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為了進(jìn)行挖掘爆破、采礦作業(yè)及許多其它目的，要在巖石中鉆孔。 例如，爆炸探尋碳氫化合物，礦物，及其它產(chǎn)品需要物理貫穿地質(zhì)地 層。地震作業(yè)一般要引爆炸藥以產(chǎn)生沖擊波源信號(hào)用于貫穿地表下的 地質(zhì)地層。沖擊波從地表下地質(zhì)構(gòu)造和界面被反射，并使用地表的傳 感器諸如地震檢波器檢測(cè)被反射的能量。這些換能器把反射能轉(zhuǎn)換為 信號(hào)，這些信號(hào)被記錄供處理。
在許多陸基地球物理地震作業(yè)中，振動(dòng)卡車(chē)接觸土地并向地表下 地質(zhì)地層釋放能量。然而，勘查區(qū)常常包括多山，熱帶，或其它地震 卡車(chē)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域。因?yàn)榭傻竭_(dá)性限制以及由爆炸材料提供的很大 來(lái)源的能量，爆炸物炮井中引爆的炸藥提供了較好的地震源能量的來(lái) 源。通常在地表下地質(zhì)地層鉆成多達(dá)四英寸寬深度在二到三十米之間 的炮井，以允許放置爆炸物。爆炸物通常放置在炮井的底部并被引爆 以產(chǎn)生沖擊波，被傳送到地表下地質(zhì)地層。
地震炮井需要與挖掘爆破孔不同的參數(shù)，因?yàn)榕诰哪康牟皇俏?移或破碎巖石，而是向地表下地質(zhì)地層有效地傳送彈性沖擊波能量。 于是，炮井設(shè)備和鉆孔技術(shù)是相對(duì)專(zhuān)門(mén)的。
普通爆炸物的直徑小于炮井的直徑以便于爆炸物放置到炮井下 端。炸藥與炮井之間的形成的環(huán)形常常降低沖擊波能向地表下地質(zhì)地 層傳送的效率。因?yàn)樵谛噬系倪@一降低，一種技術(shù)提出使用氣體爆 炸物以消除爆炸物與井孔之間空間。United?States?Patent?No. 3,752,256?to?Mollere(1973)公開(kāi)了一種方法，用于在土地內(nèi)固定一個(gè)燃 燒室以產(chǎn)生地震源能。United?States?Patent?No.3,976,161?to Carman(1976)公開(kāi)了一種螺旋鉆，用于向松散的土地插入爆炸氣體。
因?yàn)橛砷_(kāi)放的孔提供的相對(duì)低的阻力，因而大部分沖擊波能是通 過(guò)炮井向上釋放的。為了限制這種能量的損失，如United?States?Patent No.4,066,125?to?Bassani(1978)中所示在炮井中放置插塞。United States?Patent?No.4,763,796?to?Arnall?et?al.(1988)公開(kāi)了其它技術(shù)，用 于以水泥、砂礫和膨潤(rùn)土密封炮井。
自從地震爆炸起始爆炸物就是提供地震能源，然而很少對(duì)爆炸材 料的性能作出努力。對(duì)爆炸評(píng)估的阻礙包括關(guān)于一定的爆炸參數(shù)沖擊 的信息不可得性，缺乏用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試這種參數(shù)的有效技術(shù)，缺乏用于 評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的技術(shù)，以及進(jìn)行評(píng)估爆炸所需的多變量實(shí)驗(yàn)的高 成本。
已經(jīng)開(kāi)放出各種技術(shù)控制地震能釋放的形狀和方向性。United States?Patent?No.3,908,789?to?Itria(1975)公開(kāi)了一種技術(shù)，用于控制 爆炸材料的長(zhǎng)度。在United?States?Patent?No.4,053,027?to Oswald(1977)中公開(kāi)了對(duì)爆炸材料引爆的控制，其中在同一地震事件 期間產(chǎn)生第一和第二能量脈沖。許多出版物談到能量波通過(guò)各種土地 條件傳播的力學(xué)。
區(qū)域的地震作業(yè)需要多個(gè)炮井位用于地震勘查，而大規(guī)模的勘查 可能需要數(shù)以千計(jì)的炮井。每一炮井的平均成本乘以平均數(shù)目基本上 確定了勘查的經(jīng)濟(jì)效率，且該數(shù)據(jù)集可從勘查設(shè)計(jì)獲得。進(jìn)行地震爆 炸的費(fèi)用是昂貴的，并且在一定地質(zhì)條件下有時(shí)難以獲得合用的數(shù)據(jù) 質(zhì)量。鉆孔深度和現(xiàn)場(chǎng)人員與設(shè)備時(shí)間都是相當(dāng)?shù)某杀疽蛩亍Ｓ谑牵?需要改進(jìn)的技術(shù)，用于對(duì)重型設(shè)備不可達(dá)區(qū)域地震炮井有效確定源參 數(shù)。

本發(fā)明提供了一種方法，用于選擇在選定地震勘查區(qū)使用的地震 能源的方法，包括以下步驟：評(píng)估在地震勘查區(qū)內(nèi)土地的選定的物理 性質(zhì)；測(cè)試土地對(duì)選定的地震能源特性的反應(yīng)；產(chǎn)生土地內(nèi)選定的地 震能源激發(fā)的測(cè)試模型；從所述測(cè)試模型估計(jì)所述地震能源激發(fā)的遠(yuǎn) 場(chǎng)地震響應(yīng)模型；在選定的地震勘查區(qū)內(nèi)激發(fā)地震事件以便測(cè)量由所 述地震事件引起的地震數(shù)據(jù)；以及比較所述遠(yuǎn)場(chǎng)地震響應(yīng)模型與由所 述地震事件激發(fā)的地震數(shù)據(jù)。
附圖說(shuō)明
圖1示出一地震勘查區(qū)的示意圖。

本發(fā)明提供了一種方法，用于改進(jìn)地質(zhì)物理作業(yè)中的地震數(shù)據(jù)質(zhì) 量。該方法是通過(guò)以下進(jìn)行的，確定地質(zhì)地層的物理特性，開(kāi)發(fā)并測(cè) 試用于該區(qū)域的爆炸模型，相對(duì)于實(shí)際測(cè)試校正該模型，并采用該模 型進(jìn)行詳細(xì)的爆炸參數(shù)測(cè)試。
圖1對(duì)于地震勘查區(qū)示出代表性的圖示。源10被激發(fā)以便向土地 12傳播地震源能量，并且地震檢波器14記錄反射的地震源能供進(jìn)一 步處理。一般在選定擇的有地質(zhì)價(jià)值的勘查區(qū)域邊界內(nèi)進(jìn)行多次爆炸。
在標(biāo)識(shí)出勘查區(qū)域的邊界之后，檢查該區(qū)域以確定這種勘查區(qū)域 內(nèi)淺的和深的地質(zhì)地層的相關(guān)特性。評(píng)估表面或近地表的地質(zhì)地層， 一般基于諸如巖石或土地類(lèi)型、濕度特性、風(fēng)化的程度和深度及其它 因素，選擇代表性的測(cè)試點(diǎn)。在每一測(cè)試點(diǎn)取巖心樣品，并分析巖心 樣品以確定孔隙度，密度，壓縮和剪切波速度，彈性和動(dòng)態(tài)模量，以 及在單軸和三軸壓力下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。就這里所用而言，術(shù)語(yǔ)“土地” 包括土壤團(tuán)塊，沉積物，巖石，有機(jī)材料，沙，及其它構(gòu)成地球表面 的材料。
在巖石或土地類(lèi)型的這些確定之后，設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以測(cè)試在勘 查測(cè)試點(diǎn)處不同爆炸物類(lèi)型的性能。在每一測(cè)試點(diǎn)釋放不同類(lèi)型的爆 炸物，并使用地震檢波器陣列檢測(cè)結(jié)果。這種地震檢波器最好包括三 組件的地震檢波器。在這種參數(shù)期間評(píng)估炸藥的各種參數(shù)，包括爆炸 的速度，密度，相對(duì)于孔直徑的裝藥直徑，相對(duì)于周?chē)鷰r石或土地的 阻抗爆炸反應(yīng)產(chǎn)物的阻抗，裝藥形狀，裝藥長(zhǎng)度，氣體產(chǎn)生，能量釋 放時(shí)間，填井材料，總能量，沖擊能量，氣體或氣泡能量，以及其它 參數(shù)。
使用分析程序處理地震檢波器數(shù)據(jù)，以確定怎樣的爆炸參數(shù)組合 產(chǎn)生最優(yōu)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。這種處理包括譜分析以確定在選擇的頻率范圍 上信號(hào)的相對(duì)振幅和噪聲能量。這種分析程序?qū)γ恳粎?shù)點(diǎn)的每一次 爆炸進(jìn)行。來(lái)自這種譜分析的譜在選定擇的頻率被求平均以生成對(duì)每 一炸藥類(lèi)型的合成頻譜，并在選擇的頻率就整個(gè)相關(guān)的帶寬從合成頻 譜計(jì)算偏移范圍和平均偏移。來(lái)自每一炸藥類(lèi)型的各頻譜和合成頻譜 個(gè)別地并在不同的合成中進(jìn)行比較，以確定在相關(guān)帶寬內(nèi)每一參數(shù)的 效果。辨識(shí)產(chǎn)生所需結(jié)果的參數(shù)，并以各種建模方法使這些參數(shù)受到 敏感度分析。理想的參數(shù)包括增加的信號(hào)能量，增加的信噪比，增加 的信號(hào)相容性，以及降低的噪聲。
精確的爆炸建模是通過(guò)準(zhǔn)備二或三維地層和炸藥模型進(jìn)行的?？?畫(huà)貼近炸藥的地質(zhì)地層條件的近地表的地層參數(shù)是從巖心樣品測(cè)量， 鉆井記錄，及測(cè)試數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的。這些測(cè)試可包括但不限于孔隙度， 密度，壓縮和剪切波速度，彈性和動(dòng)態(tài)模量，以及在單軸和三軸壓力 下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。
進(jìn)行關(guān)于深層地質(zhì)地層的預(yù)測(cè)，以便能夠?qū)︻w粒速度和位移建模。 可能無(wú)法對(duì)較深的地層取巖心，關(guān)于這種地層的信息可以從先前的地 震數(shù)據(jù)，鉆井記錄，或公布的數(shù)據(jù)推導(dǎo)。在垂直方向向相關(guān)的最大深 度并在橫向向相關(guān)的最大偏離擴(kuò)展模型。取決于信息的可得性及尋求 的模型的精確性，地質(zhì)地層參數(shù)的橫向變化可能或可能不結(jié)合到模型 中。與建模代碼相關(guān)，可能在模型內(nèi)結(jié)合頻散(dispersion)或各向異性。
用于炸藥的模型由對(duì)所測(cè)試的特定爆炸物的狀態(tài)方程組成。這種 狀態(tài)方程可從汽缸膨脹或泡沫測(cè)試數(shù)據(jù)或從公布的值確定。
在模型形成之后，開(kāi)始特定炸藥類(lèi)型的的數(shù)值仿真。Langrangian 或Eulerian流體動(dòng)力學(xué)代碼可在接近地表結(jié)構(gòu)內(nèi)仿真每一特定炸藥類(lèi) 型的爆炸，并逼近所提出的地震源幾何結(jié)構(gòu)。在炸藥爆炸全過(guò)程中以 離散的時(shí)間間隔仿真爆炸的進(jìn)展及周?chē)鷰r石或土地的響應(yīng)。與波的類(lèi) 型或被建模的地球構(gòu)造有關(guān)，這種計(jì)算可以二維或三維進(jìn)行。這種仿 真計(jì)算量很大并可能需要多個(gè)步驟。在炸藥周?chē)x擇巖石內(nèi)的邊界。 當(dāng)來(lái)自炸藥的能量到達(dá)選定擇的邊界時(shí)，記錄沿邊界的每一單元的顆 粒運(yùn)動(dòng)的量值和方向，并用作為更廣泛的模型的輸入。這一過(guò)程繼續(xù) 繼續(xù)到顆粒運(yùn)動(dòng)的范圍足夠小，以至呈現(xiàn)巖石的彈性響應(yīng)。在這一點(diǎn)， 取顆粒運(yùn)動(dòng)值并重新插入到另一建模程序，該程序能夠把彈性響應(yīng)計(jì) 算擴(kuò)展到接近在地質(zhì)勘查期間所記錄的最大地震檢波器偏離的距離。
最終結(jié)果作為表示參數(shù)測(cè)試的合成型式的一系列圖形或軌跡被顯 示。這些合成軌跡與實(shí)際的軌跡(參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù))比較，用于某些所測(cè) 試的爆炸公式的組合。如果合成和實(shí)際數(shù)據(jù)的匹配在可接受的范圍， 則測(cè)試區(qū)域模型被校準(zhǔn)。
評(píng)價(jià)度量包括被觀(guān)察的數(shù)據(jù)的存在，記錄中特定震波的次數(shù)，振 波深度和偏移的相對(duì)振幅，及數(shù)據(jù)中的噪聲特性。如果合成軌跡和實(shí) 際的軌跡在可接受的范圍內(nèi)不匹配，則調(diào)整模型參數(shù)并再次運(yùn)行模型。 這一過(guò)程連續(xù)反復(fù)進(jìn)行，直到合成的和實(shí)際的數(shù)據(jù)在可接受的范圍內(nèi) 匹配為止。
在校準(zhǔn)了測(cè)試模型區(qū)域之后，可進(jìn)行對(duì)于爆炸測(cè)試的敏感性測(cè)試。 敏感性測(cè)試通過(guò)改變單個(gè)參數(shù)并重新運(yùn)行模型進(jìn)行，以確定產(chǎn)生仿真 地震數(shù)據(jù)一定的變化所需的參數(shù)的變化。這種測(cè)試可對(duì)單個(gè)參數(shù)的各 種量值和方向反復(fù)進(jìn)行，直到辨識(shí)出對(duì)這種參數(shù)的數(shù)據(jù)敏感性為止。 敏感性測(cè)試可對(duì)其它參數(shù)反復(fù)進(jìn)行，直到獲知每一參數(shù)相對(duì)的重要性 為止。
從爆炸物參數(shù)相對(duì)重要性和每一參數(shù)對(duì)應(yīng)的的敏感性的這一分 析，能夠作出對(duì)爆炸材料和結(jié)構(gòu)改進(jìn)的預(yù)測(cè)，以便改進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和爆 炸作業(yè)的效率。無(wú)需附加的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試能夠評(píng)價(jià)參數(shù)的多種組合。通過(guò) 比較模型的結(jié)果與其它模型的結(jié)果或?qū)嶋H的測(cè)試數(shù)據(jù)，能夠確定對(duì)最 優(yōu)測(cè)試集的估計(jì)。能夠進(jìn)行對(duì)各種爆炸或推進(jìn)型能源性能的預(yù)測(cè)，并 能夠評(píng)估新的爆炸公式。例如，可改變炸藥組合物以改變爆炸密度或 引爆速度，使爆炸副產(chǎn)品阻抗與周?chē)鷰r石匹配，改變能量釋放時(shí)間， 改變總裝藥能量，或改變沖擊與氣體能量之間的總能量的劃分。此外， 可對(duì)新的爆炸形式建模，包括改變爆炸物或推進(jìn)物的長(zhǎng)度，形狀，和 相(是否是液體，氣體，凝膠體，固體，顆粒，或復(fù)合物)。
此外，本發(fā)明允許在土地內(nèi)不同標(biāo)高處預(yù)測(cè)關(guān)于接近地表土地對(duì) 地震能源的響應(yīng)。這些預(yù)測(cè)在降低為實(shí)現(xiàn)所希望的地震能量配合所必 須的炮井深度中是極其有用的。通過(guò)以校準(zhǔn)的測(cè)試模型對(duì)這種響應(yīng)建 模，能夠作出計(jì)算預(yù)測(cè)，以比較對(duì)于較深炮井附加的鉆孔成本與減少 能耗費(fèi)用的節(jié)省。能夠就局部事務(wù)，諸如環(huán)境敏感性，陸地和水之間 的邊界帶，以及聲學(xué)能源容量作出經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)。本發(fā)明便于就一些參數(shù) 實(shí)現(xiàn)勘查策略，諸如裝藥量，類(lèi)型和形狀，埋藏深度，填充物，巖石 或土地類(lèi)型，及氣體變量。
雖然對(duì)本發(fā)明已經(jīng)以一定的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但對(duì)于業(yè)內(nèi) 專(zhuān)業(yè)人員明顯的是，在不背離本發(fā)明的范圍之下可對(duì)這里的發(fā)明概念 作出修改和改進(jìn)。這里所示的實(shí)施例只是本發(fā)明概念的示例，而不應(yīng) 被解釋為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。