基于阻隔介質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井中的填塞物無法取出而難于實施。殉爆法雖可以規避取井中填塞物這一瓶頸，但該技術應用的關鍵點沒有給出在不同阻隔介質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條件下各種工業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律也進行了探索;張福宏[4]就炸藥藥卷在炮眼中殉爆距離計算經驗式的建立;王晨等[5]就殼裝炸藥殉爆實驗和數值模擬;馮海龍[6]就爆炸沖擊波的簡化計算方法概述,但均未形成殉爆距離隨不同阻隔介質變化的規律性認識和經驗算法。為此，筆者首先通過井筒內空氣介質軸向殉爆實驗，獲取藥柱殉爆基值，根據爆轟沖擊力傳播作用原理和爆炸相似原理和喻長智等[7]柱狀藥包爆破沖擊波作用區域的理論計算，建立起勘探炮井內乳化震源藥柱殉爆距離推算的經驗公式。而后按不同間距鉆相等井深的平行井、主發井裝藥深度及裝藥量與被發井一致，監測驗證砂巖阻隔介質下井間徑向殉爆結果與計算結果的符合度。

1 爆轟殉爆原理

殉爆是指當炸藥(主發藥包)發生爆炸時，由于爆轟波的作用引起相隔一定距離的另一藥包(被發藥包)爆炸的現象和李仕洪等[8]工業炸藥殉爆距離試驗方法的改進。無論處于介質中任何一點，只要某點的起爆能量達到炸藥的最小起爆感度，位于該點的炸藥既能被引爆。勘探深孔殉爆可分為沿井筒的軸向殉爆和井筒間的徑向殉爆二種方式，當藥包間為巖石介質時，由于巖石直接受到主發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]，爆轟沖擊波穿過破碎帶后，其沖擊壓力仍能達到鄰近被發藥包起爆的臨界壓力，則被發藥包出現殉爆。

2 實驗設計

距井筒線30 m，鋪設24道地震勘探記錄儀、逐點布置L20-S爆破測振儀實施殉爆監測，進行井內軸向飽和砂介質的殉爆測試實驗，獲取軸向炮井乳化震源藥柱殉爆基值。

2.1 軸向殉爆激發及監測方法

1)井筒及記錄儀器布設(圖1)。24道小折射儀排列長度按高速層折射波時距曲線的控制距離不小于40 m為原則設計[9]，實時采集各試驗炮井激發時的爆破能量；使用L20-S爆破測振儀，確保振動傳感器與介質緊密接觸，不得出現松動與滑動現象[10]，現場分別監測各試驗炮井激發時的爆破振動峰值。

圖1 軸向殉爆激發及監測方法示意圖

2)測定固定藥量爆破能量。地表砂巖區鉆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峰值，該值用于3 kg藥量分析為1 kg主發、2 kg被發在不同間距飽和砂介質下軸向殉爆測試記錄的能量及振動峰值速度比較。

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

2.2 實驗結果

2.2.1 爆破振動峰值監測數據

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

表1 侏羅系軸向炮井殉爆爆破振動數據表

2.2.2 小折射儀采集記錄數據

從24道折射儀監視記錄定性和道能量的定量比較看出(圖2、圖3)：分析激發殉爆間隔在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為非絕對同一時刻激發實驗，各道記錄的環境噪聲變化所致。

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 實驗結論

通過飽和砂介質下軸向殉爆試驗，測振儀和小折射儀記錄的數據說明：主發藥1 kg，被發藥2 kg，井筒內最大殉爆距離≤30 cm。

3 計算經驗公式的建立

飽和砂介質條件下的井筒內軸向殉爆實驗，條形藥柱主發藥與被發藥藥柱半徑一致，爆轟傳播為軸向，鑒于乳化藥柱起爆的藥型特點，在不考慮主發與被發藥包方向的前提條件下，推導如下：

根據沖擊波傳播作用數學表達式[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對應點處距爆源的距離；re為藥包半徑；α為壓力衰減系數。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、裝藥結構一致的情況下，利用爆破相似原理，不考慮主發與被發藥包方向的前提條件下，軸向和徑向殉爆的沖擊波一致。依據土中爆破機理和軸向炮井殉爆試驗數據，軸向間隔介質r砂為30 cm，藥柱半徑re為3 cm；r介為徑向介質間距，α砂為飽和砂介質應力波衰減系數，α介為阻隔介質衰減系數，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

依據軸向炮井空氣介質殉爆獲取的基值(r砂取30 cm，re取3 cm，α砂為飽和砂介質應力波衰減系數取1.05[7])，可推算出以下比例距離計算經驗公式：

r介=3[(r砂/re)1/1.05]1/α介

根據比例距離公式[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介為巖石應力波衰減系數；R為殉爆距離,cm；Q為主發藥量,kg。

則式(5)可簡化為：

R=3[(10)1/1.05]1/α介Q1/3

(6)

石灰巖、砂巖、泥巖泊松比μ見表2。

表2 巖石泊松比μ

表3 石灰巖、砂巖、泥巖α介值

結合本次侏羅系砂巖地層井中(軸向)間隔為30 cm可殉爆試驗數據，r取30 cm。分別代入式(6)得1 kg～6 kg石灰巖、砂巖、泥巖介質殉爆距離模擬計算經驗值(表4、圖4)。

表4 石灰巖、砂巖、泥巖介質殉爆距離模擬計算經驗值

表5 測試及驗證試驗徑向炮井殉爆振動峰值監測結果

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

圖4 石灰巖、砂巖和泥巖石介質殉爆距離模擬計算經驗值曲線圖

圖5 徑向殉爆激發與監測方法示意圖

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

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徑向殉爆監視記錄

4 驗證測試

距井筒線30 m，鋪設24道地震勘探記錄儀、逐點布置L20-S爆破測振儀實施殉爆監測，進行徑向井(井深為15 m，藥量為6 kg)阻隔介質不同間距(30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm)的殉爆驗證測試實驗(圖5)。

4.1 測振儀振動峰值監測數據

從圖5可以看出砂巖和灰巖地層各間距殉爆爆破振動峰值接近，無明顯突出峰值，說明主發藥起爆后，設計間隔30 cm～100 cm的被發藥未殉爆。

4.2 24道小折射儀采集資料數據

通過24道小折射儀記錄的單炮爆破能量，主發炮孔藥包爆炸時，爆破能量未見明顯增大，與爆破振動監測結果一致(圖6～圖11)。

圖11 灰巖間距30 cm、50 cm、70 cm、90 cm徑向炮井殉爆單炮能量

4.3 驗證結果

通過徑向殉爆試驗，根據爆破測振儀和24道小折射儀采集的數據，主發炮井在間距30 cm～100 cm，藥柱間介質為砂巖和灰巖條件下，被發炮井內藥包未被殉爆。

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

圖10 徑向主發炮井、被發炮井激發監視記錄

5 結論

通過本次殉爆法啞炮處置測試研究，得到以下結論：

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

2)基于測試和驗證數據趨勢分析，利用爆破相似原理，建立起阻隔介質下的勘探震源藥柱炮井間徑向殉爆距離計算的經驗公式，形成的經驗數據用于砂巖介質區殉爆驗證測試，所得結果吻合度高。

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

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