精确地震勘探中炸药激发约束因素分析

陈凯滨，胡 峰，李 彪，李子轩

(1.中国石油东方地球物理勘探公司西南物探分公司，成都610213；2.中国石油西南油气田川中气矿,四川 遂宁 629000)

地震勘探法是通过人工激发所引起的弹性波，利用地下介质弹性和密度的差异，观测和分析各种地震波在地下的传播规律，推断地下岩层性质和形态的地球物理方法，亦称反射地震勘探方法(见图1)，它是一项复杂的系统工程，主要包括震源激发地震波、地下多波资料采集、地震资料处理和解释[1]。陆上勘探采集是将深孔按一定炮孔密度垂直布设于地面，逐井次激发形成人工地震波，勘探激发为单一自由面，孔径为70～90 mm；炸药采用直径60 mm专用硝铵或乳化震源药柱；单井装药量可根据勘探目标埋深和分辨频率要求，由试验确定。

图1 反射地震勘探原理Fig.1 Principle of reflection seismic prospecting

1 炸药爆炸地震波

1.1 地震波特征

地震波是由地下介质质点弹性运动转换而成，因传播路径不同，分为直达波、折射波和反射波。地震波场理论认为[2]：地震波的运动学特征为直线和双曲线(见图2)，动力学特征为爆炸能引起介质振动的振幅、频率与传播路径关系，即

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注：t表示时间；x表示距离;v表示速度；1/v1为直达波斜率；1/v2为折射波斜率。图2 水平界面地震波的时间-距离Fig.2 Time-distance of seismic waves in horizontal interface

1.2 地震波能量

爆炸理论认为：爆炸能量向地震波能量转换存在E=PK的关系。地震波的能量P∝f[药量、爆速、密度]，转换关系系数K∝f[井深、装药结构、爆炸耦合]。

爆炸能量与一次爆炸药量、爆速、密度成正比关系，选定了炸药类型，P即相对固定；炸药种类确定后，能量转换系数K即是影响炸药震源满足“饱和激发”的重要参数，与激发井深、装药结构、爆炸耦合息息相关。

2 精细激发约束因素及分析

岩石中爆炸能量释放后形成脉冲压碎圈、冲击裂隙圈和地震波弹性圈[3]。地震勘探将爆炸破碎区和裂隙区统称为破坏带，因此，在精确地震勘探爆炸震源激发设计中应充分考虑破坏带的影响。

2.1 激发井深

地下介质速度和密度不同会形成多个地震虚反射波阻抗界面，利用虚反射原理设计激发井深，能有效增强下传地震波能量。因此，浅地表虚反射界面(高速层界面)深度(H0)下四分之一波长处为理想激发深度，即炮孔深度。

H=H0+H′+ΔH

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式中：H0为浅地表虚反射界面深度；H′为药柱长度；ΔH为校正参数(一般3～5 m)。

1)考虑柱状装药爆炸后不能形成塌落拱(见图3)。当炮井埋置深度足够时，因土岩介质具有碎胀特性，腔体上部区域内的介质会塌落至某一临界深度(忽略腔体横向范围内的相互作用)，此深度上部的岩体不会受到影响。此时，最小埋置深度可按下式计算[4-5]：

图3 柱状装药结构及爆腔Fig.3 Column charge structure and blasting cavity

(3)

式中：Dmin为炮井的最小埋置深度，m；L为单井药量柱状药包的长度，m；kp为土岩介质的碎胀系数(黏土页岩1.4，砂质页岩1.6～1.8，硬砂岩1.5～1.8)。

2.2 组合激发

2.3 延时激发

采用多级延时装药自上而下激发(见图4)，使爆炸单元产生的地震波在小入射角时(小于45°)形成垂向叠加，同时提高地震波主频和能量；大入射角波横向时差增大，减小对地面的爆炸振动和破坏带危害。

图4 多级延时爆破装药及激发叠加机理Fig.4 The activation mechanism of multistage delayed blasting charge

实践中采用延时爆炸技术应基于3个条件来确定[6]。

1)爆破半径。两级装药间距应大于一级装药爆炸后形成的破坏区半径。

2)延时时间。一级装药爆炸形成的冲击波到达第二级装药时，二级装药起爆，此时能形成波前面叠加(见图4e)，则最佳延时时间为

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3)殉爆距离。级间装药间隔应大于炸药爆炸殉爆距离

(5)

式中：K为与炸药性质、隔离介质有关的系数；q为级装药量。

经川中侏罗系地层三级激发试验证明：级间距2 m，非电延时1±0.5 ms，药柱总长5.05 m，炸药爆速4 500 m/s时,延时激发剖面较普通激发频宽增大约15 Hz左右，提高了薄层分辨能力(见图5)；单炮同等药量激发距井口50 m地面振动幅度降低约28%。

注：CMP为地震测网布设位置编号图5 地震剖面及频谱对比Fig.5 Comparison of the seismic profile and frequency spectrum

目前，制约垂向延时爆炸规模化的使用，关键在于延时雷管制造精度、装药工艺优化和编译码同步激发方式等工艺技术问题的突破。

2.4 爆炸耦合

爆破技术理论和实践证明，激发耦合程度与增强地震波的下传能量有关，激发耦合包括阻尼耦合和几何耦合。

1)阻尼耦合反映结构内部的能量耗散，药柱在围岩中激发，会因介质夹制作用而耗能。阻尼耦合的好坏用匹配系数a来衡量，a=ρ1v1/ρ2v2，其中ρ1v1为炸药阻抗，ρ2v2为围岩阻抗[7]。为此，通过四川盆地金华1井区三维勘探时开展的铵梯炸药与乳化炸药的耦合对比试验，证明了激发阻尼耦合的有效性。在能量相当的情况下，中生代地层激发乳化炸药与岩层阻尼耦合系数接近1(见图6a)，并且激发记录的有效频带更宽(见图6c)。

图6 三种炸药激发阻尼耦合效果比较Fig.6 Comparison of damping coupling effect by three kinds explosives stimulated

2)几何耦合指药柱与井壁的结合程度。径向不耦合激发，会形成预裂和光面爆破效应，降低激发地震波能量。因此，勘探打井在钻头直径选择和装药工艺上期望实现几何耦合全匹配，必须兼顾最小抵抗线和径向耦合，药柱轴向下到井底，填塞长度应不小于井深与装药顶部抵抗线的1.2倍。

遇满水介质井和泥浆介质井，药柱顶应加盖防浮锚且确保药柱装药到井底；若遇无水井，不需加盖防浮锚，否则会导致填塞受阻，可能造成药柱与围岩径向不耦合激发。

2.5 爆炸振动

地震勘探野外施工区域地表条件具有多样性，爆炸所产生的振动效应不能有效控制时，势必会对周围的环境造成破坏或损伤。

1)建筑物振动安全距离理论计算[8]。在不考虑高差的条件下，勘探炮井与建筑物的安全距离(见图7)为

图7 建筑物振动安全距离Fig.7 Vibration safety distance of buildings

L=Rsinθ

(6)

2)对地面其他保护对象，爆炸激发震源引起的振动影响范围，也可采用经验公式[9]计算：

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式中：a为爆破性质系数，地震勘探可取为1.2；k为地基系数，一般坚硬致密岩取3，坚硬破碎岩取5，砾石取7，砂石取8，黏土取9；R为振动影响半径，m；Q为炮井炸药量，组合爆炸为总药量，延时爆炸为最大段药量。

实际施工中选定井位安全距离，应遵循在上述理论计算值的基础上增加一个炮点不同方向允许的最大偏移距。

3)电子围栏约束技术。“二宽一高”勘探技术的应用，要求区域内炮点密度大，为兼顾炮点均匀性与振动安全性，西南物探公司基于勘探、爆破和IT技术融合，建立了炮点优选电子围栏技术平台，后台借鉴地面不同建筑物爆破安全允许值建立数据库[10]，人机联作界面借助子菜单分步输入参数，输出保护对象安全围栏与设计炮点共存的可视化界面。技术人员通过这个平台在室内干预选点，有效规避了振动危害风险。同时，将该研究成果应用于四川盆地公山庙高密度三维的勘探，效果十分满意(见图8)。

图8 电子围栏在三维地震勘探炮点选定中的应用Fig.8 Application of electronic fence in the selection of shot points for 3D seismic prospecting

需要注意的是：针对高清地理信息背景无法反映的隐蔽地物(如水井、墓地等)，须依靠现场定井员详细摸排后，及时向室内回馈信息，技术负责人循环迭代更新炮点位置坐标。

3 结语

1)本文确定出的地震勘探精细爆破技术原则，实际工作中应充分调查收集勘探爆区地貌条件及人文条件等信息，结合这些原则综合考虑加以应用。

2)现今地震勘探“二宽一高”技术应用是以高炮点密度和高精度成像为前提的，因此，在勘探设计及施工中应充分融合精细爆破技术系列理论，才能兼顾提高激发质量和降低爆破危害之目的。

3)激发技术是制约地震勘探走向精确勘探之路的“频颈”之一，有待针对差异性围岩在提高能量转化率、装药结构、激发方式等方面开展精细激发技术研究。