爆炸荷載下致密砂巖天然裂縫方位角對(duì)裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究

肖青育， 朱哲明， 謝 軍

(1.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 610065； 2.四川大學(xué) 能源工程安全與災(zāi)害力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065； 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院， 四川 雅安 625014)

0 引 言

目前，隨著常規(guī)、易采油氣資源日趨減少，致密油、致密氣、頁(yè)巖油及頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣正逐步成為接替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的選擇.針對(duì)非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)難度大、成本高、開(kāi)采率低等特點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)技術(shù)上，工程技術(shù)人員先后推出了井筒爆炸法、水力壓裂法、核爆炸法和高能氣體壓裂法等技術(shù)，但這些方法各有其弊端[1-2].一種結(jié)合水力壓裂、井筒爆炸壓裂以及高能氣體壓裂技術(shù)發(fā)展起來(lái)的層內(nèi)爆炸復(fù)合壓裂技術(shù)[3-4]，既克服了水力壓裂難以形成縫網(wǎng)的特點(diǎn)，同時(shí)，又具有井筒爆炸以及高能氣體壓裂高增產(chǎn)、低成本、污染小的特點(diǎn)，應(yīng)前景十分廣闊.

層內(nèi)爆炸法的目的是使水力裂縫與爆炸荷載下產(chǎn)生的新生裂縫溝通從而形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高致密油氣采收率，故對(duì)其的研究主要基于巖石爆炸動(dòng)力學(xué)及巖石斷裂力學(xué)理論.例如，胡榮等[5]利用有機(jī)玻璃材料研究了爆炸荷載作用下材料內(nèi)部原生裂縫的起裂擴(kuò)展規(guī)律.魏晨慧等[6]借助RFPA研究了預(yù)制裂縫角度對(duì)爆生裂縫的起裂擴(kuò)展以及貫通演化規(guī)律.但相關(guān)成果均只涉及到單裂縫，對(duì)多裂縫甚至裂縫網(wǎng)絡(luò)研究則很少，而在地質(zhì)巖體中往往存在多裂縫，因而對(duì)多裂縫的研究顯得更具有工程實(shí)際意義.對(duì)此，本研究利用雅安地區(qū)致密粉砂巖板和乳化炸藥來(lái)模擬層內(nèi)爆炸，并用聲發(fā)射儀對(duì)層內(nèi)爆炸下水力裂縫兩側(cè)附近的多條平行、共線天然裂縫的起裂擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行分析，以期對(duì)致密砂巖氣藏的開(kāi)發(fā)提供一些有益的試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 炸藥選擇及裝藥形式

層內(nèi)爆炸模擬試驗(yàn)成功與否最關(guān)鍵一環(huán)是選擇合適的炸藥，相關(guān)研究表明，爆速適中的炸藥能得到合適的加載速率，從而使裂縫網(wǎng)絡(luò)效果達(dá)到最優(yōu)[3，7].根據(jù)層內(nèi)爆炸技術(shù)要求，低爆速和低密度炸藥所產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波峰值低，有利于延長(zhǎng)爆炸應(yīng)力波作用時(shí)間，同時(shí)也有利于避免水力裂縫和井筒結(jié)構(gòu)的破壞.因此，諸多學(xué)者提出層內(nèi)爆炸所采用炸藥的爆速應(yīng)控制在3 000～4 500 m/s.為此，本研究選擇低密度低爆速且性能安全穩(wěn)定的2號(hào)巖石乳化炸藥作為爆炸試驗(yàn)炸藥，其炸藥密度為1.05 g/cm3.

在裝藥形式上，考慮到儲(chǔ)層中炸藥的實(shí)際裝藥結(jié)構(gòu)為條狀形，且條形藥包產(chǎn)生的柱面波的波陣面面積只與傳播距離的一次方呈正比例增大，而集中藥包爆破產(chǎn)生的球面波的波陣面面積與傳播距離的平方呈正比例增大， 故條形藥包的爆炸應(yīng)力波參數(shù)隨距離的增加而衰減得更慢，有利于形成更多的裂縫.結(jié)合本研究所選擇的致密砂巖板試件，設(shè)計(jì)了條形盒裝藥形式，炸藥盒尺寸為50 mm×30 mm×9 mm，此設(shè)計(jì)形式能保證每次試驗(yàn)所裝炸藥量的一致，同時(shí)也能保證每次試驗(yàn)時(shí)炸藥安放在水力裂縫內(nèi)位置的固定.

1.2 爆炸加載系統(tǒng)

與準(zhǔn)靜態(tài)水力壓裂相比，層內(nèi)爆炸壓裂法為一種超高加載率的手段，其最大的特點(diǎn)是爆炸過(guò)程中將產(chǎn)生沖擊波、應(yīng)力波及爆生氣體.沖擊波屬于超高加載率荷載，可直接將巖石壓碎；爆炸應(yīng)力波屬于高幅值高加載率動(dòng)荷載，其峰值能達(dá)到數(shù)百兆帕；而爆生氣體則是爆炸物本身所產(chǎn)生的，其壓力在幾十到上百兆帕左右，與地應(yīng)力屬于同一量級(jí).其中，爆炸應(yīng)力波是促使裂縫起裂擴(kuò)展的主要因素.由于本研究所采用的試驗(yàn)方法無(wú)法密封氣體而使沖擊波作用范圍較小，因此，本研究將主要從應(yīng)力波角度分析爆炸荷載作用下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律.首先將一定量的炸藥裝入自制的條形裝藥盒中，然后再通過(guò)裝藥盒預(yù)留的插孔插入導(dǎo)爆索(利用導(dǎo)爆索引爆炸藥)，接著將導(dǎo)爆索另一端與雷管捆綁起來(lái)(利用雷管引爆導(dǎo)爆索)，再將雷管連接線與爆炸塔外部工作室的電池起爆線連接(利用兩節(jié)1.5 V干電池串聯(lián)起爆雷管)，形成一個(gè)穩(wěn)定的爆炸加載系統(tǒng).試驗(yàn)時(shí)再將連接好的炸藥盒放置在試件預(yù)制水力裂縫中設(shè)定的位置起爆.同時(shí)，為記錄爆炸過(guò)程中的應(yīng)變信號(hào)，需要在雷管端部纏上觸發(fā)線，并以爆炸炸斷觸發(fā)線作為數(shù)據(jù)采集儀記錄的起始點(diǎn).層內(nèi)爆炸模擬加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示.

圖1層內(nèi)爆炸模擬加載系統(tǒng)示意圖

在試驗(yàn)材料選擇上，本研究選取雅安地區(qū)致密粉砂巖作為試驗(yàn)研究試樣.該致密砂巖巖性以粉色，暗粉色為主，同時(shí)夾雜石英、長(zhǎng)石以及黑云母等顆粒，且這些雜質(zhì)具有明顯的方向性，表現(xiàn)出較大的不均質(zhì)性和各向異性，與儲(chǔ)層內(nèi)部巖石的性質(zhì)具有一定程度上的相似性.巖石密度為2.39～2.41 g/cm3，砂巖板的尺寸為600 mm×600 mm×30 mm.

同時(shí)，為減小環(huán)境噪音以及電信號(hào)對(duì)試驗(yàn)的干擾，層內(nèi)爆炸模擬試驗(yàn)在西南科技大學(xué)的爆炸力學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的爆炸塔平臺(tái)進(jìn)行，其爆炸塔設(shè)計(jì)尺寸為內(nèi)徑8 m、高度12 m，設(shè)計(jì)爆炸當(dāng)量為2.5 kg TNT.該爆炸塔系統(tǒng)由液壓防爆門(mén)系統(tǒng)、通風(fēng)排氣系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)線接口等構(gòu)成，該試驗(yàn)室能進(jìn)行各種大尺寸大模型的爆炸試驗(yàn)，完全滿足本試驗(yàn)的要求.

1.3 模型制備

考慮到砂巖板加工尺寸的限制，同時(shí)為盡量減小反射拉伸波的影響，在試驗(yàn)中只選取了真實(shí)模型的1/4作為研究范圍，以盡量增大天然裂縫尖端與試件邊界的距離，使天然裂縫基本處于砂巖板的中心位置.據(jù)此，水力裂縫中心距砂巖板下邊界距離設(shè)計(jì)為200 mm，距上邊界距離設(shè)計(jì)為400 mm.

基于典型天然裂縫分布特征[8]，本研究在致密粉砂巖試件中預(yù)制了3條尺寸、方位相同的天然裂縫，其中2條相互平行，2條共線.試驗(yàn)設(shè)計(jì)了裂縫方位角分別為0 °、15 °、30 °、45 °以及60 °的5個(gè)方案模型.模型如圖2所示.水力裂縫與天然裂縫的尺寸及方位角如表1所示.為減小試驗(yàn)隨機(jī)性帶來(lái)的誤差和數(shù)據(jù)信號(hào)的不穩(wěn)定性，每組試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為2個(gè)，最終選擇數(shù)據(jù)較合理的結(jié)果進(jìn)行分析.

圖2 不同方位角天然裂縫致密砂巖板試件

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 準(zhǔn)平面應(yīng)變問(wèn)題驗(yàn)證.

由于三維模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的直接觀察，且目前的室內(nèi)試驗(yàn)還沒(méi)完全準(zhǔn)確掌握將炸藥擠入到水力裂縫中的預(yù)定位置，同時(shí)室內(nèi)三維模型試驗(yàn)在取材和加工方面也頗為麻煩，本研究著眼于從試驗(yàn)上對(duì)層內(nèi)爆炸作用下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究.為此，根據(jù)儲(chǔ)層水力裂縫內(nèi)爆炸思路，選擇一典型水力裂縫平截面作為研究區(qū)域.但在爆炸作用下，試件無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的平面應(yīng)變，只能近似達(dá)到平面應(yīng)變條件，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H能基本上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平面應(yīng)變要求.為了驗(yàn)證試驗(yàn)的合理性和嚴(yán)謹(jǐn)性，首先從爆炸試驗(yàn)角度對(duì)準(zhǔn)平面應(yīng)變進(jìn)行驗(yàn)證.

根據(jù)準(zhǔn)平面應(yīng)變問(wèn)題的基本要求，本研究設(shè)計(jì)了如下形式的驗(yàn)證系統(tǒng)：首先在試驗(yàn)平臺(tái)底部放置與測(cè)試砂巖板尺寸相同的砂巖底板P-B；再將待測(cè)砂巖蓋板P-M放置于砂巖底板P-B上；為約束爆炸作用下測(cè)試板過(guò)大的位移和應(yīng)變，在P-M板上加蓋一層相同尺寸的厚砂巖板P-T；為將爆炸產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波最大程度地傳遞至上下砂巖板P-B和P-T，同時(shí)防止邊界產(chǎn)生過(guò)大的反射拉伸波，需要在待測(cè)驗(yàn)板上下涂抹石膏漿用以粘合蓋底板P-B和P-T.由于石膏的抗拉強(qiáng)度極低，在較低的拉應(yīng)力作用即發(fā)生斷裂，因此能極大地降低反射應(yīng)力波所產(chǎn)生的應(yīng)變，從而基本上達(dá)到準(zhǔn)平面應(yīng)變要求.

試驗(yàn)中，乳化炸藥放置在中間砂巖板P-M中，爆炸位置為中間板水力裂縫預(yù)設(shè)位置處，點(diǎn)火起爆后，爆炸應(yīng)力波將向周圍傳播.當(dāng)應(yīng)力波達(dá)到中間砂巖板兩側(cè)邊界時(shí)，由于石膏將上下蓋底板P-T/B緊密地粘合在一起，因此大部分的應(yīng)力波將通過(guò)石膏傳遞出去，而只有少量的反射波回來(lái).此外，隨著應(yīng)力波繼續(xù)傳播至上下蓋底板P-T/B，當(dāng)應(yīng)力波達(dá)到邊界時(shí)將產(chǎn)生反射拉伸波，由于石膏抗拉強(qiáng)度極低，因此將瞬間被拉斷而造成應(yīng)力波無(wú)法繼續(xù)向中間砂巖板P-M傳播.試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3準(zhǔn)平面應(yīng)變驗(yàn)證系統(tǒng)

基于以上試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，選擇砂巖板上裂縫附近3個(gè)位置，利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量爆炸過(guò)程中測(cè)點(diǎn)XYZ3個(gè)方向的應(yīng)變值，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示.應(yīng)變通道編號(hào)為：對(duì)于測(cè)點(diǎn)1#在Y方向所貼應(yīng)變片編號(hào)對(duì)應(yīng)于超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀上的1-1通道；X方向應(yīng)變片對(duì)應(yīng)通道為1-2；Z方向的應(yīng)變片對(duì)應(yīng)通道為1-3，其他各測(cè)點(diǎn)通道編號(hào)類似.其中，試件T1-1-4測(cè)點(diǎn)1#Y/Z方向應(yīng)變曲線如圖5所示.

圖4準(zhǔn)平面應(yīng)變驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

圖5砂巖板測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線圖

根據(jù)文獻(xiàn)[9]描述，在動(dòng)荷載作用下，當(dāng)Y方向或者X方向上的應(yīng)變大于5倍Z方向上的應(yīng)變時(shí)，即可近似地認(rèn)為滿足準(zhǔn)平面應(yīng)變要求.對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其Y方向上的應(yīng)變與Z方向上的峰值應(yīng)變比值已接近10倍，而平均應(yīng)變比值也超過(guò)了5倍.據(jù)此，可近似認(rèn)為本爆炸試驗(yàn)是在準(zhǔn)平面應(yīng)變下進(jìn)行的.

1.4.2 以裂縫方位角為研究對(duì)象的試驗(yàn).

在試驗(yàn)中，本研究利用聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)爆炸過(guò)程試樣的聲發(fā)射事件，從而對(duì)爆炸荷載作用下的裂縫擴(kuò)展以及損傷范圍進(jìn)行定量定性分析.巖石內(nèi)部損傷以及裂縫擴(kuò)展屬于微震事件，其發(fā)生時(shí)頻率較低，因此在DS2系列聲發(fā)射信號(hào)分析軟件中選擇直通濾波器，即可保留最原始、最完整的采樣數(shù)據(jù).本研究中多個(gè)試件采用了5通道同步采集數(shù)據(jù)，因此可選擇的最高采樣速率為3 MHz.由于巖石損傷和裂縫擴(kuò)展時(shí)其頻率較低，同時(shí)結(jié)合爆炸應(yīng)力波在砂巖板中的傳播速度，本試驗(yàn)設(shè)定峰值鑒別時(shí)間PDT為5 μs，撞擊鑒別時(shí)間HDT為10 μs，撞擊鎖閉時(shí)間HLT為20 μs.在爆炸荷載作用下，聲發(fā)射事件的振幅較大，且砂巖板尺寸為600 mm×600 mm，屬于大尺寸試件，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，橫波定位法相比較于縱波定位更加精確，定位算法采用窮舉法.

試驗(yàn)前，本研究還利用斷鉛測(cè)試法測(cè)定了砂巖試件的波速.斷鉛測(cè)試法利用鉛筆芯在砂巖板上斷裂所釋放的彈性應(yīng)力波來(lái)模擬巖石內(nèi)損傷破裂的聲源，從而計(jì)算出砂巖板的縱橫波波速并校準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)的靈敏度，通常選擇3次以上的波速平均值作為聲發(fā)射測(cè)試用的聲波波速.

此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)炸藥量過(guò)大時(shí)導(dǎo)致破壞過(guò)于嚴(yán)重而不便于觀察，而炸藥量過(guò)小時(shí)可能導(dǎo)致裂縫無(wú)法起裂擴(kuò)展，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，本試驗(yàn)炸藥用量為9.5 g.

由于爆炸測(cè)試過(guò)程中，炸藥將產(chǎn)生巨大的沖擊波，故需要提前24 h將傳感器和轉(zhuǎn)換頭用AB膠粘貼在預(yù)設(shè)的聲發(fā)射測(cè)點(diǎn)位置，以保證數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性.聲發(fā)射傳感器和轉(zhuǎn)換頭粘貼在砂巖板上的位置如圖6所示.

圖6聲發(fā)射測(cè)點(diǎn)布置

為了對(duì)裂縫做擴(kuò)展演化分析及爆炸后的爆炸效果分析，本研究采用高像素相機(jī)正面垂直試件進(jìn)行拍攝，以獲得高清照片，并在圖片上建立坐標(biāo)系，沿裂縫擴(kuò)展部分取多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，采用二次多項(xiàng)式最小二乘法擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到裂紋起裂擴(kuò)展曲線，通過(guò)對(duì)曲線求導(dǎo)獲得起裂點(diǎn)處的角度值.每個(gè)試件反復(fù)測(cè)量3次，取其平均值作為測(cè)量結(jié)果，同時(shí)測(cè)量裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度，進(jìn)而得到爆炸后的裂縫網(wǎng)絡(luò)面積.

2 結(jié)果與分析

2.1 聲發(fā)射定位分析

爆炸過(guò)程中，裂縫擴(kuò)展路徑聲發(fā)射定位圖與數(shù)碼照片對(duì)比如圖7所示.

由圖7可知，聲發(fā)射的事件點(diǎn)能夠較好地反映爆炸作用下水力裂縫與天然裂縫的起裂擴(kuò)展路徑，聲發(fā)射事件點(diǎn)密集分布的區(qū)域與實(shí)際的水力裂縫和天然裂縫的擴(kuò)展路徑有較好的一致性，證明可利用聲發(fā)射定位結(jié)果初步判斷天然裂縫擴(kuò)展后的分布位置.

比較圖7中試件T1-1-2～T1-1-4的聲發(fā)射定位裂縫擴(kuò)展路徑可知，在相同裝藥量的情況下，具有不同天然裂縫方位角的試樣其破裂程度有所差異.試件T1-1-2和T1-1-4中天然裂縫擴(kuò)展路徑相較于T1-1-3均較短，這也體現(xiàn)在聲發(fā)射事件數(shù)量分布上.這主要由以下原因造成：其一，對(duì)比3個(gè)試件，T1-1-2和T1-1-4的預(yù)制天然裂縫均與巖石中的紋理方向幾乎相同，而T1-1-3則形成了一定角度，根據(jù)應(yīng)力波的在不同介質(zhì)中的反射透射傳播規(guī)律，不同巖石介質(zhì)的物理力學(xué)性能差異越大，其波阻抗系數(shù)差別也越大，應(yīng)力波反射系數(shù)也越大，當(dāng)應(yīng)力波傳播至紋理處，由于波阻抗系數(shù)的差異將在界面處產(chǎn)生反射拉伸波，從而造成局部的拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)由于巖石的抗拉強(qiáng)度較低，因此在反復(fù)的反射應(yīng)力波作用下容易出現(xiàn)損傷破裂以及裂縫起裂擴(kuò)展；其二，巖石的損傷破壞過(guò)程與其強(qiáng)度存在密切，由圖7可知，T1-1-3試件含云母較多，其抗拉、抗剪強(qiáng)度相對(duì)于T1-1-2和T1-1-4較小.此外，試驗(yàn)還通過(guò)聲波儀測(cè)定了試件的縱橫波，測(cè)試結(jié)果表明，T1-1-3試件的彈性模量較低，泊松比較大，因此在爆炸荷載下容易損傷破裂.

圖7裂縫擴(kuò)展路徑聲發(fā)射定位與效果對(duì)照

分析圖7中的聲發(fā)射事件分布可以發(fā)現(xiàn)，在裂縫的擴(kuò)展路徑上，分布著一些分散定位點(diǎn)，這說(shuō)明裂縫擴(kuò)展后，在新生裂縫周圍也同樣存在聲發(fā)射事件.本研究認(rèn)為，擴(kuò)展裂縫周圍伴隨的聲發(fā)射事件表明該處也存在微裂縫的破裂損傷，這應(yīng)與巖爆的作用機(jī)制存在內(nèi)在聯(lián)系，即起初巖石受壓縮應(yīng)力波作用，當(dāng)裂縫擴(kuò)展至該范圍內(nèi)時(shí)，由于裂縫形成的自由面，造成快速卸荷作用，即壓縮波遇到新裂縫自由面(“臨空面")形成反射拉伸波，最終使擴(kuò)展裂縫附近也出現(xiàn)大量的損傷破裂，導(dǎo)致新生裂縫(擴(kuò)展裂縫)附近的巖石孔隙度、滲透率得到極大提高.

2.2 裂縫擴(kuò)展演化分析

致密砂巖預(yù)制裂縫擴(kuò)展如圖8所示.模型中分別給3條預(yù)制天然裂縫標(biāo)記為①、②以及③，天然裂縫的方位角即本文中天然裂縫與水力裂縫方向的夾角定義為α；同時(shí)對(duì)天然裂縫的2個(gè)端點(diǎn)——近端和遠(yuǎn)端分別命名為A和B，裂縫近端和遠(yuǎn)端起裂角定義為β，即βA和βB；另外，起爆點(diǎn)與天然裂縫尖端的連線與天然裂縫的夾角定義為應(yīng)力波入射角γ.由圖8可知，在爆炸荷載作用下，預(yù)制天然裂縫均產(chǎn)生不同程度的起裂擴(kuò)展，其路徑與裂縫的方位角α有關(guān)，即入射應(yīng)力波與裂縫的夾角決定著裂縫的擴(kuò)展行為.

圖8致密砂巖預(yù)制裂縫擴(kuò)展圖

此外，試驗(yàn)測(cè)得的裂縫遠(yuǎn)端起裂角結(jié)果如圖9所示.

對(duì)照?qǐng)D8中的T1-1-1～T1-1-5致密砂巖試件在爆炸作用下的裂縫擴(kuò)展形態(tài)，分析如下：

圖9不同裂縫方位角下裂縫遠(yuǎn)端起裂角

1)在模擬層內(nèi)爆炸的5個(gè)試件中，裂縫①均產(chǎn)生了起裂擴(kuò)展.A端起裂角度βA=63 °～69 °，平均起裂角為βA=71 °；B端起裂角度βB=63 °～89 °，平均起裂角為βB=70.6 °，如圖9所示.對(duì)于裂縫①遠(yuǎn)端B點(diǎn)，隨著裂縫方位角α的增大，應(yīng)力波入射角γ呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，裂縫起裂角表現(xiàn)為先減小后增大，該曲線表明裂縫的起裂角β與應(yīng)力波入射角γ密切相關(guān)，這與文獻(xiàn)[5]的結(jié)論相一致，即裂縫尖端起裂表現(xiàn)為拉剪破壞模式.裂縫①遠(yuǎn)端B點(diǎn)起裂后受拉應(yīng)力區(qū)影響，逐漸轉(zhuǎn)為拉伸擴(kuò)展模式.同時(shí)，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，天然裂縫的方位角在15 °～45 °范圍內(nèi)時(shí)，裂縫①的A端伴隨著次生裂縫的形成.這主要是由于裂縫①靠近爆源，A端承受了較大幅值的應(yīng)力波，當(dāng)裂縫尖端釋放的應(yīng)變能超過(guò)2倍及以上的裂縫斷裂能時(shí)，將會(huì)造成多條裂縫的起裂擴(kuò)展.此外，裂縫①B端起裂擴(kuò)展后并不沿應(yīng)力波傳播方向擴(kuò)展，即沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，而轉(zhuǎn)向垂直于裂縫③壁面方向.這是由于張開(kāi)型裂縫③的存在在裂縫①B端起裂擴(kuò)展的方向上形成了一個(gè)自由面，應(yīng)力波傳播至該裂縫面時(shí)將產(chǎn)生反射拉伸波，從而誘導(dǎo)裂縫①B端起裂后近似垂直于裂縫③的方向擴(kuò)展，并最終與裂縫③形成貫通裂縫，從而形成小范圍的裂縫網(wǎng)絡(luò).

2)隨著裂縫方位角α的增大，試件中的裂縫②的A端、B端不斷靠近起爆點(diǎn).近端A的起裂模式也逐漸由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔魪?fù)合破壞模式，近端起裂角βA=79 °～114 °；遠(yuǎn)端起裂模式主要由拉剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐模h(yuǎn)端裂縫起裂角βB=68 °～97 °，其起裂角變化關(guān)系見(jiàn)圖9，結(jié)果表明裂縫遠(yuǎn)端起裂角隨方位角增大而減小.由圖8可知，當(dāng)天然裂縫方位角較小時(shí)，裂縫②近端只有一條翼裂縫，隨著天然裂縫方位角的增大，其尖端伴隨著多條次生裂縫的萌生，特別當(dāng)α=60 °時(shí)，在裂縫②A端出現(xiàn)了反向翼裂縫.根據(jù)劉偉韜等[10]的研究成果，反向翼裂縫的出現(xiàn)表明裂縫尖端的剪應(yīng)力起控制作用，因此其破壞模式為剪切破壞，起裂模式不能再用最大周向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，而應(yīng)采用最大徑向切應(yīng)力準(zhǔn)則.由于裂縫②B端擴(kuò)展角度為68 °～97 °，其擴(kuò)展方向沒(méi)有預(yù)制天然裂縫，因此裂縫起裂擴(kuò)展后幾乎沿著應(yīng)力波傳播方向擴(kuò)展延伸，即沿著最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展.

3)裂縫③的起裂擴(kuò)展模式最為復(fù)雜，這主要是受裂縫①和裂縫②影響.當(dāng)裂縫方位角α較小(α≤15 °)時(shí)，裂縫③A端未出現(xiàn)翼裂縫.由圖8中的T1-1-1和T1-1-2可知，裂縫①起著阻礙應(yīng)力波向裂縫③A端傳播的作用，同時(shí)裂縫②影響著應(yīng)力波的傳播路徑，由于裂縫②的存在，應(yīng)力波將在多條裂縫間產(chǎn)生多次反射，從而導(dǎo)致應(yīng)力波能量的快速衰減，這就造成了預(yù)制水力裂縫內(nèi)炸藥爆炸后的爆炸應(yīng)力波傳播至裂縫③A端附近時(shí)，其產(chǎn)生的應(yīng)力已無(wú)法達(dá)到裂縫起裂時(shí)的斷裂韌度.圖8中，分析裂縫③遠(yuǎn)端B點(diǎn)起裂擴(kuò)展行為可知，天然裂縫方位角α越大，起裂擴(kuò)展角βB越小.這主要是由于隨著天然裂縫方位角α的增大，天然裂縫與應(yīng)力波入射角夾角γ越小，在裂縫尖端形成的反射拉伸應(yīng)力波和繞射形成的剪切應(yīng)力波與裂縫方向的夾角越小，當(dāng)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)斷裂韌性值時(shí)，裂縫的起裂角也隨之變小，裂縫起裂后并沿著應(yīng)力波的傳播方向擴(kuò)展.

4)綜合分析裂縫①～③在爆炸作用下的起裂擴(kuò)展模式可以發(fā)現(xiàn)，多裂縫的起裂擴(kuò)展模式與單裂縫相比，既存在相同的斷裂模式也存在差異性的破壞形態(tài)，這和多裂縫間的相互作用關(guān)系是密不可分的，由于裂縫在巖體中為一種自由面的存在，當(dāng)應(yīng)力波傳播至該處將產(chǎn)生復(fù)雜的反射、繞射以及散射等現(xiàn)象，同時(shí)，對(duì)于張開(kāi)型裂縫，還存在阻礙應(yīng)力波傳播的行為，因此在爆炸作用下將表現(xiàn)出復(fù)雜的裂縫起裂、擴(kuò)展、交叉以及貫通等形態(tài).

2.3 爆炸效果分析

對(duì)于低滲致密油氣藏而言，爆炸產(chǎn)生的裂縫越多，裂縫擴(kuò)展的距離越遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)有效溝通的裂縫也將越多，越能有效提高致密油氣產(chǎn)量.

致密砂巖試件在爆炸后，裂縫擴(kuò)展的長(zhǎng)度和裂縫網(wǎng)絡(luò)形成面積的結(jié)果如表2所示.

從表2可以看出，隨著裂縫方位角的增大，裂縫的擴(kuò)展長(zhǎng)度逐漸增加.此外，數(shù)值模擬結(jié)果還表明，當(dāng)裂縫方位角超過(guò)某一閥值時(shí)，其擴(kuò)展長(zhǎng)度開(kāi)始降低. 這主要是由于當(dāng)裂縫方位角較大時(shí)(α≥75 °)，天然裂縫幾乎很難起裂，因?yàn)榇藯l件下的應(yīng)力波傳播方向與天然裂縫方向幾乎一致，即入射角很小，應(yīng)力波在裂縫尖端形成的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力很小已不足以開(kāi)啟裂縫.相關(guān)研究表明，裂縫長(zhǎng)度的增加有利于更多的油氣通過(guò)該滲流通道進(jìn)入水力裂縫從而被開(kāi)采出來(lái)[11].因此，裂縫的擴(kuò)展長(zhǎng)度是致密油氣開(kāi)發(fā)中極為重視的一個(gè)參數(shù).

表2 試驗(yàn)爆炸后裂縫擴(kuò)展幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)

此外，根據(jù)增產(chǎn)儲(chǔ)層體積[12](Stimulated reservoi volume，SRV)概念，本研究基于平面模型提出有效增產(chǎn)儲(chǔ)層面積(Effective stimulated reservoi area，ESRA)概念，定義為：層內(nèi)爆炸復(fù)合壓裂后形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)面積，即由裂縫網(wǎng)絡(luò)的包絡(luò)線所圍成的面積稱為有效增產(chǎn)儲(chǔ)層面積.結(jié)合T1-1-1～T1-1-5致密砂巖試件爆炸后形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其包絡(luò)線所圍成的面積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示.從表2中數(shù)據(jù)可知，裂縫形成的有效增產(chǎn)儲(chǔ)層面積(ESRA)隨著裂縫方位角的增大而先增大后減小.試驗(yàn)結(jié)果表明，爆炸形成的有效裂縫網(wǎng)絡(luò)面積存在一個(gè)最優(yōu)范圍值.由于試件T1-1-3破碎程度太大，裂縫已擴(kuò)展至試件邊界，因此不能作為有效分析數(shù)據(jù).綜合分析表2的結(jié)果可以得出：當(dāng)天然裂縫的角度α較小時(shí)(α<15 °)有利于裂縫間的相互貫通形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，但裂縫網(wǎng)絡(luò)改造效果較差；當(dāng)天然裂縫方位角在30 °～60 °范圍內(nèi)，爆炸產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度和面積最大，其擴(kuò)展形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)效果最佳.

3 結(jié) 論

層內(nèi)爆炸技術(shù)可以大大提高非常規(guī)油氣藏的開(kāi)采率，對(duì)于層內(nèi)爆炸技術(shù)的相關(guān)工藝和理論探索都還在進(jìn)一步完善之中.針對(duì)目前對(duì)層內(nèi)爆炸荷載作用下水力裂縫周圍存在的天然裂縫起裂擴(kuò)展規(guī)律研究尚不完善，本研究利用致密砂巖板和乳化炸藥及聲發(fā)射儀進(jìn)行了層內(nèi)爆炸室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)水力裂縫周圍多條、共線天然裂縫在不同方位角下的起裂擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究并對(duì)爆炸后的爆炸效果做了簡(jiǎn)單評(píng)定，并得出如下結(jié)論：

1)預(yù)制裂縫擴(kuò)展后將在其新生裂縫的擴(kuò)展路徑周圍形成一定范圍的損傷區(qū)，該損傷區(qū)能較大程度上的改善油氣的滲流特性.

2)當(dāng)方位角較小時(shí)，多裂縫均能起裂擴(kuò)展，且裂縫間能相互貫通，但其遠(yuǎn)端裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度較短，形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)面積較小，且方位角在45 °～60 °范圍內(nèi)時(shí)，有利于最大程度地形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò).

3)相較于單裂縫，多裂縫的起裂擴(kuò)展模式比較復(fù)雜，其突出表現(xiàn)在裂縫間存在相互影響：其一，多裂縫的存在將在巖石中形成多個(gè)自由面，爆炸應(yīng)力波傳播至裂縫面將形成反射拉伸區(qū)，這將極大地改變裂縫的擴(kuò)展路徑，從而形成貫通裂縫，有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成；其二，多裂縫不同于單裂縫在于，離爆炸中心較近的張開(kāi)型裂縫將阻礙應(yīng)力波的傳播，致使應(yīng)力波能量產(chǎn)生極大的衰減，從而造成離爆炸中心較遠(yuǎn)的裂縫無(wú)法起裂或起裂擴(kuò)展方向的改變；其三，多裂縫的特別之處還在于，先形成的裂縫在其擴(kuò)展過(guò)程中將對(duì)后起裂的裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生抑制作用.