李 娟，申有義，田忠斌,2，楊曉東，王建青

(1.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西晉中 030600； 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083)

地震勘探首先需要人工方法激發(fā)地震波，激發(fā)地震波的效果至關(guān)重要，直接影響地震勘探的成像深度和精度[1]。目前地震波的激發(fā)源可分為炸藥震源和非炸藥震源，原理大致相同，非炸藥震源主要有重錘震源、氣爆震源、電火花震源、空氣槍震源、可控震源等[2-3]。

從19世紀(jì)20年代至今，炸藥震源一直是地震勘探的主要常規(guī)震源[4]，炸藥產(chǎn)生的能量大，很容易激發(fā)出地震波，實(shí)踐證明，在地震勘查、石油勘探中使用炸藥震源具有良好的效果。由于炸藥震源環(huán)境破壞大、危險(xiǎn)性高、可重復(fù)性、費(fèi)用高差等缺點(diǎn)[5]，近年來隨著環(huán)保問題及公共安全問題的日益突出，炸藥在地震勘探中的使用遇到了很大的限制，人們一直研究用非炸藥震源激發(fā)地震波。

單個(gè)非炸藥震源雖然能量比炸藥震源小，但具有組合使用、提高多次疊加的生產(chǎn)效率、綠色環(huán)保、低成本、安全、高效等特點(diǎn)[6]。氣爆震源是一種非爆炸震源，它可以彌補(bǔ)爆炸震源的不足。本文嘗試在山西山區(qū)深部煤層氣勘探中進(jìn)行新型氣爆震源激發(fā)地震波試驗(yàn)，并與普通炸藥震源激發(fā)的地震波在能量、頻率及信噪比等方面進(jìn)行了激發(fā)效果對(duì)比研究。

1 新型氣爆震源基本原理

氣爆震源裝置是將丙烷、氧氣或空氣的混合物導(dǎo)入爆炸室內(nèi)，由電火花引爆或者直接產(chǎn)生地震波，可在海洋或陸地應(yīng)用，氣爆震源在傳輸上比固體炸藥優(yōu)越，是非炸藥震源中地震能量較高的一種[7-9]。

本次研究使用的新型氣爆震源的基本原理是：甲烷和氧氣按照一定配比在密閉的鋼制容器中進(jìn)行混合(甲烷在空氣中的爆炸極限約為5%～15%，其中甲烷在9.5%左右爆炸最為劇烈)，混合氣體通過外部導(dǎo)線點(diǎn)火后發(fā)生爆轟反應(yīng)，在容器內(nèi)產(chǎn)生高壓空氣。在容器側(cè)面設(shè)有限壓閥門，當(dāng)初始?jí)毫Ω哂陂撝岛箝y門脫落將高壓氣體向外瞬間釋放。高壓氣體瞬間釋放時(shí)可對(duì)外部形成沖擊產(chǎn)生地震波(圖1)。在激發(fā)中，限壓閥門位于容器底部，從而確保主要沖擊方向向下，有利于能量向下方傳播。

圖1 氣爆震源的激發(fā)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of gas exploder excitation installation

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

(1)地層特征

本次研究區(qū)位于沁水盆地復(fù)向斜東翼，區(qū)內(nèi)地層總體為一走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角3°～10°。研究目的層主要為二疊系山西組3號(hào)煤層和石炭系太原組的15號(hào)煤層。研究區(qū)3號(hào)煤層厚度1.90～2.90m，平均厚2.07m，全區(qū)穩(wěn)定可采；煤層平均埋深1 389m。15號(hào)煤層厚度0.90～1.70m，平均1.03m，全區(qū)穩(wěn)定可采；煤層平均埋深1 494m。近幾年隨著勘探程度的不斷提高，深部煤層成為重要的關(guān)注目標(biāo)[10]，研究區(qū)煤層埋深較大(大于1 000m)，達(dá)到了深部煤層氣的研究范疇[11]。

(2)地震地質(zhì)條件

研究區(qū)地處沁水盆地中段東部，太行山西麓，區(qū)內(nèi)大部分被第四系黃土覆蓋，由一系列的黃土梁沖溝組成，屬于中山-丘陵區(qū)，溝谷縱橫，地形較復(fù)雜。淺層低降速帶厚度不均勻，橫向速度變化大，增加了地震勘探資料采集的復(fù)雜程度。淺表層地震地質(zhì)條件較復(fù)雜。

山西組3號(hào)、15號(hào)煤層穩(wěn)定，均與其頂、底板圍巖存在明顯的波阻抗差異，可形成能量強(qiáng)、波形突出、大部可連續(xù)追蹤對(duì)比的反射波(T3波、T15波)(圖2)。研究區(qū)深層地震地質(zhì)條件一般。

圖2 研究區(qū)主要地震波組特征及地質(zhì)層位對(duì)應(yīng)關(guān)系Figure 2 Main seismic wave group features and correspondence with geological horizons in study area

綜上，研究區(qū)地震地質(zhì)條件屬一般區(qū)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 儀器及參數(shù)

地震儀器：428XL型數(shù)字地震儀。

檢波器：自然頻率10Hz，組合形式為6個(gè)一組，串聯(lián)堆放接收。

激發(fā)震源：高爆速成型炸藥柱，地震勘探專用瞬發(fā)電雷管；氣爆震源。

2.2.2 觀測系統(tǒng)

為了獲得高分辨率、高信噪比的地震數(shù)據(jù)，本次采用中間激發(fā)，360道接收，道距20m，覆蓋次數(shù)60次的觀測系統(tǒng)。

2.2.3 試驗(yàn)點(diǎn)位置選取

為便于分析對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，在區(qū)內(nèi)選擇了一個(gè)黃土較薄，激發(fā)條件相對(duì)較好的點(diǎn)位，以便于資料的對(duì)比分析。該點(diǎn)位黃土厚度約13m，0～1m為土黃色粉砂土，2～13m為棕紅色亞黏土。主要煤層埋深約為1 600m。

2.2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

研究區(qū)試驗(yàn)工作的重點(diǎn)是激發(fā)震源的對(duì)比，對(duì)比炸藥震源和氣爆震源在能量激發(fā)、信噪比及頻率等方面的特征。

炸藥震源采用高爆速成型炸藥柱，地震勘探專用瞬發(fā)電雷管激發(fā)地震波。為了比較氣爆震源不同尺寸、當(dāng)量和深度激發(fā)地震波的效果，本次試驗(yàn)采用兩類氣爆震源裝置進(jìn)行激發(fā)試驗(yàn)(A裝置：Φ120mm×1 000mm；B裝置：Φ120mm×500mm)。具體試驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容情況統(tǒng)計(jì)表

2.3 試驗(yàn)效果分析

2.3.1 氣爆震源與炸藥震源試驗(yàn)效果對(duì)比

在井深相同的條件下(井深13m，基巖面激發(fā))，分別試驗(yàn)炸藥震源(藥量8kg)，氣爆震源(A裝置：Φ120mm×1 000mm，壓力6MPa和壓力3MPa； B裝置：Φ120mm×500mm，壓力6MPa)激發(fā)。通過對(duì)原始純波記錄進(jìn)行帶通濾波(20～80Hz)顯示后(圖3)，可以看到炸藥激發(fā)的單炮記錄能量強(qiáng)，煤層反射波明顯，連續(xù)性好； 氣爆震源激發(fā)的單炮記錄上A裝置6MPa的能量較強(qiáng)，煤層反射波明顯，連續(xù)性較好； 而A裝置3MPa的單炮記錄和B裝置6MPa的記錄能量弱，近道可看到能量很弱、連續(xù)性差的煤層反射波，有一半的記錄道(遠(yuǎn)道)全部為背景噪聲。說明氣爆震源在壓力減小和體積減小的情況下，能量衰減較快。從記錄上也可以看出氣爆震源的視頻率高于炸藥震源。

圖3 炸藥震源與氣爆震源激發(fā)效果單炮記錄對(duì)比圖(帶通濾波)Figure 3 Single-shot records contrast between explosive and gas exploder excited effects (band-pass filtering)

在獲得明顯煤層反射波情況下，通過對(duì)原始純波記錄進(jìn)行能量(圖4)的定量分析后，可以看到在矩形時(shí)窗和沿煤層反射波時(shí)窗內(nèi)炸藥激發(fā)的單炮記錄能量最強(qiáng)，能量最強(qiáng)的氣爆震源(A裝置6MPa)的能量僅為炸藥的四分之一，A裝置3MPa的記錄能量最小。在沿煤層反射波時(shí)窗內(nèi)的頻譜分析圖(圖5)上，可以看出氣爆震源激發(fā)的單炮記錄上煤層反射波頻寬為9～38Hz，主頻為35Hz； 炸藥激發(fā)的單炮記錄煤層反射波頻寬為9～32Hz，主頻為20Hz； 初步可以說明氣爆震源激發(fā)的頻帶略寬于炸藥激發(fā)，主頻略高于炸藥震源。

圖4 炸藥震源與氣爆震源激發(fā)地震波能量分析對(duì)比Figure 4 Analytical contrast between seismic wave energies excited by explosive and gas exploder

416為炸藥震源，511為氣槍震源A裝置6MPa,524為B裝置6MPa，539為A裝置3MPa圖5 氣爆震源(左)與炸藥震源(右)激發(fā)效果沿煤層反射波時(shí)窗頻譜對(duì)比Figure 5 Contrast of gas exploder (left) and explosive (right) excited effects on coal seam reflection time window frequency spectra

2.3.2 不同氣爆裝置試驗(yàn)效果對(duì)比

在本次試驗(yàn)中對(duì)不同氣爆裝置進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。包括A裝置6MPa(激發(fā)井深分別為2m和13m)，B裝置6MPa(激發(fā)井深13m)；A裝置3MPa (激發(fā)井深13m)，B裝置3MPa(激發(fā)井深2m)。從圖6可以看出，只有A裝置6MPa在不同井深激發(fā)時(shí)均獲得了明顯的煤層反射波，且激發(fā)井深深的煤層反射波能量強(qiáng)，頻率高。其他氣爆裝置激發(fā)能量弱，背景噪聲明顯。

圖6 不同氣爆裝置震源激發(fā)效果原始記錄對(duì)比Figure 6 Comparison of original records of different gas exploder excited effects

3 結(jié)論

1)井深相同情況下，煤層埋深約為1 600m時(shí)，氣爆震源與炸藥震源均可取得較明顯的煤層反射波。在氣爆震源裝置合適時(shí)(A裝置6MPa)，井深相同情況下氣爆震源激發(fā)的能量低于炸藥震源；氣爆震源激發(fā)的主頻和頻帶寬度高于8kg炸藥震源。

2)通過本次試驗(yàn)說明在山區(qū)深部煤層氣地震勘探中利用氣爆震源震源激發(fā)地震波的可行性，在后續(xù)的研究中開展詳細(xì)的井深、藥量的激發(fā)與氣爆震源的對(duì)比。同時(shí)在后續(xù)的研究中開展多種地震地質(zhì)條件下的炸藥震源與氣爆震源的對(duì)比試驗(yàn)。