炸药参数与地震子波的关联性范文

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《石油地球物理勘探杂志》2016年第二期

摘要

传统的等效孔穴模型是地震子波研究的重要工具，并可指导现场地震勘探中激发参数的选择，但它同时也存在几点不足：①给出的洞壁压力形式上物理意义不明确，参数的选择存在随意性；②忽略了空腔内部爆生气体的影响；③未能体现炸药参数对地震子波的影响。因此，基于爆炸力学原理，厘清爆炸机理与地震子波之间的联系，求取包含炸药参数的地震子波解析解。分析影响地震子波的各因素后发现，高密度、高爆速炸药的激发效果并非总是最好，还应兼顾等熵膨胀指数等的影响。这些研究成果为现场激发参数设计提供了依据。

关键词

等效孔穴模型；等熵膨胀；地震子波；爆炸机理；激发参数

1引言

炸药震源是陆上地震勘探最常用的震源，其激发效果是影响地震数据采集质量的重要因素［1］。在对炸药震源激发产生的地震子波的理论研究中，Sharpe［2］首次提出等效孔穴模型，指出腔壁压力为指数衰减且仅是时间的函数，并通过复杂推导求取地震子波解析解。随后，Blake［3］、Duvall［4］和Tangchawal［5］等基于该模型进一步分析了不同腔壁压力函数下的子波特征，得出不同类型的地震子波。同时Lee［6］和Jalinoos等［7］推导了黏弹性介质中地震子波的解析解，并分析了品质因子对地震子波的影响。林大超［8］、钟明寿［9－11］、孙成禹［1］和高金石［12］等以爆生气体等熵膨胀理论为基础，分析洞壁参数随时间的变化关系，反复证实了腔壁压力随时间呈现指数衰减的规律。孙成禹等［1］通过拟合法得到腔壁压力函数，探讨爆炸扩腔机理与地震子波之间的关系，并使等效孔穴模型中腔壁函数的物理意义更为明晰。但传统的等效孔穴模型存在几点明显不足：①给出的洞壁压力形式上物理意义不明确，参数的选择也存在随意性；②在不考虑破碎带和塑性区的情况下，忽略了空腔内爆生气体的作用；③炸药参数对地震子波的影响在解析解中未能充分体现。炸药震源激发产生地震子波的影响因素是非常复杂的，地震子波涉及的腔壁压力、空腔半径均与炸药参数相关，彼此之间也存在关联。通过传统等效孔穴模型得到的理论子波位移不能很好地反映实际情况，同时也增大了利用子波位移设计炸药参数的难度。因此，本文基于Favreau［13］的思想，并结合爆炸力学和等效孔穴模型相关知识，重新推导震源子波的位移，厘清震源子波与炸药参数之间的关系，求取更贴近实际扩腔过程的地震子波解析解。

2空腔震源模型的改进

假设在均匀各向同性无限大弹性介质中挖一个半径为a的球形空腔（图1），于初始时刻t＝0在空腔内用球形炸药包进行爆炸，从而在空腔内表面产生均匀的径向压力P（t），该压力是时间的函数，空腔半径与压力之间不存在直接关系。在研究震源子波过程中，压力参数、空腔半径的选取可人为控制，这在一定程度上增加了理论研究结果的不准确性。在实际空腔中充斥着炸药爆炸的产物—爆生气体，高金石等［12］在利用爆炸力学研究洞壁扩张过程时，充分考虑了爆生气体的作用。基于传统等效孔穴模型，结合爆炸力学相关原理，可给出两个假设：①腔壁压力的产生是由炸药爆炸产生的爆生气体压力入射后形成；②在扩腔过程中爆生气体等熵膨胀且腔壁压力发生变化。从炸药起爆到空腔半径扩张到a（此时开始产生弹性波）的过程中，爆生气体的压力大于或等于200MPa时，等熵膨胀指数为γ1，且受炸药类型的影响；爆生气体的压力小于200MPa时，等熵膨胀指数为γ2，一般取值1．4。因此，腔壁入射压力Pi可分为两种情况计算。

3地震子波位移的通解

由于在空腔内表面上作用的是均匀分布的径向压力，所以在介质内部只存在纵波而不存在横波，即可得弹性位移的标量位Ψ的通解。

4影响地震子波的因素分析

式（27）是一个包含了炸药类型、激发岩性、扩腔过程等因素的综合解析解，与Sharpe［2］的结果相比，所求得的地震子波位移中的参数之间更为紧密且物理意义更为明确，同时反映了炸药爆炸扩腔机理与子波之间的联系。这为从理论角度直接研究并设计药量、药型等要素提供了基础。图2是不同距离的地震子波的位移曲线与频谱曲线，相关参数为：露天铵锑1号或2号［17］炸药密度ρe＝1000kg／m3，爆速De＝3600m／s；激发介质的密度ρ＝1500kg／m3，纵波速度vP＝1700m／s，泊松比σ＝0．4，抗压强度σ0＝5MPa，装药半径R0＝0．1m，等熵膨胀指数γ1＝3．0，γ2＝1．4，埋深h＝10m，空腔半径由式（4）求得（a＝0．300179m）。从图2可见，随着传播距离的增加，地震子波从最初的类似于脉冲的形态逐渐衰减为一个稳定的类似于雷克子波的稳定形态。通过式（27）得到的地震子波很好地反映了地震子波的一个变化的过程，同时这与实际介质中激发产生地震子波的过程相似，可见式（27）相比于传统的等效孔穴模型，在描述地震子波上更加符合实际，也验证了该方法的正确性。下面将利用式（27）开展影响地震子波因素的研究，主要分析炸药密度、爆速、药量（装药半径）、爆炸产物（等熵膨胀指数γ1）、激发介质等因素对地震子波的影响。为了对子波的分析能较贴近实际，且更有实用性，主要分析稳定后的子波影响因素，利用本文中的参数求得的位移曲线图（图2），可发现距离为20m处的子波较为稳定，在下面的影响因素分析中均考虑的是20m处的质点位移。图3～图5为不同炸药参数下的位移曲线和频谱曲线，从图中可见：①在假设炸药密度、等熵膨胀指数不变的情况下，随着爆速的增加，子波振幅增加，主频降低，各频带的能量均增大（图3）；②随着炸药密度的增加，子波振幅增加，主频降低，各频带的能量均增大（图4）；③随着装药半径的增加，子波振幅增加，主频降低，子波的低频段能量增加显著而高频段增幅并不明显（图5）。以往的观点认为药量增加，子波振幅增加，主频降低，这是在药型不变即炸药密度不变情况下增加炸药质量得到的结论，但若因炸药密度增加而引起药量增加，同样会使子波振幅增加，主频降低。因此，式（27）得到的结论能帮助我们进一步认识药量的影响。在野外地震勘探中，激发的地震波并不缺少低频成分，为了尽量增强高频能量，需要增加药量，但当药量达到一定时，高频能量的增加并不明显，同时主频也会太低，地震资料的效果反而不好。可见，炸药的药量对高频成分的影响存在这样一种规律：当药量达到一定后，高频成分增加并不明显，此时进一步增大药量反而会降低主频。这种现象在凌云［20］根据实际资料做时频域相对比较统计分析中得到了验证，因此，式（27）可以对药量的设计提供理论指导。

从前面的研究中发现，随着炸药爆速、密度的增大，子波的振幅增大，主频降低，这就使得我们认为高密度、高爆速的炸药能激发出较大振幅的子波，但实际勘探中采用的炸药并不是高密度、高爆速的炸药。因此，需要说明的是在讨论炸药爆速、密度对子波的影响的过程中采用的是单一变量法得到的结论，这在一定程度上有其指导意义，但随着炸药爆速、密度的变化，炸药爆炸产物—爆生气体的膨胀指数也会发生变化，在式（27）中就体现在膨胀指数γ1的变化。而得到的结论均认为爆生气体膨胀指数不变，因此，实际炸药爆速、密度对子波的影响还需要结合实验得到不同炸药的爆生气体膨胀指数，再利用式（27）就可得到贴近实际的子波位移。因此，设计了不同的膨胀指数，得到了子波位移曲线和频谱曲线，从图中可见：随着膨胀指数的增大，子波振幅降低，主频增加，各频带能量均降低（图6）。从理论研究中发现炸药密度、爆速和爆生气体膨胀指数对子波的影响是不同的，这就使得我们考虑到这三者之间是否存在匹配关系使得激发的子波最优，因此，综合分析不同的炸药类型（炸药密度、爆速和膨胀指数均变化）对子波的影响。图7为实际炸药激发产生的理论子波位移曲线和频谱曲线，表1为不同炸药的参数。从图中可以发现：BP炸药激发产生的子波振幅最大，但主频最小；TL炸药产生的子波振幅较小，但主频较大。可见，高爆速、高密度的炸药激发效果并不一定最好，还应该考虑炸药的膨胀指数的影响。因此，可以通过式（27）从理论角度去研究炸药类型对子波的影响，在综合考虑激发效果和成本的情况下选择低成本炸药。图8为不同岩性情况下得到的子波位移曲线和频谱曲线，表2为不同岩性参数。从图中可以发现：①砂岩中激发的子波能量最强，主频最小，花岗岩最弱，主频最大（图8a、图8b）；②砂岩激发的子波各频带的能量均强于其他岩样（图8c）；③介质的波速越小，密度越小，激发的振幅越大，主频越低（图8）。由于花岗岩一类的坚硬岩石，炸药爆炸的能量主要用在了碎岩中，形成子波的能量较弱。因此，在含水的砂层或者黏土中激发要比在坚硬岩石中激发获得的能量强［21］。

5结论与认识

本文主要研究了炸药爆炸扩腔机理与地震子波之间的关系。在传统的等效孔穴模型的基础上，结合爆炸力学的知识改进了地震子波位移解析解，建立炸药、激发岩性与地震子波之间的关系，并利用得到的解析解，分析了影响地震子波的因素，得到以下认识：（1）在改进的等效孔穴模型中，空腔内部是爆生气体且符合等熵膨胀规律，基于此建立腔壁压力与炸药之间的关系，并通过准静态扩腔理论得到空腔半径，发现腔壁压力与炸药的爆速、密度和激发岩性均相关；（2）药量的增加引起子波能量的增加，主频降低，这需要从两方面来看待药量的作用：①当炸药类型相同情况下，增加炸药的质量，会引起子波能量的增加，主频的降低；②当由于炸药密度的增加而引起炸药质量的增加时，同样会引起子波能量的增加，主频的降低；（3）基于时频分析的思想，研究因药量变化而引起的地震子波频谱曲线的变化规律，可以为实际药量的设计提供理论指导；（4）炸药爆速、密度和爆生气体膨胀指数对子波的影响是不同的，在实际勘探中采用高密度、高爆速炸药的激发效果并不一定最好，通过得到的子波解析解，可以从理论角度分析不同炸药激发情况下的地震子波，择优选取炸药。总而言之，影响地震子波的因素较多且彼此牵连，通过理论分析得到的结论在一定程度上有其指导作用，但同时应结合实验相互验证。式（27）的得出，为从理论角度分析炸药参数对子波的影响提供了基础，相比传统的盲目实地实验的方法，降低了勘探成本，增强了炸药设计目的性。

作者：蓝阳 孙成禹 闫月锋 单位：中国石油大学（华东）地球科学与技术学院