环保型乳化炸药激发技术在四川盆地的应用

刘 伟 李明翼 陈江力 赵晓红 罗卫东 李 彪

1.中国石油东方地球物理公司西南物探分公司 2. 中国石油西南油气田分公司勘探事业部

0 引言

四川盆地地震勘探采集一直采用井内埋置铵梯炸药来激发产生地震波[1-2]。铵梯炸药的主要成分是硝铵和TNT，存在一定安全环保隐患，主要表现在2个方面：①铵梯炸药爆炸产物可能存在环境污染的潜留危害；②铵梯炸药拒爆后在地下介质中的降解周期长，遗留的安全隐患突出。使用铵梯炸药在一定程度上有悖背绿色勘探、环保勘探理念，不利于资源开发的持续开展。

而环保型乳化炸药的爆炸产物不含对环境和人体有毒有害的物质[3]，不含有敏感度高的猛炸药，如TNT、黑索金、泰安等，但安全性、抗水性、爆炸性都表现良好[4]。主要由3个部分组成[5]：①由硝酸铵、硝酸铵消焰剂（氯化钠、氯化铵、氯化钾等）、水和其他添加剂组成的氧化剂水溶液；②由油、蜡、乳化剂和其他油溶性材料组成的油相材料；③由珍珠岩，树脂微球，或亚硝酸铵、碳酸氢钠等无机盐组成的密度调节剂。可见环保型乳化炸药的化学组分无毒无味。乳化炸药爆炸按零氧平衡设计，爆炸过程中各组分能充分反应，爆炸后主要产物为二氧化碳、氮气、水以及少量的氮氧化物和一氧化碳[6]。经具备CMA中国计量认证和CMA Ⓕ食品检验机构资质认定的权威检测机构对乳化炸药爆炸前后土壤、地下水和空气中的重金属含量检测，结果显示基本无差异。由此可见，环保型乳化炸药爆炸产物对自然环境没有污染。而环保型乳化炸药降解后分解为氨气、氮气、氢气、氧气[7]，降解产物对自然环境也没有污染。

笔者通过深入分析环保型乳化炸药属性、总结环保型乳化炸药在四川盆地不同构造位置和不同地表地震地质条件下的激发效果，以探索适合环保型乳化炸药在四川盆地的采集参数和施工方法。

1 环保型乳化炸药属性

环保型乳化炸药的主要成分是硝酸铵、硝酸钠、碳氢化合物、span-80（乳化剂）[8]，具有高内相比的W/O结构体系。

1.1 环保型乳化炸药的化学成分

环保型乳化炸药内装是一种油包水的乳胶体，粒度很小（几微米到几十微米），内相是水相（氧化剂）、外相是油相（可燃剂）。这是一种油相包覆水相的稳定体系，可形象地比喻为“壳”、“膜”、“核”结构。“壳”为油相，“膜”为乳化剂，“核”为水相，即无机盐水溶液。油相材料主要为碳氢化合物，乳化剂为span-80、T152，水相材料是硝酸铵、硝酸钠混合的无机盐水溶液（表1）。

表1 环保型乳化震源材料配方表

1.2 环保型乳化炸药的物理属性

乳化炸药的乳胶体系是一种高内相比（内相体积高达90%以上）的结构体系，外相厚度仅为其内相厚度的几十分之一。不同于普通乳状液，乳胶体系是由2个不相溶相组成的分散体系，其中1相呈分散状颗粒或液滴均匀分布在另一相中[9]。乳化炸药不同于普通乳状液是其高内相比、内相无机氧化剂盐的过饱和以及乳化工艺的特殊性。在显微镜下，乳化炸药呈现的是薄薄的外相包裹着体积庞大的内相。

1.3 环保型乳化炸药的稳定属性

环保型乳化炸药的物理属性决定了其亚稳定性，用于制备乳化炸药的乳状液是一种高内相比（＞90%）、高密度、易析晶破乳且形态为黏稠状的热力学不稳定体系[10]。由此可见乳化炸药的爆炸性能与稳定性密切相关，稳定性遭到破坏，爆炸性能自然失效。乳化炸药内相粒子大小及其分布是其稳定性的重要标志[11]，内相粒子越小，粒径分布越窄，其稳定性就越好，界面膜（乳化剂）和外相（油膜）是维持内相粒子大小和分布的内在因素。因此决定乳化炸药失去爆炸性能的因素有2个方面：①调整乳化炸药的配方，包括内相粒子的大小和分布、界面膜和油膜的材质；②乳化炸药破乳。

在地震勘探中，乳化炸药埋置在地下井中，而炸药配方在生产厂家就固化了，是无法改变的。炸药失效的主要因素就是自然破乳，破乳方式又有乳胶体破乳和硝酸铵过饱和水溶液的析晶破乳2种方式：① 乳胶体破乳是乳化体系比表面能的降低，造成液珠聚集，油膜发生变形和收缩，界面减小，小液珠的聚集是热力学不可逆过程，大量的聚结使得连续相在液滴与界面之间排泄出来，造成油相和水相的不断分离，最终导致破乳现象的产生，研究表明[12]，在环境温度反复变换、急剧持续变化条件下，乳胶稳定性会在短时间内遭到破坏，导致破乳；②乳胶析晶是硝酸铵过饱和水溶液的析晶，析晶过程中内聚力会引起油膜变形和收缩，且随着析晶不断增长，其体积和形状发生变化，严重时使液珠油膜破裂，导致氧化剂与还原剂紧密接触的物理结构部分完全破裂[13]，研究表明，乳化炸药的储存稳定性与水溶液析晶量关系极大，当析晶量达到氧化剂总量的30%（体积）时，炸药爆速开始下降；达到50%时，乳化炸药将失去雷管感度。

2 环保型乳化炸药的爆轰能力

乳化炸药属于混合炸药，其“起爆中心”是内部的夹杂气泡或气泡载体如珍珠岩、玻璃微球等[14]。首先雷管爆炸能量被微体系内的物质吸收，微体系未向外做功，不会消耗能量，外界的能量被微体系内的物质全部吸收，使得微体系的内能增加，内能增加表现为温度升高。高温达几百甚至几千摄氏度，水的体积瞬间增大到几百倍。水的体积瞬间骤增，使微体系的乳胶粒子油膜爆裂。连续相的微体系乳胶粒子迅速发生爆炸，释放大量的能量。

如果把碳质燃料油看作饱和的烷烃，乳化炸药总爆炸反应式可如下：

理论上，环保型乳化炸药和铵梯炸药的爆炸性能差异不大。铵梯炸药的爆速稍高，做功能力稍强（表2）。

表2 不同震源做功能力表

3 应用效果分析

地震勘探井中激发炸药的药型和药量决定地震资料品质[15]，分别在四川盆地侏罗系砂泥岩区、三叠系石灰岩区和第四系砾石区都进行环保型乳化炸药激发技术试验，分析不同近地表地震地质条件[16]下的单炮资料品质和剖面成像效果，评价其应用效果。

3.1 单炮资料品质

在四川盆地砂泥岩区、砾石区和石灰岩区，采用相同排列接收、相同井深、不同药量进行乳化炸药和铵梯炸药激发测试，获得不同炸药类型的地震原始单炮记录。

侏罗系泥岩区铵梯炸药最佳激发药量为6 kg，而乳化炸药分别采用4 kg、5 kg、6 kg、7 kg、8 kg进行激发试验；经对比分析，相等药量（6 kg）的乳化炸药和铵梯炸药单炮能量相当，目的层同相轴连续性相当，原始单炮主频、频宽差异不大（图1）。

侏罗系砂岩区铵梯炸药最佳激发药量为8 kg，乳化炸药分别采用4 kg、6 kg、8 kg、10 kg、12 kg进行激发试验；经对比分析，增加2 kg药量乳化炸药和铵梯炸药单炮能量相当，目的层同相轴连续性相当，原始单炮主频相当、频宽无差异（图2）。

图1 侏罗系泥岩不同炸药激发的原始单炮记录和频谱对比图

图2 侏罗系砂岩不同炸药激发的原始单炮记录和频谱对比图

第四系砾石区铵梯炸药最佳激发药量为4 kg，乳化炸药分别采用3 kg、4 kg、5 kg、6 kg进行激发试验；经对比分析，相等药量的乳化炸药和铵梯炸药单炮能量相当，目的层同相轴连续性相当，原始单炮主频、频宽差异不大（图3）。

图3 第四系砾石不同炸药激发的原始单炮记录和频谱对比图

三叠系石灰岩区铵梯炸药最佳激发药量为8 kg，乳化炸药分别采用6 kg、8 kg、10 kg、12 kg进行激发试验，经对比分析，增加2 kg药量乳化炸药和铵梯炸药单炮能量相当，目的层同相轴连续性相当，原始单炮主频相当、频宽相当，频谱形态一致（图4）。

图4 三叠系石灰岩不同炸药激发的原始单炮记录和频谱对比图

总的来说，乳化炸药在第四系砾石区和侏罗系泥岩区采用与铵梯相等的激发药量，在侏罗系砂岩区和三叠系石灰岩区增加2 kg激发药量，能够获得和铵梯炸药激发效果的相当单炮记录。

3.2 剖面成像效果

在四川盆地川南低陡构造带的砂泥岩互层区、川东高陡复杂构造带的石灰岩区和川西低缓构造带的第四系砾石区各采集了一条二维测线。采用间隔布设乳化炸药和铵梯炸药激发点重复观测方式，也就是接收条件相同，激发岩性相同，炸药类型不同，确保测试测线不同炸药类型的炮检关系一致，剖面的覆盖次数相同。

川南侏罗系砂泥岩互层激发区的水平叠加对比剖面（图5），整条测线都是泥岩和砂岩激发。2种炸药激发的剖面目的层同相轴连续性相当，断面清楚一致，绕射波能量一致，总的来说，不同炸药剖面信噪比相当（图5）。

川东三叠系石灰岩激发区的水平叠加对比剖面（图6）。CDP1 001～2 809段是侏罗系泥岩和砂岩出露区，CDP2 810～3 909段是三叠系须家河组石英砂岩、雷口坡组石灰岩、嘉陵江组石灰岩出露区。2种炸药激发的剖面信噪比相当，目的层同相轴连续性相当，潜伏小构造形态、清晰度相当，断面、绕射相当；乳化炸药剖面在石灰岩激发段成像效果稍好，箭头、圆圈所示处，乳化炸药剖面构造细节更清楚（图6）。

川西北第四系砾石区的水平叠加对比剖面（图7），CDP1 001～4 481段是第四系砾石出露区，CDP4 482～5 979段是侏罗系泥岩和砂岩出露区。总的来说两种炸药激发的剖面构造成像清楚、一致，目的层同相轴连续性相当，断层、断点以及绕射特征一致；乳化炸药剖面在第四系砾石激发段成像效果稍好，箭头所示处，乳化炸药剖面浅层连续性稍好（图7）。

4 结论

1）通过对比四川盆地川南、川东、川西不同构造位置和不同地表地震地质条件下两种炸药的单炮记录品质和水平叠加剖面成像效果。认为环保型乳化炸药采用与铵梯炸药相同药量或略高药量能够得到和铵梯炸药相当的原始单炮品质，相同覆盖次数的剖面成像效果相当，有效反射同相轴连续性相当，层间反射清楚一致，断层、断裂以及绕射清晰度相当；

图6 川渝地区三叠系石灰岩出露区不同炸药激发的水平叠加对比剖面

图7 川渝地区第四系砾石出露区不同炸药激发的水平叠加对比剖面

2）环保型乳化炸药替代铵梯炸药可沿用铵梯炸药的生产井深、观测系统以及检波器类型和埋置方式，药量采用与铵梯相等（第四系砾石和侏罗系泥岩激发区相等药量）或略高（侏罗系砂岩和三叠系石灰岩激发区增加2 kg）的药量；

3）环保型乳化炸药激发技术可以在类似地区推广使用。