電火花震源在南方山地勘探中的應(yīng)用

任柏璋

（中國石化華東油氣分公司石油工程監(jiān)督中心，江蘇南京210019）

近年來，跟隨著北美頁巖氣勘探開發(fā)革命浪潮，我國加大了四川盆地及周緣海相頁巖氣勘探開發(fā)工作[1]，目前在涪陵焦石壩地區(qū)、南川地區(qū)、四川威遠(yuǎn)和長寧地區(qū)均取得重大突破，已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)化開發(fā)階段[2-5]。渝東南地區(qū)武隆向斜位于四川盆地以東的利川—武隆復(fù)向斜，是南方山地典型的常壓頁巖氣勘探區(qū)。該區(qū)黑色頁巖主要發(fā)育在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組[6-7]。國內(nèi)學(xué)者研究表明，武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖厚度為15 ～37 m，TOC為0.55 % ～10.38 %，熱演化程度適中（Ro為2.21%～2.31%）。發(fā)育溶蝕（微）孔、粒間微孔、粒內(nèi)微孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫等[8-9]。隆頁1 井鉆遇五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖厚32 m，TOC平均為4.36%，含氣量為2.49 m3/t，Ro為2.54%。綜上，武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育，具有出露面積廣、埋深相對(duì)較淺、有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化程度適中、有機(jī)孔隙發(fā)育等特點(diǎn)，是揚(yáng)子地區(qū)海相“下組合”的優(yōu)質(zhì)烴源巖之一，具有良好的生烴能力[9-10]。

實(shí)踐表明，地震勘探是頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[11]，國內(nèi)多位學(xué)者針對(duì)南方山地頁巖地震勘探[12-13]資料采集方法進(jìn)行了系列研究。頁巖氣三維地震勘探任務(wù)除了落實(shí)構(gòu)造、查明地層空間展布、預(yù)測巖性油氣藏外，還要為頁巖氣藏建模[14]、尋找頁巖氣地質(zhì)和工程“甜點(diǎn)”、水平井地質(zhì)導(dǎo)向等提供數(shù)據(jù)支撐。由于武隆地區(qū)地表起伏劇烈，懸崖成環(huán)成帶，是災(zāi)害易發(fā)區(qū)，隱患風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，具有表層條件差的灰?guī)r區(qū)分布廣泛、城區(qū)障礙復(fù)雜、城區(qū)沿江靠山建設(shè)等復(fù)雜地貌特點(diǎn)。炸藥震源使用受到一定限制，導(dǎo)致武隆城區(qū)資料剖面缺口1 s，覆蓋次數(shù)≤25 次的面積達(dá)5.5 km2；土坎鎮(zhèn)資料剖面缺口0.85 s，覆蓋次數(shù)≤25 次的面積達(dá)1.3 km2，形成“數(shù)據(jù)天窗”。這種“數(shù)據(jù)天窗”一方面會(huì)導(dǎo)致初至信息統(tǒng)計(jì)不全，影響靜校正處理效果；另一方面，淺層波場信息缺失，進(jìn)而導(dǎo)致速度建模精度降低，影響后續(xù)的偏移成像效果。在地震資料野外采集項(xiàng)目運(yùn)行過程中通過對(duì)多種非炸藥震源的可行性進(jìn)行論證，并在南方山地首次開展了電火花震源適用性試驗(yàn)，使武隆城區(qū)和土坎鎮(zhèn)資料剖面缺口和覆蓋次數(shù)≤25次的面積得以減少，有效彌補(bǔ)了烏江流域和城鎮(zhèn)對(duì)炸藥震源的限制所產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)天窗”問題。

1 電火花震源可行性分析

1.1 南方山地復(fù)雜地質(zhì)情況

武隆三維工區(qū)屬于典型的高大山區(qū)，地表高程變化劇烈。地形總體呈現(xiàn)四周高、中間低，海拔多為25 ～2 220 m。山地丘陵、河谷及深切割地形發(fā)育，相對(duì)高差較大，在100 ～1 000 m。以工區(qū)四周為代表的高大山區(qū)占52.6%，以工區(qū)中部為代表的平緩溝谷地區(qū)占37.8%，中、低山丘陵區(qū)占9.6%。工區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖大面積裸露，各種溶洞、溶巖漏斗現(xiàn)象顯著，北部主要有仙女山風(fēng)景區(qū)、天生三橋世界自然遺產(chǎn)，地形復(fù)雜；斷崖成環(huán)成帶分布，垂直落差大，植被繁茂，交通條件差，容易產(chǎn)生監(jiān)督管控盲點(diǎn)和盲區(qū)，整體施工質(zhì)量控制難度大。

武隆地區(qū)炮點(diǎn)范圍內(nèi)地層年代跨度大，出露地層以侏羅系、三疊系、二疊系、志留系地層為主，僅在邊界有少量奧陶系地層出露，出露巖性主要以灰?guī)r為主，而不同地表巖性條件會(huì)對(duì)地震波傳播產(chǎn)生影響。整體來看，在侏羅系砂巖中的接收效果比在二、三疊系灰?guī)r中的接收效果好。這是因?yàn)榛規(guī)r自身的脆性，激發(fā)能量難以轉(zhuǎn)化成有效的彈性波，造成單炮能量較低，資料信噪比低。二疊系和三疊系的灰?guī)r占全區(qū)出露巖性的75%，勢必會(huì)對(duì)項(xiàng)目采集質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。且碳酸鹽巖溶洞裂縫發(fā)育，也會(huì)影響地震波正常傳播和接收。

此外，武隆地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，施工區(qū)域內(nèi)易發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的隱患點(diǎn)183 處。按照類型劃分：滑坡87處，危巖24 處，不穩(wěn)定斜坡18 處，崩塌點(diǎn)9 處，庫岸11 處，塌陷1 處。施工區(qū)域內(nèi)大型障礙物分布范圍廣，影響采集施工炮檢點(diǎn)布設(shè)。對(duì)施工影響較大的障礙物主要有“一城一江三懸崖六景區(qū)”。武隆城區(qū)沿烏江建設(shè)，烏江兩岸為陡崖，其中土坎鎮(zhèn)兩側(cè)陡崖落差達(dá)900 m。城區(qū)房屋沿坡梯田狀分布，房屋沿斜坡下傾，多為支柱支撐，安全風(fēng)險(xiǎn)高。武隆城區(qū)禁炮面積23.53 km2，禁炮數(shù)814 炮；土坎鎮(zhèn)禁炮面積15.3 km2，禁炮數(shù)527炮。

1.2 電火花震源采集可行性

1）可控震源實(shí)施可行性分析

2）氣槍震源實(shí)施可行性分析

氣槍震源[16]是非炸藥震源中地震能量較高的一種，其工作原理是將丙烷等可燃性氣體與氧氣或空氣的混合物導(dǎo)入爆炸室內(nèi)，用電火花起爆直接產(chǎn)生震波，或者用氣爆推動(dòng)重物撞擊地面而產(chǎn)生人工地震波。這種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。氣槍震源設(shè)備體積較大，通常漂浮在水面施工，適合水域較寬、水流速度較低的勘探施工環(huán)境。武隆區(qū)域內(nèi)烏江水面較窄，水流湍急，存在多處暗礁，氣槍作業(yè)無法實(shí)施。

3）電火花震源實(shí)施可行性分析

電火花震源作為一種新興的綠色震源，具有波形重復(fù)性高，時(shí)間一致性好；頻率特性與炸藥震源相似，可以根據(jù)需求疊加能量，功率可控；與各型號(hào)地震儀匹配良好；安全無污染，對(duì)周圍地形破壞很小，設(shè)備體積小移動(dòng)方便，適用范圍廣等一系列優(yōu)勢[17]。目前市面上的電火花震源設(shè)備單臺(tái)能量為（1 ～80）×104J，還可以根據(jù)需要多臺(tái)組合成任意的能量源，其勘探深度可達(dá)50 ～3 000 m，所激發(fā)的地震波頻率范圍為2 ～500 Hz。在海洋、淺灘、沼澤、湖泊，水庫等環(huán)境適用效果較好[17-18]，但是在南方山地物探資料采集中尚未開展相關(guān)應(yīng)用。分析認(rèn)為烏江水域具備電火花震源施工條件，通過電火花震源的試驗(yàn)應(yīng)該能對(duì)禁炮區(qū)地震資料缺口進(jìn)行彌補(bǔ)。

2 電火花震源應(yīng)用

2.1 電火花震源原理及作業(yè)流程

電火花震源是電能震源的一種，它是將交流電源經(jīng)升壓、整流后儲(chǔ)存在高壓電容器組中，大量存儲(chǔ)的高壓電能通過專用放電電極在微秒級(jí)別放電，形成上萬攝氏度的電弧，將周圍介質(zhì)汽化形成高溫高壓區(qū)，產(chǎn)生沖擊壓力波。

電火花現(xiàn)場作業(yè)流程為：1）電容預(yù)先充電約3 ～5 min，電壓達(dá)設(shè)定值后，報(bào)爆炸機(jī)準(zhǔn)備就緒；2）爆炸機(jī)與控制器相連，報(bào)儀器給出信號(hào)后由爆炸機(jī)控制點(diǎn)火激發(fā)；3）測量爆炸機(jī)激發(fā)瞬間采集測量成果，隨后測量導(dǎo)航船只到下一個(gè)點(diǎn)激發(fā)。

2.2 電火花震源應(yīng)用效果分析

本次研究區(qū)域主要為武隆城區(qū)和土坎鎮(zhèn)烏江段。在最初采集施工設(shè)計(jì)（正常藥量，圖1紅色點(diǎn)）和3輪優(yōu)化方案（小藥量，圖1黃色、深藍(lán)色、藍(lán)綠色點(diǎn)）基礎(chǔ)上，共在烏江水域開展了電火花震源激發(fā)試驗(yàn)338炮（圖1紫色點(diǎn)），其中土坎鎮(zhèn)作業(yè)124炮，武隆城區(qū)烏江段電火花作業(yè)214炮。

圖1 城區(qū)內(nèi)電火花作業(yè)點(diǎn)位分布（紫色點(diǎn)）Fig.1 Distribution of spark operation points in urban area（purple points）

1）覆蓋次數(shù)分析

通過3 輪井炮插孔布設(shè)方案以及電火花震源的實(shí)施，在武隆城區(qū)和土坎鎮(zhèn)共增加832口井炮和338炮電火花震源試驗(yàn)。本項(xiàng)目采用的20L7S216T60F三維觀測系統(tǒng)，覆蓋次數(shù)為60次。針對(duì)3 000 m深度龍馬溪組進(jìn)行覆蓋次數(shù)分析，實(shí)際的3 000 m目的層覆蓋次數(shù)為28 次以上，滿足設(shè)計(jì)要求最低覆蓋次數(shù)必須達(dá)到33×5/6=27.5次的要求（圖2）。增加電火花震源后，武隆城區(qū)剖面缺口由1 s減小到0.8 s，目的層覆蓋次數(shù)≤25次的面積由5.5 km2減小到0.24 km2，深層覆蓋次數(shù)≤50次的面積由1.9 km2減小到0.1 km2；土坎鎮(zhèn)剖面缺口由0.85 s減小到0.76 s，目的層覆蓋次數(shù)≤25次的面積由1.3 km2減小到1.2 km2，深層覆蓋次數(shù)≤50 次的面積由2.3 km2減小到0.8 km2（圖2、表1）。電火花震源對(duì)武隆城區(qū)資料缺口彌補(bǔ)效果較好。

要用足噴水量，特別是春后用藥要確保用足30 kg；葉片上無露水和雨水時(shí)施藥。如驃馬（精噁唑禾草靈）在葉片上露水、雨水未干時(shí)施藥，防效下降40%以上；施藥時(shí)藥液中加入有機(jī)硅（絲潤等）可顯著提高除草效果，但唑草酮類不能與有機(jī)硅混用。

2）單炮分析

圖2 覆蓋次數(shù)對(duì)比Fig.2 Comparison of coverage times

表1 城區(qū)共中心點(diǎn)道集（CMP）屬性統(tǒng)計(jì)Table1 Statistics of CMP attributes in urban areas

圖3 電火花震源采集資料分析Fig.3 Data acquisition and analysis of spark source

對(duì)電火花震源采集資料的分析表明，本次電火花震源試驗(yàn)資料能夠獲得目的層資料信息，電火花單炮頭最大為400 kJ 能量，600 ～800 kJ 為雙炮頭激發(fā)，雙炮頭激發(fā)存在組合累計(jì)相位差；電火花震源200 ～800 kJ能量相當(dāng)于井炮2 ～4 kg能量（井炮距烏江船上電火花激發(fā)點(diǎn)657 m，圖3a、圖3b）；隨著功率的增加，能量變強(qiáng)，由氣泡震蕩造成子波旁瓣的交混回響不利效應(yīng)增強(qiáng)（圖3c）。電火花與井炮資料存在子波不一致性問題，因此，在與井炮資料聯(lián)合處理時(shí)需要進(jìn)行子波匹配處理，保持全區(qū)資料的子波一致性。通過電火花震源激發(fā)，可以獲得3 s以上的地震反射資料。采用分頻濾波方式去除干擾波的影響，最大限度地凸顯有效波，得到不同頻率范圍內(nèi)的單炮記錄（主要目的層深度為1 ～2 s，圖4），從電火花震源激發(fā)的單炮面貌來看，單炮記錄視頻率高，炮間能量均衡性好，信噪比較高，2 s以上可見較強(qiáng)的有效反射信息。記錄的有效頻帶可達(dá)80 Hz，在特定的頻率范圍內(nèi)可獲得更加清晰的有效波。20 ～40 Hz 頻率范圍內(nèi)有效波保存較好，干擾波有較明顯的存在；30 ～60 Hz 頻率范圍內(nèi)，干擾波進(jìn)一步減少，有效波與上一頻帶相比也有所減弱；40 ～80 Hz 頻率范圍內(nèi)，干擾波較少，基本去除了面波的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)地質(zhì)勘探任務(wù)選擇有效信息更多、干擾信息更少的頻率范圍進(jìn)行分析，提高信噪比，獲得分辨率更高的資料信息。

圖4 不同頻率電火花震源單炮記錄（自動(dòng)增益）Fig.4 Single shot records of spark source at different frequencies（AGC）

烏江水域地震勘探干擾主要來自水流、反射和波浪，干擾較強(qiáng)，信噪比較低，影響地震勘探效果。

為了研究電火花震源在不同水深的激發(fā)效果，在烏江水域同時(shí)展開了水深試驗(yàn)（主要目的層深度為1 ～2 s，圖5），試驗(yàn)結(jié)果表明，水深越淺，偽陷波效應(yīng)越明顯。

3）子波分析

分別在炸藥震源及電火花震源共中心點(diǎn)道集中抽取子波進(jìn)行對(duì)比分析，兩種震源資料子波存在較大差異。通過對(duì)電火花子波進(jìn)行整形匹配處理后，炸藥震源及電火花震源資料子波波形相似度較高，但電火花資料子波振幅稍弱（圖6）。

4）電火花剖面效果分析

圖5 不同激發(fā)水深電火花震源單炮記錄及頻譜曲線（自動(dòng)增益）Fig.5 Single gun record and spectrum curve of different excitation water depth spark source（AGC）

圖6 炸藥震源與電火花震源子波對(duì)比Fig.6 Wavelet comparison of explosive source and spark source

圖7 增加電火花激發(fā)后剖面前后對(duì)比（局部）Fig.7 Profile comparison before and after adding spark excitation（partial）

對(duì)比增加電火花震源前后的地震剖面可以看出，未加電火花震源地震剖面，由于大型障礙物導(dǎo)致的缺口處缺乏地震資料近偏移距信息，致使龍?zhí)督M等較淺目的層的波組連續(xù)性較差。增加電火花震源記錄后地震剖面較好地改善了這一問題，因此電火花震源能夠有效彌補(bǔ)缺口處的近偏移距信息，進(jìn)而改善淺層地震資料成像效果（圖7黑圈位置）。同時(shí)由于電火花資料彌補(bǔ)了缺口處初至信息，提高了靜校正處理效果，進(jìn)而提高了整體資料的波組連續(xù)性，解決了局部波組串相位現(xiàn)象，使得整個(gè)向斜構(gòu)造波組特征更清楚，尤其是向斜核部的波場信息更準(zhǔn)確豐富，為后續(xù)的偏移處理奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1）增加電火花震源后，覆蓋次數(shù)增加，資料剖面缺口減小。

2）電火花震源200 ～800 kJ 能量相當(dāng)于井炮（14 kg，21 m）2 ～4 kg 能量；電火花激發(fā)獲得的地震資料中淺層信噪比較髙，2 s 以上可見較強(qiáng)的反射信息；單炮記錄的有效頻帶可達(dá)80 Hz；電火花震源激發(fā)水深越淺，地震剖面上偽陷波效應(yīng)越明顯。

3）通過對(duì)電火花子波進(jìn)行整形匹配處理后，電火花震源資料子波與炸藥震源資料子波波形相似度較高。

4）電火花震源能夠有效地提高武隆城區(qū)以及土坎鎮(zhèn)淺層地震資料質(zhì)量，達(dá)到彌補(bǔ)“數(shù)據(jù)天窗”的效果。由于電火花震源有效彌補(bǔ)缺口處的近偏移距信息和初至信息，剖面質(zhì)量有所改善，使得整個(gè)向斜構(gòu)造波組特征更清楚，尤其是向斜核部的波場信息更準(zhǔn)確豐富。