可控沖擊波震源技術在陜北沙漠區地震勘探的應用

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;3.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049;4.西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室,陜西 西安 710024)

0 引言

在煤田地質勘查領域中地震勘探是不可或缺的關鍵技術[1],而通過各種震源激發地震波是地震勘探技術野外數據采集的基礎[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]。隨著國家對民爆物品管控越來越嚴格,炸藥的審批手續復雜,耗時長,電火花等非炸藥震源逐漸在陸地勘探中得到了應用[4]。現有的電火花震源多是以水中電擊穿,即液電效應為基礎,因水間隙的能量泄漏嚴重,產生沖擊波的強度較低,因此能量轉換效率低[5]。西安交通大學張永民教授團隊以高功率脈沖技術和金屬電爆炸原理為基礎研發了金屬絲電爆炸可控沖擊波技術,其具備幅值、沖量、作用區域和重復次數可控且一致性好的特點,目前已研發了一系列可產生不同能量沖擊波的可控沖擊波設備[6]。經分析其原理和結構,該技術可作為勘探震源應用于地震勘探中。為此,在介紹金屬絲電爆炸可控沖擊波技術和可控沖擊波震源裝置工作原理的基礎上,分析可控沖擊波技術作業為地震勘探野外數據采集激發源的特點,并通過在陜北沙漠區的現場試驗,探究該技術作為一種新的地震勘探激發震源在陜北煤田地震勘探領域的應用發展前景。

1 金屬絲電爆炸可控沖擊波技術與設備

1.1 金屬絲電爆炸可控沖擊波技術

金屬絲電爆炸可控沖擊波技術是為了提高沖擊波能量轉換效率,結合水中金屬絲電爆炸產生沖擊波的原理而發展的[7],該技術是以高功率脈沖和放電等離子體為基礎,通過不同結構的換能器,將電能轉化為沖擊波機械能[8],在相同區域重復產生幅值、沖量可控的強沖擊波[9],典型的換能器結構和產生的波形如圖1所示。其優點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為基礎的可控沖擊波技術存在的異常放電等故障,同時也避免了液電效應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,從而提高了穩定性、一致性和能量轉換效率,有研究表明其能量轉換效率可達24%[5,10]。通過對金屬絲電爆炸與可控沖擊波設備各部件的關系研究,脈沖功率驅動源的儲能與金屬絲的質量2個參數影響金屬絲電爆炸的物理過程,是提高沖擊波能量轉換效率的主要影響因素。可通過改造優化金屬絲的參數(質量、直徑、長度、結構)和控制、調節脈沖功率源的儲能達到系統最佳的匹配關系,來提高能量轉換效率。

圖1 金屬絲換能器結構和沖擊波波形[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將儲能電容儲存的高電壓脈沖電能量快速加載到換能器負載上,在水環境中產生脈沖強沖擊波,結構原理如圖2所示。其工作原理是:電源控制系統設置閾值,恒流高壓電源系統將工頻電源變頻(工頻-中頻)、升壓(0.380～30 kV)、整流(交流-直流)后為儲能電容充電,當充電到控制系統的控制閾值時,大通流放電開關啟動放電,將儲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生沖擊波。

圖2 可控沖擊波震源裝置結構原理Fig.2 Structural principle diagram of controllable shock source device

圖3為長度為10 cm,直徑1.6 mm的鋁絲在水下電爆炸實測放電回路電流和沖擊波波形,此時,脈沖功率源的充電電壓為23.5 kV,電容器儲能120 kJ。從圖3中可看出,回路電流達到100 kA,沖擊波超壓在距源區43 cm處已達到14 MPa,可滿足多種現場作業的應用需求。

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 同步聯機實現

根據可控沖擊波震源裝置的結構及工作原理,用羅果夫斯基線圈拾取放電主回路的電流信號,經電路整形后,同步觸發信號持續200 μs,幅值5 V。通過有線同步聯機方式與428XL儀器多次聯機測試,均成功觸發儀器采集,同步誤差保持在0.3 ms以內,滿足行業規范要求的1 ms同步精度。

2 可控沖擊波作為地震勘探震源的特點

根據金屬絲電爆炸可控沖擊波技術“可控”和一致性好的特點,可控沖擊波震源激發的效果可根據單次激發沖擊波的幅值、激發次數(依據施工要求確定)和鉆孔深度來控制,在相同地球物理特征情況下,與傳統炸藥激發在機理上具有相似性。單次激發時,根據作業要求和激發巖性,通過調整放電電壓、放電能量、換能器狀態(金屬絲參數)來控制沖擊波的幅值,選擇合適的激發層位,以達到最佳效果。多次重復激發可加強作用效果,但在一定的地層條件下,隨幅值、沖擊次數增加,激發點位附近的介質破碎程度不斷增加,形成疲勞作用,導致波阻抗增加,沖擊波衰減速度增加[11]。因此在單點進行重復激發作業時,需選擇最優的幅值和作業次數,以達到最佳的激發效果。

3 試驗分析

3.1 試驗情況

試驗區位于陜北榆林毛烏素沙漠東南緣,主要為風蝕、風積作用形成的沙丘和丘陵地貌,區內松散沙層厚度為2～20 m,松散沙層,行車困難,影響施工效率,區內潛水面埋深一般在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套管進行護孔,套管底部使用細密孔紗布進行封堵,防止泥沙返流進孔內。可控沖擊波震源初始能量選取了50 kJ、75 kJ、100 kJ、120 kJ這4個檔位與炸藥進行了能量對比試驗,選取初始能量100 kJ進行了段試驗激發,金屬絲選取長度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后,原孔內下炸藥進行對比激發,井深比可控沖擊波震源激發的井深淺1～2 m。采集儀器為428XL型數字地震儀全頻帶接收,采樣率0.5 ms,前放增益12 dB,記錄長度2 s,檢波器為GDK-7 Hz高靈敏度檢波器。

3.2 能量對比分析

能量對比試驗選用中點激發,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168),75 kJ(記錄號167)、100 kJ(記錄號166)和120 kJ(記錄號169),單炮記錄如圖4(a)所示;炸藥0.25 kg(記錄號230)、0.5 kg(記錄號234)和1 kg(記錄號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 不同能量激發對比單炮記錄Fig.4 Comparison of single shot recordings with different energy excitation

通過對單炮進行能量、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相較于炸藥能量小,120 kJ激發的幅值僅有1 kg炸藥的1/10,但其激發記錄的頻率高,且高頻部分信噪比整體較高。

圖5 不同能量激發對比分析Fig.5 Contrast analysis of different energy excitation

3.3 頻率一致性分析

圖6(a)為不同初始儲能50 kJ(記錄號168)、75 kJ(記錄號167)、100 kJ(記錄號166)和120 kJ(記錄號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位置,可控沖擊波震源激發頻率一致性較好,只是幅值大小因能量而變化。圖6(b)為相同初始儲能100 kJ,不同井深12 m(記錄號161)、10 m(記錄號162)、8 m(記錄號163)、6 m(記錄號164)和4 m(記錄號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。分析結果可以證明可控沖擊波震源激發的地震波一致性好,有利于通過疊加來提高激發能量,而且相同激發條件(巖性、水環境)的疊加效果是最理想的。

圖6 可控沖擊波震源激發頻譜分析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1661(166、167、168、169)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 數據疊加前后對比分析Fig.7 Comparison analysis of data before and after superposition

3.5 段試驗分析

段試驗固定排列200 m,道距5 m,炮距10 m。對炸藥震源和可控沖擊波震源進行了段試驗數據分析。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能量單次激發已基本可滿足本區域的勘探要求。

4 結論

(1)雖然在陜北沙漠區表層沙對可控沖擊波震源高頻信號吸收衰減嚴重,120 kJ激發效果僅為1 kg炸藥的1/10,但激發的記錄初至清晰,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效果。

(2)段試驗結果表明,現階段100 kJ的可控沖擊波震源雖然激發能量比炸藥小,但是激發頻率高,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煤田地震勘探的要求。

(3)在試驗中發現該裝備存在沙漠區通行較差,作業時需選擇合適的套管進行護孔以防止孔塌;換能器材料強度、耐久度不夠易變形損壞,無法最大能量持續工作,后續研究過程中需對設備的結構、換能器材質、儲能及能量轉換效率等問題改進。