工程物探技术在液化天然气行业扩建中的应用分析

上海液化天然气有限责任公司 迟黎明

0 前言

工程物探是在原地球物理勘探基础上发展而来，服务于水文地质和工程地质，成为工程勘察的一个组成部分。工程物探技术具有周期短、成本低、信息量大和服务面广的特点，其作用和地位得到了广泛的肯定。

上海LNG项目是根据国家能源战略及LNG发展规划，依据上海天然气市场发展预测和上海四大天然气气源规划原则而建设的上海市“十一五”重要能源项目，由上海液化天然气有限责任公司负责该项目的投资、建设和运营，一期工程于2009年底建成投运，为上海市天然气供应提供了保障。根据上海市天然气市场发展和调峰保障的需要，上海液化天然气公司正在计划实施上海LNG项目扩建工程，从而进一步提高上海市天然气调峰供应和应急保障能力。

根据规划，上海LNG扩建项目拟增加液化天然气储罐的建设规模，为了保证拟建场地选择的适宜性，采用了工程物探方法对拟扩建罐区的场地进行勘察，以查明覆盖层厚度、基岩埋深和断裂构造，为储罐设计提供了物探依据。

本文讨论的工程物探技术为地震勘探技术中的浅地震折射波法和浅地震反射波法。

1 工程物探技术

1.1 工程物探技术概述

工程物探是工程地球物理勘探的简称，它是以地下岩土层(或地质体)的物性差异为基础，通过仪器观测自然或人工物理场的变化，确定地下地质体的空间展布范围(大小、形状、埋深等)并可测定岩土体的物性参数，达到解决地质问题的一种物理勘探方法。

按照勘探对象的不同，工程物探技术又分为三大分支，即石油工程物探、固体矿工程物探和水工环工程物探(简称工程物探)。

1.2 工程物探的分类

常用的工程物探方法及特点:

(1)电法勘探:包括电剖面法、电测深法、高密度电法、充电法、自然电场法和激发极化法等。

(2)电磁法勘探:频率测深法、瞬变电磁法、可控音频大地电磁测深入法、探地雷达和电磁波CT等。

(3)地震勘探:包括反射波法、折射波法、穿透波法、瑞雷波法、直达波法和地震CT等。

(4)弹性波测试:包括声波法和地震波法。声波法可选用单孔声波、穿透声波、表面声波、声波反射和脉冲回波等；地震波法可选用地震测井、穿透地震波速测试和连续地震波速测试等。

(5)层析成像:包括声波层析成像、地震波层析成像、电磁波吸收系数层析成像或电磁波速度层析成像等。

(6)放射性探测:包括α射线测量、自然γ测量、γ-γ测量。

(7)综合测井:电测井、声波测井、钻孔电视、放射线测井、井上雷达、井径测量和井斜测量。

1.3 地震勘探技术

地震勘探是一种使用人工方法激发地震波，观测其在岩体内的传播情况，以研究、探测岩体地质结构和分布的物探方法。地震波自震源向各方传播，在存在波速或波阻抗差异的岩层、各类目的体分界面上会发生反射和折射，然后返回地面，引起地面振动。通过仪器设备(地震仪、检波器等)记录振动(地震记录)，通过分析解释地震记录的特性(传播时间、振幅、相位及频率等)，就能确定分界面的埋藏深度、岩石的组成成分和物理力学性质。在无限介质中，震源处的振动(扰动)以地震波的形式传播并引起介质质点在其平衡位置附近运动。按照质点运动的特点和波的传播规律，地震波常可以分为体波和面波。体波包括纵波和横波两种。面波主要有瑞雷波和勒夫波等类型。根据所利用弹性波的类型不同，地震勘探的工作方法可分为:反射波法、折射波法、穿透波法和瑞雷波法。

1.3.1 浅地震折射波法

浅地震折射波法，是利用人工激发的地震波在岩土界面上产生的折射现象，对浅部具有速度差异的地层或构造进行探测的一种地震方法。

浅地震折射波法是目前工程地震勘探中技术最成熟、应用最广泛的方法。

折射波法的优点:

(1)初始折射波比较容易识别。

(2)探测深度范围广，从几米至几十米乃至一二百米皆可。

(3)不仅可得到折射波的旅行时，遥相呼应得到能反映岩性及岩体完整性的界面速度。

(4)解决的地质问题面较广，从探测覆盖层厚度及其分层到解决构造问题，地质效果一般较好。

折射波法的局限性:

(1)受速度逆转限制，不能探测高速层下部的地质情况。

(2)分层能力弱，一般限于3～4层。

(3)因为存在折射波盲区以及旁侧影响，要求勘探场地较开阔。

(4)所需激发能量大。当松散层厚度超过10 m时，一般使用炸药震源；当探测深度大于40 m时，需使用较大的炸药包，在居民区、农、林、渔区难于开展工作。

1.3.2 浅地震反射波法

浅地震反射波法是利用人工激发的地震波在岩土界面上产生反射的原理，对浅层具有波阻抗差异的地层或构造进行探测的一种地震勘探方法。

在工程勘察中，浅地震反射波法主要用于探测覆盖层厚度和进行地层分层，确定几十米内的较小的地质构造以及寻找局部地质体等。

浅地震纵波反射波法探测深度较大，激发方式多样；浅地震横波反射法用于探测浅部松散含水地层效果较好，且分辨率较高，其分层能力一般为1/4有效波波长。

反射波法的优点:

(1)不受地层速度逆转限制，可探测高速地层下部的地质情况。在软基勘探中横波反射波法有较强的分层能力。

(2)水平叠加时间部面图、等偏移时间部面图、地震映象波形图、地震深度剖面图能较直观反映地层的起伏形态和地层的尖灭点及断层的位置、断距。

(3)所需震源能量较小，在勘探深度小于四五十米时，一般可使用锤击震源(与垂直叠加信号增强配合使用)，从而免除使用爆炸震源时购买、运输、保管、使用雷管炸药的诸多麻烦，确保生产安全，并可在居民区、农田、果园等不允许进行爆破作业的测区开展反射波法勘探。

(4)所需勘探场地较小，可在较狭窄的河谷、山谷开展工作。

反射波法的局限性:

(1)反射波法所受干扰波多(包括面波、声波、直达波、浅层折射波、多次反射波、背景噪音以及各反射波组间的相互干扰)，野外数据采集、资料处理比折射波法复杂，工作效率低，尤其当探测深度小于20 m时，浅层反射波法的工作效率较低(因为要求检波点距较小)。

(2)探测基岩面埋藏深度时，因为不能较准确求得基岩波速，有时识别基岩顶板反射波同相轴较困难(尤其基岩面较平坦时)，需借助折射波法资料或钻孔资料确定。

(3)横波(SH波)反射波法激发工作效率较低，勘探深度较小(一般小于四五十米)。

2 液化天然气行业的工程物探技术应用

2.1 液化天然气储罐扩建的物探概况

上海液化天然气扩建项目拟增加液化天然气储罐的建设规模，采用了工程物探技术对拟扩建罐区场地范围进行物探勘察，以查明沿线第四系覆盖层厚度、基岩埋深及基岩面起伏形态、断裂构造发育情况，为储罐设计提供物探依据。

鉴于测区地质条件较为复杂，覆盖层自上而下主要为人工抛填石、冲填土、淤泥质粉质黏土，基岩为辉长岩，储罐扩建的物探采用了浅地震横波反射波法为主、浅地震折射波法为辅的物探方法。

行业标准《浅层地震勘查技术规范》(DZ/T 0170—1997)对这两种物探方法的说明:反射波法一般不受地层速度逆转的限制，但被探测地层与上覆地层应有一定的波阻抗差异，并有一定厚度，对沉积地层层序划分、探测断层等地质构造的效果较好。折射波法常用于测定覆盖层厚度、基岩界面起伏形态和构造破碎带，求取持力层、坚硬土层及基岩界面埋深和界面速度。

2.2 物探方法和特点

2.2.1 物探试验

储罐扩建物探的难点在于场地原为一座小山及浅滩，经开山填海后地面为平地，表层为抛填石及冲填土，且各地抛石厚度不一，地表条件不利于地震波的激发和接收。为了选择有效的工作方法，首先进行方法试验，主要为浅地震折射波法和浅地震横波反射波法试验，试验内容包括方法的有效性、道间距、偏移距、相遇观测系统长度、激发方式等。

2.2.2 物探测线布置

为取得更好的勘察效果，根据试验结果，由西向东共布置了N1至N9九条南北向的测线，由北向南共布置了E1至E10十条东西向的测线，部分测线因为有围墙等障碍，所以采取了分段及平移施工。测线E9、N9经过的部分地方有沙堆、陡坎和大石堆，物探效果不理想，因此在E9、N9测线附近补做了B2和B3两条测线，以控制基岩面的深度。E2测线采用的是浅地震折射波法。

共完成测线29条，其中，浅地震横波反射测线7 682 m，浅地震折射测线460 m。

2.2.3 地震物探工作方法物探工作采用了美国产Nx型浅层地震仪，它具有动态范围大、分辨率高的特点。由于物探场地为危险品厂区，为了确保生产安全，浅地震横波反射波法及浅地震折射波法均采用18磅大锤人工敲击方式作为震源。横波接收选用38 Hz横波检波器，折射波法接收采用28 Hz纵波检波器。

浅地震横波反射法采用施工参数为道间距2 m，排列长度46 m，叠加次数4次，炮间距6 m，偏移距中间激发，采样率0.5 ms，记录长度512 ms。浅地震折射波法采用相遇追逐观测系统，施工参数为:道间距2 m，排列长度46 m，采样率0.25 ms，记录长度256 ms，远炮点偏移距23 m。

浅地震横波反射法的资料数据处理方法:根据各测线地震时间剖面图，在认真进行有效波的相位对比和同相轴追踪的基础上，首先控制标准层位(如基岩面反射）并对其连续追踪，以后对第四系层位进行对比分析、划定。在以上相位分析、层位划定的基础上结合钻孔数据，进行时深换算，最后以1:2000的横向比例尺和1:500的纵向比例尺绘制物探解释剖面图，并采用CAD软件绘制正式图件。

浅地震折射波法的资料数据处理方法:各测线的折射法原始纪录室内回放、拼接和滤波等预处理后经人工逐道读取初至波到时，绘制成原始时距曲线图。经过地形校正和远炮点时距曲线的“平移”处理后，组成每一个排列的相遇时距曲线。根据相遇时距曲线，利用折射波解释中“t0”法反演计算强折射界面(中风化基岩面)的埋深和界面速度。根据反演计算结果，最后以1:2 000的横向比例尺和1:500的纵向比例尺绘制物探解释剖面图，并采用CAD软件绘制正式图件。

2.3 物探成果的分析

通过浅地震折射波法及浅地震横波反射波法两种工程物探方法，结合钻探资料分析，首先查明了测区内各测线覆盖层厚度，基岩面起伏情况，基岩埋深为2～38 m，基岩面标高变化范围为-31～5 m；宏观上测区基岩埋深东南深西北浅，西北部大都为炸山区，表层多为回填的块石及砂土；厚度一般为2～3.5 m。东南部原为浅海的回填区，基岩起伏变化较大，呈北浅南深的特征，覆盖层厚度为3～38 m，标高为-31～4 m，最深处位于E9测线280 m。

其次在物探勘察所布的测线中，浅地震横波反射法共发现基岩异常点15个，编号分别为Y1～Y15。表现特征为信号紊乱、相位不连续和出现绕射现象。部分异常点采用浅地震折射波法进行查证，该部分异常推断为基岩内部及基岩表面局部裂隙较发育、破碎和风化程度不一造成的。

3 结语

综上所述，分析了地震勘探技术的优点和局限性，并结合上海液化天然气储罐扩建的工程物探项目实际应用，为工程物探技术今后的发展提供了理论和实际的依据。