魏 領(lǐng) 魯 坤 李必紅 田 斌 王 喜 陳志偉 王雪艷

物華能源科技有限公司(陜西西安，710061)

引言

井間地震技術(shù)是20世紀(jì)80年代在美國發(fā)展起來的地震勘探新技術(shù)。在一口井內(nèi)放置震源，另一口井內(nèi)放置接收檢波器，通過改變震源和井中檢波器的深度和位置，進(jìn)行激發(fā)和接收，以獲得井間地質(zhì)剖面[1-2]。該技術(shù)因避開了地表低速帶對地震信號高頻成分的吸收，具有高精度、高分辨率、高信噪比等優(yōu)點。井間地震技術(shù)最關(guān)鍵的部分是井中震源[3]。井中震源包括爆炸、徑向輻射脈沖、電火花、機(jī)械脈沖、壓電型機(jī)電換能和控頻掃描振動等6種形式[4]。其中，爆炸震源具有激發(fā)信號強(qiáng)、脈沖好、頻帶寬、耐高溫和耐高壓等優(yōu)點而被廣泛使用[5-6]。爆炸震源通常為爆炸索和成型炸藥等[7]。Silverman[8]基于速度匹配理論設(shè)計了一種細(xì)長震源藥柱，該藥柱由高爆速藥柱與低爆速藥柱相間連接而成，通過調(diào)節(jié)兩部分元件的長度來調(diào)整爆速。阮傳鵬[9]從炸藥起爆、爆轟理論和混合理論角度分析得出一種更適合粉狀震源藥柱生產(chǎn)的新型工藝，通過對混藥工藝和裝藥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了粉狀震源藥柱起爆和傳爆的可靠性。但上述爆炸震源也存在著井下作業(yè)時可能對井壁產(chǎn)生破壞的問題，并且沒有連續(xù)激發(fā)能力，成本高[10]。

為了解決爆炸震源存在的不足之處，采用數(shù)值模擬和試驗研究的方法，設(shè)計了一種新型井中爆炸震源彈。該震源彈安裝于震源槍內(nèi)。起爆時，產(chǎn)生的強(qiáng)能量爆轟波可以誘發(fā)儲層形成高振幅的地震波，且不會傷害套管和水泥環(huán)，適用于500 m以上大井間距施工。同時，能夠結(jié)合選擇發(fā)射孔技術(shù)進(jìn)行連續(xù)性激發(fā)，一次可在井下激發(fā)20次以上[11]。適用于直井、斜井、大斜度井及水平井等不同類型井況的勘探。

1 設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)

新型爆炸震源彈主要由殼體、傳爆藥和主炸藥組成。在保證震源槍管柱和套管安全的前提下，為了提高地震勘探數(shù)據(jù)采集效果和減少施工管串長度，單發(fā)爆炸震源彈激發(fā)藥量設(shè)計越大越好。國內(nèi)常規(guī)89型射孔器一般采用40型射孔彈。設(shè)計了A、B兩種不同結(jié)構(gòu)的89型震源彈，用于89型震源槍(?89.0 mm)內(nèi)。如圖1所示。

圖1 兩種新型的89型震源彈結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of two new kinds of 89-type seismic resource bombs

爆炸震源彈工作時利用炸藥的聚能效應(yīng)。裝藥量過大，會造成射流破壞威力大，極容易傷害套管和水泥環(huán)。為了在大藥量下形成短而粗的射流，并且只在射孔槍上穿孔而不傷害套管，通過改變裝藥結(jié)構(gòu)的方式，設(shè)計了分別對應(yīng)于圖1的A、B兩種多曲線形裝藥結(jié)構(gòu)。二者采用RDX裝藥，并且裝藥量均為25 g。具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中:結(jié)構(gòu)A為錐形內(nèi)腔；結(jié)構(gòu)B為圓弧形內(nèi)腔。

圖2 兩種新型89型震源彈的裝藥結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.2 Charge structures of two new kinds of 89-type seismic resource bombs(Unit:mm)

井下作業(yè)時，因為井斜的原因，震源槍會偏靠在套管內(nèi)壁，使得一個相位上的爆炸震源槍與套管的間隙(以下簡稱槍套間隙)僅為盲孔深度4.0 mm。由于間隙小，形成的聚能射流易對套管和水泥環(huán)造成損壞。因此，采用增加扶正接頭外徑的方式，以提高槍套間隙。扶正接頭外徑設(shè)計為101.6 mm，震源槍外徑為89.0 mm，則震源槍緊靠套管內(nèi)壁一側(cè)的槍套間隙為10.5 mm。圖3為扶正接頭外形圖。

圖3 扶正接頭外形結(jié)構(gòu)Fig.3 Shape structure of stabbing joint

2 數(shù)值仿真分析

2.1 計算方案

采用數(shù)值仿真方法分別計算井下起爆時A、B兩種不同裝藥結(jié)構(gòu)的震源彈對套管的毀傷效果。圖4和圖5為89型震源槍在?5.5″(?139.7 mm)套管(壁厚為7.7 mm)中的兩種不同位置示意圖。居中狀態(tài)下，槍套間隙(盲孔至套管內(nèi)壁距離)為21.7 mm。偏心狀態(tài)下，槍套間隙最小為10.6 mm；最大為32.8 mm。為了保證震源效果和安全性，分別計算89型震源槍在套管中居中和偏心狀態(tài)下的射流作用效果。

圖4 震源槍居中狀態(tài)布置示意圖(單位:mm)Fig.4 Layout diagram of the seismic gun in center position(Unit:mm)

圖5 震源槍偏心狀態(tài)布置示意圖(單位:mm)Fig.5 Layout diagram of the seismic gun in eccentric position(Unit:mm)

2.2 幾何模型建立

有限元模型包括殼體、聚能裝藥、模擬槍片、靶板、空氣和水，整體采用1/4軸對稱模型。A、B兩種結(jié)構(gòu)的新型震源彈的殼體外形和內(nèi)腔尺寸相同，口徑為40.0 mm，高度為51.0 mm，且裝藥量均為25 g。炸高為12.0 mm，模擬槍片厚度為5.0 mm，槍套間隙充滿水，水層厚度分別為10.0、21.0、32.0 mm。有限元結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 有限元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of finite element

2.3 數(shù)值模擬算法和材料參數(shù)選擇

2.3.1 數(shù)值模擬算法

殼體、模擬槍片和靶板材料均為45＃鋼；選用RDX炸藥裝藥。炸藥、空氣和水采用歐拉網(wǎng)格，單元算法使用多物質(zhì)ALE算法；殼體、模擬槍片和靶板建模采用Lagrange算法。整體模型通過*Constrained＿Lagrange＿in＿Solid實現(xiàn)流固耦合，單元以六面體網(wǎng)格為主，單元網(wǎng)格的尺寸為1 mm×1 mm×1 mm。根據(jù)模型特點，設(shè)置對稱邊界條件、非反射邊界條件[12-13]。

2.3.2 材料參數(shù)選擇

RDX裝藥采用JWL狀態(tài)方程；殼體、模擬槍片和靶板的45＃鋼材料采用Johnson＿Cook模型，并考慮高應(yīng)變率條件下的應(yīng)力、應(yīng)變及失效關(guān)系；空氣域和水選用無偏應(yīng)流體動力學(xué)模型(null)，狀態(tài)方程選用*Eos＿Linear＿Polynomial。具體參數(shù)如表1所示[14-17]。

表1 各物質(zhì)材料模型參數(shù)Tab.1 Model parameters of each material

3 性能試驗

3.1 模擬裝槍侵徹套管試驗

采用了與數(shù)值仿真分析相同的方案開展試驗。表2為試驗裝配參數(shù)表。圖7為試驗裝配示意圖。分別測試不同槍套間隙下89型震源彈對模擬套管的損害程度。

圖7 試驗裝配示意圖Fig.7 Layout diagram of test

表2 模擬裝槍侵徹套管試驗方案Tab.2 Test scheme of simulating loading gun penetrating casing

3.2 震源槍模擬井試驗

在試驗場建造了一個深度為3.0 m的豎井，下入長度為2.0 m、壁厚為7.7 mm的?139.7 mm P110套管，并用混凝土澆筑固定。圖8為模擬井示意圖。

圖8 模擬井示意圖Fig.8 Schematic diagram of a simulated well

將12發(fā)新型震源彈裝入長度為1.0 m的89型震源試驗槍，孔密度為20孔/m，相位60°，總裝藥量為200 g，兩端裝直徑為101.6 mm的扶正接頭。如圖9所示。震源槍下入到試驗井套管中后，在套管中灌滿清水，模擬井口蓋上蓋板，并用泥土和沙袋封堵井口，然后起爆。

圖9 新型震源彈裝配圖Fig.9 Assembly drawing of the new type of seismic source bomb

4 結(jié)果與討論

4.1 仿真計算結(jié)果與分析

根據(jù)2.2建立3種模型開展數(shù)值模擬，分別計算了A、B兩種裝藥結(jié)構(gòu)的震源彈在不同水層厚度(槍套間隙)條件下對套管的毀傷效應(yīng)。見圖10。

圖10 兩種震源彈在不同時刻侵徹套管深度曲線Fig.10 Depth curves of two kinds of seismic source bombs penetrating casing at different time

由圖10可知，隨著槍套間隙的增加，A、B新型震源彈對套管的毀傷效果均逐漸降低，說明槍套間隙與射流侵徹能力成反比。槍套間隙越小，侵徹套管深度越深；當(dāng)槍套間隙為零時，侵徹深度達(dá)到最大。因此，?101.6 mm扶正接頭的設(shè)計具有必要性和合理性。

對比兩種結(jié)構(gòu)爆炸震源彈，當(dāng)水層厚度為10.0 mm時，結(jié)構(gòu)B優(yōu)于結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)B最大侵徹深度僅為1.7 mm，對套管的損傷小，而結(jié)構(gòu)A最大侵徹深度為6.4 mm。當(dāng)水層厚度為21.0 mm和32.0 mm時，結(jié)構(gòu)B對套管均沒有損傷，而方案A對套管的最大侵徹深度分別為1.8 mm和0.5 mm。圖11和圖12為兩種震源彈在10.0 mm槍套間隙下不同時刻的毀傷云圖和射流速度曲線。

由圖11和圖12可見，兩種裝藥結(jié)構(gòu)的震源彈從頂部中心起爆后，生成爆轟波向軸線處擠壓閉合，形成了高溫、高壓、高速聚能的氣體流，向著靶板方向射出。由于氣體流的能量密度比金屬射流低很多，在t=5μs時，結(jié)構(gòu)A震源彈頭部速度為7 700 m/s，結(jié)構(gòu)B震源彈頭部速度為7 400 m/s。說明錐形內(nèi)腔比圓弧形內(nèi)腔裝藥的聚能效果好。聚能氣體流穿過模擬槍片后，在t=15μs時，結(jié)構(gòu)A震源彈氣體流頭部速度降為3 800 m/s，結(jié)構(gòu)B震源彈降為2 900 m/s，兩者均在水層中開始膨脹，后者比前者膨脹速度更快，能量密度和速度迅速下降。當(dāng)t=23 μs時，侵徹基本結(jié)束。因此，前者比后者對靶板的毀傷程度更大。

圖11 兩種震源彈不同時刻毀傷云圖Fig.11 Damage nephograms of two kinds of seismic source bombs at different time

圖12 兩種震源彈不同時刻射流速度曲線Fig.12 Jet velocity curves of two kinds of seismic source bombs at different time

可見結(jié)構(gòu)B震源彈能滿足井間地震對爆炸震源的技術(shù)要求。

4.2 性能測試結(jié)果與分析

4.2.1 模擬裝槍侵徹套管試驗結(jié)果與分析

圖13為結(jié)構(gòu)B震源彈在10.0、21.0 mm和32.0 mm 3種水層厚度(槍套間隙)下模擬裝槍侵徹套管的試驗結(jié)果。經(jīng)現(xiàn)場觀察，模擬套片上只有2～3處破片撞擊坑點和沖擊波壓痕，沒有受到明顯損傷，由于模擬槍片破損，孔徑無法測量。

圖13 B結(jié)構(gòu)震源彈試驗結(jié)果Fig.13 Test results of seismic source bombs with structure B

表3為不同槍套間隙下性能試驗與數(shù)值計算中套管侵徹深度的對比分析。

從表3數(shù)據(jù)可知:在10.0 mm槍套間隙下，侵徹套管深度的計算值比試驗值深1.7 mm；在21.0 mm和32.0 mm槍套間隙下，深度相同。說明試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果吻合性較好，驗證了數(shù)值模擬計算的正確性。

表3 套管侵徹深度的性能試驗與數(shù)值計算結(jié)果對比Tab.3 Comparison between performance test and numerical calculation of casing penetration depth

4.2.2 震源槍模擬井試驗結(jié)果與分析

對模擬井試驗后震源槍和套管進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 震源槍模擬井試驗測試數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of simulation well test of seismic gun

圖14為試驗后的震源槍照片。圖15為試驗后破除固井水泥的套管照片。

圖14 試驗后的89型震源槍Fig.14 89-Type seismic gun after test

圖15 試驗后的套管Fig.15 Casing after test

試驗后，套管完好，未出現(xiàn)脹徑和穿孔。結(jié)構(gòu)B震源彈在井間地震作為爆炸震源時，可以保護(hù)套管不受傷害。震源槍上的穿孔孔眼平均直徑為22.3 mm，孔眼規(guī)則，無縱向和橫向裂紋，盲孔內(nèi)平均毛刺高度為0.8 mm，槍身最大脹徑為2.0 mm。槍身上的開孔泄壓面積共為45.6 cm2，能夠使震源槍內(nèi)的爆炸能量充分釋放到套管中，激發(fā)地層地震波，使在

鄰井中的接收檢波器足以可靠地采集到理想的地震數(shù)據(jù)。同時，?101.6 mm扶正接頭的使用避免了震源槍緊靠套管內(nèi)壁，增加了槍套間隙，保護(hù)了套管不受震源彈射流的傷害，提高了震源彈的使用效果。

5 結(jié)論

1)采用數(shù)值仿真和模擬性能測試設(shè)計了井間地震震源彈的不同裝藥結(jié)構(gòu)，研制了新型89型大藥量爆炸震源彈；可在震源槍上形成大孔眼，能向井筒內(nèi)迅速釋放爆炸能量，激發(fā)地震波且不損傷套管。

2)在10.0 mm槍套間隙下，侵徹套管深度的計算結(jié)果比試驗結(jié)果深1.7 mm；在21.0 mm和32.0 mm槍套間隙下，深度相同。表明數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合性較好。

3)新型震源彈對套管的毀傷效應(yīng)與槍套間隙成反比。當(dāng)槍套間隙大于10.0 mm，不會對套管產(chǎn)生損傷；管串采用?101.6 mm扶正接頭，滿足套管不受損傷的基本要求。

4)雖然研制的89型井間地震爆炸震源彈從激發(fā)能量和安全性上滿足勘探要求，但實際井下環(huán)境復(fù)雜，接收檢波器受到多種因素干擾，還需要根據(jù)實際使用效果對其進(jìn)一步優(yōu)化。