劉 偉 李 彪 陳凱濱 張婧瑤 胡 峰 楊智超 肖 瑋 楊 平

1.中國石油東方地球物理公司西南物探分公司 2.中國石油西南油氣田公司致密氣項目部

0 引言

炸藥震源是陸上地震勘探最常用的震源，其藥量選取和不同的激發(fā)巖性直接影響到激發(fā)效果[1-3]。同時地震子波主頻越高，頻帶越寬，能量越高，激發(fā)效果就越好[4]。而延遲激發(fā)技術能夠分散藥包，實現(xiàn)小藥量間隔一定時間，地震波前面在垂直向下方向實現(xiàn)能量疊加，產(chǎn)生優(yōu)質的子波。2003年譚紹泉等[5]對震源延遲疊加技術進行了理論研究，2004年于世煥等[6]在三維高分辨率地震勘探中首次應用延遲震源技術進行探索研究。但前人的延遲激發(fā)存在一定的局限性：①靠改變爆破索長短來控制延遲時間，延遲激發(fā)實現(xiàn)工藝粗略，延遲激發(fā)時間不精確，未達到波前面相切，增加下傳能量的目的；②小藥包之間的間隔未考慮炸藥破壞半徑；③延遲激發(fā)只是在資料信噪比高的泥巖進行應用，在激發(fā)條件極差的石灰?guī)r區(qū)沒有進行相關試驗和研究。同時由于實現(xiàn)工藝等原因，該項技術在四川盆地未得到推廣應用。

因此，筆者在前人的研究基礎上，針對四川盆地東部高陡構造石灰?guī)r和砂泥巖激發(fā)地區(qū)，采用較精確的延時時間、充分考慮爆炸半徑和準確的間隔距離并還原真實地層物理屬性等，對延遲激發(fā)技術進行充分論證和嚴格的試驗質量控制，獲得了真實的試驗數(shù)據(jù)和可靠的研究結論。

1 延遲爆炸疊加激發(fā)技術

1.1 常規(guī)井炮激發(fā)

爆炸理論經(jīng)驗表明，在均勻各向同性介質中，點震源炸藥爆炸后的波前面是球面，能量均勻分散在球面上；在實際地表中，點炸藥震源爆炸后的波前面是橢球體，能量傳遞與地下介質的密度有密切關系，疏松（密度低）的介質對彈性波的能量吸收快，地震波的大部分能量向上傳遞，被疏松的介質吸收[7]。

在四川盆地川中泥砂巖地區(qū)和川西北部石灰?guī)r地區(qū)實際地震勘探中的地震記錄中，每一個地區(qū)選取相鄰5炮，提取原始總能量和有效下傳能量，對比分析表明泥砂巖地區(qū)能量下傳率為40%左右，石灰?guī)r地區(qū)能量下傳率為25%左右。這是因為震源下部灰?guī)r巖石密度比上部的風化層表土密度高數(shù)倍，炸藥激發(fā)瞬間，激發(fā)能量絕大部分散失在風化層表土內(nèi)。這也是石灰?guī)r區(qū)地震波能量弱的主要原因。

眾所周知，隨著激發(fā)藥量的增大，爆炸產(chǎn)生的彈性波能量會隨之增加，但爆炸時形成的破碎空間也隨著增大，消耗的能量也隨之增多，當藥量增大到一定程度時，彈性波能量的增大幅度就很小[8]。激發(fā)藥量大，則激發(fā)能量強、激發(fā)主頻低、頻寬窄；激發(fā)藥量小, 則激發(fā)能量弱、激發(fā)主頻高、頻寬寬。

常規(guī)整裝炸藥激發(fā)，隨著激發(fā)藥量的增大，激發(fā)能量雖強，但激發(fā)主頻低，頻寬就窄，不利于產(chǎn)生理想的彈性子波。而延遲激發(fā)，既保障激發(fā)子波的能量，又確保了激發(fā)子波具有主頻高、頻帶寬等優(yōu)勢。圖1是延遲激發(fā)能量包絡圖，多級延遲激發(fā)通過小藥量從上往下間隔一定時間激發(fā)，在垂直向下的方向上波切面相切，同向疊加增加下傳能量，且小藥量激發(fā)能夠產(chǎn)生高主頻、寬頻帶的地震子波，各小藥量震源的波切面到達地面時間不同，降低了橫向振動強度，對地面障礙物的危害更小。

圖1 延遲激發(fā)能量包絡圖

1.2 延遲激發(fā)技術原理

在常規(guī)地震勘探中，地震波入射角通常較小，炸藥延遲爆炸激發(fā)時，由入射角所引起的地震波波形及其頻譜畸變十分微小。研究結果表明：相同藥量條件下，采用延遲爆炸激發(fā)方式可增大地震波下行能量、提高地震波主頻、拓寬地震波頻寬[5]。炸藥激發(fā)的方向性或炸藥圍巖的不均勻性是引起地震波傳播方向性的重要因素，長藥柱激發(fā)或組合激發(fā)時，地震波的傳播往往存在方向性[9]。當組合基距或長藥柱的爆速適當時，這種方向性不會對地震記錄產(chǎn)生明顯影響，如果激發(fā)參數(shù)選取不合適或激發(fā)條件不好，就會對淺中層的大傾角反射波產(chǎn)生明顯影響，破壞地震記錄的一致性。點震源激發(fā)技術是解決地震波傳播方向性的理想技術，但受鉆井技術限制，不可能將大藥量的炸藥做成點震源放進井中進行激發(fā)；延遲爆炸技術是充分考慮點震源優(yōu)勢及長藥柱地震波傳播方向性差等因素提出來的激發(fā)理論，是解決地震波傳播方向性的有效技術，通過人為控制各炸藥間隔和起爆時間來控制地震波傳播的方向。延遲激發(fā)技術試驗表明：①地震波方向性影響達到最小，在垂直向下的方向上各炸藥波切面相切達到增加下傳能量，在水平方向上，沿地面?zhèn)鞑サ牡卣鸩ǖ竭_的波切面是分散的，波切面無法同向疊加，從而降低地面振動；②小藥量提高激發(fā)主頻，有效拓展高頻頻寬，有利于高分率勘探[10]。

圖2是多級間隔裝藥延遲激發(fā)技術的裝藥結構及波前軌跡示意圖。從實現(xiàn)工藝而言，延遲激發(fā)技術就是把每節(jié)分散的小藥包都可以看作點源，由延遲雷管和小藥包組成1級，各級之間間隔一定的距離，同時起爆，因延遲雷管作用，產(chǎn)生垂向波前面相切的同相位疊加地震波。

圖2 多級間隔裝藥激發(fā)1 ms后的波切面對比圖

1.3 多級延遲激發(fā)波疊加分析

在延遲爆炸過程中各爆炸單元所產(chǎn)生的地震波波前面，在垂直向下方向，各單元炸藥所激發(fā)的地震波正好同相疊加，其能量達到最大；其他方向上各波前面之間由于存在時差，該時差隨著入射角的增大而增大，平行于地表方向的時差值最大。入射角為0°時，即垂直向下方向，質點震動時差為0，并且隨著傳播時間的增加，質點之間震動時差一直為0；但隨著入射角增大，達到90°（水平方向）時，質點震動時差最大，并且隨著傳播時間增加，質點之間的震動時差會越來越大。

圖3是延遲激發(fā)水平方向不同傳播時間質點震動圖。

圖3 延遲激發(fā)水平方向不同傳播時刻質點位置圖

當t=3 ms時刻（第3藥包起爆1ms時），tA≈ 2.23 ms，tB≈ 1.73 ms，tC=1.0 ms，那么tA-tB≈ 0.5 ms，tA-tC≈ 1.23 ms，tB-tC≈ 0.73 ms。

當t=4 ms時刻（第3藥包起爆2 ms時），tA'≈ 3.46 ms，tB'≈ 2.82 ms，tC'=2.0 ms，那么tA'-tB'≈ 0.64 ms，tA'-tC'≈ 1.46 ms，tB'-tC'≈ 0.82 ms。

當t=5 ms時刻（第3藥包起爆3ms時），tA''≈ 4.58 ms，tB''≈ 3.87 ms，tC''=3.0 ms，那么tA''-tB''≈ 0.71 ms，tA''-tC''≈ 1.58 ms，tB''-tC''≈ 0.87 ms。

隨著傳播時間（傳播距離）越大，在水平方向上3個波的波切面位移越拉越大！地震波不同時刻到達地表障礙，減少了對地面障礙物的震動強度。

1.4 延遲激發(fā)設計約束因素

要實現(xiàn)在同一口井的多個小藥量炸藥依次起爆，達到在垂直向下方向上各波前面相切，下傳能量增加，不傷害小藥量產(chǎn)生的頻率特性，水平方向地面震動強度弱，同時，充分考慮小藥量炸藥爆破的爆破半徑以及炸藥的殉爆距離等因素，綜合起來實現(xiàn)多級延遲激發(fā)需要達到如下3個激發(fā)工藝要素：①一級裝藥形成的沖擊波到達二級裝藥的最佳延遲時間由炸藥的間隔距離和沖擊波在地層的傳播速度決定，調整間隔距離可獲得最佳的延遲時間；②炸藥爆炸的粉碎圈半徑，級間裝藥間距應大于一級裝藥爆炸后形成的破壞半徑；③不被沖擊波或電磁感應而被起爆的距離，級間裝藥間隔應大于炸藥爆炸殉爆距離。

影響延遲激發(fā)效果的參數(shù)主要為延遲級數(shù)、延遲時間和藥間距。延遲級數(shù)也就是激發(fā)藥柱越多則成本越高；延遲時間與藥間距是成正比的，藥間距越大，延遲時間越長。過長的藥柱或大藥量不利于中淺層高分辨率地震勘探，也不利于施工，要根據(jù)勘探目標和激發(fā)介質綜合確定延遲參數(shù)。研究和試驗表明：①對中淺層而言，多級小藥量小延遲時間是提高分辨率的首選，這既能滿足最佳巖性段的要求，又可激發(fā)出寬頻帶的地震子波；②對深層而言，在總藥量一定的前提下，適當增加延遲級別可提升反射頻率，在激發(fā)層段允許的情況下，適當加大延遲間隔有助于提高地震記錄的信噪比。

2 延遲激發(fā)技術的應用效果

地震勘探井中激發(fā)炸藥的藥型和藥量決定地震資料品質[11]，筆者首次將延遲激發(fā)技術應用于川東地區(qū)侏羅系泥巖區(qū)和三疊系石灰?guī)r區(qū)進行探索實驗，采集參數(shù)采用觀測系統(tǒng)24L6S180R，縱向排列方式4475-25-50-25-4475，接收道距50 m，單排列接收道數(shù)180道，總接收道數(shù)4320道。資料分析抽取近排列和遠排列進行定性和定量對比，通過資料分析，獲得了該技術在不同構造特性、復雜近地表[12]地震地質條件下的單炮資料品質認識。由于炸藥在井中激發(fā)過程復雜多變，延遲激發(fā)應用更要精準匹配延遲激發(fā)工藝三要素，筆者在四川盆地先導性開展二級延遲激發(fā)的綜合應用，探討其激發(fā)效果。

2.1 延遲激發(fā)技術實現(xiàn)工藝

延遲時間精度是實現(xiàn)延遲激發(fā)技術實驗成功與否的首要因素，筆者同時與國內(nèi)專業(yè)雷管制造公司共同研制出高精度的延遲雷管裝置（圖4），延遲雷管裝置為延遲激發(fā)技術在四川盆地的成功應用打下了基礎。

圖4 延遲雷管裝置設計及實物照片

為了精確控制藥包之間的間隔距離和最大程度還原間隔巖性，采用震源藥柱空管內(nèi)部填滿鉆井巖屑并壓實，在悶井時將 鉆井巖屑填補炸藥和井壁的空隙，達到還原原始地層物性。依據(jù)延遲激發(fā)理論和延遲激發(fā)實現(xiàn)的關鍵三要素，結合試驗點近地表調查結果，筆者設計了延遲時間為1 ms的不同地層的級間距離。在侏羅系泥巖區(qū)級間距選擇1.8 ～2.2 m適宜，在嘉陵江灰?guī)r區(qū)級間距選擇在2.5～3.2 m適宜（表1）。

表1 地層延遲時間與級間距表

2.2 延遲激發(fā)資料品質分析

在四川盆地川東地區(qū)泥巖區(qū)[13]，采用相同排列接收，相同井深，相同總藥量，相同延遲時間，不同間隔距離進行延遲激發(fā)和常規(guī)單體激發(fā)實驗。實驗點近地表模型分為兩層，表土低速層厚度2.56 m，速度651 m/s，泥巖速度1913 m/s。實驗井深均為15 m，炸藥總藥量6 kg，延遲激發(fā)時將炸藥制作成兩個3 kg藥包，藥包間隔距離134 cm、167.5 cm、201 cm、234.5 cm，延遲時間設置成1 ms。

圖5是侏羅系泥巖的常規(guī)整體激發(fā)和延遲激發(fā)單炮優(yōu)勢頻段記錄，圖6是原始單炮記錄能量圖和提取的子波頻譜圖。從激發(fā)能量上看，侏羅系泥巖區(qū)延遲1 ms、藥包間隔201 cm延遲激發(fā)單炮的視能量最強，能夠見到明顯的有效反射；從有效反射上看，主頻段單炮記錄顯示，延遲1 ms、藥包間隔201 cm延遲激發(fā)單炮目的層同相軸最連續(xù)，明顯優(yōu)于常規(guī)單體激發(fā)的單炮記錄；從激發(fā)頻率上看，延遲激發(fā)單炮激發(fā)頻率高，頻帶寬，延遲1 ms、藥包間隔201 cm延遲激發(fā)單炮在高頻端頻率特性明顯優(yōu)于常規(guī)激發(fā)的單炮頻率特性，藥包間隔201 cm子波主頻62 Hz，頻寬28～106 Hz，類比常規(guī)記錄提高了14.3%，主頻提高了7%，頻寬在高頻端拓展5%。實驗表明：采用在適合的延遲時間和間隔距離延遲激發(fā)在四川盆地泥巖區(qū)能夠獲得高分辨的原始記錄。

圖5 侏羅系泥巖單炮記錄高頻段剖面展示圖（50～100 Hz）

圖6 侏羅系泥巖單炮記錄能量及子波頻譜展示圖

在川東地區(qū)灰?guī)r區(qū)，采用相同排列接收，相同井深，相同總藥量，相同延遲時間，不同間隔距離進行延遲激發(fā)和常規(guī)單體激發(fā)實驗，獲得不同激發(fā)工藝技術的地震資料原始單炮記錄。實驗點近地表模型分為3層，表土低速層厚度1.26 m，速度361 m/s，降速層厚度3.25 m，速度1 021 m/s，灰?guī)r速度3 016 m/s。實驗井深均為18 m，炸藥總藥量12 kg，延遲激發(fā)時將炸藥制作成兩個6 kg藥包，藥包間隔距離167.5 cm、201.0 cm、234.5 cm、268.0 cm，延遲時間設置成1 ms。

圖7是三疊系石灰?guī)r的常規(guī)整體激發(fā)和延遲激發(fā)單炮優(yōu)勢頻段記錄，圖8是原始單炮記錄能量圖和提取的子波頻譜圖。從激發(fā)能量上看，三疊系石灰?guī)r區(qū)延遲1 ms、藥包間隔268 cm延遲激發(fā)單炮的視能量最強，能夠見到明顯的有效反射，定量分析單炮能量最強；從有效反射上看，主頻段（20～40 Hz）單炮記錄顯示，延遲1 ms、藥包間隔268 cm延遲激發(fā)單炮目的層同相軸最連續(xù)，明顯優(yōu)于常規(guī)單體激發(fā)的單炮記錄；從激發(fā)頻率上看，延遲激發(fā)單炮激發(fā)頻率高，頻帶寬，延遲1 ms、藥包間隔268 cm延遲激發(fā)單炮在高頻端頻率特性明顯優(yōu)于常規(guī)激發(fā)的單炮頻率特性，類比單體激發(fā)記錄能量提高了35.8%。主頻提高了5%，頻寬拓展了3%。實驗表明：采用在適合的延遲時間和間隔距離延遲激發(fā)在四川盆地石灰?guī)r區(qū)能夠獲得高信噪比的原始記錄。

圖7 三疊系灰?guī)r巖單炮記錄主頻段剖面展示圖（20～40 Hz）

圖8 三疊系灰?guī)r單炮記錄能量及子波頻譜展示圖

2.3 延遲激發(fā)地面震動強度分析

采用爆破測振儀實測延遲激發(fā)和常規(guī)連續(xù)裝藥瞬發(fā)的地面振動數(shù)據(jù)。爆破測振儀測試時，儀器距離激發(fā)井要求相同的距離，振動監(jiān)測峰值可以看出，在總藥量相等情況下，延遲激發(fā)的地面振動較常規(guī)單體裝藥瞬發(fā)激發(fā)峰值降低。圖9 是侏羅系泥巖和三疊系石灰?guī)r不同激發(fā)對地面的震動強度。在侏羅系泥巖區(qū)所有延遲激發(fā)的對地面的震動強度都低于單體常規(guī)激發(fā)的震動強度，延遲1 ms間隔201 cm激發(fā)地面震動強度只有常規(guī)強度的57%，而單炮記錄的能量比常規(guī)激發(fā)能量強；在三疊系石灰?guī)r區(qū)所有延遲激發(fā)的對地面的震動強度都低于單體常規(guī)激發(fā)的震動強度，延遲1 ms間隔268 cm激發(fā)地面震動強度只有常規(guī)強度的66%，而單炮記錄的能量比常規(guī)激發(fā)能量強。充分證明，延遲激發(fā)技術激發(fā)炸藥震源，降低對地面的震動強度，有利于在過障礙區(qū)炮點布設可以更靠近障礙物，提高觀測系統(tǒng)屬性的均勻性[14]。

圖9 不同激發(fā)方式對地面的震動強度展示圖

3 結論

1）延遲激發(fā)技術無論在四川盆地侏羅系泥巖還是在三疊系石灰?guī)r，采用合適的延遲激發(fā)參數(shù)都能夠獲得強能量、高信噪比、高分辨率的原始資料。

2）延遲激發(fā)瞬間對地面的地震強度低于常規(guī)單體激發(fā)瞬間對地面的震動強度，避免地震勘探因震動引起的民事糾紛，而且炮井位置靠近障礙物更近，提高了炮井位置的正點率，炮井分布更均勻化，過障礙觀測系統(tǒng)屬性更均勻，地震資料有利于開展地震屬性分析。