魏 朋, 曾海雁, 饒 沾

(中國(guó)石油東方地球物理公司 遼河物探分公司,遼寧 盤(pán)錦 124010)

1 引 言

遼河地區(qū)一直以來(lái)采用地面接收微測(cè)井技術(shù)進(jìn)行近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查。伴隨著科技的進(jìn)步，激發(fā)源從雷管激發(fā)發(fā)展為電火花激發(fā)。電火花震源是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力裝置.它通過(guò)高壓脈沖放電將水氣化產(chǎn)生沖擊壓力，在巖體中激發(fā)彈性波。電火花震源系統(tǒng)由主控臺(tái)、電容箱、電容槍(探頭)三部分組成，是利用高壓電極在水中的放電效應(yīng)激發(fā)地震波的裝置。激發(fā)前，高壓整流電路先使高壓電容充電到幾千伏，高壓電容通過(guò)放電電纜和放電開(kāi)關(guān)與放置于水中的一對(duì)電極(探頭)相連；激發(fā)時(shí)，放電開(kāi)關(guān)接通，電極突然獲得幾千伏的高壓，電極間水介質(zhì)中形成幾萬(wàn)安培的放電電流，瞬間產(chǎn)生出幾萬(wàn)焦耳的熱能，使水汽化，對(duì)水產(chǎn)生巨大的沖擊力，激發(fā)出地震波，放電激發(fā)的同時(shí)，觸發(fā)記錄儀，記錄儀開(kāi)始采集[1-4]。

電火花震源有很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)。工作過(guò)程中的高壓和強(qiáng)電流會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的強(qiáng)磁場(chǎng)，使接收檢波器不能產(chǎn)生初至波或初至不清，炮檢距小的道尤為突出；光纖同步觸發(fā)盒不穩(wěn)定，產(chǎn)生隨機(jī)性時(shí)間不相等的延遲；水介質(zhì)導(dǎo)電性差或兩電極間距變大時(shí)，不完全會(huì)放電，無(wú)法觸發(fā)儀器記錄。另外，放炮前充電時(shí)間長(zhǎng)；設(shè)備箱體體積大而重，運(yùn)輸不方便；工作時(shí)需要大電流，高壓，對(duì)操作人員存在觸電的安全隱患；電火花系統(tǒng)工作時(shí)需要高電壓，大電流。而在低溫情況下，電瓶性能變差，所以每次需要攜帶大量電瓶；線(xiàn)路多，接線(xiàn)復(fù)雜，需要專(zhuān)門(mén)配備一名接線(xiàn)人員；設(shè)備易損壞，維修成本高，維修難度大[1-4]。

本次在遼河SJPBB地區(qū)施工時(shí)，引進(jìn)了涿州發(fā)誠(chéng)商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的五級(jí)井中檢波器，采用井中接收、地面重錘激發(fā)的方式進(jìn)行作業(yè),有效地解決了在地面微測(cè)井施工作業(yè)時(shí)遇到以上提到的問(wèn)題，且提高了微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量和施工效率。

2 原理和方法

2.1 地貌和地球物理特征

工區(qū)位于遼寧省境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬于沈陽(yáng)市、遼陽(yáng)市，少部分隸屬于鞍山市，工區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，村莊密集，人口稠密。工區(qū)正常地表為旱田、水田和河套區(qū)三種，旱田和水田互相交織。工區(qū)內(nèi)地表總體平緩，海拔高差在1.5～13 m之間，最大高差為11 m左右。工區(qū)近地表結(jié)構(gòu)主要分為低速層、降速層和高速層三層結(jié)構(gòu)，其中低速層速度在330～450 m/s之間，低降速帶總厚度在4～14 m之間，高速層速度在1 650～1 800 m/s之間，激發(fā)巖性主要為黃細(xì)沙和青細(xì)沙[5]。

2.2 微測(cè)井方法

現(xiàn)今常用的近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查方法主要為淺層折射法和微測(cè)井法，相對(duì)而言，微測(cè)井方法可以詳細(xì)地劃分近地表速度層，近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查精度較高[6]。微測(cè)井是利用地震產(chǎn)生激發(fā)井而開(kāi)展表層結(jié)構(gòu)調(diào)查研究工作的，對(duì)低降速帶直接鉆孔，通過(guò)鉆井實(shí)現(xiàn)井中激發(fā)、地面接收或地面激發(fā)、井中接收，利用記錄到的反射初至波研究近地表結(jié)構(gòu)，它為逐點(diǎn)設(shè)計(jì)激發(fā)井深、提高激發(fā)子波的穩(wěn)定性、精確求取靜校正量提供準(zhǔn)確的近地表速度、厚度模型[7-10]。井中微測(cè)井相對(duì)更精確,探測(cè)層位更為精細(xì),能分辨更多層位,與巖性錄井結(jié)果最接近,在靜校正量獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[11-17]。

微測(cè)井目前常用的方法有兩種：?jiǎn)尉y(cè)井和雙井微測(cè)井，兩者原理基本相同，只是觀測(cè)方式不同而已。本次表層調(diào)查采用地面激發(fā)，井中接收的單井微測(cè)井方法。具體是在地面上打一口穿過(guò)低降速帶的井，井口固定一點(diǎn)作為激發(fā)點(diǎn)，井中布設(shè)接收檢波器，然后井中由深至淺依次接收。井中接收檢波器為五級(jí)微測(cè)井檢波器。

具體方法如下：

1)激發(fā)井深度大于需調(diào)查的近地表地層厚度5～10 m，接收井設(shè)計(jì)深度為20 m。

2)基于接收點(diǎn)距根據(jù)低降速層的層厚和速度變化情況而定，且每層不少于4個(gè)控制點(diǎn)的原則，井深0.5～10 m時(shí)，接收間距為0.5 m；井深10 ～20 m 時(shí)，接收間距為1 m，激發(fā)順序?yàn)橛缮钪翜\依次接收。

3)激發(fā)點(diǎn)距離采集井井口2 m，人力操作20磅(lb)的普通大鐵錘，錘擊固定在地面的與地面耦合良好的平板作為激發(fā)源。如圖1所示：

圖1 地面激發(fā)井中接收微測(cè)井示意圖

4)使用NZXP型淺層折射地震儀采集，儀器采樣率0.125 ms，固定增益36 dB，記錄長(zhǎng)度128 ms,格式為SEG-2。

2.3 五級(jí)微測(cè)井檢波器

五級(jí)井中微測(cè)井設(shè)備由井下檢波器和井上激發(fā)兩部分組成。井下檢波器由5級(jí)組成，每一級(jí)為一個(gè)獨(dú)立的接收檢波器，每級(jí)間隔1 m。井下每級(jí)檢波器外徑46 mm，長(zhǎng)度400 mm，外殼為金屬鋁加工而成，內(nèi)裝普通檢波器，防水深度為300 m，防磁；每級(jí)裝有電驅(qū)動(dòng)推靠臂，靠智能控制器開(kāi)合，支開(kāi)后使檢波器緊貼井壁。推靠臂支開(kāi)最大直徑可達(dá)150 mm，推靠力大于9 kg(相當(dāng)于9 kg重量力)。當(dāng)遇到井壁局部塌方時(shí)能自動(dòng)識(shí)別，仍保持最大推靠力和最大直徑。5級(jí)檢波器在下到預(yù)定深度時(shí)，檢波器推靠臂撐起是按順序由上而下逐級(jí)展開(kāi)的，當(dāng)上一個(gè)檢波器快固定到位時(shí)下一級(jí)檢波器的推靠臂馬上工作，最大限度地防止兩道之間由于電纜受力造成起跳一致；推靠臂依靠12 V直流電驅(qū)動(dòng)，與小折射儀共用一塊蓄電池。電纜承重1 000 kg(可牽拉1 000 kg重量)，當(dāng)遇到卡殼時(shí)，上下左右活動(dòng)，仍能保證最大可能把檢波器提上來(lái)[18]。

圖2 五級(jí)井中微測(cè)井檢波器

地面激發(fā)運(yùn)用人力操作大鐵錘，錘擊固定在地面的圓形鐵板。儀器記錄觸發(fā)器固定在大鐵錘手柄上，距離錘10 cm左右的位置，用于觸發(fā)儀器開(kāi)始數(shù)據(jù)記錄。

五級(jí)微測(cè)井檢波器技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1)由于井下檢波器下入井中后，推靠臂使檢波器與井壁藕合較好，得到的資料真實(shí)，準(zhǔn)確。

2)檢波器成本低，可重復(fù)利用。

3)檢波器體積小，易攜帶和運(yùn)輸，易操作，施工效率高。

4)作業(yè)過(guò)程中，只有推靠臂需要12 V電壓驅(qū)動(dòng)，不用接觸高電壓和大電流，增加了安全性。

5)與電火花激發(fā)源相比，五級(jí)微測(cè)井檢波器工作不受溫度影響。

6)五級(jí)微測(cè)井檢波器不易損壞，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易維修，維修成本低。

7)井中接收，不受野外風(fēng)噪的影響，大風(fēng)環(huán)境下，可正常施工作業(yè)。

3 微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集處理解釋

本次微測(cè)井正式開(kāi)始采集前，對(duì)錘擊疊加次數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。錘擊疊加次數(shù)將影響施工效率和記錄的信噪比[19]。試驗(yàn)中對(duì)比了錘擊疊加次數(shù)分別為1次、2次、3次時(shí)的單炮記錄。錘擊次數(shù)為1次、2次和3次時(shí)得到的記錄均無(wú)噪聲干擾。隨著錘擊次數(shù)的增加，記錄的能量明顯提高，每個(gè)記錄的品質(zhì)均較好，地震波初至起跳干脆，易拾取，因此，考慮到1次激發(fā)已能滿(mǎn)足需要，且單次疊加效率最高，本區(qū)微測(cè)井激發(fā)錘擊次數(shù)選擇不進(jìn)行疊加的單次激發(fā)。

根據(jù)本區(qū)域的近地表情況，結(jié)合以往本工區(qū)內(nèi)已完成的微測(cè)井資料，本次微測(cè)井共布設(shè)微測(cè)井點(diǎn)157個(gè)。根據(jù)設(shè)計(jì)井深和控制點(diǎn)要求，每口微測(cè)井總共30個(gè)控制點(diǎn)，用5級(jí)檢波器接收，1次錘擊可以完成5個(gè)控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，這樣，每口微測(cè)井自下而上只需6次錘擊記錄便可完成。圖3為五級(jí)檢波器在井中排列的示意圖。

圖3 井中觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.1 微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析

理論上隨著記錄深度的逐漸變淺，單道起跳初至波將會(huì)變小。圖4為線(xiàn)號(hào)4 221、點(diǎn)號(hào)2 268的微測(cè)井第5次錘擊記錄(深度為1～5 m)。

圖4 單炮記錄(1～5 m)

此記錄中共有6道數(shù)據(jù)，其中1～5道為井下數(shù)據(jù)道，圖4中黑色框包含的5道，第1道深度為5 m，第2道深度為4 m，第3道深度為3 m，第4道深度為2 m，第5道深度為1 m。從圖4可以看出，隨著記錄深度的減小，初至?xí)r間相應(yīng)減小，和理論相符合。數(shù)據(jù)無(wú)環(huán)境干擾，初至清楚、起跳干脆、振幅大，能量強(qiáng)。能夠準(zhǔn)確選擇初至?xí)r間、解釋地層的速度和厚度。

第6道為數(shù)據(jù)延遲監(jiān)視道，每次錘擊記錄均包括該道，圖4中紅色框內(nèi)。該檢波器插入井口邊地面，距離井口0.5 m左右。由于每次記錄該道的位置和炮檢距均不發(fā)生變化，所以每次記錄的初至和波形完全相同，如果初至與其他5次的不同，說(shuō)明本次有延遲，需要重新記錄一次。

本方法采集獲得的數(shù)據(jù)和電火花震源激發(fā)采集的數(shù)據(jù)沒(méi)有很大的區(qū)別，兩者炮集記錄基本達(dá)到一致。本方法可以達(dá)到電火花震源的地面接收微測(cè)井的的效果，在某些方面還優(yōu)于地面接收微測(cè)井，因此借助五級(jí)微測(cè)井檢波器為接收的井中接收微測(cè)井完全可以滿(mǎn)足平原區(qū)表層地震勘探調(diào)查的需求。

3.2 微測(cè)井資料處理解釋

微測(cè)井控制點(diǎn)處理是根據(jù)設(shè)計(jì)好的采集觀測(cè)系統(tǒng)將每一口微測(cè)井控制點(diǎn)逐一進(jìn)行處理，然后得出表層低降速帶信息，以及獲得高速層頂界面，即高速層與降速層之間的界面。本次微測(cè)井資料處理解釋軟件采用地震工程軟件KLSeisⅡ，微測(cè)井資料處理解釋流程與地面接收微測(cè)井大致一樣，具體如下：

3.2.1 定義班報(bào)

地面微測(cè)井班報(bào)主要定義班報(bào)名稱(chēng)、記錄格式、排列信息、炮集文件路徑、線(xiàn)號(hào)、點(diǎn)號(hào)。與地面微測(cè)井不同的是將單口井的每一個(gè)次記錄文件導(dǎo)入后，需要輸入每個(gè)文件對(duì)應(yīng)的激發(fā)點(diǎn)距井口距離，五級(jí)檢波器最底一級(jí)對(duì)應(yīng)的接收深度，選擇定義好的觀測(cè)系統(tǒng)。需要注意的是，在定義觀眾測(cè)系統(tǒng)時(shí)，如果選首道位置，在輸入接收深度時(shí)，要輸入的是五級(jí)檢波器最頂一級(jí)對(duì)應(yīng)的接收深度，只定義5道。保證相應(yīng)文件記錄深度準(zhǔn)確無(wú)誤，并且定義好觀測(cè)系統(tǒng)，可以在軟件右側(cè)顯示觀測(cè)系統(tǒng)示意圖。

3.2.1 拾取初至

本次的初至能量較強(qiáng)，炮集的初至清晰，拾取起跳點(diǎn)為初至，也可軟件自動(dòng)拾取，如圖5所示，為線(xiàn)號(hào)4 610，點(diǎn)號(hào)2 068的微測(cè)井炮集初至拾取圖。其中文件號(hào)1中，從左至右分別是20 m、19 m、18 m、17 m、16 m，一次接收的5個(gè)不同深度的數(shù)據(jù)；文件號(hào)2中依次為15 m、14 m、13 m、12 m、11 m；文件號(hào)3中依次為10 m、9 m、8 m、7 m、6 m；文件號(hào)4中，依次為9.5 m、8.5 m、7.5 m、6.5 m、5.5 m；文件號(hào)5中依次為5 m、4 m、3 m、2 m、1 m；文件號(hào)6中依次為4.5 m、3.5 m、2.5 m、1.5 m、0.5 m。從圖中可以看出炮集記錄的初至記錄起跳干脆。而電火花震源的微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)初至前會(huì)有電火花系統(tǒng)造成的噪聲，導(dǎo)致初至?xí)r間拾取時(shí)不準(zhǔn)確。結(jié)果表明，本次的井中接收微測(cè)井法優(yōu)于以前所采用的地面接收微測(cè)井法。

圖5 炮集初至拾取

3.2.3 對(duì)每口井的初至進(jìn)行解釋

如圖6所示，圖中每一個(gè)點(diǎn)表示該深度的初至?xí)r間，將能擬合成一條直線(xiàn)的初至點(diǎn)首尾相連就得到了一個(gè)層位，線(xiàn)與線(xiàn)的連接點(diǎn)處即為層界面，直線(xiàn)的斜率表示該層的速度大小，每層厚度為相鄰連接點(diǎn)之間深度之差。時(shí)深關(guān)系圖中上面的直線(xiàn)表示低速層，中間直線(xiàn)表示降速層，下面的直線(xiàn)表示高速層。隨之就得到了低速帶、降速帶及高速帶的厚度和每一層的速度，如圖7所示。

圖7 層速度

圖6 時(shí)深關(guān)系

利用本方法采集數(shù)據(jù)解釋得到的時(shí)深圖，趨勢(shì)明顯，容易解釋。得到的低速帶、降速帶及高速帶的厚度和每一層的速度，與以前本區(qū)以老資料的結(jié)果相符。

3.3 井中微測(cè)井采集效率分析

采用電火花為震源的井上接收微測(cè)井施工，井深為20 m，每口微測(cè)井的數(shù)據(jù)采集記錄時(shí)間約為30～40 min。本次采用的井下接收的微測(cè)井方法，每口數(shù)據(jù)采集記錄時(shí)間為3～5 min。數(shù)據(jù)采集效率提高了8～10倍。項(xiàng)目共布設(shè)微測(cè)井點(diǎn)157個(gè)，實(shí)際施工天數(shù)為16 d，平均每天采集大于9.5口微測(cè)井，最高日效達(dá)12口/天。

采用井中微測(cè)井施工，比地面微測(cè)井方法每口微測(cè)井可以節(jié)省30 min以上，施工作業(yè)效率極大提高，節(jié)約施工成本。

4 結(jié) 論

本項(xiàng)目是首次將采用的五級(jí)微測(cè)井檢波器的井中接收微測(cè)井作業(yè)方法用于本區(qū)，替代以前的以雷管或電火花為震源的地面接收微測(cè)井的表層調(diào)查工作。本項(xiàng)目也是首次將五級(jí)微測(cè)井檢波器用于氣候寒冷、表層結(jié)構(gòu)以細(xì)砂為主的東北地區(qū)。通過(guò)本次的表層調(diào)查施工，可以得到以下結(jié)論：

1)本次表層調(diào)查方法，不但具有以電火花為震源的地面微測(cè)井方法的無(wú)破壞性、不污染環(huán)境、可重復(fù)利用、不涉安全隱患等優(yōu)點(diǎn)，還具有輕便、便攜、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)性強(qiáng)、不易損壞、不怕風(fēng)噪影響的特點(diǎn)。

2)井中微測(cè)井法的應(yīng)用，避免了電火花激發(fā)源的地面微測(cè)井作業(yè)所遇到的技術(shù)難題的出現(xiàn)。

3)本方法采集的資料，初至清晰，起跳干脆，易拾取，頻率低，能量強(qiáng)，可解釋性強(qiáng)，完全可以滿(mǎn)足平原地區(qū)地震勘探的表層調(diào)查要求。

4)表層調(diào)查是地震勘探的一部分，與地震勘探施工期同時(shí)進(jìn)行。隨著現(xiàn)在地震勘探方法的進(jìn)步，作業(yè)效率得到了提高，項(xiàng)目施工期大大縮短。因此表層調(diào)查工作時(shí)間緊，而采用五級(jí)井中微測(cè)井方法，簡(jiǎn)化了施工程序，可大幅提高微測(cè)井采集作業(yè)效率，縮短施工作業(yè)時(shí)間。

五級(jí)微測(cè)井設(shè)備在設(shè)計(jì)初期是為了將其應(yīng)用于山地山區(qū)。經(jīng)過(guò)本次在平原地區(qū)的應(yīng)用，表明本設(shè)備可以應(yīng)用在平原地區(qū)。本次井中微測(cè)井方法，取得了不錯(cuò)的效果，預(yù)計(jì)今后五級(jí)井中微測(cè)井方法，將進(jìn)一步在平原地區(qū)得到應(yīng)用。

致 謝

感謝東方地球物理勘探公司遼河物探分公司2 147隊(duì)，2 121隊(duì)，2 274隊(duì)及研究所各部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)的鼎力支持。