亚洲最新视频在线观看|久久99精品欧美一区|丁香五月中文字幕第1网|欧美激情一区二区久久久|分享一个无毒不卡免费国产|亚洲一级裸体av无码毛片|久久精品国产曰本波多野结衣|亚洲成a人片在线观看无码专区

爆炸壓裂簡史

（一）早期的探索

爆炸采油曾經(jīng)風(fēng)行幾十年。1860年，因為打井后不出油，美國有人憤怒地向井底開槍，居然出了油。很快，1864年有人申請了用爆炸方法激勵油井的專利。那個時候主要靠自然產(chǎn)能出油，出不來就炸一下，看看是不是能出點兒油。爆炸激勵油井，到1940年代已經(jīng)成為主流技術(shù)，但是爆炸效果時好時壞，而且容易傷人毀井。在1947年美國首次現(xiàn)場試驗水力壓裂，當時雖然沒有出油，但證明在地面用液壓泵向井筒注水是可以壓裂地層的。從此水力壓裂興起，明顯優(yōu)于爆炸激勵。

從那時一直到1970年代，搞爆炸的人想了許多爆炸方案搞壓裂，仍然沒有取得好效果，水力壓裂取代爆炸方法成為大勢所趨。美國70年代有一個由企業(yè)集資的提高采收率的研究項目ERDA[2]，其中包含水力壓裂和爆炸壓裂。他們在一個頁巖地層里用炸藥放了三炮，前兩炮各用炸藥6.8噸，沒有明顯效果，甚至產(chǎn)液還有點兒下降，第三炮用炸藥4.5噸略有提升。這個試驗再一次證實，用集中藥包的爆炸沒有明顯效果。ERDA項目還在地下核爆過的巖層壓裂（1963年美國和蘇聯(lián)簽訂了禁止大氣層核試驗的條約，兩國大力做地下核爆，順帶研究了采油采氣）。

他們在1973年做過核爆炸、2000英尺厚的頁巖氣地層用氮氣泡沫壓裂。在第一段注液457m3（用氮24m3/min），注砂181噸，實驗以后平均日產(chǎn)氣180萬方。另外一段注液和注砂都加倍，平均日產(chǎn)氣540萬方。這么厚的地層被核爆炸出大量裂縫，再用壓裂的方法疏通它的裂縫，產(chǎn)氣量大得驚人。證明頁巖氣開采潛力非常大，但是核爆炸是臟的，社會不容忍，未推廣應(yīng)用。
Lawrence Livermore實驗室1979年報道[3]了核爆以后滲透率變化的實測結(jié)果。兩倍爆坑半徑處的地層，滲透率比原始的大兩個量級，更遠處則對數(shù)線性地衰減，與無量綱距離（測點到爆心距離與爆坑半徑之比）的α次方成反比。有一個核爆地層的，另一個試驗地層的。地下核爆的爆坑是一個煙筒樣的腔體，孔壁附近被壓實，滲透率猛的下降，一直降到比正常值還要低。
Sandia實驗室1981年發(fā)表文章[4]，對爆炸壓裂問題做了結(jié)論，說集中藥包爆炸后爆坑擴大，壁面附近有一個壓實圈，密度很大，切向殘留很大的壓應(yīng)力，使得滲透率顯著減少，叫做“應(yīng)力籠”。爆炸的對稱性不是那么好，所以偶然有裂縫會貫穿了密實區(qū)，一貫穿就透氣了，不貫穿就不透氣，所以它時好時壞。

該文提出消除應(yīng)力籠、改進爆炸壓裂的條件是，改善裝藥幾何狀態(tài)，就是炸藥分布鋪放；或者，削弱炸藥激發(fā)的激波幅值。由這兩個條件引申出三個發(fā)展爆炸壓裂的方向：第一是層內(nèi)爆炸壓裂，就是不采用集中藥包，使炸藥分布在面積很大的一層；第二是固體推進劑爆燃壓裂；第三是液體火藥爆炸壓裂。爆炸有爆轟、爆燃兩種形態(tài)。爆轟的時候壓力非常高，爆燃的時候壓力顯著降下來。后面兩個方向都是把爆炸壓力降下來。用于火箭的固體推進劑也可以爆轟。發(fā)射火箭的時候，如果推進劑爆轟，火箭就掉下來了。但做得好，推進劑可以按照指定的速度燃燒，就能把火箭送上天。要做到這一點，就要深刻的掌握推進劑釋放能量的形態(tài)。

（二）當前爆炸壓裂的三個方向

上世紀80年代一直到現(xiàn)在，對爆炸壓裂的探索，基本上沿著以下三個方向：第一個方向。1967年，美國人在SPE——石油界的一個大會上發(fā)表文章討論巖石縫內(nèi)爆炸機制[5]。70年代有人用硝基甲烷作為主要成分，做成液體炸藥，擠到地層進行層內(nèi)爆炸[6]。當時他們找到有可能把這個炸藥擠進去的特殊地層。第一炮炸用1.8噸的液體炸藥，產(chǎn)量提高十倍。第二炮用272公斤液體炸藥，80%擠進地層，日產(chǎn)量由0.2噸提高到6.2噸。據(jù)報道，美國和加拿大做過八次層內(nèi)爆炸實驗，其中三個油井產(chǎn)量增加1.5到7倍，還有五個氣井產(chǎn)量增加1.5到14倍。

中國科學(xué)院力學(xué)所在1996年針對低滲油氣田提出層內(nèi)爆炸壓裂的建議[7]。找到能在縫內(nèi)爆炸的炸藥，是實現(xiàn)層內(nèi)爆炸產(chǎn)油的關(guān)鍵。壓裂縫是五毫米左右，遠處也就是兩三毫米，可用炸藥起爆的臨界尺度大概一毫米多。這種藥大約可以分兩類，一類敏感液體基，比如說用硝化甘油、硝基甲烷。但是硝化甘油太危險，用硝基甲烷不是那么敏感。另一類用鈍感液體基（水或油）。力學(xué)所提出的乳狀炸藥方案需要解決四個問題，第一是乳狀炸藥怎樣注入到壓裂縫，第二是乳狀炸藥在壓裂狹縫內(nèi)能不能持續(xù)爆炸，第三是狹縫爆炸對巖層作用，第四是爆炸安全。力學(xué)所圍繞第二、第三個問題，做了一些基礎(chǔ)性工作：（1）和滲流所合作做了30克藥量小尺度模擬實驗；

（2）和廊坊壓裂中心合作做了三百克中尺度模擬實驗；（3）和中國石油大學(xué)合作研究巖石爆炸開裂和滲流強化；（5）鄭哲敏先生指導(dǎo)兩位博士先后研究沖擊開裂和乳狀炸藥在縫中爆炸的可持續(xù)性。結(jié)論是原則上有可能實現(xiàn)。另外西安石油大學(xué)研制了液體炸藥，到大慶做了層內(nèi)爆炸現(xiàn)場實驗[8]。有文章報道，但是沒有明顯的增產(chǎn)效果，實驗以后的結(jié)論是具備進一步實驗的條件。
從國內(nèi)的進展看，層內(nèi)爆炸壓裂原理可行，技術(shù)難度大，尚未突破。

第二個方向，用推進劑爆燃壓裂。美國人發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力籠以后就開始走固體推進劑爆燃這條路。Sandia實驗室先在一口深180多米的頁巖井做了推進劑爆燃實驗，原來這口井氣流很小，爆裂以后日產(chǎn)氣28方。又在一口千米深頁巖井試驗，施工前產(chǎn)氣量為日產(chǎn)142 方，施工后達到日產(chǎn)614方。美國人發(fā)展推進劑爆燃壓裂，到了80年代已經(jīng)壓了4千多口井，最深的4000米。前蘇聯(lián)做了200多口井，都是有增產(chǎn)效果的[9]。1983年美國有人提出射孔-推進劑壓裂聯(lián)合作業(yè)。90年代有一篇SPE報告，講的是射孔彈爆炸只打了一個孔，與推進劑聯(lián)動，戲劇性地提高了射孔與儲層的聯(lián)通性[10]。進入新世紀，美國人又在射孔-推進劑壓裂聯(lián)合作業(yè)之后，接著做水力壓裂[11]，發(fā)現(xiàn)顯著降低了水力壓裂的起裂壓力。

但是如果射孔-推進劑壓裂聯(lián)合作業(yè)一年后再去做水力壓力，起裂壓力就不降低了，換句話說推進劑壓裂的縫閉合了。國內(nèi)1984年開始研究井筒內(nèi)推進劑爆燃壓裂，1986年現(xiàn)場試驗初步成功，命名“高能氣體壓裂”[12]。2000年中石油在西安石油大學(xué)建了油藏改造重點實驗室——高能氣體壓裂重點研究室，發(fā)展了很多項技術(shù)。高能氣體壓裂的缺點是裂縫不夠長，它可以在近井壓裂，遠處作用不大，原因是推進劑的用量不能大。井筒是密閉環(huán)境，強約束，推進劑藥量大，燃燒就會發(fā)展成爆轟，毀傷井筒。

第三個方向——前蘇聯(lián)走的是液體火藥的路子。到了1986年，蘇聯(lián)人研制出液體火藥 ，實現(xiàn)了液體火藥爆炸壓裂。它是把氧化劑硝酸銨和可燃劑甘油混到水里面，硝酸銨、甘油都可以與水任意比例混合，再加一些添加劑（尿素、乙酸等）。硝酸銨的分解溫度是攝氏210度，甘油分解溫度是攝氏290度，因為有水，在常壓下怎么都點不著。但是在高壓條件下，水的汽化點大大升高，再強點火，這個混合液就變成了炸藥。所以它非常安全，只在特定條件下爆炸。它的爆容達到每公斤40~50摩爾氣體，跟炸藥接近，但爆溫只有1千多度，使得液體火藥爆炸，達不到高能炸藥那個爆炸程度，恰好可以將上噸的下到井里面去炸。1993年俄羅斯人到中國來推廣這項技術(shù)[13]，每口井的效果都非常好。

（三）創(chuàng)新的思路：高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂
頁巖含有黏土質(zhì)，黏土質(zhì)遇水就會膨脹，黏土質(zhì)多的頁巖不宜用水壓裂。為抑制黏土質(zhì)膨脹，美國人往壓裂液里放了添加劑，導(dǎo)致環(huán)境污染，被社會垢病。特別是，很多頁巖氣儲量在沒有水、缺水的地方。因此，開采頁巖氣需要一種新的技術(shù)——無水壓裂。

目前已經(jīng)發(fā)展了多種無水壓裂，如液態(tài)二氧化碳壓裂、液氮壓裂、液化天然氣壓裂[14]，但是沒有像水力壓裂那樣成為主流。
前文所說的液體炸藥壓裂仍然有水，層內(nèi)爆炸壓裂尚未突破，推進劑爆燃壓裂作用尺度太小，不能滿足開采頁巖氣的需要。針對這一局面，中國科學(xué)院力學(xué)研究所2013年開始探討高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂問題。

高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂示意圖

高壓可燃氣典型的成分是甲烷加空氣，甲烷與空氣中的氧生成二氧化碳和水，釋放熱導(dǎo)致爆炸。爆炸反應(yīng)后的壓力是初始壓力的若干倍，調(diào)控初始壓力就能控制爆炸壓力。

高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂的特點是什么呢？

第一，是它滿足生成縫網(wǎng)的力學(xué)條件。巖石爆炸壓裂的條件，一是爆炸造成的巖石應(yīng)力要高于其動態(tài)拉伸強度，造成的油井套管應(yīng)力要低于套管動態(tài)強度；二是壓力上升速率要足夠高；三是爆炸做功的能力足夠大。高壓可燃氣體爆炸壓力上升快，壓力大小容易控制，做功能力大，滿足這三個條件，特別適合縫網(wǎng)壓裂。第二，是它環(huán)境友好，對地層沒有傷害，對環(huán)境也沒有傷害。

第三，是價格低廉，經(jīng)濟可行?？諝獠灰X，需要的是把空氣壓縮了。甲烷比液態(tài)二氧化碳、液氮等便宜。第四，是比較容易操作，容易實現(xiàn)分段壓裂和重復(fù)壓裂。第五，是裝備規(guī)模比水力壓裂小許多，較易實現(xiàn)和實施。

爆炸壓裂不能攜帶支撐劑，這是它最大的缺點。頁巖氣滲流縫隙尺度可以顯著小于原油滲流的縫隙尺度，剪切裂縫和巖屑的自支撐作用，這兩種效應(yīng)是否能彌補無支撐劑對頁巖氣滲流的影響？有待實驗和工程檢驗。另外一個缺點，爆炸產(chǎn)物含水。這個水是高溫高壓的蒸汽，化學(xué)當量比是18%。隨溫度下降，爆炸氣體壓力逐漸下降，蒸汽將凝結(jié)成水。如果在氣壓降到比巖石的強度還要低的時候趕緊返排，水蒸汽的問題也許可以解決。

再一個問題就是爆炸安全，需要研制適應(yīng)爆炸的專用技術(shù)裝備。由于氣體爆炸壓力限制在套管強度許可范圍內(nèi)，套管是安全的，但須注意固井水泥界面是否會開裂。另外，還要嚴格遵守爆炸安全規(guī)程，不遵守規(guī)程肯定要被懲罰。

美國人1994年提出過氣體爆炸專利，方案是把可燃氣體壓到地縫里面去起爆[15]?？扇細怏w爆炸，臨界尺度較大，小尺度炸不了。實現(xiàn)地縫這樣小尺度可燃氣體爆炸，需要非常高的初始壓力，所以那個專利難以實現(xiàn)。力學(xué)所的方案是在井筒里面炸，初始壓力容易控制到合理值，應(yīng)當是一個可行的方案。

可以說，可燃氣體爆炸是發(fā)展爆炸壓裂的第四個研究方向，迄今尚無成功先例。研發(fā)高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂，肯定會遇到目前不知的困難。需求呼喚創(chuàng)新，采油的人和搞爆炸的人緊密合作是創(chuàng)新成功的要素。在缺水地區(qū)開采頁巖氣需要新的技術(shù)突破。筆者期待，高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂，能另辟蹊徑，為我國達成開采頁巖氣的戰(zhàn)略目標做出貢獻。