（油气井工程专业论文）激波对饱和水泥试样损伤破碎尺度的实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls m d y o ft h es c a l eo fc e m e n t s a m p l e sd a m a g e a n df r a c t u r ez o n eb ye x p l o d i n gw a v e w a n gl i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y a s s o c i a t e p r o f e s s o r l i n y m g - s o n g ，p r o f e s s o r d 珊0 m - s h 即g a b s t r a c t t h el o w p e n n e a b i l l t yr e s e r v o i rh a sh a l f o f t o t a l 埔魑剖懈i no u rc o u n t r y ；, i t se x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n tp l a y s 锄i m p o r t a n tr o l e i nt h e 缸 l r e a t e c h n i q u eu s e di nl o wp e r m e a b i l i t yo i lf i e l d sn a m e d “e x p l o d i n gi no i ll a y e r s ” i sb r o u g h tf o r w a r da f t e rh a v i n ga b s o r b e dl e s s o no fw e l ls h o o t i n g ，h a v i n g s u m m a r i z e dt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fh i 曲e n e r g yg a sf r a c t u r i n ga n d h a v i n gu t i l i z e dh y d r a u l i cf r a c t u r i n g i tw i l li m p r o v er e c o v e r yr a t i o ，i n c r e a s e p r o d u c t i o no fo i la n dn a t u r a lg a sa n de c o n o m i cb e n e f i to ff i e l d s e x p l o d i n g i no i ll a y e r s ”i san e wt e c h n o l o g yf o ri n c r e a s i n gp r o d u c t i o ni nl o w - p e r m e a t e d o n 丘e l d s t h i st h e s i si sc o n c e r n i n gat e c h n i q u ea b o u ti n c r e a s i n gp r o d u c t i o ni nl o w p e r m e a b i l i t yo i l f i e l d s t h er o c kd a m a g ea n df i a e m r eb ys h o c kw a v ei n e x p l o d i n gi no i ll a y e r s c a nb es i m u l a t e db yt h ee x p e r i m e n to fe x p l o d i n g t h es u r l h c eo f t h ec e m e n ts a m p l ei nd e e pw a t e r a r e ro p t i m i z i n ge x p e r i m e n ta n da n a l y z i n gt h er e s u l t , t h ef e a t u r et h a t w a sb e f o r ea n da f t e re x p l o d i n go fs a m p l ew a so b s e r v e d a p p r o v i n gc r a c k w h i c ho l lt h ep r o f i l e 咖r e p r e s e mt h ec r a c kw h i c hi nt h ec e m e n ts a m p l e , a c c o r d i n gt ot h e s e i tc a l ld e d u c e 丘鼍c 嘁l o wi n s i d e t h ec e m e n ts a m p l e t h r o u e d ar e c o r d i n gt h ep r e s s u r eo fp m i c u l a rp o i n ti nc e m e n ts a m p l ew h i c h w a si m p a c t e db ye x p l o d i n gw a v e , t h ed e c l i n eo fe x p l o d i n gw a v ep r e s s u r e w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h i se x p e r i m e n ti so b t a i n e d a r e rd i m e n s i o n a la n a l y z i n g t h ec r u s h e dz o n e ，t e n s i l ed a m a g ez o n e ，t h ea n 蛳c a lf o r m u l aa m o n g c h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o no ft h e s ea r e a s , i n t e n s i t yo fs a m p l ea n ds h o c kw a v e p r e s s u r ei s o b t a i n e d t h ec r u s h e dz o l i ei sa b o u t2 - 5t i m e so fp o w d e r c h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o n t e n s i l ed 龇n f l g ez o n ei sa b o u t2 0 - 3 0t i m e so f p o w d e rc h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o n e n e r g yu s e db ye x p l o d i n gw a v e t og e n e r a t e c r u s h e da n df r a c t u r ez o n ei sa b o u t2 - 7 o f t h et o t a le n e r g y k e yw o r d s ：e x p l o d i n gl o a d ，c e m e n ts a m p l e ，d e c l i n eo f s h o c kw a v e ， e x p e r i m e n t a ls t u d y , c o n s u m eo f e n e r g ye x p l o d i n gi n 五葛c t u 呛 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 主垄砷年 p 月h 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名：名么班 如 年萝月e l 曰年f 月，de l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究目的及意义 目前低渗透油气田所占比重达到己探明储量的三分之一，所占比重 将会越来越大，已经成为我国陆上石油工业稳定发展的重要资源。加快 低渗透油气田的开发势在必行，而改善低渗储层岩石物性是开发低渗油 气田最有效的手段。因此有必要对低渗储层岩石物性改造技术进行进一 步的研究【埘。 综合文献资料，吸取古老的井内爆炸法增产失败的教训，借鉴新兴 的高能气体压裂的成功经验，利用水力压裂的现代技术，对低渗透油气 田进行“层内爆炸”增产新技术 3 1 。其原理是利用水力压裂技术将适当 的炸药压入岩石裂缝，点燃那里的炸药，从而在主裂缝周围产生大量裂 纹以及微裂纹，来提高储层的渗透率，增加油田的经济效益。研究这项 增产技术是一项极具挑战性的工作，如能成功，对低渗透油气藏的开采 将有重大意义。 本研究作为“层内爆炸”改造低渗油藏的基础研究，涉及岩石的动 态力学特性研究，有其重要的理论价值和实用意义。它不仅可直接为“层 内爆炸”改造油层服务，还将为爆炸松动、高能气体压裂、射孔、水力 振荡技术等技术提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 低渗透油田的研究现状 世界上低渗透油气田资源十分丰富m ，分布范围非常广泛，各产 油国基本上都有这种类型的油气田，美国中部、南部、北部和东部，前 苏联的前喀尔巴阡山、克拉斯诺达尔、乌拉尔一伏尔加、西伯利亚油区 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 和加拿大西部的阿尔达省都有广泛的分布。随着时间的延长，小而复杂 的低渗透油田的比例越来越大。 据世界石油工业报道，俄罗斯的低渗透储层的储量达数百亿吨， 其中大部分已投入开发，其原油的采收率为平均采收率的1 3 1 2 ，目 前3 0 e 多的可采储量位于渗透率低于5 0 x1 0 d l t m 2 的储层中( 其中西西 伯利亚占8 0 ) 。 我国近1 0 年探明的低渗透油层储量约占该期全国探明储量的一 半，今后作为重要勘探、开发目标的对象之一是复杂油气层( 藏) ，广 泛分布的低渗透油层又是其主要类型。 我国陆上大部分主力油田都进入中后期开发阶段，明显表现出“四 高”的突出特点。四高是指：采出程度高、综合含水率高、剩余可采储 量开采速度高、递减率高圈。 在我国，低渗透油气田也广泛的分布在全国的各个油区。至2 0 0 3 年底，我国探明未动用的储量有5 5 亿吨，其中大部分为低渗透储量。 近期以来，在我国探明的原油地质储量中，低渗透储量所占的比例明显 增大。例如在中国石油集团公司1 9 9 5 年以前探明原油地质储量中，低 渗透储量占2 3 ，1 9 9 6 年至2 0 0 0 年探明储量中，低渗透储量约占5 6 ； 近年来探明储量中，低渗透储量所占比例超过6 0 。中国石油集团公司 累计探明未动用储量有3 5 亿吨，其中低渗透储量占到6 2 ，约有2 2 亿吨。而近年探明储量中，低渗透储量所占比例高达6 6 。在近期探明 储量和累积探明未动用储量中，低渗透储量都占主要部分，随着油气勘 探的不断发展，我国油气勘探程度渐高，进入勘探中后期，优质储量增 速放缓，年均新增可采储量与地质储量之比( 相当于采收率) 由上世纪6 0 年代的0 3 7 6 降为近年的o 1 6 8 ，低品位储量的比例不断提高。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 低渗透油田最基本的特点就是流体渗透能力差、产能低，通常需要 进行油藏改造才能维持正常生产。目前，已发展的改造低渗透油田技术 很多，如：水力压裂技术、酸化技术、井内爆炸技术、核爆炸技术、高 能气体压裂、根据岩石的压涨现象提出的爆炸松动技术等。常用的是水 力压裂、高能气体压裂和酸化等。但这些方法开发低渗油田的效果都不 是很理想，如水力压裂，裂缝具有“方向性”和“单一性”，并且重复 性较差，二次改造效果不理想；高能气体压裂由于升压时问较短，在毫 秒的量级上，裂缝的方向不受地应力的控制，但裂缝的长度较短，对低 渗油藏的改善效果不尽满意【9 - h 】。 1 2 2 岩石动态破坏的研究现状 ( 1 ) 岩石在动载作用下的破坏模式 人们对花岗岩和大理岩在冲击载荷作用下的破坏模式进行的大量 试验研究，发现了以下两种破坏模式：压剪破坏和拉伸破坏 1 2 1 3 。 佗1 动载条件下岩石微裂纹的起裂及扩展机理 a 、动载条件下岩石微裂纹的起裂 a t k i n s o n 通过大量的研究得出1 1 4 】：岩石介质所含随机微裂纹在动载 作用下的演化，是导致动载破岩的重要原因。s a n d i a 实验室曾用损伤演 化理论计算过油井高能气体压裂的岩石开裂【1 5 1 。另外还提出了岩石变形 动能与新生表面能之和的极值，是导致动载破岩的观点。 王明洋、钱七虎等人【16 ，1 7 1 从微观和细观的角度解释了岩石微裂纹的 起裂。在微观水平上，对于由晶粒构成的岩石，由于各种晶体具有不同 的力学和热力学性能，在应力的作用下引起应力微集中，结果就在颗粒 内部或者颗粒的边界上造成一些内在的位错，位错发生的小距离移动引 起部分粒内应力和粒间应力的松弛，另一部分由于晶体问的摩擦阻力作 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 用引起的应力累计以封闭的形式存在，封闭应力随着热活化，达到迸 步松弛。随着变化过程中位错密度的增加，各种物理的不连续就随之增 加，当达到它的临界数值时，在较长的晶格区域内就会丧失剪切稳定性。 进入局部破坏状态【1 8 1 9 】；在细观水平上，初始或者在变形的过程中形成 的子构造元素的任何移动和旋转都伴随着子构造内部元素的移动和旋 转。因此，子构造内部应当有与此相适应的塑性变形发展，以保证子构 造元素与相邻者之间的适应性，并依次保证岩石变形的相容性。在不同 的尺度的构造、不均匀元素的细观体积中的不均匀变形的发展，形成了 不均匀的应力场，在最大且应力方向上就形成了局部剪切带，在剪切带 区域中，子构造内部的剪切变形不可能进一步发展，导致非相容变形的 产生，就导致在该处出现不连续，就产生了细观裂纹 2 0 , 2 1 1 。 b 、动载条件下微裂纹的扩展 微裂纹扩展的实质上是多裂纹间起裂的竞争问题。在同一时刻，多 个初始裂纹中应力强度因子大的裂纹易扩展。若载荷不变，随裂纹扩展 其应力强度因子增加，初始应力强度因子大的裂纹增加得最大；若载荷 随裂纹扩展衰减，初始应力强度因子大的裂纹衰减得最慢。这将导致已 扩展的裂纹更易扩展，即初始裂纹的小差别将导致最终结果的大差别。 裂纹的扩展是一种结构响应，不像激波响应那样快，它需要一定时间。 如果流体补给速度太快，裂纹来不及扩展，那么就会看到载荷迅速上升， 使得多个裂纹都能扩展。如果流体补给速度很慢，那么就会看到载荷缓 慢上升，只有一个初始应力强度因子最大的裂纹能够扩展嘲。 c 、裂纹群的演化及其相互作用 裂纹的相互作用和联合将产生局部的弱化并最终导致岩石的宏观 失效。岩石材料的断裂过程的主要特征可由两种机制来描述：第一种是 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 与预存裂纹的有效扩展有关，在裂纹扩展的后一阶段相互作用起主导作 用，这种机制引起劈裂破坏；另一种机制是小裂纹的成核和新裂纹的形 成与扩展，在岩体内形成局部破坏区。在这一区域裂纹数量的增加比裂 纹扩展更为敏感，这一机制可以预测岩石的剪切断裂【1 8 1 。 ( 3 ) 国内外研究岩石的动载特性的主要设备 就调研的情况看，目前研究岩石的动载特性的设备主要是各种霍普 金森杆( s h p b ) 装置。s h p b 是s p l i th o p k i n s o np r 器s u r eb a r 的略称。 该装置目前仍是测量岩石动载特性的一种理想设各。它不仅可以测量出 岩石试件的应力、应变、应变率之间的关系( 应变率可达1 0 3 s ) ，而且 可以研究在不同加载条件下岩石产生的破碎效果。 s h p b 装置源于1 9 1 4 年b h o p k i n s o n 设计的一种压杆，主要用来研 究炸药爆炸或者子弹撞击坚硬物体表面时，压力依赖与时间的性质。将 s h p b 引入岩石动态实验的时间较短，1 9 6 8 年，k u m a r 首次使用端试样 在s h p b 装置上进行岩石动态强度研究。1 9 7 2 年，i l j c h r i s t e n s o n 等人 首次对岩石进行了有围压条件下的动力实验，施加围压为2 1 0 m p a 。日 本北海道大学与8 0 年代研制了岩石高速冲击实验机，最高冲击速度为 2 5 m s ，围压1 0 0 m p a 。8 0 年代末，北京科技大学研制了冲击速度为4 0 m s 、 围压为1 0 0 m p a 的三轴实验机。中南工业大学与9 0 年代研制了可以加 围压的s h p b ，冲击速度为4 0 m s ，创新在于突破了s h p b 只可以加载 矩形波的限制，可以在岩样上加载不同的应力波，以了解不同的波形与 岩石特性的关系 2 3 1 。 1 2 3 裂缝描述及参数特征 裂缝是存在于低渗透介质中的高渗透性通道。在油气藏中，提供有 效的渗滤通道、储集空间，并大大增加油井的泄油面积，从而极大地改 s 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 普储集层的渗滤特性；还控制着油气藏的形成和分布。因此，普遍认为 搞清裂缝的分布规律，是油气勘探开发成功的关键 目前，针对储层中裂缝开展的研究主要有以下几个方面 2 4 - 2 6 ： ( 1 ) 确定七项表征参数：密度、长度( 延伸) 、宽度、高度、斜度 ( 倾角) 、角度( 方位) 、深度( 裂缝处井深) ； ( 2 ) 建立三种关系；裂缝发育程度( 主要是密度) 与岩性、厚度和 构造部位的关系； ( 3 ) 研究两种性质：一是裂缝的力学性质，二是裂缝的开启性质； ( 4 ) 评估裂缝能力：即裂缝对地层渗透率有多大的贡献能力； ( 5 ) 探讨成因机理：包括裂缝形成的原因、时间以及演化过程等。 自然裂缝的形成是由于构造应力作用的结果，裂缝的发育往往受区 域构造应力的控制。 为了对储集层中存在的单一裂缝进行描述，地质工作者提出了裂缝 宽度( 张开度) 、裂缝长度、裂缝倾角、裂缝方位以及裂缝充填情况等 参数；多重裂缝参数是指裂缝的排列、网络分布、裂缝密度、裂缝间距、 裂缝孔隙度等参数。此外，为了描述裂缝对流体的渗滤能力，裂缝渗透 率以及裂缝导流能力等参数也被提出。 收集和综合整理大量的裂缝资料后，发现对裂缝的研究重点放在： ( 1 ) 裂缝宽度：又叫裂缝张开度。裂缝有一定的宽度，小到微米级， 达到毫米级，通常在几十到几百微米。当描述裂缝性油气藏时，在裂缝 孔隙度渗透率的计算及储集层的预测中，裂缝宽度是一个非常重要参 数 ( 2 ) 裂缝长度：是指裂缝的延伸长度，从构造地质学上可分为走向 延伸长度和倾向延伸长度。裂缝的长度在几米到几十千米之间，大的可 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 达几十千米。小的裂缝相互交叉构成网状结构，网状结构也可延伸几到 几十千米，由张应力作用形成的裂缝，其宽度与长度成正比； ( 3 ) 裂缝倾角：是指裂缝面与水平面的夹角； ( 4 ) 裂缝形状：裂缝的外观描述，通常用平直、弯曲或规则、不规 则等加以说明； ( 5 ) 裂缝充填情况：包括充填物类型和充填程度。充填程度用充填 物的多少占裂缝空间大小的百分数来表示，它直接影响到裂缝的有效孔 隙度和渗透率； ( 6 ) 裂缝方位：指裂缝或裂缝系统发育的方位，是描述裂缝的重要 参数，可直接由定向取心和裂缝与地层的关系获得，也可以从数值模拟 合测井资料分析中获得； ( 刀裂缝孔隙度：是指裂缝体积的相对大小，数值上等于裂缝总体 积与岩石总体积的比值； ( 8 ) 裂缝密度：裂缝密度是衡量裂缝发育程度的重要指标。常规的 裂缝密度又可分为线密度、面积密度和体积密度。线密度是指与直线相 交的裂缝条数和该直线的长度的比值。面密度是指裂缝累积长度和流动 横截面上基质总面积的比值。体密度是指裂缝总表面积与基质总面积的 比值。在裂缝的三种密度中，仅体积密度能从量上最充分地反映裂缝的 发育程度。裂缝体积密度实际上表示了裂缝孔隙度的大小，它可作为定 量评价裂缝发育程度的一项重要指标。 1 2 4 岩石爆破中炸药能量分布研究现状 l i v i n g s t o nc w 鲫在各种岩石、不同装药量、不同埋深的爆破漏斗 实验基础上提出了以能量平衡为准则的岩石爆破破碎的能量平衡理论 ( 即爆破漏斗理论) ，认为一定量的球状药包在岩体中爆炸后，传给岩 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 石的能量和速度取决于岩石的性质，炸药性能，药量，药包的埋藏深度， 位置和起爆方法等，炸药的爆炸能主要是用于岩石的弹性变形，冲击破 坏，粉碎破坏和形成空气冲击波。能量平衡理论是最早关于爆炸能量消 耗分布的理论、定性地说明了爆炸能量的分布方向。此后，许多科技工 作者在这方面进行了积极的，有意义的探索。 l a n g f o r $ u 【1 3 】的爆破破岩理论认为，冲击波所含的能量是爆炸能量 中非常微小的一部分，爆炸能绝大部分储存在爆炸后产生的高温高压气 体中，s t u a r t 和m c h u g h 的模拟实验证明了这一观点。 p e r - a n d e np e r s o n 2 2 根据破碎力学理论，对破碎岩石的总能量进行 了数值计算，取得了部分岩石体积应力能量与裂缝面积能量的合理比 值，并指出不同种类的岩石爆炸能量的分布规律各异。 9 0 年代，就如何提高炸药能量的利用率，科技工作者进行了大量 研究工作，提出了岩石与炸药的波阻抗匹勇己，炸药于岩石的全过程匹配、 炸药与岩石的能量匹配等观点网。波阻抗匹配观点认为岩石与炸药波阻 抗相等，当传递到岩石介质中爆炸能量系数最大时，爆炸能利用率最高。 工程实践表明，在岩石与炸药的波阻抗不匹配的情况下，也能取得较好 的爆破效果。原因是阻抗匹配理论将岩石的爆破作用过程过于简单化 2 9 3 0 1 。 随着计算机技术的弓l 入，对爆炸能量的研究逐步从定性研究向定量 研究过渡，主要表现在岩石爆破能量的数值研究有了较大的发展。张奇 口1 l 通过球形装药与岩石爆炸作用的力学分析。用数值分析方法给出爆炸 能量利用率，认为以破碎为主要目的的岩石爆破工程，爆炸能量利用率 为5 0 ，而且岩石和炸药的波阻抗越接近，爆炸能量利用率越高。此后， 张奇1 3 1 l 运用分形几何及断裂力学理论探讨了控制断裂能量与爆破效果 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的分形，为爆炸能量研究提供了新思路。 k o usq 和r u s t a na p 2 3 3 1 在对岩石爆破中抵抗与炮孔直径关系的 研究中，运用量纲理论及断裂力学理论，探讨了岩石爆破中爆炸能向岩 体破碎能、抛掷能的转化。颜事龙t 3 4 将岩石的爆破过程分为两个阶段： ( 1 ) 炸药爆炸在围岩中产生应力波，使介质产生径向和环向裂缝，破碎 成块；( 2 ) 爆生气体压缩装药周围的岩石形成空腔，随后作用于破碎的 岩石，使其以一定速度向外抛掷。由此认为岩石爆破中爆炸能量主要用 于岩石变形、产生裂缝及破碎，并形成爆炸空腔和抛掷岩石。计算表明， 爆炸过程中能量消耗分布为：爆生气体膨胀消耗的能量为5 0 - - - 6 0 、 冲击波能量消耗为1 0 2 0 、无用能约为2 0 3 0 。 在爆炸能量分布的实验研究方面，1 9 5 9 年，f o g e l s o nde 0 5 1 等人通 过测量应变波，得到了炸药传至岩石中的能量。实测表明，冲击波能量 约占猛炸药总能量的9 ；中国矿业大学吴德义【1 7 1 通过室内模型实验研 究了抵抗与抛掷的规律，探讨了应变能与岩石破碎之间的关系。 在爆炸能量控制方法研究方面，孙建鼎 2 s t 依据不同矿岩性质、起爆 方式、装药结构、爆破参数、炸药性能与矿岩性质相匹配等对炸药能量 利用率的影响，提出了合理利用爆炸能量、减少无用功的若干措旖；淮 南矿业学院，宗琦【3 6 1 探讨了装药结构对爆炸能量传递的影响，给出了耦 合装药、空气不耦合装药和水不耦合装药爆炸能量传递系数，为爆炸能 量控制方法研究提供了参考。 1 3 本文主要研究内容 我国低渗透油气田的储量约占总储量的一半，是今后勘探、开发的 主要对象之一。在吸取古老的井内爆炸法增产失败的教训，借鉴新兴的 高能气体压裂的成功经验，利用水力压裂的现代技术的基础上，中国科 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 学院力学研究所的丁雁生等人提出了低渗透“层内爆炸”采油增产新技 术p 7 删，来提高储层的渗透率，增加油田的经济效益。 本文总结文献调研的结果，在前人所做工作的基础上，将以“层内 爆炸”采油技术为背景，通过水中激波对饱和水泥试样冲击实验研究， 来模拟“层内爆炸”中爆炸激波使岩石损伤开裂的现象。通过优化实验 方案和分析实验现象，对裂纹进行恰当的定性、定量的描述；通过记录 激波作用下试样内特定点的压力，初步德到适合试验条件下，水泥试样 内部激波衰减的规律；通过对实验后试样粉碎区、损伤破碎区尺度的置 纲分析，得到了粉碎区半径与激波压力及拉伸损伤区裂隙长度与激波压 力的经验公式，并尝试从能量角度分析损伤破碎尺度。 以上的研究成果将优化“层内爆炸”采油技术的旌工设计，为该技 术在实际油田中的应用和进一步的理论研究提供一定的理论基础。同 时，该问题也普遍存在于爆炸法采油、笱易脉冲增产原理、爆炸松动技 术、高能气体压裂等技术中，本文的研究成果也将为这些技术提供一定 的理论基础。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验准备及实验工作 第2 章实验准备及实验工作 “层内爆炸”采油技术的思路阻一“利用水力压裂技术将爆燃药 压入油层裂缝，并采取不损毁井筒的技术措施点燃该爆燃药，从而在主 裂缝周围产生大量裂缝，达到提高采收率、增产原油的目的”。 本文通过水中激波对饱和水泥试样冲击实验，来模拟“层内爆炸” 中爆炸激波使岩石损伤、开裂的现象。实验通过预埋的方式记录了试样 在激波作用下的压力，寻找饱和水泥试样损伤开裂时激波压力衰减规 律；通过对中大尺度的饱和水泥试样的实验进行损伤破坏区域的划分， 对爆炸前后水泥试样的宏观与细观损伤破裂进行观察，描述试样形貌特 征的变化；寻找到中大尺度水泥试样中，激波参数、试样强度与损伤破 碎尺度的经验关系，并分析了激波掠过试样后用于损伤破碎试样的能量 消耗。 2 1 实验方案设计 将2 个矿0 6 m x o 2 m 半圆饼状的水泥试样拼成一个1 , 0 6 m x o 2 m 的 圆饼试样；在合适的位置安放压电晶体传感器，把炸药紧贴在水泥试样 的上表面，之后将试样放入足够深的水中；引爆炸药，采集试样内部的 激波压力数据；综合利用实验数据和理论分析结果，研究激波在水泥试 样中的衰减规律。 在水中进行实验的目的，一是可以屏蔽爆生气体对岩石的破坏作 用，仅研究激波对岩石的破坏作用；二是削弱反射拉伸波对试样的破坏 作用；三是炸药在地下的爆炸是在压裂液中进行的，实验选择在水中做 实验的目的之一就是为了模拟炸药在压裂液中爆炸所产生的激波对岩 石的破坏作用。在实验方案设计时，创造了拼接面，也就是“预制剖面”。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验准备及实验工作 这样在实验后将水泥试样沿预制剖面掰开，直接观察试样内部的裂纹， 从而避免对试样的分割而带来的新的损伤。经过实验验证，这样的剖面 基本可以反映试样内部破坏情况并且对整体实验效果不会产生很大的 影响。 2 2 实验准备 实验准备包括炸药、模具制作、水泥试样的制备及主要参数测量、 爆炸水箱的建立等。 2 。2 1 塑性炸药 炸药的主要成分：8 0 黑索金、2 0 环氧树脂加少量优质机油【4 1 1 。 将这些物质捻和成塑性炸药，等性能稳定后便可使用。 对炸药性能进行测试：用捧水法测量到炸药的密度是1 4 9 c m 3 ；激 波管测得炸药的爆速为6 9 0 0 m s 。 实验时，将雷管和炸药装好后用胶带包裹好再使用；每次实验的药 量大约为o 0 0 5 k g o 0 1 4 k g 。在实验前需对所用雷管做防水处理。 2 2 2 模具制作 ( 1 ) 传感器模具 由于商业传感器价格昂贵。不便在制作试样时使用。为此设计并如 工商业传感器模型，在做水泥试样时直接安放在预定位置；正式实验之 前取出传感器模型，然后放入商业传感器进行参数测量。传感器模具设 计如图2 - 1 所示。 ( 2 ) 水泥模具 为保证水泥试样形状和尺寸的规范，对水泥试样的模具也进行了设 计。如图2 - 2 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验准备及实验工作 图2 - l 传痘器模具图( 单位：m m ) 在模具的材质上选择厚度为3 m m 的低碳钢板，这样在保证模具强 度的同时降低实验成本。由于本实验要测量水泥中特定点的激波压力， 因此在制作水泥试样时要预留出传感器的放置空间。因此，设计将三个 传感器垂直于试样轴线放置。为了真实的测到预制剖面上的激波压力， 在设计传感器放置位置时，尽量将其贴近预制剖面。综合考虑了实验用 传感器的尺寸特点后，设计将传感器置于距剖面2 0 m m 处；综合考虑了 激波的反射、折射后，设计将第一个传感器放置在距离试样上表面 4 0 m m 处，第二个距离上表面l o o m m ，第三个距离上表面1 6 0 m m 。并 在模具上相同位置处打上通孔方便安装传感器模具。 为了试样成型后顺利取出试样。设计模具时，在侧面留出5 0 m m 的 节余，并使用角钢对其进行加固。在角钢与模具相同尺寸处打上三个相 同尺寸的通孔，使用m 5 的螺钉进行紧固，这样，在试样成型后，拆下 螺钉，顺利拆掉模具。 本实验要求将圆柱状水泥试样分成两瓣，因此在制作水泥试样时选 用有机玻璃板做隔板。厚度为5 + 0 1 m m 的有机玻璃板，在保证模具强 度的同时也能满足实验要求。实验要求试样高度为2 0 0 r a m ，因此有机 玻璃隔板的尺寸设计为高2 0 3 l m m ，长6 0 1 l m m 。 1 3 生国互迪太堂j 华零) 硕士论交第2 章实验准备及实验工作 图2 2 水泥试样模具示意图( 单位：m m ) 由于试样的尺寸较大，因此对模具底板也进行了设计。底板选用 l o m m 的低碳钢板，制作成矿6 0 8 xl o m m 的圆盘。为了使模具能较好的 装配在底板上，并且方便装卸模具，还在底板上设计了一个痧6 0 0 x 2 r a m 的台阶并采用在该台阶上开深为4 m m ，宽度为4 9 士o 1 衄的槽，使有 机玻璃隔板能较好的装配在该底板上。 2 2 3 水泥试样的制备 由于岩石类材料具有很强的各向异性，做实验数据散布较大，不易 进行基础研究。在自然界中跟岩石性质最为接近的是水泥材料，并且可 以有效地控制水泥试样的力学性质，使试样具有可重复性，因此在本实 验中，拟采用水泥试样代替天然岩石。 本实验要寻找动载荷与试样强度和损伤破碎尺度的定量关系，关键 在予控制试样力学性质均匀，确保试样可重复。为此，选用水泥净浆试 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验准备及实验工作 样，要求试样的抗压强度标准偏差不大于5 。 为确保抗压强度误差达到实验要求，选用同一批号的优质水泥，使 用符合g b l 7 5 1 9 9 94 2 5 r 的硅酸盐水泥( 质量指标：s i 0 2 9 6 ，含泥 量小于o 2 ，烧失量小于0 4 ) 通过控制养护期长短来控制试样强 度大小，并严格限定试验日期。用这种方法制得有三种抗压强度的试样： 早期强度试样是养护期为7 d 的水泥净浆试样，抗压强度为2 2 o 5 m p a ， 相对误差为5 ，到期后l d 内完成试验；中期强度试样是养护期为2 8 d 的水泥净浆试样，抗压强度为3 5 0 - 1 ：1 0 m p a ，相对误差5 ，在到期后 1 d 内完成试验；晚期强度试样是养护期为6 0 d 的水泥净浆试样，抗压 强度为4 2 5 + 1 3 m p a ，相对误差5 ，到期后2 - 3 d 内完成试验。 为了降低实验成本，自制做水泥试样，水泥试样的制各程序如下： ( 1 ) 将实验设备搬到实验场地，检查设备的工况。 ( 2 ) 秤量水泥和水：每块大约要1 0 0 k g 水泥，需要用水5 0 k g ，保证 水灰比为l ，2 。 ( 3 ) 分步向水中加水泥，然后用搅拌机搅拌1 0 m i n 。目的主要是提 高水泥浆均匀度。 ( 4 ) 浇注水泥试样，在浇注之前，要在模具上抹少量的机油。目的 是防止模具生锈并且容易退模，能起到润滑作用。 ( 5 ) 在室外完成初凝后，放入水中。初凝时间控制在2 2 h 。新搅拌 好的水泥试样，由于其内部化学反应，温度上升很快。试样表面水分蒸 发过快，为了避免在试样表面出现裂缝。因此在完成浇注后需要在试样 表面覆盖塑料薄膜保湿。浇注后3 h ，为保持水泥表面湿润，将浸水的 海绵覆盖在水泥试样表面，并3 0 m i n 左右用水管浇湿海绵。浇注后8 h 去掉海绵，l h 浇水一次。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验准备及实验工作 ( 6 ) 将浇注好的试样放入水中养护，常温养护。 ( 7 ) 实验完毕，整理实验设备，打扫卫生。 从第二天起，做实验之前，首先退模具，然后对试样编号。最后再 进行下一组水泥试样的制备，养护水各天换一次。正式实验的试样制备 一共进行了l o d ，制备了3 0 块试样。早，中，晚各为1 0 块。 2 2 4 爆炸水箱 实验所建立的爆炸水箱如图2 3 所示。本实验主要是对爆炸激波对 水泥试样开裂现象进行研究，因此，实验中必须尽量消除爆生气体对试 样的作用，而在足够深的水中可以消弱爆生气体对水泥试样的作用。另 外，在水箱内边缘底部固定一圈有l m m 孔隙的塑料管，用来向水箱内 注入压缩空气，产生气幕来减弱激波对水箱壁的作用；水箱的四个角均 用一根两头密封的钢管进行保护；中间的环形钢丝网用来阻止气幕往水 箱中间发展，使试样周围的水保持静止，也使得爆炸信号不受干扰。 图2 - 3 爆炸水箱照片 2 2 5 传感器的标定 测量爆炸载荷作用下水泥试样内部的激波压力在技术上是比较复 杂的，由于冲击载荷的瞬态特性，它几乎是在瞬时就上升到峰值，然后 又迅速下降，其作用时间一般是用微秒或毫秒单位来表示。这就要求仪 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验准备及实验工作 器的频率响应特性要满足测量要求，测量系统的工作频率至少要大于 5 0 k c 以上才行。 另外，测压系统应该经过标定，才能判断实验所测结果的可靠性， 才能定量地使用测量结果。 传感器标定的内容有以下几个方面： 检查线性，确定量程； 确定动态特性； 确定灵敏度； 检查振动所引起的干扰； 其他方面，如：温度、密封性、年稳定度等。 试验选用型号为h z p 2 型自由压电式传感器，由北京理工大学机电 工程学院爆炸灾害预防、控制国家重点实验室，黄正平教授研制生产， 出厂前经过了严格的静态和准静态标定。 标定的内容有：静态参考电荷灵敏度、线性度、重复性、迟滞、额 定压力值、过载量、绝缘电阻、电容、年稳定度、上升时间、自振频率、 过冲比、密封性、加速度灵敏度、温度系数、安装力矩、极性、质量和 外观。 本实验所使用的传感器标定的结果如下； 量程：0 - 1 2 0 m p a ；过载能力：1 2 0 ：灵敏度：1 0 , - , 3 0 p c 1 0 5 p a ；自 振频率大于7 5 k h _ z ；非线性小于5 ( 动态) ；绝缘电阻大于1 0 ”q ；电 容：5 7 p f ；工作温度：一4 0 一2 3 0 c 。检测环境：温度2 3 ，湿度3 4 。 上升时间2 胪，过冲比1 0 。另外厂家还使用激波管进行了动态标 定，结果如表2 - 1 所示： 1 7 表2 - 1 传感器标定结果表 传感器序号 动态标定灵敏度( p c u i l i t ) g 0 2 1 0 5 4 f 0 4 0 5 21 1 3 g 0 63 2 6 2 3 实验数据采集系统 爆炸实验数据的采集系统是由电荷放大器、同步机、数据采集装置 组成( 如图2 4 所示) 。应用在w i n d o w s 9 8 下运行的a d 采样以及数据 采集软件进行实验数据的采集，数据采集流程如图2 - 5 所示。 ( a ) 同步机、电荷放大器、起爆器照片a d 采样机照片 图2 - 4 数据采集系统照片 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 童实验准各及实验工佳 图2 - 5 实验数据采集流程图 2 4 实验过程 2 4 1 水中激波实验 水中激波实验研究是为了进一步检验压电晶体传感器的性能是否 稳定，为后续饱和水泥试样的激波损伤、破碎实验做基础研究。 综合分析激波传播、反射的特点后，在本实验中设计将三个传感器 沿垂直于激波传播方向放置，传感器距炸药的距离分别为0 1 5 m ， 0 2 5 m ，0 3 5 m 。测试用线采用低频抗噪音专用线，三条测试线从同一个 方向走：将炸药和雷管捻和在一起，水平放置在传感器正上方；实验使 用塑性炸药的药量为o 0 0 4 k g ，与雷管内炸药一共o 0 0 5 k g 重，悬挂在 钢管下。然后，放入爆炸水箱中，选择通道连接测试线，记录雷管号、 药量、距离和通道，同时检查实验各部件；确定无误后，接雷管：关闭 爆炸洞门，鸣铃示意其他实验人员，确保安全；准备起爆。用数据采集 装置进行数据采集，流程见图2 5 。 2 4 2 试样大小摸索实验 为了观察到水泥试样中的损伤破坏裂纹及熟悉试验流程，将直径为 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验准备及实验工作 0 3 m ，高为0 3 m 的由两个半圆柱拼接成的水泥试样放入水池中。如图 2 - 6 所示，水池深约o 5 m ，上口径约为0 9 m ，底径约为0 4 5 m 。炸药为 长条形，平行放置在水泥块顶部接缝处，由于离水面很近，爆生气体的 作用不大，因此可以忽略爆生气体的影响。 图2 - 6 实验场景照片及水泥块试样上表面照片 水中爆炸激波作用后的净浆试样剞面照片见图2 7 。 图2 - 7 爆后的试样剖面照片( 侧面，顶面) 从试样大小摸索实验得出的损伤照片中，容易发现拉伸应力的作用 区域明显受到边界效应的影响。这为我们放大试样尺度提供了实验依 据 2 4 3 实验药量摸索实验 为了探索满足试验条件下的临界炸药量，及熟悉试验步骤和过程。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验准备及实验工作 经过较长时间的、比较充分的准备后进行了实验药量摸索试验。在试验 阶段为了确定合适的炸药量，将药量分为小药量阶段量o 0 0 3 l 【g 、 o 0 0 4 k g 、o 0 0 5 k g 、o 0 0 6 k g ，大药量阶段为0 0 1 k g 、o 0 1 2 k g 、o 0 1 4 k g 。 试验过程如下：把试样放入足够深的水中，记录雷管号、药量；将 捻和在一起的炸药、雷管紧贴在水泥试样上表面，用透明胶带进行两头 固定；雷管线和起爆引线平放在地上，延伸到安全地方；检查接线头是 否无误；准备起爆，起爆使用起爆器，达到起爆的电压，引起爆炸。 试验后发现单层试样会由于结构响应而在试样的中间位置出现贯 穿裂隙，如图2 _ 8 所示。但是，再加厚试样会导致试样太重不便于装卸。 为消除出现的结构响应问题设计将试样调整为放置两层，试验后发现， 可以达到预期目的。 图2 - 8 起爆后的单层试样上表面照片图2 - 9 小药量起爆后的试样上表面照片 在小药量试验阶段发现o 0 0 3 k g 、0 0 0 4 k g 时，由于产生的激波强度 较低，试样上几乎不产生规则裂隙( 如图2 9 所示) 。在o 0 0 5 k g 时裂隙 分布规则、稳定。因此，确定试验的药量下限为0 0 0 5 k g 。 在大药量试验阶段发现，当药量为o 0 1 4 k g 时，起爆后试样会出现 明显的角裂和层裂( 如图2 - l o ，2 1 l 所示) ，而o 0 1 2 k g 时基本不会出 现上述现象。因此，确定水泥试样激波测试试验中药量上限为o 0 1 1 k g 。 2 1 主垦互迪太学( 堡壅! 亟士论文第2 章实验准备及实验工作 图2 - 1 0 大药量起爆后试样预制剖面照片图2 1 1 试样出现角裂照片 2 4 4 正式实验 进行试样形貌观察，并进行记录；将2 个o 6 m o 2 m 半圆饼状试 样拼成一个妒o 6 m o 2 m 的试样，放在预制庐o 6 m o 2 m 的水泥垫上， 试样与水泥垫的接触面涂上黄油以保证耦合；使用预制的铁箍捆紧水泥 试样，这样剖面基本可以反映试样内部破坏情况并且对整体实验效果不 会产生很大的影响。 将试样放在预制的支架上，将商用传感器摸上黄油后放入水泥试样 上预制的传感器孔，测量水泥试样中给定位置处的激波压力( 如图2 1 2 所示) 。在摸索实验阶段发现，距离炸药0 0 4 m 的点由于激波压力超过 传感器的测量范围，无法测量。因此，在正式实验阶段，将o 0 4 m 的点 用水泥重新封堵，不进行测量。 记录雷管号、药量，将捻和在一起的炸药和雷管紧贴在水泥试样上 表面，用透明胶带进行两头固定，然后放入爆炸水箱中；选择对应的通 道连接测试线，确定无误后，盖上防水布，( 这主要是因为爆炸产生的 爆生气体和激起的水四溅，对爆炸洞的环境有影响，妨碍后续实验的进 行。) 雷管线和起爆引线平放在地上，延伸到安全地方，便于操作；检 查接线头是否无误；用雷管