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埋砂气体压裂探讨

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气体 探讨
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作 者简 介 : 刘 向京 , 男 , 1970年 生 , 硕 士 , 主 要从 事爆 炸力 学井 下应 用方 面研 究 。 电 话 : 13946979507。埋砂高能气体压裂模式探讨刘向京1摘要在 以液 柱作 为阻 隔媒 介的 高能 气体 压裂 过程 在, 能量 大多 损失 在套 内空 间, 且受 制于 工艺 的限 制难以 将气 体能 量的 大部 分利 用起 来 ,为 提高 高能 气体 压裂 的能 量利 用效 率 , 本 文从 堵塞 下孔 洞爆 破的 研究 分析入 手, 推断 出埋 砂状 态下 的高 能气 体更 为有 利于 提高 压裂 效果 ,并 给出 埋砂 高能 气体 压裂 的工 程模 型。关 键词 : 关 键词 : 关 键词 : 关 键词 : 高 能气 体压 裂、 埋砂 、堵 塞、 能量 分布 、爆 生气 体O O O O O G H G G G G G G G m m 言 引言 引言高能气 体压裂是 利用含能 药剂制造 的高能气 体瞬间高 压做功 , 在目的 层制造裂 缝的作业措施 。 如何在 施工中将 气体能量 限制在目 的层区域 , 是高能 气体压裂 作业成败 的关键因 素之一 。 现在施 工中常在 药剂上方 设置一定 密度和高 度的液柱 , 利用液 柱的阻隔 作用 , 使其影 响目的层 药剂燃爆 的升压速 率和峰值 压力 , 即便如 此 ,以液体 进行阻隔 还是具有 很大的局 限性 ,难以将 更多的能 量限制在 目的层 , 为此需 要用更加 有效的方 法和手段 提升气体 能量在压 裂中的作用 。由于高 能气体压 裂在力学 应用上的 基础研究 欠缺 , 这里借 用了岩土 爆破中与 高能气体 压裂相似 的力学模 型进行研 究 。 在一定 意义上 , 孔洞爆 破在除去 爆炸波作 用效果后 仅就气体 的作用而 言可以视 为高能气 体压裂 , 当中的 一些理论 模型和经 验可以为 高能气体 压裂的研 究提供借鉴 作用 。 下面本 文从孔洞 爆破的堵 塞分析入 手来研究 在压裂中 提升气体 能量效率 的方法和手段 。 2 能量分布 能量分布 能量分布 能量分布压裂时 , 要更好 的运用高 能气体的 能量 , 就要对 高能药剂 的能量属 性进行划 分 。 在岩土爆破中 , 孔洞的 爆破是爆 炸力学研 究较多的 方向 , 当中能 量分布运 用方面有 许多文献 可供高能气体 压裂的能 量运用时 使用。 由于 炸药在炮 孔中的反 应遵循能 量守恒定 律,为划 分炸药在 孔洞爆破 中能量的 作用属性,根 据赖应得 [1]的分析 有如下表 达式 :W =WG+W u (2- 1)(2- 1)式中W 是药剂反 应产生的 总能量 ; W体作功 所需能量 ; W 程损耗2的能量 。根据岩 石爆破机 理的分析 进一步划 分为如下 形式: WG=W h+W b+W L+W P (2- 2)Wu=W j+W k+W z+W s (2- 3)( 2- 2)、 (2- 3)式中参 数的意义 分别为: W;W ; W ;W 掷能 ; W胀所消 耗能量 ; W 形阻抗 增大所消 耗能量 ; W 能量 ; W击波携 带能量及 其他无效 能量 。 文献 [2]更加具 体地描述 了能量划分的 各个细节 ,如图 1所示。图 1爆 破能 量模 型由于测试的条件不同、计算理论不同,对炸药在岩土介质中爆炸时的能量分布 的研究国内外迄今为止还没有能在理论上研究清楚 ,从现有的文献 [1— 4]能量分布为应力 波能占炸 药总比能 的 5- 30%, 气体 能 占 28- 60%, 冲 入大 气 时 爆炸 气 体中的剩 余能量占 20- 58%。 如图 2, 应力波能 (: 1区为冲 击动能, 2区 图 2 能 量分 配示 意图3为岩石变形能;气体能 (: 3区为致裂、扩裂, 4区为积蓄于炮孔到自由区域的应变能; 冲入大气 的能量: 5区为气 体冲入大 气时的剩 余能量。在高能 气体压裂 能量构成 中,不存 在爆炸的 冲击波能 ,图 1中去除 冲击波能 ,剩余部分可视 为高能气 体压裂能 量构成图 ,图中剩 余能量又 不可改变 ,因此, 在工程中 要做的就是抑制 冲入环空 和大气中 的能量。 3抑制冲入大气的能量的方法 抑制冲入大气的能量的方法 抑制冲入大气的能量的方法 抑制冲入大气的能量的方法 —— —— —— —— 堵塞 堵塞 堵塞 堵塞用堵塞 炮孔的方 法可以抑 制冲入大 气的能量 。在岩土 爆破中, 炮孔的堵 塞具有重 要的意义 。 与不堵 塞相比 [5 、 6 ],堵塞能 提高爆破 效果 10%— 50%, 降低炸 药消耗量 10%以上 , 减小形成空 气冲击波 所消耗能 量的 20%— 50%, 延长爆 生气体对 岩石的作 用时间达 3 可显著提高 爆破能量 利用系数 。工程上 孔洞爆破 常用的堵 塞材料为 粘土、砂 和水的混 合物,近 乎完全非 弹性体, 爆生图 3 充 填炮 孔模 拟试 验气 体 作 用 其 上 形 成 的 冲 击 压 应 力 波 因 堵 塞 材 料 的 大 幅 变形而迅 速衰减 , 而堵塞 材料与孔 壁的摩擦 阻力却将 随之增大 。 该摩擦 阻力的大 小尚无合 适的计算 或估计办 法 。 文献[7],采用不同条件下水与黄土充填炮孔进行模拟试验,见图3 ,从试验 P— 波形趋 向中证实 水土混合 堵塞冲量值 及能量值 远大于单 纯用水充 填 , 用水土 混合要比 单纯用水 充填效果 好得多。 图 4岩 体爆 破数 值计 算模 型压 力 — — 时 间 波 形 测 试 件 横 断 面 4文献 [8]中应用 计算机技术使 我们可以形象的看到堵塞在 炮孔爆破时 的效果。 采用有限元分析 软件 有限元 单自由面 爆破模型 图 4, 在装药 量 、 炮孔深 度 、孔径及 堵塞材料 不变的情 况下,分 析不同堵 塞长度对 爆源附近 应力场的 影响规律 。 由图 6可知 , 堵塞物 上部半径 随堵塞长 度的降低 不断减小 , 当堵塞 长度为 30 堵塞物 的上部半径 基本未发 生变化。 所以,当 炮孔堵塞 长度较大 时,可有 效的阻止 爆轰气体 过早地从 炮孔冲 出,增加 爆破能量 利用率。图 5堵 塞长 度为 50同 时刻 的堵 塞物 变形 图 6不 同堵 塞长 度的 堵塞 物在 50μ 变 形4埋砂高能气体压裂模型 埋砂高能气体压裂模型 埋砂高能气体压裂模型 埋砂高能气体压裂模型传统的井下爆破作业 (射孔、高能气体压裂 )过程中为保护井身和套管必须是在液体中进行, 且很多情 况由于井 下条件的 限制井中 必然存在 井液 。吴飞鹏 [9]曾谈到 了 液柱对 高能气 体 的 阻挡 作用 , 研究了 液体压缩性 和应力波 传播规律 以及液柱 整体运动 规律 , 表明了 液柱 在 高能气 体压裂设 计 中 具有 的极其 重要的 意义 。 从爆生 气体在孔 洞中被不 同性质的 堵塞物阻 隔的研究 表明 , 用大质 量的 堵 塞 物 替 代 纯 液 柱 的 压 挡 会 显 著 提 高 高 能 气 体 的 利 用 效率 , 因此 , 在考虑 到油井工 程的实际 情况 , 建立如 下工程模型参见 图 7, 模型中 以一定厚 度的埋砂 层替代单 纯过的液 柱 ,能更好 的起到阻 隔高能气 体上冲, 提高高能 气体利用 效率 ,增强压 裂效果的 作用 。 从上述 研究中推 断压裂效 果的提升 应该在 20%以上, 具体数值 还需要工 图 7埋 砂高 能气 体压 裂模 型程实践 中总结。 上述砂层 的建立, 可以通过 填砂作业 ,或是从 井口投放 易融砂球 的形式堆 积形成 。准备工 作在正常 作业的基 础上,必 须具有冲 砂作业的 条件。其 中,当压 裂装置在井下被 引爆,高 能气体会 驱动砂层 上升一定 空间,留 出的空间 并不是马 上被填塞 压实,这 是一个 过程,在 此时段填 塞层的阻 力最小, 操作员有 足够的时 间将整套 工具起出 ,或等待冲砂作 业后提出 。当然, 上述模型 仅是在理 论上能大 大增加高 能气体利 用效率, 提高压裂井 液 填 塞 层 目 的 层 压 裂 装 置 底 部 砂 层 0μ s 60μ s 120μ s 180μ s 50μ s 50m m 10m m 150m m 20m m 30m m 5效果, 具体情况 还需工程 实践来检 验。 5结论和建议 结论和建议 结论和建议 结论和建议1、 堵塞有 利于提高 爆生气体 ( 高能气 体 ) 的能量 利用率 , 使更多 的能量作 用于目标 物 ( 层 ) 。2、 固液混 合堵塞相 比单纯的 液体堵塞 更为有效 , 建议在 适时的情 况下 , 高能气 体压裂能 够采用埋 砂的方式 进行。参考文献:[1]赖 应得 .论 炸药 与岩 石的 能量 匹配 [J]. 工程 爆破 , 195, 1(2): 2- 26.[2]杨 军, 熊代 余. 岩石 爆破 机理 [M]. 北京 :冶 金工 业出 版社 , 204.[3]中 国岩 石力 学与 工程 学会 ,等 .第 三届 全国 岩石 动力 学学 术会 议论 文选 集 [A]. 郭子 庭, 等. 岩石 爆破 破碎 的能 量分 析 [C]. 武汉 :武 汉测 绘技 术大 学出 版社 , 192. 1854]张 志毅 , 王 中黔 . 工 程爆 破研 究与 实践 [A]. 颜 事龙 , 陈 叶青 . 岩 石中 集中 药包 爆炸 能量 分布 的计 算 [C].北 京: 中国 铁道 出版 社, 204.[5]C. K. 萨文 科, A. A. 古林 . C. 马雷 .井 下空 气冲 击波 [M]. 龙维 祺, 于亚 伦译 : 冶金 工业 出版 社, 1979.[6]龙 维祺 .谈 爆破 中的 堵塞 作用 [J]. 有色 金属 (矿 山部 分 )1979, 6: 26- 28.[7]韩 治龙 .水 堵塞 钻孔 爆破 爆压 测试 技术 [J]. 爆破 , 199, 12( 4) : 109- 12.[8]郝 亚飞 ,李 海波 ,等 .单 自由 面爆 破振 动特 征的 炮孔 堵塞 长度 效应 [J]. 岩土 力学 , 201年 10( 10)31059]吴 飞鹏 . 高 能气 体压 裂过 程动 力学 模型 与工 艺技 术优 化决 策研 究 [D]. 中国 石油 大学 (华 东 ) , 209.
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