爆炸压裂试验系统研制及应用.pdf

爆炸压裂试验g 统研制 应月 m 等 爆炸压裂试验系统研制及应用 徐鸡。程远方。温盛魁。张晓春。车皮华。张宝康o ①中国石油太学 华东 石油工程学院 m 东东营．2 5 7 0 6 1 ②中国5 化股份胜利油日分舟司采油工艺研究院 东东蓄．2 5 7 0 6 1 ③中目石化股份胜利油日分公司滨南采油厂工艺所 东痪州，2 5 6 6 0 9 ④中海油日服务股份有限公目 天津．3 C 0 4 5 0 [ 摘要] 爆炸Ⅱ裂试验系统，主i 由高Ⅱ体、液Ⅱ控制系统、点火控制乐玩“＆数据采集统4 部分m 成，主 要具备m T i 著特点 I 试样大．其所能容* 白勺试洋R 寸日t 0 8 0 0 m mx 8 0 0 r 姗．有利f 观察、研究爆炸Ⅱ裂目裂 纹的分布＆扩展情况； 2 轴压和围Ⅱ施∞是％．B 大轴压、目Ⅱ均W 选到5 0 M P a ．可充分模拟地下岩石的应力状 态； 3 抗高Ⅱ，体内安E 试样后，日将炸药直接埋敢f 试样内⋯爆，完全符合爆炸载荷的真实加载过程。借助该 试验系统* 展了T 同围Ⅱ条件下的爆炸＆裂试验，结m 表％爆 压裂遗缝效果受国压影响较太，围Ⅱ增大．裂缝长 度、宽度缩小．裂缝弯曲应加大。 【关键词】低誊储层爆炸压裂试系统目压 [ 分类号】T U 4 5 T E 9 6 9 引言 我国低渗储层分布广泛，低渗透汕气资源储量 亦相当可观，在当今石油资源日益紧张的形势f ，如 何动用好、开发好低渗透油气田．成为亟待解决的问 题。罐炸压裂技术作为一种潜在的开发低渗低丰度 油气田的新方法，是借助炸药爆炸产生的能量对低 渗储层进行改造，进而达到改善低渗储层物性、提高 油气采收率目的．- ⋯。爆炸压裂技术对井眼周围地 层的作用是一十十分复杂的过程，单纯依赖理论分 析及数值模拟手段，很难取得突破性研究成果，有必 要借助试验手段对其进行研究。然而，现有试验设 备十分简陋，一方面不具备模拟地下几千米深处井 壁围岩应力状态的能力．另一方面所能容纳的岩样 尺寸也非常有限，不利于观察裂缝分布丑扩展情 况””1 。中国石油大学 华东 岩石力学实验室在考 察现有实验设备的基础上．研制开发了一套爆炸压 裂试验系统，以供椿人研究爆炸压裂技术所用。 1 爆炸压裂试验系统研制 本套爆炸压裂试验系统的研制，主要是为了提 供一种能够准确模拟爆炸压裂条件下、地下几千米 深处井壁围岩受力状况．能够真实、清晰地反映爆炸 压裂造缝效果的试验设备。 1 1 试验系统组成 研制的爆炸压裂试验系统主要由高压釜体、液 压控制系统、点火控制系统以及数据采集系统4 部 分组成。高压釜体作为爆炸压裂试验系统的主体部 分．主要由底座、压力室简体、压垫、压板、压力室上 盖、固定卡瓦、固定套、活塞等部件组成，其整体结构 设计如图I 所示。 遂邀回 目l高Ⅱ整体结构示意围 l B ＆2 一T 卡套；3 一卡环；4 一下压垫J 一定位 锖．6 一压力室简体；7 一上压垫；8 一压板，9 一定 ＆W 1 0 一≈位．1 1 一卡套．1 2 压力室上m ；1 3 一亍由Ⅱ．1 4 一m 向活塞；1 5 一炸药引线孔i 1 6 一数据 线孔1 7 一进油孔； 一点火控制系统；B 一数据采集 系统，C 一液Ⅱ控制系统 * 日Ⅻ2 0 l OI o1 8 Ⅲ目目女自 ⅢR ＆* ”Ⅻ日 9 6 3 * Ⅸ2 0 0 7 , A 0 6 2 2 0 8 镕} * n 镕日f 1 9 8 2 一 ，* ． * M ．* M * q * i { 自Ⅲ女。E I x u p 9 1 9 8 2 1 6 3 。m 万方数据 爆破* 材E ．w l ∞i v eM a t e r i o ] s 第4 0 卷第2 期 为了提高釜体的抗高压特性．各组成部件均由 优质台金钢锻压成型后再经加工制成，并且进行了 镀硬铬处理．且底座和简体、简体和上盖等关键部件 之间均采用了卡套、卡环结构进行连接固定，为人员 安全烈及试验的顺利开展提供了有力保证。此外． 作为本套爆炸压裂试验系统设计过程中的关键技 术，高压釜体彻底摒弃了常规的框架式轴向加载结 构，而采用了双向活塞自平衡结构，这一结构上的改 进，使得压力室空间大大增加 图2 ．可容纳的试样 尺寸选到0 8 0 0 n 蚰x8 0 0 n 吼，为常规岩石三轴实验 机试样体积的上百倍。 目2 大Ⅲ压力室 液压控制系统包括轴压加载控树系统和围压加 载控制系统，作为整套爆炸压裂设备的另一重要组 成部分，液压控制系统采用了E D C 全数字伺服测控 器，具有多个测量控制通道，不但可以对其中任意一 通道进行闭环控制，而且可以在试验过程中对控制 通道进行无冲击转换，具备丁操作方便、容错性强、 测量准确、保护功能全、控制精度高等特点。液压控 制系统的辅助设备则主要包括电动油泵、增压器、阀 件、压力表等，所用传压介质为低粘润滑油。炸药引 爆前，通过该液压控制系统即可借助屯动油泵将低 粘润滑油洼 高压釜体内，从而完成轴压和围压的 施加工作。 点火控制系统主要用于控制埋放于试样内的炸 药的引爆．所使用的起爆器为电容式起爆器，工作原 理是先用电池对电容充电．起爆时靠电容放电起爆 雷管。由于电容式起爆器质量轻、使用方便且能满 足小型爆破的起爆要求，因此被广泛采用。 散据呆集系统主要用于完成爆炸冲击压力信号 的采集工作，并将采集到的信号输人集成化的日“ 处 理仪中进行预处理，顶处理包括滤波和信号放大．放 大倍数为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、5 0 0 、I X 2 0 可调。预处理后 的信号用A ／D 转换将模拟信号转换为数字信号写 计算机内存．内存中的数据文件经相配奁的采集 _ 乏绘图软件在计算机屏幕上显示或打印机输出。 12 主要功能 该爆炸压裂试验系统适用于爆破相关领域．可 用于地下矿物开采、矿I “安全、建筑物爆破等工程领 域的科学规律探索及研究，特别适台于诸如爆炸压 裂、高能气体压裂、爆炸松动等低渗透油气田开发技 术的试验研究。主要研究功能可概括如下 1 可用于模拟炸药爆炸条件下井壁围岩的动 态开裂及裂纹扩展现象，为深 研究爆炸动载条件 下裂缝扩展规律提供试验依据； 2 可用于动、静态 载荷单独或联合作用下岩石变形及强度特性研究； 3 可用于岩石爆破技术影响因素分析及其影口自规 律研究； 4 可用于爆炸后压力数据测量，并通过压 力数据分析爆炸波传播及衰减规律。 13 主要技术指标 1 最大轴压5 0 M P a ，轴压精度【％ 2 母 J 围压5 0 M P a ．围压精度2 ％； 3 轴向变形测量 范围0 ～4 0 m m ，测量精度05 ％； 4 径向变形 m 4 量范围O 一1 5 r a m ，测量精度05 ％ 5 压力 室尺寸0 1 0 8 0 m mx 1 7 9 5 m m 外部 ．0 9 。0 1 1 1 mx 8 5 0 r a m 内部 ； 6 可容纳最大试样尺寸a 8 0 0 m m 8 0 0 r a m ； 7 双向恬塞行程l O O m m ； 8 高压釜总 体刚度不小于1 0 0 0 0 k N ／m m 。 l - 4 关键技术 1 双向活塞加载结构设讣，有般解决了压力 室体积小、所能容纳岩样尺寸小的问题； 2 紧固装 置改用卡套 环 结构而非螺钉，有效增强了主体装 置的抗高压特性． 3 采用特殊密封结构，对炸药引 线出1 7 1 处进行了密封趾理，试验过程不会出现泻压 现象。 15 组装及使用流程 设备运抵实验室前，首先需要搭建实验平台．设 备运抵后再进行设备组装。首先，将高压釜体底座 坐落于实验平台上．再将下压垫安置于底座上，随后 将试样置于下压垫上，并通过下压垫上的定位器对 试样进行定位，定位完毕后将炸药直接埋放于试样 中心孔内。随后，将压力室简体坐落于底座上，井通 过卡环和卡套进行固定。然后．将引爆线通过筒体 上的引线孔引出，并对该孔道进行密封处理，以防止 泻压。此后，在试样上面依次放置压垫、压板。最 后，安装压力室上盖．压力室上盖与压力室简体之问 亦需通过卡环、卡套连接、固定。至此．试验设备组 装完毕。 万方数据 2 0 1 1 年4 月爆炸Ⅲ* 系统研制及应月拧鹏等 蹬蔷组装完毕后．即可对试样施加围压。施加 蹦压时，利片l 齿轮油泵向筒体内注八液压油，直至液 面到达高压釜简体出气口位置，以排空简体内的气 体。继续注人液压油．直至m 气口处有油溢出．停 泵，并关闭出气口阀门。随后，再用加压泵进行加 压．直至达到试验预定的固压。围压施加完毕后，郭 町进行轴向脏力的施加。利用齿轮油泵向内置于压 力室上盖的油缸注入液压油，随着油缸内压力的升 高，活塞将缓慢下移并将轴向应力施加于试样。观 察压力表读数，当达到预定轴压时．停泵。如施加压 力不够精确．可再通过手压泵进行适当调节。压力 施加完毕后．试验人员撤离，随后即可通过电点火方 式引爆水泥试样圆孔中的炸药。 试验完毕后，首先需要进行卸压操作．将压力室 内的液压油放出．直到同油管没有油为止。然后，利 用起吊设备从压力室上盖开始，依次对试验机各部 件进行拆解、运移。拆解完毕后即可取出试样，并观 察水泥武样开裂情况。随后，可进行下次试验的准 备工作。 2 爆炸压裂试验系统应用 与常见的地面爆破工程相比，爆炸压裂技术的 实施一般是在地下几千米深处进行的，此时，田压对 爆炸压裂效果的影响是不能被忽略的。因此．特借 助研制墟功的爆炸压裂试验系统．开展了不同围压 条件下的爆炸压裂试验，以期通过得到不同国压条 件下的试验结果 埘围压的影响规律进行初步探讨， 并为后期理论分析及数值模拟提供依据。 21 试验材料 为保证试样可重复性．特采用c 级高抗固井水 泥对实验所需试样进行浇注。浇洼而成的试样为唧 柱状结构，尺寸为0 8 0 【 m mx8 0 0 m m ，巾问留有 0 3 0 咖x 4 0 0 r a m 的炮孔．以备埋放炸药所用，如图 3 所示。选用的炸药为已经在石油民用领域得到广 泛应用的黑索_ 争．黑索今为圆柱状结构，截面直径为 65r a i n ．线密度1 2 一1 4 9 ／m ．作为一种性能优越的 单质炸药，黑索今具备了良好的耐高温以及安全性 能，且不具吸湿性，裉难济于油、水等，能够很好地满 足试验要求。压力传感器则采用丁爆破领域常用的 螺钼帽式传感器，直流稳压供电，工作电压为2 4 V ， 量程0 3 0 0 M P a ．埋放于试样内部贴近炮孔内壁处， 以获取该处爆炸压力数据。 22 试验结果 出于研究固压对爆炸压裂效果影响规律的目 的．开展了常压及2 0M P a 尉压条件下的得炸压裂试 罔3 浇＆成女目∞水％试 验．每次试验所甩药量均为1 0g 。同时．为区分方 便，常压下试验所用试样编号为c l ，2 0M P a1 3 1 压条 件下试验所用试样编号为G 2 。两组试验过程中，测 得的爆炸压力数据见图4 、图5 。 日4G I 内部E m m “ 目变化 目5G 2 内部Ⅱ力随时问变{ 七 由图4 、图5 可知，药量相同情况下．炸药爆炸 后透射至炮眼内壁的爆炸任力峰值基本相同，且爆 炸压力作用时问扳短、衰减迅速。此外，爆炸压裂后 试样表面裂缝分布情况如图6 、圈7 所示。 通过观察试验结果发现．常压条件下试样表面 产生了近似呈V } 称分布的多条宏观裂缝．且裂缝扩 展到了试样边缘，试样侧面亦出现了明显的裂缝；2 0 b l P a 国压条件下产生的裂缝集中于距离炮g 日3 0 c ．, ￡bl，Rg“女 ￡R目d 万方数据 4 8 E x p l ∞i v cM a t e r i a l s 笫∞卷∞2 焖 巴霸k ．一| 溘霜 田压条件下的试验结果袅明围压时爆炸压裂效果 影响明显．围压增大．裂缝K 度变短、宽度喊小，弯曲 度加大。此外，炸药量、岩石自身特性、炸药埋放方 式等因禁均会对爆炸压裂效_ 耳} 造成一定程度的影 响．有必要借助该试验系统开展进一步研究工作。 参考文献 图7c 2 表Ⅲ裂纹分布情况r 。1 范围以内区域．未扩展至试样边缘，裂缝弯曲程度明 显增加．出现丁少量环行裂缝。对裂缝参数 长度、 宽度 进行铡量后可知常压条件下形诚的裂缝K 【6J 度达到了4 0c m ．明显长于2 0M P a 固压条件下得到 的裂缝；常压下得到的裂缝宽度约在05 唧左右， 。。 明显宽下施加围压后产生的裂缝；就弯曲程度而言， 2 0M P a 围压条件下得到的裂缝．其弯曲度更太。 ⋯ 3 结论及建议 本文详细介绍了白行研制的爆炸压裂试验系f9 1 统，井对其主要技术指标、功能以及采用的关键技术 进行r 介绍。该试验系统克服了以往试验i 殳缶能容 纳岩样尺寸小的问题．且备了模拟地下复杂应力环 【1 0 境的能力．且抗高压特性良好．保证了爆炸动态载荷 的安全加拽。借助该爆炸压裂试验系统开展的不『≈ 扬俊杰低溶透油气藏助铩* 发技沭【M ] 北京石油 1 ‘n m m 社，1 9 9 32 3 4 5 葵橙．辫i 搏丰成等爆炸＆ 目m * 遗∞气 藏增产[ J ] 钻采I 艺．2 0 0 7 ．3 0 5 4 8 - 5 2 丁Ⅲ．臃m ．埘燮，等低溶透油气口。层由爆蚱“增 P 拄术W 究【J 】* ∞目W 与“ 发．2 0 0 l 。2 8 2 9 0 - 9 6 林英梧．蒋金宝，朱 i 等爆炸载荷对水％试样损 { b 坏＆ ⅢR 【JJ 中目5 油大学学报2 0 0 6 ．3 0 3 5 5 - 5 5 橱小林，员小有，是忠．婶爆破损伤岩6 力学特性的 * 验W 究[ J ] 岩i 力学与I { m ，2 0 0 1 ，如 4 4 3 6 - 4 3 9 宗琦爆炸冲击渡的动态破岩特性ⅢE [ J 】爆竹与冲 击．1 9 9 7 ．1 7 4 3 6 9 - 3 7 4 郭学柞，自Ⅲ学．史瑾瑾，等i 捱岩冲击损伤实验与 破碎特性Ⅲ究[ J ] 爆炸与冲击，2 0 0 7 ．2 7 5 4 3 8 t 4 4 3 张宽虎，张治安，丞晨爆蚌对井下岩石的成撞作川 [ J 】火炸药学报1 9 9 9 2 6 7 - 6 8 林英* ．} 莉，T 雁，等把Ⅻ水混试样被爆炸澈渡 扭伤破碎的R 匿研究【J 爆炸与冲击．2 0 0 8 ．2 8 2 1 8 6 1 9 2 崩蚌，姜福“爆炸冲击载荷作用下岩石的损伤实验 [ J 】爆炸与冲击，2 ∞0 9 ．2 9 3 2 7 5 2 8 0 D e v e l o p m e n ta n dA p p U 训o no ft h eE x p l O S i v eF r a c t m I n gT e s tS y 1 e m X U ”n 产，C H E X GY u a M ∞亭} ．W E Ns k 噼Ⅲ。，Z H A N Gx 呻h 。，h lQ i a s h u a 。．Z I I A N GB a o , k “g o 0 硒u ％。o f 阳一c 啪E “肿““E ．C h i n au ⋯m vo fP c l m l e u m tS h M d ．n g m “目1 ％．2 5 7 0 6 1 O i lP T “c n ∞R 蛳舭1 1 l m f i t u t eo fS h e n I iO nF i e l d S h ”d a n gD c n g y i n 8 ．2 5 7 0 6 1 B mN 伽E x t r u s i o nF a c t o r ／“S h e n gL iO i lF i e l d S h a n d o l l gB i d ，．2 5 6 6 0 0 ㈨n 8O i [ f i c l d ％⋯U m i l e d T i j 1 ．s ．3 0 0 4 5 0 【A B S T R A C T l * ce x p l o s i v e f m c m f i n g l ∞I5 y s t c mw ∞n A d eu p “n u l o c 】n e ，h y d r a u l i cc ∞I du m I ．i g n i l i a g ∞a t m l u t d tm dd n ma c q u i s i t i o nu n i l h m 6 一m r k c dc h a 雠t e r l s d c s ∞f o L L o I ⋯c 啪m 。 I c l B 『8 * r6 I ∞d5 螂p k o 0 0 m mx O O m m ．w h i c h i sg o o d f o ro f f e r i n g t h ed i s t r l b u d m d l h ec m k sc o m e n i e a t l y ‘2 m ⋯b eu s e da p p l y 口dp Ⅻ∞“c o n f i n i n gp ∞ m f a c i l i t yw i t h t h e l a r g e s tv a l u e d5 0 M P a ； 3 t h ee x p l ∞i v e f m c t u d n 9 1 ⋯s y g t e m b ∞rh i 曲P 啪呲a n d I h ee x p l o s i v eF 自c k a g e ∞n k ∞t i n t h eb l o t I 山d t h es 哪p l en h l c h I ∽a l e d i n t h e ⋯l “ e - 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