一種新型井間地震爆炸震源彈的研制與測(cè)試?

魏 領(lǐng) 魯 坤 李必紅 田 斌 王 喜 陳志偉 王雪艷

物華能源科技有限公司(陜西西安，710061)

引言

井間地震技術(shù)是20世紀(jì)80年代在美國(guó)發(fā)展起來(lái)的地震勘探新技術(shù)。在一口井內(nèi)放置震源，另一口井內(nèi)放置接收檢波器，通過(guò)改變震源和井中檢波器的深度和位置，進(jìn)行激發(fā)和接收，以獲得井間地質(zhì)剖面[1-2]。該技術(shù)因避開(kāi)了地表低速帶對(duì)地震信號(hào)高頻成分的吸收，具有高精度、高分辨率、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)。井間地震技術(shù)最關(guān)鍵的部分是井中震源[3]。井中震源包括爆炸、徑向輻射脈沖、電火花、機(jī)械脈沖、壓電型機(jī)電換能和控頻掃描振動(dòng)等6種形式[4]。其中，爆炸震源具有激發(fā)信號(hào)強(qiáng)、脈沖好、頻帶寬、耐高溫和耐高壓等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[5-6]。爆炸震源通常為爆炸索和成型炸藥等[7]。Silverman[8]基于速度匹配理論設(shè)計(jì)了一種細(xì)長(zhǎng)震源藥柱，該藥柱由高爆速藥柱與低爆速藥柱相間連接而成，通過(guò)調(diào)節(jié)兩部分元件的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整爆速。阮傳鵬[9]從炸藥起爆、爆轟理論和混合理論角度分析得出一種更適合粉狀震源藥柱生產(chǎn)的新型工藝，通過(guò)對(duì)混藥工藝和裝藥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了粉狀震源藥柱起爆和傳爆的可靠性。但上述爆炸震源也存在著井下作業(yè)時(shí)可能對(duì)井壁產(chǎn)生破壞的問(wèn)題，并且沒(méi)有連續(xù)激發(fā)能力，成本高[10]。

為了解決爆炸震源存在的不足之處，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的方法，設(shè)計(jì)了一種新型井中爆炸震源彈。該震源彈安裝于震源槍內(nèi)。起爆時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)能量爆轟波可以誘發(fā)儲(chǔ)層形成高振幅的地震波，且不會(huì)傷害套管和水泥環(huán)，適用于500 m以上大井間距施工。同時(shí)，能夠結(jié)合選擇發(fā)射孔技術(shù)進(jìn)行連續(xù)性激發(fā)，一次可在井下激發(fā)20次以上[11]。適用于直井、斜井、大斜度井及水平井等不同類型井況的勘探。

1 設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

新型爆炸震源彈主要由殼體、傳爆藥和主炸藥組成。在保證震源槍管柱和套管安全的前提下，為了提高地震勘探數(shù)據(jù)采集效果和減少施工管串長(zhǎng)度，單發(fā)爆炸震源彈激發(fā)藥量設(shè)計(jì)越大越好。國(guó)內(nèi)常規(guī)89型射孔器一般采用40型射孔彈。設(shè)計(jì)了A、B兩種不同結(jié)構(gòu)的89型震源彈，用于89型震源槍(?89.0 mm)內(nèi)。如圖1所示。

圖1 兩種新型的89型震源彈結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of two new kinds of 89-type seismic resource bombs

爆炸震源彈工作時(shí)利用炸藥的聚能效應(yīng)。裝藥量過(guò)大，會(huì)造成射流破壞威力大，極容易傷害套管和水泥環(huán)。為了在大藥量下形成短而粗的射流，并且只在射孔槍上穿孔而不傷害套管，通過(guò)改變裝藥結(jié)構(gòu)的方式，設(shè)計(jì)了分別對(duì)應(yīng)于圖1的A、B兩種多曲線形裝藥結(jié)構(gòu)。二者采用RDX裝藥，并且裝藥量均為25 g。具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中:結(jié)構(gòu)A為錐形內(nèi)腔；結(jié)構(gòu)B為圓弧形內(nèi)腔。

圖2 兩種新型89型震源彈的裝藥結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.2 Charge structures of two new kinds of 89-type seismic resource bombs(Unit:mm)

井下作業(yè)時(shí)，因?yàn)榫钡脑?，震源槍?huì)偏靠在套管內(nèi)壁，使得一個(gè)相位上的爆炸震源槍與套管的間隙(以下簡(jiǎn)稱槍套間隙)僅為盲孔深度4.0 mm。由于間隙小，形成的聚能射流易對(duì)套管和水泥環(huán)造成損壞。因此，采用增加扶正接頭外徑的方式，以提高槍套間隙。扶正接頭外徑設(shè)計(jì)為101.6 mm，震源槍外徑為89.0 mm，則震源槍緊靠套管內(nèi)壁一側(cè)的槍套間隙為10.5 mm。圖3為扶正接頭外形圖。

圖3 扶正接頭外形結(jié)構(gòu)Fig.3 Shape structure of stabbing joint

2 數(shù)值仿真分析

2.1 計(jì)算方案

采用數(shù)值仿真方法分別計(jì)算井下起爆時(shí)A、B兩種不同裝藥結(jié)構(gòu)的震源彈對(duì)套管的毀傷效果。圖4和圖5為89型震源槍在?5.5″(?139.7 mm)套管(壁厚為7.7 mm)中的兩種不同位置示意圖。居中狀態(tài)下，槍套間隙(盲孔至套管內(nèi)壁距離)為21.7 mm。偏心狀態(tài)下，槍套間隙最小為10.6 mm；最大為32.8 mm。為了保證震源效果和安全性，分別計(jì)算89型震源槍在套管中居中和偏心狀態(tài)下的射流作用效果。

圖4 震源槍居中狀態(tài)布置示意圖(單位:mm)Fig.4 Layout diagram of the seismic gun in center position(Unit:mm)

圖5 震源槍偏心狀態(tài)布置示意圖(單位:mm)Fig.5 Layout diagram of the seismic gun in eccentric position(Unit:mm)

2.2 幾何模型建立

有限元模型包括殼體、聚能裝藥、模擬槍片、靶板、空氣和水，整體采用1/4軸對(duì)稱模型。A、B兩種結(jié)構(gòu)的新型震源彈的殼體外形和內(nèi)腔尺寸相同，口徑為40.0 mm，高度為51.0 mm，且裝藥量均為25 g。炸高為12.0 mm，模擬槍片厚度為5.0 mm，槍套間隙充滿水，水層厚度分別為10.0、21.0、32.0 mm。有限元結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 有限元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of finite element

2.3 數(shù)值模擬算法和材料參數(shù)選擇

2.3.1 數(shù)值模擬算法

殼體、模擬槍片和靶板材料均為45＃鋼；選用RDX炸藥裝藥。炸藥、空氣和水采用歐拉網(wǎng)格，單元算法使用多物質(zhì)ALE算法；殼體、模擬槍片和靶板建模采用Lagrange算法。整體模型通過(guò)*Constrained＿Lagrange＿in＿Solid實(shí)現(xiàn)流固耦合，單元以六面體網(wǎng)格為主，單元網(wǎng)格的尺寸為1 mm×1 mm×1 mm。根據(jù)模型特點(diǎn)，設(shè)置對(duì)稱邊界條件、非反射邊界條件[12-13]。

2.3.2 材料參數(shù)選擇

RDX裝藥采用JWL狀態(tài)方程；殼體、模擬槍片和靶板的45＃鋼材料采用Johnson＿Cook模型，并考慮高應(yīng)變率條件下的應(yīng)力、應(yīng)變及失效關(guān)系；空氣域和水選用無(wú)偏應(yīng)流體動(dòng)力學(xué)模型(null)，狀態(tài)方程選用*Eos＿Linear＿Polynomial。具體參數(shù)如表1所示[14-17]。

表1 各物質(zhì)材料模型參數(shù)Tab.1 Model parameters of each material

3 性能試驗(yàn)

3.1 模擬裝槍侵徹套管試驗(yàn)

采用了與數(shù)值仿真分析相同的方案開(kāi)展試驗(yàn)。表2為試驗(yàn)裝配參數(shù)表。圖7為試驗(yàn)裝配示意圖。分別測(cè)試不同槍套間隙下89型震源彈對(duì)模擬套管的損害程度。

圖7 試驗(yàn)裝配示意圖Fig.7 Layout diagram of test

表2 模擬裝槍侵徹套管試驗(yàn)方案Tab.2 Test scheme of simulating loading gun penetrating casing

3.2 震源槍模擬井試驗(yàn)

在試驗(yàn)場(chǎng)建造了一個(gè)深度為3.0 m的豎井，下入長(zhǎng)度為2.0 m、壁厚為7.7 mm的?139.7 mm P110套管，并用混凝土澆筑固定。圖8為模擬井示意圖。

圖8 模擬井示意圖Fig.8 Schematic diagram of a simulated well

將12發(fā)新型震源彈裝入長(zhǎng)度為1.0 m的89型震源試驗(yàn)槍，孔密度為20孔/m，相位60°，總裝藥量為200 g，兩端裝直徑為101.6 mm的扶正接頭。如圖9所示。震源槍下入到試驗(yàn)井套管中后，在套管中灌滿清水，模擬井口蓋上蓋板，并用泥土和沙袋封堵井口，然后起爆。

圖9 新型震源彈裝配圖Fig.9 Assembly drawing of the new type of seismic source bomb

4 結(jié)果與討論

4.1 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)2.2建立3種模型開(kāi)展數(shù)值模擬，分別計(jì)算了A、B兩種裝藥結(jié)構(gòu)的震源彈在不同水層厚度(槍套間隙)條件下對(duì)套管的毀傷效應(yīng)。見(jiàn)圖10。

圖10 兩種震源彈在不同時(shí)刻侵徹套管深度曲線Fig.10 Depth curves of two kinds of seismic source bombs penetrating casing at different time

由圖10可知，隨著槍套間隙的增加，A、B新型震源彈對(duì)套管的毀傷效果均逐漸降低，說(shuō)明槍套間隙與射流侵徹能力成反比。槍套間隙越小，侵徹套管深度越深；當(dāng)槍套間隙為零時(shí)，侵徹深度達(dá)到最大。因此，?101.6 mm扶正接頭的設(shè)計(jì)具有必要性和合理性。

對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)爆炸震源彈，當(dāng)水層厚度為10.0 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)B優(yōu)于結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)B最大侵徹深度僅為1.7 mm，對(duì)套管的損傷小，而結(jié)構(gòu)A最大侵徹深度為6.4 mm。當(dāng)水層厚度為21.0 mm和32.0 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)B對(duì)套管均沒(méi)有損傷，而方案A對(duì)套管的最大侵徹深度分別為1.8 mm和0.5 mm。圖11和圖12為兩種震源彈在10.0 mm槍套間隙下不同時(shí)刻的毀傷云圖和射流速度曲線。

由圖11和圖12可見(jiàn)，兩種裝藥結(jié)構(gòu)的震源彈從頂部中心起爆后，生成爆轟波向軸線處擠壓閉合，形成了高溫、高壓、高速聚能的氣體流，向著靶板方向射出。由于氣體流的能量密度比金屬射流低很多，在t=5μs時(shí)，結(jié)構(gòu)A震源彈頭部速度為7 700 m/s，結(jié)構(gòu)B震源彈頭部速度為7 400 m/s。說(shuō)明錐形內(nèi)腔比圓弧形內(nèi)腔裝藥的聚能效果好。聚能氣體流穿過(guò)模擬槍片后，在t=15μs時(shí)，結(jié)構(gòu)A震源彈氣體流頭部速度降為3 800 m/s，結(jié)構(gòu)B震源彈降為2 900 m/s，兩者均在水層中開(kāi)始膨脹，后者比前者膨脹速度更快，能量密度和速度迅速下降。當(dāng)t=23 μs時(shí)，侵徹基本結(jié)束。因此，前者比后者對(duì)靶板的毀傷程度更大。

圖11 兩種震源彈不同時(shí)刻毀傷云圖Fig.11 Damage nephograms of two kinds of seismic source bombs at different time

圖12 兩種震源彈不同時(shí)刻射流速度曲線Fig.12 Jet velocity curves of two kinds of seismic source bombs at different time

可見(jiàn)結(jié)構(gòu)B震源彈能滿足井間地震對(duì)爆炸震源的技術(shù)要求。

4.2 性能測(cè)試結(jié)果與分析

4.2.1 模擬裝槍侵徹套管試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖13為結(jié)構(gòu)B震源彈在10.0、21.0 mm和32.0 mm 3種水層厚度(槍套間隙)下模擬裝槍侵徹套管的試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，模擬套片上只有2～3處破片撞擊坑點(diǎn)和沖擊波壓痕，沒(méi)有受到明顯損傷，由于模擬槍片破損，孔徑無(wú)法測(cè)量。

圖13 B結(jié)構(gòu)震源彈試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Test results of seismic source bombs with structure B

表3為不同槍套間隙下性能試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算中套管侵徹深度的對(duì)比分析。

從表3數(shù)據(jù)可知:在10.0 mm槍套間隙下，侵徹套管深度的計(jì)算值比試驗(yàn)值深1.7 mm；在21.0 mm和32.0 mm槍套間隙下，深度相同。說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合性較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算的正確性。

表3 套管侵徹深度的性能試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison between performance test and numerical calculation of casing penetration depth

4.2.2 震源槍模擬井試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)模擬井試驗(yàn)后震源槍和套管進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 震源槍模擬井試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of simulation well test of seismic gun

圖14為試驗(yàn)后的震源槍照片。圖15為試驗(yàn)后破除固井水泥的套管照片。

圖14 試驗(yàn)后的89型震源槍Fig.14 89-Type seismic gun after test

圖15 試驗(yàn)后的套管Fig.15 Casing after test

試驗(yàn)后，套管完好，未出現(xiàn)脹徑和穿孔。結(jié)構(gòu)B震源彈在井間地震作為爆炸震源時(shí)，可以保護(hù)套管不受傷害。震源槍上的穿孔孔眼平均直徑為22.3 mm，孔眼規(guī)則，無(wú)縱向和橫向裂紋，盲孔內(nèi)平均毛刺高度為0.8 mm，槍身最大脹徑為2.0 mm。槍身上的開(kāi)孔泄壓面積共為45.6 cm2，能夠使震源槍內(nèi)的爆炸能量充分釋放到套管中，激發(fā)地層地震波，使在

鄰井中的接收檢波器足以可靠地采集到理想的地震數(shù)據(jù)。同時(shí)，?101.6 mm扶正接頭的使用避免了震源槍緊靠套管內(nèi)壁，增加了槍套間隙，保護(hù)了套管不受震源彈射流的傷害，提高了震源彈的使用效果。

5 結(jié)論

1)采用數(shù)值仿真和模擬性能測(cè)試設(shè)計(jì)了井間地震震源彈的不同裝藥結(jié)構(gòu)，研制了新型89型大藥量爆炸震源彈；可在震源槍上形成大孔眼，能向井筒內(nèi)迅速釋放爆炸能量，激發(fā)地震波且不損傷套管。

2)在10.0 mm槍套間隙下，侵徹套管深度的計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果深1.7 mm；在21.0 mm和32.0 mm槍套間隙下，深度相同。表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好。

3)新型震源彈對(duì)套管的毀傷效應(yīng)與槍套間隙成反比。當(dāng)槍套間隙大于10.0 mm，不會(huì)對(duì)套管產(chǎn)生損傷；管串采用?101.6 mm扶正接頭，滿足套管不受損傷的基本要求。

4)雖然研制的89型井間地震爆炸震源彈從激發(fā)能量和安全性上滿足勘探要求，但實(shí)際井下環(huán)境復(fù)雜，接收檢波器受到多種因素干擾，還需要根據(jù)實(shí)際使用效果對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。