ЗАРЯД ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН Российский патент 1997 года по МПК G01V1/13 

Изобретение относится к возбуждению сейсмических колебаний и может быть использовано при проведении геофизических исследований с применением взрывчатых веществ.

Известен заряд ЗС-70 для возбуждения сейсмических колебаний, включающий корпус из полимерного материала, заполненный литым тротилом, и промежуточный детонатор, расположенный в верхней части заряда. ["Заряды сейсмические сочленяющиеся в полиэтиленовой оболочке", проспект ВДНХ СССР, изд. НПО "Рудгеофизика", 1982] Заряд прост в изготовлении, позволяет в случае необходимости увеличивать массу ВВ за счет сочленения двух или более зарядов друг с другом.

Недостатком заряда ЗС-70 является малая эффективность сейсмических исследований при использовании его для геофизических работ из-за малой доли энергии взрыва, идущей на создание полезной сейсмической волны.

Известен взрывной источник для возбуждения сейсмических волн, включающий корпус, в котором размещен заряд ВВ с кумулятивной выемкой и поддон из инертного материала с выемкой, симметричной кумулятивной и образующей с ней общую замкнутую полость объемом не более 3•10^-4 м³/кг ВВ, при этом поддон выполнен из материала с пределом динамической прочности на разрыв 1•10⁷-1,6•10⁸ Па с толщиной стенки в зоне действия кумулятивной струи не менее радиуса основания кумулятивной выемки заряда и массой не более утроенной массы заряда ВВ [Патент СССР N 1670643, кл. G 01 V 1/13, 1991] Указанный взрывной источник используется главным образом для сейсморазведки с использованием приповерхностных шпуровых или скважинных зарядов в зоне малых скоростей (ЗМС). Источник обладает повышенной эффективностью за счет увеличения доли энергии взрыва, идущей на создание полезной сейсмической волны.

Недостатком известного взрывного источника в случае их использования в приповерхностных шпуровых или скважинных зарядах в зоне малых скоростей является повышенный уровень поверхностных волн-помех, что приводит к увеличению расхода ВВ для сохранения необходимого уровня сейсмического сигнала относительно уровня волн-помех.

Повышенный уровень волн-помех связан главным образом с двумя обстоятельствами. В конструкции заряда по пат. СССР N 1670643 инициатор, детектор N 8 вводится в гнездо глубиной 60-80 мм, расположенное в верхней части заряда. Инициирующая часть электродетонатора, находящаяся на расстоянии до 40 мм от его нижнего торца, углублена таким образом в массу вторичного ВВ. При взрыве слои инициатора, прилежащие к нижнему торцу (≈ 20 мм над торцом) генерируют детонационную волну, направленную вниз, в сторону поддона. Это именно та волна, которая формует последовательность процессов в заряде, двойной кумулятивной выемке, поддоне и выбуренном пространстве, ответственных за возбуждение сейсмических колебаний. Верхняя часть заряда, начиная от уровня, находящегося на расстоянии выше ≈ 20 мм от дна гнезда под взрыватель, также инициируется, но детонационная волна в ней направлена не вниз, а вверх и формирует импульс, направленный к устью скважины, в основной своей части именно тот импульс, который создает поверхностные волны-помехи. Кроме того продукты взрыва направленной вверх части заряда содержат способные к реакциям окисления горючие вещества, образующиеся в результате частичного разброса, ввиду недостаточного времени реакции на свободном верхнем торце заряда, равно как недогарающие из-за обычного для этих зарядов отрицательного кислородного баланса образующих их ВВ. Горючие вещества, смешавшись при недостаточной забойке или в отсутствии ее с кислородом воздуха, находящегося в объеме выбуренного пространства и вблизи устья скважины, могут догорать, усиливая приповерхностные волны в грунте и воздушную ударную волну над его поверхностью. Некоторое количество дополнительного горючего может образоваться в результате испарения, разложения и диспергирования в ударной волне верхней части горючей оболочки. Кроме этого недостатком известного заряда в случае использования его в обводненных скважинах является необходимость герметизации замкнутой полости или всего заряда, приводящая к существенному усложнению конструкции заряда и технологии его изготовления и соответственно к удорожанию готового изделия. В случае нарушения герметизации полости в нее попадает вода и эффективность взрывного источника снижается.

Задачей изобретения является повышение эффективности сейсморазведки за счет увеличения доли энергии взрыва, идущей на создание полезной сейсмической волны путем усиления направленности сейсмической волны и снижения себестоимости взрывных работ при проведении геофизических исследований за счет снижения стоимости самого заряда, а также за счет уменьшения массы одновременно взрываемого ВВ путем снижения уровня поверхностных волн-помех.

Указанная задача решается тем, что заряд для возбуждения сейсмических волн, включающий корпус, в котором размещен заряд ВВ с кумулятивной выемкой и поддон из инертного материала с выемкой, симметричной кумулятивной и образующей с ней общую замкнутую полость объемом не более 3•10^-4м³/кг ВВ, при этом поддон выполнен из материала с пределом динамической прочности на разрыв 1•10⁷-1,6•10⁸ Па с толщиной стенки в зоне действия кумулятивной струи не менее радиуса основания кумулятивной выемки заряда и массой не более утроенной массы заряда ВВ, дополнительно снабжен экраном-отражателем, выполненным в виде цилиндра с диаметром, равным диаметру заряда с отверстием для размещения капсюля-детонатора, размещенным в торце заряда со стороны отверстия для размещения капсюля-детонатора, при этом экран-отражатель выполнен из материала с пределом динамической прочности на разрыв 1•10⁷-1,6•10⁸ Па, а толщину цилиндра (h) определяют из соотношения

где m_ВВ масса взрывчатого вещества, ρ плотность материала экрана-отражателя, d диаметр заряда.

Кроме этого заряд дополнительно снабжен герметичной облицовочной оболочкой, размещенной внутри замкнутой полости.

Снабжение заряда со стороны инициатора детонации экраном-отражателем, выполненным из инертного материала повышенной плотности и акустической жесткости, обладающим определенной, но не слишком высокой прочностью позволяет решить следующие задачи:
в процессе детонации экран-отражатель создает отраженную волну в продуктах детонации, меняя направление их движения вниз, в сторону источника генерации сейсмических волн и предотвращает разброс непрореагировавшего вещества, увеличивая время реакции слоя, находящегося на верхнем торце заряда;
за счет того, что экран-отражатель, расположенный в инициируемой части заряда, играет роль массивной оболочки, увеличивается местное действие взрыва активной части заряда, что позволяет уменьшить массу заряда ВВ (см. Беляев А.Ф. Горение, детонация и работа взрыва конденсированных систем. М.Наука, 1968, с. 180-186);
в связи с тем, что массогабаритные параметры экрана-отражателя рассчитаны таким образом, что его разрушение происходит не раньше, чем разрушается инертный поддон, часть энергии взрыва верхней части заряда отражается от экрана и направляется в сторону распространения сейсмической волны, усиливая ее;
после того, как экран-отражатель будет разрушен под действием взрывного импульса, распыленное инертное вещество образует пылевое облако, предотвращающее воспламенение и сгорание горючих остатков в кислороде воздуха.

при этом одновременно снижается доля энергии, создающая поверхностные волны-помехи.

Введение герметичной облицовочной оболочки в полость, образованную кумулятивной выемкой заряда ВВ и выемкой поддона, полностью предотвращщает проникновение воды в полость и позволяет обеспечить эффективную работу взрывного источника при размещении его в шпуре или скважине, заполненной водой, даже при нарушении герметизации заряда и поглощении воды внутрь заряда. Следует учесть, что мелкие скважины (глубиной 4,0-4,5 м), расположенные в пойме, в основном заполнены водой, а в дождливую погоду они имеет воду и на более высоких отметках. Кроме этого облицовка кумулятивной выемки усиливает кумулятивный эффект.

Использование при формировании заряда герметичной облицовочной оболочки улучшает также технологию изготовления заряда, позволяя формировать кумулятивную выемку в заряде, непосредственно в корпусе, заливая ВВ на предварительно установленную в поддон герметичную оболочку.

Указанные массогабаритные параметры экрана-отражателя установлены на основании следующих соображений.

Акустическая жесткость материала экрана-отражателя существенна для формирования отраженной волны в продуктах детонации. Она во всяком случае должна быть выше, чем акустический импеданс r_o •D детонирующего ВВ, где ρ_o начальная плотность ВВ, D скорость его детонации, Наибольшие реальные значения ρ_o и D, соответственно 1800 кг.м³ и 7000 м/с, что дает придельную, ограниченную снизу величину акустической жесткости материала пробки ρ•C ≥1,3•10⁷ кг/м²с, где r плотность материала экрана-отражателя, C скорость звука в нем.

Состав материала экрана-отражателя должен быть либо инертным по отношению к реакции окисления, либо обладать определенным ингибирующим действием. Обычные неорганические материалы окиси и гидроокиси, карбонаты, сульфаты, галогениды металлов первых подгрупп I-III групп периодической системы, а также Al, Si, B, P не обладают каталитической активностью и вполне пригодны для формирования рассматриваемой детали.

Масса экрана определяется из двух предпосылок. Во-первых, ее толщина должна обеспечить достаточное время для завершения реакций в приторцевом слое. Это время должно быть не менее времени реакции в детонационной волне в глубине заряда. Наименьшую толщину экрана h₁ в рамках этого условия можно определить по формуле h₁ 2C•t где t время химической реакции. При C ≅5•1-³ м/с, t 1•10^-6 с имеем h ≥ 1 см.

Второе условие обеспечивает количество распыляемого инертного материала, необходимое для подавления процессов воспламенения в смеси горючих с воздухом. Эта задача аналогична рассматриваемой в руководствах по предохранительным (антигризутным) взрывчатым веществом. Количество инертного порошка, необходимое для подавления воспламенения газо- или пыле-воздушной смеси измеряется величиной порядка нескольких десятков не более г/м³. Количество активного горючего при обычных массах заряда не более 1-2 кг измеряется величиной ≈ 0,1 кг. Для сгорания его требуется количество кислорода, в 3-4 раза большее по массе, т.е. 0,3-0,4 кг. Это отвечает объему смеси горючего с воздухом (0,4/1,3)•5≈1,5 м³.

Толщина экрана-отражателя вычисленная из этого условия составляет

где m_ВВ масса взрывчатого вещества, ρ плотность вещества экрана (≈3•10³кг/м³), d диаметра заряда (7 8 см).

Условия разрушения экрана-отражателя аналогичны условиям разрушения поддона. Соответственно, прочность материала экрана должны находится в пределах 1•10⁷-1,6•10⁸ Па.

Для проверки эффективности работы предложенного заряда были проведены испытания в полевых условиях.

Испытания проводились в ПО "Куйбышевнефтегеофизика" на профиле N 19 Южно-Черемушкинской площади сейсморазведочной партии N 6. При испытаниях в полевых условиях использовались взрывные источники следующих конструкций:
заряд ЗУС-Т по патенту N 1670643 (прототип): кумулятивный заряд из литого тротила диаметром 66 мм, высотой 130 мм имел сферическую кумулятивную выемку диаметром 50 мм и высотой 25 мм. В верхней части заряда расположен дополнительный инициатор из прессованного тротила массой 75 г. Общая масса заряда 900 г. Поддон, выполненный из цементного раствора (цемент марки 500 - песок в соотношении 1:1) с ударной прочностью 1,2•10⁸ Па диаметром 66 мм имел сферическую полость диаметром 50 мм и высотой 25 мм. Минимальная толщина стенки поддона (от вершины сферической выемки до днища поддона) 25 мм. Масса поддона 400 г или 66% от массы ВВ. Кумулятивный заряд и поддон помещали в цилиндрический корпус из плотного картона таким образом, что кумулятивная выемка заряда и полость поддона образовали сферическую замкнутую полость объемом 5,5•10^-5 м³ или 0,9•10^-4 м³/кг ВВ. Верхнюю часть заряда заливали парафином;
заряд по изобретению: все параметры заряда аналогичные заряду ЗУС-Т по патенту N 1670643. Дополнительно при сборке заряда в сферическую замкнутую полость был помещен полый шар диаметром 50 мм со стенкой толщиной 0,5 мм, выполненный из полиэтилена высокого давления, а в верхней части заряда после сборки в цилиндрическом картонном корпусе был сформирован экран толщиной 25 мм массой 250±10 г с ударной прочностью 1,2•10⁸ Па из цементного раствора (цемент марки 500 песок в соотношении 1:1). При формировании экрана было сделано отверстие диаметром 8 мм для помещения капсюля-детонатора;
заряд ИС-1000 по ТУ 7511809-78-92: цилиндрическая литая шашка массой 1000 г изготовлена из более мощного состава ТГА-50 (теплота взрыва состава ТГА-50 в 1,3 раза больше теплоты взрыва тротила).

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 11 на базе 40 м на Сестринской площади и в количестве 5 на базе 40 м на Южно-Черемушкинской площади. В группах скважин, расположенных по одну сторону от линии профиля, были на глубине 4 м размещены испытываемые заряды по изобретению массой по 0,9 кг. В противоположных от линии профиля группах скважин для сравнения размещались заряды, изготовленные по патенту СССР N 1670643 прототип, из тротила такой же массы. На Южно-Черемушкинской площади на этой же стороне в аналогичных условиях сравнивались дополнительные взрывы зарядов ИС 1000 массой 1,0 кг. Инициирование испытываемых и сравниваемых групп зарядов производились поочередно электродетонаторами ЭД-8ж, предварительно подобранных по сопротивлению.

Сейсмические работы МОГТ проводились по строго-симметричной схеме наблюдений с длиной базы приема 4750 м и Х-макс 2375 м. Расстояние между центрами групп сейсмоприемников составляло 50 м, между пунктами взрыва 50 м. Регистрация упругих колебаний производились 96-канальной сейсмостанцией "Прогресс-96" на рабочих параметрах. Методика сейсморазведочных работ на обеих площадях была одинаковой.

Полученные при возбуждении сейсмические записи были подвергнуты обработке по программе (RESOL (SDS-3) с оценкой динамики частоты максимума спектра сигнала, его преобладающей частоты и разрешающей способности, предела разрешенности, энергии сигнала и помех и др.

Результаты измерений динамических параметров сейсмической записи программой RESOL 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 прототипа, а также зарядов ИС-1000, масса заряда которых превышает массу предложенного заряда на 0,1 кг, а энергия взрыва состава ТГА-50 в 1,3 раза больше энергии взрыва тротила. Использование предлагаемых зарядов для сейсморазведочных работ позволит увеличить эффективность геофизических исследований, улучшить качество получаемого материала, производить работы в свободных скважинах, сократить материальные и трудозатраты.

Использование: изобретение относится к возбуждению сейсмических колебаний и может быть использовано при проведении геофизических исследований с применением взрывчатых веществ. Сущность изобретения: заряд для возбуждения сейсмических волн включает корпус, в котором размещаем заряд ВВ с кумулятивной выемкой и поддон из инертного материала с выемкой, симметричной кумулятивной и образующей с ней общую замкнутую полость объемом не более 3•10^-4м³/кг ВВ. Поддон выполнен из материала с пределом динамической прочности на разрыв 1•10⁷-1,6•10⁸ Па с толщиной стенки в зоне действия кумулятивной струи не менее радиуса основания кумулятивной выемки заряда и массой не более утроенной массы заряда ВВ и дополнительно снабжен экраном-отражателем, выполненным в виде цилиндра с диаметром, равным диаметру заряда, с отверстием для размещения капсюля-детонатора, размещенным в торце заряда со стороны отверстия для размещения капсюля-детонатора. Экран-отражатель выполнен из материала с пределом динамической прочности на разрыв 1•10⁷-1,6•10⁸ Па, а толщину цилиндра /h/ определяют из соотношения h ≥0,2•m_ВВ/ρπ(d²/4) где m_ВВ - масса взрывчатого вещества, ρ - плотность материала экрана-отражателя, d - диаметр заряда. Кроме этого заряд дополнительно снабжен герметичной облицовочной оболочкой, размещенной внутри замкнутой полости. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Заряд для возбуждения сейсмических волн, включающий корпус, в котором размещен заряд взрывчатого вещества (ВВ) с кумулятивной выемкой и поддон из инертного материала с выемкой, симметричной кумулятивной и образующей с ней общую замкнутую полость объемом не более 3 • 10^- 4 м³/кг ВВ, при этом поддон выполнен из материала с пределом динамической прочности на разрыв 1 • 10⁷ 1,6 • 10⁸ Па с толщиной стенки в зоне действия кумулятивной струи не менее радиуса основания кумулятивной выемки заряда и массой не более утроенной массы заряда ВВ, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен экраном-отражателем, выполненным в виде цилиндра диаметром, равным диаметру заряда, с отверстием для размещения капсюля-детонатора, при этом экран-отражатель выполнен из материала с пределом динамической прочности на разрыв 1 • 10⁷ 1,6 • 10⁸ Па, а толщину h цилиндра определяют из соотношения

где m_В В масса взрывчатого вещества;
ρ - плотность материала экрана-отражателя;
d диаметр заряда. 2. Заряд по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен герметичной облицовочной оболочкой, размещенной внутри замкнутой полости.