TD-Sparker电火花震源在石油地震勘探中的应用

　　地震勘探已经成为石油勘探中不可或缺的关键技术，而地震勘探最基础的部分则是地震波的激发，震源的激发效果将会直接影响地震勘探的结果。目前，常用的震源大致可以分为两类：震源和非震源。

　　震源产生的地震脉冲的频带较宽，但存在一定的安全问题，并且对地表的钻探程度有一定的要求，爆炸控制不易掌握，适用于致密介质。

　　非震源目前应用比较广泛的有：落锤、可控震源、震源及电火花震源。落锤震源产生的地震波具有低主频、高能量的特点，但施工效率低，是一种主要适用于浅层的震源，特别适合面波勘探。可控震源激发的地震波振幅较低、积累能量较高，可以控制地震波的频率，适用于松散地表难以成井的情况，但可控震源在使用时噪声大，所占体积较大，对地表植被会产生一定的破坏，所以，可控震源不适合在种植农作物及居住聚集地使用[。震源自动化程度高，产生的子波具有一致性好、性能稳定等特点，但在浅海区域，沉放的深度受到限制，此时不能忽略震源船体对的影响；同时，由于海平面反射，会产生鬼波效应，限制地震勘探的频带宽度。电火花震源最初应用于海洋勘探，随着科学技术的发展，逐渐出现了陆地电火花震源，使得其应用范围进一步拓宽，在地面、井下、江河湖海、滩涂等条件下均可。

　　1 电火花震源基本原理

　　无论是海洋电火花震源，还是陆地电火花震源，仅在冲击力的形成过程中是不同的，其基本原理大致相同。电火花震源主要由充电回路、电容器组、点火开关、放电电缆、放电电极及间隙几部分组成，如图1所示。

图1 电火花震源基本原理图

　　在激发地震波之前，首先，利用外接的发电机经过充电回路，对电容器组进行充电，直至充到预定电压；然后，随着启动信号的接收，连通点火开关，点火开关接通后，电容器组中积聚的电荷通过放电电流释放，释放的电流通过放电电缆进入放电电极及间隙。由于电容组是在极短的瞬间（微秒级）释放的高压电，会形成上万摄氏度的电弧，在放电间隙中形成高温高压的环境，将水气化，产生冲击压力波。这种冲击压力波可以激发地震波，充当震源。

　　2 电火花震源的优势

　　电火花震源是一种非震源。近些年，随着勘探技术的进步，对震源环境、安全要求的提高，电火花震源以其独特的优势得到迅速发展和广泛应用。

　　（1)实际勘探中应用范围较广

　　在海域、滩涂、沼泽、陆地都能使用。

　　（2)能量可控

　　震源能量大小可以根据勘探深度的需要，按模块化组合，不受限制。

　　（3)施工灵活、便捷、安全

　　小功率的电火花震源可以采用轮式结构，大功率的电火花震源可以集成一个箱体，接通电源，把电头放入需要激发的位置即可。

　　3 试验系统与数据分析

　　为了验证电火花震源在石油勘探中的应用效果，2015年在某浅海处进行了电火花震源和震源的实验。其中，电火花震源能量为200KJ，炮间距为150m，覆盖次数为18次覆盖；震源采用32枪组合，炮间距为75m，覆盖次数为36次覆盖。采用的检波器频间距20m，接收道数为260道，记录长度6s。

　　根据获得的数据，分别从单炮记录、频谱分析和叠加剖面三个方面来进行分析电火花震源的应用效果。

　　3.1 单炮记录分析

　　分别记录电火花震源和震源的单炮记录，经过分频处理，可以得到不同频段的单炮记录。图2为10~20Hz单炮分频对比图，左侧为震源单炮记录，深层可以记录到反射波；右侧为电火花震源单炮记录，深层能量较弱，记录的有效反射波不明显。

图2 10~20Hz单炮分频对比图

　　图3为20~40Hz频段的单炮对比图，左侧为震源；右侧为电火花震源。在此频段，两种震源的能量相差不大，所记录到的有效反射波基本相同。

图3 2~40Hz单炮分频对比图

　　通过对比可以看出，10~20Hz频段电火花震源的能量不如强；20~40Hz频段电火花震源与震源的能量相当。综合来看，电火花震源的低频段的能量有待加强。

　　3.2 频谱分析

　　为了进一步验证电火花震源和震源在频率方面的差异，随后对单炮时段进行频谱分析，选取三个不同的时窗进行对比，从上到下依次为500~1000ms，1500~2000ms，2500~3000ms。

　　通过频谱对比，发现电火花震源的高频成分比较丰富，有利于一些薄层的识别；但是随着深度的增加，高频成分逐渐减弱，衰减较快。

　　3.3 叠加剖面分析

　　电火花震源的覆盖次数为18次，震源的覆盖次数为36次，将其分频之后的数据进行叠加，电火花剖面的叠加次数只是的一半，得到分频叠加剖面。图4和图5分别为水检和陆检的10~20Hz时的频段叠加剖面，可以看出，2500ms以内，两剖面信噪比相当；2500ms以下，电火花震源叠加剖面效果较之震源稍差。

图4 水检10~20Hz分频叠加剖面对比

图5 陆检10~20Hz分频叠加剖面对比

　　4 数据处理与结果对比

　　将采集到的数据进行处理，运用Radon双曲滤波技术，滤除直达波、多次波，处理后的数据中反射波清楚，同相轴连续清晰。

　　对共炮点道集进行速度分析，4000ms以内数据，Radon变换速度分析，得到偏移速度曲线，如图6所示，表明3500ms处的反射界面能量清晰，信噪比较高。即200KJ的电火花震源的勘探深度可到3500ms。

图6 共炮点道集速度扫描

　　使用SSP地震散射软件进行处理，同时得到地震散射偏移图像（图7）与地层波速分布图像（图8）。图7对界面反射系数成像，反应地层结构形态。它是空间域图像，浅灰线条为正反射系数，波速增高；深灰相反。图8对地层波速成像，反应岩层力学模量大小。浅灰为高波速，深灰为低波速。它可作为地层岩性的断定依据。波速图像显示，在左端深部有高速侵入体。

　　试验结果表明，使用200KJ点火花震源，在海水中激发，18次覆盖的条件下，勘探深度可达4000m。

图7 地震散射偏移图像

图8 地层波速图像

　　通过浅海勘探实例中与震源的对比以及记录数据的分析处理表明，电火花震源有很好的实际应用效果，200KJ电火花震源激发的地震波勘探深度可达3000m或可达到4000m。在浅海勘探中，200KJ的电火花震源与32只组合震源相比，激发的能量在15Hz以下的低频段，不如震源强，在炮头设计与组合激发方案上还有待该进，以提高低频段能量。电火花震源的能量可以根据需要进行组合增强，可以增加大到400KJ、600KJ或800KJ，组合后低频段的能量会得到明显的加强，600KJ则基本可以满足5000-6000m深度勘探的需要，具有潜在的应用前景。