可控震源和炸药震源在松辽盆地西南部地区的适用性研究

2020-12-23宁媛丽江超云杨晓柳

矿产与地质 2020年5期

赵威，刘波，魏滨，宁媛丽，祁程，李毅，江超云，杨晓柳

(核工业航测遥感中心，河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北石家庄 050002)

0 引言

地震勘探方法是利用地下地层界面的波阻抗差异，通过地下界面的反射或折射原理，结合靶区地质信息，最终推断地下目标层的构造形态，是钻探前勘测石油、天然气资源、固体资源地质找矿的重要手段[1]。

在陆上地震勘探开发过程中，主要激发震源为炸药震源和可控震源两种。其中炸药震源从20世纪20年代开始一直作为地震勘探中的主要激发震源，但是随着施工靶区的复杂性、施工过程的危险性、环境污染等因素，可控震源随技术开始随之出现。目前使用可控震源进行野外施工不仅能够有效保证野外资料品质，还能大幅提高施工效率。本文通过两种震源在松辽盆地西南部地区的施工效果对比，分析了可控震源在该区域的适用性，为其以后的勘探开发震源选择提供了新依据。

1 研究背景

此次研究区位于松辽盆地西南部，内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗，属低山丘陵-平原地区。地势整体西高东低，海拔140～230 m，地形高差较小。地表覆盖主要为耕地、林地、湿地及半沙漠等，浅地表覆盖层厚度变化较大。施工时存在炮孔成孔坍塌、钻机难准确把握最佳震源激发层位、危爆物品管控等难题。

工区内仅采用炸药震源进行施工不仅工作难度大、成本高，还会因为激发层位不到位等因素影响原始单炮记录，因此为保证野外施工效率及数据质量的前提下，在该区采用新的震源方式进行施工势在必行。

2 两种震源优缺点分析

炸药震源与可控震源优缺点分析，见表1。

表1 炸药震源与可控震源优缺点分析Table 1 Analysis of the advantage and disadvantage of explosive source and controllable source

2.1 炸药震源

炸药震源在地震勘探中的应用已有100多年的历史，主要优点是激发能量强，产生地震信号频谱较宽；在井中爆破时能够有效降低面波干扰，但对激发点周围岩性及环境破坏大，受外界信号干扰大[2]。

从激发岩性的角度考虑，在沙土淤泥等层位爆破时，由于能量大部分会被吸收，有效爆破能量较小；且在石灰岩或砾石层爆破时，虽然能够产生高频地震波，但由于大地对高频信号的吸收衰减作用，真正传入地下的有效波能量有限，也会造成激发的地震波能量不强，影响接收数据的质量。

在野外工作中通常应选取潜水位或者潮湿的塑形层位作为激发层位，这类地层可使炸药震源爆破中的绝大多数能量转化为有效能量向地下传递，同时能够最好的发挥炸药震源的激发优点[3]。

2.2 可控震源

相对于炸药震源来说，可控震源作为地震勘探方法中的另一种新方法，具有安全环保，施工简单等特点，且产生的地震信号频率可以人为调节。根据浅层地表条件、响应特性和勘探目标层深度等特征，选择合适的激发频宽，可以显著提高地震数据质量[4]。

另外可控震源受外界信号干扰较小，通过相关处理可对噪音信号有较强的滤波作用；且其采用连续扫描信号，可以增强波的穿透能力，能够有效提高反射波能量[5]。但得到的地层反射信号不能直接使用，需要经过一系列的相关处理以后才能转化为近似炸药震源取得的信号，另外对施工区需要具有适宜的车辆通行能力。

3 施工效果分析

根据研究区的情况，在区内分别选择了两个试验段展开炸药震源与可控震源施工效果对比实验：一号试验段剖面长度4 km；二号试验段剖面长度3.5 km。试验段内有耕地、草地、林地及半沙化地等，涵盖了研究区内所有的地貌条件，作为试验段具有代表性。

本次数据采集观测系统设计为中间激发、双边接收的反射波法观测系统(图1)。道间距10 m，炮间距40 m，20次覆盖，160道接收，0.5 ms采样率，记录长度2 s，60 Hz检波器。炸药震源采用12 m的生产井深、3 kg的激发药量、0 m偏移距进行生产[6]。

图2和图3分别为一号试验段内两个典型炸药震源单炮记录，对于低信噪比记录而言，导致其产生的主要原因是激发层位不准或炸药药量不到位，浅水面上低速层激发，整体能量吸收严重，同时又被强反射界面向上反射，致使原始单炮记录信噪比较低；其中浅部、中部反射波同相轴被面波掩盖，只有深部出现反射同相轴等情况，整体面波干扰较大，对后期数据处理要求较高，有时甚至得进行返工处理。

图2 炸药震源高信噪比原始单炮记录Fig.2 Original single shot record with high signal-to-noise ratio for the explosive source

图3 炸药震源低信噪比原始单炮记录Fig.3 Original single shot record with low signal-to-noise ratio for the explosive source

可控震源采用如下激发参数：震动台次1台×3次，扫描频率8～96 Hz，升频扫描，扫描长度12 s，驱动电平75%。

图4为一号试验段内可控震源原始单炮记录，由图4可见其浅、中、深部均有反射波同相轴出现，但在浅部不同程度地存在一些随机干扰和面波干扰，致使浅部反射波受到一定压制；此类情况可根据实际激发点(如沙丘、松散覆盖区等激发条件较差地段)，采取增加垂直叠加次数(3～6次)、增大扫描时间(12～15 s)等措施来改善激发效果，进而提高资料的信噪比[7]。

4 叠后资料对比

图5和图6为一号试验段炸药震源和可控震源的叠加时间剖面。由两条叠加剖面可以看出炸药震源和可控震源在剖面反射波组形态上相近，主要区别在于浅部，炸药震源浅部同相轴的连续性、频率均高于可控震源[8]。分析其原因主要有两个：一是可控震源自身局限性所致，地表震源产生的地滚波较强，势必影响浅部资料的信噪比；二是试验段震动次数为2～3次，在激发条件较差地段叠加次数不足，压制浅部噪声，效果欠佳。

图5 一号试验段炸药震源激发叠加时间剖面Fig.5 Time profile of explosive source excitation superposition in the test section No.1

图6 一号试验段可控震源激发叠加时间剖面Fig.6 Time profile of controllable source excitation superposition in the test section No.1

针对在一号试验段施工时激发能量稍有不足的问题，在二号试验段将震动次数增加至5次，扫描时间延长至14 s，激发能量得到增强，随机干扰及噪声信号得到较好的压制；同时将扫描频带扩宽为10～110Hz，使得接收到的反射波信息更为丰富，整体信号分辨率得到提高。图7和图8为二号试验段炸药震源与可控震源的叠加时间剖面，由两条叠加剖面可以看出两者反射波组形态一致，数量一致，在连续性上可控震源激发剖面优于炸药激发剖面。从剖面整体上看，两者数据信噪比均较好，但可控震源所成剖面图清晰，分辨率更高[9]。