爆炸激波对水泥试样损伤规律研究

论文摘要

随着石油工业的发展,低渗透油田在石油开发中的地位越来越重要,但目前利用爆炸技术改善低渗透油藏的效果还不够理想。分析认为主要原因是该技术的理论研究还不够完善,目前还存在不少问题急需深入研究,其中爆炸载荷作用下储层岩石的破坏规律就是一个较为重要的理论问题。为此,本文开展了爆炸激波对水泥试样损伤规律研究。本研究成果对于促进爆炸增产技术的发展具有重要理论意义和实用价值。本文首先提出了炸药距小水泥试样一定距离损伤的实验方案和炸药紧贴大水泥试样表面损伤的实验方案（图2-1和2-2）,并设计了操作流程。测得水中激波波速为15001550m/s,并得到了激波在水中的衰减规律（式3-16）,为小水泥试样的损伤实验奠定了基础。观测到了激波掠过后水泥试样中裂纹形貌的分布规律;分析了激波在水泥试样中的传播过程及裂纹的起裂扩展机理;推导了激波在水泥试样中的衰减规律（式3-21和3-33）。推导了激波压力与波速的关系,实现了激波压力的间接测量。研究发现损伤区的尺度与装药当量半径有较好的线性关系（式3-59和63）。在实验研究的基础上,用数值模拟的方法分析了激波在水和水泥试样中的传播过程及激波在界面上的反射和透射现象。计算了激波在水中的传播速度,且与实验结果一致。对比数值模拟分析结果和实验分析结果,发现二者吻合较好。最后对爆炸激波作用后水泥试样的损伤程度做了定量评价研究。建立了基于相对损伤度、裂缝孔隙度和裂缝渗透率等指标来定量评价水泥试样损伤程度的方法,并确定拉伸损伤区为主要评价区。测量了损伤评价所需要的参数,发现水泥试样的均匀性较好。研究发现激波峰值压力与动态抗拉强度之比是影响爆炸后水泥试样弹性波速的主要因素（式5-50）;推导了环向拉伸应力与激波压力之间的规律（式5-68）;研究了无量纲弹性波速、相对损伤度随无量纲环向拉伸应力之间的变化规律（式5-69和77）;讨论了相对损伤度、裂缝渗透率和裂缝孔隙度之间的定量关系（式5-82和90）。推导了裂缝渗透率随无量纲环向拉伸应力的变化规律（式5-96）,探索了使试样产生大量微裂纹并最大幅度提高渗透率的动载荷条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究问题的提出及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 利用爆炸增产技术改造低渗透油藏的研究现状
• 1.2.2 动载下岩石损伤的研究现状
• 1.2.3 动载下岩石损伤的描述方法
• 1.2.4 动载下岩石损伤评价方法研究进展
• 1.3 目前存在主要的问题及本文研究内容
• 1.3.1 目前存在的主要问题
• 1.3.2 本文研究内容
• 第二章 实验方案设计及实验准备
• 2.1 实验方案设计
• 2.1.1 炸药距小水泥试样一定距离损伤实验的方案设计
• 2.1.2 炸药紧贴大水泥试样表面损伤实验的方案设计
• 2.2 实验准备
• 2.2.1 水泥试样
• 2.2.2 炸药
• 2.2.3 爆炸水箱
• 2.2.4 激波压力传感器
• 2.2.5 实验数据采集系统
• 2.2.6 其它设备（材料）的准备
• 2.3 本章小节
• 第三章 爆炸激波对水泥试样损伤实验研究
• 3.1 水中爆炸激波冲击实验研究
• 3.1.1 水中爆炸激波实验方法及步骤设计
• 3.1.2 水中激波波速的测量
• 3.1.3 水中激波波系分析
• 3.1.4 激波在水中的衰减规律分析
• 3.2 炸药距小水泥试样一定距离的损伤实验研究
• 3.2.1 实验条件的探索
• 3.2.2 实验步骤设计
• 3.2.3 实验现象描述及成因分析
• 3.2.4 爆炸激波在水泥试样中的传播规律分析
• 3.2.5 激波在水泥试样中衰减规律的分析
• 3.3 炸药紧贴大水泥试样表面的损伤实验研究
• 3.3.1 实验条件摸索
• 3.3.2 实验步骤设计
• 3.3.3 实验现象描述及原因分析
• 3.3.4 激波在水泥试样中传播过程及裂纹起裂扩展机理分析
• 3.3.5 激波在水泥试样中的衰减规律分析
• 3.3.6 激波压力与波速关系推导
• 3.4 损伤尺度影响因素分析
• 3.4.1 压剪损伤区尺度影响因素分析
• 3.4.2 拉伸损伤区影响因素分析
• 3.5 本章小节
• 第四章 爆炸激波对水泥试样损伤数值模拟研究
• 4.1 LS-DYNA算法介绍
• 4.1.1 LS-DYNA程序简介
• 4.1.2 LS-DYNA的基本方程
• 4.1.3 LS-DYNA的基本算法
• 4.1.4 模拟中的几个重要问题
• 4.2 水中爆炸激波的数值模拟研究
• 4.2.1 网格划分与材料参数的选取
• 4.2.2 模拟结果分析
• 4.3 炸药距小水泥试样一定距离爆炸损伤数值模拟研究
• 4.3.1 几何模型建立
• 4.3.2 模拟结果分析
• 4.4 炸药紧贴大水泥试样表面爆炸的数值模拟研究
• 4.4.1 几何模型的建立
• 4.4.2 模拟结果分析
• 4.4.3 正式试样的模拟分析
• 4.5 本章小节
• 第五章 爆炸激波作用后水泥试样损伤定量评价研究
• 5.1 评价方法的建立及评价损伤区域的确定
• 5.1.1 评价方法的建立
• 5.1.2 评价损伤区域的确定
• 5.2 评价所需参数的获取
• 5.2.1 岩心的获取和养护
• 5.2.2 弹性波速测量及弹性参数计算
• 5.2.3 裂缝孔隙度的测量
• 5.2.4 渗透率的测量
• 5.3 爆炸激波作用后水泥试样损伤程度定量评价研究
• 5.3.1 无量纲的弹性波速随无量纲环向拉伸应力的变化规律
• 5.3.2 相对损伤度随无量纲环向拉伸应力的变化规律
• 5.3.3 相对损伤度和裂缝孔隙度之间的关系分析
• 5.3.4 渗透率随孔隙度之间的变化关系
• 5.4 最佳动载荷的探索
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介