電子延遲器控制的三級震源疊加技術

劉海平 劉慧敏 王海濤

(①山西省煤炭地質物探測繪院地質與地球物理研究所，山西晉中030600；②山西金地源地質科技有限公司，山西晉中030600；③大秦鐵路股份有限公司侯馬電務段，山西侯馬043000)

0 引言

在厚黃土層地表區地震勘探中，由于黃土疏松干燥，近地表對地震波高頻成份的吸收衰減作用強烈，地球物理條件復雜[1-3]，面臨著資料信噪比低、施工成本高等困難，地震資料品質難以滿足現今勘探目標深且更復雜(復雜斷裂帶、巖性圈閉等)的需求。經過多年的探索與實踐，人們總結出一種多級延遲疊加震源技術。胡立新等[4]從理論基礎上探討了延遲疊加震源方法。李文彬等[5]針對高分辨率地震勘探中的垂向疊加震源，通過調整打擊的尺寸控制延遲時間，利用傳爆藥盒實現藥柱之間的傳爆。徐淑合等[6]提出的電子延遲法大幅度促進了多級震源延遲疊加技術的發展。于世煥等[7]在三維高分辨率地震勘探中，采用導爆管和導爆雷管實現炸藥包延遲引爆。譚紹泉等[8]利用延遲起爆具構成三級延遲炸藥震源。黃文堯等[9]設計一種裝藥密度低、爆速低、直徑小的細長藥柱，增強地震波下傳能量。

雖然目前對多級震源延遲疊加技術進行了諸多理論探討及應用實踐，并且該技術具有地震有效波能量強、頻率高、面波弱的優點，但因大多采用導爆管和導爆雷管的方法實現延時，存在延時精度低、結構復雜、成本高、效率低的問題，故該技術未能在實際地震勘探中被推廣應用[10]。如用三發電子雷管雖可達到三級震源延遲同相疊加的效果，但其高昂成本讓人難以承受。

延遲疊加激發的理論基礎是波動力學。在延遲爆炸的情況下，單個爆炸單元產生的地震波前面在垂直向下的方向得到同相疊加，其能量達到最大；其他方向上各波前面之間由于存在時差而使能量有所減弱。在炸藥間距不大且接收排列相當于目的層埋深時，整個排列范圍內，震源時差的影響較小。

目前，除電子雷管外，利用電子延遲技術控制瞬發雷管引爆，實現多級震源延遲同相疊加的方法尚未見諸報道。本文試圖給出一種新思路，發揮電子延遲技術具有延遲時間設置靈活且控制精準的優勢，實現多級震源的延遲同相疊加。

1 多級震源的電控系統結構

多級震源的電控系統主要由BOOMBOX 遙爆機、高壓編碼器和延遲器三部分電路構成(圖1)。位于地表的高壓編碼器一方面接收BOOMBOX 遙爆機發出的引爆信號，另一方面向位于炮井下的延遲器發送充電、引爆、棄炮等命令[11-12]。延遲器用來設置三節藥柱的引爆時間，它接收到引爆命令后，控制三節藥柱從上到下依次按時引爆，藥柱之間用PVC 管支撐，即使供電線路被藥柱1 炸斷，延遲器仍有足夠能量維持單片機正常工作，直到藥柱2、藥柱3正常引爆，從而實現地震波的垂向同相疊加。

延遲器使用PVC 管和環氧樹脂密封，避免了炮井中的水汽造成內部電路短路。其外殼的螺旋接口與藥柱的接口相匹配，方便炮井下藥。藥柱之間的PVC 支撐管的長度原則上不能小于已知的最小藥距，大于藥柱爆炸的殉爆安全距離，不能產生“粘連”效應。延遲時間(ΔT)由藥柱間距(ΔH)和間隔地層的速度(v)決定，即ΔT=ΔH/v[13]。

圖1 三級延遲震源的電控系統結構

2 多級震源的電控系統原理

2.1 高壓編碼器的硬件電路設計

高壓編碼器接收BOOMBOX 遙爆機發出的振幅為400V、脈沖寬度為4ms的矩形脈沖作為引爆信號。高壓信號具有抗干擾能力強、能量傳輸效率高的優點，故高壓編碼器采用由直流逆變電路產生的310V 和210V 直流電分別作為充電信號和棄炮信號。系統采用12V 鉛蓄電池經逆變器產生220V正弦交流電，再經整流、濾波，轉化為紋波系數較低的310V 直流電，具體電路原理如圖2 所示。當開關SW 撥至電容C1正極時，給延遲器的電容充電并等待接收引爆信號。此時，電氣特性相同的三個濾波電容C1、C2、C3串聯電壓達到310V，將并聯在R4兩端的氖泡點亮。當開關SW 撥至電阻R1時，經R1和R2分壓，R2兩端電壓達到210V，通過二極管D5 給電容C2、C3充電，阻止電容C2、C3的電能通過電阻R2釋放，系統輸出210V 電壓作為棄炮信號。三路高壓信號通過或門電路調幅調制，將電源線與信號線復合為一路信號，僅使用兩根電線即可控制炮井底部的延遲器，方便現場施工。

圖2 高壓編碼器電路原理圖

2.2 延遲器的硬件電路設計及編程思想

延遲器由譯碼電路、單片機最小系統、驅動電路三部分組成。

2.2.1 譯碼電路

譯碼電路采用二位的8421BCD 編碼原理，將高壓編碼電路發出的一路復合模擬信號轉化為二位的TTL 數字信號輸入單片機。01B、00B、11B 分別表示充電、引爆、棄炮3種信號。圖3所示電路中，每級電路單元由三個電阻和一個三極管組成。

以第一單元電路為例進行分析。當R2兩端電壓低于三極管Q1 基—集導通電壓，三極管處于截止狀態，PB0輸出高電平；當R2兩端電壓高于基—集導通電壓，三極管處于導通狀態，PB0 輸出低電平，從而實現弱電電路對外界高壓信號的轉化識別功能。其中，三極管選用PN 結導通電壓接近0.7V的硅管，電阻R2和R5選用1‰精度的高品質電阻。

圖3 譯碼電路原理圖

具體工作原理如下：當輸入210V 棄炮信號時，Q1 和Q2 都處于截止區，PB0 和PB3 輸出高電平；當輸入310V 充電信號時，Q1 處于飽和區，PB0 輸出低電平，Q2 處于截止區，PB1 輸出高電平；當輸入400V 引爆信號時，Q1 和Q2 都處于飽和區，PB0和PB3輸出低電平。

2.2.2 單片機最小系統和延遲程序設計

單片機采用ATMEL 公司推出的一款高性能、小體積、低功耗處理器ATmega8a，供電電路采用220V 轉5V 的電源模塊，紋波電壓低于40mV，避免了延遲器帶電與雷管混裝不安全的問題。用容量1000μF、耐壓25V 電容給電源模塊供電，該電容充滿電后，可維持單片機系統正常工作約400ms。因此，即使上炮炸斷延遲器與高壓編碼器之間的連接線，單片機系統仍能正常控制中炮和下炮的起爆。

延遲器的程序設計主要包括電磁干擾屏蔽、高壓電容充電、軟件濾波以及延遲時間設置四個部分。電路系統在工作初期，高壓信號、儲能電容都會在空間中激發電磁波，影響單片機的正常工作。故在開機后一段時間內，單片機不接受任何輸入信號，直到電路達到穩定狀態。此外電子延遲電路在識別引爆信號的過程中，加入軟件濾波程序，最大限度地降低因外界干擾而造成的誤起爆風險。

單片機通過識別不同的輸入信號，發出充電、延時引爆、棄炮命令。其上、中、下三發雷管的引爆時間可根據炮井中間隔地層的速度和三級藥柱間距靈活設置。如兩級藥柱首尾間距為1.7m 時，據激發層附近速度，一般選3ms。具體指令流程見圖4。

2.2.3 驅動電路

驅動電路(圖5)的功能是引爆雷管，由儲能、引爆和棄炮三個單元組成。儲能電路單元將電能儲存于高壓電容中，為雷管起爆提供能量。引爆電路單元將與三個高壓電容對應連接的三發瞬發雷管從上到下依次引爆，引爆時間間隔最小值設置為1ms。

圖4 程序流程圖

圖5 驅動電路原理圖

儲能電路單元受單片機PD3引腳控制，由三個二極管D1、D3、D5和三個高壓電解電容C1、C2、C3組成，可存儲高壓編碼充電器發出的能量，以引爆上炮、中炮、下炮的瞬發雷管。當充電開關SW 閉合，310V 直流電通過二極管和電阻給儲能電容充電，電阻R1能有效抑制浪涌電流，減少對單片機電路的干擾。

引爆電路單元受單片機PD0、PD1、PD2引腳控制，由單向可控硅SCR1、SCR2、SCR3 和高壓電容C1、C2、C3組成。當單片機發出放炮命令，PD0、PD1、PD2輸出高電平觸發三個可控硅依次導通，從而實現雷管的延時引爆。

高壓電解電容C1、C2、C3作為瞬發雷管起爆能量的直接來源，決定瞬發雷管能否快速起爆。據理論分析，電容對雷管放電可等效為RC 放電電路。

根據RC 放電電路分析得

(1)

式中：UC(t)為電容兩端電壓；U為電源電壓；t為電容放電時間；R為負載電阻；C為電容容量。

(2)

式中I(t)為RC 放電回路電流。定義IRMS并可得

(3)

式中IRMS為RC 放電回路中的有效電流。

當遇到不允許引爆的特殊情況時，棄炮電路單元將高壓電容中的電能通過耗能電阻釋放，達到小于雷管的最低起爆能量，就能安全地打撈出雷管和藥柱，消除安全隱患。受單片機PD4 引腳控制，該單元由三個二極管(D2、D4、D6)、三個高壓電解電容(C1、C2、C3)、耗能電阻R2及單向可控硅SCR4組成。

3 延遲器批量測試

依托山西省M 煤層氣勘查項目，進行現場對比測試，試驗線段和試驗點位于離石大斷裂帶南側(圖6，L1、L2 線)。該區地表高程為880～2012m，最大高差為1132m，通常高差為200m。淺層為第四系黃土層，厚度約120m，下部為夾有鈣質結核的黏土層，覆蓋在厚約45～100m 的新近系紅黏土層之上。深層為：中生界三疊系砂泥巖，厚度約1134m；二疊系厚度約734m，上部巨厚K14砂巖，與泥巖形成TK14波，下部為砂泥巖和煤層；石炭系由砂泥巖、煤層及灰巖組成，厚約115m。上煤層組山西組2號、3號煤層厚度分別為1.57m 和1.04m，間距約為6m，與圍巖形成明顯的波阻抗差異，共同形成復合波T2波。下煤層組太原組10 號和11 號煤層厚度分別約為2.86m 和0.80m，形成T10復合波。兩組煤層間距約80m，煤層埋深約2000m，且薄煤層淺、厚煤層深。可知該區地震地質條件相當復雜。

圖6 試驗點和試驗線平面分布示意圖

3.1 試驗點分析比較

本項試驗共設置了25 個物理點，采集道距為20m、采樣間隔為1ms、記錄長度為5s，觀測系統和激發條件參數分別如表1和表2所示。

表1 觀測系統參數

表2 激發條件參數

試驗點1(圖7a)的炮點位于黃土塬的坎邊，地形起伏劇烈，低速層速度約650m/s，厚度約40m，下部夾有兩層黏土。試驗點2(圖7b)位于黃土塬平坦區，低速層Ⅰ厚約27m，速度約650m/s，其下為1m厚的濕黏土層，是良好的激發層；再下為低速層Ⅱ或稱降速層，厚約14m，速度約750m/s。試驗點3(圖7c)位于黃土塬下邊坡，低速層Ⅰ 厚約24m，速度為800m/s，底部厚約1m 致密黏土為激發層。

據該區12口微測井資料可知，間隔地層速度約1100m/s。以0.5～6.0kg炸藥在黏土中爆炸，采用打井法測試出強壓塑圈半徑小于1m。因此，當藥柱間的PVC支撐管選1.7m 時，藥柱中心距離為2.2～2.7m，可算出藥柱間引爆時間間隔宜設為3ms。

試驗點1處于低速帶特厚區。在井深31m 和藥量8kg相同條件下，進行延遲疊加炮與常規炮的對比試驗。延遲疊加炮記錄如圖8a 所示，在1400ms處，僅小號部分道可觀測到有效波。常規炮記錄如圖8b所示，在約1400ms看不見明顯的有效波。總之，從靜校正記錄面貌上分析，當激發層深度不夠時，延遲疊加炮的有效波比常規炮明顯。

圖7 試驗點地形示意圖(a)試驗點1； (b)試驗點2； (c)試驗點3

圖8 試驗點1(井深31m、藥量8kg)地震單炮原始記錄及品質分析(a)延遲疊加炮； (b)常規炮； (c)有效波能量分析； (d)頻譜分析

振幅反映了地震反射能量，反射能量越大，振幅值也較大[14-15]。從圖8c可見，常規炮的能量值為700，延遲炮的能量值則達900。圖8d 表明，在20Hz低頻范圍，延遲疊加炮的能量相對值為93%，常規炮的能量相對值為48%。在40Hz高頻范圍，延遲疊加炮的能量相對值為65%，常規炮的能量相對值為40%。

總之，在高頻范圍的延遲疊加炮有效波能量比常規炮約提高2.2倍，頻帶拓寬30Hz以上。

試驗點2位于中等厚度低速帶區。在井深30m和藥量6kg不變時，將單井延遲疊加炮(圖9b)與三組合常規炮(圖9a)的地震靜校正記錄進行對比。可見在小號半個排列(1400～1500ms時窗)范圍煤層反射波均為能量強、連續性較好；但單井延遲疊加炮比三組合常規炮地震記錄連續性更好，相位更豐富，頻率更高；其費用僅為三組合常規炮方式的大約三分之一。

然后對有效波能量及其頻譜進行分析，可見三組合常規炮(圖9c)的均方根振幅值達到2.8，單井延遲炮(圖9d)的均方根振幅值達到4.8。從圖9d還可觀察到：在20Hz低頻段，延遲疊加炮能量相對值為99%，常規炮能量相對值為78%；在40Hz高頻段范圍，延遲疊加炮和三組合常規炮能量相對值均為40%。總之，延遲疊加炮比常規三組合炮有效波連續性更好、強相位更豐富，低頻段能量增強約21%，高頻段頻率相當。

試驗點3位于低速帶較薄區。在井深18m 和藥量8kg不變時，對比單井延遲疊加炮(圖10a)與三組合常規炮(圖10b)靜校正記錄，可見激發層都在速度突變面附近；從靜校正記錄面貌分析，延遲疊加炮有效波能量更強，而且連續性好，三組合常規炮能量弱、連續性一般。進一步的定量分析結果表明：三組合常規炮的均方根振幅值為950，單井延遲疊加炮的均方根振幅值則達1400(圖10c)；在20Hz低頻段，延遲疊加炮能量的相對值為99%，常規炮能量的相對值為78%；在40Hz高頻段內，延遲疊加炮能量的相對值為30%，常規炮能量的相對值為20%(圖10d)。

圖9 試驗點2井深30m、藥量6kg不變時地震單炮原始記錄及品質分析(a)三組合常規炮； (b)單井延遲疊加炮； (c)有效波能量分析； (d)頻譜分析

總之，延遲疊加炮方式比常規炮方式振幅增強約47%，低頻、高頻段能量相對值分別提高了21% 和10%，頻帶更寬；前者費用僅為后者的約三分之一。

3.2 試驗線分析比較

試驗線處于L2 線樁號9600～11130 段內，五組合炮與延遲疊加炮采用相同激發條件(井深為30m，藥量為10kg)、相同接收條件(240道/炮、道距為20m)、相同覆蓋次數(40)時，延遲疊加炮為46個物理點，常規五組合炮有48 個物理點，得到偏移時間剖面(圖11a、圖11b)。

由合成地震記錄在地震時間剖面上標定TK14、T2 反射、T10反射，分別對應K14 砂巖層、2 號和10號煤層的反射波。剖面大道號受落差2000m 的離石大斷裂影響，伴生正斷層F1 和F2 形成地壘、地塹，破壞了煤層的連續性，表現為T2、T10同相軸能量突變、連續性變差，甚至錯斷。

在地震剖面上五組合炮與延遲疊加炮的T2、T10同相軸的連續性均好，中部受斷層的影響，延遲疊加炮(圖11b)的T2、T10同相軸的連續性比五組合炮(圖11a)的略弱。

針對剖面品質做定量分析的結果表明：常規五組合炮和延遲疊加炮的煤層反射的均方根振幅(圖11c)分別為7100、7600，兩者差別不大；從頻譜(圖11d)對比可見，在26Hz低頻段，常規五組合炮和延遲疊加炮的有效波的能量百分比值分別約為96、98，在43Hz高頻段，兩者有效波的能量百分比值分別約為37、55。

總之，從資料品質分析，延遲疊加炮與常規五組合炮在偏移時間剖面上有效波連續性均好、能量相近、頻率略低，均可用于構造解釋；從采集成本分析，延遲疊加炮比常規五組合炮的激發成本降低約七八成，更經濟、實用。

圖10 試驗點3井深18m、藥量8kg不變時地震單炮原始記錄及品質分析(a)三組合常規炮； (b)單井延遲疊加炮； (c)有效波能量分析； (d)頻譜分析

圖11 偏移時間剖面對比圖(a)五組合炮； (b)單井延遲疊加炮； (c)有效波能量分析； (d)頻譜分析

44 結論與討論

本文對電子延遲技術的實現原理進行了闡述，并針對應用實例進行了測試和分析，說明利用電子延遲器實現多級震源延遲疊加是一種可行的方法，且具有以下突出優點：

(1)電子延遲法控制系統延遲時間間隔精確且靈活可調、施工方便，安全性高、穩定性好。

(2)延遲疊加震源激發的地震波具有能量強、頻率高、頻帶寬、面波弱的特點，有利于在厚黃土地表區開展煤炭、油氣地震勘探。

(3)該延遲器與現行遙爆系統兼容，與國產工業化瞬發雷管相匹配。在三級震源疊加技術中，三發電子雷管可用一個延遲器代替，一個炮孔代替三個炮孔，節省成本90%以上，經濟效益顯著。

該項技術應用中尚有三點注意事項：

(1)在厚黃土地表區，激發層宜選擇在速度大于1000m/s的黏性土層中。事先要準確獲取起爆介質的地震波傳播速度和1～4kg炸藥爆炸后的強壓塑圈半徑，據此設計炸藥柱間距和炸藥柱起爆時間間隔，保證瞬發雷管的起爆時間誤差不大于0.5ms。

(2)下藥過程中延遲器不能帶電，炮井須遠離高壓線。

(3)遇到不允許引爆的異常情況，須按壓棄炮按鈕，將高壓電容中的電能通過耗能電阻釋放，次日可安全打撈出雷管和藥柱。