炸藥參數與地震子波的關聯性范文

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《石油地球物理勘探雜志》2016年第二期

摘要

傳統的等效孔穴模型是地震子波研究的重要工具，并可指導現場地震勘探中激發參數的選擇，但它同時也存在幾點不足：①給出的洞壁壓力形式上物理意義不明確，參數的選擇存在隨意性；②忽略了空腔內部爆生氣體的影響；③未能體現炸藥參數對地震子波的影響。因此，基于爆炸力學原理，厘清爆炸機理與地震子波之間的聯系，求取包含炸藥參數的地震子波解析解。分析影響地震子波的各因素后發現，高密度、高爆速炸藥的激發效果并非總是最好，還應兼顧等熵膨脹指數等的影響。這些研究成果為現場激發參數設計提供了依據。

關鍵詞

等效孔穴模型；等熵膨脹；地震子波；爆炸機理；激發參數

1引言

炸藥震源是陸上地震勘探最常用的震源，其激發效果是影響地震數據采集質量的重要因素［1］。在對炸藥震源激發產生的地震子波的理論研究中，Sharpe［2］首次提出等效孔穴模型，指出腔壁壓力為指數衰減且僅是時間的函數，并通過復雜推導求取地震子波解析解。隨后，Blake［3］、Duvall［4］和Tangchawal［5］等基于該模型進一步分析了不同腔壁壓力函數下的子波特征，得出不同類型的地震子波。同時Lee［6］和Jalinoos等［7］推導了黏彈性介質中地震子波的解析解，并分析了品質因子對地震子波的影響。林大超［8］、鐘明壽［9－11］、孫成禹［1］和高金石［12］等以爆生氣體等熵膨脹理論為基礎，分析洞壁參數隨時間的變化關系，反復證實了腔壁壓力隨時間呈現指數衰減的規律。孫成禹等［1］通過擬合法得到腔壁壓力函數，探討爆炸擴腔機理與地震子波之間的關系，并使等效孔穴模型中腔壁函數的物理意義更為明晰。但傳統的等效孔穴模型存在幾點明顯不足：①給出的洞壁壓力形式上物理意義不明確，參數的選擇也存在隨意性；②在不考慮破碎帶和塑性區的情況下，忽略了空腔內爆生氣體的作用；③炸藥參數對地震子波的影響在解析解中未能充分體現。炸藥震源激發產生地震子波的影響因素是非常復雜的，地震子波涉及的腔壁壓力、空腔半徑均與炸藥參數相關，彼此之間也存在關聯。通過傳統等效孔穴模型得到的理論子波位移不能很好地反映實際情況，同時也增大了利用子波位移設計炸藥參數的難度。因此，本文基于Favreau［13］的思想，并結合爆炸力學和等效孔穴模型相關知識，重新推導震源子波的位移，厘清震源子波與炸藥參數之間的關系，求取更貼近實際擴腔過程的地震子波解析解。

2空腔震源模型的改進

假設在均勻各向同性無限大彈性介質中挖一個半徑為a的球形空腔（圖1），于初始時刻t＝0在空腔內用球形炸藥包進行爆炸，從而在空腔內表面產生均勻的徑向壓力P（t），該壓力是時間的函數，空腔半徑與壓力之間不存在直接關系。在研究震源子波過程中，壓力參數、空腔半徑的選取可人為控制，這在一定程度上增加了理論研究結果的不準確性。在實際空腔中充斥著炸藥爆炸的產物—爆生氣體，高金石等［12］在利用爆炸力學研究洞壁擴張過程時，充分考慮了爆生氣體的作用。基于傳統等效孔穴模型，結合爆炸力學相關原理，可給出兩個假設：①腔壁壓力的產生是由炸藥爆炸產生的爆生氣體壓力入射后形成；②在擴腔過程中爆生氣體等熵膨脹且腔壁壓力發生變化。從炸藥起爆到空腔半徑擴張到a（此時開始產生彈性波）的過程中，爆生氣體的壓力大于或等于200MPa時，等熵膨脹指數為γ1，且受炸藥類型的影響；爆生氣體的壓力小于200MPa時，等熵膨脹指數為γ2，一般取值1．4。因此，腔壁入射壓力Pi可分為兩種情況計算。

3地震子波位移的通解

由于在空腔內表面上作用的是均勻分布的徑向壓力，所以在介質內部只存在縱波而不存在橫波，即可得彈性位移的標量位Ψ的通解。

4影響地震子波的因素分析

式（27）是一個包含了炸藥類型、激發巖性、擴腔過程等因素的綜合解析解，與Sharpe［2］的結果相比，所求得的地震子波位移中的參數之間更為緊密且物理意義更為明確，同時反映了炸藥爆炸擴腔機理與子波之間的聯系。這為從理論角度直接研究并設計藥量、藥型等要素提供了基礎。圖2是不同距離的地震子波的位移曲線與頻譜曲線，相關參數為：露天銨銻1號或2號［17］炸藥密度ρe＝1000kg／m3，爆速De＝3600m／s；激發介質的密度ρ＝1500kg／m3，縱波速度vP＝1700m／s，泊松比σ＝0．4，抗壓強度σ0＝5MPa，裝藥半徑R0＝0．1m，等熵膨脹指數γ1＝3．0，γ2＝1．4，埋深h＝10m，空腔半徑由式（4）求得（a＝0．300179m）。從圖2可見，隨著傳播距離的增加，地震子波從最初的類似于脈沖的形態逐漸衰減為一個穩定的類似于雷克子波的穩定形態。通過式（27）得到的地震子波很好地反映了地震子波的一個變化的過程，同時這與實際介質中激發產生地震子波的過程相似，可見式（27）相比于傳統的等效孔穴模型，在描述地震子波上更加符合實際，也驗證了該方法的正確性。下面將利用式（27）開展影響地震子波因素的研究，主要分析炸藥密度、爆速、藥量（裝藥半徑）、爆炸產物（等熵膨脹指數γ1）、激發介質等因素對地震子波的影響。為了對子波的分析能較貼近實際，且更有實用性，主要分析穩定后的子波影響因素，利用本文中的參數求得的位移曲線圖（圖2），可發現距離為20m處的子波較為穩定，在下面的影響因素分析中均考慮的是20m處的質點位移。圖3～圖5為不同炸藥參數下的位移曲線和頻譜曲線，從圖中可見：①在假設炸藥密度、等熵膨脹指數不變的情況下，隨著爆速的增加，子波振幅增加，主頻降低，各頻帶的能量均增大（圖3）；②隨著炸藥密度的增加，子波振幅增加，主頻降低，各頻帶的能量均增大（圖4）；③隨著裝藥半徑的增加，子波振幅增加，主頻降低，子波的低頻段能量增加顯著而高頻段增幅并不明顯（圖5）。以往的觀點認為藥量增加，子波振幅增加，主頻降低，這是在藥型不變即炸藥密度不變情況下增加炸藥質量得到的結論，但若因炸藥密度增加而引起藥量增加，同樣會使子波振幅增加，主頻降低。因此，式（27）得到的結論能幫助我們進一步認識藥量的影響。在野外地震勘探中，激發的地震波并不缺少低頻成分，為了盡量增強高頻能量，需要增加藥量，但當藥量達到一定時，高頻能量的增加并不明顯，同時主頻也會太低，地震資料的效果反而不好。可見，炸藥的藥量對高頻成分的影響存在這樣一種規律：當藥量達到一定后，高頻成分增加并不明顯，此時進一步增大藥量反而會降低主頻。這種現象在凌云［20］根據實際資料做時頻域相對比較統計分析中得到了驗證，因此，式（27）可以對藥量的設計提供理論指導。

從前面的研究中發現，隨著炸藥爆速、密度的增大，子波的振幅增大，主頻降低，這就使得我們認為高密度、高爆速的炸藥能激發出較大振幅的子波，但實際勘探中采用的炸藥并不是高密度、高爆速的炸藥。因此，需要說明的是在討論炸藥爆速、密度對子波的影響的過程中采用的是單一變量法得到的結論，這在一定程度上有其指導意義，但隨著炸藥爆速、密度的變化，炸藥爆炸產物—爆生氣體的膨脹指數也會發生變化，在式（27）中就體現在膨脹指數γ1的變化。而得到的結論均認為爆生氣體膨脹指數不變，因此，實際炸藥爆速、密度對子波的影響還需要結合實驗得到不同炸藥的爆生氣體膨脹指數，再利用式（27）就可得到貼近實際的子波位移。因此，設計了不同的膨脹指數，得到了子波位移曲線和頻譜曲線，從圖中可見：隨著膨脹指數的增大，子波振幅降低，主頻增加，各頻帶能量均降低（圖6）。從理論研究中發現炸藥密度、爆速和爆生氣體膨脹指數對子波的影響是不同的，這就使得我們考慮到這三者之間是否存在匹配關系使得激發的子波最優，因此，綜合分析不同的炸藥類型（炸藥密度、爆速和膨脹指數均變化）對子波的影響。圖7為實際炸藥激發產生的理論子波位移曲線和頻譜曲線，表1為不同炸藥的參數。從圖中可以發現：BP炸藥激發產生的子波振幅最大，但主頻最小；TL炸藥產生的子波振幅較小，但主頻較大。可見，高爆速、高密度的炸藥激發效果并不一定最好，還應該考慮炸藥的膨脹指數的影響。因此，可以通過式（27）從理論角度去研究炸藥類型對子波的影響，在綜合考慮激發效果和成本的情況下選擇低成本炸藥。圖8為不同巖性情況下得到的子波位移曲線和頻譜曲線，表2為不同巖性參數。從圖中可以發現：①砂巖中激發的子波能量最強，主頻最小，花崗巖最弱，主頻最大（圖8a、圖8b）；②砂巖激發的子波各頻帶的能量均強于其他巖樣（圖8c）；③介質的波速越小，密度越小，激發的振幅越大，主頻越低（圖8）。由于花崗巖一類的堅硬巖石，炸藥爆炸的能量主要用在了碎巖中，形成子波的能量較弱。因此，在含水的砂層或者黏土中激發要比在堅硬巖石中激發獲得的能量強［21］。

5結論與認識

本文主要研究了炸藥爆炸擴腔機理與地震子波之間的關系。在傳統的等效孔穴模型的基礎上，結合爆炸力學的知識改進了地震子波位移解析解，建立炸藥、激發巖性與地震子波之間的關系，并利用得到的解析解，分析了影響地震子波的因素，得到以下認識：（1）在改進的等效孔穴模型中，空腔內部是爆生氣體且符合等熵膨脹規律，基于此建立腔壁壓力與炸藥之間的關系，并通過準靜態擴腔理論得到空腔半徑，發現腔壁壓力與炸藥的爆速、密度和激發巖性均相關；（2）藥量的增加引起子波能量的增加，主頻降低，這需要從兩方面來看待藥量的作用：①當炸藥類型相同情況下，增加炸藥的質量，會引起子波能量的增加，主頻的降低；②當由于炸藥密度的增加而引起炸藥質量的增加時，同樣會引起子波能量的增加，主頻的降低；（3）基于時頻分析的思想，研究因藥量變化而引起的地震子波頻譜曲線的變化規律，可以為實際藥量的設計提供理論指導；（4）炸藥爆速、密度和爆生氣體膨脹指數對子波的影響是不同的，在實際勘探中采用高密度、高爆速炸藥的激發效果并不一定最好，通過得到的子波解析解，可以從理論角度分析不同炸藥激發情況下的地震子波，擇優選取炸藥。總而言之，影響地震子波的因素較多且彼此牽連，通過理論分析得到的結論在一定程度上有其指導作用，但同時應結合實驗相互驗證。式（27）的得出，為從理論角度分析炸藥參數對子波的影響提供了基礎，相比傳統的盲目實地實驗的方法，降低了勘探成本，增強了炸藥設計目的性。

作者：藍陽 孫成禹 閆月鋒 單位：中國石油大學（華東）地球科學與技術學院