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碳酸盐岩海相地层在我国分布范围很广,具有巨大的油气资源潜力和前景。而复杂构造条件下碳酸盐岩地区油气地震勘探是一大世界性难题,其中地震激发条件和地震接受条件是影响该类型地区地震资料品质的两个核心问题。本文通过相关爆破理论和数值模拟开展了以炸药为震源的地震勘探激发条件的研究工作。
首先,根据爆炸冲击波作用下岩石的扩张爆腔能、径向裂隙能及弹性变形能的理论计算公式,分析了炸药性质和激发岩性对岩石的各部分能量耗散规律的影响;并介绍了基于量纲分析法建立的爆破振动频率的预测公式;提出了构建以提高爆破地震波能量为目的的简化理论模型,确定了文章总体研究思路。
其次,基于UDEC离散元数值软件建立了无节理岩体、含一个节理岩体的数值计算模型,重点分析了直达波和反射波在地层中的传播衰减规律及两者之间的关系,包括振动能量和频率等;节理刚度对地震波传播规律有较大影响;并将小波包分析技术应用到地震勘探中,将振动信号分为低频干扰信号(0~20Hz)、有效信号(20~80Hz)和高频噪声信号(大于80Hz)。
然后,采用UDEC数值软件模拟并分析了爆炸冲击波主频、幅值和持续时间对灰岩岩体激发效果的影响,分为岩体爆炸小波包分析和能量分析两部分:小波包分析包括爆炸冲击波特性对爆破振动信号直达波和反射波的振动能量及三个频带能量(低频干扰信号、有效信号、高频噪声信号)分布的影响;能量分析包括爆炸冲击波特性对岩体动能、释放能、塑性能及所占总能百分比的影响。并将岩体爆炸的小波包分析结果和能量分析结果相结合,确定了对炸药激发效果较好的爆炸冲击波特性。
最后,运用LS-DYNA有限元数值软件,模拟了各种爆破条件下炸药在灰岩岩体中的爆炸过程,并将爆炸冲击波输入到UDEC中,从而确定较优的炸药激发条件。结果表明:一般情况下,爆炸冲击波传播速度越大,在爆炸终了时刻岩体粉碎区半径越大,粉碎区周围的主裂纹和微小裂纹数目越多,则炸药爆炸后产生的能量将更多的用于破碎岩体,使得用于岩体动能的比例减小;在爆炸冲击波的主频、幅值和持续时间三个特性中,幅值对炸药激发效果的影响最大、持续时间次之、主频最小。