層內(nèi)爆炸壓裂巖石破碎顆粒尺寸預(yù)測與影響因素分析

趙志紅 郭建春 王辰龍

（“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

層內(nèi)爆炸壓裂巖石破碎顆粒尺寸預(yù)測與影響因素分析

趙志紅 郭建春 王辰龍

（“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

層內(nèi)爆炸壓裂是一種增產(chǎn)潛力巨大的油氣藏改造技術(shù)，研究層內(nèi)爆炸后破碎巖石粒徑的大小對評價(jià)支撐主裂縫的導(dǎo)流能力具有重大意義。目前，在爆破工程中還沒有可以直接應(yīng)用的顆粒預(yù)測模型。借鑒爆破工程經(jīng)驗(yàn)，利用能量守恒原理及巖石斷裂理論建立了巖石破碎粒徑的預(yù)測模型。實(shí)例計(jì)算層內(nèi)爆炸壓裂形成的巖石顆粒邊長為1.23 mm，與工程爆破現(xiàn)場實(shí)踐一致，表明本模型具有一定的參考性。通過對關(guān)鍵影響參數(shù)的分析，對層內(nèi)爆炸壓裂提出了一些建議。

顆粒尺寸；層內(nèi)爆炸壓裂；爆破；模型

層內(nèi)爆炸壓裂是通過水力壓裂在油氣層中形成一定長度的人工裂縫后，通過壓裂車把液體炸藥泵送到預(yù)定位置，隨后引爆水力裂縫內(nèi)的液體炸藥，利用爆炸破碎裂縫壁面巖石產(chǎn)生的巖石顆粒支撐水力裂縫，產(chǎn)生的爆生氣體在水力裂縫附近產(chǎn)生多條微裂縫，在油氣層內(nèi)形成一個(gè)流體流動阻力較小的高滲透帶，從而大大改造儲層的一種新型油氣藏改造技術(shù)。

中科院力學(xué)研究所丁雁生等［1］研究了層內(nèi)爆炸壓裂的可行性；中國石油大學(xué)林英松等［2］研究了爆炸載荷對水泥式樣損傷破壞規(guī)律研究，通過實(shí)驗(yàn)分析了爆炸對巖石的破壞作用。國外在20世紀(jì)40—70年代進(jìn)行了類似的爆炸壓裂現(xiàn)場應(yīng)用，取得了一定的增產(chǎn)效果［3］。爆破工程針對地面爆破形成的巖石破碎塊度分布預(yù)測進(jìn)行了大量的研究［4］，沒有針對深部爆炸巖石顆粒大小預(yù)測進(jìn)行研究。為了加深對層內(nèi)爆炸壓裂改造效果的認(rèn)識，必須深入研究爆炸對地層巖石的破壞作用及其對儲層改造的影響。筆者結(jié)合水力壓裂與爆破工程，建立爆炸后巖石顆粒粒徑的預(yù)測模型，以便進(jìn)一步分析層內(nèi)爆炸后破碎顆粒對裂縫的支撐作用。

1 破碎粒徑預(yù)測模型

液體炸藥在水力裂縫中爆炸后，產(chǎn)生沖擊波和爆生氣體，沖擊波在向地層深部衰減傳播的過程中，對地層巖石產(chǎn)生破壞形成破碎區(qū)和裂隙區(qū)，裂隙區(qū)在后續(xù)爆生氣體的進(jìn)一步作用下形成幾條主裂紋和大量細(xì)小裂紋。所以巖石的破碎程度主要取決于沖擊波對巖石的破壞程度，本文從能量角度分析沖擊波對破碎區(qū)的作用，進(jìn)而預(yù)測巖石破碎顆粒。

根據(jù)層內(nèi)爆炸壓裂巖石破碎特點(diǎn)，模型作如下假設(shè)：（1）忽略地層巖石的弱面；（2）水力裂縫為標(biāo)準(zhǔn)的矩形；（3）巖石破碎顆粒為典型的正方體型。

爆炸沖擊波使巖石破壞的能量主要包括3部分：巖石表面破裂的能量、巖體內(nèi)部發(fā)生應(yīng)變的能量和巖體移動的動能。使巖石破壞，必須克服巖石具有的內(nèi)能，包括使巖石破裂的表面能和巖體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變能。按照能量守恒原理，破碎區(qū)沖擊波總能量分為使巖石破碎的表面能、巖石內(nèi)部的應(yīng)變能和巖體移動的動能三部分，則有

式中，Ec為破碎區(qū)沖擊波做的功，J；EA為巖石破裂的表面能，J；Ee為巖石內(nèi)部的應(yīng)變能，J；Et為巖體移動的動能，J。

層內(nèi)爆炸壓裂過程中，液體炸藥在深埋地下幾千米的裂縫中發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的破碎顆粒不會發(fā)生飛濺等運(yùn)動，被限制在狹小的地下巖體中，所以爆炸破碎顆粒的動能最終會轉(zhuǎn)化為巖石破碎的表面能或巖石內(nèi)部的應(yīng)變能。因此，將破碎區(qū)沖擊波做的功簡化為巖石破碎的表面能和巖石內(nèi)部的應(yīng)變能兩部分，則有

1.1 破碎區(qū)沖擊波做的功

層內(nèi)爆炸過程中，液體炸藥在垂直裂縫中發(fā)生爆炸，近似為柱狀裝藥，因此利用柱狀耦合裝藥條件下的粉碎區(qū)半徑來近似表征層內(nèi)爆炸產(chǎn)生的粉碎區(qū)深度［5］

式中，Rc為破碎區(qū)深度，m；μd為巖石動態(tài)泊松比，在工程爆破的加載率范圍內(nèi)，μd=0.8μ0，μ0為巖石的靜態(tài)泊松比；λ為側(cè)向壓力系數(shù)，λ=μ0/（1-μ0）；σcd為巖石的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；ε·為巖石加載應(yīng)變率，s-1，（在壓碎區(qū)內(nèi)，ε·=102～104s-1）；σc為巖石的單軸靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；α為壓力衰減系數(shù)，對于沖擊波區(qū)α≥3；rb為水力裂縫半寬，m。

微小單元破碎區(qū)沖擊波的總能量等于破碎區(qū)沖擊波對巖石所做的功為［6］

式中， h為破碎單元高度，m；L為破碎單元長度，m；pr為波陣面上的峰值壓力，Pa。

柱狀裝藥巖石中沖擊波峰值壓力的衰減規(guī)律為

式中，r為波陣面深度，m；pd為透射入巖石的沖擊波初始壓力，Pa。

將（5）式代入（4）式并積分得

1.2 巖石破碎表面能

按照巖石斷裂力學(xué)理論，炸藥爆炸破碎巖石形成新表面所需要的能量為［7］

式中，GIC為巖石的單位表面能（臨界能量釋放率），J/m2；Kc為巖石的動態(tài)斷裂韌度，Pa·m0.5；E為巖石動態(tài)彈性模量，Pa；S為爆破后所形成的巖石新表面積，m2。

根據(jù)假設(shè)，設(shè)巖石為邊長的正方體，那么單個(gè)巖石顆粒表面積和體積為

式中，l為單個(gè)巖石顆粒邊長，m；A為單個(gè)巖石顆粒表面積，m2。V '為單個(gè)巖石顆粒體積，m3。

由巖石單元可得破碎巖石的總體積為

設(shè)巖石顆粒數(shù)為n，則根據(jù)破碎單元巖石總體積相等，由（10）、（11）式有

破碎巖石顆粒的總表面積為

由式（12）、（13）求得壓碎區(qū)巖石顆?？偙砻娣eS

由式（7）、（8）、（14）求得微小巖石單元巖石破碎的總表面能為

1.3 巖石內(nèi)部的應(yīng)變能

假設(shè)巖石為彈性體，破碎區(qū)內(nèi)巖石都達(dá)到了動態(tài)彈性應(yīng)變的極限，超過這個(gè)極限的地方已經(jīng)破裂最終形成了巖石破碎顆粒，因此，根據(jù)彈性體的功能原理，破碎區(qū)巖石內(nèi)部的應(yīng)變能［8］為

式中，ε為巖石的動態(tài)應(yīng)變。

將式（5）代入式（16）并積分得

將式（2）、（6）、（15）、（17）聯(lián)立可得破碎顆粒邊長計(jì)算公式

式（18）即為層內(nèi)爆炸產(chǎn)生的巖石顆粒計(jì)算公式，可以定性看出，巖石動態(tài)斷裂韌性越大，破碎顆粒越大；彈性模量越大，破碎顆粒越?。粵_擊波能量越大，巖石破碎顆粒也越小。

2 計(jì)算分析

利用推導(dǎo)的公式，采用表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果為l=1.23 mm，根據(jù)爆破工程經(jīng)驗(yàn)，爆破時(shí)在在粉碎區(qū)內(nèi)通常會產(chǎn)生毫米級的細(xì)小顆粒，說明本公式具有一定的參考性；同時(shí)，根據(jù)壓裂經(jīng)驗(yàn)，毫米級的顆粒能夠起到支撐水力裂縫的作用。

表1 模型計(jì)算參數(shù)的取值

3 影響因素分析

以表1中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過改變敏感參數(shù)值，分析敏感參數(shù)對爆炸破碎后巖石顆粒尺寸的影響。

如圖1所示，液體炸藥初始壓力越大，破碎區(qū)深度越大，巖石破碎顆粒越小。當(dāng)液體炸藥初始壓力為700 MPa時(shí)，巖石破碎顆粒尺寸反而大于破碎區(qū)深度，表明液體初始炸藥初始壓力過小，不能有效破碎巖石；然而，沖擊波初始壓力過大，形成的巖石破碎顆粒太小，不能有效支撐裂縫，因而，層內(nèi)爆炸壓裂不追求過大的沖擊波初始壓力，要根據(jù)巖石性質(zhì)選擇具有相應(yīng)初始沖擊波壓力的液體炸藥。

圖1 沖擊波初始壓力對巖石顆粒尺寸的影響

如圖2所示，巖石動態(tài)彈性模量和動態(tài)斷裂韌度對顆粒尺寸的影響較大，巖石動態(tài)彈性模量越大，顆粒尺寸越小；動態(tài)斷裂韌度越大，顆粒尺寸越大。因此，層內(nèi)爆炸壓裂時(shí)，必須根據(jù)巖石性質(zhì)選擇相應(yīng)的液體炸藥，以獲得能夠有效支撐劑裂縫的巖石顆粒。

圖2 巖石性質(zhì)對顆粒尺寸的影響

圖3 水力裂縫半寬對巖石顆粒尺寸的影響

如圖3所示，動態(tài)水力裂縫寬度對巖石顆粒尺寸沒有影響，僅對巖石粉碎區(qū)深度有影響；裂縫越寬，裝藥量越大，破碎深度越大，形成的支撐裂縫越寬。因此，層內(nèi)爆炸壓裂時(shí)，應(yīng)保持較大的動態(tài)水力裂縫寬度，以形成較寬的支撐裂縫。

4 結(jié)論

（1）由于爆炸過程極復(fù)雜，從能量守恒原理出發(fā)分析了巖石破碎顆粒尺寸問題，對預(yù)測爆破形成的巖石顆粒提出了一種思路。

（2）層內(nèi)爆炸產(chǎn)生的巖石顆粒與水力壓裂常用的陶粒支撐劑顆粒相當(dāng)，能夠起到支撐裂縫的作用。

（3）層內(nèi)爆炸壓裂應(yīng)具有較大的縫寬，并依據(jù)巖石的彈性模量和斷裂韌度選擇相應(yīng)的液體炸藥，以達(dá)到層內(nèi)爆炸壓裂的目的。

［1］丁雁生，陳力，謝燮，等.低滲透油氣田“層內(nèi)爆炸”增產(chǎn)技術(shù)研究［J］. 石油勘探與開發(fā)，2001，28（2）：90-96.

［2］林英松，蔣金寶，朱天玉，等. 爆炸載荷對水泥試樣損傷破壞規(guī)律研究［J］. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，30（3）：55-58.

［3］李傳樂，王安仕，李文魁.國外油氣井“層內(nèi)爆炸”增產(chǎn)技術(shù)概述及分析［J］.石油鉆采工藝，2001，23（5）：77-78.

［4］潘兆科，劉志河. 矸石破碎塊度的分形性質(zhì)及計(jì)算方法［J］. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（2）：115-117.

［5］戴俊. 柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計(jì)算［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，20（2）：144-147.

［6］吳亮，盧文波，宗琦. 巖石中柱狀裝藥爆炸能量分布［J］.巖土力學(xué)，2006，27（5）：735-739.

［7］張立國，李守巨，付增綿，等.炸藥破碎巖石能量利用率的研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，17（2）：134-137.

［8］趙忠虎，謝和平.巖石變形破壞過程中的能量傳遞和耗散研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2008，40（2）：26-31.

（修改稿收到日期 2011-05-11）

〔編輯 付麗霞〕

Rock particle size prediction model of in-fracture explosive fracturing and influencing factor analysis

ZНAO Zhihong, GUO Jianchun, WANG Chenlong
（1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

The In-Fracture explosive fracturing is a new technology of reconstructing a reservoir. So study on the shattered rock size of in-fracture explosion has great significance to evaluate the capacity of the main fracture’s Conductivity. In Вlasting Engineering, there is no direct prediction model used for rock particle. In this paper, according to the experience of blasting, based on the In fracture theory, and through the conservation energy principle and the theory of rock fracture, a rock crusher size prediction model is established. Study case of calculated in-fracture explosion rock particles diameter is 1.23 mm, which consistent with the practice of blasting site, and Show that this model has some validity. And through analysis of key parameters, we give advices on In-Fracture explosive fracturing.

particles cize; in-fracture explosive fracturing; blasting; model

TE357

A

1000-7393（ 2011 ） 03-0058-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目油氣層巖礦酸損傷理論研究（編號：51074138）。

趙志紅，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)攻讀油氣田開發(fā)工程博士學(xué)位，主要從事油氣藏增產(chǎn)技術(shù)與理論研究。電話：13541353845。E-mail：swpuzzh@163.com。