引言

爆燃压裂也称高能气体压裂或气体脉冲压裂，是一项针对低渗透储层增产的低成本、中等改造规模的压裂技术，在中国石油行业中研究并规模应用已三十余年^[1-3]。目前，国内研究的重点主要在于火药产生的爆生气体对小型岩石损伤及裂缝扩展理论模型方面^[4-8]。中、美等国仅在技术发展早期在废弃的坑道或巨石中进行过实验^[9]。国内学者主要利用霍普金森法压杆装置、(落锤式)岩石力学动载实验机^[10]、岩石动态损伤模拟实验装置进行室内模拟^[11]，鲜有大型地面模拟实验的研究报道，且对于岩样致裂及造缝效果实验研究相对偏少。

此外，中国科学院力学研究所丁雁生团队提出的层内爆炸技术^[12-16]、西安交通大学邱爱慈、张永民团队提出的可重复强电冲击波技术^[17-18]，均会对岩样进行起裂造缝，但爆燃压裂技术的造缝效果与之相比有较大区别。

为更好模拟爆燃压裂技术的破岩效果和裂缝形态，并鉴别与层位爆炸、可重复强电冲击波技术之间的造缝区别，中海油研究部门联合西安石油大学进行了相关实验研究。

1 水泥试样致裂实验

实验目的：测试不同类型爆燃压裂火药对大型岩样致裂及造缝效果。

岩样选择：目前该技术暂无相关破岩及岩样选择的实验标准，考虑到疏松岩石、致密岩石等不同岩样孔渗、力学等参数变化较大，且不具标准性，同时大型岩样采样困难，越疏松的岩样越无法固定成型，实验时也会影响裂缝起裂效果，技术产生的高压极易冲散疏松岩样，无法观察实验效果。因此，借鉴目前国内射孔及爆炸等技术模拟实验方法^[13-16]，并参考行业标准SY/T 5891.1—1999《油气井射孔器检测用混凝土靶制作规范》将水泥、砂和水按标准比例制作了直径1 600 mm、高1 000 mm的大型水泥试样靶。同时考虑地应力对裂缝无影响^[9]，但未有地层压力，会影响峰值压力以及与之对应的造缝效果，但通过调整火药用量来解决该问题，因此地面实验不施加围压和垂向压力。

实验流程：制作带有模拟射孔孔眼的套管，并在套管外浇筑水泥，固化养护后，为一组试样靶盘。将爆燃压裂常用的火药或推进剂和铜柱测压器放入靶盘内，并加满清水，拧紧套管盖帽，并将引爆电线从盖帽的4 mm中心孔穿出，起爆器充电点火起爆，观察水泥试样破坏情况以及产生裂缝情况。

1.1 水泥试样靶制作

套管预处理：采用海上油田常用的$\phi$244.5 mm套管，两端梯形螺纹，无螺纹段长度900 mm，两端车公扣并配套母扣盖帽。以螺纹退刀槽以上50，200和350 mm处以90°四相位开孔12个，每个孔模拟127 mm射孔弹的穿孔出口，使用内径12.5 mm，外径20 mm，长度120 mm的厚壁钢管焊接在对应12个孔上，使用胶带密封，防止水泥试样靶浇筑时混入水泥。

靶壳制作：使用2.5 mm钢条焊接内衬4 mm三合板制成外径$\phi$1 600 mm$\times$1 000 mm靶壳。

水泥试样靶制作：将地面基坑位置铲平、夯实，放上靶壳，再将套管一端盖帽拧紧向下居中放置于靶壳中心，采用A级油井水泥、泥质含量少于3%的干河砂、淡水，按1.0：2.0：0.5的质量比，充分搅拌均匀后，在靶壳与套管间进行浇筑，浇筑至高度1 000 mm时将靶面抹平，养护28 d，水泥试样靶($\phi$1 600 mm$\times$1 000 mm)制作完毕后，如图 1所示，其强度在20$\sim$30 MPa。

1.2 火药选择及组装

目前，爆燃压裂技术根据施工井的井温情况，一般120 ℃以上使用航天复合推进剂，120 ℃以下使用军工双基药或航天复合推进剂，实验采用现场常用的航天复合推进剂规格为$\phi$76 mm$\times$500 mm(4.00 kg)，军工双基药规格分别为外径$\phi$69 mm$\times$500 mm(2.50 kg)，$\phi$60 mm$\times$500 mm(2.00 kg)，$\phi$55 mm$\times$500 mm(1.75 kg)。火药内径为20 mm。

将铝尾堵装上密封圈，在密封面涂黄油后与内置硬铝合金管的复合药推进剂一端连接，按实验要求装填点火药块24$\sim$30 g，将电起爆器套密封圈，密封面涂黄油与复合药推进剂另一端连接，使用仪表检测起爆器电阻看是否能满足起爆要求。实验用火药及器材如图 2所示。

2 实验现象与结果 2.1 不同类型火药对水泥试样致裂情况

采用的航天复合推进剂规格为$\phi$76 mm$\times$ 500 mm(4.0 kg)，采用的军工双基药规格为$\phi$69 mm$\times$500 mm(2.5 kg)，共进行了5组水泥试样致裂实验。实验结果如图 3$\sim$图 5和表 1所示。

实验可均取得了水泥试样靶100%致裂效果，裂缝条数在3$\sim$4条。另外由于复合推进剂的峰值压力为45 MPa，远高于水泥试样靶强度，其中一组实验，由于实验前拆掉靶壳，水泥试样靶炸成4块，直接飞出5 m以上。因此，考虑安全问题，后续有两组靶未拆靶壳，缝宽因此受到影响，有靶壳的缝宽顶部为2$\sim$3 cm，中部1$\sim$2 cm。采用双基药进行实验，不带靶壳的水泥试样靶，缝宽顶部8$\sim$10 cm，中部2$\sim$5 cm，同时部分裂缝缝宽顶部2$\sim$3 cm，中部1$\sim$2 cm，总体而言，顶部裂缝缝宽大于中部。

同时，拆开水泥试样靶后，观察到高温气体对水泥靶产生的冲蚀痕迹(图 6)，痕迹长约10$\sim$15 cm。

2.2 减少火药用量后对水泥试样致裂情况

实验时，为了验证减少火药用量是否会对爆燃压裂裂缝产生影响，采用军工双基药，其规格分别为$\phi$60 mm$\times$500 mm(2.00 kg)、$\phi$55 mm$\times$500 mm(1.75 kg)共进行了4组水泥试样致裂实验。实验结果如图 7和表 2所示。

结合表 1、表 2所示的实验结果，双基药在2.50，2.00，1.75 kg这3种用量情况下，随着火药量不断减少，裂缝条数从3$\sim$4条，降低为2条；裂缝缝宽从顶部8$\sim$10 cm，中部2$\sim$5 cm，降低为最小顶部0.1$\sim$0.2 cm，中部小于0.1 cm。此外，铜柱测压器检测显示峰值压力从32.7 MPa下降为19.5 MPa，并对照几组实验过程情况，气体释放时间也逐渐减少。分析认为，火药用量降低，火药产生的高能气体量减少，峰值压力呈下降趋势，因此，降低了水泥试样靶裂缝起裂效果。

同时，该实验也观察到与前面实验类似的情况，即顶部缝宽要大于中部缝宽。

3 储层致裂机理对比分析

爆燃压裂技术的核心之一为火药，而火药按用途可以分为火炸药、发射药和推进剂，火炸药是具有爆炸性的火药，如射孔使用的黑索金(RDX)、奥克托金(HMX)等；发射药主要是枪、炮等武器火药，爆燃压裂技术在国内早期主要是跟军工合作才推动技术发展，使用的就是以硝化甘油、硝化纤维等为主的火药，如双基药；推进剂是用于航天火箭发射的发动机固体火药，爆燃压裂技术为适应更耐温的井况，而20世纪在90年代起使用推进剂。

火炸药产生的爆炸在有限空间和极短时间内，迅速释放大量能量或能量急剧转化的过程，具有尖脉冲波，且燃烧速度与环境无关的特点，燃烧速度多为km/s计量；而发射药和推进剂的燃烧一般由可燃物与助燃物发生剧烈的一种发光、发热的氧化反应，具有平缓的压力脉冲波，且燃烧速度受环境温度、压力影响的特点，燃烧速度多为(mm$\sim$m)/s计量。

根据岩石力学基础理论，储层岩石等脆性材料的裂缝形态主要受井筒内压力的上升时间决定，当时间大于10$^{{\rm -2}}$ s时，储层将沿着垂直于最小主应力方向产生一条裂缝，如水力压裂技术的裂缝形态；当压力上升时间在10$^{{\rm -6}}$$\sim$10$^{{\rm -3}}$ s时，地层将产生多条径向裂缝，如爆燃压裂技术的裂缝形态；当压力上升时间小于10$^{{\rm -7}}$ s时，地层将受到破坏，产生破损带压实储层^[9]，如层内爆炸技术的爆炸裂缝形态。

理论也指出由于爆燃压裂的火药燃烧速度较快，升压时间为毫秒级，能量传递较快，因而不受地应力控制，可形成径向入射状多条短裂缝^[9]，该技术在长庆油田、南海东部油田等底水油帽油藏中大量使用，也验证裂缝不受地应力的影响^[19-25]。

爆燃压裂在国外应用的早期就曾使用火炸药，而现代军工火药以及航天推进剂的发明，满足现在升压时间，也增加了井筒及储层安全，再对比现有的层内爆炸技术、可重复强电冲击波技术，在考虑了升压环境、工艺参数等条件下，结合国内研究认识^[13-18]，3种不同技术的特征如表 3所示。

层内爆炸技术也会使用火药，同样能对岩样进行起裂造缝，但爆炸裂缝形态以数量繁多且杂乱的短裂缝为主，有明显的破坏区和损伤区，见图 8^[16]。

主要原因为层内爆炸技术使用的火药为火炸药，它是军工方面的塑性炸药，成分上是黑索金、环氧树脂及少量机油，跟射孔采用的火药属于同一类物质，并且使用探针法测得该炸药的爆速为6 900 m/s^[13-16]，由于燃烧速度较快，压力上升时间短，因此，对水泥试样致裂产生的裂缝形态才会与爆燃压裂技术具有较大区别。

此外，可重复强电冲击波技术为近几年发展起来的一项储层致裂技术，它主要以功率脉冲与放电等离子体为基础，将含能材料包裹在金属丝周围，利用金属丝电爆炸产生等离子体驱动含能材料释能的技术。它是在水中高压放电、金属丝电爆炸基础上，复合含能材料，进一步发展起来的一项技术^[17-18]。该技术核心之一为脉冲功率负载，即以各种物理原理将高功率电磁能量转换为所需要的能放量形式，在有限的空间和有限的时间内形成各种极端条件下的物理环境，以达到一般功率条件下达不到的目的。脉冲功率负载的作用时间有ns级，ms$\sim$μs级等区别，ns级的负载主要常见的有X射线、激光、微波等，ms$\sim$μs级的负载主要应用于军工中，包括电磁炮、高能激光武器等，而可重复强电冲击波技术的作用时间属于此区间范围，根据压力—时间测试显示，技术作用时间为μs级，峰值压力可达100 MPa以上，在与西安交通大学的研究团队在评价可重复强电冲击波技术对海上油田筛管完井油水井的力学性能实验中显示，冲击波在$\phi$139.7 mm筛管内壁处的压力为177$\sim$214 MPa，在$\phi$244.475 mm套管内壁处的压力为93$\sim$110 MPa，冲击波作用时间为30$\sim$50 µs，对水泥靶产生的裂缝也以数量较多的短裂缝为主，如图 9所示。而爆燃压裂的作用时间为ms级，峰值压力为20$\sim$130 MPa，升压速度间具有3个数量级的差别，也决定了技术之间造缝效果的不同。

由此可见，爆燃压裂技术具有不受地应力影响，不压实储层的技术特点，且适应井况范围广，在近井微改造及解堵方面具有优势，最适合在近水储层中进行使用^[19-25]。但层内爆炸技术的规模改造效果、可重复强电冲击波技术能够多层多次实施的技术优势是爆燃压裂不可比拟的。

4 结论

（1）爆燃压裂火药能够破岩，效果明显，水泥试样致裂实验产生了2$\sim$4条裂缝，裂缝缝宽较大的有顶部8$\sim$10 cm，中部2$\sim$5 cm，较小的有顶部0.1$\sim$0.2 cm，中部小于0.1 cm，水泥试样靶顶部裂缝缝宽要大于中部缝宽。

（2）随着火药用量减少，井筒内峰值压力减小，岩石裂缝数减少，裂缝宽度减小，实验中也明显观察到气体释放时间减少。

（3）爆燃压裂技术采用军工发射药和航天推进剂，使用燃烧机理进行造缝，爆燃压裂的作用时间为ms级，峰值压力为20$\sim$130 MPa。其造缝机理和形态有别于使用炸药的层内爆炸技术和使用脉冲功率负载及含能材料的重复强电冲击波技术。