基于二氧化碳?xì)鈩?dòng)力脈沖技術(shù)的人工震源試驗(yàn)初探

陶科宇，楊紅梅，胡 波，胡少斌，蔡余康

(1.中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川 達(dá)州 635000；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 引言

地震勘探是一種最重要的地球物理勘探方法，在煤田、石油和工程地質(zhì)等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。震源是地震勘探技術(shù)中重要組成部分，震源在很大程度上決定著勘探質(zhì)量[3]，目前常見的人工震源主要分為炸藥震源和非炸藥震源兩種。炸藥震源因激發(fā)能量大，脈沖性能好等特點(diǎn)自1920年以來一直是地震勘探的重要激發(fā)源。然而炸藥震源存在著安全系數(shù)低、破壞性強(qiáng)，有效利用率低等問題，再加之嚴(yán)格的管控政策，因此非炸藥震源逐漸代替了炸藥震源，尤其是機(jī)電一體化的大噸位精密主動(dòng)可控震源近些年得到了較大發(fā)展[4]?？煽卣鹪淳哂惺┕こ杀镜?、安全環(huán)保、激發(fā)信號可人為控制、施工組織靈活等優(yōu)點(diǎn)，在眾多復(fù)雜地區(qū)也取得了較好勘探效果[5-6]。然而可控震源由于噸位大，施工擾民等原因在有些地區(qū)無法施工與通行。無論是哪種人工震源，因自身特點(diǎn)都存在著一些限制因素。隨著地震勘探的深入，勘探區(qū)域不斷向山地、城區(qū)、沼澤等地表復(fù)雜區(qū)延展，這就要求更加多樣化的震源設(shè)備，因此探索環(huán)保、輕便、高效的新型震源非常有必要。

另一方面，二氧化碳作為一種新型的清潔材料，二氧化碳作為高能氣體最初在20世紀(jì)50年代用于爆破，80年代在美國開始發(fā)展。直至2015年，隨著科技進(jìn)步，國內(nèi)逐步涌現(xiàn)二氧化碳爆破器材產(chǎn)商，正處于發(fā)展階段。和目前市場上廣泛采用的傳統(tǒng)二氧化碳?xì)獗夹g(shù)不同，筆者創(chuàng)造性的提出了干冰粉靜態(tài)氣動(dòng)壓裂技術(shù)，并開發(fā)出一種本安型微納米高能復(fù)合材料(又稱二氧化碳聚能劑)，經(jīng)國家權(quán)威部門鑒定該材料不屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，無爆炸性，屬非限制性貨物。它是一種利用新型微納米高能復(fù)合材料(無爆炸性)在液態(tài)/超臨界態(tài)CO2中快速燃燒產(chǎn)生瞬態(tài)氣動(dòng)力脈沖來致裂巖體的新技術(shù)，具有安全性高、流動(dòng)性強(qiáng)(混相流體)、可控性好(脈沖強(qiáng)度、頻次可控)的優(yōu)點(diǎn)[7]。

基于以上背景，本文創(chuàng)設(shè)性的提出基于二氧化碳脈動(dòng)沖擊的城市可控震源，將干冰粉靜態(tài)氣動(dòng)壓裂技術(shù)應(yīng)用于人工震源領(lǐng)域。旨在研制出一種小型化、便攜式、利用溫室氣體的特種勘探設(shè)備，利于城市地下空間的建設(shè)。因此展開相關(guān)單炮試驗(yàn)，探討基于二氧化碳?xì)鈩?dòng)技術(shù)的人工震源的特點(diǎn)及適用性。

1 干冰粉靜態(tài)氣動(dòng)壓裂原理

干冰粉靜態(tài)氣動(dòng)壓裂技術(shù)目前主要有兩種使用形式，一種是一次性便攜式人工震源，一種是機(jī)載可重復(fù)人工震源。本文重點(diǎn)介紹一次性便攜式人工震源，其主要由干冰致裂器、CO2聚能劑、固態(tài)干冰、電火花發(fā)生器四大核心部件組成。CO2聚能劑由江蘇中控能源科技有限公司(CENE)提供，可根據(jù)試驗(yàn)需要，調(diào)配出不同活性的聚能劑復(fù)合材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面積、高燃燒熱、低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)(圖1)，具體參數(shù)見表1。

圖1 CO2聚能劑微觀孔隙結(jié)構(gòu)

表1 CO2聚能劑基本物理化學(xué)參數(shù)

在有限體積內(nèi)，保證足夠的做功介質(zhì)二氧化碳，是實(shí)現(xiàn)二氧化碳壓裂巖石的前提條件，恰好CO2聚能劑是一種具有高比表面積和孔隙率的復(fù)合材料，二氧化碳?xì)怏w或者干冰粉體被吸附或填充在CO2聚能劑表面或孔隙內(nèi)，為CO2聚能劑的快速燃燒提供了有利條件。此外，CO2聚能劑視密度僅為0.12 g/mL，遠(yuǎn)低于液態(tài)二氧化碳或干冰粉體，就像一個(gè)“海綿體”，既能夠取到支撐骨架的作用，又能夠在有限體積內(nèi)盡可能多的充裝做功介質(zhì)——固體干冰粉。

最重要的是，根據(jù)最新國際危險(xiǎn)化學(xué)品分類標(biāo)準(zhǔn)及鑒定方法，經(jīng)過專業(yè)測試，CO2聚能劑在空氣中性能穩(wěn)定，屬于非危險(xiǎn)化學(xué)品和非限制性貨物。在惰性氣體CO2保護(hù)條件下，CO2聚能劑性態(tài)更加穩(wěn)定，并不與固態(tài)干冰粉起作用。只有在特定溫壓條件下，并且有且只有當(dāng)CO2氣體壓力達(dá)到2.5 MPa以上時(shí)(CO2濃度閾值)，才能被特制的電阻絲激發(fā)裝置引燃，CO2聚能劑才能與吸附態(tài)和游離態(tài)CO2發(fā)生放熱反應(yīng)。受低溫干冰影響，粉體混合物溫度處于零下20℃以下(干冰粉零下80℃)，在2.5 MPa時(shí)二氧化碳處于液態(tài)(圖2黃色標(biāo)識(shí)部分)。

圖2 二氧化碳三相圖(黃色區(qū)域代表CO2聚能劑所處溫壓條件)

CO2聚能劑與二氧化碳(固態(tài)、吸附態(tài)、游離態(tài)/液態(tài))相互作用原理見圖3。CO2聚能劑的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為氧化還原反應(yīng)的發(fā)生及傳播提供了良好場所。CO2聚能劑的高比表面積及其對CO2的吸附特性為放熱反應(yīng)的能量快速積聚提供了必要的物質(zhì)保證。除此之外，干冰粉體吸熱氣化過程能夠有效調(diào)節(jié)封閉空間氣體壓力上升速率及時(shí)間。通過綜合調(diào)節(jié)CO2聚能劑活性、干冰粉體粒度以及聚能劑與干冰粉質(zhì)量比，能夠有效調(diào)節(jié)CO2靜態(tài)氣動(dòng)壓裂加載速率及作用時(shí)間。

圖3 CO2聚能劑與二氧化碳相互作用原理圖

圖4 是干冰致裂器現(xiàn)場安裝示意圖。在接通點(diǎn)火線之前，需要通過加熱棒預(yù)熱干冰，使得內(nèi)部穩(wěn)壓條件達(dá)到起爆閥值。

圖4 一次性便攜式干冰致裂器安裝示意圖

2 試驗(yàn)場地及布置

試驗(yàn)地點(diǎn)位于南京祿口鎮(zhèn)上穆村北面空地，距離祿口機(jī)場西北方向約6.5 km。試驗(yàn)場地距離大路均大于200 m，現(xiàn)場無人群村莊，整體較為安靜(圖5)。

圖5 試驗(yàn)場地照片

本次地震試驗(yàn)選擇了美國Geometrics公司的StrataVisorNzxp24型地震儀及其擴(kuò)展模塊Geode進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該儀器靈活多變的噪聲監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)控和各種測試功能，使得現(xiàn)場可隨時(shí)監(jiān)視記錄質(zhì)量和設(shè)備工作狀態(tài)，從而也保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性。根據(jù)本次試驗(yàn)?zāi)康?，為了提高地震檢波器的靈敏度，地震數(shù)據(jù)采集每個(gè)測點(diǎn)上使用了自然頻率為40 Hz的單只檢波器接收地震波。

試驗(yàn)測線NW向布設(shè)，首道離震源點(diǎn)60 m，間距5 m，測線235 m，試驗(yàn)布設(shè)見圖6。采集參數(shù)為采樣間隔0.5 ms，記錄長度1000 ms，前置放大器采用全通方式，單炮記錄存儲(chǔ)格式為sg2。震源采用一次性便攜式干冰致裂器，震源能量通過干冰加入量進(jìn)行調(diào)節(jié)，孔深2 m。

圖6 試驗(yàn)布設(shè)示意圖

整個(gè)試驗(yàn)共激發(fā)兩炮，14：00時(shí)高頻背景噪聲較大，采用0.5 kg干冰進(jìn)行靜態(tài)氣動(dòng)引爆；23：00時(shí)高頻背景噪聲依然存在，并未有減小趨勢，采用1.5 kg干冰進(jìn)行靜態(tài)氣動(dòng)引爆。兩次均成功獲得試驗(yàn)單炮記錄。

3 結(jié)果分析

雖然試驗(yàn)場地沒有明顯的噪聲干擾，但在試驗(yàn)時(shí)通過實(shí)時(shí)噪聲監(jiān)測發(fā)現(xiàn)本區(qū)存在較為強(qiáng)烈的持續(xù)干擾，白天夜間均存在，噪聲源不清。圖7a為背景噪聲的地震記錄，背景噪聲規(guī)律性較好，噪聲在記錄中呈明顯的水平直線分布。圖7b為背景噪聲的頻譜圖，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，噪聲能量主要集中在180～280 Hz、350～550 Hz、780～820 Hz等高頻段分布?？傮w來說背景噪聲為規(guī)律性較強(qiáng)的高頻干擾，能量強(qiáng)度較大。

圖7 背景噪聲地震記錄與噪聲頻譜圖

最終的試驗(yàn)單炮記錄見圖8，使用0.5 kg干冰激發(fā)的單炮記錄干擾明顯，但可以大致看出直達(dá)波與面波的形態(tài)；使用1.5 kg干冰激發(fā)的單炮記錄壓制噪聲的能力明顯變強(qiáng)，信噪比有較大幅度提升，直達(dá)波、面波、聲波形態(tài)清晰，但未見明顯反射波。

圖8 試驗(yàn)單炮記錄

雖然背景噪聲較強(qiáng)，但背景噪聲為規(guī)律性較強(qiáng)的高頻干擾，采用FK二維濾波可以較好地壓制背景噪聲。圖9為0.5 kg干冰激發(fā)的單炮記錄的FK譜，背景噪聲波數(shù)較小、頻率高，在FK譜上可以較好地分離。圖10為采用一維濾波、FK濾波后的單炮記錄，為了便于分析，高頻截止150 Hz。

圖9 單炮(0.5 kg干冰)記錄的FK譜

經(jīng)過噪聲壓制后的兩張單炮記錄面貌形態(tài)沒有太大區(qū)別，兩張記錄淺部都有反射波的痕跡但連續(xù)性較差且不明顯，中深部未見明顯反射軸。圖11為去掉直達(dá)波、面波干擾的頻譜對比圖，圖10紅色框內(nèi)為選擇分析區(qū)域。由圖11可知，1.5 kg干冰激發(fā)的單炮記錄無論是頻帶寬度還是主頻較0.5 kg干冰都有所降低，也就是說增大干冰重量，可以激發(fā)出較強(qiáng)的地震波，提高記錄的信噪比，但同時(shí)也降低了激發(fā)出的地震波主頻和頻帶寬度，這種特性與炸藥震源較為接近[1]。

圖10 去除背景噪聲后的單炮記錄

圖11 單炮記錄頻譜圖

試驗(yàn)單炮記錄中直達(dá)波、聲波、面波清晰，整體形態(tài)符合地震勘探的單炮記錄，但未見明顯反射軸，試驗(yàn)過程中懷疑為特殊地質(zhì)條件造成。為了打消疑慮，后期收集了附近鉆孔資料及相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]，基本可以確定，試驗(yàn)場地松散覆蓋物主要為人工填土與一般沉積的粉質(zhì)黏土，厚度為8～16 m；下伏基巖為侏羅系龍山王組安山巖，強(qiáng)風(fēng)化安山巖厚度為5～10 m；根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，試驗(yàn)場地下方安山巖厚度巨大。整體上，由于基巖埋深較淺，處于地震反射法的淺部盲區(qū)，覆蓋層與基巖的反射波難以識(shí)別；基巖為安山巖且厚度較大，地震勘探在安山巖類的火成巖內(nèi)部多以雜亂反射為主，難以形成強(qiáng)反射軸[5-6]。因此，受測線長度與地質(zhì)條件限制，本次試驗(yàn)單炮記錄沒有明顯的反射軸。

4 結(jié)論

通過本次干冰氣動(dòng)震源試驗(yàn)獲取了相關(guān)單炮記錄，經(jīng)過分析，認(rèn)識(shí)如下：

1)本次試驗(yàn)獲取的單炮記錄與常用震源記錄在整體面貌上相似，基于干冰靜態(tài)氣動(dòng)壓裂技術(shù)的人工震源在地震勘探中具有一定的可行性。

2)干冰靜態(tài)氣動(dòng)震源與炸藥震源在地震波的激發(fā)及頻譜分析上都較為接近，但干冰靜態(tài)氣動(dòng)震源安全性高，可控性好，作為地震勘探的震源具有良好的應(yīng)用前景。

3)受試驗(yàn)場地及試驗(yàn)數(shù)量的限制，干冰靜態(tài)氣動(dòng)震源還有許多性質(zhì)有待探索。另外，作為地震勘探的震源，干冰靜態(tài)氣動(dòng)震源還需進(jìn)一步提高施工效率并降低成本。