川渝地区可控震源道路激振效果分析

李 琴，蒲 伟，黄志强，席御僖，李 刚，王若豪

（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2.中国石油集团东方地球物理公司勘探有限责任公司西南物探分公司，四川成都 610213）

随着我国油气对外依存度的不断升高[1-2]，国家能源安全面临巨大挑战，因此深度开发我国天然气资源势在必行。要实现在四川盆地建设2个“气大庆”，不断提高我国页岩油气、天然气供给能力，推动碳达峰、碳中和，就必须提高川渝地区油气勘探水平，实现勘探开发提质增效。

炸药震源勘探作业效率低，环境污染大，安全风险高。可控震源是一种非爆炸震源，具有安全、环保、高效等优点，被广泛应用于天然气勘探[3-4]。中国石油天然气集团有限公司首次研制了BV500型可控震源，在我国天然气主要产区——川渝地区的乡村道路实施勘探作业[5-7]，以加快四川盆地天然气资源开发。许多学者对可控震源的激振效果进行了研究。平板是可控震源与大地联系的媒介，平板与大地的耦合情况直接影响着可控震源激发信号的质量[8]。Wei[9-11]等通过研究发现，平板刚度、大地与平板之间的接触刚度、平板质量和平板底面积等都会影响平板与大地的耦合情况。欧倩茹[12]提出了大地粒子在铅垂方向的运动强度和下传能量两项评价指标，用以评价可控震源的激发效果，但该指标只能从激振强度的角度评价可控震源的激振效果，并不能评价激发信号质量。郝磊[13]通过分析得出，平板变形会造成平板与大地之间局部脱耦和平板底部受力不均匀。黄志强等[14-15]构建了振动器平板-大地耦合模型，研究发现，在多频下平板响应差异的原因是平板刚度不足，提高平板刚度可以提升可控震源多频输出信号的品质，而材料非线性和大地表面粗糙度会影响可控震源激发信号。李刚[16]基于弹性半空间理论建立了振动器-大地振动模型，研究了耦合系统参数对耦合振动动力学响应的影响规律。然而，上述研究均未构建可控震源道路激振模型，更未对川渝地区可控震源道路激振效果进行针对性的分析。

川渝地区地势起伏大、地形复杂。可控震源在其乡村道路激振时，常出现激发能量耗散大、激发信号质量不高、激发信号在不同地表差异明显等问题。针对此，作者建立了可控震源道路激振模型，构建了激振效果评价体系，开展了川渝地区BV500型可控震源乡村道路激振效果研究。对比了在相同激振参数下可控震源在碎石土路、沥青道路、水泥道路的激振效果，分析了可控震源在碎石土路和无缺陷水泥道路激振时的能量耗散，以期为川渝地区可控震源乡村道路激振效果的改善提供理论指导。

1 可控震源道路激振效果评价体系的构建

BV500型可控震源水泥道路激振的现场如图1所示。

图1 BV500型可控震源水泥道路激振现场Fig.1 Cement road excitation site of BV500 vibroseis

结合川渝地区乡村道路的特征和可控震源的激振特点，分别从可控震源的激发信号质量和激振强度两方面，能量、运动和力三大类，互作用力失真度、平板与道路的脱耦量、道路与大地的脱耦量、传地能量、地表接触中心点振幅和互作用力振幅六指标，构建“两方面、三大类、六指标”的道路激振效果评价体系，如图1所示，以较为全面地对川渝地区可控震源道路激振效果进行评价。

图2 川渝地区可控震源道路激振效果评价体系Fig.2 Evaluation system of road excitation effect of vibroseis in Sichuan and Chongqing area

1.1 激发信号质量

激发信号质量用互作用力失真度、平板与道路的脱耦量和道路与大地的脱耦量三个指标来表征。

用互作用力失真度来定量反映激发信号的畸变情况。评价准则是：互作用力失真度越小，激振效果越好。

平板与道路的脱耦量、道路与大地的脱耦量分别反映平板与道路、道路与大地的脱耦情况。在勘探时进行多点取值，使其能准确表征可控震源在川渝地区乡村道路激振的特点。评价准则是：平板与道路、道路与大地的脱耦量越小，平板—道路—大地的接触越紧密，耦合情况越好，越有利于减弱冲击振动，减少噪声干扰，提高信号质量，激振效果越好。脱耦量测点的设置如图3所示。

图3 脱耦量测点的设置Fig.3 Setting of decoupling measuring point

1.2 激振强度

激振强度用传地能量、地表接触中心点振幅和互作用力振幅三个指标来表征，可以较为全面地从能量、运动和力的角度评价可控震源在川渝地区乡村道路的激振强度。

传地能量指可控震源激振时重锤输出的能量经平板和道路下传到大地的能量。传地能量越大，表明激振强度越大。

地表接触中心点振幅指大地表面接触中心点（即图3中的A4点）的振幅。地表接触中心点振幅越大，表明激振强度越大。

互作用力振幅指平板与道路的互作用力和道路与大地的互作用力。互作用力振幅越大，表明激振强度越大。

2 可控震源道路激振模型的构建和验证

2.1 模型建立

可控震源振动器存在许多局部结构，如倒角、圆角、螺纹孔等，这些结构对整体的动力学仿真结果基本没影响，因此对以上局部结构进行简化。同时为了尽可能准确地表征川渝地区乡村道路，建立道路尺寸为20 m×3.5 m×0.22 m，大地尺寸为20 m×10 m×10 m。Wei等[17]等通过有限元分析得知，可控震源平板捕获的大地约为一个半径为1.8 m的半球，因此建立的大地有限元模型能够包含被道路捕获的大地。所建立的可控震源道路激振有限元模型如图4所示。

图4 可控震源道路激振有限元模型Fig.4 Finite element model of vibroseis road excitation

为了准确研究可控震源在川渝地区不同乡村道路进行勘探作业时激发信号质量和激振强度的变化情况，分别建立了可控震源在碎石土路、沥青道路和无缺陷水泥道路激振的有限元模型，如图5所示。

图5 可控震源在不同道路激振的有限元模型Fig.5 Finite element model of vibroseis excitation on different roads

通过实地调研并结合川渝地区乡村道路的特点发现，川渝地区乡村道路主要是水泥道路，并且部分水泥道路存在孔洞、裂缝等缺陷。因此，为了研究这些缺陷对激振效果的影响，建立了方形孔洞、圆形孔洞、轴向裂缝、铅垂裂缝四种缺陷水泥道路激振有限元模型，将各缺陷置于平板正下方，如图6所示。水泥道路缺陷的尺寸设置如表1所示。

图6 可控震源缺陷水泥道路有限元模型Fig.6 Finite element model of vibroseis excitation on defective cement roads

表1 水泥道路缺陷的尺寸设置Table 1 Size setting of cement road defects 单位：mm

2.2 材料设置与网格划分

振动器工作时，平板、道路和大地的变形均属于弹性变形，因此将平板、道路和大地的材料设置为弹性材料。平板材料选择为铝合金，道路材料选择为混凝土，大地材料选择为硬质土和砂岩。相关材料的参数如表2所示。

表2 可控震源道路激振模型的材料参数Table 2 Material parameters of vibroseis road excitation model

平板、道路、大地等立方体构件采用六面体网格，平板与道路、道路与大地的接触部分也采用六面体网格，活塞杆、立柱和底座等异形构件采用四面体网格，以在保证计算精度的同时减少计算时间。模型的网格划分如图7所示。

图7 可控震源道路激振模型网格划分Fig.7 Grid division of vibroseis road excitation model

2.3 载荷施加

振动器的载荷分为2类，一类为重锤和可控震源车的静载荷，另一类为液压油的动载荷。仿真时将液压油的输出高压换算为力信号进行加载。载荷加载位置与加载形式如图8所示。图中，用2个空气弹簧平衡重锤重力，用6个空气弹簧将可控震源车整车压重作用于振动器平板，动载荷作用于活塞杆凸台上下两个端面处。液压油输出高压，借助活塞杆凸台的端面推动重锤上下运动，其反作用力使得振动器平板作反向振动，从而使可控震源产生振动信号。在研究不同道路条件下可控震源的激振效果时，选择动载荷激振信号为3～120 Hz的扫频信号，互作用力信号的峰值为1.54×105N，时间长度为16 s。

图8 可控震源道路激振模型载荷加载位置与加载形式Fig.8 Loading position and loading form of vibroseis road excitation model

2.4 边界条件设置

振动器振动时，大地的位移量很小，因此在大地的底面和4个侧面施加完全固定约束。同时，对大地底面和4个侧面施加无反射边界条件，即当应力波传播到大地底面和4个侧面时，应力波将被完全吸收而不会反射回去以致影响仿真结果。施加无反射边界条件能够较为准确地模拟无穷大的大地。

2.5 模型验证

为了验证仿真模型的准确性，利用波速理论计算波速，并与实测值[18]和仿真值进行对比。通过纵波波速公式计算得出的理论波速为2 724.53 m/s。仿真模型中A5和A6点在铅垂方向的位移曲线如图9所示。应力波在铅垂方向传播1 m对应的响应时间为0.34×10-3s，因此可得到波速的仿真值为2944.10m/s，与理论值的相对误差为7.46%。波速实测值为3 036.58 m/s，仿真值与实测值的相对误差为3.14%。可见，波速仿真值与理论值和实测值的契合度都较高。

图9 A5、A6点在铅垂方向的位移曲线Fig.9 Displacement curves ofA5andA6points in the vertical direction

为了避免单一计算组的偶然性，模拟大地随着深度而变化的不同的地层构成，仿真计算不同大地弹性模量下的纵波波速，并与计算值进行对比，如图10所示。由图可知，波速的仿真值与理论值基本一致，最大相对误差为7.458%，说明了仿真模型的准确性较高。

图10 不同大地弹性模量下纵波波速仿真值与计算值的对比Fig.10 Comparison between simulated and calculated values of longitudinal wave velocity under different earth elastic modulus

进一步地，提取川渝地区可控震源道路激振时实际互作用力，并与仿真值进行对比，如图11所示。由图可知，实测值与仿真值比较吻合，进一步说明了仿真模型的准确度较高。

图11 可控震源道路激振时互作用力仿真值与实测值的对比Fig.11 Comparison between simulated and measured values of interaction force when vibroseis vibrated

3 可控震源道路激振效果评价

3.1 脱耦量分析

3.1.1 平板与道路的脱耦量

通过考察平板与道路接触中心处的脱耦量来分析平板与道路的耦合情况。可控震源在碎石土路激振时平板与大地的脱耦量较大，为8.732 mm；在无缺陷水泥道路激振时脱耦量较小，为1.354 mm。碎石土路主要由硬质土构成，其弹性模量比水泥混凝土小，因此在相同的力激振下，位移更大。

可控震源在缺陷水泥道路激振时平板与道路的脱耦量如图12所示。由图可知：可控震源在缺陷水泥道路激振时耦合情况较差，脱耦量为1.224～1.638 mm；在圆形孔洞缺陷水泥道路激振时平板与道路的耦合情况最差。可见缺陷的存在会在一定程度上影响平板与道路的耦合紧密性。

图12 可控震源在缺陷水泥道路激振时平板与道路的脱耦量Fig.12 Decoupling amount between plate and road when vibroseis vibrated on defective cement roads

3.1.2 道路与大地的脱耦量

可控震源在无缺陷水泥道路激振时道路与大地的耦合情况较好，脱耦量为0.548 mm。在缺陷水泥道路激振时道路与大地的脱耦量如图13所示。由图可知：在缺陷水泥道路激振时耦合情况较差，脱耦量为0.366～1.105 mm；在圆形孔洞缺陷水泥道路激振时道路与大地的耦合情况最差。可见可控震源在乡村道路激振时，平板与道路的脱耦量大于道路与大地的脱耦量，水泥道路缺陷的存在会在一定程度上影响道路与大地的耦合紧密性，其中圆形孔洞道路缺陷的影响尤为突出。

图13 可控震源在缺陷水泥道路激振时道路与大地的脱耦量Fig.13 Decoupling amount between road and earth when vibroseis vibrated on defective cement roads

3.2 激振强度分析

可控震源在乡村道路激振时的激振强度如表3所示。从传地能量、地表接触中心点振幅和互作用力振幅来看，可控震源在无缺陷水泥道路激振时最小，分别为在碎石土路激振的51.69%、22.56%和81.82%。可控震源在川渝地区碎石土路激振时的激振强度最大，其次是在沥青道路，在无缺陷水泥道路激振时的激振强度最小，因此在无缺陷水泥道路激振不利于深层勘探。

表3 可控震源在乡村道路激振时的激振强度Table 3 Excitation intensity when vibroseis vibrated on rural roads

可控震源在缺陷水泥道路激振时的激振强度如表4所示。由表可知：相比无缺陷水泥道路，可控震源在缺陷水泥道路激振时的激振强度较小；从传地能量、地表接触中心点振幅和互作用力振幅来看，可控震源在圆形孔洞缺陷水泥道路激振分别为在无缺陷水泥道路激振的45.06%、94.43%和78.84%，传地能量的削减程度最大，可见水泥道路缺陷的存在对激振强度的影响较大。

表4 可控震源在缺陷水泥道路激振时的激振强度Table 4 Excitation intensity when vibroseis vibrated on defective cement roads

3.3 信号畸变分析

可控震源在乡村道路激振时互作用力失真度如图14所示。由图可知：在碎石土路激振时互作用力失真度较小，其次是在沥青道路，在无缺陷水泥道路最大，为26.79%。因此，可控震源在无缺陷水泥道路激振时可能会造成激发信号质量不高，畸变大。现场作业的要求是可控震源输出力误差在40%以内，因此BV500型可控震源在川渝地区乡村道路上激振时可以满足要求。

图14 可控震源在乡村道路激振时的互作用力失真度Fig.14 Distortion of interaction force when vibroseis vibrated on rural roads

可控震源在缺陷水泥道路激振时的互作用力失真度如图15所示。由图可知：可控震源在缺陷水泥道路激振时的互作用力失真度都较大，其中在轴向裂缝缺陷水泥道路激振时失真度最大，为45.67%。可见水泥道路缺陷的存在对可控震源激发信号质量的影响较大。

图15 可控震源在缺陷水泥道路激振时的互作用力失真度Fig.15 Distortion of interaction force when vibroseis vibrated on defective cement roads

3.4 激振效果总体分析

相比碎石土路，可控震源在水泥道路激振时脱耦量、激振强度较小，激发信号畸变较大；在圆形孔洞缺陷水泥道路上激振时平板与道路的脱耦情况最差，传地能量和互作用力振幅最小，激发信号畸变较大；在轴向裂缝缺陷水泥道路上激振时地表接触中心点振幅最小，激发信号畸变最大。

综合来看：可控震源在碎石土路的激振效果较好，其次是在沥青道路、水泥道路，在缺陷水泥道路激振效果最差。可见水泥道路缺陷的存在对可控震源激振效果有较大影响，可控震源在进行勘探作业时应尽可能避开道路缺陷。

4 可控震源道路激振能量耗散分析

针对川渝地区可控震源道路激振存在的激发信号畸变较大、激振强度较小的问题，须进行原因分析并予以解决。川渝地区乡村道路主要是水泥道路和碎石土路，因此分析可控震源在水泥道路和碎石土路激振时的能量耗散情况，从而找出能量耗散最严重的部件，着重对其进行改进。

能量耗散分为结构能量耗散和接触阻尼能量耗散两类，如图16所示。

图16 可控震源道路激振能量耗散分类Fig.16 Classification of road excitation energy dissipation of vibroseis

4.1 结构能量耗散分析

借助建筑基础振动的计算公式，得到阻尼系数c的计算公式为[19]：

式中：r0为平板等效半径；G为平板剪切模量；ρ为平板密度；ac为校正系数，与圆频率ω和泊松比μ有关，ac接近于0.85。

结构能量耗散主要由振动系统的黏性阻尼导致。系统的结构耗散能量Esd为[20]：

式中：̇为系统质点相对于地面的速度。

通过式(1)和式(2)可以计算出1个周期内各部件的结构耗散能量。

4.2 接触阻尼能量耗散分析

振动时存在平板与道路、道路与大地的接触阻尼。提取1个激振周期内各接触面的互作用力-法向位移曲线，由曲线围成的封闭区域的面积即为接触面的接触阻尼所耗散的能量[21]。可控震源在无缺陷水泥道路和碎石土路激振时各接触面的互作用力-法向位移曲线如图17所示。

4.3 能量耗散总体分析

通过结构能量耗散和接触阻尼能量耗散的分析，可以算得1个激振周期内不同耗散位置的耗散能量，如表5所示。

表5 1个激振周期内不同耗散位置的耗散能量Table 5 Dissipated energy at different dissipation positions in one excitation period

可见，平板的结构耗散能量较大，约占系统总耗散能量的90%。平板阻尼系数与平板弹性模量、平板质量、平板面积相关，因此可以通过改变平板弹性模量、平板质量和平板面积来减少平板结构能量耗散。可控震源在川渝地区无缺陷水泥道路激振时，下传到大地的能量减少，是水泥道路的结构能量耗散和平板与水泥道路、水泥道路与大地的接触阻尼能量耗散所致。

4.4 提升可控震源道路激振效果的措施

提升可控震源道路激振效果的措施是在振动器平板下方固连一层10 mm厚的橡胶垫，如图18所示，以改善水泥道路与大地的接触情况，减少接触阻尼能量耗散。施加橡胶垫前后可控震源在无缺陷水泥道路激振时的激振强度和互作用力失真度分别如表6和图19所示。

图18 振动器平板下方固连10 mm厚的橡胶垫Fig.18 10 mm thick rubber pad fixed under the vibrator plate

表6 施加橡胶垫前后可控震源在无缺陷水泥道路激振时的激振强度Table 6 Excitation intensity when vibroseis vibrated on non-defective cement road before and after applying rubber pad

图19 施加橡胶垫前后可控震源在无缺陷水泥道路激振时的互作用力失真度Fig.19 Distortion of interaction force when vibroseis vibrated on non-defective cement road before and after applying rubber pad

施加橡胶垫后，平板与无缺陷水泥道路的脱耦量由1.656 mm减小到1.141 mm，减小了31.10%；传地能量减弱1.65%，地表接触中心点振幅下降了1.19%，互作用力振幅下降了4.76%；互作用力失真度减小了20.57%。可见激发信号质量变好，可控震源道路激振效果得到提升。

5 结 论

1）结合川渝地区乡村道路的特征和可控震源的激振特点，构建了可控震源道路激振效果评价体系，可以较为全面地对川渝地区可控震源道路激振效果进行评价。

2）开展了可控震源乡村道路激振效果评价分析。相比碎石土路，可控震源在无缺陷水泥道路激振时传地能量减弱48.31%，地表接触中心点振幅下降77.44%，互作用力振幅下降18.18%，信号畸变增大34.69%，激振效果较差；平板与无缺陷水泥道路的耦合效果较好，现役BV500型可控震源适合于在川渝地区无缺陷水泥道路上进行勘探作业。

3）构建了可控震源缺陷水泥道路激振模型，开展了可控震源在缺陷水泥道路和无缺陷水泥道路激振效果的对比。结果表明，道路缺陷严重削弱了可控震源地震波的激发，其中圆形孔洞道路缺陷的影响尤为突出，传地能量减弱54.94%，地表接触中心点振幅下降5.57%，互作用力振幅下降21.16%，信号畸变增大36.17%。可控震源进行勘探作业时，应尽可能避开道路缺陷。

4）可控震源在川渝地区乡村水泥道路激振时存在能量耗散，这主要由水泥道路的结构能量耗散和平板与水泥道路、水泥道路与大地的接触阻尼能量耗散所致。通过在振动器平板下方固连一层10 mm厚的橡胶垫，可以改善水泥道路与大地的接触情况，减小接触阻尼能量耗散，提升可控震源道路激振效果。