Способ определения оптимальных характеристик взрывчатых веществ - RU2243574C1

Описание

Настоящее изобретение относится к области сейсмической разведки. Точнее, изобретение относится к способу определения оптимальных характеристик взрывчатых веществ в специфических условиях сейсмической разведки.

Скважины бурят в породе для взрывной выемки породы при горных работах и для многих других целей. Например, при разведочных работах на нефть и газ, поиске минералов и других продуктов, когда необходимо физическое проникновение в геологические формации. При сейсморазведочных работах обычно вызывают детонацию взрывных зарядов для получения сигналов источника ударных волн для исследования подземных геологических формаций. Ударные волны отражаются от подземных геологических структур и поверхностей раздела, а отраженную энергию обнаруживают датчиками, например сейсмоприемниками, на поверхности. Эти датчики преобразуют отраженную энергию в сигналы, которые записывают для обработки.

При многих наземных геофизических сейсмических работах вибрационные агрегаты находятся в соприкосновении с грунтом и отдают энергию в подземные геологические формации. Однако районы разведки часто включают в себя горные, тропические или другие участки, недоступные для сейсмических агрегатов. Вследствие ограничений по возможности доступа и большой энергии источника, создаваемой взрывчатыми материалами, взрывные заряды, детонирующие в сейсмических скважинах, образуют предпочтительный источник сейсмической энергии. Для размещения взрывчатых веществ, в поверхностных геологических формациях обычно пробуривают сейсмические скважины шириной вплоть до четырех дюймов и глубиной от двух до тридцати метров. Взрывные заряды обычно помещают на дно сейсмической скважины и вызывают детонацию для создания ударных волн, проходящих в подземные геологические формации.

Сейсмические скважины имеют иные характеристики по сравнению с взрывными скважинами для выемки породы, поскольку целью использования сейсмических скважин не является перемещение или разрушение породы, а эффективная передача энергии упругих ударных волн вниз, в подземные геологические формации. Поэтому оборудование для сейсмических скважин и способы бурения, соответственно, являются относительно специализированными.

Для облегчения размещения взрывчатых веществ в нижнем конце сейсмической скважины диаметр обычных взрывных зарядов выбирают меньше диаметра сейсмической скважины. Образующееся кольцо между взрывным зарядом и стенкой сейсмической скважины часто уменьшает эффективность, с которой энергия ударной волны передается в подземные геологические формации. Это уменьшение эффективности стимулировало разработку способа, заключающегося в использовании газообразных взрывчатых веществ для исключения пустого пространства между взрывчатым веществом и стенкой ствола скважины.

В патенте США №3752256 (Mollere), 1973, раскрыт способ позиционирования камеры сгорания в грунте, предназначенной для создания сейсмической энергии. В патенте США №3976161 (Carman), 1976, раскрыта бурошнековая установка для введения смеси взрывчатых газов в рыхлый грунт.

Значительная часть энергии ударной волны выделяется вверх по сейсмической скважине, поскольку открытая скважина создает относительно небольшое сопротивление. Для ограничения этих потерь энергии в сейсмическую скважину помещают пробки, что показано в патенте США №4066125 (Bassani), 1978. В патенте США №4736796 (Arnall et al.), 1988, раскрыты другие способы герметизации сейсмических скважин с помощью цемента, гравия и бентонита.

Взрывы использовали в качестве сейсмического источника с момента зарождения сейсмической разведки, но мало внимания уделяли исследованию характеристик взрывчатых материалов. Препятствия на пути к оценке взрывчатых веществ включают в себя отсутствие информации относительно значимости некоторых параметров взрывчатых веществ, отсутствие эффективных способов для полевых исследований таких параметров, отсутствие способов для оценки данных полевых испытаний и высокую стоимость проведения многовариантных экспериментов, необходимых для оценки взрывчатых веществ.

Разнообразные способы были разработаны для регулирования формы и направленности выбросов сейсмической энергии. В патенте США №3908789 (Itria), 1975, раскрыт способ для регулирования продолжительности взрыва взрывчатого материала. Управление в продолжение детонации взрывчатого материала раскрыто в патенте США №4053027 (Oswald), 1977, когда первый и второй импульсы энергии образуются во время одного и того же сейсмического события. Многочисленные публикации относятся к механике передачи энергии при различных грунтовых условиях.

Для сейсморазведочных работ в районе необходимы многочисленные площадки, чтобы расположить сейсмические скважины для сейсмической разведки, а при крупномасштабной разведке могут потребоваться тысячи сейсмических скважин. Средняя стоимость каждой сейсмической скважины, умноженная на число сейсмических скважин, в значительной степени определяет экономическую эффективность разведки и совокупности данных, получаемых в результате осуществления плана разведки. Проведение сейсмической разведки требует больших затрат, а при некоторых геологических условиях иногда трудно получить достаточное количество данных. Глубина бурения и специалисты на площадке, а также продолжительность работы оборудования являются существенными показателями затрат. Поэтому существует необходимость в усовершенствованных способах для эффективного определения параметров источников, предназначенных для сейсмических скважин, в районах, недоступных для тяжелого оборудования.

Согласно настоящему изобретению разработан способ выбора сейсмического источника, предназначенного для использования в выбранном районе сейсмической разведки. Способ включает этапы оценки выбранных физических свойств грунта в пределах района сейсмической разведки, тестирования реакции грунта на характеристики выбранного сейсмического источника, создания тестовой модели инициирования выбранного сейсмического источника в грунте, оценки модели дальнего поля для сейсмического отклика в результате инициирования сейсмического источника на основании тестовой модели ближнего поля, инициирования сейсмического события в пределах выбранного района сейсмической разведки для измерения сейсмических данных, обусловленных сейсмическим событием, и сравнения модели дальнего поля сейсмического отклика с сейсмическими данными, инициированными сейсмическим событием.

На чертеже показана схематичная диаграмма района сейсмической разведки.

Согласно изобретению разработан способ для повышения качества сейсмических данных при геофизических работах. Способ осуществляют путем определения физических характеристик геологических формаций, разработки и тестирования моделей взрывчатых веществ для района, калибровки модели при сравнении с реальными исследованиями и использования модели для проведения детального тестирования параметров взрывчатого вещества.

На чертеже показана характерная диаграмма для района сейсмической разведки. Источник 10 инициируют для передачи в грунт 12 энергии сейсмических волн, а посредством сейсмоприемников 14 регистрируют отраженную энергию сейсмического источника для последующей обработки. Многократные взрывы обычно осуществляют в границах района разведки, представляющего геологический интерес.

После идентификации границ района разведки такой район исследуют для определения соответствующих характеристик мелких и глубоких геологических формаций в пределах такого района разведки. Поверхностные или почти поверхностные геологические формации оценивают для выбора репрезентативных испытательных площадок на основании таких характеристик, как тип породы или грунта, характеристики влажности, степень и глубина выветривания и другие факторы. Образцы керна берут на каждой испытательной площадке, а чтобы определить пористость, плотность, скорости продольных и поперечных волн, модуль упругости при растяжении и динамический модуль упругости, а также зависимости напряжение-деформация при одноосевом и объемном давлениях, проводят анализ образцов керна. Использованный в настоящей заявке термин “грунт” охватывает агрегаты, осадки, органический материал, песок и другие материалы, образующие поверхность Земли.

Вслед за этими определениями типов породы или грунта планируют и на разведочных испытательных площадках проводят эксперименты по исследованию характеристик взрывчатых веществ различных типов. На каждой испытательной площадке подрывают взрывные заряды различных типов, а результаты выявляют посредством решетки сейсмоприемников. Предпочтительно, чтобы такие сейсмоприемники были трехкомпонентными сейсмоприемниками. Во время таких исследований оценивают различные параметры взрывных зарядов, включая скорость детонации, плотность, отношение диаметра заряда к диаметру скважины, отношение импеданса продуктов реакции взрыва к импедансу окружающей породы или окружающего грунта, форму заряда, длину заряда, образование газа, время высвобождения энергии, материал забивки скважин, суммарную энергию, энергию удара, энергию газа или газового пузыря и другие параметры.

Данные со сейсмоприемников обрабатывают в соответствии с программой исследований, для определения сочетания параметров взрывчатого вещества, обеспечивающего оптимальное качество данных. Такая обработка включает спектральный анализ для определения относительной амплитуды сигнала и энергии шумов в пределах выбранных частотных диапазонов. Такую программу исследований выполняют для каждого заряда на каждой испытательной площадке. Спектры, полученные при таком спектральном анализе, усредняют на выбранных частотах для получения составного спектра для взрывного заряда каждого типа, и на основании составного спектра вычисляют диапазон отклонений и среднее отклонение на выбранных частотах в пределах ширины полосы частот, представляющих интерес. Индивидуальные и составные спектры от взрывного заряда каждого типа сравнивают отдельно и в различных сочетаниях, чтобы определить влияние каждого параметра в пределах ширины полосы частот, представляющих интерес. Идентифицируют параметры, дающие желаемый результат, и такие параметры могут быть подвергнуты анализу чувствительности с использованием разнообразных методологий моделирования. Желательные параметры включает в себя увеличенную энергию сигнала, повышенное отношение сигнала к шуму, повышенную состоятельность сигнала и сниженный шум.

Точное моделирование взрывчатых веществ выполняют путем создания двух- или трехмерной модели формации и взрывных зарядов. Параметры формации вблизи поверхности, характеризующие условия геологической формации около взрывных зарядов, получают на основании результатов измерений образцов керна, из каротажных диаграмм и экспериментальных данных. Такие параметры могут включать, но не ограничены ими, пористость, плотность, скорости продольной и поперечной волн, модуль упругости при растяжении и динамический модуль упругости, а также зависимости напряжение-деформация при одноосевом и объемном давлениях.

Прогнозы относительно глубоких геологических формаций делают так, чтобы можно было смоделировать скорости и смещения частиц. Из более глубоких формаций нельзя отобрать пробы, и информацию относительно таких формаций можно получить из предшествующих сейсмических данных, каротажных диаграмм или из опубликованных данных. Модель обобщают в вертикальном направлении до максимальной глубины, представляющей интерес, а в поперечном направлении до максимального удаления, представляющего интерес. В зависимости от доступности информации и заданной точности модели изменения параметров геологической формации в поперечном направлении могут включаться или могут не включаться в модель. В зависимости от использованных кодов моделирования в модель могут быть включены эффекты дисперсии или анизотропии.

Модель для взрывных зарядов состоит из уравнений состояния для конкретных тестируемых взрывчатых веществ. Такие уравнения состояния могут быть определены на основании цилиндрического расширения или данных экспериментального исследования газового пузыря, или на основании опубликованных значений.

После образования модели начинают численное моделирование взрывных зарядов конкретных типов. Гидродинамические коды Лагранжа или Эйлера могут имитировать взрыв заряда каждого конкретного типа в близкой к поверхности конфигурации расстановки и в приближении предложенной геометрии сейсмического источника. Развитие взрыва и реакцию окружающей породы или грунта моделируют на дискретных временных интервалах в продолжение детонации взрывного заряда. В зависимости от типа волн или моделируемой конфигурации земли такие вычисления могут быть осуществлены в двух или трех измерениях. Для таких способов моделирования нужна большая вычислительная интенсивность и может потребоваться выполнение большого количества шагов. Границу внутри породы выбирают вокруг взрывного заряда. Когда энергия от взрывного заряда достигает выбранной границы, регистрируют амплитуду и направление перемещения частиц на каждой ячейке вдоль границы и используют их в качестве входных данных для более расширенной модели. Этот процесс повторяют до тех пор, пока диапазон перемещения частиц не станет достаточно малым для получения упругой реакции породы. В этот момент берут значения перемещения частиц и вновь вводят в еще одну программу моделирования, способную распространить результаты вычислений упругой реакции на расстояние, приближающееся к наибольшим удалениям сейсмоприемников, зарегистрированным во время сейсмической разведки.

Конечные результаты отображают в виде ряда графиков или трасс, характеризующих искусственную версию исследований параметров. Эти искусственные трассы сравнивают с реальными трассами (с тестовыми данными параметров) для нескольких комбинаций составов тестируемых взрывчатых веществ. Если искусственные и реальные данные согласуются в пределах приемлемых границ, тестовую модель района калибруют.

Оценочные метрики включают обнаруженные тестовые данные, моменты специфических событий в записи, относительные амплитуды вступлений в зависимости от глубины и удаления и шумовые характеристики в данных. Если искусственные трассы и реальные трассы не согласуются в пределах приемлемых границ, параметры модели корректируют и снова выполняют моделирование. Этот процесс повторяют итеративно до тех пор, пока искусственные и реальные данные не будут согласовываться в пределах приемлемых границ.

После калибровки тестовой модели района для параметров взрывчатых веществ могут быть выполнены тесты на чувствительность. Тесты на чувствительность выполняют путем варьирования одного параметра и повторного выполнения модели, чтобы определить изменение параметра, необходимое для получения достоверного изменения в имитированных сейсмических данных. Такие тесты можно повторять для различных величин и направлений изменения одного параметра до идентификации чувствительности данных к такому параметру. Тесты на чувствительность можно повторять для других параметров до определения относительной значимости каждого параметра.

На основании этого анализа относительной значимости параметров взрывных зарядов и соответствующей чувствительности каждого параметра могут быть сделаны прогнозы относительно улучшения взрывчатого материала и конфигурации расстановки для того, чтобы повысить качество данных или эффективность взрывных работ. Многочисленные сочетания параметров можно оценить без необходимости в дополнительных полевых испытаниях. Путем сравнения результатов модели с результатами другой модели или с реальными тестовыми данными можно определить оценки для оптимального ряда параметров. Может быть сделано прогнозирование характеристик различных взрывных или топливных источников энергии и может быть сделана оценка новых составов взрывчатых веществ. Например, состав взрывчатого вещества можно варьировать в соответствии с изменением плотности взрывчатого вещества или скорости детонации для согласования импеданса вторичных продуктов взрывчатого вещества с окружающей породой, для изменения времени высвобождения энергии, для изменения энергии суммарного заряда или для изменения распределения суммарной энергии между энергиями удара и газа. Кроме того, можно моделировать новые виды взрывчатых веществ, включая изменения длины, формы и фазы (будь то жидкость, газ, гель, твердое вещество, частицы или композит) взрывчатых веществ или топлива.

Дополнительно настоящее изобретение обеспечивает возможность получения прогнозов относительно реакции грунта вблизи поверхности на сейсмическую энергию источников, находящихся в грунте на различных уровнях. Эти прогнозы являются чрезвычайно полезными для уменьшения глубины сейсмических скважин, необходимой для осуществления желаемого согласования сейсмической энергии с грунтом. Путем моделирования таких реакций с использованием калиброванной тестовой модели могут быть сделаны расчетные прогнозы, предназначенные для сравнения дополнительных затрат на бурение в случае более глубоких сейсмических скважин и возможной экономии за счет использования зарядов с меньшей энергией. Экономические прогнозы можно делать, принимая во внимание местные особенности, такие как чувствительность окружающей среды, пограничные зоны между сушей и водой и изменения характеристик источников акустической энергии. Использование изобретения облегчает стратегию сейсмической разведки в отношении таких параметров, как размер заряда, тип и форма, глубина залегания, тампонирование, тип породы или грунта, и других переменных.

Хотя изобретение было описано применительно к определенным предпочтительным вариантам осуществления, для обычного специалиста в области техники, к которой относится изобретение, должно быть очевидно, что модификации и усовершенствования идей изобретения могут быть сделаны без отступления от объема изобретения. Показанные варианты осуществления являются только иллюстрацией идей изобретения и не должны интерпретироваться как ограничивающие объем изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области сейсмической разведки с использованием взрывчатых веществ. Технический результат: эффективное определение параметров источников, предназначенных для сейсмических скважин в районах, недоступных для тяжелого оборудования. Сущность: оценивают и исследуют физические свойства почвы или породы на поверхности или вблизи поверхности для определения реакции такого грунта на характеристики и геометрию источников энергии. Для источника создают тестовую модель и используют ее для образования модели дальнего поля для сейсмического отклика. Для измерения сейсмических данных в пределах района сейсмической разведки инициируют сейсмическое событие. Измеренные данные сравнивают с моделью дальнего поля для сейсмического отклика. Для обеспечения возможности модификаций модели может быть произведена оценка различий. Модель может быть проверена на сейсмических источниках различных типов и при разных конфигурациях расстановки. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула