基于二氧化碳气动力脉冲技术的人工震源试验初探

陶科宇，杨红梅，胡 波，胡少斌，蔡余康

(1.中国石油西南油气田分公司川东北气矿，四川 达州 635000；2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210000)

0 引言

地震勘探是一种最重要的地球物理勘探方法，在煤田、石油和工程地质等方面得到了广泛应用[1-2]。震源是地震勘探技术中重要组成部分，震源在很大程度上决定着勘探质量[3]，目前常见的人工震源主要分为炸药震源和非炸药震源两种。炸药震源因激发能量大，脉冲性能好等特点自1920年以来一直是地震勘探的重要激发源。然而炸药震源存在着安全系数低、破坏性强，有效利用率低等问题，再加之严格的管控政策，因此非炸药震源逐渐代替了炸药震源，尤其是机电一体化的大吨位精密主动可控震源近些年得到了较大发展[4]。可控震源具有施工成本低、安全环保、激发信号可人为控制、施工组织灵活等优点，在众多复杂地区也取得了较好勘探效果[5-6]。然而可控震源由于吨位大，施工扰民等原因在有些地区无法施工与通行。无论是哪种人工震源，因自身特点都存在着一些限制因素。随着地震勘探的深入，勘探区域不断向山地、城区、沼泽等地表复杂区延展，这就要求更加多样化的震源设备，因此探索环保、轻便、高效的新型震源非常有必要。

另一方面，二氧化碳作为一种新型的清洁材料，二氧化碳作为高能气体最初在20世纪50年代用于爆破，80年代在美国开始发展。直至2015年，随着科技进步，国内逐步涌现二氧化碳爆破器材产商，正处于发展阶段。和目前市场上广泛采用的传统二氧化碳气爆技术不同，笔者创造性的提出了干冰粉静态气动压裂技术，并开发出一种本安型微纳米高能复合材料(又称二氧化碳聚能剂)，经国家权威部门鉴定该材料不属于危险化学品，无爆炸性，属非限制性货物。它是一种利用新型微纳米高能复合材料(无爆炸性)在液态/超临界态CO2中快速燃烧产生瞬态气动力脉冲来致裂岩体的新技术，具有安全性高、流动性强(混相流体)、可控性好(脉冲强度、频次可控)的优点[7]。

基于以上背景，本文创设性的提出基于二氧化碳脉动冲击的城市可控震源，将干冰粉静态气动压裂技术应用于人工震源领域。旨在研制出一种小型化、便携式、利用温室气体的特种勘探设备，利于城市地下空间的建设。因此展开相关单炮试验，探讨基于二氧化碳气动技术的人工震源的特点及适用性。

1 干冰粉静态气动压裂原理

干冰粉静态气动压裂技术目前主要有两种使用形式，一种是一次性便携式人工震源，一种是机载可重复人工震源。本文重点介绍一次性便携式人工震源，其主要由干冰致裂器、CO2聚能剂、固态干冰、电火花发生器四大核心部件组成。CO2聚能剂由江苏中控能源科技有限公司(CENE)提供，可根据试验需要，调配出不同活性的聚能剂复合材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积、高燃烧热、低导热系数等特点(图1)，具体参数见表1。

图1 CO2聚能剂微观孔隙结构

表1 CO2聚能剂基本物理化学参数

在有限体积内，保证足够的做功介质二氧化碳，是实现二氧化碳压裂岩石的前提条件，恰好CO2聚能剂是一种具有高比表面积和孔隙率的复合材料，二氧化碳气体或者干冰粉体被吸附或填充在CO2聚能剂表面或孔隙内，为CO2聚能剂的快速燃烧提供了有利条件。此外，CO2聚能剂视密度仅为0.12 g/mL，远低于液态二氧化碳或干冰粉体，就像一个“海绵体”，既能够取到支撑骨架的作用，又能够在有限体积内尽可能多的充装做功介质——固体干冰粉。

最重要的是，根据最新国际危险化学品分类标准及鉴定方法，经过专业测试，CO2聚能剂在空气中性能稳定，属于非危险化学品和非限制性货物。在惰性气体CO2保护条件下，CO2聚能剂性态更加稳定，并不与固态干冰粉起作用。只有在特定温压条件下，并且有且只有当CO2气体压力达到2.5 MPa以上时(CO2浓度阈值)，才能被特制的电阻丝激发装置引燃，CO2聚能剂才能与吸附态和游离态CO2发生放热反应。受低温干冰影响，粉体混合物温度处于零下20℃以下(干冰粉零下80℃)，在2.5 MPa时二氧化碳处于液态(图2黄色标识部分)。

图2 二氧化碳三相图(黄色区域代表CO2聚能剂所处温压条件)

CO2聚能剂与二氧化碳(固态、吸附态、游离态/液态)相互作用原理见图3。CO2聚能剂的多孔网状结构为氧化还原反应的发生及传播提供了良好场所。CO2聚能剂的高比表面积及其对CO2的吸附特性为放热反应的能量快速积聚提供了必要的物质保证。除此之外，干冰粉体吸热气化过程能够有效调节封闭空间气体压力上升速率及时间。通过综合调节CO2聚能剂活性、干冰粉体粒度以及聚能剂与干冰粉质量比，能够有效调节CO2静态气动压裂加载速率及作用时间。

图3 CO2聚能剂与二氧化碳相互作用原理图

图4 是干冰致裂器现场安装示意图。在接通点火线之前，需要通过加热棒预热干冰，使得内部稳压条件达到起爆阀值。

图4 一次性便携式干冰致裂器安装示意图

2 试验场地及布置

试验地点位于南京禄口镇上穆村北面空地，距离禄口机场西北方向约6.5 km。试验场地距离大路均大于200 m，现场无人群村庄，整体较为安静(图5)。

图5 试验场地照片

本次地震试验选择了美国Geometrics公司的StrataVisorNzxp24型地震仪及其扩展模块Geode进行数据采集，该仪器灵活多变的噪声监视、数据监控和各种测试功能，使得现场可随时监视记录质量和设备工作状态，从而也保证了数据采集的可靠性。根据本次试验目的，为了提高地震检波器的灵敏度，地震数据采集每个测点上使用了自然频率为40 Hz的单只检波器接收地震波。

试验测线NW向布设，首道离震源点60 m，间距5 m，测线235 m，试验布设见图6。采集参数为采样间隔0.5 ms，记录长度1000 ms，前置放大器采用全通方式，单炮记录存储格式为sg2。震源采用一次性便携式干冰致裂器，震源能量通过干冰加入量进行调节，孔深2 m。

图6 试验布设示意图

整个试验共激发两炮，14：00时高频背景噪声较大，采用0.5 kg干冰进行静态气动引爆；23：00时高频背景噪声依然存在，并未有减小趋势，采用1.5 kg干冰进行静态气动引爆。两次均成功获得试验单炮记录。

3 结果分析

虽然试验场地没有明显的噪声干扰，但在试验时通过实时噪声监测发现本区存在较为强烈的持续干扰，白天夜间均存在，噪声源不清。图7a为背景噪声的地震记录，背景噪声规律性较好，噪声在记录中呈明显的水平直线分布。图7b为背景噪声的频谱图，通过观察可以发现，噪声能量主要集中在180～280 Hz、350～550 Hz、780～820 Hz等高频段分布。总体来说背景噪声为规律性较强的高频干扰，能量强度较大。

图7 背景噪声地震记录与噪声频谱图

最终的试验单炮记录见图8，使用0.5 kg干冰激发的单炮记录干扰明显，但可以大致看出直达波与面波的形态；使用1.5 kg干冰激发的单炮记录压制噪声的能力明显变强，信噪比有较大幅度提升，直达波、面波、声波形态清晰，但未见明显反射波。

图8 试验单炮记录

虽然背景噪声较强，但背景噪声为规律性较强的高频干扰，采用FK二维滤波可以较好地压制背景噪声。图9为0.5 kg干冰激发的单炮记录的FK谱，背景噪声波数较小、频率高，在FK谱上可以较好地分离。图10为采用一维滤波、FK滤波后的单炮记录，为了便于分析，高频截止150 Hz。

图9 单炮(0.5 kg干冰)记录的FK谱

经过噪声压制后的两张单炮记录面貌形态没有太大区别，两张记录浅部都有反射波的痕迹但连续性较差且不明显，中深部未见明显反射轴。图11为去掉直达波、面波干扰的频谱对比图，图10红色框内为选择分析区域。由图11可知，1.5 kg干冰激发的单炮记录无论是频带宽度还是主频较0.5 kg干冰都有所降低，也就是说增大干冰重量，可以激发出较强的地震波，提高记录的信噪比，但同时也降低了激发出的地震波主频和频带宽度，这种特性与炸药震源较为接近[1]。

图10 去除背景噪声后的单炮记录

图11 单炮记录频谱图

试验单炮记录中直达波、声波、面波清晰，整体形态符合地震勘探的单炮记录，但未见明显反射轴，试验过程中怀疑为特殊地质条件造成。为了打消疑虑，后期收集了附近钻孔资料及相关文献[2-4]，基本可以确定，试验场地松散覆盖物主要为人工填土与一般沉积的粉质黏土，厚度为8～16 m；下伏基岩为侏罗系龙山王组安山岩，强风化安山岩厚度为5～10 m；根据区域地质资料，试验场地下方安山岩厚度巨大。整体上，由于基岩埋深较浅，处于地震反射法的浅部盲区，覆盖层与基岩的反射波难以识别；基岩为安山岩且厚度较大，地震勘探在安山岩类的火成岩内部多以杂乱反射为主，难以形成强反射轴[5-6]。因此，受测线长度与地质条件限制，本次试验单炮记录没有明显的反射轴。

4 结论

通过本次干冰气动震源试验获取了相关单炮记录，经过分析，认识如下：

1)本次试验获取的单炮记录与常用震源记录在整体面貌上相似，基于干冰静态气动压裂技术的人工震源在地震勘探中具有一定的可行性。

2)干冰静态气动震源与炸药震源在地震波的激发及频谱分析上都较为接近，但干冰静态气动震源安全性高，可控性好，作为地震勘探的震源具有良好的应用前景。

3)受试验场地及试验数量的限制，干冰静态气动震源还有许多性质有待探索。另外，作为地震勘探的震源，干冰静态气动震源还需进一步提高施工效率并降低成本。