鐘明壽 謝全民 常 鑒 劉少光 龍 源 劉 影(中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇南京 210007； ②中國人民解放軍陸軍工程大學軍械士官學校，湖北武漢 430075；中國石化石油勘探開發(fā)研究院南京石油物探研究所，江蘇南京 210014； 寧德市公安局，福建寧德 352100)

1 引言

世界油氣勘探統(tǒng)計數(shù)據表明，碳酸鹽巖中的油、氣儲量和產量所占份額都越來越大。中國碳酸鹽巖的油氣資源量也十分豐富，累計探明石油儲量22.3億噸、天然氣儲量約占全國總儲量的三分之一。目前碳酸鹽巖中油氣藏的勘探程度低、待勘探領域非常廣闊。通過地球物理方法確定油氣在巖層中的具體位置是開采的先決條件，其中以化爆震源激發(fā)地震波的方法因勘探范圍廣、精度高、費用低等優(yōu)勢占據重要地位。在化爆震源地震勘探中，地震波的傳播路徑、振動強度和波形隨所穿過碳酸鹽巖介質的彈性性質和幾何形態(tài)發(fā)生復雜的變化，地震波能量受到諸如藥量、藥性、耦合方式和不耦合系數(shù)等震源激發(fā)參數(shù)以及巖層地質和地形條件等諸多因素的影響[1-11]。

通過實驗室物理模型試驗和典型碳酸鹽巖現(xiàn)場爆炸地震波試驗及其地震記錄的相關處理和數(shù)據分析，可為優(yōu)選碳酸鹽巖地區(qū)爆炸地震波的震源激發(fā)參數(shù)和激發(fā)方式奠定基礎。

2 碳酸鹽巖與砂、泥巖的表層地質條件差異

通常在討論多層介質地震波的傳播問題時，認為每層的地層厚度Δh遠大于地震波的波長λ(λ一般為70～100m)，或地震波垂直通過某層的雙程旅行時間t遠大于地震波的視周期T。在這種情況下，地層上、下界面的反射波不會發(fā)生疊加。相反，如果Δh遠小于λ或t遠小于T，則地層上、下界面的反射波將會發(fā)生明顯的干涉和疊加，致使每一層面所形成的波動特點都不同于厚層。在地震勘探領域，將這類地層稱為“薄互層”[12-15]。必須明確的是，這種意義下的薄互層是由巖層本身絕對厚度及波動頻率(或波長)的相互關系決定的。

觀察野外的灰?guī)r和砂、泥巖地層發(fā)現(xiàn)：由于沉積環(huán)境的穩(wěn)定性差異，灰?guī)r地層的巖性在縱向上變化不明顯，且縱向分界面(波阻抗界面)不明顯或者波阻抗差很?。簧?、泥巖地層的縱向巖性變化很大，單層厚度小(一般為1～2m)、層間差異大[16-18]，縱向分界面(波阻抗界面)很多，不整合面等沉積突變區(qū)或巖性變化較大的分界面的波阻抗差較大(圖1)。因此，灰?guī)r的表層地質結構表現(xiàn)為厚層，砂、泥巖的表層地質結構表現(xiàn)為薄互層，可通過薄互層反射波的相關特征表征兩種表層結構的差異及對震源激發(fā)地震波能量的影響。

圖1 灰?guī)r(a)和砂、泥巖(b)地層的差異

3 不同表層結構震源激發(fā)試驗

前人研究了薄互層反射波的頻譜、強度、波形等動力學特征，認為炸藥震源在相對柔軟的固體介質中激發(fā)的地震波低頻能量較大[19,20]。為研究在層狀結構表層激發(fā)時地震波能量及頻率的變化規(guī)律，在一塊平滑、整齊的大理石上進行三組不同表層結構條件下激發(fā)的物理模擬試驗。激發(fā)震源是頻率為320kHz超聲波震源，三種表層結構及激發(fā)方式分別為： ①在大理石上面不同深度的水中激發(fā)； ②大理石表面澆注0.7mm厚的硅橡膠層，在硅橡膠層上面不同深度的水中激發(fā)； ③大理石表面澆注1.0mm厚的硅橡膠層，在硅橡膠層上面不同深度的水中激發(fā)。即通過上述方式研究較厚儲層(沒有硅膠層)、不同厚度薄層(不同厚度硅膠層)的地震響應特征。大理石之上覆蓋硅橡膠層是為了模擬薄互層，研究在不同水深激發(fā)的不同厚度的薄層的地震調諧效應。

圖2～圖4為三組模型試驗的能量柱狀圖分析及地震記錄。由圖可見，在層狀結構條件下不同激發(fā)深度得到的地震記錄及能量分布差異明顯，具體表現(xiàn)為：在第一種表層結構中激發(fā)深度為0時，地震能量達到最大值(圖2)；在第二種表層結構中激發(fā)深度為12m時，地震能量達到最大值(圖3)；在第三種表層結構中激發(fā)深度為8m時，地震能量達到最大值(圖4)。可見，能量變化與激發(fā)深度沒有線性關系，其中在某個激發(fā)深度上地震記錄的能量達到最大。因此，不同表層結構在外界激勵下的頻率響應不同，層狀結構巖層起到低通濾波器作用，并且對某些頻率成分進行了調諧放大。

圖3 第二種表層結構的激發(fā)能量柱狀圖(上)與地震記錄(下)

圖4 第三種表層結構的激發(fā)能量柱狀圖(上)與地震記錄(下)

通過上述試驗可知，當巖石表層結構存在薄互層時，將對某些頻率成分產生調諧放大作用。如果適合爆破地震勘探的頻率成分在這些放大的頻率范圍內，可認為該表層結構的地震地質條件較好，可對地震勘探所需頻率調諧放大，得到能量較強的地震信號。在一般情況下灰?guī)r表層不具備這樣的條件，這是灰?guī)r裸露地區(qū)激發(fā)條件差的原因之一。

4 灰?guī)r表層結構接收試驗

為了研究灰?guī)r裸露區(qū)復雜的地表接收條件對地震波能量的影響，進行灰?guī)r表層結構接收試驗。在一個較為平整的灰?guī)r裸露地面，以激發(fā)點為中心、直徑為4m的圓上選擇三個測點，每個測點安置3個不同類型的檢波器(圖5)。

本次試驗采用的地震波信號測試系統(tǒng)如圖6所示，由地震中央控制器、Geode地震采集站和檢波器排列組成。整機地震記錄系統(tǒng)有6、12、16～64道可選，采用TM視窗操作系統(tǒng)的全套地震軟件，總道數(shù)按實際需要最大可達1000道。記錄長度為標準16384樣點，也可選65536樣點；具備濾波功能，濾波頻率由用戶選擇；數(shù)據格式采用標準SEG-2格式，同時可選SGOS、SEG-D和SEG-Y格式。

在中心點炮孔中使用20g乳化炸藥激發(fā)獲得不同接收條件的地震記錄(圖7)。顯然，由于地表接收條件的改變，不但初至波波形差異非常大，而且反射波的差異也非常大。同一組檢波器類型的不同帶來的地震波波形差異遠小于由表層接收條件不同帶來的地震波波形差異。

圖5 不同接收條件試驗的檢波器安置情況(a)1#測點； (b)2#測點； (c)3#測點

1#測點的1～3道3個檢波器直接固定在灰?guī)r上，灰?guī)r表層有破碎跡象； 在灰?guī)r上加約0.4m厚的膠泥，2#測點的4～6道3個檢波器固定在膠泥上； 3#測點的7～9道3個檢波器直接固定在灰?guī)r上，灰?guī)r表層為完整巖石結構。1、4、7道為25Hz加速度檢波器，2、5、8道為10Hz加速度檢波器，3、6、9道為40Hz速度檢波器

圖6 地震波信號測試系統(tǒng)

圖8～圖10分別為不同接收條件下25、10Hz加速度檢波器及40Hz速度檢波器記錄的波形和頻譜。由圖可見：不同表層結構的地震記錄的波形和頻譜差異明顯，說明在爆炸子波的激勵下，某個層位確實對某些頻率成分具有調諧作用；對于不同的檢波器及表層結構，在頻譜的40Hz處總有一個峰值，說明試驗點附近灰?guī)r地層的表層結構存在一個固定的頻率響應，推斷該響應與表層介質的結構有關?；?guī)r裸露區(qū)巖層的表層結構在縱、橫向復雜多變，大都是基巖上覆蓋著一層薄土層或基巖直接裸露于地表，同時由于風化淋濾作用和地質構造運動的影響，表層基巖結構較復雜，甚至灰?guī)r有破碎現(xiàn)象。因此，在橫向上地震排列接收條件的一致性較差。

圖8 不同接收條件下25 Hz加速度檢波器記錄的波形(a)和頻譜 (b)

圖9 不同接收條件下10 Hz加速度檢波器記錄的波形(a)和頻譜 (b)

圖10 不同接收條件下40 Hz速度檢波器記錄的波形(a)和頻譜 (b)

上述分析表明，爆炸地震波的產生機理為：炸藥在介質中爆炸后產生的沖擊波先轉化為彈塑性應力波，進入彈性區(qū)為應力波，該應力波的主要能量集中在幾千至上萬赫茲的頻率范圍，在地震勘探過程中應力波的高頻部分迅速衰減，而占其中份額很少的低頻信號被接收。同時，地表地層在炸藥爆炸的激勵作用下產生相應的低頻振幅響應，它和應力波混合在一起，成為地震激發(fā)的地震子波。灰?guī)r地層由于巖層厚度和巖石密度大，造成在震源激發(fā)作用下碳酸鹽巖動態(tài)響應弱，導致其地震子波能量弱，因此采集到的地震波能量較弱。同時，在灰?guī)r裸露地區(qū)，當?shù)叵路瓷洳ǖ竭_地表時，由于表層條件一致性很差，導致反射振幅、頻率和相位產生很大差異，不僅嚴重影響多次疊加效果，而且影響整條測線的信號采集效果，增加了地震采集技術的復雜性。

5 結論

(1)當巖石表層結構存在薄互層時，將對某些頻率成分產生調諧放大作用。如果適合爆破地震勘探的頻率成分在這些放大的頻率范圍內，則該表層結構的地震地質條件較好，能夠調諧放大地震勘探所需頻率，并得到能量較強的地震信號。在一般情況下灰?guī)r表層不具備上述條件，這是灰?guī)r裸露地區(qū)激發(fā)條件差的原因之一。

(2)爆炸應力波的主要能量集中在幾千至上萬赫茲頻率范圍，在地震勘探中，應力波的高頻部分迅速衰減，而占其中份額很少的低頻信號被接收。同時，地表地層在炸藥爆炸的激勵作用下產生相應的低頻振幅響應，它和應力波混合在一起，成為地震激發(fā)的地震子波。

(3)灰?guī)r地層由于巖層厚度和巖石密度大，在震源激發(fā)作用下碳酸鹽巖動態(tài)響應弱，導致其地震子波的能量弱，因此在碳酸鹽巖中采集到的地震波能量較弱；在灰?guī)r裸露地區(qū)，巖石表層條件一致性很差，導致爆炸反射波的振幅、頻率和相位產生很大的差異，增加了在碳酸鹽巖地區(qū)爆炸地震勘探采集技術的復雜性。

參考文獻

[1] 姜鵬飛,唐德高,龍源等.不耦合裝藥爆破對硬巖應力場影響的數(shù)值分析.巖土力學,2009,30(1):276-279.

Jiang Pengfei,Tang Degao,Long Yuan et al.Numerical analysis of influence of uncoupled explosive-charge structure on stress field in hard rocks.Rock and Soil Mechanics,2009,30(1):276-279.

[2] Leidigi M L，Bonnera J,Rathb T et al.Quantification of ground vibration differences from well-confined single-hole explosions with variable velocity of detonation.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2010,47(1):42-49.

[3] Sanchidrian J A,Segarra P,Lopeza L M et al.Energy components in rock blasting.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2007,44(1):130-147.

[4] Zhang Y D,Fang Q,Liu Q et al.Numerical and experi-mental investigation into plane charge explosion technique.International Journal of Impact Engineering,2008,35(10):1179-1185.

[5] Yankelevsky D Z,Feldgun V R,Karinski Y S et al.Underground explosion of a cylindrical charge near a buried wall.International Journal of Impact Enginee-ring,2008,35(8):905-919.

[6] 鐘明壽,龍源,李興華等.碳酸鹽巖中炮孔不耦合系數(shù)對地震波激發(fā)效果影響的分析.石油地球物理勘探,2011,46(2):165-169.

Zhong Mingshou，Long Yuan，Li Xinghua et al.Influence of borehole non-coupling coefficients on detonation effectiveness of seismic source in carbonate rock.OGP,2011,46(2):165-169.

[7] 鐘明壽,龍源,謝全民等.炮孔不耦合介質對碳酸鹽巖爆炸地震信號影響分析.巖石力學與工程學報,2011,30(4):702-708.

Zhong Mingshou,Long Yuan,Xie Quanmin et al.Effect analysis of different borehole coupling media on explosion seismic signal of carbonate rocks.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(4):702-708.

[8] 鐘明壽,龍源,謝全民等.裝藥不耦合系數(shù)對碳酸鹽巖爆炸地震波能量的影響.爆炸與沖擊,2011,31(6):612-618.

Zhong Mingshou,Long Yuan,Xie Quanmin et al.Effects of non-coupling charge coefficient on explosion seismic wave energy in carbonate rocks.Explosion and Shock Waves,2011,31(6):612-618.

[9] 孫成禹,藍陽,李世安.多孔隙介質中炸藥激發(fā)耦合關系對激發(fā)效果的影響.石油地球物理勘探,2015,50(1):2-7.

Sun Chengyu,Lan Yang,Li Shian.Explosive coupling influences on wave excitation in porous media.OGP,2015,50(1):2-7.

[10] 藍陽,孫成禹,閆月鋒.炸藥參數(shù)與地震子波的關聯(lián)性研究.石油地球物理勘探,2016 ,51(2):211-217.

Lan Yang,Sun Chengyu,Yan Yuefeng.On relevance between explosive parameters and seismic wavelets.OGP,2016,51(2):211-217.

[11] 張加海,王敬綿,張光德等.炸藥震源激發(fā)參數(shù)與場地質點振動響應關系探討.油氣地質與采收率,2010,17(2):57-59.

Zhang Jiahai,Wang Jingmian,Zhang Guangde et al.Relationship between seismic source parameters and particle response.Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2010,17(2):57-59.

[12] 艾尚軍,王巖樓,于俊波等.大慶西部薄互層砂巖油藏精細描述.北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[13] 符志國,李忠,趙堯等.薄砂巖儲層多波疊后地震反射特征分析及應用.石油地球物理勘探,2017,52(5):1016-1024.

Fu Zhiguo,Li Zhong,Zhao Yao et al.Post-stack multi-wave reflection characteristic of thin sand reservoirs.OGP,2017,52(5):1016-1024.

[14] 范明霏,吳勝和,曲晶晶等.基于廣義S變換模極大值的薄儲層刻畫新方法.石油地球物理勘探,2017,52(4):805-814.

Fan Mingfei,Wu Shenghe,Qu Jingjing et al.A new interpretation method for thin beds with the maximum modulus based on the generalized S transform.OGP,2017,52(4):805-814.

[15] 黃文鋒,姚逢昌,李宏兵.薄互層調諧規(guī)律研究與凈厚度估算.石油地球物理勘探,2012,47(4):584-591.

Huang Wenfeng,Yao Fengchang,Li Hongbing.Regularities of tuning effects of thin interbedded layers and their net thickness determination.OGP,2012,47(4):584-591.

[16] 袁新強,許運新.砂巖油田開發(fā)常用知識匯集.北京:石油工業(yè)出版社,2002.

[17] 黃冬梅,曾小明,陳曉武等.潿洲A油田海上薄互層斷塊油藏開發(fā)技術研究.重慶科技學院學報(自然科學版),2017,19(4):9-12.

Huang Dongmei,Zeng Xiaoming，Chen Xiaowu et al.Study on the development strategy of thin interbed fault block reservoir in offshore oilfield:A case study of an oilfield in Weizhou.Journal of Chongqing University of Science and Technology(Natural Science Edition),2017,19(4):9-12.

[18] 張家良,趙平起,段賀海.段六撥油田低滲透砂巖油藏高效開發(fā)模式.石油勘探與開發(fā),2002,29(4):90-92,97.

Zhang Jialiang,Zhao Pingqi,Duan Hehai.A study on a high-efficiency development model and its application in low-permeability sandstone reservoirs of Duanliubo oil field.Petroleum Exploration and Development,2002,29(4):90-92,97.

[19] 戈革等編.地震波動力學基礎.北京:石油工業(yè)出版社,1980.

[20] 孫成禹,李振春.地震波動力學基礎.北京:石油工業(yè)出版社,2011.