新型气爆震源技术在山西山区深部煤层气地震勘探中的应用研究

李 娟，申有义，田忠斌,2，杨晓东，王建青

(1.山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中 030600； 2.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083)

地震勘探首先需要人工方法激发地震波，激发地震波的效果至关重要，直接影响地震勘探的成像深度和精度[1]。目前地震波的激发源可分为炸药震源和非炸药震源，原理大致相同，非炸药震源主要有重锤震源、气爆震源、电火花震源、空气枪震源、可控震源等[2-3]。

从19世纪20年代至今，炸药震源一直是地震勘探的主要常规震源[4]，炸药产生的能量大，很容易激发出地震波，实践证明，在地震勘查、石油勘探中使用炸药震源具有良好的效果。由于炸药震源环境破坏大、危险性高、可重复性、费用高差等缺点[5]，近年来随着环保问题及公共安全问题的日益突出，炸药在地震勘探中的使用遇到了很大的限制，人们一直研究用非炸药震源激发地震波。

单个非炸药震源虽然能量比炸药震源小，但具有组合使用、提高多次叠加的生产效率、绿色环保、低成本、安全、高效等特点[6]。气爆震源是一种非爆炸震源，它可以弥补爆炸震源的不足。本文尝试在山西山区深部煤层气勘探中进行新型气爆震源激发地震波试验，并与普通炸药震源激发的地震波在能量、频率及信噪比等方面进行了激发效果对比研究。

1 新型气爆震源基本原理

气爆震源装置是将丙烷、氧气或空气的混合物导入爆炸室内，由电火花引爆或者直接产生地震波，可在海洋或陆地应用，气爆震源在传输上比固体炸药优越，是非炸药震源中地震能量较高的一种[7-9]。

本次研究使用的新型气爆震源的基本原理是：甲烷和氧气按照一定配比在密闭的钢制容器中进行混合(甲烷在空气中的爆炸极限约为5%～15%，其中甲烷在9.5%左右爆炸最为剧烈)，混合气体通过外部导线点火后发生爆轰反应，在容器内产生高压空气。在容器侧面设有限压阀门，当初始压力高于阈值后阀门脱落将高压气体向外瞬间释放。高压气体瞬间释放时可对外部形成冲击产生地震波(图1)。在激发中，限压阀门位于容器底部，从而确保主要冲击方向向下，有利于能量向下方传播。

图1 气爆震源的激发装置示意图Figure 1 Schematic diagram of gas exploder excitation installation

2 应用实例

2.1 研究区概况

(1)地层特征

本次研究区位于沁水盆地复向斜东翼，区内地层总体为一走向北东、倾向北西的单斜构造，倾角3°～10°。研究目的层主要为二叠系山西组3号煤层和石炭系太原组的15号煤层。研究区3号煤层厚度1.90～2.90m，平均厚2.07m，全区稳定可采；煤层平均埋深1 389m。15号煤层厚度0.90～1.70m，平均1.03m，全区稳定可采；煤层平均埋深1 494m。近几年随着勘探程度的不断提高，深部煤层成为重要的关注目标[10]，研究区煤层埋深较大(大于1 000m)，达到了深部煤层气的研究范畴[11]。

(2)地震地质条件

研究区地处沁水盆地中段东部，太行山西麓，区内大部分被第四系黄土覆盖，由一系列的黄土梁冲沟组成，属于中山-丘陵区，沟谷纵横，地形较复杂。浅层低降速带厚度不均匀，横向速度变化大，增加了地震勘探资料采集的复杂程度。浅表层地震地质条件较复杂。

山西组3号、15号煤层稳定，均与其顶、底板围岩存在明显的波阻抗差异，可形成能量强、波形突出、大部可连续追踪对比的反射波(T3波、T15波)(图2)。研究区深层地震地质条件一般。

图2 研究区主要地震波组特征及地质层位对应关系Figure 2 Main seismic wave group features and correspondence with geological horizons in study area

综上，研究区地震地质条件属一般区。

2.2 试验内容

2.2.1 仪器及参数

地震仪器：428XL型数字地震仪。

检波器：自然频率10Hz，组合形式为6个一组，串联堆放接收。

激发震源：高爆速成型炸药柱，地震勘探专用瞬发电雷管；气爆震源。

2.2.2 观测系统

为了获得高分辨率、高信噪比的地震数据，本次采用中间激发，360道接收，道距20m，覆盖次数60次的观测系统。

2.2.3 试验点位置选取

为便于分析对比试验结果，在区内选择了一个黄土较薄，激发条件相对较好的点位，以便于资料的对比分析。该点位黄土厚度约13m，0～1m为土黄色粉砂土，2～13m为棕红色亚黏土。主要煤层埋深约为1 600m。

2.2.4 试验内容

研究区试验工作的重点是激发震源的对比，对比炸药震源和气爆震源在能量激发、信噪比及频率等方面的特征。

炸药震源采用高爆速成型炸药柱，地震勘探专用瞬发电雷管激发地震波。为了比较气爆震源不同尺寸、当量和深度激发地震波的效果，本次试验采用两类气爆震源装置进行激发试验(A装置：Φ120mm×1 000mm；B装置：Φ120mm×500mm)。具体试验内容如表1所示。

表1 试验内容情况统计表

2.3 试验效果分析

2.3.1 气爆震源与炸药震源试验效果对比

在井深相同的条件下(井深13m，基岩面激发)，分别试验炸药震源(药量8kg)，气爆震源(A装置：Φ120mm×1 000mm，压力6MPa和压力3MPa； B装置：Φ120mm×500mm，压力6MPa)激发。通过对原始纯波记录进行带通滤波(20～80Hz)显示后(图3)，可以看到炸药激发的单炮记录能量强，煤层反射波明显，连续性好； 气爆震源激发的单炮记录上A装置6MPa的能量较强，煤层反射波明显，连续性较好； 而A装置3MPa的单炮记录和B装置6MPa的记录能量弱，近道可看到能量很弱、连续性差的煤层反射波，有一半的记录道(远道)全部为背景噪声。说明气爆震源在压力减小和体积减小的情况下，能量衰减较快。从记录上也可以看出气爆震源的视频率高于炸药震源。

图3 炸药震源与气爆震源激发效果单炮记录对比图(带通滤波)Figure 3 Single-shot records contrast between explosive and gas exploder excited effects (band-pass filtering)

在获得明显煤层反射波情况下，通过对原始纯波记录进行能量(图4)的定量分析后，可以看到在矩形时窗和沿煤层反射波时窗内炸药激发的单炮记录能量最强，能量最强的气爆震源(A装置6MPa)的能量仅为炸药的四分之一，A装置3MPa的记录能量最小。在沿煤层反射波时窗内的频谱分析图(图5)上，可以看出气爆震源激发的单炮记录上煤层反射波频宽为9～38Hz，主频为35Hz； 炸药激发的单炮记录煤层反射波频宽为9～32Hz，主频为20Hz； 初步可以说明气爆震源激发的频带略宽于炸药激发，主频略高于炸药震源。

图4 炸药震源与气爆震源激发地震波能量分析对比Figure 4 Analytical contrast between seismic wave energies excited by explosive and gas exploder

416为炸药震源，511为气枪震源A装置6MPa,524为B装置6MPa，539为A装置3MPa图5 气爆震源(左)与炸药震源(右)激发效果沿煤层反射波时窗频谱对比Figure 5 Contrast of gas exploder (left) and explosive (right) excited effects on coal seam reflection time window frequency spectra

2.3.2 不同气爆装置试验效果对比

在本次试验中对不同气爆装置进行了试验对比。包括A装置6MPa(激发井深分别为2m和13m)，B装置6MPa(激发井深13m)；A装置3MPa (激发井深13m)，B装置3MPa(激发井深2m)。从图6可以看出，只有A装置6MPa在不同井深激发时均获得了明显的煤层反射波，且激发井深深的煤层反射波能量强，频率高。其他气爆装置激发能量弱，背景噪声明显。

图6 不同气爆装置震源激发效果原始记录对比Figure 6 Comparison of original records of different gas exploder excited effects

3 结论

1)井深相同情况下，煤层埋深约为1 600m时，气爆震源与炸药震源均可取得较明显的煤层反射波。在气爆震源装置合适时(A装置6MPa)，井深相同情况下气爆震源激发的能量低于炸药震源；气爆震源激发的主频和频带宽度高于8kg炸药震源。

2)通过本次试验说明在山区深部煤层气地震勘探中利用气爆震源震源激发地震波的可行性，在后续的研究中开展详细的井深、药量的激发与气爆震源的对比。同时在后续的研究中开展多种地震地质条件下的炸药震源与气爆震源的对比试验。