汶小崗，韓志雄，韓軍鋒，李 亮

（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）

0 引 言

地震勘探是利用人工震源激發(fā)地震波，通過地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收和記錄地震波，經(jīng)過室內(nèi)分析和研究地震波，從而調(diào)查地下地層的構(gòu)造和巖性等地質(zhì)特征。地震勘探技術(shù)是尋找煤炭、油氣和其他礦藏資源的有效的勘探方法之一。人工震源分為炸藥震源和非炸藥震源，而非炸藥震源比較常用的有可控震源、重錘、氣錘、氣槍震源、電火花震源等，炸藥震源目前仍是地震勘探的主要震源，但其破壞性大，辦理審批手續(xù)復(fù)雜，施工風(fēng)險高。尤其是近年來，國家對安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的新要求越來越嚴(yán)格，炸藥震源的管控和使用限制條件越來越多，在安全生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻，火工品使用受限，其他現(xiàn)有的其他類型震源又無法滿足施工要求的區(qū)域，很大程度上限制了地震勘探方法的應(yīng)用?？煽貨_擊波技術(shù)是西安交通大學(xué)張永民教授團(tuán)隊以脈沖功率技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的新技術(shù)，其具備幅值和沖量可控、作業(yè)區(qū)域不受限制、可重復(fù)使用等特點，目前研發(fā)了一系列可產(chǎn)生不同能量沖擊波的可控沖擊波設(shè)備。可控沖擊波理論研究技術(shù)與現(xiàn)有電火花震源均是以脈沖功率技術(shù)為基礎(chǔ)，理論上可作為震源應(yīng)用到地震勘探施工中。本文結(jié)合現(xiàn)有地震勘探震源系統(tǒng)理論知識，對可控沖擊波設(shè)備改進(jìn)后進(jìn)行實際地震波激發(fā)試驗，驗證可控沖擊波技術(shù)應(yīng)用于地震勘探領(lǐng)域的可行性。

1 可控沖擊波技術(shù)

1.1 可控沖擊波技術(shù)的發(fā)展

可控沖擊波技術(shù)的基礎(chǔ)是脈沖功率技術(shù)，該技術(shù)是將能量以慢的方式儲存，借助各種開關(guān)的快速切換實現(xiàn)脈沖壓縮、功率放大、用很高的強(qiáng)度以單個脈沖或受控的重復(fù)脈沖形式，以盡可能短的時間將能量瞬間釋放給負(fù)載。負(fù)載以各種物理原理將高功率電磁能量轉(zhuǎn)換為所需要的能量形式，在有限的空間和有限的時間內(nèi)形成各種極端條件下的物理環(huán)境，以達(dá)到一般功率條件下達(dá)不到的目的?？煽貨_擊波技術(shù)經(jīng)歷了三代的發(fā)展，如圖1所示。

圖1 可控沖擊波技術(shù)發(fā)展歷程Fig.1 Development history of controllable shock wave technology

第一代是跟蹤發(fā)展階段，主要是高電壓擊穿換能器；第二代是同步研究階段，主要是電爆炸絲換能器；第三代是獨創(chuàng)引領(lǐng)階段，主要是聚能棒換能器。第一代與第二代屬于電脈沖技術(shù)，通過液電反應(yīng)將設(shè)備儲存的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能沖擊波，第一代因其受電能儲能密度低的影響，能量轉(zhuǎn)化效率低；第二代可通過改造優(yōu)化金屬絲的參數(shù)（直徑、長度、數(shù)量）來控制、調(diào)節(jié)和提高能量轉(zhuǎn)換效率；第三代是在電脈沖技術(shù)上附加了化學(xué)能，即在金屬絲周圍包裹含能材料，形成聚能棒，液電反應(yīng)使得金屬絲爆炸，進(jìn)而驅(qū)動含能材料釋放能量。通過優(yōu)化聚能棒的參數(shù)可大幅度提高沖擊波的沖擊脈寬與沖擊峰值。

1.2 可控沖擊波產(chǎn)生的原理

本文試驗所使用的可控沖擊波產(chǎn)生裝置儲能為100 kJ的脈沖功率源，其直流工作電壓10～30 kV，放電回路短路電流峰值可達(dá)180 kA，在連接結(jié)構(gòu)上，主要由恒流高壓電源及氣路控制系統(tǒng)(V1)、儲能電容器(C1)、大通流放電開關(guān)(U1)、高壓同軸電纜及電纜附件(T1)、換能器以及車載固定箱體等單元組成，如圖2所示。

圖2 可控沖擊波產(chǎn)生裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of controllable shock wave generating device

可控沖擊波產(chǎn)生裝置的基本原理是，利用大通流放電開關(guān)將儲能電容器儲存的高電壓脈沖電能量快速加載到換能器負(fù)載上，在水下產(chǎn)生脈沖強(qiáng)沖擊波，簡化電路如圖3所示。恒流高壓電源及氣路控制系統(tǒng)將工頻電源先整流，再逆變成中頻輸出，通過傳輸電纜將中頻電流提供給高壓直流電源供電，高壓直流電源升壓整流后為儲能電容器充電。當(dāng)充電到能量控制器的控制閾值時，能量控制器接通儲能電容器與能量轉(zhuǎn)換器，將電能傳送給能量轉(zhuǎn)換器，能量轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電能為沖擊波能量。在能量轉(zhuǎn)換器中，放電電流迅速加熱、汽化、電離金屬絲在水中電爆炸產(chǎn)生沖擊波。

圖3 沖擊波產(chǎn)生裝置簡化電路圖Fig.3 Simplified circuit diagram of shock wave generating device

1.3 一體化換能器

換能器是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即聲波）的負(fù)載裝置，該負(fù)載裝置能滿足金屬絲和聚能棒現(xiàn)場安裝需求。電源一端連接于筒體，另一端連接于高壓中心通桿的上端，然后電流流至負(fù)載上連接端和負(fù)載下連接端之間的金屬絲產(chǎn)生沖擊波，沖擊波通過換能器窗口側(cè)壁的開口作用于目標(biāo)，該負(fù)載裝置使用時安全性高、可靠性高，能夠抵抗沖擊波帶來的震動。

結(jié)合地震勘探的施工特點，對原有換能器進(jìn)行了改進(jìn)，引入了一體化短端頭換能器，換能器金屬筒體直徑設(shè)計為52 mm，能更好下到激發(fā)孔內(nèi)，如圖4所示。金屬絲的長度約為10 cm，直徑為1～2 mm，材質(zhì)可根據(jù)實際應(yīng)用選取銅絲、鋁絲或者鉭絲等。

圖4 一體化短端頭換能器及原理Fig.4 Integrated short end transducer and its principle

2 可控沖擊波技術(shù)在地震勘探的適用性

2.1 電火花震源與可控沖擊波震源的對比分析

在地勘探領(lǐng)域經(jīng)過半個多世紀(jì)發(fā)展的電火花震源技術(shù)的基本電路原理依然是電容放電，主要結(jié)構(gòu)由脈沖電源和放電電極兩部分構(gòu)成。隨著高頻開關(guān)電源、高壓儲能電容器和大功率半導(dǎo)體元器件技術(shù)的進(jìn)步，脈沖源的儲能密度和能量效率方面得到提高，半導(dǎo)體放電開關(guān)（如可控硅開關(guān)）的應(yīng)用使得脈沖電源的輸出穩(wěn)定性和工作壽命得到了很大提升。

放電電極作為放電回路里的負(fù)載和電—聲能量轉(zhuǎn)換的換能器，主要采用2種技術(shù)方案，雙極性電極對和單極性電極，簡化的結(jié)構(gòu)如圖5所示。雙極性電極對一般用于產(chǎn)生脈沖電弧放電，單脈沖放電能量可以達(dá)到數(shù)百千焦，特點是電—聲能量轉(zhuǎn)化效率高，但也存在電極燒蝕嚴(yán)重等缺陷。

圖5 電火花震源的放電電極結(jié)構(gòu)Fig.5 The discharge electrode structure of spark source

可控沖擊波技術(shù)與電火花震源技術(shù)均是以脈沖功率技術(shù)為基礎(chǔ)，利用水中脈沖放電產(chǎn)生沖擊波效應(yīng)。可控沖擊波技術(shù)放電形式主要是采用金屬絲電爆炸和聚能棒換能器，優(yōu)勢在于放電可靠性高、絕緣要求低和能量轉(zhuǎn)換效率高。

2.2 聯(lián)機(jī)同步測試

根據(jù)可控沖擊波產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)、發(fā)電和能量傳輸特點，結(jié)合現(xiàn)有地震勘探觸發(fā)同步方式，選擇最有效的有線同步的方式實現(xiàn)可控沖擊波產(chǎn)生裝置與地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步。實現(xiàn)方式是在高壓傳輸電纜上加一個羅氏線圈，在放電的瞬間產(chǎn)生一個感應(yīng)脈沖電流，經(jīng)過衰減調(diào)制后使電壓小于+5 V，電流2～50 mA，持續(xù)時間大于20μs，滿足聯(lián)機(jī)的428XL地震勘探儀器的觸發(fā)條件，通過100 m的同軸電纜連接到428XL地震勘探儀器的TB針腳。經(jīng)過多次同步聯(lián)機(jī)觸發(fā)測試，均能完美觸發(fā)儀器，且100 m的同軸電纜電脈沖傳輸延遲為微秒級，滿足行業(yè)規(guī)定±1 ms的同步精度。

3 試驗情況分析

3.1 激發(fā)試驗情況

此次試驗選擇在地表為黃土層覆蓋場地，選用洛陽鏟成孔，在5 m深度時土質(zhì)變?yōu)榧t膠泥，因紅膠泥含水洛陽鏟成孔困難，最終孔深為5.5 m，孔徑為70 cm?？煽貨_擊波產(chǎn)生裝置初始能量選取了70 kJ和100 kJ兩個檔位進(jìn)行試驗，金屬絲選取長度10 cm、直徑1.6 mm的鋁絲，同時還選取了大、中、小3種聚能棒進(jìn)行激發(fā)試驗。試驗排列鋪設(shè)64道，道距5 m，排列315 m，單邊激發(fā)。接收儀器選擇通過同步測試的428XL數(shù)字地震儀，采樣率1 ms，記錄長度2 s，前放增益12 dB，5個60 Hz檢波器串聯(lián)，全頻帶接收。

3.2 能量對比分析

試驗選用偏移距10 m，初始能量分別采用70 kJ（記錄號109）和100 kJ（記錄號113），井深5.5 m的相同參數(shù)的單炮記錄，如圖6所示。從單炮記錄可以看出，初至最遠(yuǎn)處113的壓制效果明顯好于109，700 ms以深113的記錄比109的效果要好。

圖6 同井深能量對比Fig.6 Energy comparison at the same well depth

偏移距增加到120 m，初始能量70 kJ（記錄號118）和100 kJ（記錄號119），井深5.5 m的相同參數(shù)的單炮記錄，如圖7所示。從圖7可以看出，119記錄優(yōu)于118，但是效果不明顯。

圖7 1 20 m偏移距同井深能量對比Fig.7 Energy comparison of 120 m offset distance at the same well depth

3.3 干濕孔對比

圖8中112為5.5 m、100 kJ孔中無水，113為5.5 m、100 kJ孔中注水。從圖中可以明顯看出，干孔的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于注水孔，也進(jìn)一步證明可控沖擊波震源對水的依賴性。

圖8 干濕孔激發(fā)分析對比Fig.8 The excitation analysis comparison of dry and wet hole

3.4 井深對比分析

在100 kJ初始能量下，分別進(jìn)行了5.5 m井深（113）和1 m井深（114）的激發(fā)對比試驗，如圖9所示。從圖中可以看出深井的激發(fā)效果明顯。

圖9 不同井深激發(fā)分析對比Fig.9 The excitation analysis comparison of different well depths

3.5 聚能棒試驗分析

使用聚能棒進(jìn)行能量對比試驗，如圖10所示，115、116、117分別為使用大、中、小聚能棒進(jìn)行激發(fā)試驗。從圖10中明顯可以看出，聚能棒的能量要比金屬絲（109、110、113、114）要大很多，115的大號聚能棒的能量已經(jīng)達(dá)到了113的100 kJ金屬絲激發(fā)的2倍。

圖1 0聚能棒與金屬絲激發(fā)對比分析Fig.10 The excitation comparison analysis of energy gathering stick and metal wire

3.6 數(shù)據(jù)疊加分析

圖11是對不同初始能量的數(shù)據(jù)疊加后的能量、頻率和信噪比對比情況，圖中201（109、110）、202（109、113）、203（109、110、113）為疊加后的數(shù)據(jù)。從圖中的能量屬性可以看出，疊加后的數(shù)據(jù)能量明顯大于原始能量，疊加后的能量比大號聚能棒的能量還要強(qiáng)，幅頻曲線頻率一致性也比較好，信噪比也有所提高。

圖1 1 數(shù)據(jù)疊加前后對比分析Fig.11 The comparison analysis before and after data stacking

4 結(jié) 語

通過對可控沖擊波技術(shù)的理論分析和電火花震源對比分析，結(jié)合實際實驗驗證了可控沖擊波技術(shù)在地震勘探應(yīng)用的可行性?，F(xiàn)階段的可控沖擊波產(chǎn)生裝置，設(shè)備集成度較好，防護(hù)性能高，與地震儀器聯(lián)機(jī)運行正常穩(wěn)定；一體化短端頭換能器和聚能棒的引入較為成功，試驗中聚能棒的能量較金屬絲的能量提升了1倍，提升效果明顯；100 kJ能量的金屬絲電爆炸激發(fā)的地震波最大傳播距離超過430 m，現(xiàn)階段的沖擊波裝置已經(jīng)可以應(yīng)用到地震勘探中，解決淺層地質(zhì)問題了。但在試驗過程也發(fā)現(xiàn)該技術(shù)存在裝置體積較大，緊湊性不夠，重心偏移，換能器的材料強(qiáng)度、耐久度不夠易損壞等問題，后續(xù)研究過程中需要對設(shè)備的儲能結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、能量轉(zhuǎn)換效率等問題進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。