1适用于电点火装置，能与单次脉冲压力测量同步
模拟实验装置中每个活塞都安装有３个“Ｏ”型圈以防气体泄漏（耐压实验显示：加压１２５ＭＰａ，大约２ｈ复零）。通过上紧上下盖板的１６个螺栓可模拟地层压力，其中下盖板的８个螺栓中有４个螺栓上贴有应变片（２ｍｍ×４ｍｍ、１２０Ω、胶基，采用全桥电路，温度补偿），十字对称分布，可测量药品燃烧时装置内压力变化。为了提高粘贴可靠性，采用Ｈ６１０胶，粘贴过程中须先加热到３５０℃并保持２ｈ，自然冷却后再加热到１６５℃并保持２ｈ，再自然冷却至室温方可。实验装置中主缸体侧壁上有一螺纹台阶孔（Ｍ６０×４４５），可安装点火装置。主缸体竖直孔也可安装点火具，点火具包含一个点火头和一个传火管。点火具安装在活塞上中心孔，底端与试样中心孔及活塞下中心孔共轴。下活塞中心孔放置测压传感器，可以测量试样中心孔内压力变化。模拟岩样放置在上下活塞之间，试样两端面贴有约４ｍｍ厚的双面胶且抹有黄油，使试样两端面与上下活塞紧密接触。爆燃药通过电点火引爆后在中心孔产生气体压力，实验数据通过安装在下活塞的压力传感器测量，并经由Ａ／Ｄ采样传输到计算机处理。岩石动态破坏模拟实验流程如图３所示２模拟岩心试样的选取考虑到岩土类材料性质有很大不均匀性，模拟实验关键在于试样力学性质可控以及实验可重复性。为降低误差及提高实验可重复性，选取了水泥胶砂试样，并在试样制作过程中将抗压强度标准偏差严格控制在５％以内，同时尽可能减少实验数据散布。采用龄期来控制水泥胶砂试样强度，共采用３个龄期形成了不同强度的试样，尽可能减少系统误差。本文实验共制作了１２０个试样，均为直径１５０ｍｍ、高度约７０ｍｍ的圆柱，试样中间带有直径为１５ｍｍ的中心孔。３个龄期试样强度数据见表１。
2实验数据分析及经验公式的建立
施加动载荷后试样裂纹形状如图４所示。通过实验发现，在其他条件不变的情况下，随着药量增加，中心孔内部测压传感器测量的压力峰值越大，压力上升到峰值所用时间越短（图５），最终形成的裂缝条数越多，即裂缝条数主要取决于压力峰值和压力上升时间。但是随着压力峰值越高和压力上升到峰值所用时间越短，试样形成的裂缝会出现一些分叉现象，初步判断与爆炸产生的冲击波在内筒壁面反射以及试样初始损伤紧密相关。排除实验条件等不变因素，针对其他因素对开裂规律的影响情况进行量纲分析后，最终选取压力峰值以及载荷上升至峰值压力所用时间这２个关键参数作为动载荷的特征量进行描述。采用三点弯曲法进行试样断裂韧性实验，如图６所示。图６中犾为底部支点距离，试样尺寸１６ｃｍ×４ｃｍ×４ｃｍ，长与厚（犫）、宽（狑）之比约为４，通常要求犾／犫≈４。实验测量载荷狆（狋）、加载点位移δ（狋）和预制Ｖ形缺口的张开量犱（狋）－犱０，狆～δ、狆～（犱－犱０曲线的突然弯折（裂纹突然张开）点，对应的载荷就是临界值，由该临界值计算的应力强度因子就是材料的断裂韧性。为防止材料实验机的弹性能在裂纹张开瞬间突然释放，影响应力读数，中早期试样使用有伺服机构的刚性实验机（图７ａ），要求加载速度为００５～０５０ＭＰａ•ｍ０５／ｍｉｎ；晚期试样采用ＭＴＳ８１０（图７ｂ），最大载质量１０ｔ。实验中对小药量未炸裂的个别试样仍用同样的小药量炸了第２次。图８ａ是７天龄期的小药量试样炸裂前后的对比曲线，由于测压孔被碎屑堵塞，压力测量值偏低，第１炮压力峰值约７ＭＰａ，无肉眼可见裂纹；第２炮压力峰值约１７ＭＰａ，有４条裂缝，说明试样初始损伤状况对爆燃开裂有明显影响。图８ｂ是２８天龄期的小药量试样炸裂前后的对比曲线，第１炮压力峰值约１６ＭＰａ，无肉眼可见裂纹；第２炮压力峰值约２７ＭＰａ，有２条裂缝，也表明试样初始损伤状况对爆燃开裂有显著影响。通过上述分析可以判断，动载作用于胶砂试样中心孔能够使试样产生若干条贯通的裂缝，裂缝条数主要取决于压力峰值和压力上升至峰值所用时间，还与试样初始损伤状况紧密相关。
3结论
１）实验结果表明，岩石开裂存在临界阈值，低于该临界值，岩石不会开裂。该临界值是岩石的材料参数，是动载荷大小、井眼尺寸以及地层环境的函数。２）实验验证了加载速率决定开裂模式，进一步证明开裂模式不仅仅是加载速率的函数，加载速率、抗压强度、峰值压力的组合量能更好地描述岩石开裂的条数。３）初步建立了动载特征与岩石开裂裂纹数量间的定量经验关系式，对低渗油气藏开发中油层改造施工作业具有一定的指导意义。
作者：付英军 丁雁生 单位：中国海洋石油总公司工程技术部 中国科学院力学研究
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