CN104870067A - 一种确定均匀介质中最佳激发井深的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定均匀介质中最佳激发井深的方法，其特征在于采用以下步骤实现：1)根据使用***的性能参数计算出***在地下***的推力F；按照***向上推力是***推力的1/8计算一炮组合井***向上的推力F上推力：F上推力＝组合井数×F÷8；2)用下式计算最佳激发井深H：***推力F上推力＝H×T×ρ×9.8N/kg+F3+F4；式中：F上推力—步骤1)中计算得到的******向上的推力；H—激发井深；T—组合井围成的地面投影面积；ρ—土体密度；F3—土体向上运动与四周围岩产生的摩擦力；F4—土体在平衡状态时受到的水平应力。

Description

一种确定均匀介质中最佳激发井深的方法

技术领域

本发明涉及石油物探技术，是一种确定均匀介质中最佳激发井深的方法。

背景技术

石油地震勘探目前激发井深的设计主要有两种途径：(1)进行井深试验，对井深试验的单炮频率、能量和信噪比进行分析，确定激发井深；(2)通过微测井调查，确定近地表的速度、岩性和潜水面深度，在某一速度界面或者物性界面下3-5米，确定为激发深度。

第一种方法是石油物探行业多年来一直沿用的方法，采用相同的井数和相同总药量的前提下，通过不同的井深激发，来对比哪种激发井深得到的单炮资料频率高，能量强，信噪比高。

第二种方法首先考虑到的是激发的能量要有效下传，必须把井深设计某个物理界面之下，其中虚反射界面是一个很有用的设计激发井深的界面。

其次考虑速度界面，通过表层调查工作，可以绘制工区的近地表结构图，因此能够把每个炮点位置的高速层埋深估算出来，指导每个炮点的激发井深设计，这样做的缺点是，井深受高速层界面的深度变化非常大，导致激发井深出现剧烈起伏。也使得激发子波的一致性变差。

再次就是考虑激发的岩性，根据地球物理的常识，井深越深，岩层的压实作用越明显，围岩的密度增加，含水性增加，***包和围岩的耦合性更好；这样激发子波的频率较高，激发能量强。但是这种考虑激发岩性的说法完全都是定性的，不能准确的描述岩性是如何影响激发效果的，尤其是在近地表的岩性变化很微弱的探区(巨厚黄土层/巨厚流沙层)，岩性更加不具有指导激发井深设计的用途。

最后是激发井深设计要考虑到潜水面因素的影响，在经典的地球物理勘探教程中，在潜水面以下3-5m激发能够获得非常好的子波频率，能够获得非常好的激发能量。因此采用潜水面以下激发，也是使用最多的地震勘探激发井深设计方法。第一种方法的不足是试验的单炮的采集过程存在人为操作误差，试验单炮记录的进行频率、能量和信噪比分析时，因为分析时窗大小和位置的不同，分析结果出现巨大差异。第二种方法的不足，近地表的界面变化很大，以高速层为例，从10m-100m甚至更大的范围，设计结果严重偏离理论值，对工区的激发井深设计造成很大难度。但是，对于在近地表100m内没有明显的虚反射界面，没有高速界面，没有潜水面的情况下，对于近地表为干燥疏松的黄土或者流沙，上述方法中没有提出确定激发井深的准则和方法。

发明内容

本发明目的是提供一种在地表没有明显的虚反射界面，没有高速界面，没有潜水面的干燥疏松土体的确定均匀介质中最佳激发井深的方法。本发明通过以下步骤实现：

1)根据使用***的性能参数计算出***在地下***的推力F；按照***向上推力是***推力的1/8计算一炮组合井***向上的推力F上推力：

F上推力＝组合井数×F÷8；

所述的***的推力F计算是利用以下动能公式：

$\frac{1}{2}m{v}^2=\mathrm{FS}$

其中，m是***质量，v是***的爆速，F是一个井眼的***推力，S是半个井距。

所述的***的爆速为5000—6000m/s，取平均值5500m/s。

2)用下式计算最佳激发井深H：

***推力F上推力＝H×T×ρ×9.8N/kg+F3+F4；

式中：F上推力—步骤1)中计算得到的******向上的推力；

H—激发井深；

T—组合井围成的地面投影面积；

ρ—土体密度；

F3—土体向上运动与四周围岩产生的摩擦力；

F4—土体在平衡状态时受到的水平应力。

所述的土体密度ρ的计算是使用已知重量和体积的容器，采集2个以上的原生土样，利用密度公式m₂＝ρv₂计算出土样的平均密度，式中：m₂是土样的重量，v₂是土样的体积。

所述的土体向上运动与四周围岩产生的摩擦力F3采用以下公式计算：

F3＝所有组合井围成土体与四周围岩的面积×土体颗粒间的自由摩擦阻力；

所述的土体颗粒间的自由摩擦阻力测量是：相同体积土体缓慢向水平面倾倒形成的圆椎体，圆椎体的侧面和水平面的夹角θ是做斜面上物体重力G的分解时所用的角度，土体颗粒间的自由摩擦阻力f_c：f_c＝G×sinθ。

所述的相同体积是底面圆直径6.5cm，高度7cm的圆柱体。

所述的土体在平衡状态时受到的水平应力F4采用以下公式计算：

$F_4=\frac{(H\×T\×\mathrm{\ρ}\×\frac{9.8N}{\mathrm{kg}})\×\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}$

其中：μ是土体介质的泊松比。

本发明提供了近地表100m内没有明显的虚反射界面，没有高速界面，没有潜水面的情况下，对于近地表为干燥疏松的黄土或者流沙等土体确定均匀介质中最佳激发井深的方法。通过一组激发井深试验，对采集的单炮数据做能量分析，得到的井深和理论计算的结果非常接近。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是11组合激发井在地下形成的梯形体的体积。

图2利用黄土圆锥体计算黄土颗粒间的摩擦力。

图3是1m²斜面上黄土颗粒间的自由摩擦力的计算模型。

图4梯形体向上运动四个侧面受到的向下的摩擦力。

图5是2组合激发井在地下形成的圆柱体的体积。

图6利用流沙圆锥体计算流沙颗粒间的摩擦力。

图7是1m²斜面上流沙颗粒间的自由摩擦力的计算模型。

图8圆柱体向上运动侧面受到的向下的摩擦力。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图和实验实例详细说明本发明。

本发明以黄土山地11组合激发因素为例说明：

1)以黄土山地激发因素11×H×3kg，井距3m，排距3m为例计算，使用***的性能参数计算出***在地下***的推力F(kN)；

一个井眼***推力的计算是利用动能公式：

$\frac{1}{2}m{v}^2=\mathrm{FS}$

其中，m是***质量，v是***的爆速，F是一个井眼(3kg***)***产生的推力，S是半个井距(***在黄土的***半径)；

***的爆速为5000—6000m/s，取平均值5500m/s。

计算得到一个井眼(3kg***)***产生的推力：F＝30250kN；

一个井眼(3kg***)***向上的推力(是整个空间推力的1/8,即球心角为90度的球面所散发的能量，其余的能量是下传和侧面的能量)是：F/8＝3781.25kN；

一炮11组合(33kg***)***向上的推力是：F上推力＝11×F/8＝41593.75kN。

2)用下式计算最佳激发井深H：

***推力F上推力＝H×T×ρ×9.8N/kg+F3+F4；

式中：F上推力—步骤1)中计算得到的******向上的推力；

H—激发井深；

T—11个井眼组合围成的在地面投影面积；

ρ—黄土密度；

F3—梯形体侧面向上运动与四周围岩产生的摩擦力；

F4—梯形体在平衡状态时受到的水平应力。

需要说明的是：

(1)所述的T是11个井眼组合围成的地面投影梯形面积，上底距离18m，下底距离15m，上下底距离6m，井距3m，排距3m，一排是6个井眼，一排是5个井眼。首先计算组合井的地表投影面积T，5个井眼的一边为上底，是5个井距的长度；6个井眼的一边为下底，是6个井距的长度；梯形的高是2个井距的长度；则地表投影面积T为梯形(见图1)，T是可以准确计算出来的：

T＝(1/2)×(15m+18m)×6m＝99m²。

(2)所述的ρ是黄土的密度。采集组合井地区的原生土样(黄土)，计算土样密度；

所述的计算土样密度是使用已知重量和体积的容器，采集6个原生土样，利用密度公式(m₂＝ρv₂)计算出土样的平均密度。

公式中：m₂是土样的重量，v₂是土样的体积，计算得到密度ρ是＝1.613668g/cm3；

(3)所述的F3，是土体(梯形体)向上运动与四周围岩产生的摩擦力；

F3＝梯形体的侧面积×黄土颗粒间的自由摩擦阻力；

测量黄土颗粒间的自由摩擦阻力；

测量方法是：测量土体(流沙和黄土)在相同体积时，缓慢向水平面倾倒形成的圆椎体，流沙和黄土椎体具有不同的底面直径和椎体高度，这种椎体形状不一样的物理现象，是流沙和黄土的岩土颗粒间自由摩擦阻力大小差异的表现。

本发明所述的相同体积是底面圆直径6.5cm，高度7cm的圆柱体。

最后经过试验得到的结果如下：

流沙圆椎体：底座直径15.2厘米，高度4.8cm；

黄土圆椎体：底座直径13.7厘米，高度6cm；

其中三角椎体的侧面和水平面的夹角，就是θ；这个角度θ就是在做斜面上物体重力G的分解时所用的角度。黄土圆锥体的高是6cm，底面半径是6.85cm(见图2)。

$\sin \mathrm{\θ}=6/\sqrt{6^2+{6.85}^2}=0.66$

其中该倾角关系在附图3中以斜边为1.0m，而某一形成正弦值为0.66的直角边为0.66m。这个关系表示：在θ＝arcsin(0.66)的情况下，黄土的颗粒间摩擦力达到平衡，即θ角度再增加，黄土颗粒就会下滑。

那么，1m²斜面上黄土颗粒间的自由摩擦力是(见图3)：

f1m²＝(1/2)×0.66m×0.75m×1m×1614kg/m3×9.8N/kg×0.66＝2583.74N

计算土体(梯形体)向上运动与四周围岩产生的摩擦力F3；

F3＝f1+f2+f3+f4

f1、f2、f3、f4——以梯形为底，H为厚度的梯形体的4个侧面，其中上底长度为18m，下底长度为15m，上下底长度为6m，而上下底斜边长度为6.18m，向上运动时产生的和围岩的摩擦力(见图4)。

f1＝H×18×f1m2＝46.507H(kN)

f2＝H×15×f1m2＝38.756H(kN)

f3＝H×6.18×f1m2＝15.968H(kN)

f4＝H×6.18×f1m2＝15.968H(kN)

F3＝117.2H(kN)

(4)所述的梯形体在平衡状态时受到的水平应力F4采用以下公式计算：

F4＝梯形体受到的水平应力；

$F_4=\frac{(H\×T\×\mathrm{\ρ}\×\frac{9.8N}{\mathrm{kg}})\×\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}$

H×T×ρ×9.8N/kg——是黄土受到的垂直应力；

H—激发井深；

T—11组合井围成的地面投影面积；

ρ—黄土密度；

μ——是黄土介质的泊松比。

黄土泊松比取值μ在0.40～0.50之间，我们取中值μ＝0.45。

则：F4＝H×99m3×1614kg/m3×9.8N/kg×μ/(1-μ)

＝(0.45/0.55)×1565.903H

＝1281.19H(kN)

(5)计算黄土中的最佳激发井深：

***推力F上推力＝H×T×ρ×9.8N/kg+F3+F4；

41593.75kN＝H×99m3×1614kg/m3×9.8N/kg+117.2H+1281.19H

H＝14.031592m

则“H+***半径1.5m＝15.531592m”就是在11组合，井距3m，排距3m，单井药量3kg激发，***平均爆速为5500m/s时，黄土密度为ρ＝1.613668g/cm3的介质中最佳的理论井深。

本发明另一实例以近地表是均匀的饱和水流沙为例说明：

流沙也是一种地震勘探中常见的近似均匀介质，以饱和水流沙为例：

1)饱和水流沙目前主要的激发因素2×H×6kg，井距5.4m为例计算，使用***的性能参数计算出***在地下***的推力F(kN)；

一个井眼***推力的计算是利用动能公式：

$\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\mathrm{FS}$

其中，m是***质量，v是***的爆速，F是一个井眼(6kg***)***产生的推力，S是半个井距(***在饱和水流沙中的***半径2.7m)；

***的爆速为5000—6000m/s，取平均值5500m/s。

计算得到一个井眼(6kg***)***产生的推力：F＝33611.111kN；

一个井眼(6kg***)***向上的推力(是整个空间推力的1/8,即球心角为90度的球面所散发的能量，其余的能量是下传和侧面的能量)是：F/8＝4201.389kN；

一炮2组合(12kg***)***向上的推力是：F上推力＝2×F/8＝8402.778kN。

2)用下式计算最佳激发井深H：

***推力F上推力＝H×T×ρ×9.8N/kg+F3+F4；

式中：F上推力—步骤1)中计算得到的******向上的推力；

H—激发井深；

T—2个井眼组合围成的圆形在地面投影面积；

ρ—饱和水流沙密度；

F3—圆柱体侧面向上运动与四周围岩产生的摩擦力；

F4—圆柱体在平衡状态时受到的水平应力(公知技术-岩土力学)。

需要说明的是：

(1)所述的T是以2组合井(井距5.4m，***半径为2.7m)为例，一排共2个井眼，每个井眼在地表的投影面积都是圆形(因为井距较大，井数少，所以不能近似认为是长方形)，T是可以准确计算出来的(见图5)：

T＝2×π×2.7m×2.7m＝45.78m²。

(2)所述的ρ是饱和水流沙的密度。采集组合井地区的原生岩样(饱和水流沙)，计算流沙密度；

所述的计算流沙密度是使用已知重量和体积的容器，采集6个以上的原生流沙样本，利用密度公式(m₂＝ρv₂)计算出饱和水流沙的平均密度。

公式中：m₂是饱和水流沙的重量，v₂是流沙的体积，计算得到饱和水流沙密度ρ是＝1.890056g/cm3；

(3)所述的F3是圆柱体向上运动与四周围岩产生的摩擦力；

F3＝圆柱体侧面积×流沙颗粒间的自由摩擦阻力；

其中流沙颗粒间的自由摩擦阻力需要测量：

测量方法是：测量土体(流沙和黄土)在相同体积时，缓慢向水平面倾倒形成的圆椎体，流沙和黄土椎体具有不同的底面直径和椎体高度，这种椎体形状不一样的物理现象，是流沙和黄土的岩土颗粒间自由摩擦阻力大小差异的表现。

本发明所述的相同体积是底面圆直径6.5cm，高度7cm的圆柱体。

经过试验，得到的结果是：

黄土圆椎体：底座直径13.7厘米，高度6cm；

流沙圆椎体：底座直径15.2厘米，高度4.8cm；

其中三角椎体的侧面和水平面的夹角，就是θ；这个角度θ就是在做斜面上物体重力G的分解时所用的角度。流沙圆锥体的高是4.8cm，底面半径是7.6cm(见图6)。

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{4.8}{\sqrt{{4.8}^2+{7.6}^2}}=0.53$

其中该倾角关系在附图3中以斜边为1.0m，而某一形成正弦值为0.66的直角边为0.53m，另一直角边为0.85m。这个关系表示：在θ＝arcsin(0.53)的情况下，流沙的颗粒间摩擦力达到平衡，即θ角度再增加，流沙颗粒就会下滑。

那么，1m²斜面上流沙颗粒间的自由摩擦力是(见图7)：

f1m²＝(1/2)×0.53m×0.85m×1m×1890kg/m³×9.8N/kg×0.53＝2211.2N

计算流沙(圆柱体)向上运动与四周围岩产生的摩擦力F3；

F3＝f侧面

f侧面——以圆形为底，H为厚度的圆柱体的侧面，***半径为2.7m，向上运动时产生的和围岩的摩擦力(见图8)。

F3＝f侧面＝H×4×π×2.7×f1m2＝75.024H(kN)

F3＝75.02H(kN)

(4)圆柱体在平衡状态时受到的水平应力

F4＝圆柱体流沙受到的水平应力；

$F_4=\frac{(H\×T\×\mathrm{\ρ}\×\frac{9.8N}{\mathrm{kg}})\×\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}$

H×T×ρ×9.8N/kg——是饱和水流沙受到的垂直应力；

H—激发井深；

T—2组合井围成的地面投影圆形面积；

ρ—饱和水流沙密度；

μ——是流沙介质的泊松比。

通过查阅资料和公开发表的文章：流沙泊松比取值μ在0.20～0.30之间(比砂土的泊松比0.30-0.35和粉土的泊松比0.35-0.40小)，我们取中值μ＝0.25。

则：F4＝H×45.78m³×1890kg/m³×9.8N/kg×μ/(1-μ)

＝(0.25/0.75)×847.937H

＝282.646H(kN)

(5)计算饱和水流沙中的最佳激发井深(创新技术)：

***推力F上推力＝H×T×ρ×9.8N/kg+F3+F4；

8402.778kN＝H×45.78m³×1890kg/m³×9.8N/kg+75.02H+282.646H

H＝6.969777m

则“H+***半径2.7m＝9.669777m”就是在2组合，井距5.4m，单井药量6kg激发，***平均爆速为5500m/s时，饱和水流沙密度为ρ＝1.8900g/cm3的介质中最佳的理论井深。

为了论证理论计算的可靠性，在黄土中安排了一组激发井深试验，采用11口井组合激发，井深从8-21m，单井药量3kg。对采集的单炮数据做能量分析，得到的结论是在井深14-16m之间，下传的能量明显加强，与理论计算的结果非常接近。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种确定均匀介质中最佳激发井深的方法，其特征在于采用以下步骤实现：

1)根据使用***的性能参数计算出***在地下***的推力F；按照***向上推力是***推力的1/8计算一炮组合井***向上的推力F上推力：

F上推力＝组合井数×F÷8；

2)用下式计算最佳激发井深H：

***推力F上推力＝H×T×ρ×9.8N/kg+F3+F4；

式中：F上推力—步骤1)中计算得到的******向上的推力；

H—激发井深；

T—组合井围成的地面投影面积；

ρ—土体密度；

F3—土体向上运动与四周围岩产生的摩擦力；

F4—土体在平衡状态时受到的水平应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1)所述的***的推力F计算是利用以下动能公式：

$\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\mathrm{FS}$

其中，m是***质量，v是***的爆速，F是一个井眼的***推力，S是半个井距。

3.根据权利要求2所述的方法，特点是所述的***的爆速为5000—6000m/s，取平均值5500m/s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)所述的土体密度ρ的计算是使用已知重量和体积的容器，采集2个以上的原生土样，利用密度公式m₂＝ρv₂计算出土样的平均密度，式中：m₂是土样的重量，v₂是土样的体积。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)所述的土体向上运动与四周围岩产生的摩擦力F3采用以下公式计算：

F3＝所有组合井围成土体与四周围岩的面积×土体颗粒间的自由摩擦阻力。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)所述的土体颗粒间的自由摩擦阻力测量是：相同体积土体缓慢向水平面倾倒形成的圆椎体，圆椎体的侧面和水平面的夹角θ是做斜面上物体重力G的分解时所用的角度，土体颗粒间的自由摩擦阻力f_c：f_c＝G×sinθ。

7.根据权利要求6所述的方法，特点是所述的相同体积是底面圆直径6.5cm，高度7cm的圆柱体。

8.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤2)所述的土体在平衡状态时受到的水平应力F4采用以下公式计算：

$F_4=\frac{(H\×T\×\mathrm{\ρ}\×\frac{9.8N}{\mathrm{kg}})\×\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}$

其中：μ是土体介质的泊松比。