间隔装药在地震勘探爆爆技术中的研究与应用.docx
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间隔装药在地震勘探爆爆技术中的研究与应用
间隔装药在地震勘探爆爆技术中的研究与应用
地震勘探爆破是地球物理勘探的一种方法,它依据的是岩石的弹性。
地震勘探采用人工的方法(使用炸药或其他能源)在岩体中激发弹性波(地震波),沿侧线的不同位置用地震勘探仪器检测大地的震动。
把检测数据以数字形式记录在磁带上,通过计算机处理来提取有价值的信息。
最终以地质解释的形式显示其勘探的结果。
一、在激发过程存在如下问题
1.增大药量会以牺牲地震波的主频和宽频为代价
激发药量的选择应考虑以下几个方面的因素:
1)爆炸点周围岩性;2)要求的勘探深度;3)爆炸点与最远接收点的距离;4)仪器的灵敏度和勘探精度。
理论与实践结果表明:
在距离爆炸点较远的地方,地表某一点地震波的振幅与炸药量和岩层性质有如下关系:
A=KQm
式中:
A——地震波振幅;
K——与岩层性质有关的系数,对于干燥松软的地层K值较小;对于湿润或含水的地层K值较大;
m——与炸药量有关的指数,对于小药量m≈1;中等药量m≈1.5;大药量m≈2。
从上述式可知,在地层岩性一定的情况下,爆破激震药量较小时,振幅A与炸药量Q几乎成正比关系;药量增加时,振幅A随着炸药量Q的变化速率就变得越来越慢,如下图所示,当炸药量达到某一数值时,地震波的振幅A几乎不再随着炸药量的增加而增加,此时的Q1称为单井爆破激震的极限药量。
同时如前所述,增大药量还以牺牲地震波的主频和宽频为代价,不利于提高地震反射信号的分辨率。
所以,以增大药量的办法来增加地震波的能量毫无意义。
振幅与炸药量的关系图
2.组合井数过多同样不能解决激发质量问题
根据理论分析和大量的工程实践表明,对于范围不大、测线不长的地震勘探,因不同岩性地层而异,单井爆破激震的最佳药量为4-15kg,大致可装1-3节震源药柱。
当由于勘探范围较大、测线较长等因素必须增大震源激发装药量,以进一步有效地增加地震波的振幅时,通常采用组合井激发方式,即用多口炮井作为一炮同时爆炸来激发地震波。
采用组合井激发,在保持每个炮井的炸药量不变的条件下,增加了组合井的总药量和爆炸作用范围的面积,无疑可提高其爆破激震的效果。
多炮井激发的组合方式,有直线组合与面积组合,如下图所示。
图中δ叫作组合井距,组合井距的大小和组合井数量的多少可按经验公式或由实验确定,但组合井距不宜过大,一般不超过3m,且组合井中的各炸药包均应处在同一标高上。
组合井数也不宜过多,以得到如实反映地下岩层状态和地质记录为目的,否则会增大施工难度,提高施工成本。
组合激发示意图
(a)直线组合;(b)面积组合1;(c)面积组合2
3.大药量线性或面积组合激发产生的危害
对于深厚黄土区,潜水位较深,黄土层为松散层,单孔深井激发和组合激发其效果都不太理想的情况下,人们往往通过增加药量来满足地震勘探的需要。
其效果不仅不理想,而且对地面建筑和地下管网设施以及激发层位引起大范围破坏。
二、问题分析
1、地震勘探采集资料要求
爆破激发的地震波应满足下列基本要求:
(1)有足够的能量,以能够得到深层的反射为宜;
(2)持续时间要短,可以分辨很近的两个界面;
(3)可重复性,每次激发后的波形及其频谱差别很小;
(4)产生的噪声不影响反射波的检测。
事实上,地表条件往往十分复杂,上述条件很难同时达到。
实际工作中必须根据特定的勘探任务和近地表条件,适当调节激发参数,以获得最佳勘探效果。
衡量某种激发方式效果好坏的主要依据,主要包括三个方面:
能量、主频及频宽、地震波的传播方向性。
能量越高,地震波的主频越高、频带越宽,则激发效果越好。
地震波的传播方向性是由炸药的激发方向性或周围介质的不均匀性引起的,当组合基距或长药柱的爆速适当时,这种方向不会对地震记录产生明显影响。
但如果激发参数选取不当或激发条件不好,则会对浅中层的大倾角反射波产生明显影响,破坏地震记录的一致性。
2、影响激发效果的因素
(1)激发岩性
爆炸时的频谱,很大程度上取决于岩石的物理性质。
在干燥岩层(如砂层)或在软弱岩层(如淤泥)中爆炸,则频率很低,且爆炸的能量大部分被岩层所吸收,转化为有效的弹性能量不大。
在坚硬岩石中爆炸,则产生极高的频率,但随着地震波的传播,高频成分很快会吸收,且爆炸能量大部分消耗在破坏井壁的岩石上。
因此激发岩性应选取潮湿的可塑性岩石中,如胶泥、黏土、湿沙等。
这类岩石可使大量的爆炸能量转化为弹性波振动能量,且地震波具有显著的震动特性。
(2)药包埋深
对于反射波来说,药包宜埋置在潜水面以下3-5m的黏土层或泥岩中爆炸为佳,因为潜水面是一个很强的波阻抗面,爆炸所激发的能量由于潜水面的强烈反射作用而大部分向下传播,从而增强了有效波的能量。
如果药包埋藏较浅,激发的直接下行波与经过地表反射的次生下行波时差较小,且药包上方大都为非均匀介质,结果使接收到的地震波的特性曲线变得相当复杂。
对于潜水面过深,炮井难以达到潜水位以下的地区,激发层位应尽量选在不漏水的致密层中,并对炮井采取灌水及埋实措施。
最佳药包深度可以根据虚反射滤波特性确定,并按照微测井物探法的现场实测结果,根据波的频谱特性的平稳性及其宽度来选取最佳激发深度。
(3)激发药量
理论表明,在理想情况下(介质均匀、完全弹性、药包为球形),炸药爆炸产生的地震波振幅和能量与药包直径近似呈正比关系,而频率与药包直径近似呈反比关系。
在离开药包的距离超过其直径的几倍时,上述情况则与比例距离近似呈线性关系。
针对某一地区的具体条件,在地震勘探之前也可通过爆破试验确定。
但实践表明,在常规地震爆破中,激发药量的增大对于地震波的能量和振幅的增长影响是缓慢的,而且还会以牺牲主频和频宽为代价,不利于提高地震反射波信号的分辨率。
当勘探范围较大、测线较长等因素必须增大药量时,可采用组合爆破法。
(4)药包形状
药包形状的不规则性,将影响到激震荷载的均布和地震波传播的方向性,所以理想的药包为球形。
但在实际地震勘探中,往往采用近似具有集中药包特性的短柱药包。
此外,爆炸能量与岩石之间存在着几何耦合和阻抗耦合两种耦合关系。
几何耦合即药包直径与炮井直径相等,耦合系数为1.0;阻抗耦合则要求炸药与岩石介质的特征阻抗近似一致;此时激发的地震波能量最大。
(5)影响激发效果的被忽略因素
通过以上因素的分析,地震勘探队通过对上述条件的满足,在深厚黄土区或中深部勘探过程中取得的地震勘探激发效果有时候往往不理想。
人们忽略了两个重要因素。
a阻抗耦合:
即炸药波阻抗(炸药爆速与密度的乘积)与岩土波阻抗相近,此时激发的地震波能量最大,也就是说炸药能量转化为地震波的能量最大。
通常人们追求的是炸药与孔的几何耦合。
b炸药起爆后压缩波作用于孔壁的时间。
时间越长,由于地震波属于脉冲波,按理说地震采集资料质量越好,尤其是在基岩松散区和岩土介质松散区,炸药起爆后炸药的能量散失很大并且速度很快,起爆后的压缩波时间很短。
在大排列长炮间距地震勘探中,远道往往接受不上有效波。
如何解决这两种被忽略的关键因素,间隔装药的实施为我们提供了有效的办法。
三、间隔装药及其作用原理
间隔装药是将药柱分为若干段,用空气、水、岩渣等隔开,它是根据殉爆的原理对炮孔内炸药的能量进行合理分配的一种装药方法。
间隔装药爆破的本质是通过间隔介质改变药柱与炮孔壁的接触关系,以降低应力波和爆轰气体产物作用于孔壁的初始压力,使这种压力的作用时间延长,使炮孔周围不产生压碎区或压碎区明显减小,从而在减小炮孔装药量的情况下,依靠炸药能量有效利用率的提高,达到保证爆破破碎的目的。
在地震勘探中通过实施间隔装药可以实现炸药波阻抗与介质波阻抗接近。
地震勘探震源药柱的波阻抗通常为6000的爆速与1.4的乘积。
而岩土波阻抗通常为3000与1.5-1.7的乘积,波阻抗值相差2000左右。
怎样才能将炸药波阻抗与岩土波阻抗接近,唯一的办法就是通过孔底间隔使炸药起爆后所产生气体作用的空间增大,密度减小,在爆速不变的情况下,使炸药的波阻抗与岩土波阻抗接近,从而提高炸药能量转化为地震波的能量,其结构如下图。
1——孔内填塞物;2——为炸药;3——为孔底间隔空间
其作用原理为:
在间隔装药爆破过程中爆轰气体的能量先储蓄在空腔内,后以附加应力波的形式对介质形成多次加载,延长了应力作用于岩石的时间,使破碎孔壁的能量减少,而增加输送到周围介质的能量,其效果为如下图。
孔壁压力与作用时间的关系
该方法通过在工程爆破实践中的应用,人们将其特点归结为三点:
(1)不同间隔比例会产生不同的爆破效果,工程中可以根据石料的用途来确定间隔比例从而达到爆破目的。
(2)结合工程实际对间隔比例与爆破效果之间的关系进行验证,与前人通过理论推导计算和实验得到的结论相符,对以后类似的工程有一定的参考价值。
(3)通过实践证明,间隔装药爆破可以有效降低单耗,节约成本,能创造更好的经济效益。
四、间隔装药在地震勘探中的应用效果
山西某煤层气块地震勘探区大部分属于基岩区,由于该区勘探属于中深部勘探,通常人们将其设计为深孔大药量,采用低频检波器。
该区设计孔深为10m,炸药量为6kg。
但在实施过程中,由于公路行车干扰,采集质量较差,还有因基岩介质致密度和裂隙的差异,造成采集效果不理想。
为解决该问题,通过借鉴间隔装药法,解决公路附近干扰大,资料难采集的问题。
具体办法:
10m孔深,孔底4kg炸药,中间用土间隔,间隔距离0.5-0.8m左右,然后埋孔。
通过试验对比取得了较好的效果。
206试验炮井深10米,基岩孔属于刘家沟组砂岩,激发药量为4kg,之上垫土两到三锹土隔开,在下药2kg,埋孔,其单孔记录资料如下图。
207井深10m,基岩孔属于刘家沟组砂岩,激发药量为6kg,埋孔,与206孔相邻,其采集录资料如下图。
从面波干扰、有效波连续性和能量、频谱和波形上看,206孔的采集质量明显优于207孔。
其单炮频谱特征如下图。
206单炮频谱分析
207单炮频谱分析
从单跑频谱上分析,可以看出206孔因实施中间间隔装药,其能量和地震波作用时间比207孔要好,作用时间要长。
从能量、频谱和信噪比看,实施中间间隔装药激发的成果质量明显好于集中装药。
图中单号孔为集中装药孔,双号孔为中间间隔装药孔,从道间频率分析看,间隔装药孔频带宽,相对振幅适中,分辨率高。
从地震能量分析,间隔装药地震波能量低于集中装药,能量适中,对岩土介质破坏小,采集资料质量好。
五、结论
在地震勘探中,通过借用工程爆破间隔装药方法和技术参数,我们不仅解决了地震采集资料难、外界干扰大和不安全因素,而且提高了地震勘探爆破激发质量,降低了地震勘探爆破破坏范围和强度。
由于当时条件有限,如果事先进行充分试验,我们可以通过1kg炸药三级间隔的办法取得更好的采集质量,有效节省炸药使用量,至少节省三分之一的炸药使用量。
同时,为消除炸药爆炸所产生的有害气体创造的了条件。
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