程遠(yuǎn)方，寇永強(qiáng)，徐 鵬，李 蕾，張曉春

（中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東東營 257061）

水泥試樣爆炸壓裂模擬試驗(yàn)

程遠(yuǎn)方，寇永強(qiáng)，徐 鵬，李 蕾，張曉春

（中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東東營 257061）

對常壓及施加圍壓條件下的爆炸壓裂進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并對爆炸壓裂后的試樣取心進(jìn)行滲透率測定，結(jié)合爆破理論對爆炸壓裂效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明:爆炸壓裂后試樣整體滲透率提高明顯，與常壓下形成的裂紋相比，施加圍壓后裂紋多集中在炮眼附近，且生成的裂紋數(shù)量多，但長度較短，并存在不同程度的彎曲，在局部區(qū)域還出現(xiàn)了環(huán)形裂紋;爆炸壓裂后滲透率變化基本符合爆破分區(qū)規(guī)則，在距離中心孔5～7倍炮眼尺寸的區(qū)域內(nèi)，受宏、細(xì)觀裂紋的共同影響滲透率增加明顯，為原始滲透率的幾十倍，中心孔向外，隨傳播距離加大滲透率增幅逐漸降低，在爆破遠(yuǎn)區(qū)試樣受沖擊作用不夠明顯，滲透率變化不大。

低滲透油氣藏;爆炸壓裂;模擬試驗(yàn);圍壓;滲透率

我國低滲透油氣藏資源豐富，低滲透油氣田最基本的特點(diǎn)是地層的滲透能力差，通常需要增產(chǎn)改造才能維持正常生產(chǎn)［1-2］。爆炸壓裂作為一種非常規(guī)壓裂技術(shù)，是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量在井眼周圍地層制造裂縫，從而達(dá)到改善低滲透儲層物性、提高油氣采收率的目的［3-4］。爆炸壓裂作為一種潛在的開發(fā)低滲低豐度油氣田的有效方法，其對井眼周圍地層的作用是一個十分復(fù)雜的過程。截至目前，研究人員主要從理論和試驗(yàn)兩個方面進(jìn)行了相關(guān)研究，但由于試驗(yàn)設(shè)備所限，已開展的試驗(yàn)研究尚不十分完善，如:未考慮井壁圍巖的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)時未向試樣施加圍壓;爆炸載荷加載方式與井眼內(nèi)爆炸壓裂存在差異等［5-8］。針對上述問題，考慮圍壓對爆炸壓裂效果的影響，筆者采用自行研制開發(fā)的爆炸壓裂模擬試驗(yàn)設(shè)備［9］，開展大尺寸（Φ80 cm ×80 cm）水泥試樣在常壓和施加圍壓條件下的爆炸壓裂模擬試驗(yàn)，并對爆炸壓裂作用后的水泥試樣取心進(jìn)行滲透率測定，通過對比、分析測試結(jié)果，研究爆炸壓裂作用后水泥試樣滲透率變化規(guī)律，為充分認(rèn)識、評價爆炸壓裂技術(shù)對低滲透儲層物性的改造效果提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

為使試驗(yàn)條件與現(xiàn)場實(shí)際相吻合，試驗(yàn)時采取了以下相應(yīng)措施:

（1）考慮到巖石類材料本身具有的非均質(zhì)性和各向異性，以及試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)分散、試樣可重復(fù)性差等特點(diǎn)，選用了與巖石性質(zhì)較為接近且可重復(fù)性好的水泥試樣進(jìn)行室內(nèi)爆炸壓裂試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)時對壓力室內(nèi)的試樣施加一定圍壓，以模擬地下井壁圍巖的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。

（3）采用Φ80 cm×80 cm大尺寸水泥試樣模擬低滲透地層，試樣上表面中心處留有炮眼，炮眼尺寸為Φ3 cm×40 cm，用于模擬現(xiàn)場井眼，試驗(yàn)時將炸藥直接埋于炮眼內(nèi)引爆，以充分模擬真實(shí)井眼內(nèi)的爆炸壓裂效果。

1.1 試驗(yàn)材料

為了使試樣具有可重復(fù)性，試樣采用普通硅酸鹽水泥制備。將水泥、細(xì)砂、水按一定比例配成水泥漿，攪拌均勻后注入自制的模具成型，1 d后將模具退去并將其放入水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后即可進(jìn)行爆炸壓裂模擬試驗(yàn)。本試驗(yàn)制備的水泥試樣為圓柱狀結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)選用一定長度的導(dǎo)爆索進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，其藥芯為單質(zhì)錳炸藥黑索金，藥量為12～14 g/m，外徑6 mm，爆速不低于6.5 km/s。為了使模擬試驗(yàn)更加接近于真實(shí)爆炸壓裂過程，試驗(yàn)時將雷管和導(dǎo)爆索綁扎在一起，然后再將炸藥布置于炮眼內(nèi)，最后利用雷管將其引爆。

1.2 試驗(yàn)方案

在保持藥量不變的情況下，考慮圍壓對爆炸壓裂效果的影響，將試驗(yàn)分成兩個批次進(jìn)行，具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下:試驗(yàn)時均選用雙股導(dǎo)爆索，每股40 cm，捆綁后布置于水泥試樣中心孔眼內(nèi);第一批次試驗(yàn)在常壓下展開，試驗(yàn)所用水泥試樣編號分別為M1和M2;第二批次試驗(yàn)在向水泥試樣施加20 MPa圍壓后進(jìn)行，所用水泥試樣編號為M3和M4。試驗(yàn)完成后進(jìn)行取心并測試其滲透率變化。

1.3 取心方法

根據(jù)爆炸壓裂后裂紋分布規(guī)律，對爆炸壓裂后的水泥試樣進(jìn)行取心。取心方法為:以炮眼為中心，以其中一條宏觀裂紋為基準(zhǔn)對水泥試樣建立極坐標(biāo)系，從該宏觀裂紋開始，逆時針方向每隔60°沿徑向取心7塊（如果該徑向方向存在宏觀裂紋，則避開并緊挨該宏觀裂紋進(jìn)行取心），具體的取心位置如圖1所示。取出巖心直徑約25 mm，長度不小于50 mm，并對巖心進(jìn)行處理，保證其兩個端面平整、平行，且垂直于軸。每塊水泥試樣取心42塊，4塊水泥試樣總共取心168塊。取心完畢后對其進(jìn)行滲透率測定。

圖1 水泥試樣取心位置示意圖Fig.1 Sketch map of coring position in cement sample

2 試驗(yàn)結(jié)果描述及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果描述

常壓下對水泥試樣M1，M2分別進(jìn)行爆炸壓裂試驗(yàn)，試驗(yàn)完畢后取出水泥試樣進(jìn)行觀察。觀察發(fā)現(xiàn):水泥試樣M1表面出現(xiàn)4條貫穿試樣表面的宏觀裂紋，且分布較為規(guī)整、對稱，同時，宏觀裂紋之間的區(qū)域還存在數(shù)條較短的裂紋，長短不一（圖2（a））。水泥試樣M2表面出現(xiàn)了3條宏觀裂紋，此3條宏觀裂紋并非對稱分布，也并非沿直線擴(kuò)展，其中一條從炮眼向外擴(kuò)展的過程中出現(xiàn)了明顯的分岔（圖2（b））。

施加20 MPa圍壓的情況下，分別對水泥試樣M3，M4進(jìn)行爆炸壓裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，加壓后，爆炸壓裂形成的宏觀裂縫呈現(xiàn)彎曲、不規(guī)則狀態(tài)，裂紋分布較為集中，長短不一，普遍存在分岔現(xiàn)象。對裂縫集中區(qū)域進(jìn)行拍照，結(jié)果見圖3。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照裂紋擴(kuò)展理論，裂紋擴(kuò)展實(shí)質(zhì)是多裂紋間起裂的競爭問題。在受到?jīng)_擊載荷作用的一瞬間，多個初始裂紋中應(yīng)力強(qiáng)度因子大的微裂紋最先得到擴(kuò)展，隨著裂紋的擴(kuò)展，其應(yīng)力強(qiáng)度因子又逐漸增加，這將導(dǎo)致已擴(kuò)展的裂紋更容易得到擴(kuò)展，同時數(shù)值模擬研究結(jié)果顯示，在與已擴(kuò)展裂紋成180°的位置容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而也會出現(xiàn)裂紋，于是就出現(xiàn)了這種情況:在宏觀裂紋附近很少出現(xiàn)另外一條宏觀裂紋，宏觀裂紋多為對稱出現(xiàn)，例如試樣M1表面形成的裂紋。

同時，由損傷力學(xué)理論可知［10］，像巖石這樣的天然介質(zhì)，其內(nèi)部一般都存在大量的地質(zhì)缺陷，如微裂紋、微孔洞等，在外載荷作用下，這些大量存在的微缺陷將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)劣化，進(jìn)而引起裂紋擴(kuò)展、巖石斷裂。由于水泥試樣在澆注過程中也會形成微缺陷、微損傷，而損傷又影響著介質(zhì)的強(qiáng)度，因此在受到爆炸載荷作用時，損傷嚴(yán)重處將首先受到破壞，引起微裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而形成宏觀裂紋。這也是造成水泥試樣表面裂紋分岔、呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)的原因。

圖2 水泥試樣M1和M2爆炸壓裂效果Fig.2 Explosive fracturing effect of cement samples M1 and M2

圖3 水泥試樣M3和M4爆炸壓裂效果Fig.3 Explosive fracturing effect of cement samples M3 and M4

水泥試樣M3，M4的試驗(yàn)結(jié)果表明圍壓對爆炸壓裂效果有明顯的影響。首先，常壓與施加圍壓兩種條件下所產(chǎn)生的宏觀裂紋數(shù)量、長度均有差別;其次，裂紋分布區(qū)域有所不同，與常壓下形成的裂紋相比，施加圍壓后裂紋多集中在炮眼附近;再次，裂紋形狀也有較大差異，施加圍壓后生成的裂紋有不同程度的彎曲，而且局部區(qū)域還出現(xiàn)了環(huán)形裂紋。總之，爆炸壓裂對井眼周圍地層巖石的作用是一個非常復(fù)雜的過程，其壓裂效果是多種因素共同作用的結(jié)果。

3 滲透率測定及變化規(guī)律

對爆炸壓裂后的試樣進(jìn)行取心，并對巖心進(jìn)行滲透率測定，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見:爆炸壓裂后水泥試樣整體滲透率提高明顯，改造壓裂效果顯著;施加圍壓后，滲透率增幅略有減小;隨距中心孔眼距離的增加，滲透率逐漸減小，在5～7倍炮眼尺寸以外，滲透率變化微弱，并最終趨于其原始測量值。

根據(jù)爆破理論［11］，炸藥爆炸后對水泥試樣的破壞包括爆炸沖擊波與爆生氣體兩方面的作用。在炮眼附近區(qū)域，即爆破近區(qū)，水泥試樣受到的沖擊破壞能量最大，強(qiáng)大的爆炸沖擊波在炮眼周圍造成粉碎性破壞并制造大量初始裂紋。隨著爆炸沖擊能量的傳播，初始裂紋得到擴(kuò)展，故炮眼附近裂紋分布較為密集。同時，被壓縮的水泥介質(zhì)（質(zhì)點(diǎn)）還獲得一初始速度并沿徑向移動，從而形成一個爆破空腔，爆破空腔受壓實(shí)作用影響使該區(qū)域質(zhì)點(diǎn)分布更為密集。壓實(shí)作用對滲透率變化有一定影響，但由于本次試驗(yàn)藥量較小，取心位置距中心孔壁有一定距離，故測試結(jié)果并未顯示出壓實(shí)作用對滲透率變化的影響。隨著爆破能量的衰減，進(jìn)入爆破中區(qū)后沖擊波衰減成應(yīng)力波，其破壞效果明顯降低，水泥試樣將不會產(chǎn)生壓縮破壞，但仍可產(chǎn)生拉伸破壞形成徑向裂紋。另外，由于爆生氣體膨脹，水泥試樣內(nèi)部形成的初始裂紋得到擴(kuò)展并逐漸形成宏觀裂紋，在宏觀、細(xì)觀裂紋的共同影響下，該區(qū)域滲透率增幅明顯。此后，隨著傳播距離的繼續(xù)增加，爆炸能量繼續(xù)衰減，裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展的幾率也越來越小，故水泥滲透率逐漸減小。在遠(yuǎn)離炮孔的位置，即爆破遠(yuǎn)區(qū)，應(yīng)力波與爆生氣體的能量已經(jīng)衰減到很小，不足以再形成、擴(kuò)展裂紋，故其對爆破遠(yuǎn)區(qū)滲透率影響不大。綜上分析可知，試驗(yàn)所得滲透率變化規(guī)律基本符合爆破理論。

圖4 水泥試樣滲透率變化曲線Fig.4 Permeability variation curve of cement samples

4 結(jié)論

（1）圍壓對爆炸壓裂后裂紋的形成、分布具有明顯影響。與常壓下形成的裂紋相比，施加圍壓后裂紋多集中在炮眼附近，數(shù)量多，但長度較短，存在不同程度的彎曲，而且局部區(qū)域還出現(xiàn)了環(huán)形裂紋。

（2）圍壓對試樣滲透率變化規(guī)律也有影響。與常壓下爆炸壓裂后的巖心滲透率測量結(jié)果相比，施加圍壓后滲透率增幅略有減小。

（3）爆炸壓裂后試樣整體滲透率提高明顯，改造效果顯著，距離中心孔5～7倍炮眼尺寸的區(qū)域內(nèi)滲透率增加明顯，平均為原始滲透率的幾十倍;由中心孔向外，滲透率增幅逐漸降低;在距離中心孔8～10倍炮眼尺寸的區(qū)域外，巖心滲透率變化不大。

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Explosive fracturing simulation test of cement samples

CHENG Yuan-fang，KOU Yong-qiang，XU Peng，LI Lei，ZHANG Xiao-chun

（College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Dongying257061，China）

The simulation tests of explosive fracturing were carried out under different confining pressure.The permeability of cores obtained from the testing samples was measured.And the explosive fracturing effect was analyzed combined with explosive theory.The results show that the sample permeability increases significantly.Compared with the results under atmospheric pressure，the cracks fractured under confining pressure are grouped at the area that close to the blast hole and the number of cracks was much more but the length of those cracks was shorter than those under atmospheric pressure，and there also appeared circular cracks.After the explosive fracturing，the permeability change generally consists with the blasting division rule，

because of the combining effects of macro cracks and micro cracks.The permeability of the area that is away from the blast hole 5-7 times of the size of the blast hole increases significantly and is several dozen times of the original permeability.Outward from blast hole to border of samples，increasing rates of permeability decreases gradually，and the area that is far away from blast hole named blasting far-zone is not affected significantly by explosive energy and the permeability changes little.

low permeability reservoir;explosive fracturing;simulation test;confining pressure;permeability

TE 357.3

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.05.012

1673-5005（2010）05-0069-04

2010－01－08

國家“863”計(jì)劃課題（2007AA06Z208）

程遠(yuǎn)方（1964－），男（漢族），黑龍江集賢人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事鉆井工程、巖石力學(xué)和天然氣水合物開采模擬研究。

（編輯 李志芬）