CN111458742B - 一种炸药震源单井药量组合激发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在单井炸药激发条件下，通过炸药拆分激发，收集相应的原始数据进行爆炸数值模拟，根据爆炸数值模拟计算目标函数值，选取最佳的上下两段药量比，提高地震采集资料信噪比的技术，适用于低信噪比地区的地震勘探施工。该方法以炸药爆炸理论和波场组合理论为基础，通过优化各单元的药量分配比例，实现不增加钻井成本，不延长施工周期条件下，提高地震资料信噪比的目的。理论模型和实际资料验证了发明的有效性。本发明采用级数少(只有两节)，施工工艺简化，同步激发，不用延迟，减少了延迟时间控制误差，借助本发明的方法,采集资料质量有明显提高。

Description

一种炸药震源单井药量组合激发方法

技术领域

本发明涉及地震勘探领域，具体涉及到复杂地区地震勘探资料采集中，炸药震源单井分段组合激发方法。

背景技术

地震勘探技术是通过人工震源产生地震波，在地面或井下接收和观察地震波的传播信息，用以查明地质构造、地层等，为寻找油气藏或其它的勘探目的服务的一种方法。对于复杂山地地形，由于其复杂的地表、地下地质结构，采用单井炸药为震源的方式获得的资料信噪比极低，分析难度较大。因此现有技术通常采用组合激发的方式对复杂山地地形进行勘探：即将单井炸药震源在平面上拆分为多井，组合激发，以改变地震波在各传播方向上能量均匀分布的格局，使地震波能量在下传方向聚集，有效的提高了信噪比。但是这种技术存在着较为明显的缺点：1、采集成本大幅提高，每获得一炮地震资料，需同时钻2-5口激发井，钻井成本增加了数倍，施工周期大幅度延长；2、采集质量难以保证，炮井周围的非均质性在多井施工时表现更明显，难以准确测量的速度、产状变化导致多井组合参数理论设计与实际施工不符，从而影响组合的效果。因此，国内外技术人员对激发技术作出了改进，研究出了一种单井多级延迟叠加激发技术，其基于能量叠加的原理。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种单井纵向组合激发的方法，在不增加野外施工成本的基础上提升激发有效能量，进而提升资料信噪比。

为达成以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

步骤S1：收集原始数据，所述原始数据包括：地震勘探观测参数、围岩参数和炸药参数；

步骤S2：拆分单个药柱为上下两段间隔为1m的药柱；

步骤S3：给定上下两段炸药药量分配比例，进行爆炸数值模拟；

步骤S4：根据模拟值，计算目标函数值；

步骤S5：改变药量分配比例重复步骤S3、S4；

步骤S6：当目标函数值最大时，所对应的药量分配即为最佳设计。

步骤S3-S4的具体实施步骤包括：

(1)收集地震勘探观测系统的排列长度和勘探主要目的层深度参数，以确定有效能量区间角度，该角度通过以下公式估算；

式中，L为检波器排列长度，H为目地层深度。

(2)收集激发点附近围岩的纵波速度、剪切模量、应力-应变变化曲线、炸药药型、爆速等参数作为有限元爆炸数值模拟的输入参数；

(3)取两段炸药不同的药量比例，进行爆炸数值模拟，计算模拟过程中的空间质点应力信息，作为能量表征；

统计有效能量区间角度内外的能量值，以区间内外能量的比值为目标函数，计算目标函数值，函数值最大时的药量比的即为最佳药量配比。

本发明的有益效果是：相对于平面多井组合激发方法，本发明为单井激发，每炮激发只需钻一口激发井，大幅度提高生产效率，节约成本；相对于常规单井单一药柱激发方法，本发明采用拆分药柱为上下两段，搭配不同的药量，可以实现空间能量向指定方向聚焦，其仅采用2节爆炸，采用级数少，施工工艺简化，同步激发，不用延迟，减少了延迟时间控制误差，借助该发明的方法,采集资料质量有明显提高。

附图说明

图1为本发明的计算流程框图；

图2为震源激发能量分区简化示意图；

图3为不同组合方式下爆炸模拟生成的某时刻质点应力场(弹性能量)空间分布图，其中，

a为整段不拆分炸药的爆炸模拟的应力场空间分布图，

b为上下两段组合间距l＝1m、上下分段药量比k＝1:1的爆炸模拟的应力场空间分布图，

c为上下两段组合间距l＝1m、上下分段药量比k＝1:2的爆炸模拟的应力场空间分布图，

d为上下两段组合间距l＝1m、上下分段药量比k＝1:3的爆炸模拟的应力场空间分布图，

e为上下两段组合间距l＝1m、上下分段药量比k＝1:4的爆炸模拟的应力场空间分布图，

f为上下两段组合间距l＝1m、上下分段药量比k＝1:5的爆炸模拟的应力场空间分布图，

g为上下两段组合间距l＝1m、上下分段药量比k＝1:6的爆炸模拟的应力场空间分布图，

h为上下两段组合间距l＝1m、上下分段药量比k＝1:10的爆炸模拟的应力场空间分布图，

i为上下两段组合间距l＝1m、上下分段药量比k＝1:20的爆炸模拟的应力场空间分布图；

图4为上下两段不同药量配比的目标函数曲线；

图5为三层水平层状地震地质模型；

图6为单一长药柱与上下两段组合激发室内数值模拟的单炮记录，其中，a为单一长药柱模拟记录，b为上下两段药量比1:4模拟记录；

图7为单一长药柱与上下两段组合激发现场试验地震单炮记录，其中，a为10KgTNT单一长药柱炸药激发的地震记录，b为邻近位置拆分为2Kg:8Kg两段药柱激发得到的单炮记录。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、达成目的和模型功效易于说明，下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的步骤框图，如图1所示，本发明的计算过程包含估算有效区间角度、爆炸数值模拟、目标函数计算三部分。

估算有效区间角度是为目标函数中角度积分的上下限。参照图2，地震波激发后能量可以简化分成两个区：潜在信号区和潜在噪音区。潜在信号区面向目的层，为反射波提供能量；潜在噪音区面向浅地表，为面波、折射、非均质绕射提供能量。该有效区间角度的估算首先简化地下介质为均匀介质，用平均速度填充，然后取目的层反射到达排列最远检波器对应的入射角度θ，计算公式如下：

式中，L为排列长度，H为目地层深度。

从上式中可以看出，根据预先收集的勘探观测系统的排列长度和勘探主要目的层深度，即可计算出有效区间角度。本专利计算实例采用L＝7500m，H＝4500m参数，计算入射角度≈45°，对应目标函数计算公式中积分上下限α₁＝-22.5°，α₂＝22.5°。

在本实施例中，采用LS-DYNA软件进行数值模拟，爆炸数值模拟需要收集爆点所在位置围岩的纵波速度、密度、剪切模量、应力—应变变化曲线，所采用炸药的药型、爆速、填药密度等信息作为输入参数，同时在激发总药量保持不变的情况下，由不同的分段药量配比构建若干炸药物理模型，进行爆炸数值模拟。本专利计算实例爆炸数值模拟中，炸药采用JWL状态方程描述，围岩采用HJC模型。

JWL状态方程如下：

式中P为质点压力；E为单位体积爆轰产物的初始内能；V为爆轰产物体积与初始体积之比；A、B、R₁、R₂及ω为待定常数，通常由真实的爆炸试验获取，本专利炸药各参数取值见表1。

表1炸药参数表

HJC材料模型如下：

式中

为归一化的屈服应力，σ_y为屈服应力，f_c'是无侧限抗压强度，D为损伤因子(0≤D≤1)，p^*＝p/f'_c为归一化压力，P为真实压力，

是无量纲等效应变率，

为参考应变率，A为材料归一化的内聚强度，B是归一化的压力硬化系数，n是压力硬化指数，C是应变率系数。围岩的相关参数见表2，计算中各数据见表3。

表2围岩参数表

表3 HJC模型材料常数表

由爆炸中心向外，在短时间内，围岩会经历破碎、塑性变形、弹性变形的过程，以质点位移物理量起跳后能否恢复到平衡位置作为评判标准，能回到平衡位置则表明进入了弹性区，爆心到圆周的距离为10-20m，本专利计算参数对应的塑性区在爆心1.5m之外，取距爆心10m位置处圆周各空间角度上的质点应力值作为能量表征量。

目标函数计算是在爆炸数值模拟的数据基础上，根据估算的有效区间角度完成，进而优选出最佳的分段组合间距和分段组合药量。目标函数计算公式如下：

式中，α₁和α₂为有效能量区间的边界角度，满足α₂-α₁＝θ，t_cut为计算截取的时间长度，φ为空间角度，E(φ，k)为上述离爆心等距离圆周某一空间角度上某一时刻的能量值(以质点应力值表征)。在本实施例中，所述的E(φ，k)在为距爆心10m位置处圆周各空间角度上、对应的空间角度在α₂-α₁的范围内取值。

为了探究采用单井组合激发与传统的单井激发产生质点应力场的空间分布图，据上述收集的数据进行了爆炸数值模拟，其结果如图3所示，其中，a展示了整段不拆分炸药的爆炸模拟图，b为上下分段药量比k＝1:1的爆炸模拟图，c为上下分段药量比k＝1:2的爆炸模拟图，d为上下分段药量比k＝1:3的爆炸模拟图，e为上下分段药量比k＝1:4的爆炸模拟图,f为上下分段药量比k＝1:5的爆炸模拟图，g为上下分段药量比k＝1:6的爆炸模拟图，h为上下分段药量比k＝1:10的爆炸模拟图，i为上下分段药量比k＝1:20的爆炸模拟图，其中上下两段炸药之间的距离固定为1m。根据九种情况下的数值模拟结果，可以看到分段拆分后能量向下方汇聚。

图4展示了固定组合间距l＝1m条件下改变分段药量比的质点应力振动曲线，此曲线可以作为弹性子波形态的表征，具体的数值如表4所示。

表4上下两段不同药量配比的目标函数值

从表4以及图4中可以看出，可以看到炸药柱纵向拆分之后质点应力峰值点会变大，这证明拆分药柱的确能产生更强的能量，随着下段药量占比持续增大，应力峰值先增大后平缓减小，在k＝1:4时最大。因此，对于本实施例中的目标井段，在上下药柱的间距为1m的情况下，选取上下药柱药量比为1:4为最佳的药量配比。

为了证明本发明选取上下药柱为1:4的药量比相对于传统的单药柱其噪音更少，本实施例进一步作出以下实验。

爆炸数值模拟计算了爆炸点附近有限空间范围内(一般20m～50m)的质点振动状态，为了验证实际地震波传播尺度范围的能量变化情况，设计了图5所示地震地质模型，模型由三层水平层状介质构成，层速度值标注在图中，在近地表位置均匀布设一层高速异常点，模拟地表散射源。

图6展示了声波波动方程正演得到的图5模型单炮记录，初始子波采用爆炸数值模拟弹性区的稳定质点振动形态，图6a为单一长药柱模拟结果，图6b为1m组合间距下，上下两段药量比1:4的模拟结果，可以看到，由浅层散射点产生的绕射噪音大为减少，充分证明了该区能量确实被有效压制了。

为了进一步验证本实施例得出的结果相对于为单井单药柱激发产生的噪音更少，图7为野外现场试验地震记录,图7a为10KgTNT单一长药柱炸药激发的地震记录，图7b为邻近位置拆分为2Kg:8Kg两段药柱，间距1m激发得到的单炮记录，可以看到记录中面波能得到了一定程度的压制，有效反射的能量得到了很大程度的提升，记录整体信噪比得到提高。

以上所述实施例仅为本发明的部分实施例，用于描述本发明的基本原理、实施目的及详细流程，并不限制本发明的使用范围。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方案所做的任何修改，等同变化与修饰，均属本发明技术方案的范畴本发明在上文已优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描述本发明，而不应理解为限制本发明的范围。在不脱离本发明原理的前提下，对本发明的进一步改进也应视为在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种炸药震源单井药量组合激发方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：收集原始数据，所述原始数据包括：地震勘探观测参数、围岩参数和炸药参数；

步骤S2：拆分单个药柱为上下两段间隔为1m的药柱；

步骤S3：给定上下两段炸药药量分配比例，进行爆炸数值模拟，所述爆炸数值模拟中，爆炸为同步激发；

步骤S4：根据模拟值，计算目标函数值；

步骤S5：改变药量分配比例重复步骤S3、S4；

步骤S6：当目标函数值最大时，所对应的药量分配即为最佳设计。

2.根据权利要求1所述的组合激发方法，其特征在于，所述地震勘探系统参数包括：检波器排列长度和勘探主要目的层深度。

3.根据权利要求1所述的组合激发方法，其特征在于，所述围岩参数包括：激发点围岩的纵波速度、密度、弹性模量、剪切模量、泊松比、应力-应变变化曲线。

4.根据权利要求1所述的组合激发方法，其特征在于，所述炸药参数包括：炸药药型、装药密度、爆速、爆压、初始内能参数。

5.根据权利要求2所述的组合激发方法，其特征在于，根据所述检波器排列长度和勘探主要目的层深度，确定有效能量区间角度。

6.根据权利要求3-5任一所述的组合激发方法，其特征在于，所述步骤S3中的爆炸数值模拟,模拟过程中记录离爆心等距离圆周各角度上质点的应力振动曲线，所述爆心到圆周的距离为爆心到弹性变形区的距离。

7.根据权利要求6所述的组合激发方法，其特征在于，所述爆心到圆周的距离为10-20m。

8.根据权利要求6所述的组合激发方法，其特征在于，所述步骤S4中的目标函数采用如下公式计算：

式中，α₁和α₂为有效能量区间的边界角度，t_cut为计算截取的时间长度，φ为空间角度，E(φ，k)为上述离爆心等距离圆周某一空间角度上某一时刻的能量值。

9.根据权利要求1所述的组合激发方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据待选择药量比例建立若干的爆炸模型，重复进行步骤S3和步骤S4，从所有目标函数值中选择最大的采用。

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