水位的陜北沙漠區(qū)煤田地震勘探的要求。

(3)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該裝備存在沙漠區(qū)通行較差,作業(yè)時(shí)需選擇合適的套管進(jìn)行護(hù)孔以防止孔塌;換能器材料強(qiáng)度、耐久度不夠易變形損壞,無法最大能量持續(xù)工作,后續(xù)研究過程中需對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、換能器材質(zhì)、儲(chǔ)能及能量轉(zhuǎn)換效率等問題改進(jìn)。