可控冲击波震源在地震勘探中的试验

汶小岗，韩志雄，韩军锋，李 亮

（1.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005；2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021）

0 引 言

地震勘探是利用人工震源激发地震波，通过地震勘探数据采集系统接收和记录地震波，经过室内分析和研究地震波，从而调查地下地层的构造和岩性等地质特征。地震勘探技术是寻找煤炭、油气和其他矿藏资源的有效的勘探方法之一。人工震源分为炸药震源和非炸药震源，而非炸药震源比较常用的有可控震源、重锤、气锤、气枪震源、电火花震源等，炸药震源目前仍是地震勘探的主要震源，但其破坏性大，办理审批手续复杂，施工风险高。尤其是近年来，国家对安全生产和环境保护的新要求越来越严格，炸药震源的管控和使用限制条件越来越多，在安全生产形势严峻，火工品使用受限，其他现有的其他类型震源又无法满足施工要求的区域，很大程度上限制了地震勘探方法的应用。可控冲击波技术是西安交通大学张永民教授团队以脉冲功率技术为基础研发的新技术，其具备幅值和冲量可控、作业区域不受限制、可重复使用等特点，目前研发了一系列可产生不同能量冲击波的可控冲击波设备。可控冲击波理论研究技术与现有电火花震源均是以脉冲功率技术为基础，理论上可作为震源应用到地震勘探施工中。本文结合现有地震勘探震源系统理论知识，对可控冲击波设备改进后进行实际地震波激发试验，验证可控冲击波技术应用于地震勘探领域的可行性。

1 可控冲击波技术

1.1 可控冲击波技术的发展

可控冲击波技术的基础是脉冲功率技术，该技术是将能量以慢的方式储存，借助各种开关的快速切换实现脉冲压缩、功率放大、用很高的强度以单个脉冲或受控的重复脉冲形式，以尽可能短的时间将能量瞬间释放给负载。负载以各种物理原理将高功率电磁能量转换为所需要的能量形式，在有限的空间和有限的时间内形成各种极端条件下的物理环境，以达到一般功率条件下达不到的目的。可控冲击波技术经历了三代的发展，如图1所示。

图1 可控冲击波技术发展历程Fig.1 Development history of controllable shock wave technology

第一代是跟踪发展阶段，主要是高电压击穿换能器；第二代是同步研究阶段，主要是电爆炸丝换能器；第三代是独创引领阶段，主要是聚能棒换能器。第一代与第二代属于电脉冲技术，通过液电反应将设备储存的电能转换为机械能冲击波，第一代因其受电能储能密度低的影响，能量转化效率低；第二代可通过改造优化金属丝的参数（直径、长度、数量）来控制、调节和提高能量转换效率；第三代是在电脉冲技术上附加了化学能，即在金属丝周围包裹含能材料，形成聚能棒，液电反应使得金属丝爆炸，进而驱动含能材料释放能量。通过优化聚能棒的参数可大幅度提高冲击波的冲击脉宽与冲击峰值。

1.2 可控冲击波产生的原理

本文试验所使用的可控冲击波产生装置储能为100 kJ的脉冲功率源，其直流工作电压10～30 kV，放电回路短路电流峰值可达180 kA，在连接结构上，主要由恒流高压电源及气路控制系统(V1)、储能电容器(C1)、大通流放电开关(U1)、高压同轴电缆及电缆附件(T1)、换能器以及车载固定箱体等单元组成，如图2所示。

图2 可控冲击波产生装置总体结构Fig.2 Overall structure of controllable shock wave generating device

可控冲击波产生装置的基本原理是，利用大通流放电开关将储能电容器储存的高电压脉冲电能量快速加载到换能器负载上，在水下产生脉冲强冲击波，简化电路如图3所示。恒流高压电源及气路控制系统将工频电源先整流，再逆变成中频输出，通过传输电缆将中频电流提供给高压直流电源供电，高压直流电源升压整流后为储能电容器充电。当充电到能量控制器的控制阈值时，能量控制器接通储能电容器与能量转换器，将电能传送给能量转换器，能量转换器转换电能为冲击波能量。在能量转换器中，放电电流迅速加热、汽化、电离金属丝在水中电爆炸产生冲击波。

图3 冲击波产生装置简化电路图Fig.3 Simplified circuit diagram of shock wave generating device

1.3 一体化换能器

换能器是将输入的电功率转换成机械功率（即声波）的负载装置，该负载装置能满足金属丝和聚能棒现场安装需求。电源一端连接于筒体，另一端连接于高压中心通杆的上端，然后电流流至负载上连接端和负载下连接端之间的金属丝产生冲击波，冲击波通过换能器窗口侧壁的开口作用于目标，该负载装置使用时安全性高、可靠性高，能够抵抗冲击波带来的震动。

结合地震勘探的施工特点，对原有换能器进行了改进，引入了一体化短端头换能器，换能器金属筒体直径设计为52 mm，能更好下到激发孔内，如图4所示。金属丝的长度约为10 cm，直径为1～2 mm，材质可根据实际应用选取铜丝、铝丝或者钽丝等。

图4 一体化短端头换能器及原理Fig.4 Integrated short end transducer and its principle

2 可控冲击波技术在地震勘探的适用性

2.1 电火花震源与可控冲击波震源的对比分析

在地勘探领域经过半个多世纪发展的电火花震源技术的基本电路原理依然是电容放电，主要结构由脉冲电源和放电电极两部分构成。随着高频开关电源、高压储能电容器和大功率半导体元器件技术的进步，脉冲源的储能密度和能量效率方面得到提高，半导体放电开关（如可控硅开关）的应用使得脉冲电源的输出稳定性和工作寿命得到了很大提升。

放电电极作为放电回路里的负载和电—声能量转换的换能器，主要采用2种技术方案，双极性电极对和单极性电极，简化的结构如图5所示。双极性电极对一般用于产生脉冲电弧放电，单脉冲放电能量可以达到数百千焦，特点是电—声能量转化效率高，但也存在电极烧蚀严重等缺陷。

图5 电火花震源的放电电极结构Fig.5 The discharge electrode structure of spark source

可控冲击波技术与电火花震源技术均是以脉冲功率技术为基础，利用水中脉冲放电产生冲击波效应。可控冲击波技术放电形式主要是采用金属丝电爆炸和聚能棒换能器，优势在于放电可靠性高、绝缘要求低和能量转换效率高。

2.2 联机同步测试

根据可控冲击波产生装置的结构、发电和能量传输特点，结合现有地震勘探触发同步方式，选择最有效的有线同步的方式实现可控冲击波产生装置与地震数据采集系统的同步。实现方式是在高压传输电缆上加一个罗氏线圈，在放电的瞬间产生一个感应脉冲电流，经过衰减调制后使电压小于+5 V，电流2～50 mA，持续时间大于20μs，满足联机的428XL地震勘探仪器的触发条件，通过100 m的同轴电缆连接到428XL地震勘探仪器的TB针脚。经过多次同步联机触发测试，均能完美触发仪器，且100 m的同轴电缆电脉冲传输延迟为微秒级，满足行业规定±1 ms的同步精度。

3 试验情况分析

3.1 激发试验情况

此次试验选择在地表为黄土层覆盖场地，选用洛阳铲成孔，在5 m深度时土质变为红胶泥，因红胶泥含水洛阳铲成孔困难，最终孔深为5.5 m，孔径为70 cm。可控冲击波产生装置初始能量选取了70 kJ和100 kJ两个档位进行试验，金属丝选取长度10 cm、直径1.6 mm的铝丝，同时还选取了大、中、小3种聚能棒进行激发试验。试验排列铺设64道，道距5 m，排列315 m，单边激发。接收仪器选择通过同步测试的428XL数字地震仪，采样率1 ms，记录长度2 s，前放增益12 dB，5个60 Hz检波器串联，全频带接收。

3.2 能量对比分析

试验选用偏移距10 m，初始能量分别采用70 kJ（记录号109）和100 kJ（记录号113），井深5.5 m的相同参数的单炮记录，如图6所示。从单炮记录可以看出，初至最远处113的压制效果明显好于109，700 ms以深113的记录比109的效果要好。

图6 同井深能量对比Fig.6 Energy comparison at the same well depth

偏移距增加到120 m，初始能量70 kJ（记录号118）和100 kJ（记录号119），井深5.5 m的相同参数的单炮记录，如图7所示。从图7可以看出，119记录优于118，但是效果不明显。

图7 1 20 m偏移距同井深能量对比Fig.7 Energy comparison of 120 m offset distance at the same well depth

3.3 干湿孔对比

图8中112为5.5 m、100 kJ孔中无水，113为5.5 m、100 kJ孔中注水。从图中可以明显看出，干孔的能量远远小于注水孔，也进一步证明可控冲击波震源对水的依赖性。

图8 干湿孔激发分析对比Fig.8 The excitation analysis comparison of dry and wet hole

3.4 井深对比分析

在100 kJ初始能量下，分别进行了5.5 m井深（113）和1 m井深（114）的激发对比试验，如图9所示。从图中可以看出深井的激发效果明显。

图9 不同井深激发分析对比Fig.9 The excitation analysis comparison of different well depths

3.5 聚能棒试验分析

使用聚能棒进行能量对比试验，如图10所示，115、116、117分别为使用大、中、小聚能棒进行激发试验。从图10中明显可以看出，聚能棒的能量要比金属丝（109、110、113、114）要大很多，115的大号聚能棒的能量已经达到了113的100 kJ金属丝激发的2倍。

图1 0聚能棒与金属丝激发对比分析Fig.10 The excitation comparison analysis of energy gathering stick and metal wire

3.6 数据叠加分析

图11是对不同初始能量的数据叠加后的能量、频率和信噪比对比情况，图中201（109、110）、202（109、113）、203（109、110、113）为叠加后的数据。从图中的能量属性可以看出，叠加后的数据能量明显大于原始能量，叠加后的能量比大号聚能棒的能量还要强，幅频曲线频率一致性也比较好，信噪比也有所提高。

图1 1 数据叠加前后对比分析Fig.11 The comparison analysis before and after data stacking

4 结 语

通过对可控冲击波技术的理论分析和电火花震源对比分析，结合实际实验验证了可控冲击波技术在地震勘探应用的可行性。现阶段的可控冲击波产生装置，设备集成度较好，防护性能高，与地震仪器联机运行正常稳定；一体化短端头换能器和聚能棒的引入较为成功，试验中聚能棒的能量较金属丝的能量提升了1倍，提升效果明显；100 kJ能量的金属丝电爆炸激发的地震波最大传播距离超过430 m，现阶段的冲击波装置已经可以应用到地震勘探中，解决浅层地质问题了。但在试验过程也发现该技术存在装置体积较大，紧凑性不够，重心偏移，换能器的材料强度、耐久度不够易损坏等问题，后续研究过程中需要对设备的储能结构、稳定性、能量转换效率等问题进行进一步改进。