基于阻隔介質(zhì)的勘探震源藥柱殉爆距離推算

陳凱濱, 李 彪, 劉 偉, 胡 峰, 李子軒, 吳曉華

(1.中國(guó)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(guó)石油西南油氣田川中采氣管理處,遂寧 629000)

0 引言

地震勘探啞炮處置的方法主要有三種：①井下重新裝藥誘爆[1];②取出井下拒爆藥包[1];③借鑒深孔爆破打平行(徑向)井的殉爆處置。前二種方法常因激發(fā)井中的填塞物無(wú)法取出而難于實(shí)施。殉爆法雖可以規(guī)避取井中填塞物這一瓶頸，但該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)沒(méi)有給出在不同阻隔介質(zhì)下的井下藥柱最大殉爆距離。李錚等[2]研究獲得了空氣介質(zhì)條件下各種工業(yè)炸藥的殉爆距離參考成果;宗琦[3]就巖石中爆炸沖擊波能量分布規(guī)律也進(jìn)行了探索;張福宏[4]就炸藥藥卷在炮眼中殉爆距離計(jì)算經(jīng)驗(yàn)式的建立;王晨等[5]就殼裝炸藥殉爆實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬;馮海龍[6]就爆炸沖擊波的簡(jiǎn)化計(jì)算方法概述,但均未形成殉爆距離隨不同阻隔介質(zhì)變化的規(guī)律性認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)算法。為此，筆者首先通過(guò)井筒內(nèi)空氣介質(zhì)軸向殉爆實(shí)驗(yàn)，獲取藥柱殉爆基值，根據(jù)爆轟沖擊力傳播作用原理和爆炸相似原理和喻長(zhǎng)智等[7]柱狀藥包爆破沖擊波作用區(qū)域的理論計(jì)算，建立起勘探炮井內(nèi)乳化震源藥柱殉爆距離推算的經(jīng)驗(yàn)公式。而后按不同間距鉆相等井深的平行井、主發(fā)井裝藥深度及裝藥量與被發(fā)井一致，監(jiān)測(cè)驗(yàn)證砂巖阻隔介質(zhì)下井間徑向殉爆結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的符合度。

1 爆轟殉爆原理

殉爆是指當(dāng)炸藥(主發(fā)藥包)發(fā)生爆炸時(shí)，由于爆轟波的作用引起相隔一定距離的另一藥包(被發(fā)藥包)爆炸的現(xiàn)象和李仕洪等[8]工業(yè)炸藥殉爆距離試驗(yàn)方法的改進(jìn)。無(wú)論處于介質(zhì)中任何一點(diǎn)，只要某點(diǎn)的起爆能量達(dá)到炸藥的最小起爆感度，位于該點(diǎn)的炸藥既能被引爆?？碧缴羁籽潮煞譃檠鼐驳妮S向殉爆和井筒間的徑向殉爆二種方式，當(dāng)藥包間為巖石介質(zhì)時(shí)，由于巖石直接受到主發(fā)藥包爆炸的巨大壓力和高溫作用，巖石受到壓縮而形成空腔破碎帶(半徑不超過(guò)藥包半徑的2倍～7倍)和裂隙帶(井孔半徑8倍～150倍)[7]，爆轟沖擊波穿過(guò)破碎帶后，其沖擊壓力仍能達(dá)到鄰近被發(fā)藥包起爆的臨界壓力，則被發(fā)藥包出現(xiàn)殉爆。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

距井筒線30 m，鋪設(shè)24道地震勘探記錄儀、逐點(diǎn)布置L20-S爆破測(cè)振儀實(shí)施殉爆監(jiān)測(cè)，進(jìn)行井內(nèi)軸向飽和砂介質(zhì)的殉爆測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲取軸向炮井乳化震源藥柱殉爆基值。

2.1 軸向殉爆激發(fā)及監(jiān)測(cè)方法

1)井筒及記錄儀器布設(shè)(圖1)。24道小折射儀排列長(zhǎng)度按高速層折射波時(shí)距曲線的控制距離不小于40 m為原則設(shè)計(jì)[9]，實(shí)時(shí)采集各試驗(yàn)炮井激發(fā)時(shí)的爆破能量；使用L20-S爆破測(cè)振儀，確保振動(dòng)傳感器與介質(zhì)緊密接觸，不得出現(xiàn)松動(dòng)與滑動(dòng)現(xiàn)象[10]，現(xiàn)場(chǎng)分別監(jiān)測(cè)各試驗(yàn)炮井激發(fā)時(shí)的爆破振動(dòng)峰值。

圖1 軸向殉爆激發(fā)及監(jiān)測(cè)方法示意圖

2)測(cè)定固定藥量爆破能量。地表砂巖區(qū)鉆2口炮井，井深為15 m，分別裝1 kg、3 kg震源藥包，獲取爆破能量值和爆破振動(dòng)峰值，該值用于3 kg藥量分析為1 kg主發(fā)、2 kg被發(fā)在不同間距飽和砂介質(zhì)下軸向殉爆測(cè)試記錄的能量及振動(dòng)峰值速度比較。

3)殉爆裝藥。采用成型藥柱空筒，按設(shè)計(jì)殉爆間距值制作模具，保證主發(fā)藥柱與被發(fā)藥柱間隔為0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm共6種間隔距。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 爆破振動(dòng)峰值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

比較表1中測(cè)振儀峰值速度，分析激發(fā)殉爆間隔距離在0 cm～30 cm范圍，其振動(dòng)峰值速度高于1 kg爆破振動(dòng)峰值，近似于3 kg的爆破振動(dòng)峰值速度，可判定為被殉爆；間隔40 cm殉爆的爆破振動(dòng)峰值近似1 kg爆破振動(dòng)峰值，可判定未被完全殉爆。

表1 侏羅系軸向炮井殉爆爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)表

2.2.2 小折射儀采集記錄數(shù)據(jù)

從24道折射儀監(jiān)視記錄定性和道能量的定量比較看出(圖2、圖3)：分析激發(fā)殉爆間隔在0 cm～30 cm范圍，其能量與3 kg的爆破能量接近，可判定為被殉爆；間隔40 cm殉爆的爆破能量近似1 kg爆破能量，可判定未被殉爆。其中顯示的能量誤差主要因?yàn)榉墙^對(duì)同一時(shí)刻激發(fā)實(shí)驗(yàn)，各道記錄的環(huán)境噪聲變化所致。

圖2 間距0 cm、0 cm、0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm軸向炮井殉爆監(jiān)視記錄

圖3 間距0 cm、0 cm、0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm軸向炮井誘爆單炮能量

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)飽和砂介質(zhì)下軸向殉爆試驗(yàn)，測(cè)振儀和小折射儀記錄的數(shù)據(jù)說(shuō)明：主發(fā)藥1 kg，被發(fā)藥2 kg，井筒內(nèi)最大殉爆距離≤30 cm。

3 計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式的建立

飽和砂介質(zhì)條件下的井筒內(nèi)軸向殉爆實(shí)驗(yàn)，條形藥柱主發(fā)藥與被發(fā)藥藥柱半徑一致，爆轟傳播為軸向，鑒于乳化藥柱起爆的藥型特點(diǎn)，在不考慮主發(fā)與被發(fā)藥包方向的前提條件下，推導(dǎo)如下：

根據(jù)沖擊波傳播作用數(shù)學(xué)表達(dá)式[7]，即

p=p0/Rα

(1)

式中：p為巖石中沖擊波峰值壓力；p0為炸藥爆炸后巖石界面上的初始沖擊波壓力；R為比距離，R=r/re；r為與沖擊波壓力p對(duì)應(yīng)點(diǎn)處距爆源的距離；re為藥包半徑；α為壓力衰減系數(shù)。則

軸向殉爆沖擊波：

p軸=P0/Rα砂

(2)

徑向殉爆沖擊波：

p徑=P0/Rα介

(3)

在井深、震源藥柱、裝藥結(jié)構(gòu)一致的情況下，利用爆破相似原理，不考慮主發(fā)與被發(fā)藥包方向的前提條件下，軸向和徑向殉爆的沖擊波一致。依據(jù)土中爆破機(jī)理和軸向炮井殉爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)，軸向間隔介質(zhì)r砂為30 cm，藥柱半徑re為3 cm；r介為徑向介質(zhì)間距，α砂為飽和砂介質(zhì)應(yīng)力波衰減系數(shù)，α介為阻隔介質(zhì)衰減系數(shù)，則

p0/(r砂/re)α砂=p0/(r介/re)α介

(4)

即 (r砂/re)α砂=(r介/re)α介

r介/re=[(r砂/re)r砂]1/α介

依據(jù)軸向炮井空氣介質(zhì)殉爆獲取的基值(r砂取30 cm，re取3 cm，α砂為飽和砂介質(zhì)應(yīng)力波衰減系數(shù)取1.05[7])，可推算出以下比例距離計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

r介=3[(r砂/re)1/1.05]1/α介

根據(jù)比例距離公式[6]：r介=R/Q1/3

R=3[(r砂/re)1/1.05]1/α介Q1/3

(5)

其中：r砂取30 cm；re取3 cm；α介為巖石應(yīng)力波衰減系數(shù)；R為殉爆距離,cm；Q為主發(fā)藥量,kg。

則式(5)可簡(jiǎn)化為：

R=3[(10)1/1.05]1/α介Q1/3

(6)

石灰?guī)r、砂巖、泥巖泊松比μ見(jiàn)表2。

表2 巖石泊松比μ

表3 石灰?guī)r、砂巖、泥巖α介值

結(jié)合本次侏羅系砂巖地層井中(軸向)間隔為30 cm可殉爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)，r取30 cm。分別代入式(6)得1 kg～6 kg石灰?guī)r、砂巖、泥巖介質(zhì)殉爆距離模擬計(jì)算經(jīng)驗(yàn)值(表4、圖4)。

表4 石灰?guī)r、砂巖、泥巖介質(zhì)殉爆距離模擬計(jì)算經(jīng)驗(yàn)值

表5 測(cè)試及驗(yàn)證試驗(yàn)徑向炮井殉爆振動(dòng)峰值監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)宗琦[3]巖石中爆炸沖擊波能量分布規(guī)律初探，α介=2-μ/(1-μ)石灰?guī)r泊松比μ取0.23，砂巖泊松比μ取0.30，泥巖泊松比μ取0.35，則石灰?guī)r、砂巖、泥巖α介值(見(jiàn)表3)。

圖4 石灰?guī)r、砂巖和泥巖石介質(zhì)殉爆距離模擬計(jì)算經(jīng)驗(yàn)值曲線圖

圖5 徑向殉爆激發(fā)與監(jiān)測(cè)方法示意圖

圖6 砂巖間距30 cm、50 cm、70 cm、90 cm徑向殉爆監(jiān)視記錄

圖7 砂巖間距30 cm、50 cm、70 cm、90 cm徑向殉爆單炮能量

圖8 砂巖間距40 cm、60 cm、80 cm、100 cm徑向殉爆監(jiān)視記錄

4 驗(yàn)證測(cè)試

距井筒線30 m，鋪設(shè)24道地震勘探記錄儀、逐點(diǎn)布置L20-S爆破測(cè)振儀實(shí)施殉爆監(jiān)測(cè)，進(jìn)行徑向井(井深為15 m，藥量為6 kg)阻隔介質(zhì)不同間距(30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm)的殉爆驗(yàn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)(圖5)。

4.1 測(cè)振儀振動(dòng)峰值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

從圖5可以看出砂巖和灰?guī)r地層各間距殉爆爆破振動(dòng)峰值接近，無(wú)明顯突出峰值，說(shuō)明主發(fā)藥起爆后，設(shè)計(jì)間隔30 cm～100 cm的被發(fā)藥未殉爆。

4.2 24道小折射儀采集資料數(shù)據(jù)

通過(guò)24道小折射儀記錄的單炮爆破能量，主發(fā)炮孔藥包爆炸時(shí)，爆破能量未見(jiàn)明顯增大，與爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致(圖6～圖11)。

圖11 灰?guī)r間距30 cm、50 cm、70 cm、90 cm徑向炮井殉爆單炮能量

4.3 驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)徑向殉爆試驗(yàn)，根據(jù)爆破測(cè)振儀和24道小折射儀采集的數(shù)據(jù)，主發(fā)炮井在間距30 cm～100 cm，藥柱間介質(zhì)為砂巖和灰?guī)r條件下，被發(fā)炮井內(nèi)藥包未被殉爆。

圖9 砂巖間距40 cm、60 cm、80 cm、100 cm徑向殉爆單炮能量

圖10 徑向主發(fā)炮井、被發(fā)炮井激發(fā)監(jiān)視記錄

5 結(jié)論

通過(guò)本次殉爆法啞炮處置測(cè)試研究，得到以下結(jié)論：

1)開(kāi)展軸向殉爆試驗(yàn)，得到主發(fā)乳化炸藥為1 kg，泥砂介質(zhì)下殉爆可靠性邊界距離為30 cm～40 cm；徑向殉爆試驗(yàn)，主發(fā)乳化炸藥為4 kg、6 kg，泥砂介質(zhì)下徑向(平行井)殉爆邊界距離小于30 cm。

2)基于測(cè)試和驗(yàn)證數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，利用爆破相似原理，建立起阻隔介質(zhì)下的勘探震源藥柱炮井間徑向殉爆距離計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，形成的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于砂巖介質(zhì)區(qū)殉爆驗(yàn)證測(cè)試，所得結(jié)果吻合度高。

3)形成了地震勘探啞炮軸向殉爆處置技術(shù)，在取出井中填塞物條件下，可以推廣軸向殉爆處置技術(shù)的應(yīng)用。

4)借鑒試驗(yàn)和探索演算結(jié)果，地震勘探深孔爆破出現(xiàn)啞炮，采用徑向(平行井)殉爆處置法，由于殉爆距離小，對(duì)鉆平行孔實(shí)施工藝要求高，難度大，不建議采用徑向(平行井)殉爆方式處置啞炮。