技术领域
[0001] 本
发明涉及火药测试领域，特别是涉及一种火药爆燃加载
应力分布规律测试系统。
背景技术
[0002] 高能气体压裂(HEGF)又被称为爆燃压裂，它是在爆炸压裂的
基础上逐步发展起来的，并在上世纪90年代兴起的一项技术。它是把推进剂或者火药放在井底迅速爆燃，爆燃过程会生成大量的高温高压燃气，燃气沿着射孔进入
地层，形成了多条径向裂缝，并且沟通了天然的裂缝。在HEGF过程中，会产生脉冲作用、
酸化作用、机械作用以及热化学作用等，这些作用可以清除近井带由于射孔、钻井等施工措施所造成的污染和堵塞，达到了改善近井带渗流能力以及油气田增产注
水井增注的目的。
[0003] 高能气体压裂技术在国内已有几十年的发展历程，当前随着石油工业的发展，尤其是一些低产低压井、超深高破裂压裂井及地面环境恶劣井开始进入大面积开发，一些常规的水力压裂等措施由于其成本、设备、环境污染等因素，在此类井中应用时受到很大限制，而此时高能气体压裂由于其成本低、操作简单、对环境适应性强，且可轻松压裂高破裂压力地层，越来越受到重视。
[0004] 但当前对于该技术现场应用的较多，其相关机理研究相对滞后，严重制约了该技术的进一步推广。其中压裂弹爆燃后冲击应力在井筒内的分布规律认识不清就属于其中关键机理之一，由于该认识不清，因此一方面在设计火药用量时存在盲目性，致使要么药量过大炸坏
套管，要么药量不足压不开储层；另一方面，由于冲击压力峰值在井筒内分布不清，致使压裂弹相对于目的层的投放
位置无法确定，致使
能量造成浪费，同时也对套管产生威胁，也容易压裂隔夹层。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种结构简单、安装布设方便、工作性能可靠且模拟效果好、适用面广的可模拟长井筒环境、不同初始压力环境下的火药爆燃加载应力分布规律测试系统，同时也可用于单独火药燃烧性能的测试。
[0006] 为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种火药爆燃加载应力分布规律测试系统，包括：密闭爆发器；压力传感测试部，用于检测密闭爆发器在火药爆燃的应力；点火装置，用于引爆密闭爆发器内的火药；充压装置，用于使密闭爆发器充满设计压力的气体环境；抽
真空装置，用于对密闭爆发器的
密闭空间抽真空；缓冲装置，用于爆燃后燃气的泄压排出。
[0007] 进一步地，密闭爆发器包括：本体，呈中空的圆筒状；点火排气塞，塞在本体的第一端；火药夹持架，位于本体内，且安装在点火排气塞的端部；泄气缓冲孔，沿本体的轴向贯穿地设置在点火排气塞上；点火
导线孔，沿本体的轴向贯穿地设置在点火排气塞上；充压抽真空导孔，设置在本体的第二端。
[0008] 进一步地，压力传感测试部包括：多个压力
传感器，沿密闭爆发器的轴向布置；压力标定机，与
压力传感器连接，用于标定压力传感器；
数据采集处理装置，与压力传感器连接；函数
信号发生器，与数据采集处理装置连接，用于调节和检验数据采集处理装置能否正常工作。
[0009] 进一步地，点火装置包括
电子点火装置和位于密闭爆发器内的点火
电极，电子点火装置与点火电极电连接。
[0010] 进一步地，充压装置包括：加压手摇
泵、充液泵、第一中间容器、第二中间容器、中间过渡容器和氮气瓶；其中，加压手摇泵通过第一
阀门与第一中间容器的进口连接，充液泵通过第二阀门与第二中间容器的进口连接；第一中间容器的出口通过第三阀门与中间过渡容器的第一进口连接，第二中间容器的出口通过第四阀门与中间过渡容器的第二进口连接，氮气瓶与中间过渡容器的第三进口连接；中间过渡容器的出口与密闭爆发器可通断地连接。
[0012] 进一步地，缓冲装置包括：密封容器和
单向阀，密封容器通过单向阀与密闭爆发器连接。
[0013] 进一步地，系统还包括
支撑旋转部，支撑旋转部包括：旋转
铰链托架、固定伸缩式托架和液压支撑装置，密闭爆发器的第一位置与旋转铰链托架铰接，旋转铰链托架的第二位置与固定伸缩式托架连接，液压支撑装置与固定伸缩式托架连接以调节密闭爆发器的水平度。
[0014] 进一步地，旋转铰链托架包括固定底座、圆形旋转
轴承和两个用于抱紧密闭爆发器的半圆弧形夹片，其中，两个半圆弧形夹片通过圆形旋
转轴承安装在固定底座上。
[0015] 进一步地，固定伸缩式托架包括托架底座和安装在托架底座顶部的伸缩式支撑柱，液压支撑装置与伸缩式支撑柱连接。
[0016] 本发明可近似模拟井筒条件下的高能气体压裂环境，并依此分析模拟矿场高能气体压裂过程中，火药燃气冲击应力在沿井筒上的动态分布规律，可描述冲击力大小、垂向分布，从而指导压裂弹结构设计、投放位置、射孔参数等，以提高措施成功率。
附图说明
[0017] 图1示意性示出了本发明的结构示意图；
[0018] 图2示意性示出了密闭爆发器剖面示意图。
[0019] 图中附图标记：10、密闭爆发器；11、本体；12、点火排气塞；13、火药夹持架；14、泄气缓冲孔；15、点火导线孔；16、充压抽真空导孔；21、压力传感器；22、压力标定机；23、数据采集处理装置；24、函数信号发生器；25、电脑；31、加压手摇泵；32、充液泵；33、第一中间容器；34、第二中间容器；35、中间过渡容器；36、氮气瓶；40、抽真空泵；50、电子点火装置；51、点火线；52、点火电极；61、密封容器；62、单向阀；71、旋转铰链托架；72、固定伸缩式托架；73、液压支撑装置；91、第一阀门；92、第二阀门；93、第三阀门；94、第四阀门；96、第六阀门；97、第七阀门；98、第八阀门；99、第九阀门；910、第十阀门；911、第十一阀门；912、第十二阀门。
具体实施方式
[0020] 以下对本发明的
实施例进行详细说明，但是本发明可以由
权利要求限定和
覆盖的多种不同方式实施。
[0021] 本发明涉及一种油气田地
层压裂高能气体压裂技术所用火药爆燃冲击应力室内测试技术领域，具体涉及到定量测试不同初始环境压力下，火药药柱爆燃，其燃气应力在长圆筒环境内的分布规律监测。
[0022] 本发明将提供一种长度为6m的长圆筒环境的密闭爆发器，可实现固体火药在长度为6m、直径为60mm的长圆筒空间内爆燃，并可实现6m长度空间内均布8个测压点检测压力随时间变化关系，同时可实现密闭空间液体、氮气冲天，且环境压力从真空环境到60MPa精确稳定调控。
[0023] 该实验装置对于定量描述火药爆燃在不同环境下的燃烧速度、火药燃气加载应力在长筒几何环境内的分度规律，可近似模拟高能气体压裂的井筒环境，为精确模拟分析高能气体压裂弹在井筒条件下的动态加载提供支撑。
[0024] 请参考图1和图2，本发明提供了一种火药爆燃加载应力分布规律测试系统，包括：密闭爆发器10；压力传感测试部，用于检测密闭爆发器10在火药爆燃的应力；点火装置，用于引爆密闭爆发器10内的火药；充压装置，用于使密闭爆发器10充满设计压力的气体环境；抽真空装置，用于对密闭爆发器10的密闭空间抽真空；缓冲装置，用于爆燃后燃气的泄压排出。
[0025] 本发明可近似模拟井筒条件下的高能气体压裂环境，并依此分析模拟矿场高能气体压裂过程中，火药燃气冲击应力在沿井筒上的动态分布规律，可描述冲击力大小、垂向分布，从而指导压裂弹结构设计、投放位置、射孔参数等，以提高措施成功率。
[0026] 优选地，请参考图2，密闭爆发器10包括：本体11，呈中空的圆筒状；点火排气塞12，塞在本体11的第一端；火药夹持架13，位于本体11内，且安装在点火排气塞12的端部；泄气缓冲孔14，沿本体11的轴向贯穿地设置在点火排气塞12上；点火导线孔15，沿本体11的轴向贯穿地设置在点火排气塞12上；充压抽真空导孔16，设置在本体11的第二端。
其中，密闭爆发器10的密闭空间为一圆筒状，优选地，长6mm、直径60mm、最大耐内压冲击
300MPa；沿6m长度上均布压力传感测试部的8个压力传感器，可实现沿井筒长度范围内的火药爆燃加载应力随时间变化；密闭爆发器两端配有带点火孔、泄压孔、
冲压孔的
螺栓头，可实现点火线通过、燃气泄压、密闭环境抽真空或设定不同压力。
[0027] 优选地，压力传感测试部包括：多个压力传感器21，沿密闭爆发器10的轴向布置；压力标定机22，与压力传感器21连接，用于标定压力传感器21；数据采集处理装置23，与压力传感器21连接；函数信号发生器24，与数据采集处理装置23连接，用于调节和检验数据采集处理装置23能否正常工作。优选地，压力传感测试部还包括电脑25，其内可安装P～t测试相关
软件。
[0028] 优选地，八个压力传感器21为CYJ系列产品，其最大测试压力为220MPa、测试
频率为0.019ms/点；压力标定机22为SHD～3D型，是用来标定高频压力传感器的，可使传感器正常工作，从而测试出高
精度的压力数据来；函数信号发生器24为SP1461D型，可用来调节及检验数据采集处理装置23能否正常工作；数据采集处理装置23为6105型，可接收从传感器传来的压力信号，并且将该信号传向电脑里的相关测试软件。该设备是一种具有多个通道的
数字信号处理仪器，其
电路设计的组成包括：A/D转换器、数据缓存器(FIFO)、前端
放大器、数字
信号处理器等；电脑通过其内的P～t测试相关软件可将从数据采集处理装置传过来数据保存在电脑里，通过多通道数据采集处理装置以及P～t测试软件转
化成P～t曲线。
[0029] 优选地，点火装置包括电子点火装置和位于密闭爆发器10内的点火电极，电子点火装置与点火电极电连接。
[0030] 优选地，充压装置包括：加压手摇泵31、充液泵32、第一中间容器33、第二中间容器34、中间过渡容器35和氮气瓶36；其中，加压手摇泵31通过第一阀门91与第一中间容器33的进口连接，充液泵32通过第二阀门92与第二中间容器34的进口连接；第一中间容器33的出口通过第三阀门93与中间过渡容器35的第一进口连接，第二中间容器34的出口通过第四阀门94与中间过渡容器35的第二进口连接，氮气瓶36与中间过渡容器35的第三进口连接；中间过渡容器35的出口与密闭爆发器10可通断地连接。
[0031] 首先，可通过氮气瓶实现密闭爆发器内冲压0.1～5.0MPa压力可调的氮气环境，其实现步骤可以如下：
[0032] 步骤1：将已安装完毕的带有测试火药样品的实验装置连接完善，并将所有管线阀门置于关闭状态，此时密闭爆发器内为常压空气环境；
[0033] 步骤2：依次打开第十二阀门912、第十一阀门911、第九阀门99、第七阀门97，然后缓慢打开第六阀门96，观察控制压力表82处于低压状态，然后持续充气5分钟；
[0034] 步骤3：待密闭空间内充满氮气环境后，缓慢依次关闭第六阀门96和第十二阀门912，然后再次缓慢打开第六阀门96，同时观察压力表82，待压力略高于所设计压力时，缓慢关闭第六阀门96、第七阀门97；
[0035] 步骤4：缓慢打开放气第十二阀门912，同时观察压力表82，待压力处于设计压力时，关闭第十二阀门912，而后关闭第十一阀门911，此时密闭爆发器内即为充满设计压力的氮气环境。
[0036] 其次，还可通过加压手摇泵31、充液泵32、第一中间容器33、第二中间容器34、中间过渡容器35的组合，实现0.1MPa～60MPa压力可控的液体环境，优选地，液体为纯净水或不同矿化度的盐水，其实现步骤为：
[0037] 步骤1：将已安装完毕的带有测试火药样品的实验装置连接完善，并将所有管线阀门置于关闭状态，此时密闭爆发器内为常压空气环境；
[0038] 步骤2：松开液压支撑装置73，调节固定伸缩式托架72上部伸缩杆，让长密闭爆发期主体处于泄压口上倾状态；
[0039] 步骤3：依次打开第十二阀门912、第十一阀门911、第八阀门98、第三阀门93、第一阀门91，开充液泵32开始充液。此时第一中间容器33、第二中间容器34在一个中间容器难以充满的时候，可交替使用；
[0040] 步骤4：充液到泄压口稳定出液即为密闭空间内全部为液体环境，此时调整充液泵流量到最小流量，而后缓慢关闭泄压第十二阀门912，同时观察压力表81；
[0041] 步骤5：待压力表接近充液泵最大泵压15MPa时，缓慢关闭第十一阀门911，同时关闭充液泵；
[0042] 步骤6：若设计压力低于15MPa，则关闭所有阀门，然后缓慢打开
泄压阀门，同时观察压力表81，待压力达到设计值后，关闭第十二阀门912，完成该充液。若设计压力高于15MPa时，则关闭所有阀门，然后打开第一阀门91、第三阀门93、第八阀门98、第十一阀门
911，然后利用手摇泵，缓慢加压到设计值，然后依次关闭第十一阀门911、第一阀门91、第三阀门93、第八阀门98，完成充液。
[0043] 优选地，抽真空装置包括抽真空泵40。其可实现密闭空间内的真空度为200Pa～1×105Pa，其抽真空的步骤为：
[0044] 步骤1：将已安装完毕的带有测试火药样品的实验装置连接完善，并将所有管线阀门置于关闭状态，此时密闭爆发器内为常压空气环境；
[0045] 步骤2：依次打开第十二阀门912、第十一阀门911、第九阀门99、第七阀门97，然后缓慢打开第六阀门96，观察控制压力表82处于低压状态，然后持续充气5分钟；
[0046] 步骤3：待密闭空间内充满氮气环境后，缓慢依次关闭第六阀门96、第十二阀门912、第十一阀门911、第九阀门99、第七阀门97；
[0047] 步骤4：打开抽真空泵40，然后依次打开第十阀门910、第十一阀门911，抽真空直至压力表83显示设计真空度环境压力后，关闭第十一阀门91、第十阀门910，最后关闭真空泵40，完成抽真空操作。
[0048] 优选地，缓冲装置包括：密封容器61和单向阀62(即第十二阀912)，密封容器613
通过单向阀62与密闭爆发器10连接。优选地，密封容器61的空间为0.5m、耐压1.5MPa。
缓冲装置仅用于爆燃后燃气的泄压排出，以避免燃气污染环境，或造人员中毒，对于充气、充液过程中，出口接一般敞开容器。
[0049] 优选地，
点火系统由电子点火装置50通过导线连接置于密闭爆发器内部的点火线51和点火电极52组成，待按装完火药样品后，将点火电极52粘贴在火药外端面，安装完毕后，通过控制电子点火装置50点火装置上的点火
开关，给电极充电，产生高热，从而引燃点火药(优选地，小粒黑)，通过点火药点燃火药样品。
[0050] 优选地，系统还包括支撑旋转部，支撑旋转部包括：旋转铰链托架71、固定伸缩式托架72和液压支撑装置73，密闭爆发器10的第一位置与旋转铰链托架71铰接，旋转铰链托架71的第二位置与固定伸缩式托架72连接，液压支撑装置73与固定伸缩式托架72连接以调节密闭爆发器10的水平度。支撑旋转部主要用于控制6m长密闭爆发器处于与水平方向-20°至90°旋转固定。固定伸缩式托架72与密闭爆发器10连接可方便拆卸、安装，其伸缩长度可支撑密闭爆发器处于垂直状态。
[0051] 优选地，旋转铰链托架71包括固定底座、圆形
旋转轴承和两个用于抱紧密闭爆发器10的半圆弧形夹片，其中，两个半圆弧形夹片通过圆形旋转轴承安装在固定底座上，并支持360度旋转。
[0052] 优选地，固定伸缩式托架72包括托架底座和安装在托架底座顶部的伸缩式支撑柱，液压支撑装置73与伸缩式支撑柱连接。可实现最高保持闭爆发器水平，最低下倾20°倾斜变换。
[0053] 实施例1：测试4g固体火药在真空200Pa环境下、水平管内燃爆应力分布动态变化规律。
[0054] 步骤1：设备流程检查、链接安装完毕、各设备管路检查通常，阀门完好后，将点火排气塞12卸下；
[0055] 步骤2：将4g固体火药柱查装到火药夹持架13上，拧紧其上的紧固螺丝；
[0056] 步骤3：将带有点火药头的点火电极帽旋转扣到火药样品的裸露头，然后将点火排气塞12安装到爆发器本体上，上紧；
[0057] 步骤4：将排气口外放、点火导线连接在电子点火装置51上，并将所有管线阀门置于关闭状态，此时密闭爆发器内为常压空气环境；
[0058] 步骤5：依次打开第十二阀门912、第十一阀门911、第九阀门99、第七阀门97，然后缓慢打开第六阀门96，观察控制压力表82出于低压状态，然后持续充气5分钟；
[0059] 步骤6：待密闭空间内充满氮气环境后，缓慢依次关闭第六阀门96、第十二阀门912、第十一阀门911、第九阀门99、第七阀门97；
[0060] 步骤7：打开抽真空泵40，然后依次打开第十阀门910、第十一阀门911，抽真空直至压力表83显示设计真空度环境压力200Pa，关闭第十一阀门911、第十阀门910，最后关闭真空泵40，完成抽真空操作。
[0061] 步骤8：打开压力传感测试系统，运行相关软件，在安全观察室中，操作电子点火开关，点火引爆，测试软件同时以0.019ms为间隔读取记录八个测试点的压力-时间关系离散点；
[0062] 步骤9：测试完毕后，缓慢打开用于泄气的第十二阀门912，将密闭爆发器内的高能燃气缓慢泄到缓冲装置内，带压力平衡后，依次打开第十一阀门911、第九阀门99、第七阀门97，然后缓慢打开第六阀门96，持续通气5分钟后，依次关闭第六阀门96、第七阀门97、第九阀门99、第十一阀门911、第十二阀门912，最后卸下点火排气塞12，观察火药柱燃烧状态，完成测试实验。
[0063] 实施例二：测试4g固体火药在30MPa盐水环境、水平管内的燃爆应力分布动态变化规律。
[0064] 步骤1：设备流程检查、链接安装完毕、各设备管路检查通常，阀门完好后，将点火排气塞12卸下；
[0065] 步骤2：将4g固体火药柱查装到火药夹持架13上，拧紧其上的紧固螺丝；
[0066] 步骤3：将带有点火药头的点火电极帽旋转扣到火药样品的裸露头，然后将点火排气塞12安装到爆发器本体上，上紧；
[0067] 步骤4：将排气口外放、点火导线连接在电子点火装置51上，并将所有管线阀门置于关闭状态，此时密闭爆发器内为常压空气环境；
[0068] 步骤5：松开液压支撑装置73，固定伸缩式托架72上部伸缩杆，让长密闭爆发期主体处于泄压口上倾状态；
[0069] 步骤6：依次打开第十二阀门912、第十一阀门911、第八阀门98、第三阀门93、第一阀门91，开充液泵开始充液。此时第一中间容器33、第二中间容器34在一个中间容器难以充满的时候，可交替使用；
[0070] 步骤7：充液到泄压口稳定出液即为密闭空间内全部为液体环境，此时调整充液泵流量到最小流量，而后缓慢关闭泄压第十二阀门912，同时观察压力表81；
[0071] 步骤8：待压力表接近充液泵最大泵压15MPa时，缓慢关闭第十一阀门911，同时关闭充液泵；
[0072] 步骤9：关闭所有阀门，然后打开第一阀门91、第三阀门93、第八阀门98、第十一阀门911，然后利用手摇泵，缓慢加压到设计值30MPa，然后依次关闭第十一阀门911、第一阀门91、第三阀门93、第八阀门98，将爆发器置于水平状态，完成充液。
[0073] 步骤10：打开压力传感测试系统，运行相关软件，在安全观察室中，操作电子点火开关，点火引爆，测试软件同时以0.019ms为间隔读取记录八个测试点的压力-时间关系离散点；
[0074] 步骤11：测试完毕后，调节液压支撑装置73，缓慢打开用于泄气的第十二阀门912，将密闭爆发器内的高能燃气与盐水混合物缓慢泄到缓冲装置内，带压力平衡后，依次打开第十一阀门911、第九阀门99、第七阀门97，然后缓慢打开第六阀门96，持续通气5分钟后，依次关闭第六阀门96、第七阀门97、第九阀门99、第十一阀门911、第十二阀门912，最后卸下点火排气塞12，观察火药柱燃烧状态，完成测试实验。
[0075] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
