燃爆冲击作用下岩石初始破坏区形成机制与主控因素

吴飞鹏; 刘洪志; 任杨; 蒲春生; 何延龙; 景成

doi:10.11883/1001-1455(2016)05-0663-07

燃爆冲击作用下岩石初始破坏区形成机制与主控因素

doi: 10.11883/1001-1455(2016)05-0663-07

1.
中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580
2.
中国海油股份有限公司深圳分公司研究院，广东深圳 518000

基金项目:

国家自然科学基金项目 51104173

国家自然科学基金项目 51274229

国家科技重大专项基金项目 20011ZX05009-004

详细信息

作者简介:
吴飞鹏(1983—)，男，博士，副教授，upcwfp@163.com

中图分类号: O389;TE357.2
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出版历程
- 收稿日期: 2015-01-27
- 修回日期: 2015-06-25
- 刊出日期: 2016-09-25

Formation mechanism and main controlling factors of rock's initial damaged zone under explosive impact effect

1.
College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China
2.
Research Institute of CNOOC Shenzhen, Shenzhen 518000, Guangdong, China

摘要

摘要: 为揭示燃爆冲击作用下井周岩石破坏区的形成机制，并分析影响初始破坏区(破碎区和初始裂隙区)的主控因素，开展了两种岩样在不同加载速率下的冲击破坏实验, 分析了岩石冲击破坏模式及岩石对加载速率的响应, 借助基于Von Mise准则建立的岩石冲击破坏的破碎区和初始裂隙区计算模型可知：加载速率低于190 GPa/s时，可依据冲击峰值压力引导的应力分布确定破碎区和初始裂隙区作用范围；燃爆压裂在近井地带主要产生破碎区和裂隙区，破碎区直径为井眼直径的1~3倍，初始裂隙区直径为井眼直径的5~7倍；冲击载荷作用下，初始破坏区与加载速率、脆性指数呈正相关，且受脆性指数影响更显著。研究结果可提高对燃爆压裂过程中岩石的破坏模式及其主控因素的认识深度，为燃爆压裂冲击条件设计提供指导。
- 爆炸力学 /
- 脆性指数 /
- 加载速率 /
- 燃爆压裂 /
- 初始破坏区 /
- 冲击
Abstract: In this work, to find out the formation mechanism of rock's initial damaged zone under explosive impact effect and investigate the main factors contributing to the initial damaged zone (including the crushed zone and the initial fractured zone) around the oil well, we analyzed the impact failure mode of rock and its response to loading rates by conducting impact failure experiments at different loading rates on two rock samples. With the help of the computational model of the crushed and initial fractured zone based on Von Mise, it is feasible to determine the the size of the crushed zone and the initial fractured zone according to the stress distribution generated by the peak pressure, when the rock crushes at a given loading rate (less than 190 GPa/s). The crushed zone and and the fractured zone are generated mainly in parts of the rock close to the oil well where explosive fractures occur. The diameter of the crushed zone and that of the initial fractured zone is 1~3 and 5~7 times that of the oil-well, respectively. The initial damaged zone is in direct proportion to the brittleness and the loading rate under loading impact and is more strongly influenced by the index of brittleness. The present work deepens the current understanding of the damage mode and main contributing factors of explosive fracture and provides guidance for the design of impact condition involving explosive fracture.
- mechanics of explosion /
- brittleness /
- loading rate /
- explosive fracture /
- initial damaged zone /
- impact

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图 1 实验核心装置

Figure 1. Core part of the experimental device

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图 2 加载速率142.9 GPa/s时的加载曲线

Figure 2. Loading curve at 142.9 GPa/s

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图 3 Δp与γ的关系曲线

Figure 3. Relation curve between Δpand γ

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图 4 岩样Ⅰ冲击破坏实物图

Figure 4. Photo of impact damage of rock sample Ⅰ

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表 1 应变率分析结果

Table 1. Analytical results of strain rate

γ/(GPa·s^-1)	t_p/ms	Δm/g		ΔV/mm³		$\dot{\varepsilon}$ /s^-1
γ/(GPa·s^-1)	t_p/ms	岩样Ⅰ	岩样Ⅱ	岩样Ⅰ	岩样Ⅱ	岩样Ⅰ	岩样Ⅱ
76.4	0.85	19.95	22.37	8 243.2	9 683.0	43.1	50.7
85.4	0.83	20.64	22.64	8 528.2	9 800.3	45.7	52.5
108.3	0.83	21.37	23.42	8 829.4	10 140.6	47.3	54.3
120.8	0.84	21.75	23.99	8 987.7	10 385.7	47.6	55.0
142.9	0.82	22.41	24.42	9 259.2	10 571.2	50.2	57.3
160.8	0.80	22.80	24.68	9 420.8	10 682.7	52.4	59.4
180.1	0.76	23.34	25.54	9 643.2	11 057.3	56.4	64.7
191.3	0.76	23.99	26.17	9 913.1	11 328.1	58.0	66.3
204.6	0.75	24.17	26.66	9 986.2	11 539.8	59.2	68.4
212.7	0.75	24.61	27.20	10 168.5	11 774.9	60.3	69.8

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表 2 破碎区半径实验值

Table 2. Experimental value of crushed zone radius

γ/(GPa·s^-1)		76.4	85.4	108.3	120.8	142.9	160.8	180.1	191.3	204.6	212.7
R_y/mm	岩样Ⅰ	5.206	5.368	5.455	5.521	5.633	5.699	5.789	5.897	5.926	5.998
R_y/mm	岩样Ⅱ	5.805	5.902	5.987	6.083	6.155	6.198	6.341	6.443	6.522	6.609

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表 3 破坏区半径理论计算值

Table 3. Theoretical value of crushed zone radius

γ/(GPa·s^-1)	p_df/MPa		R_y/mm		R_l/mm
γ/(GPa·s^-1)	岩样Ⅰ	岩样Ⅱ	岩样Ⅰ	岩样Ⅱ	岩样Ⅰ	岩样Ⅱ
76.4	72.29	69.62	4.963	5.306	16.58	17.80
85.4	73.01	70.34	4.968	5.314	16.68	17.89
108.3	75.34	72.67	4.972	5.326	16.89	18.12
120.8	77.01	74.34	4.989	5.346	17.03	18.29
142.9	80.88	78.21	5.016	5.385	17.37	18.66
160.8	85.13	82.46	5.049	5.429	17.72	19.06
180.1	91.24	88.57	5.089	5.476	18.23	19.64
191.3	95.71	93.04	5.125	5.522	18.57	20.03
204.6	102.13	99.46	5.179	5.586	19.04	20.56
212.7	106.73	104.06	5.216	5.631	19.37	20.94

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表 4 破碎区半径对比结果

Table 4. Comparison results of crushed zone radius

γ/(GPa·s^-1)		76.4	85.4	108.3	120.8	142.9	160.8	180.1	191.3	204.6	212.7
δ/%	岩样Ⅰ	4.90	8.05	9.72	10.67	12.30	12.88	13.75	15.07	14.42	15.00
δ/%	岩样Ⅱ	9.41	11.07	12.40	13.79	14.30	14.17	15.80	16.68	16.76	17.37

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参考文献(18)

[1]	秦发动, 吴晋军.我院高能气体压裂技术十年发展综述[J].西安石油学报, 1997, 12(3):14-17. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199700577626 Qin Fadong, Wu Jinjun. The development review of high energy gas fracturing technology in the last ten years in our institute[J]. Journal of Xi'an Petroleum, 1997, 12(3):14-17. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199700577626
[2]	Xu P, Cheng Y F, Zhang Y T, et al. A study on low permeability formation's permeability variation induced by explosive fracturing technology[J]. Petroleum Science and Technology, 2013, 31(23):2541-2547. doi: 10.1080/10916466.2011.578093
[3]	吴飞鹏, 蒲春生, 陈德春, 等.多级脉冲爆燃压裂作用过程耦合模拟[J].石油勘探与开发, 2014, 41(5):605-611. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/syktykf201405013 Wu Feipeng, Pu Chunsheng, Chen Dechun, et al. Coupling simulation of multistage pulse conflagration compression fracturing[J]. Petroleum Exploration and Development, 2014, 41(5):605-611. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/syktykf201405013
[4]	王玉杰.爆破工程[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2007:196-200.
[5]	宗琦.岩石内爆炸应力波破裂区半径的计算[J].爆破, 1994(2):15-17. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-BOPO402.005.htm Zong Qi. Calculation of rupture zone radius in rock caused by explosion stress wave[J]. Blasting, 1994(2):15-17. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-BOPO402.005.htm
[6]	戴俊.柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版, 2001, 20(2):144-147. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lngcjsdxxb200102005 Dai Jun. Calculation of radii of the broken and cracked areas in rock by a long charge explosion[J]. Journal of Liaoning Technical University: Natural Science Edition, 2001, 20(2):144-147. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lngcjsdxxb200102005
[7]	张玉柱, 卢文波, 陈明, 等.爆炸应力波驱动的岩石开裂机制[J].岩石力学与工程学报, 2014, 33(增刊1):3144-3149. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2014S1077.htm Zhang Yuzhu, Lu Wenbo, Chen Ming, et al. Rock cracking mechanism driven by explosive stress wave[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(suppl 1):3144-3149. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2014S1077.htm
[8]	李海波, 陈德春, 刘卫东, 等.岩石冲击开裂裂缝条数预测模型的建立与验证[J].西安石油大学学报:自然科学版, 2012, 27(2):49-53. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xasyxyxb201202010 Li Haibo, Chen Dechun, Liu Weidong, et al. Establishment and verification of the model for predicting the fracture number of rock impact cracking[J]. Journal of Xi'an Shiyou University: Natural Science, 2012, 27(2):49-53. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xasyxyxb201202010
[9]	赵国华.低渗油层层内裂缝深部爆炸工艺设计[D].西安: 西安石油大学, 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10705-1014165929.htm
[10]	张奇.岩石爆破的粉碎区及其空腔膨胀[J].爆炸与冲击, 1990, 10(1):68-75. http://www.bzycj.cn/article/id/10822 Zhang Qi. Smash district sand expanding of cavities in rock blasting[J]. Explosion and Shock Waves, 1990, 10(1):68-75. http://www.bzycj.cn/article/id/10822
[11]	王京印, 程远方, 刘芳, 等.围压对井内爆炸压裂损伤破坏尺度影响的数值模拟研究[J].石油钻探技术, 2011, 39(4):81-86. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2011.04.017 Wang Jingyin, Cheng Yuanfang, Liu Fang, et al. Numerical simulation for the influence of confined pressure on the damage scale of explosive fracturing inside wellbore[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2011, 39(4):81-86. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2011.04.017
[12]	徐鹏, 程远方, 刘丹, 等.爆炸压裂下围压对井壁破碎效果的影响[J].石油钻探技术, 2009, 37(6):22-25. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2009.06.005 Xu Peng, Cheng Yuanfang, Liu Dan, et al. The effects of ambient pressure on wellbore crushing effect under explosive fracturing[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2009, 37(6):22-25. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2009.06.005
[13]	林英松, 张宝康, 蒋金宝.爆生气体下孔壁岩石开裂的机理及影响因素研究[J].石油钻探技术, 2008, 5(3):50-54. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2008.03.012 Lin Yingsong, Zhang Baokang, Jiang Jinbao, et al. Mechanism and influencing factors on radial fractures' cracking and propagation under exploding gas[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2008, 5(3):50-54. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2008.03.012
[14]	陈德春, 孟红霞, 吴飞鹏, 等.岩石材料的冲击开裂机理[J].爆炸与冲击, 2008, 28(4):304-309. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2008.04.004 Chen Dechun, Meng Hongxia, Wu Feipeng, et al. Cracking mechanism of rock by pressure pulses[J]. Explosion and Shock Waves, 2008, 28(4):304-309. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2008.04.004
[15]	吴飞鹏.高能气体压裂过程动力学模型与工艺技术优化决策研究[D].青岛: 中国石油大学(华东), 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10425-2009221560.htm
[16]	胡柳青.冲击载荷作用下岩石动态断裂过程机理研究[D].长沙: 中南大学, 2005. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10533-2006037311.htm
[17]	王文龙.钻眼爆破[M].北京:煤炭工业出版社, 1984:240-246; 318.
[18]	李夕兵.岩石冲击动力学[M].长沙:中南工业大学出版社, 1994:151-155.

施引文献

期刊类型引用(52)

1.	王丹，田安安，任喜平. 爆破应力波对邻近隧洞影响的有限元分析. 水利建设与管理. 2024(01): 34-38+61 . 百度学术
2.	孙鹏昌，杨广栋，卢文波，范勇，孟海利，薛里. 考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究. 爆炸与冲击. 2024(03): 171-186 . 本站查看
3.	蒙贤忠，周传波，蒋楠，张玉琦，张震，吴迪. 隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征. 爆炸与冲击. 2024(02): 177-194 . 本站查看
4.	伍福寿，张学民，韩淼，陈进，胡涛，周贤舜，王树英，朱凯. 近接既有隧道爆破激发地震波成分构成及特性研究. 中南大学学报(自然科学版). 2024(04): 1406-1417 . 百度学术
5.	罗亮明，韦凡秋，李颂章，伍福寿，张学民，张聪，周峰. 引水隧洞爆破地表振动传播特性研究. 中国农村水利水电. 2024(09): 109-114 . 百度学术
6.	王福兴，张宾，曹寰宇，冉海波. 敏感条件下隧道爆破施工中邻近桩基的振动响应分析. 煤矿爆破. 2024(04): 12-18 . 百度学术
7.	王永伟，李冠中. 西双版纳隧道爆破开挖动力学特征及损伤效应. 长江科学院院报. 2023(01): 165-170 . 百度学术
8.	宋战平，张艺多，郭德赛，张玉伟，金琪. 邻近既有建（构）筑物隧道爆破方案评价及优化方法. 土木与环境工程学报(中英文). 2023(01): 14-24 . 百度学术
9.	熊凌浩，周传波，蒋楠，王腾，蒙贤忠. 大断面隧道新浇二衬混凝土爆破振动控制安全阈值. 工程爆破. 2023(01): 1-9 . 百度学术
10.	钟芳权，郭裕民，黎昌林，伍羽平，刘胤，史秀志，邱贤阳. 深孔爆破荷载作用下大跨度采场高边帮稳定性研究. 采矿技术. 2023(04): 163-171 . 百度学术
11.	吴波，任子明，刘聪，徐世祥，夏承明，庄燕珍，林峰. JH2模型参数的确定及动静荷载耦合作用下隧道围岩损伤研究. 爆破. 2023(03): 68-78 . 百度学术
12.	罗敏杰，谈智. 场地地震安全评价中的数形分析应用. 信息系统工程. 2023(10): 43-46 . 百度学术
13.	魏海霞，祝杰，杨小林，褚怀保. 高压气体爆破作用下层状岩体的地表振动效应预测方法. 振动与冲击. 2023(20): 1-11 . 百度学术
14.	何剑，朱映丞，沈明炜，俞丰平. 地铁隧道小净距爆破施工对相邻隧道支护振动响应研究. 路基工程. 2022(01): 171-176 . 百度学术
15.	杨建华，黄启欢，姚池，张小波，周创兵，陶铁军. 空洞对隧道喷射混凝土爆破振动特性及安全评价的影响研究. 岩土力学. 2022(05): 1401-1411 . 百度学术
16.	孙金山，张鸿昱，闫国华，贾永胜，赵国堂，姚颖康，谢全民. 同时起爆单排炮孔等效均布荷载的计算方法. 爆破. 2022(02): 36-41 . 百度学术
17.	王登科，骆建军，高立平，李飞龙，王磊. 基于爆破等效荷载的大型地下洞室群合理间距分析. 中南大学学报(自然科学版). 2022(06): 2224-2233 . 百度学术
18.	单仁亮，赵岩，王海龙，董捷，仝潇，李兆龙，王东升. 下穿铁路隧道爆破振动衰减规律研究. 爆炸与冲击. 2022(08): 145-159 . 本站查看
19.	黄俊树，秦天戈，陈水和，吴明泽，李丽平，吴立. 浅埋隧洞下穿既有建筑物爆破施工振动分析. 爆破. 2022(04): 171-176+185 . 百度学术
20.	李新平，张雪屏，刘飞香，郑博闻，罗忆. 群孔齐发爆破岩体振动频谱特性研究. 爆破. 2021(01): 14-20+35 . 百度学术
21.	陈沛，吴剑锋，蒙云琪，张兆龙，李小贝，何理. 地铁隧道小净距下穿地下洞室振速控制研究. 工程爆破. 2021(03): 94-101 . 百度学术
22.	唐洪. 基于均匀设计法煤岩相似材料抗压试验研究. 陕西煤炭. 2021(04): 86-89 . 百度学术
23.	吉凌，周传波，张波，王凤喜. 大断面隧道爆破作用下围岩动力响应特性与损伤效应研究. 铁道学报. 2021(07): 161-168 . 百度学术
24.	肖可，周传波，郑璇，徐静波. 断层带影响下隧道二衬结构爆破振动特性与安全判据. 工程爆破. 2021(04): 130-139 . 百度学术
25.	蒙国往，张景龙，吴波，徐世祥，李华隆，吴勇. 循环爆破荷载作用下小净距隧道围岩累积损伤特性研究. 爆破. 2021(04): 52-60+107 . 百度学术
26.	袁俊祥，王英学，张子为，黎圣林，郑长青. 隔离桩对隧道爆破开挖引起建筑振动控制效果分析. 路基工程. 2021(06): 172-178 . 百度学术
27.	孙颖，苏利军，陈明，董恒，魏东. 葛洲坝3号船闸爆破拆除方案及爆破振动控制研究. 人民长江. 2020(04): 184-190 . 百度学术
28.	陈桂龙，漆泰岳，黄晓东，梁孝，钱王苹. 城市隧道爆破对地表建筑物振速响应研究. 路基工程. 2020(04): 121-127 . 百度学术
29.	赵凯，赵丁凤，张东，庄海洋，陈国兴. 地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性研究. 爆炸与冲击. 2020(10): 134-143 . 本站查看
30.	刁建彬. 特殊环境下石场安全开采爆破设计与施工. 广东化工. 2019(06): 126-127 . 百度学术
31.	杨润强，严鹏，王高辉，卢文波，陈明. 地应力水平对深埋隧洞爆破振动频谱结构的影响. 爆炸与冲击. 2019(05): 118-129 . 本站查看
32.	周文海，余建平，梁瑞，吕亚茹，王敦繁，陈宗杰. 基于逐步回归算法的边坡爆破振动控制研究. 长江科学院院报. 2019(07): 89-95 . 百度学术
33.	刘赶平. 大断面隧道爆破振动速度预测. 爆破. 2019(03): 129-136 . 百度学术
34.	蒲磊. 不同加载方式下隧道爆破振动特征分析. 爆破. 2018(01): 42-48 . 百度学术
35.	刘达，卢文波，陈明，严鹏. 隧洞钻爆开挖爆破振动主频衰减公式研究. 岩石力学与工程学报. 2018(09): 2015-2026 . 百度学术
36.	李志文，李建春，洪胜男，李海波，张国凯. 考虑黏性效应的爆破震动区的理论分析. 振动与冲击. 2018(17): 107-114 . 百度学术
37.	李俊平，张明，柳才旺. 高应力下硬岩巷帮钻孔爆破卸压动态模拟. 安全与环境学报. 2017(03): 922-930 . 百度学术
38.	石晨晨，刘雅楠，黄伟强，李祥龙. 深部采场爆破参数数值模拟设计优化研究. 价值工程. 2017(14): 116-120 . 百度学术
39.	钟元庆. 新建后祠隧道爆破振动对既有隧道的影响研究. 路基工程. 2017(06): 130-137 . 百度学术
40.	杨成全，舒大强，陈明，张浩. 下穿隧洞爆破掘进对既有隧洞的振动影响. 爆破. 2016(03): 5-9+52 . 百度学术
41.	王晗，陈明，卢文波，朱亮，严鹏. 柱状节理岩体爆破开挖松动的数值模拟. 爆破. 2016(01): 34-39 . 百度学术
42.	邹新宽，张继春，潘强，石洪超. 浅埋小净距隧道掘进爆破引起的地表振动特性模拟分析. 防灾减灾工程学报. 2016(04): 646-651 . 百度学术
43.	张晓波，刘泉声，田永超，苏兴矩，钟元庆. 后祠隧道爆破振动现场监测与控制技术. 科学技术与工程. 2016(34): 113-120 . 百度学术
44.	王洋，史秀志，苟永刚，郭霆. 平行双自由面岩体爆破炮孔堵塞效应研究. 振动与冲击. 2016(15): 80-85 . 百度学术
45.	刘学通，郑爽英，郭东东，叶晖. 爆破振动下埋地管道动力响应的研究进展. 管道技术与设备. 2015(04): 48-50+54 . 百度学术
46.	王成，洪彰华. 爆破振动作用下东江拱坝动力响应的数值模拟. 水电与新能源. 2015(03): 34-38 . 百度学术
47.	赵振国，杨建华，卢文波，严鹏，陈明. 基于爆破振动影响评价的深埋隧洞围岩二次喷护时期选择. 振动与冲击. 2015(07): 8-14 . 百度学术
48.	张远博，高文学，朱旭阳，陈贵，尧少敏. 路基爆破开挖对采空区稳定性影响研究. 爆破. 2014(03): 6-9+62 . 百度学术
49.	朱俊，杨建华，卢文波，陈明，严鹏. 地应力影响下隧洞边墙的爆破振动安全. 爆炸与冲击. 2014(02): 153-160 . 本站查看
50.	李鹏，卢文波，吴新霞，陈明，严鹏. 爆源因素对岩体开挖爆破振动频谱特性的影响研究. 长江科学院院报. 2014(11): 182-188 . 百度学术
51.	深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论研究进展. 中国基础科学. 2014(04): 11-21+2 . 百度学术
52.	漆泰岳，吴占瑞，骆驰，王睿. 地铁隧道开挖方式对环境的影响及控制. 西南交通大学学报. 2013(05): 792-797+817 . 百度学术