齊中山

(中國石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

改善灰?guī)r裸露區(qū)地震激發(fā)環(huán)境的方法探討

齊中山

(中國石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

提高灰?guī)r裸露區(qū)地震激發(fā)效果是我國南方復(fù)雜山地探區(qū)地震勘探重點(diǎn)攻關(guān)的難題之一。通過對砂巖、灰?guī)r中雷管爆炸后破裂情況的分析,認(rèn)為灰?guī)r為剛性巖石,脆性強(qiáng)、彈性差,在炸藥爆炸瞬間不易產(chǎn)生彈性波,尤其地震勘探所需要的低頻彈性波;分析炸藥與灰?guī)r的匹配關(guān)系,認(rèn)為目前的炸藥性能均無法與灰?guī)r匹配;依據(jù)炸藥爆炸半徑和柱狀炸藥應(yīng)力場分布情況,進(jìn)行了在藥柱下方墊入長度大于爆炸半徑的砂巖巖心、含沙水泥柱從而改善灰?guī)r激發(fā)環(huán)境的試驗(yàn),收到了較為明顯的效果。

地震激發(fā);灰?guī)r裸露區(qū);阻抗;爆炸半徑;激發(fā)環(huán)境

影響灰?guī)r裸露區(qū)地震資料品質(zhì)的因素很多,但激發(fā)效果差是主要因素之一。如何在灰?guī)r中產(chǎn)生強(qiáng)的地震彈性波是灰?guī)r裸露區(qū)地震資料采集需要解決的首要問題。以往人們采取了很多方法,諸如延遲激發(fā)、加大井深、加大或減小藥量、多井組合、水泥悶井等等[1-2],期望解決灰?guī)r中的激發(fā)問題,但效果甚微。對炸藥藥型也進(jìn)行了大量試驗(yàn),盡管高阻抗炸藥比中、低阻抗炸藥激發(fā)效果好,但地震反射波能量依然很弱[3-4]。近兩年,通過對炸藥在巖石中爆炸的機(jī)理研究和炸藥與巖石的匹配關(guān)系研究,基本摸清了灰?guī)r中激發(fā)效果差的主要原因;并從改善灰?guī)r激發(fā)環(huán)境入手進(jìn)行了大量試驗(yàn),找到了效果改善明顯且可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的方法。

1 灰?guī)r中激發(fā)效果差的原因分析

1.1 灰?guī)r中炸藥爆炸的機(jī)理分析

當(dāng)炸藥在巖石中爆炸時(shí),會對周圍介質(zhì)產(chǎn)生破壞和震動效應(yīng),在爆炸半徑范圍內(nèi)形成空腔區(qū)、壓碎區(qū)和破裂區(qū)(圖1)。爆炸空腔外,巖石受到爆炸沖擊波的高壓作用,巖石被壓成粉末狀,形成粉碎區(qū)(應(yīng)力加載區(qū));爆炸沖擊波在通過粉碎區(qū)后,蛻變?yōu)閴嚎s波,但其強(qiáng)度仍然超過巖體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,使巖體質(zhì)點(diǎn)徑向擴(kuò)張產(chǎn)生拉伸和剪切破壞,出現(xiàn)縱橫交錯(cuò)的裂隙,稱之為破裂區(qū)(應(yīng)力卸載區(qū));破裂區(qū)之外為震動區(qū)(彈性變形區(qū)),壓縮波這時(shí)已蛻變?yōu)閺椥圆?巖體只產(chǎn)生彈性形變[5]。

圖1 炸藥在巖石中爆炸后巖石變形區(qū)的劃分

破裂區(qū)與原狀巖體區(qū)的交界面至爆心的距離稱為爆炸破壞區(qū)半徑,經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為[6]:

RP=1.65KPC1/3

(1)

式中:RP為破壞區(qū)半徑,單位為m;KP為巖石的破壞系數(shù),一般為0.51～0.58;C為等效TNT裝藥量,單位為kg。

從雷管在砂巖中爆炸和在灰?guī)r中爆炸后巖石的破碎情況(圖2)可以看出:同樣是1發(fā)雷管,砂巖被炸開的范圍大(圖2a),灰?guī)r被炸開的范圍小(圖2b);4發(fā)雷管在砂巖中爆炸后,砂巖是塊狀的(圖2c);而2發(fā)雷管在灰?guī)r中爆炸后,灰?guī)r破碎嚴(yán)重(圖2d)。這些現(xiàn)象表明,砂巖的塑性強(qiáng),可壓縮性強(qiáng),受外力作用質(zhì)點(diǎn)位移特征明顯,應(yīng)力卸載區(qū)為塑性區(qū),有利于形成彈性波,因此砂巖中激發(fā)效果較好;而灰?guī)r的剛性強(qiáng),脆性強(qiáng),塑性差,可壓縮性差,質(zhì)點(diǎn)位移特征不明顯,卸載區(qū)幾乎不是塑性區(qū),雷管或炸藥爆炸能量大部分用于炸碎巖石,少部分轉(zhuǎn)化為彈性波。同時(shí),正由于灰?guī)r的剛性強(qiáng),可壓縮性差,形成的彈性波頻率極高,可達(dá)到上千甚至數(shù)千赫茲[7],這些高頻彈性波的形成又消耗了一大部分能量,剩余的少部分能量轉(zhuǎn)化為地震勘探所需要的低頻彈性波。高頻彈性波能量在地層中被迅速衰減吸收,低頻彈性波能量本身很弱,再經(jīng)過地層的吸收衰減,反射到地表的能量更弱,從而導(dǎo)致檢波器接收到的能量很弱,單炮記錄特征是次生干擾極重,微弱的有效反射被淹沒在極強(qiáng)的次生干擾之中。這就是灰?guī)r裸露區(qū)激發(fā)效果差、地震記錄信噪比低的主要原因之一。

圖2 雷管在砂巖和灰?guī)r中爆炸后巖石的破碎情況

1.2 炸藥與灰?guī)r的匹配關(guān)系分析

長期以來,人們一直沿用炸藥和巖石的阻抗作為匹配的依據(jù),并且認(rèn)為最佳的匹配是炸藥阻抗等于巖石阻抗[8-9]。但實(shí)際上不僅僅如此,從表1和表2 中可以看出,目前常用的高爆速Ⅰ型炸藥的平均阻抗與砂巖平均阻抗相當(dāng),高爆速Ⅰ型炸藥的平均密度比砂巖的平均密度小0.60g/cm3,爆速比砂巖平均速度高1500m/s;而高爆速Ⅰ型炸藥的平均阻抗卻明顯低于灰?guī)r的平均阻抗,尤其遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于二疊系及以下地層灰?guī)r的平均阻抗。這也是在二疊系及以下地層灰?guī)r中激發(fā)效果比在三疊系灰?guī)r中激發(fā)效果更差的主要原因。高爆速Ⅱ型和高爆速Ⅲ型炸藥的阻抗也達(dá)不到灰?guī)r的平均阻抗;TNT炸藥阻抗略高于三疊系灰?guī)r的阻抗,但密度比三疊系灰?guī)r平均密度小0.91g/cm3,爆速比三疊系灰?guī)r平均速度高2650m/s;黑索金炸藥阻抗略高于二疊系及以下地層灰?guī)r的阻抗,但密度比二疊系及以下地層灰?guī)r的平均密度小0.93g/cm3,爆速比二疊系及以下地層灰?guī)r的平均速度高3350m/s。如果僅按照阻抗匹配關(guān)系,TNT炸藥在三疊系灰?guī)r中激發(fā),黑索金炸藥在二疊系及以下地層灰?guī)r中激發(fā)應(yīng)該都不存在問題,但實(shí)際激發(fā)效果并不理想[7]。分析其原因可以發(fā)現(xiàn),盡管兩種炸藥的阻抗都與灰?guī)r較為匹配,但其爆速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灰?guī)r的速度,密度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于灰?guī)r的密度。藥柱頂端起爆后,藥柱爆炸強(qiáng)應(yīng)力場區(qū)域偏離藥柱方向的角度太大[7],爆炸能量不能有效地輸入到地下淺、中、深層,一部分能量在極淺層被反射,一部分能量傳向地面,轉(zhuǎn)化為各類干擾波,影響地震數(shù)據(jù)的信噪比;偏離藥柱方向較大的能量即使輸入到地下,有限的排列長度也無法接收到反射信息,真正輸入到淺、中、深層又被地表檢波器接收到的能量仍然很弱。

表1 各種類型炸藥的性能指標(biāo)

表2 砂巖、灰?guī)r的阻抗參數(shù)

因此,對于灰?guī)r中炸藥震源激發(fā),不僅要達(dá)到炸藥阻抗與圍巖阻抗的匹配,而且兩者的密度和速度也不能相差太大。目前的炸藥爆速、密度都與灰?guī)r相差太大,所以無法匹配。當(dāng)然,還存在炸藥猛度、威力、爆容、爆壓、爆溫等做功參數(shù)是否適合灰?guī)r的問題?？傊?目前的炸藥與灰?guī)r不匹配也是灰?guī)r中激發(fā)效果差的主要原因之一。

2 改善灰?guī)r激發(fā)環(huán)境方法試驗(yàn)及效果分析

既然灰?guī)r的脆性強(qiáng)、彈性差,難以形成強(qiáng)地震波,目前的炸藥又不能與灰?guī)r匹配,能否通過降低灰?guī)r的脆性,增強(qiáng)灰?guī)r的彈性,來提高激發(fā)效果呢？

既往的地震資料表明,灰?guī)r區(qū)水中激發(fā)(即水炮)資料較岸上資料信噪比高,含水的井中激發(fā)比干井中激發(fā)資料信噪比高、能量強(qiáng),這些現(xiàn)象均表明灰?guī)r中含水后激發(fā)效果變好。因?yàn)樗乃俣仍?700m/s左右,比灰?guī)r速度低得多,密度也比灰?guī)r低得多,灰?guī)r含水后速度、密度變低,改善了炸藥與圍巖的匹配關(guān)系。而且灰?guī)r含水后脆性變?nèi)?、彈性變?qiáng),更有利于形成彈性波。為此,在鎮(zhèn)巴南地區(qū)進(jìn)行了炮井中灌水浸泡試驗(yàn),具有一定效果,井中浸水后激發(fā)的單炮記錄能量較未浸水的記錄明顯增強(qiáng),但仍然見不到反射同相軸(圖3),達(dá)不到水炮和含水井中激發(fā)的效果。分析其原因,主要是浸泡時(shí)間有限,且浸水深度不夠,灰?guī)r沒有得到充分浸泡,彈性仍然很差,速度仍然很高,與炸藥的匹配關(guān)系仍然很差。

文獻(xiàn)[10]認(rèn)為:當(dāng)炸藥與巖石阻抗很不匹配時(shí),使用合適阻抗和厚度的中間層,可有效地提高能量利用率,無需改變炸藥種類。由此可以推論,既然砂巖的彈性較好,與炸藥的匹配較好,如果在炸藥的應(yīng)力施加區(qū)將灰?guī)r改變?yōu)樯皫r或與砂巖相當(dāng)?shù)慕橘|(zhì),應(yīng)該可以提高應(yīng)力施加區(qū)的彈性,改善炸藥與圍巖的匹配,還可以使炸藥作用力不直接施加于灰?guī)r,減小對灰?guī)r的破壞,減小能量的損失,使更多爆炸能量轉(zhuǎn)換為彈性波。由于柱狀藥包頂端起爆,應(yīng)力主要向下施加,目前常用的高爆速Ⅰ型炸藥爆速不是很高,應(yīng)力場偏離藥柱方向較小[7],因此,改變藥柱正下方爆炸半徑以內(nèi)的激發(fā)巖性至關(guān)重要。只要在藥柱下方墊入足夠長度的砂巖或與砂巖相當(dāng)?shù)慕橘|(zhì),應(yīng)該會收到改善灰?guī)r激發(fā)環(huán)境的效果。

圖3 炮井中浸水激發(fā)試驗(yàn)的振幅補(bǔ)償后單炮記錄(a)及其能量分析(b)

為了驗(yàn)證以上推論,在綦江地區(qū)三疊系灰?guī)r出露區(qū)進(jìn)行了藥柱下方墊砂巖巖心和墊含沙水泥柱的激發(fā)試驗(yàn),并與常規(guī)方法激發(fā)(即藥柱下方不墊任何介質(zhì))的結(jié)果進(jìn)行對比。采用高爆速Ⅰ型炸藥激發(fā),井深22m,藥量12kg,按照(1)式計(jì)算出12kg炸藥爆炸半徑在1.927～2.190m。同時(shí),為了對比砂巖巖心和含沙水泥柱長度小于爆炸半徑和大于爆炸半徑的效果,選擇分別墊1m和3m長的砂巖巖心和含沙水泥柱進(jìn)行試驗(yàn)。

從試驗(yàn)獲得的單炮全頻段、分頻段記錄(圖4，圖5)的對比以及能量和信噪比定量分析結(jié)果(圖6)可以看到,藥柱下方墊3m砂巖巖心、墊3m含沙水泥柱激發(fā)單炮記錄的能量和信噪比都明顯高于常規(guī)激發(fā)單炮記錄,反射同相軸更加清晰;藥柱下方墊含沙水泥柱與墊砂巖巖心激發(fā)的單炮分頻段記錄相比,總體效果略差,但從全頻段單炮記錄上看兩者基本相當(dāng);而藥柱下方墊1m砂巖巖心、墊1m含沙水泥柱激發(fā)單炮記錄能量和信噪比與常規(guī)激發(fā)單炮記錄相當(dāng),遠(yuǎn)不如藥柱下方墊3m砂巖巖心、墊3m含沙水泥柱的單炮記錄。這主要是因?yàn)?m水泥柱、砂巖巖心的長度達(dá)不到爆炸半徑,而3m水泥柱、砂巖巖心則已超出爆炸半徑1m左右,也就是說有1m左右的巖心或含沙水泥柱在彈性區(qū)內(nèi)。

圖4 常規(guī)方法激發(fā)及藥柱下方墊水泥柱和墊砂巖巖心激發(fā)的全頻段(a)、10～20Hz分頻段(b)單炮記錄

圖5 常規(guī)方法激發(fā)及藥柱下方墊水泥柱和墊砂巖巖心激發(fā)的15～30Hz(a)、20～40Hz分頻段(b)單炮記錄

圖6 常規(guī)方法激發(fā)(紅色)及藥柱下方墊水泥柱(紫色)和墊砂巖巖心(藍(lán)色)激發(fā)單炮記錄定量分析結(jié)果

從頻譜分析結(jié)果(圖6)看,藥柱下方墊3m砂巖巖心、墊3m含沙水泥柱激發(fā)記錄低頻段振幅有所提高,說明改善激發(fā)環(huán)境后有利于產(chǎn)生低頻段有效反射信息,這正是我們期望的結(jié)果。因?yàn)榻乇淼幕規(guī)r往往溶洞、裂縫發(fā)育,對高頻信息吸收嚴(yán)重,而對低頻信息的吸收相對弱得多;同時(shí),較強(qiáng)的低頻信號抗干擾能力強(qiáng),有利于檢波器接收到較高信噪比的地震反射信息。

考慮藥柱頂端起爆,畢竟有一部分應(yīng)力偏離藥柱方向,如果在藥柱下方先炸出一個(gè)半徑3m左右的空腔,然后充填含沙水泥激發(fā),效果應(yīng)該會更好。于是在不同地區(qū)進(jìn)行了3次試驗(yàn),但效果都不明顯,原因主要是炸的空腔不夠大,要炸出半徑3m左右的空腔很難實(shí)現(xiàn),無論是采用大藥量還是采用小藥量多次爆破,都會造成井壁被炸毀,井口塌陷,無法再次下藥激發(fā)。不過這一做法即使試驗(yàn)成功,生產(chǎn)中也難以大批量采用,而且成本高、效率低。

3 結(jié)論與認(rèn)識

1) 灰?guī)r裸露區(qū)激發(fā)效果差的主要原因一是灰?guī)r的脆性強(qiáng)、彈性差,不利于生成彈性波,尤其是地震勘探需要的低頻彈性波;二是炸藥性能與灰?guī)r不匹配。

2) 藥柱下方墊入長度大于爆炸半徑的砂巖巖心或含沙水泥柱的方法可以改善灰?guī)r激發(fā)環(huán)境,提高地震波能量和信噪比,尤其是提高低頻段反射信息的能量和信噪比,拓寬低頻段的頻寬。

3) 藥柱下方墊砂巖巖心的激發(fā)效果略好于墊含沙水泥柱,但其成本較高,獲取完整的砂巖巖心難度較大,而且取巖心對鉆井進(jìn)度影響也較大,再者,全灰?guī)r岀露區(qū)施工需從工區(qū)外打井獲取砂巖巖心,搬運(yùn)難度很大,不便于施工。藥柱下方墊水泥柱雖然效果略差,但制作簡便,成本低,在現(xiàn)場就可以制作,只要摻入足夠的沙子,就能夠獲得與墊砂巖巖心接近的激發(fā)效果。

4) 井中灌水浸泡灰?guī)r的辦法能在一定程度上改善激發(fā)效果。因此,在不含水的井中墊含沙水泥柱之前若能先灌水充分浸泡,其激發(fā)效果會更好。但往往由于灰?guī)r中溶洞、裂縫發(fā)育,水流失嚴(yán)重,藥柱下方灰?guī)r未必能得到浸泡,造成無法實(shí)現(xiàn)或難以實(shí)現(xiàn)。

總之,改善灰?guī)r裸露區(qū)激發(fā)環(huán)境能夠改善激發(fā)效果,提高地震資料品質(zhì)。藥柱下方墊含沙水泥柱是較為廉價(jià)、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的改善激發(fā)環(huán)境的方法。

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(編輯：陳 杰)

Discussion on the improvement of the shooting circumstance for the seismic acquisition in limestone outcropped area

Qi Zhongshan

(SinopecExplorationBranchCompany,Chengdu610041,China)

Improving the shooting quality in limestone outcropped area is one of the difficulties for the seismic exploration in South China complex piedmont zone.By the analysis on the rupture status of sandstone and limestone after explosion,the limestone is verified as rigid rock with strong brittleness and worse elasticity,which is hardly to generate elastic wave especially the low-frequency elastic wave (which is necessary for seismic exploration) at the explosion moment.By the matching relationship analysis on explosive and limestone,it is revealed that the existing explosive performance cannot match the limestone.In terms of the explosion radius and the distribution of the stress field for columnar explosive,we tried to pad sandstone core longer than the explosion radius under the explosive column.As a result,the shooting quality has been obviously improved.

seismic shooting,limestone outcropped area,impedance,explosive radius,shooting circumstance

2014-09-02;改回日期：2015-01-05。

齊中山(1963—),男,高級工程師,主要從事地震資料采集和處理方面的研究工作。

P631

A

1000-1441(2015)04-0382-06

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.04.003