一種基于含能材料配方的沖擊波波形調整方法

李 昂, 楊萬有, 鄭春峰, 趙 展

(1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2西安交通大學電氣工程學院 3電力設備電氣絕緣國家重點實驗室)

在我國2020年的能源規劃中，以煤炭、石油、天然氣為主的化石能源仍占一次能源消費的85%左右[1]，化石能源的可持續開發是目前能源領域的重大課題，開發前對儲層進行合理有效的改造是亟需突破的關鍵技術。

目前，儲層改造的措施主要是靜力學或動力學方法。水力壓裂是靜力學改造方式的代表[2]，但水力壓裂需要注入大量的壓裂液，壓裂液與儲層的配伍性差會導致儲層二次傷害。近年來，研究人員先后提出了高能氣體壓裂、深孔預裂爆破等措施，以動力學方法產生沖擊波，以致裂儲層或提高儲層滲透率[3-5]。這些方法的特點是單次整體加載，要想達到理想的作業效果，必須增大沖擊波峰值和沖量，對油氣井筒結構強度提出了嚴苛要求，探索新的儲層改造方式勢在必行。

為此，西安交通大學的邱愛慈、張永民團隊提出了一種能在井筒中對儲層實施重復加載的可控沖擊波技術[6]。該技術的原理是：以電爆炸等離子體驅動含能材料，將電能和化學能轉換為沖擊波作用于儲層。由于可控沖擊波產生器可以重復運行，可控沖擊波技術的單次幅值和沖量被控制在井筒的破壞閾值以下，通過多次重復作用效應提高對儲層的改造效果，同時保證井筒安全和儲層無傷害[7]。

可控沖擊波技術在能源開發領域的應用是創新性的，雖然已開展了大量的探索性應用研究，并根據不同的儲層需求，對含能材料配方做了很多調整和優化，但目前尚缺乏系統的整理和分析。

本文通過對在其它儲層條件下應用且取得成功效果的幾種含能材料配方進行分析，給出對現有含能材料配方、質量、制備工藝與有效作用儲層的關系，結合現有含能材料實際應用實例，給出每種配方與儲層條件的優化對應關系和適用條件。

一、可控沖擊波技術

脈沖功率技術是研究能產生各種強電脈沖功率輸出的技術。它以慢的方式儲存能量，借助各種開關的快速切換實現脈沖壓縮、功率放大，用很短的時間、很高的強度以單個脈沖或受控的重復脈沖形式，將能量瞬間釋放給負載[8]。

在脈沖功率技術基礎上發展起來的可控沖擊波技術，可以達到幅值和沖量可控、作用區域可控、重復作用次數也可控的效果。其中，幅值和沖量可控是指通過改變含能材料的配方和質量，將沖擊波的幅值和作用時間控制在儲層抗壓強度之上、井筒鋼材的強度之下；作業區域可控是指通過設計沖擊波輸出窗口，使沖擊波作用于儲層有限區域，而不用通過封隔器強制分段；重復作用次數可控是指可根據需要儲層條件，控制設備產生相應次數的沖擊波，可以通過移動設備的位置，實現對整個儲層的作用。

相比于其他沖擊波產生方法，由金屬絲電爆炸驅動含能材料產生沖擊波法具有以下優勢：①單次用藥量小，選擇合適的含能材料可使套管和篩管不受損傷；②利用等離子體的瞬時局部高溫高壓引爆，安全、效率高；③多點、多次可控作業，可根據儲層條件靈活調整。

二、實驗平臺及測量系統

本文采用金屬絲電爆炸對含能材料的驅動特性綜合實驗平臺[9]。其中，沖擊波產生器主要由調壓器、變壓器、儲能電容、開關、電纜、腔體以及負載構成；測量系統主要由羅氏線圈、電容分壓器、沖擊波探頭、示波器及其隔離電源系統組成。實驗腔體的直徑為150 cm，高130 cm；換能裝置由行吊控制，可垂直置于腔體內任意指定位置；換能裝置上裝有自制的電容分壓器和Pearson 101線圈，分別用于金屬絲電爆炸過程中的電壓和電流測量。

在沖擊波測量方面，本文采用了基于力學傳感器的沖擊波測量系統，實驗中，通常將兩只壓力傳感器垂直固定于水中，通過調整其下端敏感元件與金屬絲中心(即含能負載幾何中心)的水平距離，即可采集不同位置處的沖擊波壓強時間歷程曲線。

三、實驗結果與討論

根據現有的不同儲層參數，首先制定各自所需的沖擊波波形參數。綜合渤海及南海東部地區儲層參數特點，現制定適用沖擊波參數如表1所示。

表1 不同儲層適用沖擊波參數

注：σ為儲層的抗拉強度。

根據以上設計需求和要素，分別選擇了兩種粒徑的鋁粉作為燃燒劑，四種粒徑高氯酸鹽作為氧化劑，兩種硝酸鹽調整爆速，并輔以石蠟、葵二酸二辛脂等脂類物質作為包覆劑，制備了三種裝藥量、共16種配方的聚能棒。

首先，測量了不同裝藥量含能材料產生沖擊波波形，如圖1所示。當裝藥量增大時，沖擊波壓強峰值明顯提高，沖擊波的脈寬(波尾的寬度和幅值)顯著增大。而在沖擊波工作時，真正能作用到儲層的是波尾這一部分能量。

圖1 不同裝藥量含能材料產生沖擊波波形

進一步分析面積沖量隨裝藥質量的變化關系，如圖2所示。隨著裝藥質量的增加，面積沖量呈現一定的增長但并非線性增長。這很可能是與不同裝藥量聚能棒的裝藥工藝有關，當裝藥密度太大時，含能材料在管內被壓實，其內部的空氣間隙減少，反應趨向負氧平衡，含能材料未能完全燃燒，反應未能進行至最終的分解產物，故而無法完全釋放其化學能。

圖2 沖擊波面積沖量與裝藥質量的關系

分析以上試驗，發現金屬絲電爆炸過程中，由汽化和放電等離子體通道膨脹產生的沖擊波將是驅動含能材料的主導因素。這是因為在含能材料顆粒之間存在大量的空氣間隙，根據熱點理論，當沖擊波前沿到達時，間隙中的空氣或者其他缺陷因熱容較小會出現局部高溫區域，并導致非均勻起爆。起爆后的反應，便是含能材料發生的自持、穩定的爆轟反應，釋放大量的化學能并加強沖擊波。如果反應速率足夠快，那么由化學反應生成的大量氣體將極速膨脹，逐漸形成超聲波。隨后，這個超聲波會脫離氣相產物，追趕金屬絲電爆炸相變產生的沖擊波，并與前者融合。由化學反應產生的氣相產物將會進一步增強沖擊波的第二峰，提高面積沖量。

含能材料在等離子體驅動下發生爆炸是一個很復雜的過程，其配方中的不同成分對整個爆炸過程的貢獻是不同的[10]。為了滿足不同儲層對沖擊波幅值和脈寬的需求，設計了幾種配方的復合含能材料，通過實驗得到了不同參數的沖擊波波形。圖3是其中四種配方的波形，沖擊波波形的主要參數包括前沿、主峰峰值和寬度、波尾幅值和寬度。當快爆速材料占優時，會得到一個前沿快、主峰峰值高、波尾幅值較低的波形，如2#、3#；當增加低爆速材料的組分時，主峰前沿會有所降低，但波尾的幅值和寬度都會有大幅度增加，而增加脈沖寬度將直接提高沖擊波的面積沖量，進一步提高沖擊波的威力，這種波形對低滲透儲層的作用是非常有利的。通過以上調整原則，得到了脈沖寬度為40 μs、100 μs、250 μs、500 μs的沖擊波。此外，以保證安全性還需對材料進行鈍化，這會降低沖擊波幅值，拉緩前沿，延長波尾，如1#波形有利于近井地帶解堵。

圖3 添加不同爆速的含能材料調整沖擊波波形

由于引入的含能材料屬于有機含能化合物，其內部存在著諸如共軛π鍵等共價鍵，其含能鍵多為N-NO2，因此其起爆原理與之前的配方可能存在著差異。例如，除沖擊波外，金屬絲電爆炸產生的光輻射，也可能作為驅動因素。而不同于沖擊波起爆的是，光輻射起爆更具微觀性，其直接作用對象是含能材料分子中的含能化學鍵。當能量足夠時，光子能量可直接致裂含能鍵，誘使含能材料的起爆。因此，不同于沖擊波起爆下的能量用于晶相過渡和分子活化，直接作用于分子內原子尺度化學鍵的光輻射起爆將更具效率。

而對于添加互為同系物的含能化合物來說，如果金屬絲驅動含能材料的作用僅為在化學鍵層面的光輻射，那么此兩種猛炸藥的驅動機理應該是完全相同的。實驗表明，該驅動作用不僅是在化學鍵層面上的單一因素，而是多因素共同作用的結果。

最后，通過降低含能混合物的粒徑可以進一步提高沖擊波的壓強幅值，如圖4。當含能混合物的粒徑由手工研磨逐步降到幾微米尺度時，產生沖擊波的壓強峰值明顯提高，從最初的5.7 MPa升至最終的13.9 MPa。原因是含能混合物粒徑的減小將更有助于在顆粒間形成大量微小氣隙，進而形成大量的熱點，并最終提升含能材料的爆炸性能。

圖4 含能混合物粒徑對沖擊波幅值的影響

從某種角度來看，細化粒徑比一味地增加含能材料密度更加具有優勢[11]。結合“熱點”理論可知，增加裝藥密度或者減小粒徑都將使含能材料顆粒間距遞減，將更利于含能材料的傳爆。由Kamlet-Jacobs公式可知，對于同種混合炸藥，實際裝藥密度越大，爆速就越高，即爆轟波通過藥柱的速度越大，而爆速大者其爆轟反應產生的壓力也大，猛度也大。但同時其也存在著一定局限性，裝藥密度如果過大也可能導致熄爆，即存在“裝藥臨界密度”。而粒徑減少至微米級別甚至納米級別則沒有此限制，將含能材料顆粒看作一個光滑球體時，降低半徑將進一步增加其比表面積，增加顆粒與顆粒之間的接觸面積，從而進一步提升傳爆效果。

四、結論

(1)通過增加含能材料裝藥量可以增加沖擊波的峰值壓強。

(2)通過改變不同爆速含能材料的占比可以有效調整沖擊波的脈沖寬度。

(3)降低含能混合物的粒徑則顯著提高沖擊波的峰值壓強，增加其面積沖量，提升沖擊波的威力。

本文提出的可控沖擊波波形調整方法有望解決因儲層傷害或者近井地帶堵塞等問題導致的油井低產和水井難注入問題，實現油井增產、水井增注，并最終提高油田開發效益。