改善灰岩裸露区地震激发环境的方法探讨

齐中山

(中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

改善灰岩裸露区地震激发环境的方法探讨

齐中山

(中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都610041)

提高灰岩裸露区地震激发效果是我国南方复杂山地探区地震勘探重点攻关的难题之一。通过对砂岩、灰岩中雷管爆炸后破裂情况的分析,认为灰岩为刚性岩石,脆性强、弹性差,在炸药爆炸瞬间不易产生弹性波,尤其地震勘探所需要的低频弹性波;分析炸药与灰岩的匹配关系,认为目前的炸药性能均无法与灰岩匹配;依据炸药爆炸半径和柱状炸药应力场分布情况,进行了在药柱下方垫入长度大于爆炸半径的砂岩岩心、含沙水泥柱从而改善灰岩激发环境的试验,收到了较为明显的效果。

地震激发;灰岩裸露区;阻抗;爆炸半径;激发环境

影响灰岩裸露区地震资料品质的因素很多,但激发效果差是主要因素之一。如何在灰岩中产生强的地震弹性波是灰岩裸露区地震资料采集需要解决的首要问题。以往人们采取了很多方法,诸如延迟激发、加大井深、加大或减小药量、多井组合、水泥闷井等等[1-2],期望解决灰岩中的激发问题,但效果甚微。对炸药药型也进行了大量试验,尽管高阻抗炸药比中、低阻抗炸药激发效果好,但地震反射波能量依然很弱[3-4]。近两年,通过对炸药在岩石中爆炸的机理研究和炸药与岩石的匹配关系研究,基本摸清了灰岩中激发效果差的主要原因;并从改善灰岩激发环境入手进行了大量试验,找到了效果改善明显且可实现性强的方法。

1 灰岩中激发效果差的原因分析

1.1 灰岩中炸药爆炸的机理分析

当炸药在岩石中爆炸时,会对周围介质产生破坏和震动效应,在爆炸半径范围内形成空腔区、压碎区和破裂区(图1)。爆炸空腔外,岩石受到爆炸冲击波的高压作用,岩石被压成粉末状,形成粉碎区(应力加载区);爆炸冲击波在通过粉碎区后,蜕变为压缩波,但其强度仍然超过岩体的抗压强度和抗拉强度,使岩体质点径向扩张产生拉伸和剪切破坏,出现纵横交错的裂隙,称之为破裂区(应力卸载区);破裂区之外为震动区(弹性变形区),压缩波这时已蜕变为弹性波,岩体只产生弹性形变[5]。

图1 炸药在岩石中爆炸后岩石变形区的划分

破裂区与原状岩体区的交界面至爆心的距离称为爆炸破坏区半径,经验计算公式为[6]:

RP=1.65KPC1/3

(1)

式中:RP为破坏区半径,单位为m;KP为岩石的破坏系数,一般为0.51～0.58;C为等效TNT装药量,单位为kg。

从雷管在砂岩中爆炸和在灰岩中爆炸后岩石的破碎情况(图2)可以看出:同样是1发雷管,砂岩被炸开的范围大(图2a),灰岩被炸开的范围小(图2b);4发雷管在砂岩中爆炸后,砂岩是块状的(图2c);而2发雷管在灰岩中爆炸后,灰岩破碎严重(图2d)。这些现象表明,砂岩的塑性强,可压缩性强,受外力作用质点位移特征明显,应力卸载区为塑性区,有利于形成弹性波,因此砂岩中激发效果较好;而灰岩的刚性强,脆性强,塑性差,可压缩性差,质点位移特征不明显,卸载区几乎不是塑性区,雷管或炸药爆炸能量大部分用于炸碎岩石,少部分转化为弹性波。同时,正由于灰岩的刚性强,可压缩性差,形成的弹性波频率极高,可达到上千甚至数千赫兹[7],这些高频弹性波的形成又消耗了一大部分能量,剩余的少部分能量转化为地震勘探所需要的低频弹性波。高频弹性波能量在地层中被迅速衰减吸收,低频弹性波能量本身很弱,再经过地层的吸收衰减,反射到地表的能量更弱,从而导致检波器接收到的能量很弱,单炮记录特征是次生干扰极重,微弱的有效反射被淹没在极强的次生干扰之中。这就是灰岩裸露区激发效果差、地震记录信噪比低的主要原因之一。

图2 雷管在砂岩和灰岩中爆炸后岩石的破碎情况

1.2 炸药与灰岩的匹配关系分析

长期以来,人们一直沿用炸药和岩石的阻抗作为匹配的依据,并且认为最佳的匹配是炸药阻抗等于岩石阻抗[8-9]。但实际上不仅仅如此,从表1和表2 中可以看出,目前常用的高爆速Ⅰ型炸药的平均阻抗与砂岩平均阻抗相当,高爆速Ⅰ型炸药的平均密度比砂岩的平均密度小0.60g/cm3,爆速比砂岩平均速度高1500m/s;而高爆速Ⅰ型炸药的平均阻抗却明显低于灰岩的平均阻抗,尤其远远低于二叠系及以下地层灰岩的平均阻抗。这也是在二叠系及以下地层灰岩中激发效果比在三叠系灰岩中激发效果更差的主要原因。高爆速Ⅱ型和高爆速Ⅲ型炸药的阻抗也达不到灰岩的平均阻抗;TNT炸药阻抗略高于三叠系灰岩的阻抗,但密度比三叠系灰岩平均密度小0.91g/cm3,爆速比三叠系灰岩平均速度高2650m/s;黑索金炸药阻抗略高于二叠系及以下地层灰岩的阻抗,但密度比二叠系及以下地层灰岩的平均密度小0.93g/cm3,爆速比二叠系及以下地层灰岩的平均速度高3350m/s。如果仅按照阻抗匹配关系,TNT炸药在三叠系灰岩中激发,黑索金炸药在二叠系及以下地层灰岩中激发应该都不存在问题,但实际激发效果并不理想[7]。分析其原因可以发现,尽管两种炸药的阻抗都与灰岩较为匹配,但其爆速远远高于灰岩的速度,密度却远远低于灰岩的密度。药柱顶端起爆后,药柱爆炸强应力场区域偏离药柱方向的角度太大[7],爆炸能量不能有效地输入到地下浅、中、深层,一部分能量在极浅层被反射,一部分能量传向地面,转化为各类干扰波,影响地震数据的信噪比;偏离药柱方向较大的能量即使输入到地下,有限的排列长度也无法接收到反射信息,真正输入到浅、中、深层又被地表检波器接收到的能量仍然很弱。

表1 各种类型炸药的性能指标

表2 砂岩、灰岩的阻抗参数

因此,对于灰岩中炸药震源激发,不仅要达到炸药阻抗与围岩阻抗的匹配,而且两者的密度和速度也不能相差太大。目前的炸药爆速、密度都与灰岩相差太大,所以无法匹配。当然,还存在炸药猛度、威力、爆容、爆压、爆温等做功参数是否适合灰岩的问题。总之,目前的炸药与灰岩不匹配也是灰岩中激发效果差的主要原因之一。

2 改善灰岩激发环境方法试验及效果分析

既然灰岩的脆性强、弹性差,难以形成强地震波,目前的炸药又不能与灰岩匹配,能否通过降低灰岩的脆性,增强灰岩的弹性,来提高激发效果呢？

既往的地震资料表明,灰岩区水中激发(即水炮)资料较岸上资料信噪比高,含水的井中激发比干井中激发资料信噪比高、能量强,这些现象均表明灰岩中含水后激发效果变好。因为水的速度在1700m/s左右,比灰岩速度低得多,密度也比灰岩低得多,灰岩含水后速度、密度变低,改善了炸药与围岩的匹配关系。而且灰岩含水后脆性变弱、弹性变强,更有利于形成弹性波。为此,在镇巴南地区进行了炮井中灌水浸泡试验,具有一定效果,井中浸水后激发的单炮记录能量较未浸水的记录明显增强,但仍然见不到反射同相轴(图3),达不到水炮和含水井中激发的效果。分析其原因,主要是浸泡时间有限,且浸水深度不够,灰岩没有得到充分浸泡,弹性仍然很差,速度仍然很高,与炸药的匹配关系仍然很差。

文献[10]认为:当炸药与岩石阻抗很不匹配时,使用合适阻抗和厚度的中间层,可有效地提高能量利用率,无需改变炸药种类。由此可以推论,既然砂岩的弹性较好,与炸药的匹配较好,如果在炸药的应力施加区将灰岩改变为砂岩或与砂岩相当的介质,应该可以提高应力施加区的弹性,改善炸药与围岩的匹配,还可以使炸药作用力不直接施加于灰岩,减小对灰岩的破坏,减小能量的损失,使更多爆炸能量转换为弹性波。由于柱状药包顶端起爆,应力主要向下施加,目前常用的高爆速Ⅰ型炸药爆速不是很高,应力场偏离药柱方向较小[7],因此,改变药柱正下方爆炸半径以内的激发岩性至关重要。只要在药柱下方垫入足够长度的砂岩或与砂岩相当的介质,应该会收到改善灰岩激发环境的效果。

图3 炮井中浸水激发试验的振幅补偿后单炮记录(a)及其能量分析(b)

为了验证以上推论,在綦江地区三叠系灰岩出露区进行了药柱下方垫砂岩岩心和垫含沙水泥柱的激发试验,并与常规方法激发(即药柱下方不垫任何介质)的结果进行对比。采用高爆速Ⅰ型炸药激发,井深22m,药量12kg,按照(1)式计算出12kg炸药爆炸半径在1.927～2.190m。同时,为了对比砂岩岩心和含沙水泥柱长度小于爆炸半径和大于爆炸半径的效果,选择分别垫1m和3m长的砂岩岩心和含沙水泥柱进行试验。

从试验获得的单炮全频段、分频段记录(图4，图5)的对比以及能量和信噪比定量分析结果(图6)可以看到,药柱下方垫3m砂岩岩心、垫3m含沙水泥柱激发单炮记录的能量和信噪比都明显高于常规激发单炮记录,反射同相轴更加清晰;药柱下方垫含沙水泥柱与垫砂岩岩心激发的单炮分频段记录相比,总体效果略差,但从全频段单炮记录上看两者基本相当;而药柱下方垫1m砂岩岩心、垫1m含沙水泥柱激发单炮记录能量和信噪比与常规激发单炮记录相当,远不如药柱下方垫3m砂岩岩心、垫3m含沙水泥柱的单炮记录。这主要是因为1m水泥柱、砂岩岩心的长度达不到爆炸半径,而3m水泥柱、砂岩岩心则已超出爆炸半径1m左右,也就是说有1m左右的岩心或含沙水泥柱在弹性区内。

图4 常规方法激发及药柱下方垫水泥柱和垫砂岩岩心激发的全频段(a)、10～20Hz分频段(b)单炮记录

图5 常规方法激发及药柱下方垫水泥柱和垫砂岩岩心激发的15～30Hz(a)、20～40Hz分频段(b)单炮记录

图6 常规方法激发(红色)及药柱下方垫水泥柱(紫色)和垫砂岩岩心(蓝色)激发单炮记录定量分析结果

从频谱分析结果(图6)看,药柱下方垫3m砂岩岩心、垫3m含沙水泥柱激发记录低频段振幅有所提高,说明改善激发环境后有利于产生低频段有效反射信息,这正是我们期望的结果。因为近地表的灰岩往往溶洞、裂缝发育,对高频信息吸收严重,而对低频信息的吸收相对弱得多;同时,较强的低频信号抗干扰能力强,有利于检波器接收到较高信噪比的地震反射信息。

考虑药柱顶端起爆,毕竟有一部分应力偏离药柱方向,如果在药柱下方先炸出一个半径3m左右的空腔,然后充填含沙水泥激发,效果应该会更好。于是在不同地区进行了3次试验,但效果都不明显,原因主要是炸的空腔不够大,要炸出半径3m左右的空腔很难实现,无论是采用大药量还是采用小药量多次爆破,都会造成井壁被炸毁,井口塌陷,无法再次下药激发。不过这一做法即使试验成功,生产中也难以大批量采用,而且成本高、效率低。

3 结论与认识

1) 灰岩裸露区激发效果差的主要原因一是灰岩的脆性强、弹性差,不利于生成弹性波,尤其是地震勘探需要的低频弹性波;二是炸药性能与灰岩不匹配。

2) 药柱下方垫入长度大于爆炸半径的砂岩岩心或含沙水泥柱的方法可以改善灰岩激发环境,提高地震波能量和信噪比,尤其是提高低频段反射信息的能量和信噪比,拓宽低频段的频宽。

3) 药柱下方垫砂岩岩心的激发效果略好于垫含沙水泥柱,但其成本较高,获取完整的砂岩岩心难度较大,而且取岩心对钻井进度影响也较大,再者,全灰岩岀露区施工需从工区外打井获取砂岩岩心,搬运难度很大,不便于施工。药柱下方垫水泥柱虽然效果略差,但制作简便,成本低,在现场就可以制作,只要掺入足够的沙子,就能够获得与垫砂岩岩心接近的激发效果。

4) 井中灌水浸泡灰岩的办法能在一定程度上改善激发效果。因此,在不含水的井中垫含沙水泥柱之前若能先灌水充分浸泡,其激发效果会更好。但往往由于灰岩中溶洞、裂缝发育,水流失严重,药柱下方灰岩未必能得到浸泡,造成无法实现或难以实现。

总之,改善灰岩裸露区激发环境能够改善激发效果,提高地震资料品质。药柱下方垫含沙水泥柱是较为廉价、可实现性强的改善激发环境的方法。

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(编辑：陈 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。

齐中山(1963—),男,高级工程师,主要从事地震资料采集和处理方面的研究工作。

P631

A

1000-1441(2015)04-0382-06

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.04.003