一种基于含能材料配方的冲击波波形调整方法

2020-06-04杨万有郑春峰

钻采工艺 2020年2期

李昂, 杨万有, 郑春峰, 赵展

(1中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2西安交通大学电气工程学院 3电力设备电气绝缘国家重点实验室)

在我国2020年的能源规划中，以煤炭、石油、天然气为主的化石能源仍占一次能源消费的85%左右[1]，化石能源的可持续开发是目前能源领域的重大课题，开发前对储层进行合理有效的改造是亟需突破的关键技术。

目前，储层改造的措施主要是静力学或动力学方法。水力压裂是静力学改造方式的代表[2]，但水力压裂需要注入大量的压裂液，压裂液与储层的配伍性差会导致储层二次伤害。近年来，研究人员先后提出了高能气体压裂、深孔预裂爆破等措施，以动力学方法产生冲击波，以致裂储层或提高储层渗透率[3-5]。这些方法的特点是单次整体加载，要想达到理想的作业效果，必须增大冲击波峰值和冲量，对油气井筒结构强度提出了严苛要求，探索新的储层改造方式势在必行。

为此，西安交通大学的邱爱慈、张永民团队提出了一种能在井筒中对储层实施重复加载的可控冲击波技术[6]。该技术的原理是：以电爆炸等离子体驱动含能材料，将电能和化学能转换为冲击波作用于储层。由于可控冲击波产生器可以重复运行，可控冲击波技术的单次幅值和冲量被控制在井筒的破坏阈值以下，通过多次重复作用效应提高对储层的改造效果，同时保证井筒安全和储层无伤害[7]。

可控冲击波技术在能源开发领域的应用是创新性的，虽然已开展了大量的探索性应用研究，并根据不同的储层需求，对含能材料配方做了很多调整和优化，但目前尚缺乏系统的整理和分析。

本文通过对在其它储层条件下应用且取得成功效果的几种含能材料配方进行分析，给出对现有含能材料配方、质量、制备工艺与有效作用储层的关系，结合现有含能材料实际应用实例，给出每种配方与储层条件的优化对应关系和适用条件。

一、可控冲击波技术

脉冲功率技术是研究能产生各种强电脉冲功率输出的技术。它以慢的方式储存能量，借助各种开关的快速切换实现脉冲压缩、功率放大，用很短的时间、很高的强度以单个脉冲或受控的重复脉冲形式，将能量瞬间释放给负载[8]。

在脉冲功率技术基础上发展起来的可控冲击波技术，可以达到幅值和冲量可控、作用区域可控、重复作用次数也可控的效果。其中，幅值和冲量可控是指通过改变含能材料的配方和质量，将冲击波的幅值和作用时间控制在储层抗压强度之上、井筒钢材的强度之下；作业区域可控是指通过设计冲击波输出窗口，使冲击波作用于储层有限区域，而不用通过封隔器强制分段；重复作用次数可控是指可根据需要储层条件，控制设备产生相应次数的冲击波，可以通过移动设备的位置，实现对整个储层的作用。

相比于其他冲击波产生方法，由金属丝电爆炸驱动含能材料产生冲击波法具有以下优势：①单次用药量小，选择合适的含能材料可使套管和筛管不受损伤；②利用等离子体的瞬时局部高温高压引爆，安全、效率高；③多点、多次可控作业，可根据储层条件灵活调整。

二、实验平台及测量系统

本文采用金属丝电爆炸对含能材料的驱动特性综合实验平台[9]。其中，冲击波产生器主要由调压器、变压器、储能电容、开关、电缆、腔体以及负载构成；测量系统主要由罗氏线圈、电容分压器、冲击波探头、示波器及其隔离电源系统组成。实验腔体的直径为150 cm，高130 cm；换能装置由行吊控制，可垂直置于腔体内任意指定位置；换能装置上装有自制的电容分压器和Pearson 101线圈，分别用于金属丝电爆炸过程中的电压和电流测量。

在冲击波测量方面，本文采用了基于力学传感器的冲击波测量系统，实验中，通常将两只压力传感器垂直固定于水中，通过调整其下端敏感元件与金属丝中心(即含能负载几何中心)的水平距离，即可采集不同位置处的冲击波压强时间历程曲线。

三、实验结果与讨论

根据现有的不同储层参数，首先制定各自所需的冲击波波形参数。综合渤海及南海东部地区储层参数特点，现制定适用冲击波参数如表1所示。

表1 不同储层适用冲击波参数

注：σ为储层的抗拉强度。

根据以上设计需求和要素，分别选择了两种粒径的铝粉作为燃烧剂，四种粒径高氯酸盐作为氧化剂，两种硝酸盐调整爆速，并辅以石蜡、葵二酸二辛脂等脂类物质作为包覆剂，制备了三种装药量、共16种配方的聚能棒。

首先，测量了不同装药量含能材料产生冲击波波形，如图1所示。当装药量增大时，冲击波压强峰值明显提高，冲击波的脉宽(波尾的宽度和幅值)显著增大。而在冲击波工作时，真正能作用到储层的是波尾这一部分能量。

图1 不同装药量含能材料产生冲击波波形

进一步分析面积冲量随装药质量的变化关系，如图2所示。随着装药质量的增加，面积冲量呈现一定的增长但并非线性增长。这很可能是与不同装药量聚能棒的装药工艺有关，当装药密度太大时，含能材料在管内被压实，其内部的空气间隙减少，反应趋向负氧平衡，含能材料未能完全燃烧，反应未能进行至最终的分解产物，故而无法完全释放其化学能。

图2 冲击波面积冲量与装药质量的关系

分析以上试验，发现金属丝电爆炸过程中，由汽化和放电等离子体通道膨胀产生的冲击波将是驱动含能材料的主导因素。这是因为在含能材料颗粒之间存在大量的空气间隙，根据热点理论，当冲击波前沿到达时，间隙中的空气或者其他缺陷因热容较小会出现局部高温区域，并导致非均匀起爆。起爆后的反应，便是含能材料发生的自持、稳定的爆轰反应，释放大量的化学能并加强冲击波。如果反应速率足够快，那么由化学反应生成的大量气体将极速膨胀，逐渐形成超声波。随后，这个超声波会脱离气相产物，追赶金属丝电爆炸相变产生的冲击波，并与前者融合。由化学反应产生的气相产物将会进一步增强冲击波的第二峰，提高面积冲量。

含能材料在等离子体驱动下发生爆炸是一个很复杂的过程，其配方中的不同成分对整个爆炸过程的贡献是不同的[10]。为了满足不同储层对冲击波幅值和脉宽的需求，设计了几种配方的复合含能材料，通过实验得到了不同参数的冲击波波形。图3是其中四种配方的波形，冲击波波形的主要参数包括前沿、主峰峰值和宽度、波尾幅值和宽度。当快爆速材料占优时，会得到一个前沿快、主峰峰值高、波尾幅值较低的波形，如2#、3#；当增加低爆速材料的组分时，主峰前沿会有所降低，但波尾的幅值和宽度都会有大幅度增加，而增加脉冲宽度将直接提高冲击波的面积冲量，进一步提高冲击波的威力，这种波形对低渗透储层的作用是非常有利的。通过以上调整原则，得到了脉冲宽度为40 μs、100 μs、250 μs、500 μs的冲击波。此外，以保证安全性还需对材料进行钝化，这会降低冲击波幅值，拉缓前沿，延长波尾，如1#波形有利于近井地带解堵。

图3 添加不同爆速的含能材料调整冲击波波形

由于引入的含能材料属于有机含能化合物，其内部存在着诸如共轭π键等共价键，其含能键多为N-NO2，因此其起爆原理与之前的配方可能存在着差异。例如，除冲击波外，金属丝电爆炸产生的光辐射，也可能作为驱动因素。而不同于冲击波起爆的是，光辐射起爆更具微观性，其直接作用对象是含能材料分子中的含能化学键。当能量足够时，光子能量可直接致裂含能键，诱使含能材料的起爆。因此，不同于冲击波起爆下的能量用于晶相过渡和分子活化，直接作用于分子内原子尺度化学键的光辐射起爆将更具效率。

而对于添加互为同系物的含能化合物来说，如果金属丝驱动含能材料的作用仅为在化学键层面的光辐射，那么此两种猛炸药的驱动机理应该是完全相同的。实验表明，该驱动作用不仅是在化学键层面上的单一因素，而是多因素共同作用的结果。

最后，通过降低含能混合物的粒径可以进一步提高冲击波的压强幅值，如图4。当含能混合物的粒径由手工研磨逐步降到几微米尺度时，产生冲击波的压强峰值明显提高，从最初的5.7 MPa升至最终的13.9 MPa。原因是含能混合物粒径的减小将更有助于在颗粒间形成大量微小气隙，进而形成大量的热点，并最终提升含能材料的爆炸性能。

图4 含能混合物粒径对冲击波幅值的影响

从某种角度来看，细化粒径比一味地增加含能材料密度更加具有优势[11]。结合“热点”理论可知，增加装药密度或者减小粒径都将使含能材料颗粒间距递减，将更利于含能材料的传爆。由Kamlet-Jacobs公式可知，对于同种混合炸药，实际装药密度越大，爆速就越高，即爆轰波通过药柱的速度越大，而爆速大者其爆轰反应产生的压力也大，猛度也大。但同时其也存在着一定局限性，装药密度如果过大也可能导致熄爆，即存在“装药临界密度”。而粒径减少至微米级别甚至纳米级别则没有此限制，将含能材料颗粒看作一个光滑球体时，降低半径将进一步增加其比表面积，增加颗粒与颗粒之间的接触面积，从而进一步提升传爆效果。