精確地震勘探中炸藥激發(fā)約束因素分析

陳凱濱，胡 峰，李 彪，李子軒

(1.中國石油東方地球物理勘探公司西南物探分公司，成都610213；2.中國石油西南油氣田川中氣礦,四川 遂寧 629000)

地震勘探法是通過人工激發(fā)所引起的彈性波，利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，觀測和分析各種地震波在地下的傳播規(guī)律，推斷地下巖層性質(zhì)和形態(tài)的地球物理方法，亦稱反射地震勘探方法(見圖1)，它是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，主要包括震源激發(fā)地震波、地下多波資料采集、地震資料處理和解釋[1]。陸上勘探采集是將深孔按一定炮孔密度垂直布設(shè)于地面，逐井次激發(fā)形成人工地震波，勘探激發(fā)為單一自由面，孔徑為70～90 mm；炸藥采用直徑60 mm專用硝銨或乳化震源藥柱；單井裝藥量可根據(jù)勘探目標(biāo)埋深和分辨頻率要求，由試驗(yàn)確定。

圖1 反射地震勘探原理Fig.1 Principle of reflection seismic prospecting

1 炸藥爆炸地震波

1.1 地震波特征

地震波是由地下介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)彈性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換而成，因傳播路徑不同，分為直達(dá)波、折射波和反射波。地震波場理論認(rèn)為[2]：地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征為直線和雙曲線(見圖2)，動(dòng)力學(xué)特征為爆炸能引起介質(zhì)振動(dòng)的振幅、頻率與傳播路徑關(guān)系，即

(1)

注：t表示時(shí)間；x表示距離;v表示速度；1/v1為直達(dá)波斜率；1/v2為折射波斜率。圖2 水平界面地震波的時(shí)間-距離Fig.2 Time-distance of seismic waves in horizontal interface

1.2 地震波能量

爆炸理論認(rèn)為：爆炸能量向地震波能量轉(zhuǎn)換存在E=PK的關(guān)系。地震波的能量P∝f[藥量、爆速、密度]，轉(zhuǎn)換關(guān)系系數(shù)K∝f[井深、裝藥結(jié)構(gòu)、爆炸耦合]。

爆炸能量與一次爆炸藥量、爆速、密度成正比關(guān)系，選定了炸藥類型，P即相對(duì)固定；炸藥種類確定后，能量轉(zhuǎn)換系數(shù)K即是影響炸藥震源滿足“飽和激發(fā)”的重要參數(shù)，與激發(fā)井深、裝藥結(jié)構(gòu)、爆炸耦合息息相關(guān)。

2 精細(xì)激發(fā)約束因素及分析

巖石中爆炸能量釋放后形成脈沖壓碎圈、沖擊裂隙圈和地震波彈性圈[3]。地震勘探將爆炸破碎區(qū)和裂隙區(qū)統(tǒng)稱為破壞帶，因此，在精確地震勘探爆炸震源激發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮破壞帶的影響。

2.1 激發(fā)井深

地下介質(zhì)速度和密度不同會(huì)形成多個(gè)地震虛反射波阻抗界面，利用虛反射原理設(shè)計(jì)激發(fā)井深，能有效增強(qiáng)下傳地震波能量。因此，淺地表虛反射界面(高速層界面)深度(H0)下四分之一波長處為理想激發(fā)深度，即炮孔深度。

H=H0+H′+ΔH

(2)

式中：H0為淺地表虛反射界面深度；H′為藥柱長度；ΔH為校正參數(shù)(一般3～5 m)。

1)考慮柱狀裝藥爆炸后不能形成塌落拱(見圖3)。當(dāng)炮井埋置深度足夠時(shí)，因土巖介質(zhì)具有碎脹特性，腔體上部區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)會(huì)塌落至某一臨界深度(忽略腔體橫向范圍內(nèi)的相互作用)，此深度上部的巖體不會(huì)受到影響。此時(shí)，最小埋置深度可按下式計(jì)算[4-5]：

圖3 柱狀裝藥結(jié)構(gòu)及爆腔Fig.3 Column charge structure and blasting cavity

(3)

式中：Dmin為炮井的最小埋置深度，m；L為單井藥量柱狀藥包的長度，m；kp為土巖介質(zhì)的碎脹系數(shù)(黏土頁巖1.4，砂質(zhì)頁巖1.6～1.8，硬砂巖1.5～1.8)。

2.2 組合激發(fā)

2.3 延時(shí)激發(fā)

采用多級(jí)延時(shí)裝藥自上而下激發(fā)(見圖4)，使爆炸單元產(chǎn)生的地震波在小入射角時(shí)(小于45°)形成垂向疊加，同時(shí)提高地震波主頻和能量；大入射角波橫向時(shí)差增大，減小對(duì)地面的爆炸振動(dòng)和破壞帶危害。

圖4 多級(jí)延時(shí)爆破裝藥及激發(fā)疊加機(jī)理Fig.4 The activation mechanism of multistage delayed blasting charge

實(shí)踐中采用延時(shí)爆炸技術(shù)應(yīng)基于3個(gè)條件來確定[6]。

1)爆破半徑。兩級(jí)裝藥間距應(yīng)大于一級(jí)裝藥爆炸后形成的破壞區(qū)半徑。

2)延時(shí)時(shí)間。一級(jí)裝藥爆炸形成的沖擊波到達(dá)第二級(jí)裝藥時(shí)，二級(jí)裝藥起爆，此時(shí)能形成波前面疊加(見圖4e)，則最佳延時(shí)時(shí)間為

(4)

3)殉爆距離。級(jí)間裝藥間隔應(yīng)大于炸藥爆炸殉爆距離

(5)

式中：K為與炸藥性質(zhì)、隔離介質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；q為級(jí)裝藥量。

經(jīng)川中侏羅系地層三級(jí)激發(fā)試驗(yàn)證明：級(jí)間距2 m，非電延時(shí)1±0.5 ms，藥柱總長5.05 m，炸藥爆速4 500 m/s時(shí),延時(shí)激發(fā)剖面較普通激發(fā)頻寬增大約15 Hz左右，提高了薄層分辨能力(見圖5)；單炮同等藥量激發(fā)距井口50 m地面振動(dòng)幅度降低約28%。

注：CMP為地震測網(wǎng)布設(shè)位置編號(hào)圖5 地震剖面及頻譜對(duì)比Fig.5 Comparison of the seismic profile and frequency spectrum

目前，制約垂向延時(shí)爆炸規(guī)?；氖褂?，關(guān)鍵在于延時(shí)雷管制造精度、裝藥工藝優(yōu)化和編譯碼同步激發(fā)方式等工藝技術(shù)問題的突破。

2.4 爆炸耦合

爆破技術(shù)理論和實(shí)踐證明，激發(fā)耦合程度與增強(qiáng)地震波的下傳能量有關(guān)，激發(fā)耦合包括阻尼耦合和幾何耦合。

1)阻尼耦合反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的能量耗散，藥柱在圍巖中激發(fā)，會(huì)因介質(zhì)夾制作用而耗能。阻尼耦合的好壞用匹配系數(shù)a來衡量，a=ρ1v1/ρ2v2，其中ρ1v1為炸藥阻抗，ρ2v2為圍巖阻抗[7]。為此，通過四川盆地金華1井區(qū)三維勘探時(shí)開展的銨梯炸藥與乳化炸藥的耦合對(duì)比試驗(yàn)，證明了激發(fā)阻尼耦合的有效性。在能量相當(dāng)?shù)那闆r下，中生代地層激發(fā)乳化炸藥與巖層阻尼耦合系數(shù)接近1(見圖6a)，并且激發(fā)記錄的有效頻帶更寬(見圖6c)。

圖6 三種炸藥激發(fā)阻尼耦合效果比較Fig.6 Comparison of damping coupling effect by three kinds explosives stimulated

2)幾何耦合指藥柱與井壁的結(jié)合程度。徑向不耦合激發(fā)，會(huì)形成預(yù)裂和光面爆破效應(yīng)，降低激發(fā)地震波能量。因此，勘探打井在鉆頭直徑選擇和裝藥工藝上期望實(shí)現(xiàn)幾何耦合全匹配，必須兼顧最小抵抗線和徑向耦合，藥柱軸向下到井底，填塞長度應(yīng)不小于井深與裝藥頂部抵抗線的1.2倍。

遇滿水介質(zhì)井和泥漿介質(zhì)井，藥柱頂應(yīng)加蓋防浮錨且確保藥柱裝藥到井底；若遇無水井，不需加蓋防浮錨，否則會(huì)導(dǎo)致填塞受阻，可能造成藥柱與圍巖徑向不耦合激發(fā)。

2.5 爆炸振動(dòng)

地震勘探野外施工區(qū)域地表?xiàng)l件具有多樣性，爆炸所產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)不能有效控制時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成破壞或損傷。

1)建筑物振動(dòng)安全距離理論計(jì)算[8]。在不考慮高差的條件下，勘探炮井與建筑物的安全距離(見圖7)為

圖7 建筑物振動(dòng)安全距離Fig.7 Vibration safety distance of buildings

L=Rsinθ

(6)

2)對(duì)地面其他保護(hù)對(duì)象，爆炸激發(fā)震源引起的振動(dòng)影響范圍，也可采用經(jīng)驗(yàn)公式[9]計(jì)算：

(7)

式中：a為爆破性質(zhì)系數(shù)，地震勘探可取為1.2；k為地基系數(shù)，一般堅(jiān)硬致密巖取3，堅(jiān)硬破碎巖取5，礫石取7，砂石取8，黏土取9；R為振動(dòng)影響半徑，m；Q為炮井炸藥量，組合爆炸為總藥量，延時(shí)爆炸為最大段藥量。

實(shí)際施工中選定井位安全距離，應(yīng)遵循在上述理論計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加一個(gè)炮點(diǎn)不同方向允許的最大偏移距。

3)電子圍欄約束技術(shù)?！岸捯桓摺笨碧郊夹g(shù)的應(yīng)用，要求區(qū)域內(nèi)炮點(diǎn)密度大，為兼顧炮點(diǎn)均勻性與振動(dòng)安全性，西南物探公司基于勘探、爆破和IT技術(shù)融合，建立了炮點(diǎn)優(yōu)選電子圍欄技術(shù)平臺(tái)，后臺(tái)借鑒地面不同建筑物爆破安全允許值建立數(shù)據(jù)庫[10]，人機(jī)聯(lián)作界面借助子菜單分步輸入?yún)?shù)，輸出保護(hù)對(duì)象安全圍欄與設(shè)計(jì)炮點(diǎn)共存的可視化界面。技術(shù)人員通過這個(gè)平臺(tái)在室內(nèi)干預(yù)選點(diǎn)，有效規(guī)避了振動(dòng)危害風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，將該研究成果應(yīng)用于四川盆地公山廟高密度三維的勘探，效果十分滿意(見圖8)。

圖8 電子圍欄在三維地震勘探炮點(diǎn)選定中的應(yīng)用Fig.8 Application of electronic fence in the selection of shot points for 3D seismic prospecting

需要注意的是：針對(duì)高清地理信息背景無法反映的隱蔽地物(如水井、墓地等)，須依靠現(xiàn)場定井員詳細(xì)摸排后，及時(shí)向室內(nèi)回饋信息，技術(shù)負(fù)責(zé)人循環(huán)迭代更新炮點(diǎn)位置坐標(biāo)。

3 結(jié)語

1)本文確定出的地震勘探精細(xì)爆破技術(shù)原則，實(shí)際工作中應(yīng)充分調(diào)查收集勘探爆區(qū)地貌條件及人文條件等信息，結(jié)合這些原則綜合考慮加以應(yīng)用。

2)現(xiàn)今地震勘探“二寬一高”技術(shù)應(yīng)用是以高炮點(diǎn)密度和高精度成像為前提的，因此，在勘探設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)充分融合精細(xì)爆破技術(shù)系列理論，才能兼顧提高激發(fā)質(zhì)量和降低爆破危害之目的。

3)激發(fā)技術(shù)是制約地震勘探走向精確勘探之路的“頻頸”之一，有待針對(duì)差異性圍巖在提高能量轉(zhuǎn)化率、裝藥結(jié)構(gòu)、激發(fā)方式等方面開展精細(xì)激發(fā)技術(shù)研究。