環(huán)保型乳化炸藥激發(fā)技術(shù)在四川盆地的應(yīng)用

劉 偉 李明翼 陳江力 趙曉紅 羅衛(wèi)東 李 彪

1.中國(guó)石油東方地球物理公司西南物探分公司 2. 中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探事業(yè)部

0 引言

四川盆地地震勘探采集一直采用井內(nèi)埋置銨梯炸藥來(lái)激發(fā)產(chǎn)生地震波[1-2]。銨梯炸藥的主要成分是硝銨和TNT，存在一定安全環(huán)保隱患，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：①銨梯炸藥爆炸產(chǎn)物可能存在環(huán)境污染的潛留危害；②銨梯炸藥拒爆后在地下介質(zhì)中的降解周期長(zhǎng)，遺留的安全隱患突出。使用銨梯炸藥在一定程度上有悖背綠色勘探、環(huán)?？碧嚼砟?，不利于資源開(kāi)發(fā)的持續(xù)開(kāi)展。

而環(huán)保型乳化炸藥的爆炸產(chǎn)物不含對(duì)環(huán)境和人體有毒有害的物質(zhì)[3]，不含有敏感度高的猛炸藥，如TNT、黑索金、泰安等，但安全性、抗水性、爆炸性都表現(xiàn)良好[4]。主要由3個(gè)部分組成[5]：①由硝酸銨、硝酸銨消焰劑（氯化鈉、氯化銨、氯化鉀等）、水和其他添加劑組成的氧化劑水溶液；②由油、蠟、乳化劑和其他油溶性材料組成的油相材料；③由珍珠巖，樹(shù)脂微球，或亞硝酸銨、碳酸氫鈉等無(wú)機(jī)鹽組成的密度調(diào)節(jié)劑。可見(jiàn)環(huán)保型乳化炸藥的化學(xué)組分無(wú)毒無(wú)味。乳化炸藥爆炸按零氧平衡設(shè)計(jì)，爆炸過(guò)程中各組分能充分反應(yīng)，爆炸后主要產(chǎn)物為二氧化碳、氮?dú)?、水以及少量的氮氧化物和一氧化碳[6]。經(jīng)具備CMA中國(guó)計(jì)量認(rèn)證和CMA ?食品檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)資質(zhì)認(rèn)定的權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)乳化炸藥爆炸前后土壤、地下水和空氣中的重金屬含量檢測(cè)，結(jié)果顯示基本無(wú)差異。由此可見(jiàn)，環(huán)保型乳化炸藥爆炸產(chǎn)物對(duì)自然環(huán)境沒(méi)有污染。而環(huán)保型乳化炸藥降解后分解為氨氣、氮?dú)?、氫氣、氧氣[7]，降解產(chǎn)物對(duì)自然環(huán)境也沒(méi)有污染。

筆者通過(guò)深入分析環(huán)保型乳化炸藥屬性、總結(jié)環(huán)保型乳化炸藥在四川盆地不同構(gòu)造位置和不同地表地震地質(zhì)條件下的激發(fā)效果，以探索適合環(huán)保型乳化炸藥在四川盆地的采集參數(shù)和施工方法。

1 環(huán)保型乳化炸藥屬性

環(huán)保型乳化炸藥的主要成分是硝酸銨、硝酸鈉、碳?xì)浠衔?、span-80（乳化劑）[8]，具有高內(nèi)相比的W/O結(jié)構(gòu)體系。

1.1 環(huán)保型乳化炸藥的化學(xué)成分

環(huán)保型乳化炸藥內(nèi)裝是一種油包水的乳膠體，粒度很?。◣孜⒚椎綆资⒚祝瑑?nèi)相是水相（氧化劑）、外相是油相（可燃劑）。這是一種油相包覆水相的穩(wěn)定體系，可形象地比喻為“殼”、“膜”、“核”結(jié)構(gòu)?！皻ぁ睘橛拖啵澳ぁ睘槿榛瘎?，“核”為水相，即無(wú)機(jī)鹽水溶液。油相材料主要為碳?xì)浠衔铮榛瘎閟pan-80、T152，水相材料是硝酸銨、硝酸鈉混合的無(wú)機(jī)鹽水溶液（表1）。

表1 環(huán)保型乳化震源材料配方表

1.2 環(huán)保型乳化炸藥的物理屬性

乳化炸藥的乳膠體系是一種高內(nèi)相比（內(nèi)相體積高達(dá)90%以上）的結(jié)構(gòu)體系，外相厚度僅為其內(nèi)相厚度的幾十分之一。不同于普通乳狀液，乳膠體系是由2個(gè)不相溶相組成的分散體系，其中1相呈分散狀顆粒或液滴均勻分布在另一相中[9]。乳化炸藥不同于普通乳狀液是其高內(nèi)相比、內(nèi)相無(wú)機(jī)氧化劑鹽的過(guò)飽和以及乳化工藝的特殊性。在顯微鏡下，乳化炸藥呈現(xiàn)的是薄薄的外相包裹著體積龐大的內(nèi)相。

1.3 環(huán)保型乳化炸藥的穩(wěn)定屬性

環(huán)保型乳化炸藥的物理屬性決定了其亞穩(wěn)定性，用于制備乳化炸藥的乳狀液是一種高內(nèi)相比（＞90%）、高密度、易析晶破乳且形態(tài)為黏稠狀的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系[10]。由此可見(jiàn)乳化炸藥的爆炸性能與穩(wěn)定性密切相關(guān)，穩(wěn)定性遭到破壞，爆炸性能自然失效。乳化炸藥內(nèi)相粒子大小及其分布是其穩(wěn)定性的重要標(biāo)志[11]，內(nèi)相粒子越小，粒徑分布越窄，其穩(wěn)定性就越好，界面膜（乳化劑）和外相（油膜）是維持內(nèi)相粒子大小和分布的內(nèi)在因素。因此決定乳化炸藥失去爆炸性能的因素有2個(gè)方面：①調(diào)整乳化炸藥的配方，包括內(nèi)相粒子的大小和分布、界面膜和油膜的材質(zhì)；②乳化炸藥破乳。

在地震勘探中，乳化炸藥埋置在地下井中，而炸藥配方在生產(chǎn)廠家就固化了，是無(wú)法改變的。炸藥失效的主要因素就是自然破乳，破乳方式又有乳膠體破乳和硝酸銨過(guò)飽和水溶液的析晶破乳2種方式：① 乳膠體破乳是乳化體系比表面能的降低，造成液珠聚集，油膜發(fā)生變形和收縮，界面減小，小液珠的聚集是熱力學(xué)不可逆過(guò)程，大量的聚結(jié)使得連續(xù)相在液滴與界面之間排泄出來(lái)，造成油相和水相的不斷分離，最終導(dǎo)致破乳現(xiàn)象的產(chǎn)生，研究表明[12]，在環(huán)境溫度反復(fù)變換、急劇持續(xù)變化條件下，乳膠穩(wěn)定性會(huì)在短時(shí)間內(nèi)遭到破壞，導(dǎo)致破乳；②乳膠析晶是硝酸銨過(guò)飽和水溶液的析晶，析晶過(guò)程中內(nèi)聚力會(huì)引起油膜變形和收縮，且隨著析晶不斷增長(zhǎng)，其體積和形狀發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)使液珠油膜破裂，導(dǎo)致氧化劑與還原劑緊密接觸的物理結(jié)構(gòu)部分完全破裂[13]，研究表明，乳化炸藥的儲(chǔ)存穩(wěn)定性與水溶液析晶量關(guān)系極大，當(dāng)析晶量達(dá)到氧化劑總量的30%（體積）時(shí)，炸藥爆速開(kāi)始下降；達(dá)到50%時(shí)，乳化炸藥將失去雷管感度。

2 環(huán)保型乳化炸藥的爆轟能力

乳化炸藥屬于混合炸藥，其“起爆中心”是內(nèi)部的夾雜氣泡或氣泡載體如珍珠巖、玻璃微球等[14]。首先雷管爆炸能量被微體系內(nèi)的物質(zhì)吸收，微體系未向外做功，不會(huì)消耗能量，外界的能量被微體系內(nèi)的物質(zhì)全部吸收，使得微體系的內(nèi)能增加，內(nèi)能增加表現(xiàn)為溫度升高。高溫達(dá)幾百甚至幾千攝氏度，水的體積瞬間增大到幾百倍。水的體積瞬間驟增，使微體系的乳膠粒子油膜爆裂。連續(xù)相的微體系乳膠粒子迅速發(fā)生爆炸，釋放大量的能量。

如果把碳質(zhì)燃料油看作飽和的烷烴，乳化炸藥總爆炸反應(yīng)式可如下：

理論上，環(huán)保型乳化炸藥和銨梯炸藥的爆炸性能差異不大。銨梯炸藥的爆速稍高，做功能力稍強(qiáng)（表2）。

表2 不同震源做功能力表

3 應(yīng)用效果分析

地震勘探井中激發(fā)炸藥的藥型和藥量決定地震資料品質(zhì)[15]，分別在四川盆地侏羅系砂泥巖區(qū)、三疊系石灰?guī)r區(qū)和第四系礫石區(qū)都進(jìn)行環(huán)保型乳化炸藥激發(fā)技術(shù)試驗(yàn)，分析不同近地表地震地質(zhì)條件[16]下的單炮資料品質(zhì)和剖面成像效果，評(píng)價(jià)其應(yīng)用效果。

3.1 單炮資料品質(zhì)

在四川盆地砂泥巖區(qū)、礫石區(qū)和石灰?guī)r區(qū)，采用相同排列接收、相同井深、不同藥量進(jìn)行乳化炸藥和銨梯炸藥激發(fā)測(cè)試，獲得不同炸藥類型的地震原始單炮記錄。

侏羅系泥巖區(qū)銨梯炸藥最佳激發(fā)藥量為6 kg，而乳化炸藥分別采用4 kg、5 kg、6 kg、7 kg、8 kg進(jìn)行激發(fā)試驗(yàn)；經(jīng)對(duì)比分析，相等藥量（6 kg）的乳化炸藥和銨梯炸藥單炮能量相當(dāng)，目的層同相軸連續(xù)性相當(dāng)，原始單炮主頻、頻寬差異不大（圖1）。

侏羅系砂巖區(qū)銨梯炸藥最佳激發(fā)藥量為8 kg，乳化炸藥分別采用4 kg、6 kg、8 kg、10 kg、12 kg進(jìn)行激發(fā)試驗(yàn)；經(jīng)對(duì)比分析，增加2 kg藥量乳化炸藥和銨梯炸藥單炮能量相當(dāng)，目的層同相軸連續(xù)性相當(dāng)，原始單炮主頻相當(dāng)、頻寬無(wú)差異（圖2）。

圖1 侏羅系泥巖不同炸藥激發(fā)的原始單炮記錄和頻譜對(duì)比圖

圖2 侏羅系砂巖不同炸藥激發(fā)的原始單炮記錄和頻譜對(duì)比圖

第四系礫石區(qū)銨梯炸藥最佳激發(fā)藥量為4 kg，乳化炸藥分別采用3 kg、4 kg、5 kg、6 kg進(jìn)行激發(fā)試驗(yàn)；經(jīng)對(duì)比分析，相等藥量的乳化炸藥和銨梯炸藥單炮能量相當(dāng)，目的層同相軸連續(xù)性相當(dāng)，原始單炮主頻、頻寬差異不大（圖3）。

圖3 第四系礫石不同炸藥激發(fā)的原始單炮記錄和頻譜對(duì)比圖

三疊系石灰?guī)r區(qū)銨梯炸藥最佳激發(fā)藥量為8 kg，乳化炸藥分別采用6 kg、8 kg、10 kg、12 kg進(jìn)行激發(fā)試驗(yàn)，經(jīng)對(duì)比分析，增加2 kg藥量乳化炸藥和銨梯炸藥單炮能量相當(dāng)，目的層同相軸連續(xù)性相當(dāng)，原始單炮主頻相當(dāng)、頻寬相當(dāng)，頻譜形態(tài)一致（圖4）。

圖4 三疊系石灰?guī)r不同炸藥激發(fā)的原始單炮記錄和頻譜對(duì)比圖

總的來(lái)說(shuō)，乳化炸藥在第四系礫石區(qū)和侏羅系泥巖區(qū)采用與銨梯相等的激發(fā)藥量，在侏羅系砂巖區(qū)和三疊系石灰?guī)r區(qū)增加2 kg激發(fā)藥量，能夠獲得和銨梯炸藥激發(fā)效果的相當(dāng)單炮記錄。

3.2 剖面成像效果

在四川盆地川南低陡構(gòu)造帶的砂泥巖互層區(qū)、川東高陡復(fù)雜構(gòu)造帶的石灰?guī)r區(qū)和川西低緩構(gòu)造帶的第四系礫石區(qū)各采集了一條二維測(cè)線。采用間隔布設(shè)乳化炸藥和銨梯炸藥激發(fā)點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)方式，也就是接收條件相同，激發(fā)巖性相同，炸藥類型不同，確保測(cè)試測(cè)線不同炸藥類型的炮檢關(guān)系一致，剖面的覆蓋次數(shù)相同。

川南侏羅系砂泥巖互層激發(fā)區(qū)的水平疊加對(duì)比剖面（圖5），整條測(cè)線都是泥巖和砂巖激發(fā)。2種炸藥激發(fā)的剖面目的層同相軸連續(xù)性相當(dāng)，斷面清楚一致，繞射波能量一致，總的來(lái)說(shuō)，不同炸藥剖面信噪比相當(dāng)（圖5）。

川東三疊系石灰?guī)r激發(fā)區(qū)的水平疊加對(duì)比剖面（圖6）。CDP1 001～2 809段是侏羅系泥巖和砂巖出露區(qū)，CDP2 810～3 909段是三疊系須家河組石英砂巖、雷口坡組石灰?guī)r、嘉陵江組石灰?guī)r出露區(qū)。2種炸藥激發(fā)的剖面信噪比相當(dāng)，目的層同相軸連續(xù)性相當(dāng)，潛伏小構(gòu)造形態(tài)、清晰度相當(dāng)，斷面、繞射相當(dāng)；乳化炸藥剖面在石灰?guī)r激發(fā)段成像效果稍好，箭頭、圓圈所示處，乳化炸藥剖面構(gòu)造細(xì)節(jié)更清楚（圖6）。

川西北第四系礫石區(qū)的水平疊加對(duì)比剖面（圖7），CDP1 001～4 481段是第四系礫石出露區(qū)，CDP4 482～5 979段是侏羅系泥巖和砂巖出露區(qū)?？偟膩?lái)說(shuō)兩種炸藥激發(fā)的剖面構(gòu)造成像清楚、一致，目的層同相軸連續(xù)性相當(dāng)，斷層、斷點(diǎn)以及繞射特征一致；乳化炸藥剖面在第四系礫石激發(fā)段成像效果稍好，箭頭所示處，乳化炸藥剖面淺層連續(xù)性稍好（圖7）。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)比四川盆地川南、川東、川西不同構(gòu)造位置和不同地表地震地質(zhì)條件下兩種炸藥的單炮記錄品質(zhì)和水平疊加剖面成像效果。認(rèn)為環(huán)保型乳化炸藥采用與銨梯炸藥相同藥量或略高藥量能夠得到和銨梯炸藥相當(dāng)?shù)脑紗闻谄焚|(zhì)，相同覆蓋次數(shù)的剖面成像效果相當(dāng)，有效反射同相軸連續(xù)性相當(dāng)，層間反射清楚一致，斷層、斷裂以及繞射清晰度相當(dāng)；

圖6 川渝地區(qū)三疊系石灰?guī)r出露區(qū)不同炸藥激發(fā)的水平疊加對(duì)比剖面

圖7 川渝地區(qū)第四系礫石出露區(qū)不同炸藥激發(fā)的水平疊加對(duì)比剖面

2）環(huán)保型乳化炸藥替代銨梯炸藥可沿用銨梯炸藥的生產(chǎn)井深、觀測(cè)系統(tǒng)以及檢波器類型和埋置方式，藥量采用與銨梯相等（第四系礫石和侏羅系泥巖激發(fā)區(qū)相等藥量）或略高（侏羅系砂巖和三疊系石灰?guī)r激發(fā)區(qū)增加2 kg）的藥量；

3）環(huán)保型乳化炸藥激發(fā)技術(shù)可以在類似地區(qū)推廣使用。