地震勘探中的炸药震源药量理论与实验分析

地震勘探中的炸药震源药量理论与实验分析张　智,　刘　财,　邵志刚(吉林大学地球探测信息与技术学院,长春130026)摘　要　炸药由于具有良好的脉冲特性及高能量的特点而作为地震勘探中的主要震源.就炸药本身来说,在地震勘探中药量、井深等参数的选取对激发能量和激发频率有很大的影响.为此,本文运用炸药爆炸理论,从炸药作功角度来加以论述,并通过理论和实验分析得出选取一个最佳的药量和井深激发,既能提高炸药作功能力,又能增强激发能量,从而激发强能量的高频震源子波,达到指导野外地震采集和节约经济成本的目的.关键词　地震勘探,炸药量,井深,激发能量,激发频率,炸药作功,高频子波中图分类号　P631 文献标识码　A 文章编号　100422903(2003)0420724205Theory and experimentation of the charge sizes inseismic 2sources for seismic explorationZHAN G Zhi ,　L IU Cai ,　SHAO Zhi 2gang(College of Geo 2ex ploration of Science and Technology ,Jili n U niversity ,Changchun 130026,Chi na )Abstract Dynamite has been main seismic 2sources with having good pulse characteristic and high 2energy for a long time.As far as dynamite itself ,the selection of charge size and well depth has the much effect on excitation energy and frequency in the seismic 2prospecting.For this object ,the paper discusses the problem from the angle of doing 2work mechanism of dy 2namite explosion by using the theory of dynamite explosion.Theoretical analyses and field experiments show that the selec 2tion of most appropriate charge high 2energy dynamite and well depth can both improve the dynamite work capability and en 2hance the excitation energy ,therefore beneficial to generating high 2frequency soure wavelet with relatively high energy and to directing field 2seismic gathering and to minimizing economic expenditure.K eyw ords seismic exploration ,charge size ,well depth ,charge energy ,charge frequency ,dynamite works ,high frequen 2cy wavelet收稿日期　2002207210;　修回日期　2003210210.基金项目　教育部博士点基金项目(20030183056)资助.作者简介　张　智,男,1975年生,湖南衡阳人,吉林大学地球物理专业硕士研究生,主要从事固体地球物理研究.(Email :zhangzhiri @ )0　引　言在地震勘探中,炸药作为一种常规震源.其药量、井深等参数的选取直接影响激发以及测量效果,在地震信息采集阶段,要采用相应的观测系统及参数,采集主频高、频带宽、信噪比高的地震原始信息,这是提高分辨率的关键,原则上要做到小药量、小道距、小组内距、少组合个数.然而药量的选取不仅要保证目的层反射波有足够的能量,也要保证有较高的分辨率.激发频率既取决于激发井深和激发岩性,同时又与激发药量紧密相关.20年前已经开始的VSP 技术可以看成是井间地震技术(将震源与检波器都置入井中进行地震波观测的地球物理勘探方法)的初期.在上世纪80年代国外对井中的激发震源、接收装置进行了大量的研究,但由于当时技术条件的制约,没有形成有实际应用价值的产品.到了90年代国内外井间地震技术有了很大的发展,就目前国际上的井间地震技术的水平看,井间地震技术从40年前的理论提出到目前的技术现状,经过了一个漫长而起伏的发展过程.国外该技术目前已达到了硬软件都逐渐成熟的阶段.从技术的发展水平看,国外采用可控震源,5～第18卷　第4期 地　球　物　理　学　进　展 Vol.18　No.42003年12月(724～728) PRO GRESS IN GEOPHYSICS December 200380道检波器串,下井深度达6000m,井间地震的井距达1800m.国内在该项技术方面相比滞后.胜利油田采用电火花震源、二个三分量检波器串、下井深度1350m,井间地震的井距最大为470m.国外仪器记录采样间隔0.01ms,而我们目前能达到0.125 ms.在层析成像的软件技术方面,国外投入了大量的人力及财才,发展了较为成熟的层析成像软件系统.而我国仅在几个单位开展了该项技术的研究,取得了初步的软件成果.由于油田开发的需要,近年来井间地震工作有了很大的发展,特别是井下震源及多级接收检波器的研制成功,不但采集处理及解释方法日趋成熟,主要一点是采集成本的下降及效率的提高,使该项技术有了一个广阔发展的前景,目前国外井间地震工作得到了很大的发展,但还是主张采用小药量,人们也总是希望能用较小的药量激发出强能量宽频带下的高频地震波,后来经理论研究和实践认为这种做法是不合格的,正如李庆忠院士1995年指出“小炸药量是个误区”,“高分辨率地震勘探不但不应该用小药量,还应该用比常规生产更大的药量.因为高频比低频的能量弱”[1].实际上炸药爆炸时并不是所有的能量全部转变为有效的机械作功,只是有一部分能量用于产生地震波,绝大部分能量无益损耗:如对周围介质的加热、爆炸时的热损失、爆炸产物中的残留热、对周围介质的破坏及岩石颗粒之间的摩擦等损耗.本文从理论上对药量、井深的选择进行分析和讨论,并通过对不同的药量和井深实验来表明:选取一个最佳的药量既能提高炸药作功能力,又能增强激发强能量的高频震源子波,从而得到主频较高、频带较宽、能量上容易识别、地质特征明显、波形易于追踪对比、便于解释的高分辨率地震资料,来达到指导野外采集和节约经济成本的目的.1　炸药爆炸作功原理爆炸作功是指在一定的条件下,某种物质发生急剧的物理和化学变化,内在势能瞬时释放,并借助系统外的介质显示出对外作功.其中一个重要特征是系统原有的高压气体或爆炸瞬间形成的高温高压气体骤然膨胀.在爆炸点周围介质中发生急剧的压力突破.某种形式的能量先以一定方式转变为原物质或产物的压缩能,随后物质从压缩态开始膨胀对外作功,引起附近介质的变形、破坏、位移和振动.但是炸药爆炸变化必须具备反应的放热性、反应的快速性和生成气态物这三个条件.而其中生成的气态产物多少直接影响炸药爆炸后作功能力的大小,影响激发能量.爆轰特征可用炸药的爆速、威力、猛度等一些重要参数来讨论.对地震勘探最有意义的是作功能力的参数—威力.炸药在爆炸时生成高温、高压等爆炸产物,在膨胀是压缩周围介质,形成冲击波对外作功.炸药爆炸时,对周围物体的各种机械作用是多方面的,形式也是多样的.　A=A1+A2+A3+……A n=ηE.(1)此公式描述炸药作功机制.公式中:A为炸药的作功能力;A1,A2,A3,……A n为各项爆炸作用所做的功;η为炸药作功效率;E为炸药爆炸总能量.可以看出炸药爆炸时所做的功只是炸药总能量的一部分,绝大部分的能量通过各种形式无益损耗[2—4].另外,不同炸药的作功效率、作功能力也不一样;从理论上讲,爆热比较高的炸药作功大,能产生净能量的地震波.2　激发药量对地震波能量与频率的影响2.1　地震勘探中炸药药量对激发能量的影响根据波动理论的研究,地震波的传播实质是能量的传播.它与波通过的介质体积ω、波动振幅A 的平方、波的频率f的平方以及介质的密度ρ成正比,即　E∝ρA2f2ω.(2)可以看出,炸药爆炸后,在密度大的介质中激发能量大,能量主要集中在高频成分.但是药量大时,岩石破碎严重.由于岩石颗粒之间的磨擦,对高频能量的强烈吸收及激发产生的环境噪声等影响,使得增大药量后,能量提高不大.利用加大药量来提高激发能量,使得岩石破碎严重,能量消耗比较大,干扰噪音的能量也增强,信噪比降低.选用作功能力大的高能量小药量炸药,爆炸后产生气态物质多,膨胀体积大,作功能力强,岩石破碎程度小,消耗能量要小一些[5—8].图1是激发药量与激发子波振幅关系曲线图.从图1可知,随着药量的增加,地震波的振幅也随之加大,但增加的幅度是不一样的.图中小药量激发时,振幅随药量增加幅度较明显;而随着药量增加到一定程度时,子波振幅增加幅度明显趋缓.这是因为药量过大时,激发的大部分能量消耗在破碎带内,5274期 张　智,地震勘探中的炸药震源药量理论与实验分析 图1　药量与激发子波振幅关系曲线Fig.1　Relation curve of quantity of explosiveand charge waveletamplitude图2　激发药量与频率关系图Fig.2Relation curve of quantity of explosive and frequency真正向地下传播的能量相对减小.2.2　炸药药量对激发频率的影响在地震勘探中,通常需要的是强能量高频率的反射波,因此,要求炸药爆炸后弹性能量要强,特别是高频能量的损失要小.炸药量与激发频谱有着密切的关系,它们之间有如下的经验公式:　(脉冲宽度)ΔT ∝3Q ,(3)　(炸药频宽)ΔF ∝13Q .(4)其中Q 为药量.由经验公式和频率与药量之间的关系图可以看出,要保护高频成分不受损失,药量应适当减少以保证子波有足够的频带宽度.药量越小对产生高频、拓宽频宽越有利.因此,选用适量高能炸药能够获得比较理想的效果.这是因为在石油勘探中主要目的层埋藏较深,只有在保证目的层反射波能量的前提下,在保证目的层反射波存在高信噪比条件下,才能研究提高高分辨率问题.综上所述,药量的选择应统筹考虑,一是要考虑激发时产生的地震波频率,二是要考虑产生地震波的有效振幅(即能量).3　实验分析为了确定合理的激发药量,在开始野外采集前在相同的激发井深和接收参数条件下进行了不同激发药量的采集参数实验.在某地区我们分别选取了1kg ×5、6kg 、5kg 和4kg 的激发药量(硝酸甘油)进行了实验.图3是这个探区激发药量实验分频扫描对比图①.从图中图3　药量实验(50/60/120/130)Hz 频率扫描记录对比Fig .3　Map of (50/60/120/130)Hz frequency scan record contrast in deferent quantity of explosive experimentation①大庆石油管理局.环古龙地区高分辨率地震采集实验报告.627 地　球　物　理　学　进　展 18卷图4　不同药量激发记录频谱Fig.4　Frequency spectrum of deferent quantity of explosive chargerecord图5　不同药量激发记录频谱Fig.5　Frequency spectrum of deferent quantity of explosive charge record显示的实验数据可以看出,记录上的反射层主要在0.5s之前及1.0s附近.对比一下这四张记录反射层同相轴的能量、频率以及连续性等品质及干扰背景得出,较大药量的记录明显比小药量的好.在不同药量的记录上,各反射层都存在较丰富的低频信息,大药量深层反射好于小药量,不过对于个别反射层,小药量的要比大药量好一些,由此可知对于不同深度的反射层,相应的激发能量响应不一样,因此4kg 药量激发时T1层能量较强,连续性较好,能够较好的兼顾目的层激发能量和有效频宽,为该地区最佳的施工药量.图4、图5是相对于图3中不同炸药量对比的频谱图.从两个图中看出,在中低频段大药量比小药量激发的能量高,表现在曲线上约差10Hz;T1层小药量激发的频带比大药量的频带要宽10Hz到30Hz,而T2层小药量的频带比大药量宽5Hz到10Hz,两者频带宽度减少了.在高频段(T1层大约从60Hz开始,T2层大约从80Hz开始),小药量和大药量的激发能量较接近或高于大药量激发的能量,这说明小药量激发有利于高频信号,并且4～5kg的分频振幅曲线占较高位置.只不过大药量激发低频成分增加更快,高频成分占的比例相对下降,这与从理论上分析的结果基本一致.对于炸药震源来说,选择激发井深也是极其重要的,而炮井最佳深度的选择具有很大的地域性,并与采集区的地表结构密切相关.为此我们作了井深的实验,激发深度选在低速带以下3～5m(激发岩性为硬胶泥).接收条件为:道距20m;检波器型号用SQJ15C240,采用2个检波器组合,组内距为4 m,采样间隔为1ms;仪器前放增益36dB.图6为某地区井深实验分频扫描记录①.从图中可以看出,对于T1层来说,11m激发时,主要目的层连续性较好、信噪比好于其他井深的记录效果,T2层反射波频率可达60Hz,分辨率较高.实验点的潜水面深度为6m,岩性为灰色硬胶泥,这说明在该地区只要在潜水面以下4m左右的硬胶泥中激发就能获得宽高频的地震资料.4　结　论通过理论分析和实际实验数据的分析,求取的激发药量和激发井深的定量差异,得出如下认识:(1)针对深层高频信号能量不强的特点,可以通过增大药量提高深层高频信号能量.(2)不同的地区根据不同的环境选取激发药量,该地区应该选取4kg的药量为最佳药量,有利于提高地震资料的分辨率和信噪比.(3)对于精细的高分辨率地震勘探来说,在保证能量的前提下,炸药包距潜水面的深度一般不大于3m,以减少虚反射与有效信号相互叠加而削弱有效信号的能量和使激发频谱高频成分缺失的问题.在实际应用时,还应根据不同地区的实际情况选择激发因素.①大庆石油管理局.环古龙地区高分辨率地震采集实验报告.7274期 张　智,地震勘探中的炸药震源药量理论与实验分析 图6　激发井深实验扫描对比图(60～120Hz)Fig.6　Map of60～120Hz frequency scan record contrast in charge well2depth参　考　文　献(References):[1]　惠君明,陈天云.炸药爆炸理论[M].南京:江苏科学技术出版社,1995.[2]　李庆忠.走向精确勘探的道路[M].北京:石油工业出版社,1993.[3]　何樵登.地震勘探原理与方法[M].地质出版社1986.[4]　俞寿朋.高分辨率地震勘探[M].北京:石油工业出版社.1993.[5]　刘树田.地震勘探中炸药震源药型选择问题研究[J].石油物探1999,38(4):66～73.[6]　凌　云.激发药量与药型分析[J].石油地球物理勘探.2001,36(5):584～591.[7]　潘文峰.高分辨率地震勘探中最佳药量及耦合条件的选取.石油地球物理勘探,2000,35(4):443～453.[8]　刘清林,於文辉,陈林,等.大井间距井间地震观测试验[J].地球物理学报,1999,42(4):549～556.827 地　球　物　理　学　进　展 18卷。