RVSP勘探炸药震源爆炸的数值仿真＊

郑 宇，李文彬，王晓鸣，房师欣，王克波

（1.南京理工大学国防重点学科实验室，江苏 南京210094；2.山东北方民爆器材有限公司，山东 淄博255201）

1 引 言

垂直地震剖面（vertical seismic profile，VSP）勘探是震源勘探石油的传统方式。这种方式在地面使用震源进行激发，油井中接收，激发工作量大，油地关系难处理，获得的地震数据不够丰富。为了解决这些问题，勘探工作者提出使用逆向VSP（RVSP）的方法来进行石油勘探。与VSP 勘探不同，RVSP 勘探是在油井中激发，在地面接受，这种方式克服了VSP勘探的上述缺点，是勘探石油勘探工作研究的热点之一［1－4］。炸药震源是目前地震勘探中比较理想的震源，它的激发具有良好的脉冲性能和较高的地震波能量［5］。但是，RVSP勘探方式在油井中激发，存在着既要获得高的地震波能量，又要保证油井套管不被炸坏这对矛盾。传统的研究方法主要是进行实验研究，这种方法可以获取一定的数据量，但是难以得到炸药震源能量传输的整个过程，而且实验准备周期长，成本高。随着计算机技术的发展，以及商业软件在各个领域的成熟运用，使得利用数值仿真方法对RVSP勘探的深入研究成为可能。

本文中首先对震源炸药的能量传递过程进行理论分析，找出影响地面数据接收的主要因素。利用有限元软件AUTODYN－2D 对炸药震源在油井中的爆炸过程进行数值仿真，探讨油井材料对炸药能量传递的影响，以及油井套管的变形情况，讨论炸药半径和炸药长度与能量传递的关系。并将数值仿真结果与试验结果进行对比，为RVSP在地震勘探中的实施寻求依据。

2 震源炸药能量传递过程分析

目前困扰RVSP勘探技术的难题，就是如何保证油井不被破坏的前提下，在地面可以接收到地震波信号。要解决这个问题，首先需要对震源炸药的能量传递过程进行分析。

震源在井下的位置如图1所示。井下环境非常复杂，套管内除水外，还有油、气等其他介质。本文中将炸药所处环境简化为仅有水、套管、钢管、混凝土层和土壤。油井套管为外径14cm、壁厚0.77cm的钢管，套管外是壁厚20cm 的混凝土，混凝土外为土壤介质。

如图2所示，震源炸药爆炸后，能量通过井内介质（水、钢套管、混凝土管）传入土壤，然后由土壤传到地面，由地面接收装置获取信号。这个过程中，水、钢管、混凝土和土壤，都会吸收炸药能量。为了研究能量损失，首先作如下假设：

（1）考虑到震源形状为长径比很大的圆柱体（长径比在4以上），主要是炸药周向的油井介质对炸药有能量吸收，而炸药两端外的油井介质对炸药能量吸收很少。因此假设油井介质（包括水、钢管、混凝土以及岩石和土壤介质）对炸药的能量吸收与炸药长度成正比。

（2）土壤对炸药能量的吸收与震源和地面测试装置的距离有关。

（3）根据D.W.Gurney［5］对炸药加速壳体的研究，壳体获得的能量与炸药的半径有关，而与炸药长度关系不大。类似地，本文中认为油井套管的变形主要与炸药的半径有关。

图1 震源炸药的井下位置Fig.1 Position of the dynamite source in the oil well

图2 RVSP勘探工作原理Fig.2 Work principle of the RVSP survey

炸药震源的总能量为

式中：ρc 为炸药的密度，Lc为炸药震源长度，Rc为炸药的半径，Ec为炸药可以释放的质量化学能。

在震源炸药爆炸后，能量传递过程中损失的能量可表示为

式中：Rw为油井半径，Cw为油井介质对炸药能量的体积吸收量，Hs为震源中心到地面接收装置的距离，Cs为土壤对炸药能量的长度吸收量。

则地面接收装置获得的震源传来的能量

式中：Kc＝RcρcEc，Kw＝RwCw分别代表炸药释放能量的能力和石油井壁吸收能量的能力。

对于地面接收装置，只有当震源传递的能量大于一定值才能得到可以被解读的有效数据，即可被辨识的剖面振动数据，如图8（c）所示。从式（3）可以看出，影响Qe的主要因素有：炸药材料和炸药质量（决定震源释放能量的能力）、油井对爆炸能量的吸收，以及震源和地面接收装置的距离。

震源到地面接收装置的距离，是由勘探对象（油田）的可能位置决定的，一般为定值。在炸药材料一定的情况下，震源炸药质量越大，而油井对爆炸能量的吸收比例越小，则地面总可以接收到有效数据。但震源炸药质量增大的同时，油井的套管和混凝土管可能会遭到破坏。解决这个问题的办法是，只增大炸药的长度，而保证炸药半径在一定范围内。

上述分析进行了大量假设，为了验证理论分析的正确性，本文中借助数值仿真工具，首先研究油井材料对震源爆炸的影响，然后分别研究炸药半径和长度对套管变形以及能量输出的影响。

3 仿真分析模型的建立

3.1 数值模型

考虑到研究对象尺寸很大，而且油井、炸药都为回转体，因此建立了2维轴对称模型。普通震源药柱为直径57mm 的圆柱体，装药质量为1.0kg，材料为RDX 炸药，外面是水介质，套筒为直径14cm、壁厚0.77cm 的钢质圆筒，套筒外为直径200cm、壁厚20cm 的混凝土环。土壤模型设定为直径40m、高32m 的圆柱体。研究套管和混凝土对炸药能量传输的影响时，建立了2种数值模型，第1种将水层、钢套管、混凝土和土壤都考虑在内，建立模型如图3（a）所示；第2种模型除炸药外仅有土壤1种介质，所建立模型如图3（b）所示。研究炸药半径对套管涨径的影响时，其他模型不变，仅改变炸药模型的径向尺寸。研究炸药长度对能量传输的影响时，仅改变炸药模型的轴向尺寸，其他模型不变。

图3 震源在油井中爆炸的有限元模型Fig.3 Finite element models for the dynamite source and its surrounding media in the oil well

3.2 仿真算法及模型参数

仿真计算中采用Lagrange算法。与Euler算法相比，这种算法的优势在于可以清楚地刻画不同界面间的相对运动，便于设置传感器测出特定位置的物理量。难点在于：炸药在土壤中爆炸时，炸药网格会产生相当大的变形甚至出现负面积，解决的办法是在炸药与土壤作用过程中，适时使用Remap算法，重新划分网格。

仿真计算中材料的描述通常包括材料的状态方程、强度模型和失效准则等3部分。表1中列出了数值仿真的材料模型。材料的状态方程、强度模型以及失效准则的表达式可以参阅文献［7］，具体的材料参数取自文献［7－9］。

表1 数值仿真材料模型Table 1 Material models in hydrocode simulation

4 仿真结果及分析

4.1 油井介质对震源炸药能量传递的影响

在距药柱底端面10m 处，2种不同介质情况下的质点速度和压力曲线如图4所示。vy表示垂直于震源炸药轴线方向的质点速度，p 表示质点压力。

从仿真结果可以看出，距离震源10m 处，单一介质质点的速度峰值是多介质的2.8倍，压力峰值是多介质的2.7倍。说明油井材料对震源的减弱作用非常明显。采用RVSP 勘探方式必须考虑到油井材料对震源的削弱作用，在不破坏油井套管的前提下，尽可能增大震源药柱的能量。

图4 油井介质对震源炸药能量传递的影响Fig.4Influences of the media in the oil well on the energy transfer of the dynamite source

4.2 震源装药直径对油井套管的变形影响

为了研究震源装药直径对油井套管变形的影响，装药长度取100cm，直径分别为1.0、1.5、2.0和2.5cm，进行了数值仿真，得出的油井套管变形曲线如图5所示，图中xg表示套管上的观测点距离炸药起爆端的轴向相对位置，Dw表示套管对应位置的变形量。

从图5可看出：随着装药直径的增大，油井套管的变形越来越严重。而且，因为炸药是从一端起爆，而非中心点起爆，所以变形最大的区域并不在套管中间部位，而是靠近起爆端的位置，对本文来说，变形最大的区域约在靠近起爆端的套管四分之一处。

4.3 震源装药长度对能量传输的影响

为了研究震源装药长度对油井套管的影响，取装药直径为2.0cm，长度分别为0.50、0.75 和1.00m，进行了数值仿真，得出的震源装药长度对能量传输及套管变形的影响如图6所示，其中，在距震源炸药中心点10m 处，2种不同介质情况下的质点速度、压力曲线以及套管变形情况如图6（a）～（b）所示，图6（c）给出了套管最终变形情况的对比。

表2中给出了装药长度对能量传输以及套管变形影响峰值比较。表中，vm表示质点速度峰值与装药长度为0.5m 的速度峰值的比值，pm表示质点压力峰值与装药长度为0.5m 的压力峰值的比值，Dm表示套管变形峰值与装药长度为0.5m 的套管变形峰值的比值。从仿真结果可以看出：

（1）随着装药长度的增加，炸药透过套管传输的能量也在增大。从距离震源中心10m 处的质点速度和压力峰值来看，其增大的倍数和装药长度的增加倍数是基本一致的。

（2）随着装药长度的增加，套管的变形也在增大，但套管变形的比例远小于装药长度增加的比例。由此可以看出，通过适当增大装药长度可以达到既满足地面数据采集，又不破坏套管的目的。

图5 装药直径对油井套管变形的影响Fig.5 Effects of charge diameter on the deformation of the oil well pipe

表2 装药长度对能量传输以及套管变形的影响Table 2 Effects of charge length on energy transfer and oil well pipe deformation

图6 震源装药长度对能量传输及套管变形影响Fig.6 Effects of charge length on the energy transfer and the deformation of the oil well pipe

5 仿真与实验的对比

为了验证理论分析和数值仿真的研究结果，进行了实验工作。实验用的套管和震源药柱如图7所示，炸药震源的质量为1kg。实验和仿真结果的对比如图8所示，其中图8（a）～（b）分别为套管变形的实验和数值仿真结果，图8（c）～（d）分别为剖面振动数据的实验和数值仿真结果。

从实验结果以及实验结果与仿真结果的对比可以看出：

（1）油井套管的涨径增量为7.5%，没有出现裂纹，而且测得的剖面相图清晰，数据丰富。因此通过合理选择炸药的质量和半径，可以达到油井套管不破坏（涨径增量小于10%，没有出现裂纹），而且地面能够接收到有效信号的目的。

（2）仿真得到的套管最大涨径为153.0mm，比实验值（150.5 mm）略大，但比较接近。数值仿真得到的剖面振动数据与实验结果在形状上符合得很好。说明数值仿真的算法和材料参数的选取比较合理。可以使用数值仿真方法对RVSP 的能量传播机理进行深入研究。

图7 实验用套管和震源药柱Fig.7 The oil well pipe and the charge column used in the test

图8 实验和仿真结果对比Fig.8 Comparisons between test and simulation

6 结 论

在对震源炸药的能量传递过程进行理论分析的基础上，找出影响地面数据接收的主要因素。采用数值仿真的方法，研究了油井材料对炸药能量传递的影响、炸药半径对油井套管变形的影响，以及装药长度与能量传递的关系。通过研究得出如下结论：

（1）油井介质对震源炸药的削弱作用明显，在不破坏油井套管的前提下，尽可能增大震源药柱质量。

（2）随着震源装药半径的增加，套管受到的破坏作用增大。随着震源装药长度的增大，传递出的能量逐渐增大，同时套管受到的破坏没有显著增大。因此，可以通过增大装药长度的方式来达到既满足地面数据采集，又不破坏石油套管的目的。

（3）数值仿真和实验结果符合较好，说明有限元软件可以作为1个有效的辅助手段对RVSP的能量传播机理进行研究。

感谢胜利石油管理局地球物理勘探开发公司和山东北方民爆器材有限公司提供的实验数据！

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