激发条件与方式-页岩气地震勘探技术

地震记录质量的好坏，在很大程度上取决于地震波的激发和接收条件。

1.地震震源

地震勘探是用人工方法激发地震波的，因此对激发地震波的震源有一定的要求。首先，激发的地震波要具有足够的能量。地震波从震源出发，传播到地下各反射面上，再反射回地面某一接收点，期间地震波损耗了大量的能量，若震源不具备一定的能量，地面接收点将无法接收到地震波。其次，激发的地震波应具有较宽的频带（含有丰富的频率成分）、显著的频谱特性和较高的分辨能力。第三，在震源参数不变的情况下，多次激发的地震记录具有良好的重复性。

在陆上地震勘探中，震源基本上分为两大类：炸药震源和非炸药震源。虽然炸药震源是一种理想震源，但炸药震源的使用有它的局限性，如不宜在工业区和居民区使用，在严重缺水地区（如沙漠地区）以及低速带厚（黄土高原等）的地区等使用炸药困难。为克服炸药震源使用的局限性，研制开发出了各种用途的非炸药震源，主要有：重锤震源、电火花震源、可控震源、空气枪震源和蒸汽枪震源。重锤震源、电火花震源、可控震源主要用于陆上地震勘探；空气枪震源和蒸汽枪震源主要用于海上地震勘探。目前陆上地震勘探使用最普遍的非炸药震源是可控震源。下面简单介绍几种常见的震源。

1）炸药震源

炸药是一种化学物质或化学混合物，例如地震勘探中常用的TNT（2，4，6—三硝基甲苯）和硝氨。由于它所激发的地震波具有良好的脉冲特征以及具有高的能量等优点，而被认为是一种理想的震源。炸药震源自20世纪20年代开始就一直作为激发地震波的主要震源，我国华北地区主要使用炸药震源。炸药是通过雷管引爆的，从输入电流到炸药爆炸，时间非常短暂，最多仅2 ms。以雷管线断开作为爆炸计时信号，表明地震波已被激发并开始传播。

在野外施工时，通常将炸药装在圆柱状塑料袋内密封后置于井中引爆。为了使爆炸能量集中下传，增大激发地震波的能量，同时又方便施工，人们研制了聚能弹、土火箭、爆炸索等各种成型炸药，这大大提高了激发地震波的效果。

普通高爆速药柱主要技术指标为：主装药密度≥1.4 g/cm3，爆速≥5 800 m/s，装药直径为45 ～60 mm。聚能震源弹是利用聚能原理和高爆速炸药爆炸后形成能量集中的定向巨大冲击力，主要技术指标为：主装药密度≥1.6 g/cm3，爆速≥7 000 m/s，装药直径为85 ～180 mm，装药量为0.15 ～2 kg。

2）落重法或机械撞击震源

落重法是一种最古老的非炸药震源。它是把几吨重的大钢块用链条吊在一种专用汽车的起重机上，然后让其加速下落撞击地面而产生地震波。海上地震勘探可利用机械撞击震源（称为水锤），它的原理是空气活塞把放在水中的一或两块钢块突然推开，水冲入板后或板间形成的空穴，由水的冲挤作用产生冲击波。这种震源的最大缺点是可产生能量很强的干扰面波。

3）地震枪

地震枪工作原理是利用弹内火药燃烧产生的高压气体来推动实心弹丸垂直撞击地面（作用力是一种冲量），产生震动形成地震波。地震枪是一种脉冲震源，具有良好的激发一致性，其延迟误差小于1 ms。且地震枪体积小，重量轻，可人工搬运，适用于地表复杂区地震勘探的辅助震源。

4）电火花震源

电火花震源是电火花产生器通过水中电极之间电流的突然放电来激发地震波。工作时，首先由发电机向电容器组充电，然后用一个特殊设计的开关把电容器接通到沉放在船尾海水中的电极上，通过电极之间的盐水放电，造成高热使水突然汽化产生迅速膨胀的蒸汽气泡；放电后又很快冷却，蒸汽气泡破灭而激发出压力脉冲，两者合并为总的声震源。该震源的特点是频率高（100 ～1 000 Hz）、分辨率高，主要用于海洋勘探。

5）可控震源

可控震源亦叫作连续震动系统，是世界上使用最普遍的一种振动型震源。这种震源产生一个延续时间从几秒到数十秒、频率随时间变化的正弦振动，且产生的振动频率和延续时间都可以事先控制和改变。

由于可控震源所产生的信号频谱和基本特性可以人为控制，可以在设计震源扫描信号时避开某些干扰频率，还能针对地层对地震信号的吸收作用进行补偿，这是其他人工地面震源和炸药震源难以做到的，所以利用可控震源进行地震勘探可以得到足够的反射能量，信噪比和分辨率能够满足地质勘探需要。

2.激发条件

激发条件是影响地震记录好坏的第一个因素，它是获得好的有效波的基础条件。如果激发条件很差，改进接收条件也是无济于事的。地震勘探中对激发条件一般有以下要求：激发的地震波要有一定的能量，以保证获得勘探目的层的反射波；要使激发的地震波频带较宽，使激发的波尽可能接近于δ脉冲，以提高分辨率；要使激发的地震有效能量较强，干扰波较弱，有较高的信噪比；在重复激发时，要有良好的重复性。

1）激发岩性

激发产生的地震波能量和频谱在很大程度上取决于激发岩石的物理性质。一般情况下，将激发岩性分为以下三类。

Ⅰ类：含水黏土、泥岩、充水砂岩为良好的激发岩性；

Ⅱ类：中硬砂岩、较致密或欠饱和的黏土和泥岩为较好的激发岩性；(www.xing528.com)

Ⅲ类：干燥黄土、干燥风成砂、硬质碳酸盐岩露头、淤泥层等为最差的激发岩性。

在Ⅰ类激发岩性中激发时，可使大量的能量转换为弹性振动能量，使激发的地震波具有显著的振动特性。在Ⅱ类激发岩性中激发时，大部分能量消耗在破坏周围岩石上，转换为弹性能量的不多。在Ⅲ类干燥黄土、干燥风成砂或淤泥层中激发时，产生的地震波频率低，大部分能量被疏散的岩层所吸收，转换为弹性振动能量的部分不多；而在坚硬的岩石中激发时，会产生极高的频率，这种高频的振动在传播中很快被吸收，造成激发的地震波能量不强。

2）激发深度

对于反射波来讲，激发深度要选在地下潜水面以下3 ～5 m处激发，这样可以激发出适当的频谱，激发的能量由于潜水面的强烈反射作用而大部分向下传播，从而增强了有效波的能量。在潜水面以下过大的深度上激发，潜水面产生的下行波会构成陷波器，损失部分频率，降低分辨率。

3）激发药量

应考虑下面几个方面的因素：激发点周围的岩性、要求的勘探精度、最小炮间距、仪器的灵敏度等，在这些因素不变的情况下，适当增加炸药量可以提高有效波的振幅。大量的试验表明，炸药量与地震波的振幅具有如下关系：

式中，A为地震波振幅，K为与激发介质有关的系数，Q为炸药量，m为与炸药量有关的系数。当炸药量较小时，振幅与炸药量成正比；当炸药量增大到某一限度时，地震波的振幅趋向于某一极大值；若再增加炸药量，对提高地震波振幅没有太大作用，因为炸药量的大部分能量消耗在破坏周围岩石上。炸药量与地震波的主频 f关系为：

由此可以看出，大药量激发地震波是不利于提高地震勘探分辨率的。但药量小，高频的抗噪能力低，也不利于高分辨率地震勘探。

4）爆炸能量与岩石介质的耦合关系

爆炸能量与岩石介质之间的耦合关系有几何耦合和阻抗耦合两种。

对于圆柱状炸药包来说，几何耦合的定义是：炸药包半径与炮井井孔半径之比乘以100%。可见几何耦合度的大小表示出炸药包与井壁之间间隙的大小，几何耦合度是爆炸能量传导能力的量度。

所谓阻抗耦合就是炸药的特性阻抗（炸药的密度×炸药的起爆速度）与介质特性阻抗（岩石的密度×纵波传播速度）之比。阻抗耦合说明通过不同物质接触面传导能力的效率。譬如，致密坚硬的岩石必须要与密实的高爆速炸药相匹配才能有良好的爆炸效果。

实际资料表明，在不同岩层中激发时，地震波的能量、频谱会有较大差异。如在低速的疏松且干燥的岩石中激发地震波时，它的能量将被大量吸收，频率也降低；在致密坚硬的岩石中激发时效果也不够理想。实际经验是：湿润的含水性较好的塑性岩石为最佳介质。根据实际资料对爆炸岩石介质可分成三类。

（1）含水黏土、泥岩、充水砂层等为良好的爆炸岩性。

（2）中硬砂岩、较致密的或欠饱和的黏土和泥岩为较好的爆炸岩性。

（3）干燥黄土、干燥风成砂、硬质碳酸盐岩露头、淤泥层等为最差的爆炸岩性。

3.激发方式

炸药震源的主要激发方式是井中放炮。采用井中激发需具有一定的井深，再加上一定的岩性就能激发出较强的反射波。其优点是：能减低面波的强度，消除声波对有效反射波的影响；使反射波具有很宽的振动频谱；提高深度反射能量；可以减少炸药用量，缩短爆破准备时间，加快野外工作进程。

其他激发方式还有：水中激发，土坑组合激发和空中激发等。

在海洋和水系发育的地区，可采用水中爆炸的地震波，实践证明，只有水深大于2 m时，才能采用水中激发，水深小于2 m时，一般得不到好的地震记录，并且炸药包沉放深度与炸药量有关。当炸药量较大，水深不够时，应采用组合爆炸。在浅水爆炸，应注意炸药包接触的岩性，要避免在淤泥中激发，在深水时，则应正确选择沉放深度，沉放深度过大，将由于气泡惯性胀缩而造成重复冲击，使记录受到严重干扰。

在表层地震地质条件复杂的地区，如沙漠，由于潜水面很深，钻井工作困难，只能在坑中激发，一般采取多坑面积组合。多坑面积组合形式及参数，由干扰波的视波长和信噪比确定。坑中爆炸干扰波强、工作效率低、炸药消耗量大，因此，能采用井中爆炸的地区都不采用坑中爆炸。