长脉冲燃爆压裂复合燃速火药配方优化与应用

针对常规燃爆压裂火药类型单一、燃速偏快、难以形成峰值压力与持压时间的优势平衡,致使改造规模有限的问题,深入考察成熟火箭推进剂配方,借助密闭爆发器、燃速仪等实验设备,筛选优化了高、低两级燃速火药配方体系。测试了各自燃烧性能、安全性能。实验结果表明,实验条件下,高、低燃速火药燃爆加载速率分别为13.38 MPa/ms、2.38 MPa/ms,燃爆时间分别为11.7 ms和51.8 ms,将一定质量两种火药复合串联,利用高燃速火药爆燃轻易制裂地层,随后低燃速火药长时间持续低速燃烧,最大限度增大破裂规模和裂缝长度。经现场应用表明,该复合型火药体系燃爆压裂过程安全可控,能有效改善地层应力状态,降低井底破裂压力,提高单井产量,为燃爆压裂技术在深层、超高压地层的应用提供有利支撑。     

高能气体压裂载荷计算模型与合理药量确定方法

针对高能气体压裂中合理火药质量范围难确定的问题,分别利用不同加载条件下的岩石动态损伤模拟试验和对强内压下射孔套管径向位移、周向应力的理论研究,建立既能确保压裂储层岩石又不会破坏套管的极限压力计算模型;结合已有火药爆燃加载模型和压挡液柱运动模型,组建极限装药量耦合动力学模型,进而推导耦合数值求解方法;在此基础上分别研究火药弹装药结构和压挡液柱高度对极限火药质量的影响。应用结果表明,11次现场高能气体压裂施工中无破坏套管井例,8次作业措施有效,达到预期效果。     

油气层爆燃压裂裂缝动态延伸模型

基于油气层爆燃压裂造缝加载模型,建立地层破裂和止裂压力、爆燃气体渗滤、裂缝延伸长度和宽度以及爆燃气体的质量守恒与能量守恒计算模型,并耦合求解,分析爆燃压裂过程中井筒压力、裂缝几何形态变化。结果表明:火药爆燃后,井筒中的压力、温度迅速上升,达到地层破裂压力时起裂,裂缝开始延伸;在火药爆燃、气体渗滤作用下,爆燃气体的压力先增加后减小,最后降至地层初始压力;在爆燃加载条件相同的情况下,随裂缝条数的增加峰值压力和裂缝长度均减小;裂缝延伸过程中裂缝宽度先增大后减小,裂缝条数越少,裂缝宽度最大值和最终值越大。     

油层爆燃压裂造缝加载模型

油层爆燃造缝加载模型是油层爆燃压裂造缝动态模拟模型研究的基础.基于固体药柱燃烧分析、燃烧速度方程、质量守恒方程和能量守恒方程,建立药柱爆燃加载过程的燃烧速度、爆燃压力、爆燃温度随时间变化的计算模型,并分析其影响因素及影响规律.结果表明:药柱爆燃后压力、温度均迅速上升,达到峰值压力和峰值温度所用时间为毫秒级;在其他条件相同的情况下,装药壁厚增大,峰值压力和峰值温度不变,升压速率和升温速率减小;装药量增加,峰值压力、峰值温度、升压速率、升温速率均增大;初始压力增大,峰值压力增大,峰值温度减小,升压速率和升温速率不变;初始体积增加,峰值压力、峰值温度、升压速率、升温速率均减小.     

窄安全压力窗口地层精细控压下套管技术研究

针对窄安全压力窗口地层下套管存在高漏失风险的问题,以瞬态波动压力为基础,建立了窄安全压力窗口地层下套管过程井筒压力控制模型,进而提出了精细控压下套管方法。利用瞬态波动压力模型进行了下套管过程波动压力敏感性分析,结果表明,套管下放速度越大、套管下入深度越深、钻井液密度越大、环空间隙越小,下套管引起的井底波动压力越大。精细控压下套管实例应用表明,该方法既能保证套管下放速度,又能有效避免窄安全压力窗口地层下套管漏失的发生。此外,通过实例对比精细控压下套管与常规下套管发现,套管下放到井底附近,采用常规方法下套管时套管下放最大速度调节范围非常窄,很难将井筒压力维持在安全压力窗口内。     

燃爆诱导酸化压裂在川西气井中的先导试验

针对在川西深层致密气藏压裂过程中出现的破裂压力异常高、措施效果不明显、有效期短等问题,提出了燃爆诱导酸化压裂技术.为确定燃爆压裂合理火药量,通过理论分析建立了燃爆压裂设计中高加压速率下岩层破坏强度分析模型和非均匀地应力条件下套管极限抗内压计算模型,并对川高561井进行了燃爆诱导酸化压裂的方案设计和现场试验.结果表明:燃爆诱导压裂可有效降低地层破裂压力,酸预处理可进一步改善近井地带渗流通道;燃爆诱导酸化压裂复合技术可有效解决深层致密气藏无法压裂投产的问题,并能大幅度提高此类气藏的单井产能.     

深水井精细控压下套管研究

深水窄压力窗口地层给下套管带来了巨大挑战,下套管时产生的波动压力将导致井筒压力超过压力窗口上限而出现井漏,大大增加了作业时间,采用传统方法下套管时为了防止波动压力过大而超过安全压力窗口只能降低下套管速度,这样虽然在一定程度上减小漏失风险但增大了作业成本,且这种方式不一定有效。因此,针对深水窄安全压力窗口地层下套管漏失风险问题,基于动态波动压力建立了深水窄安全压力窗口井筒压力控制模型;并在此基础上提出深水精细控压下套管方法。利用建立的模型分析井筒压力影响因素发现,井筒压力随着套管下入深度、最大下入速度、钻井液密度以及钻井液的屈服值、黏度的增大而增大。计算表明,深水精细控压下套管不但降低了漏失风险,还缩短了作业时间,降低了作业成本。     

火药、装药与火炮初速

本文讨论了火药、装药与提高初速的关系,指出提高初速的几个因素,各因素与增速的定量效果和潜力。在分析高膛压、液体火药、压力平台、燃速、火药性质、火药力和装药量在增速中的作用和有关措施之后,提出火药和装药的重点工作以及衡量标准。     

ANSYS环境下微气体延期药隔板延期装置建模研究

在回顾微气体延期药的理论研究进展的基础上,对微气体延期药的燃烧模型、计算机软件进行了系统总结。根据气-固相反应燃烧模型和热点球面燃烧模型的基本假设,给出了相应的燃烧速度计算公式;并阐述了燃速计算程序代码HARDT的理论基础、燃速方程及其计算精度;运用ANSYS软件对隔板延期装置进行了热分析研究,建模结果显示,隔板中心的温度高于隔板边缘的温度,将最先达到点火药的发火点;比较了实测值与理论推测值,误差约为10%。     

涡轮尾翼弹无后座炮内弹道问题的研究

本文根据涡轮尾翼弹的无后座炮的弹道特点,分析了火药气体的二次膨胀过程,并利用无后座条件建立了涡轮前后的压力比关系式,另外,还采用真空膨胀理论的假设,确定作用于涡轮及弹头上的力的系数,从而建立了弹道解法所需要的气体流量方程和弹丸运动方程。最后,根据射击过程的特点建立了各阶段的解法。因为解法是以几何燃烧定律及正比燃速定律为基础,故所采用的火药形状特征量及压力全冲量这两个常量有一定的经验性。实践证明应用两个常数按一般无后座炮所采用的数据,可给出符合实际的结果。     

高能固体火箭发动机冲击燃烧特性研究

为研究高能固体火箭发动机冲击燃烧特性,采用火箭撬平台作为加载装置对高能发动机施加冲击载荷,通过调节火箭撬速度获得不同速度下高能发动机的宏观反应特性;采用热力耦合计算模型对试验过程进行仿真,仿真中考虑推进剂在应力作用下温升引起的自热反应热源,通过计算发动机撞击靶板过程中推进剂内温度变化情况,分析推进剂反应的剧烈程度,判断发动机的反应特性,获得发动机的反应机理. 研究表明高能发动机以不低于100 m/s速度撞击靶板推进剂均会发生点火,点火位置位于发动机内孔;随着撞击速度的增加,点火延迟时间减小.     

高能气体压裂用液体药点火与燃烧研究

高能气体压裂用液体药能够被点燃的点火压力、．点火热量以及能够形成其稳定燃烧的上述两个参数是液体药用于油气井高能气体压裂的两个重要参量．本文周密闭爆发器装置，用硝化棉药粉和双芳－３火药做为点火药，通过调整点火药量，得出了高能气体压裂用液体药的点火压力为５０ＭＰａ以上和点火热量及形成其稳定燃烧的点火压力和点火热量．并且得出了液体药能够被点燃的点火药为液体药的２０％．对液体药高能气体压裂现场施工设计选择点火药具有重要参考的价值．     

Al/PTFE活性材料弹丸冲击/爆燃行为数值模拟研究

针对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究问题,基于AUTODYN软件的二次开发功能,编写了适用于活性材料的状态方程、点火模型及整体反应度计算子程序,实现了对活性材料弹丸在高速侵彻过程中爆燃反应行为的数值模拟.通过对Al/PTFE活性材料弹丸高速碰撞2024铝合金间隔靶板的数值模拟,得到了碰撞过程中活性破片的形貌演化规律,以及粒子反应度、温度、压力等参量随时间的变化曲线,进而实现了对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量分析. 结果表明,反应度随时间的变化趋势与试验中活性材料弹丸释能发光的变化趋势一致,温度计算与先前试验结果相符,说明该数值模拟方法可以很好地反映Al/PTFE活性材料弹丸在高速撞击过程中的冲击/爆燃释能过程.      

火药热分解的热重分析实验研究

该文用热重分析(TGA)技术对各种国产制式火药的热分解作了实验研究。分析了火药热分解的基本特征、热分解转爆燃的临界条件、热分解动力学参数以及升温速率对热分解的影响。试验结果表明:火药缓慢的热分解向爆燃转变的临界温度可作为火药点火的判据。双基药与三基药存在多阶段的反应、火药热分解的临界温度以及化学动力学参数随升温速率增大而增大。该文的试验研究结果提供了火药的点火和燃烧所需的重要信息。     

固体火箭发动机撞击点火数值模拟计算

装填高能复合推进剂的固体发动机,在跌落和撞击等情况下可能发生燃烧或爆炸. 为了对发动机低速撞击下的安全性进行评价,建立了发动机撞击靶板点火计算模型,采用热力耦合算法实现机械能和热能之间的转化,采用Arrhenius方程描述推进剂自热反应过程. 对直径为200 mm和480 mm发动机撞击靶板过程进行数值模拟计算,获得了与火箭橇实验结果一致的速度阈值范围. 结果表明计算模型能较好描述发动机撞击点火过程. 计算结果表明,装药量大的发动机撞击后更容易发生点火,发动机撞击点火速度阈值与装药量的对数成线性关系.     

高压水射流冲击固体推进剂的温度效应实验研究

针对固体推进剂在高压水射流作用下点火机理尚不明确的问题,选用不同配方的丁羟固体推进剂为研究对象,进行了高压水射流的冲击实验研究.实验结果表明:高压水射流冲击固体推进剂过程中温度明显增加;推进剂的组分高氯酸铵(AP)和二茂铁的含量对升温速率有明显影响.     

丙烷/空气低温等离子体点火起爆数值研究

为研究脉冲爆震发动机低温等离子体点火起爆机理, 充分考虑丙烷/空气详细化学反应动力学机理, 将低温等离子体点火器放电区等效为高温高压热核, 利用FLUENT 软件内置的层流有限速率化学反应模型, 对脉冲爆震发动机低温等离子体点火后由缓燃转爆震(DDT)的过程进行模拟, 并对该过程进行详细分析。实验结果表明, 将低温等离子体点火器简化成一定压力和温度的火核进行数值模拟是可行的, 压力接近常压, 壁面温度为常温更合理。数值模拟的爆震波发展时间小于实验结果, 考虑到实验时有点火延迟和测量误差, 可以认为实验值符合数值模拟时火核为常压、壁温为常温的计算结果。     

固体推进剂在高压水射流作用下的点火模式

研究固体推进剂在高压水射流作用下的点火模式.利用压电传感器、热电偶和扫描电镜测量了丁羟固体推进剂在高压水射流作用下的压力峰值、温度和组分变化,分析了丁羟固体推进剂在高压水射流作用下的点火模式.研究结果表明,含二茂铁的丁羟固体推进剂在高压水射流作用下存在3种点火模式,其中最可能发生的是由高氯酸铵、二茂铁和水蒸气组成的混合体系被机械火花或静电火花点燃.     

复合推进剂粉尘最小点火能的实验研究

为研究复合推进剂在高压水射流冲击作用下的点火机理,采用哈特曼管粉尘爆炸设备,测试了典型复合推进剂粉尘的最小点火能,分析了成分、温度、湿度对最小点火能的影响.实验结果表明,湿度增加,粉尘体系最小点火能升高;温度增加,粉尘体系最小点火能降低;二茂铁含量对粉尘体系的最小点火能影响最为明显.     

大口径榴弹炮多相流内弹道数值预报

根据大口径榴弹炮复杂装药结构的特点，将膛内流域分为４个区；燃气区、管状药区、基本药一状药区与附加药包粒状药区，每个区分别推导质量、劝量与能量守恒方程，建立了多相流内弹道模型，结合工程背景。，数值预报了弹丸运动加速度变化规律，为弹丸设计提供理论指导。与部分试验结果比较表明，数值结果与结果与试验结果一致性很好，预测结果是可靠的。数值给出内弹道循环过程详细结果，对于指导装药设计、身管设计都具有重要意义。