专利名称：定制地震爆炸物的方法
技术领域：
本发明涉及地震勘测场。更具体来说，本发明涉及用于对特定的地震勘查条件确定最优爆炸特性的一种方法。
为了进行挖掘爆破、采矿作业及许多其它目的，要在岩石中钻孔。例如，爆炸探寻碳氢化合物，矿物，及其它产品需要物理贯穿地质地层。地震作业一般要引爆炸药以产生冲击波源信号用于贯穿地表下的地质地层。冲击波从地表下地质构造和界面被反射，并使用地表的传感器诸如地震检波器检测被反射的能量。这些换能器把反射能转换为信号，这些信号被记录供处理。
在许多陆基地球物理地震作业中，振动卡车接触土壤并向地表下地质地层释放能量。然而，勘查区常常包括多山，热带，或其它地震卡车无法到达的区域。因为可到达性限制以及由爆炸材料提供的很大来源的能量，爆炸物炮井中引爆的炸药提供了较好的地震源能量的来源。通常在地表下地质地层钻成多达四英寸宽深度在二到三十米之间的炮井，以允许放置爆炸物。爆炸物通常放置在炮井的底部并被引爆以产生冲击波，被传送到地表下地质地层。
地震炮井需要与挖掘爆破孔不同的参数，因为炮井的目的不是位移或破碎岩石，而是向地表下地质地层有效地传送弹性冲击波能量。于是，炮井设备和钻孔技术是相对专门的。
普通爆炸物的直径小于炮井的直径以便于爆炸物放置到炮井下端。炸药与炮井之间的形成的环形常常降低冲击波能向地表下地质地层传送的效率。因为在效率上的这一降低，一种技术提出使用气体爆炸物以消除爆炸物与井孔之间空间。United States Patent No.3,752,256 to Mollere(1973)公开了一种方法，用于在土壤内固定一个燃烧室以产生地震源能。United States Patent No.3,976,161 toCarman(1976)公开了一种螺旋钻，用于向松散的土壤插入爆炸气体。
因为由开放的孔提供的相对低的阻力，因而大部分冲击波能是通过炮井向上释放的。为了限制这种能量的损失，如United States PatentNo.4,066,125 to Bassani(1978)中所示在炮井中放置插塞。UnitedStates Patent No.4,763,796 to Arnall et al.(1988)公开了其它技术，用于以水泥、砂砾和膨润土密封炮井。
自从地震爆炸起始爆炸物就是提供地震能源，然而很少对爆炸材料的性能作出努力。对爆炸评估的阻碍包括关于一定的爆炸参数冲击的信息不可得性，缺乏用于现场测试这种参数的有效技术，缺乏用于评估现场测试数据的技术，以及进行评估爆炸所需的多变量实验的高成本。
已经开放出各种技术控制地震能释放的形状和方向性。UnitedStates Patent No.3,908,789 to Itria(1975)公开了一种技术，用于控制爆炸材料的长度。在United States Patent No.4,053,027 to Oswald(1977)中公开了对爆炸材料引爆的控制，其中在同一地震事件期间产生第一和第二能量脉冲。许多出版物谈到能量波通过各种土壤条件传播的力学。
区域的地震作业需要多个炮井位用于地震勘查，而大规模的勘查可能需要数以千计的炮井。每一炮井的平均成本乘以平均数目基本上确定了勘查的经济效率，且该数据集可从勘查设计获得。进行地震爆炸的费用是昂贵的，并且在一定地质条件下有时难以获得合用的数据质量。钻孔深度和现场人员与设备时间都是相当的成本因素。于是，需要改进的技术，用于对重型设备不可选区域地震炮井有效确定源参数。
本发明提供了一种方法，用于选择地震能源供在选择的地震勘查区使用。该方法包括以下步骤，评估在地震勘查区内土壤的所选物理性质，响应所选的地震能源特性测试土壤的反应，产生土壤内所选地震能源起爆的测试模型，从所述近地表的测试模型估计所述地震能源起爆的远场地震响应模型，在所选的地震勘查区内传导地震事件以便测量由所述地震事件引发的地震数据，以及比较所述远场地震响应模型与由所述地震事件引发的地震数据。
图1示出一地震勘查区的示意图。
本发明提供了一种方法，用于改进地质物理作业中的地震数据质量。该方法是通过以下进行的，确定地质地层的物理特性，开发并测试用于该区域的爆炸模型，相对于实际测试校正该模型，并采用该模型进行详细的爆炸参数测试。
图1对于地震勘查区示出代表性的图示。源10被起爆以便向土壤12传播地震源能量，并且地震检波器14记录反射的地震源能供进一步处理。一般在所选择的有地质价值的勘查区域边界内进行多次爆炸。
在标识出勘查区域的边界之后，检查该区域以确定这种勘查区域内浅的和深的地质地层的相关特性。评估表面或近地表的地质地层，一般基于诸如岩石或土壤类型、湿度特性、风化的程度和深度及其它因素，选择代表性的测试点。在每一测试点取岩心样品，并分析岩心样品以确定透气性，密度，压缩和剪切波速度，弹性和动态模量，以及在单轴和三轴压力下的应力应变关系。就这里所用而言，术语“土壤”包括聚成岩，沉积物，岩石，有机材料，沙，及其它构成地球表面的材料。
在岩石或土壤类型的这些确定之后，设计并进行实验以测试在勘查测试点处不同爆炸物类型的性能。在每一测试点释放不同类型的爆炸物，并使用地震检波器阵列检测结果。这种地震检波器最好包括三组件的地震检波器。在这种参数期间评估炸药的各种参数，包括爆炸的速度，密度，相对于孔直径的装药直径，相对于周围岩石或土壤的阻抗爆炸反应产物的阻抗，装药形状，装药长度，气体产生，能量释放时间，填井材料，总能量，冲击能量，气体或气泡能量，以及其它参数。
使用分析程序处理地震检波器数据，以确定怎样的爆炸参数组合产生最优的数据质量。这种处理包括谱分析以确定在选择的频率范围上信号的相对振幅和噪声能量。这种分析程序对每一参数点的每一次爆炸进行。来自这种谱分析的谱在所选择的频率被求平均以生成对每一炸药类型的合成频谱，并在选择的频率就整个相关的带宽从合成频谱计算偏移范围和平均偏移。来自每一炸药类型的各频谱和合成频谱个别地并在不同的合成中进行比较，以确定在相关带宽内每一参数的效果。辨识产生所需结果的参数，并以各种建模方法使这些参数受到敏感度分析。理想的参数包括增加的信号能量，增加的信噪比，增加的信号相容性，以及降低的噪声。
精确的爆炸建模是通过准备二或三维地层和炸药模型进行的。刻画贴近炸药的地质地层条件的近地表的地层参数是从岩心样品测量，钻井记录，及测试数据推导出的。这些测试可包括但不限于透气性，密度，压缩和剪切波速度，弹性和动态模量，以及在单轴和三轴压力下的应力应变关系。
进行关于深层地质地层的预测，以便能够对颗粒速度和位移建模。可能无法对较深的地层取岩心，关于这种地层的信息可以从先前的地震数据，钻井记录，或公布的数据推导。在垂直方向向相关的最大深度并在横向向相关的最大偏离扩展模型。取决于信息的可得性及寻求的模型的精确性，地质地层参数的横向变化可能或可能不结合到模型中。与建模代码相关，可能在模型内结合频散(dispersion)或各向异性。
用于炸药的模型由对所测试的特定爆炸物的状态方程组成。这种状态方程可从汽缸膨胀或泡沫测试数据或从公布的值确定。
在模型形成之后，开始特定炸药类型的的数值仿真。Langrangian或Eulerian流体动力学代码可在接近地表结构内仿真每一特定炸药类型的爆炸，并逼近所提出的地震源几何结构。在炸药爆炸全过程中以离散的时间间隔仿真爆炸的进展及周围岩石或土壤的响应。与波的类型或被建模的地球构造有关，这种计算可以二维或三维进行。这种仿真计算量很大并可能需要多个步骤。在炸药周围选择岩石内的边界。当来自炸药的能量到达所选择的边界时，记录沿边界的每一单元的颗粒运动的量值和方向，并用作为更广泛的模型的输入。这一过程继续继续到颗粒运动的范围足够小，以至呈现岩石的弹性响应。在这一点，取颗粒运动值并重新插入到另一建模程序，该程序能够把弹性响应计算扩展到接近在地质勘查期间所记录的最大地震检波器偏离的距离。
最终结果作为表示参数测试的合成型式的一系列图形或轨迹被显示。这些合成轨迹与实际的轨迹(参数测试数据)比较，用于某些所测试的爆炸公式的组合。如果合成和实际数据的匹配在可接受的范围，则测试区域模型被校准。
评价度量包括被观察的数据的存在，记录中特定震波的次数，振波深度和偏移的相对振幅，及数据中的噪声特性。如果合成轨迹和实际的轨迹在可接受的范围内不匹配，则调整模型参数并再次运行模型。这一过程连续反复进行，直到合成的和实际的数据在可接受的范围内匹配为止。
在校准了测试模型区域之后，可进行对于爆炸测试的敏感性测试。敏感性测试通过改变单个参数并重新运行模型进行，以确定产生仿真地震数据一定的变化所需的参数的变化。这种测试可对单个参数的各种量值和方向反复进行，直到辨识出对这种参数的数据敏感性为止。敏感性测试可对其它参数反复进行，直到获知每一参数相对的重要性为止。
从爆炸物参数相对重要性和每一参数对应的的敏感性的这一分析，能够作出对爆炸材料和结构改进的预测，以便改进数据质量和爆炸作业的效率。无需附加的现场测试能够评价参数的多种组合。通过比较模型的结果与其它模型的结果或实际的测试数据，能够确定对最优测试集的估计。能够进行对各种爆炸或推进型能源性能的预测，并能够评估新的爆炸公式。例如，可改变炸药组合物以改变爆炸密度或引爆速度，使爆炸副产品阻抗与周围岩石匹配，改变能量释放时间，改变总装药能量，或改变冲击与气体能量之间的总能量的划分。此外，可对新的爆炸形式建模，包括改变爆炸物或推进物的长度，形状，和相(是否是液体，气体，凝胶体，固体，颗粒，或复合物)。
此外，本发明允许在土壤内不同标高处预测关于接近地表土壤对地震能源的响应。这些预测在降低为实现所希望的地震能量配合所必须的炮井深度中是极其有用的。通过以校准的测试模型对这种响应建模，能够作出计算预测，以比较对于较深炮井附加的钻孔成本与减少能耗费用的节省。能够就局部事务，诸如环境敏感性，陆地和水之间的边界带，以及声学能源容量作出经济预测。本发明便于就一些参数实现勘查策略，诸如装药量，类型和形状，埋藏深度，填充物，岩石或土壤类型，及气体变量。
虽然对本发明已经以一定的优选实施例进行了说明，但对于业内专业人员明显的是，在不背离本发明的范围之下可对这里的发明概念作出修改和改进。这里所示的实施例只是本发明概念的示例，而不应被解释为对本发明范围的限制。
权利要求
1.用于选择地震能源供在所选的地震勘查区使用的一种方法，包括以下步骤评估在地震勘查区内土壤的所选物理性质；测试土壤对所选的地震能源特性的反应；产生土壤内所选地震能源起爆的测试模型；从所述测试模型估计所述地震能源起爆的远场地震响应模型；在所选的地震勘查区内起爆地震事件以便测量由所述地震事件引发的地震数据；以及比较所述远场地震响应模型与由所述地震事件引发的地震数据。
2.如权利要求1中所述的方法，还包括使用所述远场地震响应模型测试装药和炮井构型和几何结构的步骤。
3.如权利要求1中所述的方法，还包括使用所述远场地震响应模型优化装药和炮井构型和几何结构的步骤。
4.如权利要求1中所述的方法，还包括在所选的地震勘查区内引发附加的地震事件，同时改变所选的地震能源参数的步骤。
5.如权利要求4中所述的方法，还包括比较这种附加的地震数据与所述远场响应模型的步骤。
6.如权利要求1中所述的方法，还包括从由所述地震事件引发的地震数据评价所述远场地震响应模型偏移的步骤。
7.如权利要求1中所述的方法，还包括评价所选地震能源特性对由所述地震事件引发的地震数据的敏感性的步骤。
8.如权利要求7中所述的方法，还包括比较至少两个所选地震能源特性之间的相对敏感性的步骤。
9.如权利要求1中所述的方法，还包括选择地震能源供所选地震勘查区中使用的步骤。
10.如权利要求1中所述的方法，还包括修改所述测试模型以使所述测试模型与由地震事件引发的地震数据相关联。
11.如权利要求10中所述的方法，还包括以下步骤，引发附加的地震事件，记录由这种地震事件引发的地震数据，并比较所述修改的测试模型与所述被记录的地震数据。
12.用于评价在所选地震勘查区中地震能源使用的有效性的一种方法，包括以下步骤从土壤中取出样品；评估所述样品的所选的物理性质；测试所述样品响应所选地震能源特性的反应；产生在样品内所选地震能源起爆的测试模型；以及从所述测试模型评估所述地震能源起爆的远场地震响应模型。
13.如权利要求12中所述的方法，还包括使用所述测试模型对装药和炮井构型及几何结构进行仿真优化的步骤。
14.如权利要求12中所述的方法，还包括在所选地震勘查区内引发地震事件以便测量由所述地震事件引发的地震数据的步骤。
15.如权利要求14中所述的方法，还包括比较所述远场地震响应模型与由所述地震事件引发的地震数据的步骤。
16.如权利要求12中所述的方法，还包括估计多个地震能源的远场地震响应的步骤。
17.如权利要求15中所述的方法，还包括在所述估计的远场地震响应中基于所选的基准而选择所述地震能源之一的步骤。
18.用于优化对所选地震勘查区内地下地质地层成象和估计所必须的源能的一种方法，包括以下步骤从土壤取出多个样品；评估每一土壤样品的所选的物理性质；测试每一样品响应所选地震能源特性的反应；产生在近地表的土壤样品内所选地震能源起爆的测试模型；辨识关于地下地质地层的特性；从所述近地表测试模型估计所述地震能源起爆的远场地震响应模型；在所选地震勘查区内引发地震事件以测量由所述地震事件引发的地震数据；以及比较所述远场地震响应模型与由所述地震事件引发的地震数据。
19.如权利要求18中所述的方法，还包括使用远场地震响应模型，辨识在所选地震勘查区中提供所选远场地震响应的地震能源的步骤。
20.如权利要求19中所述的方法，还包括在所选勘查区内引发由远场地震响应模型辨识的类型的多个地震能源的步骤。
全文摘要
用于对选择的地震勘查区域识别最优地震能源结构的一种方法。评估并测试表面或近地表的土壤或岩石的性质，以确定这种土壤对能源特性和几何结构的响应。产生并设计了一种对于源的测试模型以生成远场地震响应模型。在勘查区内引发一地震事件以测量地震数据，且这种测量的数据与远场地震响应模型比较。可以对差作评估以便允许对模型修改，并可对地震源能源不同类型和结构测试该模型。
文档编号G01V1/02GK1596372SQ01818335
公开日2005年3月16日 申请日期2001年10月26日 优先权日2000年10月30日
发明者杜格拉斯·L·布莱姆纳, 迈克·W·劳瑞斯, 汤姆斯·J·弗勒 申请人:维斯特恩格科地震控股有限公司