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高能气体压裂火药体系及爆燃特性研究

作　者: 孙灵安
导　师: 蒲春生
学　校: 中国石油大学
专　业: 油气田开发工程
关键词: 火药体系密闭爆发器爆燃动力学模型 P～t曲线燃速图版
分类号: TE357.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高能气体压裂(HEGF)又被称为爆燃压裂,到目前为止,对该压裂技术的研究还是停留在定性的水平。现场的设计施工,比如火药的装药量,火药的火药力以及火药燃速的大小,多凭经验。而不能根据油藏的具体情况,来选择火药爆燃的最佳方式。针对上述存在的问题,本论文广泛调研了压裂现场常用的火药,并对这些火药的爆燃特性进行了研究。在调研压裂现场常用火药的基础上,组建了火药爆燃特性实验研究所需的整套设备,包括密闭爆发器、压力标定机、高频压力传感器、函数信号发生器、数据采集处理装置、压力时间曲线(P~t曲线)的测试软件。利用上述的实验设备,对硝化棉火药、射钉枪火药与双芳-3火药进行密闭爆发器内的试验测试,结合火药燃烧速度的计算公式,绘制出这3种火药的燃速图版。由火药的燃速图版,可以定量的描述出火药在一定压力下燃烧速度的大小,然后以不同燃速的火药进行组合,通过合理的装药结构,使其在井筒内有规律的爆燃,进而产生多个脉冲波对岩层连续加载压裂,形成更长的多裂缝体系,提高和改善了地层的渗透导流能力。因此,多级燃速燃爆诱导压裂技术大大提高了装药量和压裂能量的利用率,延长了对地层的作用时间,进而加强了对地层的压裂效果。在火药燃速公式的基础上,推导建立火药爆燃的速度几何模型、火药爆燃的质量守恒模型、火药爆燃能量守恒模型以及火药爆燃后的井筒温度的计算模型。利用这些模型,可以准确预测硝化棉火药、射钉枪火药与双芳-3火药的P~t曲线。论文在已有研究成果的基础上,建立了井底环境下火药爆燃的动力学模型,可以定量化火药爆燃过程中压力与温度变化规律。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-26
  1.1 论文研究的目的及意义  10-11
  1.2 HEGF 的作用机理及国内外研究现状  11-16
    1.2.1 高能气体压裂的作用机理  11-12
    1.2.2 高能气体压裂的国内外研究现状  12-13
    1.2.3 高能气体压裂的增产效果评价及其产生裂缝状况  13-15
    1.2.4 高能气体压裂的发展方向  15-16
  1.3 高能气体压裂火药体系  16-24
    1.3.1 火炸药的分类用途配方及其爆燃特性  17-18
    1.3.2 固体推进剂的分类配方及爆燃特性  18-21
    1.3.3 发射药的分类用途配方及其爆燃特性  21-24
  1.4 研究内容与技术路线  24-26
    1.4.1 研究内容  24
    1.4.2 技术路线  24-25
    1.4.3 研究目标  25-26
第二章高能气体压裂 P～t 测试装置  26-36
  2.1 火药爆燃实验系统的组成及相关仪器简介  26-29
    2.1.1 高能气体压裂火药爆燃实验系统的组成  26
    2.1.2 密闭爆发器及其实验固定平台  26-27
    2.1.3 高频压力传感器及压力标定机  27-28
    2.1.4 函数信号发生器及数据采集处理装置  28-29
  2.2 密闭爆发器的设计及研制  29-32
    2.2.1 密闭爆发器的组成及其功能简介  30
    2.2.2 密闭爆发器的结构示意图及设计  30-31
    2.2.3 密闭爆发器性能测试  31-32
  2.3 密闭爆发器测试系统  32-36
第三章火药爆燃过程的动力学模型  36-49
  3.1 火药爆燃相关参数分析  36-41
    3.1.1 几何燃烧定律  36
    3.1.2 火药质量燃速  36-37
    3.1.3 井筒爆燃火药的装填密度  37-38
    3.1.4 火药燃速的压力指数  38
    3.1.5 火药爆燃的峰值压力  38-39
    3.1.6 火药燃烧升压时间控制  39-40
    3.1.7 火药燃速与火药性质的关系  40-41
  3.2 火药爆燃的物理模型  41
  3.3 火药爆燃的数学模型  41-49
    3.3.1 火药爆燃速度几何模型  41-42
    3.3.2 火药爆燃质量守恒模型  42-44
    3.3.3 火药爆燃能量守恒模型  44-45
    3.3.4 火药爆燃过程的动力学模型  45
    3.3.5 火药爆燃加载过程模型的求解  45-46
    3.3.6 火药爆燃井筒温度的计算  46-49
第四章高能气体压裂 P～t 曲线测试  49-64
  4.1 硝化棉 P～t 曲线测试  49-55
    4.1.1 质量为3g 的硝化棉爆燃后的P～t 曲线测试  49-51
    4.1.2 质量为4g 的硝化棉爆燃后的P～t 曲线测试  51-52
    4.1.3 硝化棉在不同点火方式下的P～t 曲线测试  52-55
  4.2 射钉枪药 P～t 曲线测试  55-59
    4.2.1 质量为3g 的射钉枪药的P～t 曲线测试  55-57
    4.2.2 质量为4g 的射钉枪药爆燃后P～t 曲线测试  57-59
  4.3 双芳-3 火药的P～t 曲线测试  59-63
    4.3.1 质量为3g 的双芳-3 火药P～t 曲线测试  59-61
    4.3.2 质量为4g 的双芳-3 火药P～t 曲线测试  61-63
  4.4 本章实验小结  63-64
第五章火药的燃速曲线  64-72
  5.1 火药燃速的计算公式  64
  5.2 火药的压力指数与燃速系数的计算  64-68
    5.2.1 火药的压力指数与燃速系数的计算公式  65
    5.2.2 硝化棉火药的压力指数与燃速系数的计算  65-66
    5.2.3 射钉枪火药的压力指数与燃速系数的计算  66-67
    5.2.4 双芳-3 火药压力指数与燃速系数的计算  67-68
  5.3 火药的燃速曲线  68-72
    5.3.1 硝化棉火药的燃速曲线  68-70
    5.3.2 射钉枪火药的燃速曲线  70-71
    5.3.3 双芳-3 火药的燃速曲线  71-72
第六章结论  72-73
参考文献  73-77
致谢  77

高能气体压裂火药体系及爆燃特性研究

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