一种爆生气体破岩实验装置及方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于石油工程技术领域，涉及一种爆生气体破岩实验装置及方法，通过模 拟爆生气体对岩石的损伤破坏作用，研究爆生气体对井壁岩石的作用机理和破坏规律。
【背景技术】：
[0002] 非常规油气层最基本特征是地层的自然渗流能力差，需要改造才能进行经济有效 的开发。目前，用于非常规油气层改造的方法包括两大类，一是静态加载作用于地层，突出 代表是水力压裂技术；二是动态载荷作用于地层，如高能气体压裂、爆炸技术等。近几十年， 水力压裂技术得到了非常广泛的研究与应用，但由于该方法只能产生有限条裂缝，油层改 造的效果受到了很大的限制；而爆炸技术可产生辐射状的多重裂纹 [2'6]，有利于油层的充 分改造，有可能获得更好的增产效果，因而受到石油工业界越来越多的重视，所以，有必要 针对该技术的相关基础理论问题做更加深入的研究。
[0003] 炸药爆炸对岩石破坏规律的研究离不开实验，而这类实验若要取得理想结果，在 一般方法的基础上，还要考虑岩土类介质的非均质性和爆炸载荷的非稳定性等因素对实验 结果的影响。炸药的爆炸对岩石的损伤破坏作用分为两个方面：一是爆炸激波的损伤破 坏作用，二是爆炸产物的破坏作用，由于二者对岩石破坏作用机理不同，同时研究难度会很 大，因此，需要其分为两个作用过程、两种作用效果或机理来分别进行研究。对于爆生气 体作用于井筒岩石，柱孔冲击实验是一种易于实现的研究方法，文献"David W. Yang and Rasmus Risnes. Experimental Study on Fracture Initiation by Pressure Pulses. SPE 63035, 2000"公开了柱孔冲击实验，用水作为传压介质，用落锤实现冲击，载荷波形易于控 制，但是水冲击的载荷波形与爆生气体的不同，水冲击的加载速率比爆生气体的低，且没有 爆炸产生的温度变化的影响，其作用效果不能准确的体现爆生气体的载荷波形。因此，寻 求一种爆生气体破岩实验装置及方法，根据先局部后整体的原则，模拟爆生气体对岩石的 损伤破坏作用，了解爆生气体的作用机理和损伤破坏规律。
【发明内容】
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[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种爆生气体破岩实 验装置及方法，通过电点火引燃点火具中的火药后瞬间产生高压气体，冲击作用于水泥试 样的中心孔壁使其开裂，实现爆生气体的破岩实验。
[0005] 为了实现上述目的，本发明所述爆生气体破岩实验装置的主体结构包括缸体、点 火具、试样中心孔、上盖板、下盖板、上活塞、下活塞、上活塞中心孔、支撑杆、压紧螺栓、测压 螺栓、注水孔、试样、测压传感器和下活塞中心孔；外径320mm、内径160mm、高170mm的缸体 的上端设有两个上盖板，每个上盖板下方均安装有一个上活塞，两个上活塞之间留有上活 塞中心孔；缸体的下端设有两个下盖板，每个下盖板的上方均安装有一个下活塞，两个下活 塞之间留有下活塞中心孔；上活塞和下活塞之间放置有试样，试样的两端面贴有4_厚的 双面胶且抹有黄油，使试样的两端面分别与上活塞和下活塞紧密接触，试样中间留有试样 中心孔，上活塞中心孔、下活塞中心孔和试样中心孔在同一轴线上；上盖板上设置有八个压 紧螺栓，用于模拟地层压力，下盖板上设置有四个压紧螺栓和四个测压螺栓，四个测压螺栓 呈十字对称分布，用于测量整个装置内的压力变化过程；上盖板的顶端开制有注水孔，通过 注水孔向试样与缸体之间形成的环形空间注水，使试样的侧壁在膨胀时受到约束，防止二 次破坏；点火具安装在缸体中间，依次穿过上盖板、上活塞中心孔、试样中心孔和下活塞中 心孔，点火具的底端设有测压传感器，测压传感器嵌入式安装在下盖板内；下盖板的底部安 装有支撑杆，用于支撑整个实验装置。
[0006] 本发明所述点火具由点火头、导线、点火药、导热管、传火药和传火孔组成，点火具 的顶端安装有点火药，点火药内设有点火头，点火头上连接有导线，点火药的下端与导热 管连接，导热管的两侧均安装有传火药，导热管的端部开有传火孔。
[0007] 本发明所述测压螺栓采用H-610胶将应变片贴在压紧螺栓上制成，应变片为胶基 材料制成的2X4mm 2、120 Ω应变片，应变片采用全桥电路，其中，两个应变片作为测量片使 用，另两个为温度补偿片使用，在胶粘应变片的过程中，先将应变片加热到350摄氏度，保 持两小时后自然冷却，再加热到165摄氏度，保持两小时后在自然冷却至室温即得到测压 螺栓。
[0008] 本发明所述试验采用与岩石材质相同的水泥试样。
[0009] 本发明所述测压传感器采用型号CY-YD-214的压电式传感器，测量量程为 200MPa，频响大于 75kHz，灵敏度为 3. 41pC/105Pa。
[0010] 本发明实现爆生气体破岩实验的具体工艺过程为：
[0011] (1)、制备试样：采用现有技术制备饱和水泥胶沙材料、圆柱结构的试样，试样的强 度误差小于5%，直径为150_，高度为70_，中间开有直径为15mm的试样中心孔；
[0012] (2)、标定测压传感器：在标定测试系统中采用现有突然卸载法对测压传感器14 进行动态标定；
[0013] (3)、进行实验：点燃点火具，引爆点火药和传火药，点火药和传火药爆炸的瞬间产 生高压气体，高压气体的冲击力作用于试样中心孔，使试样破裂；
[0014] (4)、测量和采集实验数据：测压传感器测量试样中心孔内的气体的变化，并将气 体变化数据经现有的A/D采样传输至计算机，由计算机自动存储和分析气体变化数据，并 取出试样观察其开裂情况，完成爆生气体破岩实验。
[0015] 本发明所述标定测试系统由液压标定仪器、电荷放大器、示波器和装有采样卡的 计算机组成，其中电荷放大器选用型号YE5850准静态电荷放大器或YE5853的多通道电荷 放大器，其频率响应为0. 3-lOOkHz，液压标定仪器的频带上限比待测压力的频率（几百赫 兹）高三个量级，实验过程中选择合适的频率响应，不会因电荷放大器而产生附加的电信 号振荡。
[0016] 本发明与现有技术相比，采用专门的点火具产生爆生气体，严格控制试样强度来 制作实验用试样，而且点火具中产生的高压气体不从试样的上下端面泄漏，在试样与缸体 的环形空间注水，保证试样膨胀时侧壁受到约束，防止二次破坏；其结构简单，原理科学，操 作方便，实验数据精确，为爆生气体的作用机理和破坏规律提供了新的方案。
【附图说明】：
[0017] 图1为本发明所述爆生气体破岩实验装置的主体结构原理示意图。
[0018] 图2为本发明所述点火具的结构原理示意图。
[0019] 图3为本发明所述突然卸载法的标定程序框图。
[0020] 图4为本发明所述数据采集流程框图。
[0021] 图5为本发明实施例不同峰值压力下试样的开裂情况图。
[0022] 图6为本发明实施例炸裂的试样断口示意图。
[0023] 图7为本发明实施例试样的典型压力曲线，其中（a)为早期试样的4条裂纹时压 力变化曲线，（b)为中期试样2条裂纹时压力变化曲线。
【具体实施方式】：
[0024] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
[0025] 实施例：
[0026] 本实施例所述爆生气体破岩实验装置包括缸体1、点火具2、试样中心孔3、上盖板 4、下盖板5、上活塞6、下活塞7、上活塞中心孔8、支撑杆9、压紧螺栓10、测压螺栓11、注水 孔12、试样13、测压传感器14和下活塞中心孔15 ;外径320mm、内径160mm、高170mm的缸 体1的上端设有两个上盖板4,每个上盖板4下方均安装有一个上活塞6,两个上活塞6之 间留有上活塞中心孔8 ;缸体1的下端设有两个下盖板5,每个下盖板5的上方均安装有一 个下活塞7,两个下活塞7之间留有下活塞中心孔15 ;上活塞6和下活塞7之间放置有试样 13,试样13的两端面贴有4mm厚的双面胶且抹有黄油，使试样13的两端面分别与上活塞 6和下活塞7紧密接触，试样13中间留有试样中心孔3,上活塞中心孔8、下活塞中心孔15 和试样中心孔3在同一轴线上；上盖板5上设置有八个压紧螺栓10,用于模拟地层压力，下 盖板上设置有四个压紧螺栓10和四个测压螺栓11，四个测压螺栓11呈十字对称分布，用 于测量药品燃烧时整个装置内的压力变化过程；上盖板5的顶端开制有注水孔12,通过注 水孔12向试样13与缸体1之间形成的环形空间注水，使试样3的侧壁在膨胀时受到约束， 防止二次破坏；点火具2安装在缸体1中间，依次穿过上盖板5、上活塞中心孔8、试样中心 孔3和下活塞中心孔15,点火具2的底端设有测压传感器14,测压传感器嵌入式安装在下 盖板5内；下盖板5的底部安装有支撑杆9,用于支撑整个实验装置。
[0027] 本实施例所述点火具2由点火头16、导线17、点火药18、导热管19、传火药20和传 火孔21组成，点火具2的顶端安装有点火药18,点火药18内设有点火头16,点火头16上 连接有导线17,点火药16的下端与导热管19连接，导热管19的两侧均安装有传火药20， 导热管20的端部开有传火孔21。
[0028] 本实施例所述测压螺栓11采用H-610胶将应变片贴