劉海平 劉慧敏 王海濤

(①山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院地質(zhì)與地球物理研究所，山西晉中030600；②山西金地源地質(zhì)科技有限公司，山西晉中030600；③大秦鐵路股份有限公司侯馬電務(wù)段，山西侯馬043000)

0 引言

在厚黃土層地表區(qū)地震勘探中，由于黃土疏松干燥，近地表對地震波高頻成份的吸收衰減作用強(qiáng)烈，地球物理條件復(fù)雜[1-3]，面臨著資料信噪比低、施工成本高等困難，地震資料品質(zhì)難以滿足現(xiàn)今勘探目標(biāo)深且更復(fù)雜(復(fù)雜斷裂帶、巖性圈閉等)的需求。經(jīng)過多年的探索與實踐，人們總結(jié)出一種多級延遲疊加震源技術(shù)。胡立新等[4]從理論基礎(chǔ)上探討了延遲疊加震源方法。李文彬等[5]針對高分辨率地震勘探中的垂向疊加震源，通過調(diào)整打擊的尺寸控制延遲時間，利用傳爆藥盒實現(xiàn)藥柱之間的傳爆。徐淑合等[6]提出的電子延遲法大幅度促進(jìn)了多級震源延遲疊加技術(shù)的發(fā)展。于世煥等[7]在三維高分辨率地震勘探中，采用導(dǎo)爆管和導(dǎo)爆雷管實現(xiàn)炸藥包延遲引爆。譚紹泉等[8]利用延遲起爆具構(gòu)成三級延遲炸藥震源。黃文堯等[9]設(shè)計一種裝藥密度低、爆速低、直徑小的細(xì)長藥柱，增強(qiáng)地震波下傳能量。

雖然目前對多級震源延遲疊加技術(shù)進(jìn)行了諸多理論探討及應(yīng)用實踐，并且該技術(shù)具有地震有效波能量強(qiáng)、頻率高、面波弱的優(yōu)點，但因大多采用導(dǎo)爆管和導(dǎo)爆雷管的方法實現(xiàn)延時，存在延時精度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、效率低的問題，故該技術(shù)未能在實際地震勘探中被推廣應(yīng)用[10]。如用三發(fā)電子雷管雖可達(dá)到三級震源延遲同相疊加的效果，但其高昂成本讓人難以承受。

延遲疊加激發(fā)的理論基礎(chǔ)是波動力學(xué)。在延遲爆炸的情況下，單個爆炸單元產(chǎn)生的地震波前面在垂直向下的方向得到同相疊加，其能量達(dá)到最大；其他方向上各波前面之間由于存在時差而使能量有所減弱。在炸藥間距不大且接收排列相當(dāng)于目的層埋深時，整個排列范圍內(nèi)，震源時差的影響較小。

目前，除電子雷管外，利用電子延遲技術(shù)控制瞬發(fā)雷管引爆，實現(xiàn)多級震源延遲同相疊加的方法尚未見諸報道。本文試圖給出一種新思路，發(fā)揮電子延遲技術(shù)具有延遲時間設(shè)置靈活且控制精準(zhǔn)的優(yōu)勢，實現(xiàn)多級震源的延遲同相疊加。

1 多級震源的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多級震源的電控系統(tǒng)主要由BOOMBOX 遙爆機(jī)、高壓編碼器和延遲器三部分電路構(gòu)成(圖1)。位于地表的高壓編碼器一方面接收BOOMBOX 遙爆機(jī)發(fā)出的引爆信號，另一方面向位于炮井下的延遲器發(fā)送充電、引爆、棄炮等命令[11-12]。延遲器用來設(shè)置三節(jié)藥柱的引爆時間，它接收到引爆命令后，控制三節(jié)藥柱從上到下依次按時引爆，藥柱之間用PVC 管支撐，即使供電線路被藥柱1 炸斷，延遲器仍有足夠能量維持單片機(jī)正常工作，直到藥柱2、藥柱3正常引爆，從而實現(xiàn)地震波的垂向同相疊加。

延遲器使用PVC 管和環(huán)氧樹脂密封，避免了炮井中的水汽造成內(nèi)部電路短路。其外殼的螺旋接口與藥柱的接口相匹配，方便炮井下藥。藥柱之間的PVC 支撐管的長度原則上不能小于已知的最小藥距，大于藥柱爆炸的殉爆安全距離，不能產(chǎn)生“粘連”效應(yīng)。延遲時間(ΔT)由藥柱間距(ΔH)和間隔地層的速度(v)決定，即ΔT=ΔH/v[13]。

圖1 三級延遲震源的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 多級震源的電控系統(tǒng)原理

2.1 高壓編碼器的硬件電路設(shè)計

高壓編碼器接收BOOMBOX 遙爆機(jī)發(fā)出的振幅為400V、脈沖寬度為4ms的矩形脈沖作為引爆信號。高壓信號具有抗干擾能力強(qiáng)、能量傳輸效率高的優(yōu)點，故高壓編碼器采用由直流逆變電路產(chǎn)生的310V 和210V 直流電分別作為充電信號和棄炮信號。系統(tǒng)采用12V 鉛蓄電池經(jīng)逆變器產(chǎn)生220V正弦交流電，再經(jīng)整流、濾波，轉(zhuǎn)化為紋波系數(shù)較低的310V 直流電，具體電路原理如圖2 所示。當(dāng)開關(guān)SW 撥至電容C1正極時，給延遲器的電容充電并等待接收引爆信號。此時，電氣特性相同的三個濾波電容C1、C2、C3串聯(lián)電壓達(dá)到310V，將并聯(lián)在R4兩端的氖泡點亮。當(dāng)開關(guān)SW 撥至電阻R1時，經(jīng)R1和R2分壓，R2兩端電壓達(dá)到210V，通過二極管D5 給電容C2、C3充電，阻止電容C2、C3的電能通過電阻R2釋放，系統(tǒng)輸出210V 電壓作為棄炮信號。三路高壓信號通過或門電路調(diào)幅調(diào)制，將電源線與信號線復(fù)合為一路信號，僅使用兩根電線即可控制炮井底部的延遲器，方便現(xiàn)場施工。

圖2 高壓編碼器電路原理圖

2.2 延遲器的硬件電路設(shè)計及編程思想

延遲器由譯碼電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路三部分組成。

2.2.1 譯碼電路

譯碼電路采用二位的8421BCD 編碼原理，將高壓編碼電路發(fā)出的一路復(fù)合模擬信號轉(zhuǎn)化為二位的TTL 數(shù)字信號輸入單片機(jī)。01B、00B、11B 分別表示充電、引爆、棄炮3種信號。圖3所示電路中，每級電路單元由三個電阻和一個三極管組成。

以第一單元電路為例進(jìn)行分析。當(dāng)R2兩端電壓低于三極管Q1 基—集導(dǎo)通電壓，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，PB0輸出高電平；當(dāng)R2兩端電壓高于基—集導(dǎo)通電壓，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，PB0 輸出低電平，從而實現(xiàn)弱電電路對外界高壓信號的轉(zhuǎn)化識別功能。其中，三極管選用PN 結(jié)導(dǎo)通電壓接近0.7V的硅管，電阻R2和R5選用1‰精度的高品質(zhì)電阻。

圖3 譯碼電路原理圖

具體工作原理如下：當(dāng)輸入210V 棄炮信號時，Q1 和Q2 都處于截止區(qū)，PB0 和PB3 輸出高電平；當(dāng)輸入310V 充電信號時，Q1 處于飽和區(qū)，PB0 輸出低電平，Q2 處于截止區(qū)，PB1 輸出高電平；當(dāng)輸入400V 引爆信號時，Q1 和Q2 都處于飽和區(qū)，PB0和PB3輸出低電平。

2.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)和延遲程序設(shè)計

單片機(jī)采用ATMEL 公司推出的一款高性能、小體積、低功耗處理器ATmega8a，供電電路采用220V 轉(zhuǎn)5V 的電源模塊，紋波電壓低于40mV，避免了延遲器帶電與雷管混裝不安全的問題。用容量1000μF、耐壓25V 電容給電源模塊供電，該電容充滿電后，可維持單片機(jī)系統(tǒng)正常工作約400ms。因此，即使上炮炸斷延遲器與高壓編碼器之間的連接線，單片機(jī)系統(tǒng)仍能正?？刂浦信诤拖屡诘钠鸨?/p>

延遲器的程序設(shè)計主要包括電磁干擾屏蔽、高壓電容充電、軟件濾波以及延遲時間設(shè)置四個部分。電路系統(tǒng)在工作初期，高壓信號、儲能電容都會在空間中激發(fā)電磁波，影響單片機(jī)的正常工作。故在開機(jī)后一段時間內(nèi)，單片機(jī)不接受任何輸入信號，直到電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外電子延遲電路在識別引爆信號的過程中，加入軟件濾波程序，最大限度地降低因外界干擾而造成的誤起爆風(fēng)險。

單片機(jī)通過識別不同的輸入信號，發(fā)出充電、延時引爆、棄炮命令。其上、中、下三發(fā)雷管的引爆時間可根據(jù)炮井中間隔地層的速度和三級藥柱間距靈活設(shè)置。如兩級藥柱首尾間距為1.7m 時，據(jù)激發(fā)層附近速度，一般選3ms。具體指令流程見圖4。

2.2.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路(圖5)的功能是引爆雷管，由儲能、引爆和棄炮三個單元組成。儲能電路單元將電能儲存于高壓電容中，為雷管起爆提供能量。引爆電路單元將與三個高壓電容對應(yīng)連接的三發(fā)瞬發(fā)雷管從上到下依次引爆，引爆時間間隔最小值設(shè)置為1ms。

圖4 程序流程圖

圖5 驅(qū)動電路原理圖

儲能電路單元受單片機(jī)PD3引腳控制，由三個二極管D1、D3、D5和三個高壓電解電容C1、C2、C3組成，可存儲高壓編碼充電器發(fā)出的能量，以引爆上炮、中炮、下炮的瞬發(fā)雷管。當(dāng)充電開關(guān)SW 閉合，310V 直流電通過二極管和電阻給儲能電容充電，電阻R1能有效抑制浪涌電流，減少對單片機(jī)電路的干擾。

引爆電路單元受單片機(jī)PD0、PD1、PD2引腳控制，由單向可控硅SCR1、SCR2、SCR3 和高壓電容C1、C2、C3組成。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出放炮命令，PD0、PD1、PD2輸出高電平觸發(fā)三個可控硅依次導(dǎo)通，從而實現(xiàn)雷管的延時引爆。

高壓電解電容C1、C2、C3作為瞬發(fā)雷管起爆能量的直接來源，決定瞬發(fā)雷管能否快速起爆。據(jù)理論分析，電容對雷管放電可等效為RC 放電電路。

根據(jù)RC 放電電路分析得

(1)

式中：UC(t)為電容兩端電壓；U為電源電壓；t為電容放電時間；R為負(fù)載電阻；C為電容容量。

(2)

式中I(t)為RC 放電回路電流。定義IRMS并可得

(3)

式中IRMS為RC 放電回路中的有效電流。

當(dāng)遇到不允許引爆的特殊情況時，棄炮電路單元將高壓電容中的電能通過耗能電阻釋放，達(dá)到小于雷管的最低起爆能量，就能安全地打撈出雷管和藥柱，消除安全隱患。受單片機(jī)PD4 引腳控制，該單元由三個二極管(D2、D4、D6)、三個高壓電解電容(C1、C2、C3)、耗能電阻R2及單向可控硅SCR4組成。

3 延遲器批量測試

依托山西省M 煤層氣勘查項目，進(jìn)行現(xiàn)場對比測試，試驗線段和試驗點位于離石大斷裂帶南側(cè)(圖6，L1、L2 線)。該區(qū)地表高程為880～2012m，最大高差為1132m，通常高差為200m。淺層為第四系黃土層，厚度約120m，下部為夾有鈣質(zhì)結(jié)核的黏土層，覆蓋在厚約45～100m 的新近系紅黏土層之上。深層為：中生界三疊系砂泥巖，厚度約1134m；二疊系厚度約734m，上部巨厚K14砂巖，與泥巖形成TK14波，下部為砂泥巖和煤層；石炭系由砂泥巖、煤層及灰?guī)r組成，厚約115m。上煤層組山西組2號、3號煤層厚度分別為1.57m 和1.04m，間距約為6m，與圍巖形成明顯的波阻抗差異，共同形成復(fù)合波T2波。下煤層組太原組10 號和11 號煤層厚度分別約為2.86m 和0.80m，形成T10復(fù)合波。兩組煤層間距約80m，煤層埋深約2000m，且薄煤層淺、厚煤層深?？芍搮^(qū)地震地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。

圖6 試驗點和試驗線平面分布示意圖

3.1 試驗點分析比較

本項試驗共設(shè)置了25 個物理點，采集道距為20m、采樣間隔為1ms、記錄長度為5s，觀測系統(tǒng)和激發(fā)條件參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 觀測系統(tǒng)參數(shù)

表2 激發(fā)條件參數(shù)

試驗點1(圖7a)的炮點位于黃土塬的坎邊，地形起伏劇烈，低速層速度約650m/s，厚度約40m，下部夾有兩層黏土。試驗點2(圖7b)位于黃土塬平坦區(qū)，低速層Ⅰ厚約27m，速度約650m/s，其下為1m厚的濕黏土層，是良好的激發(fā)層；再下為低速層Ⅱ或稱降速層，厚約14m，速度約750m/s。試驗點3(圖7c)位于黃土塬下邊坡，低速層Ⅰ 厚約24m，速度為800m/s，底部厚約1m 致密黏土為激發(fā)層。

據(jù)該區(qū)12口微測井資料可知，間隔地層速度約1100m/s。以0.5～6.0kg炸藥在黏土中爆炸，采用打井法測試出強(qiáng)壓塑圈半徑小于1m。因此，當(dāng)藥柱間的PVC支撐管選1.7m 時，藥柱中心距離為2.2～2.7m，可算出藥柱間引爆時間間隔宜設(shè)為3ms。

試驗點1處于低速帶特厚區(qū)。在井深31m 和藥量8kg相同條件下，進(jìn)行延遲疊加炮與常規(guī)炮的對比試驗。延遲疊加炮記錄如圖8a 所示，在1400ms處，僅小號部分道可觀測到有效波。常規(guī)炮記錄如圖8b所示，在約1400ms看不見明顯的有效波?？傊?，從靜校正記錄面貌上分析，當(dāng)激發(fā)層深度不夠時，延遲疊加炮的有效波比常規(guī)炮明顯。

圖7 試驗點地形示意圖(a)試驗點1； (b)試驗點2； (c)試驗點3

圖8 試驗點1(井深31m、藥量8kg)地震單炮原始記錄及品質(zhì)分析(a)延遲疊加炮； (b)常規(guī)炮； (c)有效波能量分析； (d)頻譜分析

振幅反映了地震反射能量，反射能量越大，振幅值也較大[14-15]。從圖8c可見，常規(guī)炮的能量值為700，延遲炮的能量值則達(dá)900。圖8d 表明，在20Hz低頻范圍，延遲疊加炮的能量相對值為93%，常規(guī)炮的能量相對值為48%。在40Hz高頻范圍，延遲疊加炮的能量相對值為65%，常規(guī)炮的能量相對值為40%。

總之，在高頻范圍的延遲疊加炮有效波能量比常規(guī)炮約提高2.2倍，頻帶拓寬30Hz以上。

試驗點2位于中等厚度低速帶區(qū)。在井深30m和藥量6kg不變時，將單井延遲疊加炮(圖9b)與三組合常規(guī)炮(圖9a)的地震靜校正記錄進(jìn)行對比。可見在小號半個排列(1400～1500ms時窗)范圍煤層反射波均為能量強(qiáng)、連續(xù)性較好；但單井延遲疊加炮比三組合常規(guī)炮地震記錄連續(xù)性更好，相位更豐富，頻率更高；其費用僅為三組合常規(guī)炮方式的大約三分之一。

然后對有效波能量及其頻譜進(jìn)行分析，可見三組合常規(guī)炮(圖9c)的均方根振幅值達(dá)到2.8，單井延遲炮(圖9d)的均方根振幅值達(dá)到4.8。從圖9d還可觀察到：在20Hz低頻段，延遲疊加炮能量相對值為99%，常規(guī)炮能量相對值為78%；在40Hz高頻段范圍，延遲疊加炮和三組合常規(guī)炮能量相對值均為40%?？傊?，延遲疊加炮比常規(guī)三組合炮有效波連續(xù)性更好、強(qiáng)相位更豐富，低頻段能量增強(qiáng)約21%，高頻段頻率相當(dāng)。

試驗點3位于低速帶較薄區(qū)。在井深18m 和藥量8kg不變時，對比單井延遲疊加炮(圖10a)與三組合常規(guī)炮(圖10b)靜校正記錄，可見激發(fā)層都在速度突變面附近；從靜校正記錄面貌分析，延遲疊加炮有效波能量更強(qiáng)，而且連續(xù)性好，三組合常規(guī)炮能量弱、連續(xù)性一般。進(jìn)一步的定量分析結(jié)果表明：三組合常規(guī)炮的均方根振幅值為950，單井延遲疊加炮的均方根振幅值則達(dá)1400(圖10c)；在20Hz低頻段，延遲疊加炮能量的相對值為99%，常規(guī)炮能量的相對值為78%；在40Hz高頻段內(nèi)，延遲疊加炮能量的相對值為30%，常規(guī)炮能量的相對值為20%(圖10d)。

圖9 試驗點2井深30m、藥量6kg不變時地震單炮原始記錄及品質(zhì)分析(a)三組合常規(guī)炮； (b)單井延遲疊加炮； (c)有效波能量分析； (d)頻譜分析

總之，延遲疊加炮方式比常規(guī)炮方式振幅增強(qiáng)約47%，低頻、高頻段能量相對值分別提高了21% 和10%，頻帶更寬；前者費用僅為后者的約三分之一。

3.2 試驗線分析比較

試驗線處于L2 線樁號9600～11130 段內(nèi)，五組合炮與延遲疊加炮采用相同激發(fā)條件(井深為30m，藥量為10kg)、相同接收條件(240道/炮、道距為20m)、相同覆蓋次數(shù)(40)時，延遲疊加炮為46個物理點，常規(guī)五組合炮有48 個物理點，得到偏移時間剖面(圖11a、圖11b)。

由合成地震記錄在地震時間剖面上標(biāo)定TK14、T2 反射、T10反射，分別對應(yīng)K14 砂巖層、2 號和10號煤層的反射波。剖面大道號受落差2000m 的離石大斷裂影響，伴生正斷層F1 和F2 形成地壘、地塹，破壞了煤層的連續(xù)性，表現(xiàn)為T2、T10同相軸能量突變、連續(xù)性變差，甚至錯斷。

在地震剖面上五組合炮與延遲疊加炮的T2、T10同相軸的連續(xù)性均好，中部受斷層的影響，延遲疊加炮(圖11b)的T2、T10同相軸的連續(xù)性比五組合炮(圖11a)的略弱。

針對剖面品質(zhì)做定量分析的結(jié)果表明：常規(guī)五組合炮和延遲疊加炮的煤層反射的均方根振幅(圖11c)分別為7100、7600，兩者差別不大；從頻譜(圖11d)對比可見，在26Hz低頻段，常規(guī)五組合炮和延遲疊加炮的有效波的能量百分比值分別約為96、98，在43Hz高頻段，兩者有效波的能量百分比值分別約為37、55。

總之，從資料品質(zhì)分析，延遲疊加炮與常規(guī)五組合炮在偏移時間剖面上有效波連續(xù)性均好、能量相近、頻率略低，均可用于構(gòu)造解釋；從采集成本分析，延遲疊加炮比常規(guī)五組合炮的激發(fā)成本降低約七八成，更經(jīng)濟(jì)、實用。

圖10 試驗點3井深18m、藥量8kg不變時地震單炮原始記錄及品質(zhì)分析(a)三組合常規(guī)炮； (b)單井延遲疊加炮； (c)有效波能量分析； (d)頻譜分析

圖11 偏移時間剖面對比圖(a)五組合炮； (b)單井延遲疊加炮； (c)有效波能量分析； (d)頻譜分析

44 結(jié)論與討論

本文對電子延遲技術(shù)的實現(xiàn)原理進(jìn)行了闡述，并針對應(yīng)用實例進(jìn)行了測試和分析，說明利用電子延遲器實現(xiàn)多級震源延遲疊加是一種可行的方法，且具有以下突出優(yōu)點：

(1)電子延遲法控制系統(tǒng)延遲時間間隔精確且靈活可調(diào)、施工方便，安全性高、穩(wěn)定性好。

(2)延遲疊加震源激發(fā)的地震波具有能量強(qiáng)、頻率高、頻帶寬、面波弱的特點，有利于在厚黃土地表區(qū)開展煤炭、油氣地震勘探。

(3)該延遲器與現(xiàn)行遙爆系統(tǒng)兼容，與國產(chǎn)工業(yè)化瞬發(fā)雷管相匹配。在三級震源疊加技術(shù)中，三發(fā)電子雷管可用一個延遲器代替，一個炮孔代替三個炮孔，節(jié)省成本90%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

該項技術(shù)應(yīng)用中尚有三點注意事項：

(1)在厚黃土地表區(qū)，激發(fā)層宜選擇在速度大于1000m/s的黏性土層中。事先要準(zhǔn)確獲取起爆介質(zhì)的地震波傳播速度和1～4kg炸藥爆炸后的強(qiáng)壓塑圈半徑，據(jù)此設(shè)計炸藥柱間距和炸藥柱起爆時間間隔，保證瞬發(fā)雷管的起爆時間誤差不大于0.5ms。

(2)下藥過程中延遲器不能帶電，炮井須遠(yuǎn)離高壓線。

(3)遇到不允許引爆的異常情況，須按壓棄炮按鈕，將高壓電容中的電能通過耗能電阻釋放，次日可安全打撈出雷管和藥柱。