一种新型井间地震爆炸震源弹的研制与测试❋

魏 领 鲁 坤 李必红 田 斌 王 喜 陈志伟 王雪艳

物华能源科技有限公司(陕西西安，710061)

引言

井间地震技术是20世纪80年代在美国发展起来的地震勘探新技术。在一口井内放置震源，另一口井内放置接收检波器，通过改变震源和井中检波器的深度和位置，进行激发和接收，以获得井间地质剖面[1-2]。该技术因避开了地表低速带对地震信号高频成分的吸收，具有高精度、高分辨率、高信噪比等优点。井间地震技术最关键的部分是井中震源[3]。井中震源包括爆炸、径向辐射脉冲、电火花、机械脉冲、压电型机电换能和控频扫描振动等6种形式[4]。其中，爆炸震源具有激发信号强、脉冲好、频带宽、耐高温和耐高压等优点而被广泛使用[5-6]。爆炸震源通常为爆炸索和成型炸药等[7]。Silverman[8]基于速度匹配理论设计了一种细长震源药柱，该药柱由高爆速药柱与低爆速药柱相间连接而成，通过调节两部分元件的长度来调整爆速。阮传鹏[9]从炸药起爆、爆轰理论和混合理论角度分析得出一种更适合粉状震源药柱生产的新型工艺，通过对混药工艺和装药结构的改进，提高了粉状震源药柱起爆和传爆的可靠性。但上述爆炸震源也存在着井下作业时可能对井壁产生破坏的问题，并且没有连续激发能力，成本高[10]。

为了解决爆炸震源存在的不足之处，采用数值模拟和试验研究的方法，设计了一种新型井中爆炸震源弹。该震源弹安装于震源枪内。起爆时，产生的强能量爆轰波可以诱发储层形成高振幅的地震波，且不会伤害套管和水泥环，适用于500 m以上大井间距施工。同时，能够结合选择发射孔技术进行连续性激发，一次可在井下激发20次以上[11]。适用于直井、斜井、大斜度井及水平井等不同类型井况的勘探。

1 设计原理和结构

新型爆炸震源弹主要由壳体、传爆药和主炸药组成。在保证震源枪管柱和套管安全的前提下，为了提高地震勘探数据采集效果和减少施工管串长度，单发爆炸震源弹激发药量设计越大越好。国内常规89型射孔器一般采用40型射孔弹。设计了A、B两种不同结构的89型震源弹，用于89型震源枪(∅89.0 mm)内。如图1所示。

图1 两种新型的89型震源弹结构Fig.1 Structures of two new kinds of 89-type seismic resource bombs

爆炸震源弹工作时利用炸药的聚能效应。装药量过大，会造成射流破坏威力大，极容易伤害套管和水泥环。为了在大药量下形成短而粗的射流，并且只在射孔枪上穿孔而不伤害套管，通过改变装药结构的方式，设计了分别对应于图1的A、B两种多曲线形装药结构。二者采用RDX装药，并且装药量均为25 g。具体装药结构如图2所示。图2中:结构A为锥形内腔；结构B为圆弧形内腔。

图2 两种新型89型震源弹的装药结构(单位:mm)Fig.2 Charge structures of two new kinds of 89-type seismic resource bombs(Unit:mm)

井下作业时，因为井斜的原因，震源枪会偏靠在套管内壁，使得一个相位上的爆炸震源枪与套管的间隙(以下简称枪套间隙)仅为盲孔深度4.0 mm。由于间隙小，形成的聚能射流易对套管和水泥环造成损坏。因此，采用增加扶正接头外径的方式，以提高枪套间隙。扶正接头外径设计为101.6 mm，震源枪外径为89.0 mm，则震源枪紧靠套管内壁一侧的枪套间隙为10.5 mm。图3为扶正接头外形图。

图3 扶正接头外形结构Fig.3 Shape structure of stabbing joint

2 数值仿真分析

2.1 计算方案

采用数值仿真方法分别计算井下起爆时A、B两种不同装药结构的震源弹对套管的毁伤效果。图4和图5为89型震源枪在∅5.5″(∅139.7 mm)套管(壁厚为7.7 mm)中的两种不同位置示意图。居中状态下，枪套间隙(盲孔至套管内壁距离)为21.7 mm。偏心状态下，枪套间隙最小为10.6 mm；最大为32.8 mm。为了保证震源效果和安全性，分别计算89型震源枪在套管中居中和偏心状态下的射流作用效果。

图4 震源枪居中状态布置示意图(单位:mm)Fig.4 Layout diagram of the seismic gun in center position(Unit:mm)

图5 震源枪偏心状态布置示意图(单位:mm)Fig.5 Layout diagram of the seismic gun in eccentric position(Unit:mm)

2.2 几何模型建立

有限元模型包括壳体、聚能装药、模拟枪片、靶板、空气和水，整体采用1/4轴对称模型。A、B两种结构的新型震源弹的壳体外形和内腔尺寸相同，口径为40.0 mm，高度为51.0 mm，且装药量均为25 g。炸高为12.0 mm，模拟枪片厚度为5.0 mm，枪套间隙充满水，水层厚度分别为10.0、21.0、32.0 mm。有限元结构见图6。

图6 有限元结构示意图Fig.6 Structure diagram of finite element

2.3 数值模拟算法和材料参数选择

2.3.1 数值模拟算法

壳体、模拟枪片和靶板材料均为45＃钢；选用RDX炸药装药。炸药、空气和水采用欧拉网格，单元算法使用多物质ALE算法；壳体、模拟枪片和靶板建模采用Lagrange算法。整体模型通过*Constrained＿Lagrange＿in＿Solid实现流固耦合，单元以六面体网格为主，单元网格的尺寸为1 mm×1 mm×1 mm。根据模型特点，设置对称边界条件、非反射边界条件[12-13]。

2.3.2 材料参数选择

RDX装药采用JWL状态方程；壳体、模拟枪片和靶板的45＃钢材料采用Johnson＿Cook模型，并考虑高应变率条件下的应力、应变及失效关系；空气域和水选用无偏应流体动力学模型(null)，状态方程选用*Eos＿Linear＿Polynomial。具体参数如表1所示[14-17]。

表1 各物质材料模型参数Tab.1 Model parameters of each material

3 性能试验

3.1 模拟装枪侵彻套管试验

采用了与数值仿真分析相同的方案开展试验。表2为试验装配参数表。图7为试验装配示意图。分别测试不同枪套间隙下89型震源弹对模拟套管的损害程度。

图7 试验装配示意图Fig.7 Layout diagram of test

表2 模拟装枪侵彻套管试验方案Tab.2 Test scheme of simulating loading gun penetrating casing

3.2 震源枪模拟井试验

在试验场建造了一个深度为3.0 m的竖井，下入长度为2.0 m、壁厚为7.7 mm的∅139.7 mm P110套管，并用混凝土浇筑固定。图8为模拟井示意图。

图8 模拟井示意图Fig.8 Schematic diagram of a simulated well

将12发新型震源弹装入长度为1.0 m的89型震源试验枪，孔密度为20孔/m，相位60°，总装药量为200 g，两端装直径为101.6 mm的扶正接头。如图9所示。震源枪下入到试验井套管中后，在套管中灌满清水，模拟井口盖上盖板，并用泥土和沙袋封堵井口，然后起爆。

图9 新型震源弹装配图Fig.9 Assembly drawing of the new type of seismic source bomb

4 结果与讨论

4.1 仿真计算结果与分析

根据2.2建立3种模型开展数值模拟，分别计算了A、B两种装药结构的震源弹在不同水层厚度(枪套间隙)条件下对套管的毁伤效应。见图10。

图10 两种震源弹在不同时刻侵彻套管深度曲线Fig.10 Depth curves of two kinds of seismic source bombs penetrating casing at different time

由图10可知，随着枪套间隙的增加，A、B新型震源弹对套管的毁伤效果均逐渐降低，说明枪套间隙与射流侵彻能力成反比。枪套间隙越小，侵彻套管深度越深；当枪套间隙为零时，侵彻深度达到最大。因此，∅101.6 mm扶正接头的设计具有必要性和合理性。

对比两种结构爆炸震源弹，当水层厚度为10.0 mm时，结构B优于结构A，结构B最大侵彻深度仅为1.7 mm，对套管的损伤小，而结构A最大侵彻深度为6.4 mm。当水层厚度为21.0 mm和32.0 mm时，结构B对套管均没有损伤，而方案A对套管的最大侵彻深度分别为1.8 mm和0.5 mm。图11和图12为两种震源弹在10.0 mm枪套间隙下不同时刻的毁伤云图和射流速度曲线。

由图11和图12可见，两种装药结构的震源弹从顶部中心起爆后，生成爆轰波向轴线处挤压闭合，形成了高温、高压、高速聚能的气体流，向着靶板方向射出。由于气体流的能量密度比金属射流低很多，在t=5μs时，结构A震源弹头部速度为7 700 m/s，结构B震源弹头部速度为7 400 m/s。说明锥形内腔比圆弧形内腔装药的聚能效果好。聚能气体流穿过模拟枪片后，在t=15μs时，结构A震源弹气体流头部速度降为3 800 m/s，结构B震源弹降为2 900 m/s，两者均在水层中开始膨胀，后者比前者膨胀速度更快，能量密度和速度迅速下降。当t=23 μs时，侵彻基本结束。因此，前者比后者对靶板的毁伤程度更大。

图11 两种震源弹不同时刻毁伤云图Fig.11 Damage nephograms of two kinds of seismic source bombs at different time

图12 两种震源弹不同时刻射流速度曲线Fig.12 Jet velocity curves of two kinds of seismic source bombs at different time

可见结构B震源弹能满足井间地震对爆炸震源的技术要求。

4.2 性能测试结果与分析

4.2.1 模拟装枪侵彻套管试验结果与分析

图13为结构B震源弹在10.0、21.0 mm和32.0 mm 3种水层厚度(枪套间隙)下模拟装枪侵彻套管的试验结果。经现场观察，模拟套片上只有2～3处破片撞击坑点和冲击波压痕，没有受到明显损伤，由于模拟枪片破损，孔径无法测量。

图13 B结构震源弹试验结果Fig.13 Test results of seismic source bombs with structure B

表3为不同枪套间隙下性能试验与数值计算中套管侵彻深度的对比分析。

从表3数据可知:在10.0 mm枪套间隙下，侵彻套管深度的计算值比试验值深1.7 mm；在21.0 mm和32.0 mm枪套间隙下，深度相同。说明试验结果和数值计算结果吻合性较好，验证了数值模拟计算的正确性。

表3 套管侵彻深度的性能试验与数值计算结果对比Tab.3 Comparison between performance test and numerical calculation of casing penetration depth

4.2.2 震源枪模拟井试验结果与分析

对模拟井试验后震源枪和套管进行测量，数据如表4所示。

表4 震源枪模拟井试验测试数据Tab.4 Test data of simulation well test of seismic gun

图14为试验后的震源枪照片。图15为试验后破除固井水泥的套管照片。

图14 试验后的89型震源枪Fig.14 89-Type seismic gun after test

图15 试验后的套管Fig.15 Casing after test

试验后，套管完好，未出现胀径和穿孔。结构B震源弹在井间地震作为爆炸震源时，可以保护套管不受伤害。震源枪上的穿孔孔眼平均直径为22.3 mm，孔眼规则，无纵向和横向裂纹，盲孔内平均毛刺高度为0.8 mm，枪身最大胀径为2.0 mm。枪身上的开孔泄压面积共为45.6 cm2，能够使震源枪内的爆炸能量充分释放到套管中，激发地层地震波，使在

邻井中的接收检波器足以可靠地采集到理想的地震数据。同时，∅101.6 mm扶正接头的使用避免了震源枪紧靠套管内壁，增加了枪套间隙，保护了套管不受震源弹射流的伤害，提高了震源弹的使用效果。

5 结论

1)采用数值仿真和模拟性能测试设计了井间地震震源弹的不同装药结构，研制了新型89型大药量爆炸震源弹；可在震源枪上形成大孔眼，能向井筒内迅速释放爆炸能量，激发地震波且不损伤套管。

2)在10.0 mm枪套间隙下，侵彻套管深度的计算结果比试验结果深1.7 mm；在21.0 mm和32.0 mm枪套间隙下，深度相同。表明数值计算结果与试验结果吻合性较好。

3)新型震源弹对套管的毁伤效应与枪套间隙成反比。当枪套间隙大于10.0 mm，不会对套管产生损伤；管串采用∅101.6 mm扶正接头，满足套管不受损伤的基本要求。

4)虽然研制的89型井间地震爆炸震源弹从激发能量和安全性上满足勘探要求，但实际井下环境复杂，接收检波器受到多种因素干扰，还需要根据实际使用效果对其进一步优化。