ЗАРЯД ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН Российский патент 1995 года по МПК G01V1/13 

Изобретение относится к области возбуждения сейсмических колебаний и может быть использовано при проведении геофизических исследований с применением взрывчатых веществ (ВВ).

Известен взрывной источник для возбуждения сейсмических колебаний, включающий корпус, в котором размещены заряд ВВ с кумулятивной выемкой и поддон из инертного материала с выемкой, симметричной кумулятивной и образующей с ней общую замкнутую полость, причем в верхней части заряда ВВ размещен промежуточный детонатор с отверстием для размещения капсюля-детонатора. Взрывной источник используется главным образом для сейсморазведки с использованием приповерхностных шпуровых или скважинных зарядов в зоне малых скоростей. Источник обладает повышенной эффективностью за счет увеличения доли энергии взрыва, идущей на создание полезной сейсмической волны.

Недостатками известного взрывного источника являются сложность конструкции, связанная с наличием двух соосно расположенных выемок сложной конфигурации, и соответственно сложность технологии его изготовления.

Задачей изобретения является повышение эффективности сейсморазведочных работ за счет усиления направленности сейсмической волны и перераспределения энергии взрывного превращения заряда из ВВ, содержащего энергоемкий компонент.

Указанная задача решена за счет того, что донную часть заряда для возбуждения сейсмических волн, включающего цилиндрический корпус и ВВ, содержащее энергоемкие добавки, дополнительно соосно снабжают цилиндрическим поддоном, снабженным полостью цилиндрической формы, обращенной к торцу заряда, глубиной h 0,05-0,10 м, при этом толщина стенок поддона δ определяется по формуле δ= (0,02-0,1)h²/d, где d диаметр заряда.

Конструкция заряда с нижней полостью в литературе не описана.

Основной способ повышения работоспособности, в том числе и сейсмического действия ВВ, состоит в использовании во взрывчатом составе в качестве дополнительного горючего энергоемких компонентов, например высококалорийных металлов или металлсодержащих соединений алюминия, магния, сплава магния с алюминием, ферросилиция, силикокальция и т.п. Ввиду необходимости уменьшения степени окисления металла при хранении частицы добавок не должны быть чрезмерно малыми. Возможно введение в состав других энергоемких добавок в виде частиц бездымного пороха или грубоизмельченных смесевых порохов, в виде грубодисперсного порошка мощных, в том числе конверсионных ВВ.

При взрыве в условиях протекания детонации в режиме взрывного горения (или в баллистическом режиме) основного состава частицы высокоэнергетических добавок не усевают полностью прореагировать в детонационной волне и детонируют за ее фронтом, иногда на расстоянии в десятки миллиметров от него.

В случае чисто фугасного действия заряда, например, при разрушении горного массива при взрыве на выброс и сброс это обстоятельство не является определяющим: энергия догорания частиц выделяется за время, которое гораздо меньше времени разрушения массива, и фугасное, расталкивающее, метательное действие заряда в полной мере отвечает потенциальной энергии ВВ. С другой стороны, тот факт, что догорающие частицы при взрыве обычных зарядов отстают от фронта детонационной волны, в этом случае менее существенно, так как эффект фугасного действия, общей работы взрыва регулируется в основном не формой заряда, а условиями разрушения массива.

В случае зарядов для геофизической разведки основную полезную работу выполняют не непосредственно продукты взрыва, а ударная сейсмическая волна, характерное время формирования которой гораздо меньше времени общего фугасного действия и времени догорания крупных частиц, в связи с чем последние не вносят необходимого вклада в формирование сейсмической волны. Кроме того, если область догорания не локализована в нижней части заряда, догорающие частицы выделяют энергию в верхней его части, и эта энергия переходит в энергию поверхностных волн, ухудшая отношение сигнал/помеха. Наконец известно, что нижние слои заряда, граничащие с его свободной поверхностью, при подходе к ней детонационной волны не реагируют полностью, а смешиваются с продуктами детонации, начальная скорость истечения которых близка к скорости детонации (Физика взрыва. / Под ред. К.П.Станюковича, изд.2, М. Наука, 1975, с. 265-266). Частицы медленно реагирующих компонентов в этом случае вместе с потоком газа попадают в грунт, охлаждаются и не реагируют вообще.

Предлагаемая конструкция заряда позволяет избежать этих недостатков и обеспечивает управление энергией взрывного превращения, существенно улучшающей условия воздействия ударной волны и продуктов взрыва на среду в призабойном пространстве выбуренного объема, а также на поверхность грунта при взрывании накладных зарядов.

Принцип действия предлагаемой конструкции заряда состоит в следующем. При подходе детонационной волны к полости дожигания она наталкивается на донную часть оболочки заряда. Толщина и прочность оболочки заряда невелики, она разрушается, и поток продуктов втекает в полость. Поскольку полость ничем не заполнена, сопротивление грунта, препятствующее истечению продуктов с торца заряда, отсутствует, и в полость втекает количество вещества, объем которого равен объему полости. Реакция частиц совершается в течение всего их движения к дну полости. При столкновении потока с торцовой частью поддона происходит остановка потока, давление и температура в нем вновь повышаются, скорость сгорания возрастает. Затем нижняя часть поддона и боковые стенки полости разрушаются, ударная волна и головная часть потока продуктов детонации формируют направленную сейсмическую волну в нижней части выбуренного объема. Частицы энергоемких добавок к этому моменту в основном уже сгорели, и энергия, идущая на формирование сейсмического сигнала, в максимальной мере отвечает потенциальной энергии ВВ. Определяющий размер (высота) выемки может быть рассчитан из следующих соображений.

Скорость горения частицы определяется скоростью подвода тепла и вещества к ее поверхности. Из гидродинамической аналогии Рейнольдса следует, что в турбулентном потоке и та, и другая скорости определяются величиной критерия Рейнольдса:
Re где u относительная скорость потока; d размер частицы; ρ и μ- плотность и вязкость газа. Приняв u≈10³ м/с, ρ ≈ 10³кг/м³, μ μ≃ 10^-4 Па·с 10^-4 Па с, имеем для частиц размером d ≥ 10^-5 м
Re ≥ = 10⁵ т.е. сильно турбулизованный поток.

В этом потоке критерий Нуссельта
Nu 0,33 Re^0,6 ≥ 0,33 (10⁵)^0,6 3,3 ˙ 10².

Ширина эффективной зоны тепло- и массообмена
a 2r/Nu.

Потоки тепла (q) и вещества (j) на поверхность частицы следующие:
q λ ˙ ΔT₁/a λ ˙ ΔT₁ ˙ Nu/2r;
j D_i ˙ C/a D₁ ˙ C ˙ Nu/2r.

Время сгорания в кинетическом (t_k) и диффузионном (t_d) режимах:
tk (1)
td
где β стехиометрический коэффициент (количество окислителя, необходимое для сгорания данного количества горючего);
ΔТ₁ разность температур газа и поверхности частицы;
ρ плотность частицы;
Cv удельная теплоемкость;
Cv ˙ ΔT₂ количество тепла, которое необходимо сообщить частице для ее сгорания;
С концентрация окислителя в газе;
D₁ коэффициент диффузии;
λ коэффициент теплопроводности газа.

Приняв для мелкодисперсного алюминия
ρ= 2,7 ˙ 10³ кг/м³; β= 48/54 0,9;
Cv 1 ˙ 10³ Дж/кг ˙ К;
С 2 ˙ 10² кг/м³; ΔТ₁ 2 ˙ 10³ К;
ΔТ₂ 1 ˙ 10³ К; r ≅ 5 ˙ 10^-6 м;
D₁ 5 ˙ 10^-8 м²/с; λ= 0,1 Вт/м ˙ К,
получаем
tk < = 2·10^-6
td < 10^-5 с
Время горения одних и тех же частиц в диффузионном режиме на порядок величины больше, чем в кинетическом.

Время пребывания частицы в полости дожигания получим как сумму времени и t₁ натекания реагирующего потока в полость,
t₁= ≈ и времени t₂ разрушения стенок полости. Для образования в полости гомогенно реагирующей среды необходимо, чтобы t₂ > t₁. В пределе
t₂ t₁ и t t₁ + t₂ 2hD.

Время разрушения определяется массой и прочностью стенок и давлением Р в полости:
P + + σ·
Из этого выражения следует, что толщина стенок полости δ связана с ее высотой, плотностью ρ₂ и пределом прочности материала стенок σ соотношением
2· ·
Значение Р порядка 0,5 ГПа. При обычных для конструкционных материалов (не металлов) значениях σ= (1-5) ˙ 10⁷ Па и δ<< d вторым членом в числителе можно пренебречь:
2· · или δ ·
Определяющий размер полости h получаем из равенства наибольшего времени сгорания t_d и времени пребывания частицы в полости дожигания t:
h
При обычных для промышленных ВВ значениях D (3-5) ˙ 10³ м/с и t_d= 4 ˙ 10^-5 с получаем
h (6-10)·10^-2м 6 10 см.

Толщина стенок полости при ρ₂ (1-2) x x 10³ кг/м³, Р 0,5 ˙ 10⁹Па, D (2,5 5) ˙ 10³ м/с
δ · = (0,02- 0,1)·
Например, при h d 70 мм имеем при изменении плотности материала стенок и скорости детонации состава в указанных выше пределах δ= (0,2-0,07) м 2-7 мм.

При обычном размере частиц d 2r ≅ 10 мкм (частицы алюминиевой пудры ПАП и ПП) вертикальный размер полости составляет 5-10 см, толщина стенок 2-7 мм.

Для частиц ВВ, горящих в кинетическом режиме, по формуле (1) можно рассчитать определяющий размер частицы
r_к=
При тех же значениях переменных и ρ₁= 1,6 ˙ 10³ кг/м³, h 0,08 м и D 4 ˙ 10³ м/с получаем
r (4-6)·10^-5 м ≃ 50 мкм
Эквивалентный предельный размер частицы ВВ d_к 2r_к ≈ 80-120 мкм. Это обычные размеры частиц вторичных ВВ, которые соответственно успевают догореть в полости дожигания. При использовании конверсионных ВВ (в баллистическом режиме) следует учесть, что происходит интенсивное дробление частиц в волне сжатия и разряжения при истечении в полость, средние размеры частиц очевидно меньше d_к.

При использовании более прочных веществ, например бездымных порохов, необходимо предусмотреть их предварительное дробление и измельчение до толщины горящего свода r≈40-60 мкм или применять составы при большей скорости детонации в гомогенном режиме протекания реакции в детонационной волне.

Для проверки эффективности работы предложенного заряда были проведены испытания в полевых условиях. Для испытаний готовились следующие заряды.

Гелеобразный состав Акванал АМС (ТУ 2066498-03-91) с содержанием компонентов, мас. Селитра амми- ачная 40,0 Алюминиевая пудра 10,0 Азотнокислый натрий 15,0 Карбамид 10,0 Вода 25,0 Полиакриламид 1,8
Двухромово- кислый калий 0,5-0,10 сверх
100%
Серноватисто- кислый натрий 0,10-0,20
Некоторые расчетные детонационные характеристики Акванала АМС:
Теплота взрыва, кДж/кг 3340
Удельный объем газов, л/кг 900
Кислородный баланс, минус 1,84 Эквивалент по тротилу, 0,6
В этом составе аммиачная селитра и азотнокислый натрий окислители, карбамид горючее, алюминий энергоемкая добавка, полиакриламид желатинизатор, двухромовокислый калий и серноватистокислый натрий структурирующие добавки. Сенсибилизация состава осуществляется микропузырьками воздуха, которые вносятся в массу вместе с частичками алюминиевой пудры.

Водоэмульсионный состав Порэмит (ТУ 75 11903-548-91) с добавкой 20% флегматизированного гексогена с частицами размером 0,7-1,0 мм. Сенсибилизация состава в этом случае осуществлялась микропузырьками газа, полученными при разложении нитрита натрия. Содержание компонентов в образце, мас.

Аммиачная селитра 49,6
Азотнокислый натрий 12,8 Вода 12,0 Эмульгатор ПТ 1,6 Индустриальное масло И-40 4,0
Флегматизиро-
ванный гексоген 20,0
Некоторые расчетные детонационные характеристики смеси Порэмита с флегматизированным гексогеном: Теплота взрыва, кДж/кг 3500
Удельный объем газов, л/кг 800
Кислородный баланс, минус 3,7 Эквивалент по тротилу, 0,83
Для испытаний готовили заряды диаметром 70 мм, массой 0,6 кг в полиэтиленовой оболочке толщиной 0,5-1 мм. Перед испытаниями к нижней части заряда присоединяли поддон диаметром 70 мм с полостью дожигания, выполненный в виде стакана из полиэтилена толщиной 3-4 мм. Глубина полости составляла 70 мм, высота поддона 100 см.

Испытания проводились в ПО Куйбышевнефтегеофизика на Крюковской сейсморазведочной площади на профиле N^o 56. На пикетах взрыва по обе стороны от линии профиля (является одновременно и линией наблюдения) были разбурены линейные группы скважин глубиной 4,5 м в количестве семь на базе 25 м. В группах скважин, расположенных по одну сторону от линии профиля, были на глубине 4 м размещены испытуемые заряды, в противоположных группах скважин для сравнения размещались заряды без поддона.

Инициировались группы из семи испытуемых зарядов, затем с целью сравнения сейсмического эффекта взрыва группы из семи зарядов без поддона. Регистрация возбуждаемых колебаний осуществлялась 96-канальной приемной расстановкой сейсмоприемников с группированием последних на базе 24 м в количестве 24 приборов на канал. База приема составляла 2375 м, максимальное удаление взрывоприбора 1800 м. Запись колебаний производилась двумя спаренными 48-канальными ЦСС Прогресс-1 на рабочих параметрах.

Полученные при возбуждении сейсмические записи были подвергнуты динамической обработке по программе RESOL (SDS-3) с оценкой параметров частоты максимума спектра возбуждаемого сигнала, его преобладающей частоты и разрешающей способности, энергии сигнала и помехи и др.

Результаты измерений динамических параметров сейсмической записи программой RЕSOL приведены в таблице.

Значения параметров частоты максимума спектра сигнала, преобладающая частота сигнала, отношение сигнал/помеха, полученные при возбуждении упругих колебаний взрывами зарядов, изготовленных по изобретению, превышают значения аналогичных параметров, полученных при возбуждении упругих колебаний взрывами зарядов без поддона. Использование предлагаемых зарядов для сейсморазведочных работ позволит увеличить эффективность геофизических исследований, улучшить качество получаемых сейсмограмм.

Использование: в области возбуждения сейсмических колебаний, в том числе при проведении геофизических исследований с применением взрывчатых веществ. Сущность изобретения: заряд для возбуждения сейсмических волн включает цилиндрический корпус, взрывчатое вещество и поддон с полостью цилиндрической формы, обращенной к торцу заряда. Глубина полости n составляет 0,05 - 0,10 м. При этом толщину стенок поддона δ из полимерного материала определяют по формуле δ = (0,02-0,1)n²/d, где d - диаметр заряда. Кроме того, взрывчатое вещество содержит добавки частиц аллюминия или магния или их сплавов, а также гексогенсодержащих веществ или порохов с заданными размерами частиц. 1 табл.

ЗАРЯД ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН, включающий цилиндрический корпус, взрывчатое вещество и цилиндрический поддон с полостью, обращенной к торцу заряда, отличающийся тем, что поддон выполнен из полимерного материала с толщиной стенок
δ = (0,02-0,1)·h²/d,
где d диаметр заряда;
h 0,06 0,1 м глубина полости поддона,
при этом взрывчатое вещество содержит добавки частиц алюминия или магния или их сплавов с размерами частиц (5 50) · 10^-6 м, а также добавки гексогеносодержащих взрывчатых веществ или порохов с размерами частиц (5 100) · 10^-5 м.