油井压裂的风险分析与安全对策论文
摘要：对油井压裂过程中存在的安全风险进行了分析，梳理了安全管理的重点环节，提出了相应的安全管理对策措施。
关键词：油井压裂；风险分析安全对策
引言
油井压裂作业设备多、环节多，具有技术含量高、施工难度大、作业环境恶劣、救援及逃生困难的特点，安全管理工作难度大，极易酿成重大的人员伤亡和财产损失事故。笔者就油井压裂过程中存在的安全风险进行了分析，并提出了相应的安全管理对策措施。
1、压裂施工风险分析
人员与设备高度集中压裂作业井场占地一般1600m2左右；压裂设备包括压裂车、混砂车、仪表车、管汇车、砂罐车及立式砂罐、大罐等。在特殊情况下，如压力高或需要更大排量施工的井，还要增加压裂车和仪表车。井场人员和设备密集，管理难度大。
井场布置易存在隐患由于受井场场地的限制，施工车辆距离井口过近，压裂仪表车、其他辅助车辆和仪器距离高压区的距离较近，存在安全隐患。
施工过程危险性高压裂作业施工，尤其是老井、重复压裂井、大型酸化压裂，工序复杂，地面压力在30MPa-60MPa之间，极易造成井身结构破坏、管线爆裂，发生卡钻、砂堵油管、管柱断脱、井口设备刺漏等工程事故，极易引发井喷事故和物体打击事故。
救援及逃生困难由于井场摆放着各种车辆和压裂罐，视野较窄，一旦发生事故，很难迅速逃生和得到救援，极易升级为不良事件。
环境保护要求高如果压裂失控、压裂管柱破裂或者高压井口、管线泄漏，极易发生压裂液、有毒有害气体和原油的泄露，污染大气层和地表层，造成重大地面污染事故。
2、安全管理的重点环节
作业人员的管理应对设计人员进行井控培训，施工人员需穿戴好劳保用品并持证上岗，非本岗位工作人员要限入高压区。
生产设备的管理使用压裂设备前，必须对设备的气控系统、液压系统、吸入排出系统、仪表及执行机构系统、设备故障诊断系统等十个系统进行认真检查，并对仪表进行校正。
井场布置的管理压裂施工的井场布置应严格按高压区、低压区、井口区和辅助区划分，设立好警戒线，非工作人员严禁入内。油井压裂的所有生产设备，必须停放在上风方向，并与井口保持30m距离。
试压工序的管理井口要用钢丝绳固定牢固，高压管汇要安装泄压阀及安全阀。排空试压并保持15min，仔细检查无刺漏后再放空。要确定最高限压压力，现场施工中严禁超压操作，超压时应紧急停车。
施工过程的管理施工过程主要包括：循环、试压、试挤、压裂、支撑剂、替挤、反洗或活动管柱等环节，压裂施工期间应统一现场的操作指挥，必须对施工的设计要求、井下情况、地面设备及各个岗位的技术情况清楚，落实各项安全防范措施。在生产过程中，要保存安全生产的相关资料，主要包括作业人员名册、工作日志、培训记录、事故和险情记录、安全设备维修记录情况等。
安全管理的法规标准油井压裂作业安全管理须遵守SY6443-2000《压裂酸化作业安全规定》等有关的安全管理规定。
3、安全对策
规范人的安全行为
①压裂前召开安全会议，以保证所有的`现场人员都知道压裂施工程序，现场人员都应清楚自己在压裂施工中的职责和在应急情况下的处理措施。对施工现场人数进行统计，在应急情况下的人员逃生路线明确，在实施压裂过程中，暂无施工任务的人员应到指定位置待命。
②员工是油井压裂作业的主体，要从关爱员工生命及保护生产力的角度出发，严格压裂作业从业人员的选择任用。规范安全行为，加强安全教育及操作技能的培训，使其能够按规程、标准上岗操作，减少人为操作失误，降低因不安全行为引起的事故。
③压裂施工过程中，要严格按照操作规程的要求进行，不满足安全要求的井场坚决不能作业。高、低压管汇吊装、压裂车并入管汇、砂罐车倒车等重点工序，必须由专人指挥方能进行，提高操作的准确性及可靠性，有效避免人员伤亡事故的发生。
④要消除工作环境中的有害因素，创造适合人的工作环境，从而减少人失误的可能性。
控制设备设施的不安全状态
①压裂作业生产设施，要根据施工耐压等级，确定油井压裂生产设施和专业设备的选型，抓好设备的运行检查、定期校验、日常维护保养、维修改造、报废处理等环节的管理，杜绝设备带病运行，是确保油井压裂作业安全的重要途径。
②安全检查是监测单位生产作业情况与国家、地方及企业标准不符合程度的过程，是发现危害因素的方法，是安全管理工作的重要内容。通过安全检查，掌握油井压裂生产设备的安全运行状况，确保生产安全。
③严格按标准布置井场压裂设备，配备齐全的消防设施，消除压裂现场的机械设备、化学药剂的潜在危险。
④设备的安全附件要定期校验，不符合安全标准的安全附件要及时更换或修复，以消除作业中的安全隐患。
⑤安全管理部门要依据安全检查及隐患排查结果、隐患评价及隐患分级情况，提出隐患治理计划并组织实施。
抓好安全管理和应急救援工作
①油井压裂作业单位要依据国家有关安全生产的各项法律、法规和标准，结合单位的生产经营实际，制定单位安全生产管理的各项规章制度，要及时修订或完善，并组织员工对新制度进行学习培训。
②压裂作业单位要建立与单位生产和发展相适应的安全生产管理模式，建立健全安全管理网络，并配备好安全工程师，对于改善单位的安全管理、提高单位安全生产保障能力具有良好的作用。
③抓好应急救援工作。事故应急救援能有效降低事故发生后的人员伤亡和财产损失。油井压裂作业单位应建立并不断完善油井压裂作业配套的应急救援预案，强化应急演练，提高处理事故的应急技术，储备充足的应急物资和装备设施。同时，应建立可靠的通信联络与警报系统，加强与兄弟应急救援机构的信息沟通和交流，确保在应急状况下，及时得到救助，避免大的人员伤亡和财产损失。
王文环 袁向春 王光付
（中国石化石油勘探开发研究院，北京100083）
摘要 本文针对特低渗透砂岩油藏裂缝发育、压力敏感性强、非达西渗流以及开采特征具有较大差异等特点，在对特低渗透砂岩油藏体系特征参数进行系统分析的基础上，通过对特低渗透砂岩油藏驱替及开采特征影响因素的研究，确定了分类参数，并对特低渗透砂岩油藏进行了分类；在分类的基础上，通过对不同类型特低渗透砂岩油藏特殊的油藏工程技术——最佳匹配井网形式、合理注采井距以及合理注水时机等进行研究，形成了不同类型特低渗透砂岩油藏的油藏工程技术，对提高我国特低渗透砂岩油藏开发效果具有重要的指导意义。
关键词 特低渗透砂岩油藏 油藏分类 启动压力梯度 最佳匹配井网 合理井网密度合理注水时机
Study of Classifying and Development Techniques of Ultra-Low Permeable Sandstone Reservoirs
WANG Wen-huan，YUAN Xiang-chun，WANG Guang-fu
（Exploration and Production Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing 100083）
Abstract The ultra-low permeability sandstone reservoirs should possess some unique characteristics that are different from the high-permeability reservoirs as they have the characteristics of fractures，pressure sensibility and nonlinearity this paper，with the respect to the unique characteristics of ultra-low permeability sandstone reservoirs，firstly the classifying parameters have been confirmed and ultra-low permeability reservoirs have been classified through the study of influence factors to displacement and development characteristics，based on systemic analyzing characteristics parameter of ultra-low permeability sandstone then the development techniques，such as best fit pattern，optimum well density and proper injection time，have been to that，a series of corresponding reservoir engineering techniques have been presented：The optimum pattern that best fit to fractures is rectangular pattern of five-spot and the direction of injection wells row is in the same with fracture；the optimum well density to different type of ultra-low permeability reservoir has been resulted；and the proper injection time to different type of ultra-low permeability reservoir has been pointed sum up，the development techno-policies to different types of ultra-low permeability reservoir have been formed，which has very important directing action to effectively developing different types of ultra-low permeability reservoir.
Key words Ultra-low permeability sandstone reservoirs Reservoir classify Start-up pressure gradientBest fit pattern optimum well density proper injection time
低渗透砂岩油藏是一个相对的概念，目前世界上没有统一的标准和界限，由各国不同时期的资源状况及技术经济条件而定。我国将空气渗透率小于或等于50×10-3μm2的油藏定为低渗透油藏，又进一步将其划分为3种类型：渗透率为（50～10）×10-3μm2的称为一般低渗透油藏，渗透率为（10～1）×10-3μm2称为特低渗透油藏，渗透率为（1～）×10-3μm2称为超低渗透油藏［1］。目前，我国探明特低渗透砂岩油藏地质储量所占比例越来越大，2004年探明特低渗透砂岩油藏新增地质储量占新增砂岩储量的29%。但由于特低渗透砂岩油藏的裂缝发育、压力敏感性高及非达西渗流等特性，造成特低渗透砂岩油藏开发难度大，动用程度低，仅动用40%左右，开发效果差；且各开发单元开采特征差异较大，存在问题和暴露的矛盾亦不同。如何开发好特低渗透砂岩油藏，形成有效开发技术，已成为石油界人士所关注的问题，亦是富有挑战性的研究难题。针对以上难题，以80多个特低渗开发单元的现场实践为依托，以计算机数值模拟为手段，综合利用油藏工程、高等渗流力学理论，在对油藏进行分类的基础上，针对其裂缝发育、压力敏感性强、非达西渗流等特性，开展与其相适应的最佳匹配井网形式、利用合理注采井距以及合理注水时机等油藏工程技术研究，以形成适合不同类型特低渗透砂岩油藏有效开发的油藏工程技术。
1 特低渗透砂岩油藏分类
特征指标体系分类及分析
油藏开发过程，实际上是流体在多孔介质中的渗流过程，其渗流特征取决于渗流三大要素：①渗流的环境（即多孔介质），主要是多孔介质的孔隙结构和物理化学性质；②流体，主要是流体的组成和物理化学性质；③流动的状态，主要是流动的环境、条件和流固体之间的相互作用。这三大因素决定着流体渗流规律和油藏开发效果［1～6］。因此，影响油藏开发效果分类体系的指标亦可相应地概括为三大类：一是油藏评价特征指标体系（如储层的沉积成因特征、储层的孔喉结构特征、裂缝发育特征等）；二是油藏开发特征指标体系（主要包括油田流体系统、地层压力系统、驱替能量等特征）；三是流固耦合特征指标体系（即润湿性特征和压力敏感性特征）。
评价特征指标体系
特低渗透砂岩储层的形成与沉积作用、成岩作用和构造作用密切相关［2］。根据上述不同地质因素在特低渗透砂岩储层形成过程中控制作用的大小，可将特低渗透砂岩储层分为原生（沉积型）特低渗透砂岩储层、次生（成岩型）特低渗透砂岩储层和裂缝性特低渗透砂岩储层。但原生和次生特低渗透砂岩储层对开发效果的影响主要通过渗透率指标参数和裂缝发育情况来体现。
油藏开发特征指标体系
我国特低渗透砂岩油藏流体性质和驱替能量差异不大，原油性质一般都比较好，其特点是密度比较小、黏度低、含胶质和沥青少，另外凝固点比较高、含蜡量比较多。油藏基本上都为低饱和油藏，驱替能量主要为弹性驱动。但地层压力系统差异较大，压力系数在～之间。
流固耦合特征指标体系
流固耦合特征主要表现为流体与流动环境之间的关系。首先是流体与岩石之间的亲和性，即润湿性，统计表明，我国特低渗透砂岩油层润湿性以亲水为主［2］；其次是在油藏开采过程中，由于地层压力的改变引起储层结构的变化，而这种变化又必然反作用于储层内流体的渗流，影响到油藏的开发，这是一种流固耦合过程［7］。由此可见：储层的变形是一种被动的变化，其变化程度和类型取决于主动因素（主要是地层压力）的变化情况，即压力系统是影响储层压力敏感性的重要因素。异常高压油藏的储层变形比常压油藏储层变化明显得多［7～9］。因此，影响特低渗透砂岩油藏开发效果的流固耦合特征指标也主要为地层的压力系数。
综合以上分析可见：影响特低渗透砂岩油藏开发效果的特征指标主要是储层渗透率、裂缝的发育、压力系统及储层敏感程度等。
特征指标对开发效果的影响
特低渗透砂岩油藏驱替特征影响因素
应用非达西渗流理论，在建立非达西渗流数学模型的基础上，通过求解不同条件下水驱前缘含水饱和度和驱替相压力的分布情况，来分析影响特低渗透砂岩油藏驱替特征的主要因素及影响。
考虑毛细管压力的两相驱替前缘含水饱和度方程为［10］：
油气成藏理论与勘探开发技术
式中：ϕ为孔隙度；t为某一时刻，s；x为距离点源的位置，cm；A为过水断面面积，cm2；q（t）为体积流量，cm3/s；λo为油的流度，μm2/MPa·s；Sw为水相饱和度；pc为毛管压力，MPa；fw为含水率。
水相压力分布方程为［10］：
油气成藏理论与勘探开发技术
式中：λ为油、水相流度之和，10-3μm2/（MPa·s）；pw为井底压力，MPa；qv为油、水总流量，cm3/s；
方程（1）和（2）均为非线性方程，解析求解已不可能，数值计算采用IMPES分别进行差分，隐式求解压力，显式求解饱和度。
求解结果表明：启动压力梯度和毛细管压力是影响特低渗透砂岩油藏驱替特征的主要指标。首先，启动压力梯度的存在造成了见水前缘平均含水饱和度的降低和驱替相压力的升高（图1）。同时，毛细管压力的存在能使含水饱和度前缘超前，水淹区内的含水饱和度趋于均匀，同样亦造成驱替相压力的增加（图2）。总之，启动压力梯度和毛细管压力的存在使特低渗透砂岩油藏油井见水早，含水上升快；水井注水困难，驱替效果变差。而储层的启动压力梯度和毛细管压力是由储层渗透率决定的，即渗透率是决定油藏开发效果的主要因素之一。
特低渗透砂岩油藏开采特征影响因素
应用非线性弹性渗流理论，在建立非线性弹性渗流数学模型的基础上，通过求解不同渗透率变化系数（压力敏感程度）条件下地层压力的分布情况，来研究影响特低渗透砂岩油藏（变形介质油藏）开发特征的主要因素。
图1 启动压力梯度对前缘含水饱和度、驱替相压力分布的影响
图2 毛管压力对前缘饱和度、驱替相压力分布的影响
非线性弹性渗流的泛定方程为［10］：
油气成藏理论与勘探开发技术
对非线性方程（3）进行有限差分求解，从而求出地层压力和井底流压的分布。
求解结果表明：①在定产条件下，地层渗透率变化系数越大，地层压力降低越急剧；②当井底流压一定时，变形越严重的油藏产量越低；③当产量一定时，变形越严重的油藏井底流压越低，即生产压差越大（图3）。由此可见：油藏的产量和产量递减快慢是受油藏弹塑性影响的，弹塑性越大，产量递减越快。而油藏的弹塑性除了与储层的孔喉大小和裂缝有关外，还与油藏的压力系统有着直接的关系，即高压、常压、低压系统在一定程度上反映油藏的弹塑性［7］。因此，油藏压力系数及裂缝是影响油藏开发效果的另一重要因素。
图3 不同渗透率变化系数条件下地层压力分布及生产井指示曲线
特低渗透砂岩油藏分类指标确定及分类
特低渗透砂岩油藏分类指标确定
综合特征指标分析和影响规律研究，影响油藏开发效果的主要因素主要为裂缝和压力系数（压力系统类型）。
另外，特低渗透砂岩油藏埋深变化范围较大，在1300～4000m之间，是影响油藏经济效益的主要参数。
因此，特低渗透砂岩油藏主要的分类参数为压力系数、油藏埋深以及裂缝是否发育。
特低渗透砂岩油藏分类
综合油藏原始地层压力系数和油藏埋深可将油藏划分为16种类型，再考虑裂缝是否发育，则特低渗砂岩油藏总共可细分为32种类型。
根据中石化81个开发单元的实际情况看，主要存在裂缝性浅层低压特低渗砂岩油藏、裂缝性中深层常压特低渗砂岩油藏和裂缝性深层高压特低渗砂岩油藏3种类型（表1）。
表1 中石化油藏分类及油藏储量分布状况
2 三种不同类型特低渗砂岩油藏开采特征分析
产量递减规律异同
图4 不同类型油藏产量递减规律曲线
通过对中石化81个开发单元、3种不同类型特低渗砂岩油藏产量递减规律分析可见，不同类型特低渗砂岩油藏产量递减均符合指数递减规律，但不同类型特低渗砂岩油藏初始递减产量和递减率差异较大。深层高压特低渗砂岩油藏初始产量高，递减快，初始递减产量为，初始年递减率为；中深层常压特低渗砂岩油藏初始产量较之高压特低渗透砂岩油藏低，递减慢，初始递减产量为，初始年递减率为；浅层低压特低渗砂岩油藏初始递减产量最低，递减最慢，初始递减产量为，初始年递减率为（图4）。
含水上升规律异同
通过对中石化81个开发单元、3种不同类特低渗透砂岩油藏含水上升规律分析可见，不同类型特低渗透砂岩油藏普遍具有见水早、无水采油期短的规律，但不同类型特低渗透砂岩油藏含水上升率差异较大。深层高压特低渗透砂岩油藏含水上升快；中深层常压特低渗透砂岩油藏和浅层低压特低渗透砂岩油藏含水相对深层高压特低渗透砂岩油藏上升较慢（图5）。
图5 不同类型油藏含水与采出程度关系曲线
注水井注水特征异同
不同类型特低渗透砂岩油藏普遍具有吸水能力低、启动压力和注水压力高且上升快的特点。特低渗透砂岩油层渗流阻力大，传导能力差，注水能量很难传导扩散，导致特低渗透油层吸水的启动压力一般较高。再加地层中粘土矿物膨胀和水质不配伍等因素引起的油层伤害使吸水指数下降，致使注水井压力上升很快，在注水井附近憋成高压区，降低了有效注水压差，造成注水量的递减。
由此可见，不同类型特低渗透砂岩油藏具有明显不同的开采特征，这表明分类参数能够反映油藏的基本特性，具有很好的代表性。
3 特低渗透砂岩油藏有效开发油藏工程技术研究
裂缝性特低渗透砂岩油藏最佳匹配井网研究
裂缝性特低渗透砂岩油藏天然裂缝和人工裂缝系统的存在对油藏注水开发起到了双重作用，改善了油层的吸水能力，弥补了储层渗透率的不足，有利于注水补充地层能量。另一方面，注入水在进入裂缝单向突进、形成高压水线、然后向两侧扩散时，如果驱替方向合适，将有利于提高开发效果；若驱替方向不当，将导致油井过早水淹、水窜，严重影响油藏最终采收率。因此，特低渗透砂岩油藏开发井网的研究必须考虑井网与裂缝的最佳匹配形式。井网与裂缝的最佳匹配主要包括两方面内容：①不同井网形式与裂缝的最佳匹配角度；②最佳的井网形式。特别是井排方向的部署是否合理是裂缝性特低渗透砂岩油藏注水开发成败的关键。
不同井网形式与裂缝的最佳匹配角度研究
由于多数特低渗透砂岩油藏具有储集层物性差、天然裂缝比较发育、渗透率各向异性明显、基质渗透率低、注水开发所需驱动压力梯度大等特点，行列注水、边缘注水及切割注水等注采井数比低、注采井距偏大的注采方式都不能适应特低渗透砂岩油藏的特性，因此多采用面积注水方式进行开发，如五点法、七点法及九点法等。不同类型井网形式如何部署才能取得好的驱替效果，即注水井排与裂缝方向呈何角度时驱替效果最好？
建立五点法、七点法及九点法概念模型，由注水井排与最大渗透率呈不同角度波及系数和见水时间计算结果对比可见，五点法矩形井网注水井排与裂缝方向一致时，波及系数最高、见水时间最迟，因此五点法矩形井网注水井排与裂缝的最佳匹配角度为0（图6）。同理，斜七点法面积注采井网注水井排与裂缝的最佳匹配角度为°（图7）。反九点法面积注采井网注水井排与裂缝的最佳匹配角度为45°（图8）。
图6 五点法矩形井网不同角度条件下波及系数、见水时间变化曲线
图7 斜七点法井网不同角度条件下波及系数、见水时间变化曲线
最佳匹配井网形式研究
不同类型井网与裂缝具有不同的最佳匹配角度，但哪一种井网形式更适合裂缝性油藏开发，开发效果最好？3种不同井网形式（正方形反九点、菱形反九点、矩形井网）数值模拟结果对比表明，面积注水井网中，矩形井网含水上升最慢，开发效果最好，菱形反九点井网次之，正方形反九点井网最差（图9）。
图8 反九点法井网不同角度条件下波及系数、见水时间变化曲线
图9 不同类型注采井网开发效果对比图
因此，裂缝性砂岩油藏注采井网与裂缝的最佳匹配井网形式为：五点法矩形井网，注水井排与裂缝方向一致。
三种不同类型特低渗透砂岩油藏合理注采井距研究
在对特低渗透砂岩油藏的研究中，存在着一个长期困扰的矛盾：这就是注采井距的经济适应性和技术适应性。从地质和开发的需要看，特低渗透砂岩油藏由于存在启动压力梯度，当井距过大、驱替压力梯度小于最小启动压力梯度时，不能建立有效的驱替压力系统，流体将处于不流动状态，即注采井距影响流体流态分布。因此，应采用较小的注采井距、较大的井网密度，才能建立有效的驱替压力系统，取得好的开发效果。但由于低渗透油藏单井产量低，经济上又不允许。因此，特低渗透油藏注采井距的确定不同于中高渗透油藏，不仅要考虑经济是否合理，还要考虑技术是否可行。
三种不同类型特低渗透砂岩油藏合理注采井距经济适应性研究
经济最佳井网密度是指总产出减去总投入达到最大时，亦即经济效益最大时的井网密度。应用北京石油勘探开发研究俞启泰推导的经济最佳井网密度预测公式［2］，对3种不同类型特低渗透砂岩油藏经济合理井网密度进行了预测（图10）。浅层低压特低渗透砂岩油藏的经济合理井网密度为20口/km2，对应的经济合理注采井距为158m；中深层常压特低渗透砂岩油藏的经济合理井网密度为口/km2，对应的经济合理注采井距为200m；深层高压特低渗透砂岩油藏的经济合理井网密度为10 口/km2，对应的经济合理注采井距为224m。
图10 不同类型特低渗透砂岩油藏经济合理井网密度测算曲线
3 种不同类型特低渗透砂岩油藏合理注采井距技术适应性研究
由于特低渗透砂岩油藏存在启动压力梯度，流体渗流遵循非达西渗流规律。随着驱替压力梯度的变化，存在多种渗流状态，即当驱替压力梯度小于最小启动压力梯度时，流体处于不流动状态；当驱替压力梯度大于最小启动压力梯度而小于临界驱替压力梯度时，流体将处于低速非线性流动状态；当驱替压力梯度大于临界驱替压力梯度时，流体处于拟线性渗流状态（图11）。因此，对于特低渗透油藏存在技术极限泄油半径（驱替压力梯度等于最小启动压力梯度处对应的泄油半径），即存在技术极限注采井距。当实际的注采井距大于技术极限注采井距时，将不能建立连通有效的驱替压力系统，井间存在不流动区，导致水井附近蹩压，注不进水；油井形成低压区，采不出油。所以，特低渗透砂岩油藏合理注采井距的确定，除考虑经济因素外，必须考虑技术可行性。
图11 流态分布示意图
应用岩心实验获得的最小启动压力梯度公式与产量公式推导出的技术极限注采井距计算公式［11，12］，对3种不同类型特低渗透砂岩油藏的技术极限注采井距进行了计算。浅层低压特低渗透砂岩油藏的技术极限注采井距为90m；中深层常压特低渗透砂岩油藏的技术极限注采井距为80m；深层高压特低渗透砂岩油藏的技术极限注采井距为160m。
3 种不同类型特低渗透砂岩油藏合理注采井距的确定
特低渗透砂岩油藏合理注采井距的确定，应综合考虑经济合理注采井距和技术极限注采井距而定，即技术可行与经济相对合理相结合。因此，特低渗透砂岩油藏合理注采井距确定的原则是：当技术极限注采井距大于经济合理井距时，取经济合理注采井距；当技术极限注采井距小于经济合理注采井距时，考虑压裂作用，看压裂工艺水平能否补偿经济合理注采井距与技术极限注采井距之差，如能补偿就采用经济合理注采井距；如压裂无法弥补经济合理注采井距与技术极限注采井距之差，就考虑与经济极限注采井距的关系，如果技术极限注采小于经济极限注采井距，考虑压裂的作用，合理注采井距取经济极限井距加三分之一经济合理注采井距与经济极限注采井距之差。但如果压裂工艺水平无法弥补经济合理注采井距和技术极限注采井距之差时，那么该油藏就暂时无法经济有效地动用。
根据以上原则，综合经济合理注采井距和技术极限注采井距计算结果，在考虑压裂的情况下，合理注采井距可采用经济合理注采井距。因此，浅层低压特低渗透砂岩油藏、中深层常压特低渗透砂岩油藏、深层高压特低渗透砂岩油藏的合理注采井距可分别取值为其经济合理注采井距：158m，200m，224m。
3 种不同类型特低渗透砂岩油藏合理开采方式研究
由于特低渗透砂岩储层压力敏感性强，在降压开采过程中，孔渗伤害很大，裂缝系统更为显著。即使压力再升高后，渗透率恢复也很小，远低于原始水平。储层压力敏感的不可逆性对特低渗透砂岩油藏开发造成严重不利的影响。因此，研究注水时机，适时注水，对保证特低渗透油田的开发效果具有重要的意义。
特低渗透油田原则上应保证早期同步注水，最好争取提前注水。但对于不同类型的特低渗透砂岩油藏应采用不同的注水时机：
（1）异常低压特低渗透砂岩油藏：可考虑超前注水。因为异常低压特低渗透砂岩油藏可建立的驱替压力梯度小（在相同注采井距条件下），提前注水将有利于建立有效的压力系统。实践证实超前注水时机以3～6个月为好，而超前注水压力应保持在原始地层压力的110%左右。
（2）常压特低渗透砂岩油藏：可考虑同步注水。同步注水可避免因降压造成的储层伤害。
（3）异常高压特低渗透砂岩油藏：对于欠压实型异常高压特低渗透砂岩油藏，注水时机可以适当推迟一些。因为地层压力本来就高，再加上油层渗透率特别低，如果早期注水，则需要的注水压力很高。一般主张地层压力降至静水柱压力时开始注水。
4 结论
（1）本文从分析控制渗流特征的三大要素出发，应用非达西及非线性弹性渗流理论研究了影响特低渗砂岩油藏驱替及开采特征因素。研究表明，启动压力梯度（储层渗透率）、储层的弹塑性（油藏埋深、裂缝和油藏的压力系统）是影响特低渗砂岩油藏驱替及开采特征的决定因素。因此，油藏埋深、原始压力系数和裂缝可作为油藏的分类参数，形成了特低渗透砂岩油藏分类新的表征指标和方法。
（2）不同类型特低渗砂岩油藏的开采特征研究表明：不同类型特低渗砂岩油藏具有明显差异，从而说明特低渗砂岩油藏分类新的表征指标和方法具有很好的适应性，用其进行分类具有很好的代表性。
（3）针对特低渗透砂岩油藏的裂缝发育、非达西渗流、压力敏感性强等特性，通过井网与裂缝最佳匹配、合理注采井距和合理注水时机等研究，形成了不同类型特低渗透砂岩油藏有效开发的油藏工程技术：①裂缝性特低渗透砂岩油藏最佳匹配井网形式为五点法矩形井网、注水井排与裂缝方向一致；②不同类型特低渗透砂岩油藏应采用不同的井网密度，研究认为浅层低压特低渗透砂岩油藏、中深层常压特低渗透砂岩油藏、深层高压特低渗透砂岩油藏的合理注采井距分别取158m，200m，224m；③不同类型特低渗透砂岩油藏应采用不同的注水时机，浅层低压特低渗透砂岩油藏应提前注水，超前注水时机以3～6个月为好，而超前注水压力应保持在原始地层压力的110%左右；中深层常压特低渗透砂岩油藏应同步注水；深层高压特低渗透砂岩油藏应在地层压力降至静水柱压力左右时开始注水。
参考文献
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[石油工程]气藏水平井合理配产摘 要目前，运用水平井开发油气藏受到越来越多的油田工作者推崇。但用水平井开发气藏要受到多种因素的制约，诸如渗透率各向异性、水平井长度、气层厚度、水平井位置、地层损害程度等，对于低渗透气藏还要考虑启动压力梯度、应力敏感等因素的影响。不同的气藏类型，其所考虑的因素也有所不同，产能公式求解也相应不同。运用水平气井流入动态曲线分析可以更直观的分析参数变化所引起的产量变化关系，了解影响产能的因素。本文就气藏水平井合理配产方面，总结了各类气藏水平井开发的实用公式，讨论了气藏开发的影响因素，分析了相关因素对水平井产量和流入动态的影响，最终得到了气藏水平井开发的实用范围及特点。在获得确定气藏水平井产能实用公式基础上，根据气藏水平井配产的相关方法，通过实例分析，了解了气藏水平井长度、避水程度因素对水平井产能的影响，绘制了无阻流量增量随避水程度变化的关系曲线图，最终确定了合理的水平段长度和避水程度，最后应用经验法配产，获得了该井的合理产量。关键词：气藏；水平井；影响因素；配产目 录1 绪论 立论依据及研究的目的及意义 国内外研究现状 水平气井产能公式的提出 水平井产能分析概要 气井配产研究 气藏水平井产能影响因素 气井配产限制因素 本文的研究目标、技术路线及所完成的工作 研究目标 技术路线 本文完成的工作 62 气藏水平井开发公式及影响因素分析 裂缝性气藏水平井求解公式 非达西流动对水平井产能的影响 裂缝性有水气藏水平井公式及分析 凝析气藏水平井的公式及分析 启动压力梯度和应力敏感效应对低渗透气藏水平井产能的影响 气藏水平井产能影响因素 气层厚度及水平井段长度的影响 各向异性的影响 地层损害的影响 底水驱气藏水平井 底水锥进气井临界产量确定常用方法 边、底水气藏气井开采特征 气井工作制度分析 水平气井流入动态曲线分析 水平气井长度对水平气井流入动态曲线的影响 气层厚度对水平气井流入动态曲线的影响 各向异性对水平气井流入动态曲线的影响 地层损害对水平气井流入动态曲线的影响 313 气藏水平井合理配产方法 气藏配产方法 经验法 系统分析方法 各种方法剖析 经验法剖析 单点法 指数式 二项式 节点分析法剖析 在节点分析基础上引入时间变量的配产方法 优化配产方法 434 实例计算 445 结论及建议 结论 建议 49谢 辞 50参考文献 51
王文环 袁向春 王光付
（中国石化石油勘探开发研究院，北京100083）
摘要 本文针对特低渗透砂岩油藏裂缝发育、压力敏感性强、非达西渗流以及开采特征具有较大差异等特点，在对特低渗透砂岩油藏体系特征参数进行系统分析的基础上，通过对特低渗透砂岩油藏驱替及开采特征影响因素的研究，确定了分类参数，并对特低渗透砂岩油藏进行了分类；在分类的基础上，通过对不同类型特低渗透砂岩油藏特殊的油藏工程技术——最佳匹配井网形式、合理注采井距以及合理注水时机等进行研究，形成了不同类型特低渗透砂岩油藏的油藏工程技术，对提高我国特低渗透砂岩油藏开发效果具有重要的指导意义。
关键词 特低渗透砂岩油藏 油藏分类 启动压力梯度 最佳匹配井网 合理井网密度合理注水时机
Study of Classifying and Development Techniques of Ultra-Low Permeable Sandstone Reservoirs
WANG Wen-huan，YUAN Xiang-chun，WANG Guang-fu
（Exploration and Production Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing 100083）
Abstract The ultra-low permeability sandstone reservoirs should possess some unique characteristics that are different from the high-permeability reservoirs as they have the characteristics of fractures，pressure sensibility and nonlinearity this paper，with the respect to the unique characteristics of ultra-low permeability sandstone reservoirs，firstly the classifying parameters have been confirmed and ultra-low permeability reservoirs have been classified through the study of influence factors to displacement and development characteristics，based on systemic analyzing characteristics parameter of ultra-low permeability sandstone then the development techniques，such as best fit pattern，optimum well density and proper injection time，have been to that，a series of corresponding reservoir engineering techniques have been presented：The optimum pattern that best fit to fractures is rectangular pattern of five-spot and the direction of injection wells row is in the same with fracture；the optimum well density to different type of ultra-low permeability reservoir has been resulted；and the proper injection time to different type of ultra-low permeability reservoir has been pointed sum up，the development techno-policies to different types of ultra-low permeability reservoir have been formed，which has very important directing action to effectively developing different types of ultra-low permeability reservoir.
Key words Ultra-low permeability sandstone reservoirs Reservoir classify Start-up pressure gradientBest fit pattern optimum well density proper injection time
低渗透砂岩油藏是一个相对的概念，目前世界上没有统一的标准和界限，由各国不同时期的资源状况及技术经济条件而定。我国将空气渗透率小于或等于50×10-3μm2的油藏定为低渗透油藏，又进一步将其划分为3种类型：渗透率为（50～10）×10-3μm2的称为一般低渗透油藏，渗透率为（10～1）×10-3μm2称为特低渗透油藏，渗透率为（1～）×10-3μm2称为超低渗透油藏［1］。目前，我国探明特低渗透砂岩油藏地质储量所占比例越来越大，2004年探明特低渗透砂岩油藏新增地质储量占新增砂岩储量的29%。但由于特低渗透砂岩油藏的裂缝发育、压力敏感性高及非达西渗流等特性，造成特低渗透砂岩油藏开发难度大，动用程度低，仅动用40%左右，开发效果差；且各开发单元开采特征差异较大，存在问题和暴露的矛盾亦不同。如何开发好特低渗透砂岩油藏，形成有效开发技术，已成为石油界人士所关注的问题，亦是富有挑战性的研究难题。针对以上难题，以80多个特低渗开发单元的现场实践为依托，以计算机数值模拟为手段，综合利用油藏工程、高等渗流力学理论，在对油藏进行分类的基础上，针对其裂缝发育、压力敏感性强、非达西渗流等特性，开展与其相适应的最佳匹配井网形式、利用合理注采井距以及合理注水时机等油藏工程技术研究，以形成适合不同类型特低渗透砂岩油藏有效开发的油藏工程技术。
1 特低渗透砂岩油藏分类
特征指标体系分类及分析
油藏开发过程，实际上是流体在多孔介质中的渗流过程，其渗流特征取决于渗流三大要素：①渗流的环境（即多孔介质），主要是多孔介质的孔隙结构和物理化学性质；②流体，主要是流体的组成和物理化学性质；③流动的状态，主要是流动的环境、条件和流固体之间的相互作用。这三大因素决定着流体渗流规律和油藏开发效果［1～6］。因此，影响油藏开发效果分类体系的指标亦可相应地概括为三大类：一是油藏评价特征指标体系（如储层的沉积成因特征、储层的孔喉结构特征、裂缝发育特征等）；二是油藏开发特征指标体系（主要包括油田流体系统、地层压力系统、驱替能量等特征）；三是流固耦合特征指标体系（即润湿性特征和压力敏感性特征）。
评价特征指标体系
特低渗透砂岩储层的形成与沉积作用、成岩作用和构造作用密切相关［2］。根据上述不同地质因素在特低渗透砂岩储层形成过程中控制作用的大小，可将特低渗透砂岩储层分为原生（沉积型）特低渗透砂岩储层、次生（成岩型）特低渗透砂岩储层和裂缝性特低渗透砂岩储层。但原生和次生特低渗透砂岩储层对开发效果的影响主要通过渗透率指标参数和裂缝发育情况来体现。
油藏开发特征指标体系
我国特低渗透砂岩油藏流体性质和驱替能量差异不大，原油性质一般都比较好，其特点是密度比较小、黏度低、含胶质和沥青少，另外凝固点比较高、含蜡量比较多。油藏基本上都为低饱和油藏，驱替能量主要为弹性驱动。但地层压力系统差异较大，压力系数在～之间。
流固耦合特征指标体系
流固耦合特征主要表现为流体与流动环境之间的关系。首先是流体与岩石之间的亲和性，即润湿性，统计表明，我国特低渗透砂岩油层润湿性以亲水为主［2］；其次是在油藏开采过程中，由于地层压力的改变引起储层结构的变化，而这种变化又必然反作用于储层内流体的渗流，影响到油藏的开发，这是一种流固耦合过程［7］。由此可见：储层的变形是一种被动的变化，其变化程度和类型取决于主动因素（主要是地层压力）的变化情况，即压力系统是影响储层压力敏感性的重要因素。异常高压油藏的储层变形比常压油藏储层变化明显得多［7～9］。因此，影响特低渗透砂岩油藏开发效果的流固耦合特征指标也主要为地层的压力系数。
综合以上分析可见：影响特低渗透砂岩油藏开发效果的特征指标主要是储层渗透率、裂缝的发育、压力系统及储层敏感程度等。
特征指标对开发效果的影响
特低渗透砂岩油藏驱替特征影响因素
应用非达西渗流理论，在建立非达西渗流数学模型的基础上，通过求解不同条件下水驱前缘含水饱和度和驱替相压力的分布情况，来分析影响特低渗透砂岩油藏驱替特征的主要因素及影响。
考虑毛细管压力的两相驱替前缘含水饱和度方程为［10］：
油气成藏理论与勘探开发技术
式中：ϕ为孔隙度；t为某一时刻，s；x为距离点源的位置，cm；A为过水断面面积，cm2；q（t）为体积流量，cm3/s；λo为油的流度，μm2/MPa·s；Sw为水相饱和度；pc为毛管压力，MPa；fw为含水率。
水相压力分布方程为［10］：
油气成藏理论与勘探开发技术
式中：λ为油、水相流度之和，10-3μm2/（MPa·s）；pw为井底压力，MPa；qv为油、水总流量，cm3/s；
方程（1）和（2）均为非线性方程，解析求解已不可能，数值计算采用IMPES分别进行差分，隐式求解压力，显式求解饱和度。
求解结果表明：启动压力梯度和毛细管压力是影响特低渗透砂岩油藏驱替特征的主要指标。首先，启动压力梯度的存在造成了见水前缘平均含水饱和度的降低和驱替相压力的升高（图1）。同时，毛细管压力的存在能使含水饱和度前缘超前，水淹区内的含水饱和度趋于均匀，同样亦造成驱替相压力的增加（图2）。总之，启动压力梯度和毛细管压力的存在使特低渗透砂岩油藏油井见水早，含水上升快；水井注水困难，驱替效果变差。而储层的启动压力梯度和毛细管压力是由储层渗透率决定的，即渗透率是决定油藏开发效果的主要因素之一。
特低渗透砂岩油藏开采特征影响因素
应用非线性弹性渗流理论，在建立非线性弹性渗流数学模型的基础上，通过求解不同渗透率变化系数（压力敏感程度）条件下地层压力的分布情况，来研究影响特低渗透砂岩油藏（变形介质油藏）开发特征的主要因素。
图1 启动压力梯度对前缘含水饱和度、驱替相压力分布的影响
图2 毛管压力对前缘饱和度、驱替相压力分布的影响
非线性弹性渗流的泛定方程为［10］：
油气成藏理论与勘探开发技术
对非线性方程（3）进行有限差分求解，从而求出地层压力和井底流压的分布。
求解结果表明：①在定产条件下，地层渗透率变化系数越大，地层压力降低越急剧；②当井底流压一定时，变形越严重的油藏产量越低；③当产量一定时，变形越严重的油藏井底流压越低，即生产压差越大（图3）。由此可见：油藏的产量和产量递减快慢是受油藏弹塑性影响的，弹塑性越大，产量递减越快。而油藏的弹塑性除了与储层的孔喉大小和裂缝有关外，还与油藏的压力系统有着直接的关系，即高压、常压、低压系统在一定程度上反映油藏的弹塑性［7］。因此，油藏压力系数及裂缝是影响油藏开发效果的另一重要因素。
图3 不同渗透率变化系数条件下地层压力分布及生产井指示曲线
特低渗透砂岩油藏分类指标确定及分类
特低渗透砂岩油藏分类指标确定
综合特征指标分析和影响规律研究，影响油藏开发效果的主要因素主要为裂缝和压力系数（压力系统类型）。
另外，特低渗透砂岩油藏埋深变化范围较大，在1300～4000m之间，是影响油藏经济效益的主要参数。
因此，特低渗透砂岩油藏主要的分类参数为压力系数、油藏埋深以及裂缝是否发育。
特低渗透砂岩油藏分类
综合油藏原始地层压力系数和油藏埋深可将油藏划分为16种类型，再考虑裂缝是否发育，则特低渗砂岩油藏总共可细分为32种类型。
根据中石化81个开发单元的实际情况看，主要存在裂缝性浅层低压特低渗砂岩油藏、裂缝性中深层常压特低渗砂岩油藏和裂缝性深层高压特低渗砂岩油藏3种类型（表1）。
表1 中石化油藏分类及油藏储量分布状况
2 三种不同类型特低渗砂岩油藏开采特征分析
产量递减规律异同
图4 不同类型油藏产量递减规律曲线
通过对中石化81个开发单元、3种不同类型特低渗砂岩油藏产量递减规律分析可见，不同类型特低渗砂岩油藏产量递减均符合指数递减规律，但不同类型特低渗砂岩油藏初始递减产量和递减率差异较大。深层高压特低渗砂岩油藏初始产量高，递减快，初始递减产量为，初始年递减率为；中深层常压特低渗砂岩油藏初始产量较之高压特低渗透砂岩油藏低，递减慢，初始递减产量为，初始年递减率为；浅层低压特低渗砂岩油藏初始递减产量最低，递减最慢，初始递减产量为，初始年递减率为（图4）。
含水上升规律异同
通过对中石化81个开发单元、3种不同类特低渗透砂岩油藏含水上升规律分析可见，不同类型特低渗透砂岩油藏普遍具有见水早、无水采油期短的规律，但不同类型特低渗透砂岩油藏含水上升率差异较大。深层高压特低渗透砂岩油藏含水上升快；中深层常压特低渗透砂岩油藏和浅层低压特低渗透砂岩油藏含水相对深层高压特低渗透砂岩油藏上升较慢（图5）。
图5 不同类型油藏含水与采出程度关系曲线
注水井注水特征异同
不同类型特低渗透砂岩油藏普遍具有吸水能力低、启动压力和注水压力高且上升快的特点。特低渗透砂岩油层渗流阻力大，传导能力差，注水能量很难传导扩散，导致特低渗透油层吸水的启动压力一般较高。再加地层中粘土矿物膨胀和水质不配伍等因素引起的油层伤害使吸水指数下降，致使注水井压力上升很快，在注水井附近憋成高压区，降低了有效注水压差，造成注水量的递减。
由此可见，不同类型特低渗透砂岩油藏具有明显不同的开采特征，这表明分类参数能够反映油藏的基本特性，具有很好的代表性。
3 特低渗透砂岩油藏有效开发油藏工程技术研究
裂缝性特低渗透砂岩油藏最佳匹配井网研究
裂缝性特低渗透砂岩油藏天然裂缝和人工裂缝系统的存在对油藏注水开发起到了双重作用，改善了油层的吸水能力，弥补了储层渗透率的不足，有利于注水补充地层能量。另一方面，注入水在进入裂缝单向突进、形成高压水线、然后向两侧扩散时，如果驱替方向合适，将有利于提高开发效果；若驱替方向不当，将导致油井过早水淹、水窜，严重影响油藏最终采收率。因此，特低渗透砂岩油藏开发井网的研究必须考虑井网与裂缝的最佳匹配形式。井网与裂缝的最佳匹配主要包括两方面内容：①不同井网形式与裂缝的最佳匹配角度；②最佳的井网形式。特别是井排方向的部署是否合理是裂缝性特低渗透砂岩油藏注水开发成败的关键。
不同井网形式与裂缝的最佳匹配角度研究
由于多数特低渗透砂岩油藏具有储集层物性差、天然裂缝比较发育、渗透率各向异性明显、基质渗透率低、注水开发所需驱动压力梯度大等特点，行列注水、边缘注水及切割注水等注采井数比低、注采井距偏大的注采方式都不能适应特低渗透砂岩油藏的特性，因此多采用面积注水方式进行开发，如五点法、七点法及九点法等。不同类型井网形式如何部署才能取得好的驱替效果，即注水井排与裂缝方向呈何角度时驱替效果最好？
建立五点法、七点法及九点法概念模型，由注水井排与最大渗透率呈不同角度波及系数和见水时间计算结果对比可见，五点法矩形井网注水井排与裂缝方向一致时，波及系数最高、见水时间最迟，因此五点法矩形井网注水井排与裂缝的最佳匹配角度为0（图6）。同理，斜七点法面积注采井网注水井排与裂缝的最佳匹配角度为°（图7）。反九点法面积注采井网注水井排与裂缝的最佳匹配角度为45°（图8）。
图6 五点法矩形井网不同角度条件下波及系数、见水时间变化曲线
图7 斜七点法井网不同角度条件下波及系数、见水时间变化曲线
最佳匹配井网形式研究
不同类型井网与裂缝具有不同的最佳匹配角度，但哪一种井网形式更适合裂缝性油藏开发，开发效果最好？3种不同井网形式（正方形反九点、菱形反九点、矩形井网）数值模拟结果对比表明，面积注水井网中，矩形井网含水上升最慢，开发效果最好，菱形反九点井网次之，正方形反九点井网最差（图9）。
图8 反九点法井网不同角度条件下波及系数、见水时间变化曲线
图9 不同类型注采井网开发效果对比图
因此，裂缝性砂岩油藏注采井网与裂缝的最佳匹配井网形式为：五点法矩形井网，注水井排与裂缝方向一致。
三种不同类型特低渗透砂岩油藏合理注采井距研究
在对特低渗透砂岩油藏的研究中，存在着一个长期困扰的矛盾：这就是注采井距的经济适应性和技术适应性。从地质和开发的需要看，特低渗透砂岩油藏由于存在启动压力梯度，当井距过大、驱替压力梯度小于最小启动压力梯度时，不能建立有效的驱替压力系统，流体将处于不流动状态，即注采井距影响流体流态分布。因此，应采用较小的注采井距、较大的井网密度，才能建立有效的驱替压力系统，取得好的开发效果。但由于低渗透油藏单井产量低，经济上又不允许。因此，特低渗透油藏注采井距的确定不同于中高渗透油藏，不仅要考虑经济是否合理，还要考虑技术是否可行。
三种不同类型特低渗透砂岩油藏合理注采井距经济适应性研究
经济最佳井网密度是指总产出减去总投入达到最大时，亦即经济效益最大时的井网密度。应用北京石油勘探开发研究俞启泰推导的经济最佳井网密度预测公式［2］，对3种不同类型特低渗透砂岩油藏经济合理井网密度进行了预测（图10）。浅层低压特低渗透砂岩油藏的经济合理井网密度为20口/km2，对应的经济合理注采井距为158m；中深层常压特低渗透砂岩油藏的经济合理井网密度为口/km2，对应的经济合理注采井距为200m；深层高压特低渗透砂岩油藏的经济合理井网密度为10 口/km2，对应的经济合理注采井距为224m。
图10 不同类型特低渗透砂岩油藏经济合理井网密度测算曲线
3 种不同类型特低渗透砂岩油藏合理注采井距技术适应性研究
由于特低渗透砂岩油藏存在启动压力梯度，流体渗流遵循非达西渗流规律。随着驱替压力梯度的变化，存在多种渗流状态，即当驱替压力梯度小于最小启动压力梯度时，流体处于不流动状态；当驱替压力梯度大于最小启动压力梯度而小于临界驱替压力梯度时，流体将处于低速非线性流动状态；当驱替压力梯度大于临界驱替压力梯度时，流体处于拟线性渗流状态（图11）。因此，对于特低渗透油藏存在技术极限泄油半径（驱替压力梯度等于最小启动压力梯度处对应的泄油半径），即存在技术极限注采井距。当实际的注采井距大于技术极限注采井距时，将不能建立连通有效的驱替压力系统，井间存在不流动区，导致水井附近蹩压，注不进水；油井形成低压区，采不出油。所以，特低渗透砂岩油藏合理注采井距的确定，除考虑经济因素外，必须考虑技术可行性。
图11 流态分布示意图
应用岩心实验获得的最小启动压力梯度公式与产量公式推导出的技术极限注采井距计算公式［11，12］，对3种不同类型特低渗透砂岩油藏的技术极限注采井距进行了计算。浅层低压特低渗透砂岩油藏的技术极限注采井距为90m；中深层常压特低渗透砂岩油藏的技术极限注采井距为80m；深层高压特低渗透砂岩油藏的技术极限注采井距为160m。
3 种不同类型特低渗透砂岩油藏合理注采井距的确定
特低渗透砂岩油藏合理注采井距的确定，应综合考虑经济合理注采井距和技术极限注采井距而定，即技术可行与经济相对合理相结合。因此，特低渗透砂岩油藏合理注采井距确定的原则是：当技术极限注采井距大于经济合理井距时，取经济合理注采井距；当技术极限注采井距小于经济合理注采井距时，考虑压裂作用，看压裂工艺水平能否补偿经济合理注采井距与技术极限注采井距之差，如能补偿就采用经济合理注采井距；如压裂无法弥补经济合理注采井距与技术极限注采井距之差，就考虑与经济极限注采井距的关系，如果技术极限注采小于经济极限注采井距，考虑压裂的作用，合理注采井距取经济极限井距加三分之一经济合理注采井距与经济极限注采井距之差。但如果压裂工艺水平无法弥补经济合理注采井距和技术极限注采井距之差时，那么该油藏就暂时无法经济有效地动用。
根据以上原则，综合经济合理注采井距和技术极限注采井距计算结果，在考虑压裂的情况下，合理注采井距可采用经济合理注采井距。因此，浅层低压特低渗透砂岩油藏、中深层常压特低渗透砂岩油藏、深层高压特低渗透砂岩油藏的合理注采井距可分别取值为其经济合理注采井距：158m，200m，224m。
3 种不同类型特低渗透砂岩油藏合理开采方式研究
由于特低渗透砂岩储层压力敏感性强，在降压开采过程中，孔渗伤害很大，裂缝系统更为显著。即使压力再升高后，渗透率恢复也很小，远低于原始水平。储层压力敏感的不可逆性对特低渗透砂岩油藏开发造成严重不利的影响。因此，研究注水时机，适时注水，对保证特低渗透油田的开发效果具有重要的意义。
特低渗透油田原则上应保证早期同步注水，最好争取提前注水。但对于不同类型的特低渗透砂岩油藏应采用不同的注水时机：
（1）异常低压特低渗透砂岩油藏：可考虑超前注水。因为异常低压特低渗透砂岩油藏可建立的驱替压力梯度小（在相同注采井距条件下），提前注水将有利于建立有效的压力系统。实践证实超前注水时机以3～6个月为好，而超前注水压力应保持在原始地层压力的110%左右。
（2）常压特低渗透砂岩油藏：可考虑同步注水。同步注水可避免因降压造成的储层伤害。
（3）异常高压特低渗透砂岩油藏：对于欠压实型异常高压特低渗透砂岩油藏，注水时机可以适当推迟一些。因为地层压力本来就高，再加上油层渗透率特别低，如果早期注水，则需要的注水压力很高。一般主张地层压力降至静水柱压力时开始注水。
4 结论
（1）本文从分析控制渗流特征的三大要素出发，应用非达西及非线性弹性渗流理论研究了影响特低渗砂岩油藏驱替及开采特征因素。研究表明，启动压力梯度（储层渗透率）、储层的弹塑性（油藏埋深、裂缝和油藏的压力系统）是影响特低渗砂岩油藏驱替及开采特征的决定因素。因此，油藏埋深、原始压力系数和裂缝可作为油藏的分类参数，形成了特低渗透砂岩油藏分类新的表征指标和方法。
（2）不同类型特低渗砂岩油藏的开采特征研究表明：不同类型特低渗砂岩油藏具有明显差异，从而说明特低渗砂岩油藏分类新的表征指标和方法具有很好的适应性，用其进行分类具有很好的代表性。
（3）针对特低渗透砂岩油藏的裂缝发育、非达西渗流、压力敏感性强等特性，通过井网与裂缝最佳匹配、合理注采井距和合理注水时机等研究，形成了不同类型特低渗透砂岩油藏有效开发的油藏工程技术：①裂缝性特低渗透砂岩油藏最佳匹配井网形式为五点法矩形井网、注水井排与裂缝方向一致；②不同类型特低渗透砂岩油藏应采用不同的井网密度，研究认为浅层低压特低渗透砂岩油藏、中深层常压特低渗透砂岩油藏、深层高压特低渗透砂岩油藏的合理注采井距分别取158m，200m，224m；③不同类型特低渗透砂岩油藏应采用不同的注水时机，浅层低压特低渗透砂岩油藏应提前注水，超前注水时机以3～6个月为好，而超前注水压力应保持在原始地层压力的110%左右；中深层常压特低渗透砂岩油藏应同步注水；深层高压特低渗透砂岩油藏应在地层压力降至静水柱压力左右时开始注水。
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赵红雨邓宏伟邱国清参加工作的还有蒋龙，张可宝，王铭宝，周燕，孙玉红，程育红等，
摘要大王庄油田大古67块和大芦湖油田樊124块属特低渗透油藏，平均渗透率为5×10-3～×10-3μm2，油藏埋深3100～3250m，且储集空间较为复杂，有溶孔和微裂缝存在，开发难度大。本文从低渗透油田的油藏特点和开采规律着手，具体分析了这两个区块的开采动态，开展了注水必要性和可行性评价，在此基础上对影响开发效果的井网、井距、转注时机及注采比进行优化研究，确定出各区块的推荐方案，预计当年可建产能×104t。
关键词特低渗透油藏储集空间微裂缝评价优化推荐方案
一、引言
胜利油区低渗透油田已累积探明石油地质储量×108t，占总探明储量的，其中已动用33个区块，动用储量×108t，占探明储量。已动用的低渗透油田大部分埋藏较深，在2800m以下，且以构造、岩性油藏为主。空气渗透率一般小于20×10-3μm2，储量丰度一般小于100×104t/km2，但原油性质普遍较好。地层原油粘度为～，凝固点26～53℃。油藏具有吸渗驱油的微观机理，流体渗流不遵循达西定律。油井自然产能较低，一般需要压裂或其他改造措施，才能获得较高产能。油井见水后，无因次采液（油）指数随含水上升降低的幅度大，提液困难，注采井间难以建立一定的驱替压力梯度。大古67块和樊124块属特低渗透油藏，1994年后陆续采用常规或压裂方法试采11口井，到1999年9月，平均单井日产油能力，累积产油×104t，地层压力下降快、产液产油量递减率大。为提高油田开发效果，2000年合理编制了两区块油藏开发方案，开展了注水可行性、井网、井距、注水时机和注采的设计与优化研究工作。
二、地质特征
大王庄油田大古67块位于车镇凹陷大王庄鼻状构造带大一断层上升盘中段，北以大一断层为界与大王北油田相接，南以大古2块与大古82井区相连，是一个四面为断层封闭的断块油藏。樊124块位于济阳坳陷东营凹陷西南部的金家－樊家鼻状构造带西翼，大芦湖油田的西南部，西邻高青油田。
大古67块主力含油层系为二叠系上石盒子组万山段，自下而上共分三个砂层组，总有效厚度为。在构造腰部附近有效厚度相对较大，达40m以上，向南北两侧逐渐变薄。大古67块万山段地层属河流相沉积，储集层岩性以中、细砂岩为主，储集空间主要以粒间孔为主。平均孔隙度，平均渗透率×10-3μm2，属低孔、特低渗储集层，且储集层层间、层内非均质性较严重。油藏类型为层状断块油藏，块圈定含油面积，石油地质储量396×104t，储量丰度120×104t/km2，为深层、中丰度储量。
樊124块主要含油层系为沙三下亚段。砂体西北厚度大，并呈条带状或朵状向东南减薄直至尖灭。樊124块沙三下储集层为湖泊三角洲沉积，储集层岩性为粉、细砂岩，储集空间为残留粒间孔、溶蚀孔、微孔隙。平均孔隙度，平均渗透率×10-3μm2，属低孔、特低渗储集层。油藏类型属具有边水的构造－岩性油藏。块圈定含油面积，石油地质储量202×104t，储量丰度58×104t/km2，属深层、低丰度储量。
三、开采动态和注水可行性研究
1.开采动态分析
目前两油藏都经历了试油试采阶段，在试油试采过程中有以下特点。
大古67块和樊124块试油井均见油，但一般都需压裂投产才能获得较高产能。随着开采时间的延长，由于能量补充不及时，各井日产油能力下降较快，特别是压裂井下降速度更快。分析试采时间较长的8口井的递减情况，常规井月递减率为，而压裂井月递减率则高达。
2.注水可行性研究
（1）油层条件有利于注水
两区块油藏属弱、弱－中等水敏性油层，注入标准盐水，渗透率比值几乎无影响；注入蒸馏水，渗透率比值下降～30%左右。樊124块油层属非速敏，大古67块油层中等速敏，但临界流速高达，测算在此临界流速下，当日注水量为90m3，注水生产压差时，对储集层的伤害半径仅为50cm。根据低渗透油田启动压力与渗透率变化关系的经验公式，计算得到两油藏注水启动压力分别为13MPa和17MPa，要求注水泵压在30MPa左右，不超过目前注水工艺设备能力。
（2）同类型油田类比
目前两区块均无试注水资料，但与国内几个主要的低渗透油田（马西深层、牛25-C砂体和大芦湖油田）的油藏地质条件类比，两区块的油藏埋藏深度，有效厚度处于几个油藏的中间，只有孔隙度、渗透率参数略低，而这三个油藏预测的水驱采收率都在18%以上，因此在这两个油藏实施注水开发也是可行的。
四、开发方案优化研究
1.开发方案设计
1）设计原则
特低渗透率油田的渗流机理和开采规律，决定了影响其开发效果的因素较多，本次开发方案只针对井网、井距、转注时机、注采比4个敏感性参数进行优化，故制定了以下设计原则。
（1）考虑国内几个低渗透油田开发经验
马西深层、牛25-C砂体、大芦湖油田等是目前国内开发较为成功的低渗透油田，故在方案设计时充分考虑其初期布井方式的选择、转注时机的确定，以及开发后期注采井网的调整等。
（2）立足于早期注水开发
两区块地饱压差大（～），利用地层能量开采的余地较大，但弹性产率低。另据琼斯实验室试验结果表明，随着地层压力下降，裂缝逐渐闭合，从而降低流体的渗流能力，动态上则表现为产量迅速下降。因此要使油藏有较高的采油速度和单井产量，必须早期注水以保持较高的油层压力。
（3）考虑油藏的地层最大主应力方向
低、特低渗透油田一般都需压裂投产，压裂后容易在地层最大主应力方向上产生裂缝，若注采井与地层主应力方向一致，不可避免会造成采油井暴性水淹，因此注采井应与主应力方向保持一定夹角。由地层倾角测井和地应力测试结果，大古67块地层最大主应力方向为°E、樊124块为N78°E。
（4）单井须有一定的有效厚度，并至少钻遇1～2个主力层
根据油藏地质特征和试油、试采特点，大古67块选择有效厚度大于10m的范围内布井，樊124块在有效厚度大于5m的范围内布井。
2）设计步骤
为更科学优化开发方案，依据上述原则，对井网、井距、转注时机、注采比4个敏感性参数逐级进行设计，即先设计井网方案，其次为井距、转注时机方案，最后是注采比方案，上一级参数方案优化结果可直接运用到下一级参数的方案优化中。
2.开发方案优化研究
在油藏地质研究的基础上，利用VIP数模软件建立了全油藏地质模型，并划分网格，网格模型X方向与地层最大主应力方向平行，利用数值模拟方法，结合油藏工程分析，对每一项参数进行了优化研究。预测结果至2019年，预测时间为20年。
1）井网优化研究
根据国内外低渗透率油田成功的开发经验，此类油田一般采用面积注水方式较为适宜，有利于强化注水，增加注水波及体积，提高水驱采收率。为此，设计并优化了五点法、反九点法、排状三种面积注水井网，共19个方案。
（1）全部采用直井
数值模拟对大古67块优化计算了8个对比直井井网方案（表1），计算结果反映出以下特点。
反九点法井网初期采油量高，但含水上升快，采出程度低。采用反九点法井网的1-1方案，采油井数多达16口，注采井数比为1∶5，因此初期产能相对较高，同时为保持压力平衡和维持较高的采油速度，则注水井注水强度相应地有所增大。但该井网有一部分角井位于水驱主流线上，即注采井与地层主应力方向平行，在较高的注水强度和采油井都压裂投产的前提下，使得这部分角井过早水淹，产能下降，含水迅速上升。该方案采出程度仅为，比其他方案低2～4个百分点，开发效果差。即使将这部分角井转成注水井的1-2方案，开发效果也未得到明显改善，采出程度只提高了。
表1大古67块井网方案数值模拟计算对比表
排状井网采出程度增幅不大 排状井网注采井数比为1∶1，为维持压力平衡，则注水井注水强度有所降低，减小了高速注水条件下采油井暴性水淹的可能性；同时位于地层主应力方向上的注采井距较大，延缓了采油井见水时间，因此其开采效果优于反九点法井网，但采出程度提高幅度不大。3个方案平均采出程度为，只比反九点法井网高3%左右。
注水井排平行地层主应力方向的五点法井网开发指标最好 方案1-3采用五点法井网，与排状井网一样，注采井数比为1:1，注水井注水强度不大，而与排状井网不同的是该方案注水井排平行于地层主应力，即在人工压裂裂缝方位上只有注水井或采油井，这就避免了采油井暴性水淹，从而延迟采油井见水时间，扩大注水波及体积，明显改善开发效果。采出程度比反九点法和排状井网分别高出5%和2%，且该方案新钻井数少于其他方案，经济效益也最高。因此，大古67块直井井网方案应采用五点法井网。
樊124块优化计算了7个对比直井井网方案，方案优化结果与大古67块类似，也应采用五点法井网。
（2）水平井与直井组合
表2樊124块水平井数值模拟计算对比表
为了应用新技术提高低渗透油藏的开发效果，樊124块在五点法直井井网方案基础上设计了4种水平井与直井组合的井网方案，并进行了优化计算（表2）。
从数值模拟计算结果看，由于水平井动用层位少，用一口水平井代替两口直井的方案1-16和方案1-17指标比全部采用直井的方案1-9差，方案1-18和方案1-19虽比方案1-9多采油×10-3t，但须多钻一口水平井，同时累积注水和累积产水量都大于直井方案，因此在经济效益上利用水平井开发樊124块油藏是不适宜的。而且目前胜利油田利用水平井开发低渗透油藏处于探索阶段，采用水平井开采风险较大，故方案设计不采用水平井。
2）井距优化
低渗透油藏储集层存在非线性渗流特征，注水驱油时，存在注水启动压差，再加上储集层本身就存在较大的渗流阻力，导致注采井间压力消耗较大，因此注采井距不宜过大。然而为了提高油井产量，生产井均为压裂投产，通过压裂又可适当增大井距。
（1）经济合理的井网密度和井距的测算
根据胜利油田砂岩油藏的经济合理井网密度经验公式，结合两油藏各自的地质特点，在目前油价下，计算出大古67块、樊124块经济合理的井网密度分别为9口/km2和8口/km2。大古67块有效厚度大于10m（方案布井区）的含油面积为，则该块经济合理的井数是24～25口，折算五点法和九点法井网的合理井距为300m。樊124块有效厚度大于5m（方案布井区）的含油面积为，则该块经济合理的井数是16～17口，折算出五点法和九点法井网的合理井距为350m（已投产井的完钻井距也在350m左右）。
（2）井距优化计算
在五点法直井井网和测算的经济合理井距基础上，对两区块分别优化计算了三种不同的井距方案（大古67块为250m、300m、350m，樊124块为300m、350m、400m）。在不同井距下开发周期为20年，方案采出程度最高的井距都为各区块的经济合理井距，即大古67块300m、樊124块350m，采出程度比其他两个井距方案高1～个百分点，而且此井距在整个开发阶段含水都略低于其他井距方案，经济效益好。由此认为最优井距大古67块为300m，樊124块为350m。
3）注水时机优化
根据设计原则，两油藏都须早期注水且保持较高的油层压力，考虑油藏目前的压力水平和现场及地面工程建设所需时间，对比了五种不同压降下的注水方案（表3），其压力水平均在饱和压力以上，压降为4～15MPa。
从数值模拟指标看，转注越早，采出程度越高。随着转注时压降的增加，采出程度呈下降趋势，特别是压降大于10MPa后，采出程度下降幅度更大。其原因主要是油藏低压力水平开采，导致油井供液不足。由此说明，油藏应在较高的压力条件下转注。但转注越早，注水量越多，在多采油的同时，采水量相应增加，含水上升速度加快。对比含水变化曲线（图1），当含水相同时，压降为7～10MPa转注的方案采油量相对较多，最终采收率高，经济效益较优。因此，方案选择油藏压降达到7～10MPa时转入注水开发，预计约在整体投产半年后。
4）注采比优化
选取合适的注采比对于油田注采平衡、实现高产稳产至关重要。为此，主要从恢复、保持地层能量出发，在两个区块分别设计并优化了五种不同注采比的开发方案（表4）。计算结果显示，在相同的井网形式和转注压力条件下，注采比越大，累积产油量越多，采出程度越高，当注采比由提高到时，采出程度提高 1～2倍。但注采比超过后，采出程度增加幅度变缓，说明提高注水量在增加采油量的同时，主要是增加了采水量，而在相同含水期内，注采比为的方案累积产油量多，且最终采收率高，经济效益好。故最佳的注采比为，即油层压力保持在转注压力水平上的开发。
表3注水时机方案数值模拟计算对比表
图1大古67块不同注水时机含水量与累积产油量关系曲线图
5）开发方案推荐
大古67块推荐注水方案采用五点法井网，注采井距300m，油藏压降在7～10MPa后转注，即油藏平均压力降至18～21MPa，注采比保持在左右；樊124块推荐注水方案采用五点法，注采井距350m，油藏压降在7～10MPa后转注，即油藏平均压力降至21～24MPa，注采比保持在左右。
3.产能的确定
（1）比采油指数、采油指数的确定
表4不同注采比方案数值模拟计算对比表
大古67块仅有大671井压裂后取得初期采油指数资料，该井射开有效厚度，投产半年多时间测得3个流压值，分别为、、，所对应的日产油量为、、，计算出平均比采油指数为(d·m·MPa）。樊124块计算了樊124-1井、樊125井两口井初期压裂后的比采油指数，樊124-1井为(d·m·MPa），樊125井为(d·m·MPa），平均的比采油指数为(d·m·MPa）。分析认为，这些计算值能够反映采油井初期的开采水平，考虑全面开发对产量的影响，故初期比采油指数两区块都取(d·m·MPa）。若单井平均射开有效厚度大古67块按15m、樊124块按10m计算，则初期平均采油指数大古67块为(d·m·MPa），樊124块为(d·m·MPa）。
（2）无因次采油指数随含水量的变化
由相渗曲线计算的无因次采油指数随含水变化曲线可知，见水后无因次采油指数随着含水量上升逐步下降。在含水量30%以前，大古67块含水量每上升1%，无因次采油指数下降1%；樊124块含水量每上升1%，无因次采油指数下降。
（3）产能的确定
根据初期的采油指数、无因次采油指数随含水量的变化规律以及油井所对应的生产压差，并结合数值模拟预测结果，确定出大古67块第一年单井平均日产油能力为13t，樊124块第一年单井平均日产油能力为14t。则第一年大古67块可建成年生产能力×104t，樊124块可建成年生产能力×104t，共建产能×104t。
五、结论
大古67块和樊124块这两个特低渗透油藏应立足于注水开发，且注水开发是可行的。
两油藏注水开发方案采用注水井排平行于地层最大主应力方向的五点法井网，合理的注采井距为300～350m，最佳转注时机为地层压力下降7～10MPa，注采比保持。
确定特低渗透油藏产能时必须综合考虑开发动态、油藏工程测算和数值模拟的结果，两油藏第一年可建产能×104t。
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关于“无损检测人员的资格鉴定与认证”工作在国外的源起与发展摘要：本文主要对美国无损检测学会(ASNT)和国际标准化组织(ISO)关于无损检测人员的资格鉴定与认证工作的源起与从雇主认证体系到中心认证体系的发展以及涉及到认证与操作授权的问题作了叙述。 关键词：无损检测，资格鉴定与认证，雇主操作授权 一、前言 二十世纪初，人们是以材料为无缺陷的连续均匀介质为前提来计算构件承载能力的，考虑到材料及/或制件中实际上可能存在缺陷，为适应制造部门保证产品使用可靠性的要求，开始发展无损检测技术。但是，制造部门的负责人(雇主)清楚的知道，无损检测的应用效果是由负责和执行无损检测人员的能力决定的，如果完成得不合适，可能完全无效甚至有害，雇主们更清楚地知道，这严重的后果责任是得由雇主自己来承担的。 本文叙述在此历史背景下，国外(主要是美国和国际标准化组织)关于无损检测人员资格鉴定与认证工作的源起与其后的发展，这对我们当前这方面的工作或可有所启示。 二、美国无损检测学会(ASNT)发表“无损检测人员资格鉴定与认证推荐实施方法。SNT-TC-1A” 1968年，ASNT发布了SNT-TC-1A这份文件，为雇主制定本部门无损检测人员资格鉴定与认证程序提供了指导，帮助雇主了解对从事无损检测工作的雇员进行资格鉴定时应当考虑的基本要素。在这里，资格鉴定是指证实人员是否具备正确执行指派的工作所需要的技术培训、知识和经验，而认证则是指资格的书面证明。ASNT清楚地知道，这些指导方针对某些雇主的具体情况并不一定都适合，而正是雇主是要对检测的结果负责的。因此，在SNT-TC-1A封面上方就明确指出：“本文件是为雇主制定各自的无损检测人员资格鉴定与认证的书面实施文件作指导，并无作为严格规范使用的意图。”此说明在SNT-TC-1A的2001年版上仍然存在，雇主在制定实施文件时，完全可根据需要作必要的修改。 由于雇主各自负责进行资格鉴定与认证，毕竟可使同一级别无损检测人员在专业技能水平上存在较大差异。70年代初美国一些行业管理部门的审查者甚至发现大量不称职的持证人员，ASNT开始意识到有必要设立一个独立的部门来进行认证，至少对Ⅲ级认证应该如此。 1976年ASNT发布了无损检测的Ⅲ级人员认证大纲，由ASNT执行的考试是书面的，一旦获得此Ⅲ级证书，雇主可结合其需要进行的具体检测任务进行附加的书面、实施应用考试，通过后雇主可确认此人。如果雇主认为无需进行此考试也可给予确认，认证后进行视力检查。此方案仍是向雇主推荐实施的，认证仍是雇主的责任——雇主认证体系。 1991年美国国家标准协会(ANSI)的标准评审委员会(BSR)批准ANST“无损检测人员的资格鉴定与认证”标准作为国家同意的标准，编号为ANSI/：1991。该标准明确规定了无损检测人员资格鉴定与认证的最低要求，并进而要求雇主的Ⅲ级应该具有ASNT的无损检测Ⅲ级证书，而这最低要求比SNT-TC-1A要严格。可以认为：①SNT-TC-1A-雇主认证体系----是推荐的实施方法，而②ANSI/ASNT CP-189----比较受控的雇主认证体系----是标准。 在这里，值得注意的是：可以认为，对于雇主认证体系，获得雇主认证的人员用时也就获得了雇主对具体检测任务的操作授权——持证即可上岗。 三、国际标准化组织(ISO)关于无损检测人员资格鉴定与认证方面的工作 1985年世界无损检测委员会(ICNDT)接纳了以任主席的无损检测人员培训与资格鉴定协调工作组所准备的由9个文件组成的小册子，这9个文件是： ICNDT WH 15-85：国家无损检测人员资格鉴定与认证方案的基本要求，无损检测人员技术知识要求； ICNDT WH 16-85：超声波检测； ICNDT WH 17-85：射线照相检测； ICNDT WH 18-85：涡流检测； ICNDT WH 19-85：磁粉检测； ICNDT WH 20-85：液体渗透检测； ICNDT WH 21-85：渗透检测； ICNDT WH 22-85：培训时间指南； ICNDT WH 23-85：无损检测人员资格鉴定与认证方案互认协定的模式。 ICNDT并决定将这些文件送交ISO/TC135/SC7(ISO无损检测技术委员会/人员资格分委员会)供其考虑。 1992年ISO的ISO/TC135考虑到由于无损检测应用的有效性取决于检测人员的能力，因此，制定一种程序来评定检测人员是否胜任其职责，并以证书给予证明是必要的。此外，无损检测在各国工业中的广泛应用也需要有这种程序以达到在世界范围由具有可比性，力求各国统一，国际互认。1992年发布了由ISO/TC135/SC7制定的标准ISO9712：1992“NDT人员的资格鉴定与认证”。 在这里，资格鉴定是指“对正确执行无损检测任务所需知识、技能、培训和实践经历所作的验证。”而认证则是指“对某人员能胜任某种无损检测方法的资格作出书面证明的程序。” 由于ISO9712：1992是ISO对采用该标准的任何国家(而不是某一部门)提出来的，因此，提出了：在每个国家，认证活动由国家认证机构管理，必要时可由被正式授权的资格鉴定机构协助。而国家认证机构应是非盈利性组织。所有的考试均应由国家认证机构建立或经其批准的考试中心进行。根据资格鉴定考试结果，应直接由国家认证机构或经其授权的资格鉴定机构宣布鉴定认证结果并对合格者颁发证书及/或相应的卡片——此即所谓的中心认证体系。 值得特别注意的是在ISO9712：1992的节明确提出：“国家认证机构或经批准的资格鉴定机构通过发给证书及/或相应的卡片为该人员的资格作证，但并未给予任何操作权，在证书和卡片上可有一专门栏目，用于雇主或责任代理机构签名，有他们授权证书持有人操作，有他们对检测结果负责，这种授权也可作为持证人处于工作状态的证明。”在这里，ISO9712：1992把国家认证机构和雇主的职责作了明确的界定，这在 ISO9712：1992的第节中也是明确表明的：“雇主或责任代理机构应向国家认证机构推荐报考人，并用文件证明所推荐人员资料的真实性，包括为确定报考人符合报考条件所需学历、培训和实践经历的说明。但雇主或责任代理机构不得直接参与认证的程序。雇主或责任代理机构应对所有授权的检测工作和无损检测结果的真实性负全部责任。”——注意：在这种中心认证体系中仅持证是不能上岗的，要上岗尚须得到雇主的操作授权。 ISO9712：1992的发布在世界各国造成了很大的影响。ISO9712的第一版是1992年5月15日发布的。据美国无损检测学会(ASNT)出版的刊物Material Evaluation1993年第10期报导： (1)在1992年11月芝加哥的ASNT年会上，ASNT管理局批准了其国家认证委员会提出的承认ISO9712，并指令其研究一计划来完成。在1993年3月28日的春季委员会上，ASNT管理局毫不含糊的英勇的投票决定采用ISO9712大纲，并认为这动作将可能会对美国和海外的无损检测人员资格鉴定与认证产生重大的影响，事实将证明，1993年的3月28日事件是ASNT历史上一个主要里程碑的重大事件。 (2)这标准(ISO9712)正被美国无损检测界所接受，并如1987年ISO9000系列标准一样在工业界受到热心接受。努力使制造、质量保证和产品使用可靠性系统现代化毕竟是世界所有工业的关心点。而且，无损检测人员的资格证书由雇主颁发和其它专业检测人员认证大纲也是不协调的，例如： 美国焊接学会认证大纲用于焊接检查人员； 美国质量控制认证大纲用于质量工程师； 电能研究所(EPRS)的用于核和动力厂专门无损检测方法； 国家腐蚀工程师协会的用于腐蚀和防护涂层检查人员。 (3)在美国也有一种等着瞧的态度，认为采用ISO9712作为国家标准需慎重考虑，认为要看世界范围的参与情况；此外，这也将影响在用的很多美国标准。ISO9712与SNT-TC-1A、ANSI/ASNT CP-189和M1L-STD-410相似，但不多的例外是重要的，如对Ⅲ级人员的专门考试。 四、美国ASNT提出ASNT中心认证大纲(ACCP) 1996年为了响应ISO9712提出的无损检测人员资格鉴定与认证的首创精神，加上对所有级别的无损检测人员都需要有一个独立的第三方进行资格鉴定与认证工作，ASNT提出了ACCP。ACCP被设计成与ISO9712密切合作，具有国际标准的显著特点。提出ACCP的一个推动力是市场的全球化和标准的必须与之相协调。在各国无损检测界对ISO9712认同日增的情况下，作为市场参与的先决条件，对美国公司形成了压力。ASNT提出ACCP对工业界要求对无损检测人员进行世界承认的高质量的认证的一种响应。 ACCP是以满足广大的无损检测技术使用者为基础的，但ASNT承认在特殊工业部门有一些无损检测技术使用者他们按独特的法规、标准、规范工作，这需要除通用性考试外的专门考试，ACCP对此作了考虑。此外，ASNT的ACCP是属中心认证体系，但也充分考虑到雇主的操作授权问题，可见其对ISO9712：1992及修订草案是做了相当深的研究，要求是高的。 关于工业部门，(1)ACCP的定义是：一种工业产品的形式或一工业领域，就无损检测的考虑而论，它们均具有其共同特点；(2)ISO9712：1992定义：工业或生产技术中的一个特定领域，该领域利用专门化的无损检测技术，要求有专门的技能、知识、装备和培训。以达到令人满意的检测效果。工业部门可解释为某一类产品(焊接件/铸件等)或某一个行业(如航空航天、钢铁等)。在这里，ASNT可以帮助一工业部门研究拟定及/或管理这些单独工业部门的考试或授权“资格鉴定实体”去管理。注意：只有通过通用考试和工业部门的专门考试取得ACCP的认证方有可能检测该部门的产品，而只有再经雇主授权方可真正进行各该对象的检测。 在当时(1996)的美国，ASNT清楚知道，并不是所有的工业部门希望或需要ACCP，美国的第一个无损检测人员资格鉴定与认证文件SNT-TC-1A是1968年第一次提出的，在美国和环球的其它国家为工业服务得很好，不用怀疑，很多部门将继续使用这种基于雇主的SNT-TC-1A或者使用1991年提出的标准CP189得新最低要求。但是，对于那些要强调安全和责任问题的部门，ACCP是最合理的选择， SNT-TC-1A：用于简明的基于雇主的认证； CP-189：用于最低的标准要求； ACCP：用于人员素质最佳化的中心认证。 五、美国国防部采用NAS-410(国家航空航天标准，无损检测人员的资格鉴定与认证) 1997年12月31日美国国防部采用NAS -410取代同日被取消的MIL-STD-410E：1991(美国军用标准，无损检测人员的资格鉴定与认证)，而MIL-STD-410E是以ASNT-TC-1A和ASNI/ASNT CP-189为基础的。 在NAS -410的第节，明确规定：已证明具有合适资格的个人由雇主按认证程序发给证书。这样，从管理模式上看是属雇主认证体系的。在这里，雇主被定义为雇用个人执行无损检测的政府、主承包商(人)或外部机构。 此外，NAS -410也提出要建立一个经认可的无损检测机构，从事无损检测人员的资格鉴定与认证工作，并可应雇主要求进行人员的再认证。 六、1999年发布了ISO9712的第二版：ISO9712：1999 ISO9712发布于1992年5月15日，1994年秋季评论开始，1996年12月16日评论完成，1997年8月提交表决，1999年发布第二版，取消并替代第一版。 较之第一版，第二版作了很多重要的技术性修改，可明显看出，有些是欧洲标准EN473(无损检测人员的资格鉴定与认证)，有些是ACCP内容的容入，其中一个重要的改变是对原先要求“国家认证机构由国家ISO会员机构认可”作了松动，将此要求改为“认证机构应被无损检测技术界或该国家的ISO会员机构认可”，而为实现Ⅰ、Ⅱ级人员的认证，ISO9712：1992长达15年的过度期也改变为与EN473一致的5年。此外，新增加的附录A：(参改性)建议的工业部门；附录D：(参改性)人员认证机构总则(主要内容)也都是很有参考价值的。 新版仍明确提出： (1) 颁发的证明或卡片是认证或经授权的资格鉴定机构为该人员的资格作证，但并未给予任何操作权。证书和/或卡片上可设一专门栏目供授权予证书持有人进行操作的雇主或责任代理机构签名； (2) 雇主或责任代理机构应对所有授权的操作和无损检测结果的真实性负全部责任。 七、在欧洲，无损检测人员的资格鉴定与认证 (1) 欧洲标准化委员会(EN)是由下列国家的标准化团体作为成员组成的，它们是：奥地利、比利时、捷克共和国、丹麦、芬兰、法国、德国、希腊、冰岛、爱尔兰、意大利、卢森堡、荷兰、挪威、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士、联合王国。CEN为下设德技术委员会，CEN/TC138是为无损检测技术委员会。 经CEN批准的有关无效检测人员资格鉴定与认证的欧洲标准有： 1．EN473：2000“无损检测人员的资格鉴定与认证——通用规则，” 这份标准用于取代EN473：1993和CR12459，可以看到ISO9712在欧洲是如何被吸收采用的。 2．EN45013：1989“人员认证机构总则”。 这份标准的主要内容已被ISO9712：1999列为附录D。 3．EN4179：2000“航空航天系列：无损检测人员的资格鉴定与认证。” 4．EN10256：2000“钢管的无损检测——Ⅰ级和Ⅱ级无损检测人员资格鉴定与权限” (2) 欧洲无损检测联盟(EFNDT) 由EFNDT指定的欧盟认证程序EFNDT/ECP/00001e“实践考试试件的技术条件”，是从根本上改进实践考试很有参改价值的一份标准。 八、小结 (1) ISO9712得到世界范围的广泛认同是事态发展的必然。 (2) ISO9712有很多特点，其中的将认证机构与雇主的职责作了明确的界定是需要特别注意的，而对涉及重要的专门考试的工业部门的划分作了说明也是十分必要的，这些都有利于资格鉴定与认证机构更好地为雇主服务。 (3) ISO9712是国际标准，各国根据各自的具体情况在此基础上制定本国切实可行的相应标准是必要的，一个简单的等同采用难收应有效果。他山之石可以攻玉，仔细分析研究美国的ACCP：1996及欧洲标准EN473：2000等对我们来说可能是十分必要的。
钢结构无损检测 摘要：通过对应用于建筑钢结构行业中的几种常规无损检测方法的简述，归纳了被检对象所适用的不同无 损检测方法。为广大工程技术人员和管理人员了解、学习、应用无损检测技术提供参考。 关键词：建筑钢结构；无损检测 1 前言 建筑钢结构由于其强度高、工业化程度高以及综合经济效益好等优点，自上世纪 90 年代，特别是近年来得 到了迅猛发展，广泛应用于工业和民用等领域。由于一些重点工程，建筑钢结构发生了严重的质量事故， 如郑州中原博览中心网架曾发生了崩塌事故，所以建筑钢结构的安全性和可靠性越来越受到重视。 建筑钢结构的安全性和可靠性源于设计，其自身质量则源于原材料、加工制作和现场安装等因素。评价建 筑钢结构的安全性和可靠性一般有三种方式：⑴模拟实验；⑵破坏性实验；⑶无损检测。模拟实验是按一 定比例模拟建筑钢结构的规格、材质、结构形式等，模拟在其运行环境中的工作状态，测试、评价建筑钢 结构的安全性和可靠性。模拟实验能对建筑钢结构的整体性能作出定量评价，但其成本高，周期长，工艺 复杂。破坏性实验是采用破坏的方式对抽样试件的性能指标进行测试和观察。破坏性实验具有检测结果精 确、直观、误差和争议性比较小等优点，但破坏性实验只适用于抽样，而不能对全部工件进行实验，所以 不能得出全面、综合的结论。无损检测则能对原材料和工件进行 100%检测，且经济成本相对较低。 上世纪 50 年代初，无损检测技术通过前苏联进入我国。作为工艺过程控制和产品质量控制的手段，如今在 核电、航空、航天、船舶、电力、建筑钢结构等行业中得到广泛的应用，创造了巨大的经济效益和社会效 益。无损检测技术是建立在众多学科之上的一门新兴的、综合性技术。无损检测技术是以不损伤被检对象 的结构完整性和使用性能为前提，应用物理原理和化学现象，借助先进的设备器材，对各种原材料，零部 件和结构件进行有效的检验和测试，借以评价它们的完整性、连续性、致密性、安全性、可靠性及某些物 理性能。无损检测经历了三个阶段，即无损探伤（Non-destructive Inspection，简称 NDI）、无损检测 （Non-destructive testing，简称 NDT）、无损评价（Non-destructive Evaluation，简称 NDE）、无损 探伤的含义是探测和发现缺陷。无损检测不仅仅要探测和发现缺陷，而且要发现缺陷的大小、位置、当量、 性质和状态。无损评价的含义则更广泛、更深刻， 它不仅要求发现缺陷，探测被检对象的结构、性质、状 态，还要求获得更全面、更准确的，综合的信息，从而评价被检对象的运行状态和使用寿命。应用于钢结 构行业中的常规无损检测方法有磁粉检测（Magnetic Testing 简称 MT）、渗透检测（Penetrate Testing， 简称 PT）、涡流检测（Eddy current Testing 简称 ET）、声发射检测（Acoustic Emission Testing 简称 AET）、超声波检测（Ultrasonic Testing，简称 UT）、射线检测（Radiography Testing，简称 RT）。在 建筑钢结构行业中，按检测缺陷产生的时机，无损检测方法可以按下图分类。 2 检测方法的简述 磁粉检测（MT） 原理 铁磁性材料被磁化后，产生在被检对象上的磁力线均匀分布。由于不连续性的存在，使工件表面和近表面 的磁力线发生了局部畸变而产生了漏磁场，漏磁场吸附施加在被检对象表面的磁粉，形成在合适光照下可 见的磁痕,从而达到检测缺陷的目的。 适用范围 可以对铁磁性原材料，如钢板、钢管、铸钢件等进行检测，也可以对铁磁性结构件进行检测。 局限性 仅适用铁磁性材料及其合金的表面和近表面的缺陷检测，对检测人员的视力、工作场所、被检对象的规格、 形状等有一定的要求。 优点 经济、方便、效率高、灵敏度高、检测结果直观。 渗透检测（PT） 原理 在被检对象表面施加含有荧光染料或着色染料的渗透液，渗透液在毛细血管的作用下，经过一定时间 后，渗透液可以渗透到表面开口的缺陷中去。经过去除被检对象表面多余的渗透液，干燥后，再在被检对 象表面施加吸附介质（显象剂）。同样在毛细血管的作用下，显象剂吸附缺陷中的渗透液，使渗透液回渗 到显象剂中，在一定的光照下，缺陷中的渗透液被显示。从而达到检测缺陷的目的。 适用范围 适用于非多孔状固体表面开口缺陷。 局限性 仅适用于表面开口缺陷的检测，而且对被检对象的表面光洁度要求较高，涂料、铁锈、氧化皮会覆盖表面 缺陷而造成漏检。对检测人员的视力有一定要求，成本相对较高。 优点 设备轻便、操作简单，检测灵敏度高，结果直观、准确。 涡流检测（ET） 原理 金属材料在交变磁场的作用下产生了涡流，根据涡流的分布和大小可以检测出铁磁性材料和非铁磁性材料 的缺陷。 适用范围 适用于各种导电材料的表面和近表面的缺陷检测。 局限性 不适用不导电材料检测，对形状复杂的试件很难应用，比较适合钢管、钢板等形状规则的轧制型材的检测， 而且设备较贵；无法判定缺陷的性质。 优点 检测速度快，生产效率高，自动化程度高。 声发射检测（AET） 原理 材料或结构件受到内力或外力的作用产生形变或断裂时， 以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射， 也称为应力波发射。声发射检测是通过受力时材料内部释放的应力波判断被检对象内部结构损伤程度的一 种新兴动态无损检测技术。 适用对象 适用于被检对象的动态监测，如对大型桥梁、核电设备的实时动态监测。 局限性 无法监测静态缺陷、干扰检测的因素较多；设备复杂、价格较贵、检测技术不太成熟。 优点 可以远距离监控设备的运行情况和缺陷的扩展情况，对结构的安全性和可靠性评价提供依据。 超声波检测（UT） 原理 超声波是指频率大于 20 千兆赫兹的机械波。根据波动传播时介质的振动方向相对于波的传播方向不同，可 将波动分为纵波、横波、表面波和板波等。用于钢结构检测的主要是纵波和横波。 超声波探伤仪激励探头产生的超声波在被检对象的介质中按一定速度传播，当遇到异面介质（如气孔、夹 渣）时，一部分超声波反射回来，经仪器处理后，放大进入示波屏，显示缺陷的回波。 适用对象 适用于各类焊逢、板材、管材、棒材、锻件、铸件以及复合材料的检测，特别适合厚度较大的工件。 局限性 检测结果可追溯性较差；定性困难，定量不精确，人为因素较多；对被检工件的材质规格，几何形状有一 定要求。 优点 检测成本低、速度快、周期短、效率高；仪器小、操作方便；能对缺陷进行精确定位；对面积型缺陷的检 出率较高（如裂纹、未熔合等） 射线检测（RT） 原理 射线是一种波长短、频率高的电磁波。 射线检测，常规使用×射线机或放射性同位素作为放射源产生射线，射线穿过被检对象，经过吸收和衰减， 由于被检试件中存在厚度差的原因，不同强度的射线到达记录介质（如射线胶片），射线胶片的不同部位 吸收了数量不等的光子，经过暗室处理后，底片上便出现了不同黑度的缺陷影象，从而判定缺陷的大小和 性质。 适用范围 适用较薄而不是较厚（如果工件的厚度超过 80mm 就要使用特殊设备进行检测，如加速器）的工件的内部体 积型缺陷的检测。 局限性 检测成本高、周期长，工作效率低；不适用角焊逢、板材、管材、棒材、锻件的检测；对面状的缺陷检出 率较低；对缺陷的高度和缺陷在被检对象中的深度较难确定；影响人体健康。 优点 检测结果直观、定性定量准确；检测结果有记录，可以长期保存，可追溯性较强。 3 小结 综上所述，每种无损检测方法的原理和特点各不相同，且适用的检测对象也不一样。在建筑钢结构的行业 中应根据结构的整体性能，检测成本及被检对象的规格、材质、缺陷的性质、缺陷产生的位置等诸多因素 合理选择无损检测方法。一般地，选择无损检测方法及合格等级，是设计人员依据相关规范而确定的。有 的工程，业主也有无损检测方法及合格等级的要求，这就需要供需双方相互协商了。 钢结构在加工制作及安装过程中无损检测方法的选择见表 1 被检对象 原材料检验 板材 锻件及棒材 管材 螺栓 焊接检验 坡口部位 清根部位 对接焊逢 角焊逢和 T 型焊逢 UT 检测方法 UT、MT（PT） UT（RT）、MT（PT） UT、MT（PT） UT、PT（MT） PT（MT） RT（UT）、MT（PT） UT（RT）、PT（MT） 被检对象所适用的无损检测方法见表 2 内部缺陷 表面缺陷和近表面 检测方法 UT ● ○ ● ● MT ● ● ● ● PT ● ○ ○ ● ET △ △ ● × AET △ △ △ △ 发生中缺陷检 测 检测方法 RT 被检对象 试 件 分 类 锻件 铸件 压延件（管、板、型材） 焊逢 × ● × ● 分层 疏松 气孔 内部 缩孔 缺陷 未焊透 未熔合 缺陷 分类 夹渣 裂纹 白点 表面裂纹 表面 缺陷 表面气孔 折叠 断口白点 × × ● ● ● △ ● ○ × △ ○ — × ● ○ ○ ○ ● ● ○ ○ ○ △ × — × — — — — — — — — — ● △ ○ ● — — — — — — — — — ● ● ○ ● — — — — — — — — — ● △ ○ — — — — — △ △ △ △ △ △ — — — 注：●很适用；○适用；△有附加条件适用；×不适用；—不相关 参 1. 考 文 献 强天鹏 射线检测 [M] 云南科技出版社 2001 2. 3. 4. 5. 周在杞等 张俊哲等 无损检测技术及其应用 [M] 科学出版社 王小雷 锅炉压力容器无损检测相关知识 [M] 李家伟等 无损检测 冉启芳 2001 1993 [M] 机械工业出版社 2002 无损检测方法的分类及其特征的介绍 [J] 无损检测 1999 2 钢网架结构超声波检测及其质量的分 [J] 无损检测 2001 6 磁粉检测（MT） 磁粉检测（MT） 原理 铁磁性材料被磁化后，产生在被检对象上的磁力线均匀分布。由于不连续性的存在，使工件表面和近表面 的磁力线发生了局部畸变而产生了漏磁场，漏磁场吸附施加在被检对象表面的磁粉，形成在合适光照下可 见的磁痕,从而达到检测缺陷的目的。 磁粉探伤的原理及概述 磁粉探伤的原理 磁粉探伤又称 MT 或者 MPT（Magnetic Particle Testing），适用于钢铁等磁性材料的表面附近进行探伤 的检测方法。利用铁受磁石吸引的原理进行检查。在进行磁粉探伤检测时，使被测物收到磁力的作用，将 磁粉（磁性微型粉末）散布在其表面。然后，缺陷的部分表面所泄漏出来泄露磁力会将磁粉吸住，形成指 示图案。指示图案比实际缺陷要大数十倍，因此很容易便能找出缺陷。 磁粉探伤方法 磁粉探伤检测的顺序分为前期处理、磁化、磁粉使用、观察，以及后期处理。 前期处理→磁化→磁粉使用→观察→后期处理 以下分别说明各个步骤的概要。 （1）前期处理 探探伤面如果有油脂、涂料、锈、或其他异物附着的情况下，不仅会妨碍磁粉吸附在伤痕上，而且还会出 现磁粉吸附在伤痕之外的部分形成疑私图像的情况。因此在磁化之前，要采用物理或者化学处理，进行去 除污垢异物的步骤。 （2）磁化 将检测物适当磁化是非常重要的。通常，采用与伤痕方向与磁力线方向垂直的磁化方式。另外为了适当磁 化，根据检测物的形状可以采用多种方法。日本工业规格（JIS G 0565-1992）中规定了以下 7 种磁化方法。 ①轴通电法……在检测物轴方向直接通过电流。 ②直角通电法……在检测物垂直于轴的方向直接通过电流。 ③Prod 法……在检测物局部安置 2 个电极（称为 Prod）通过电流。 ④电流贯通法……在检测物的孔穴中穿过的导电体中通过电流。 ⑤线圈法……在检测物中放入线圈，在线圈中通过电流。 ⑥极间法……把检测物或者要检测的部位放入电磁石或永磁石的磁极间。 ⑦磁力线贯通法……对通过检测物的孔穴的强磁性物体施加交流磁力线，使感应电流通过检测物。 （3）磁粉使用磁粉探伤的原理 ① 磁粉的种类 为了让磁粉吸附在伤痕部的磁极间形成检出图像，使用的磁粉必须容易被伤痕部的微弱磁场磁化，吸附在 磁极上，也就是说需要优秀的吸附性能。另外，要求形成的磁粉图像必须有很高的识别性。 一般，磁粉探伤中使用的磁粉有在可见光下使用的白色、黑色、红色等不同磁粉，以及利用荧光发光的荧 光磁粉。另外，根据磁粉使用的场合，有粉状的干性磁粉以及在水或油中分散使用的湿性磁粉。 ② 磁粉的使用时间 磁粉使用时间分为一边通过磁化电流一边使用磁粉的连续法，以及在切断磁化电流的状态即利用检测物的 残留磁力的残留法两种。 （4）观察 为了便于观察附着在伤痕部位的磁粉图像，必须创造容易观察的环境。普通磁粉需要在尽可能明亮的环境 下观察，荧光磁粉则要使用紫外线照射灯将周围尽量变暗才容易观察。 （5）后期处理 磁粉探伤结束，检测物有可能仍作为产品或是需要送往下一个加工步骤接受机械加工等。这时就需要进行 退磁、去除磁粉、防锈处理等后期处理。 适用范围 可以对铁磁性原材料，如钢板、钢管、铸钢件等进行检测，也可以对铁磁性结构件进行检测。 局限性 仅适用铁磁性材料及其合金的表面和近表面的缺陷检测，对检测人员的视力、工作场所、被检对象的规格、 形状等有一定的要求。 优点 经济、方便、效率高、灵敏度高、检测结果直观。 生产厂家： 生产厂家：济宁联永超声电子有限公司 仪器设备名称： 仪器设备名称：CDX-Ⅲ该机型磁粉探伤仪 Ⅲ 仪器概况：CDX-Ⅲ该机型磁粉探伤仪是具有多种磁化方式的磁粉探 伤仪设备。仪器采用可控硅作无触点开关，噪音小、寿命长、操作简 单、方便、适应性强、工作稳定。是最近推出新产品，它除具有便携 式机种的一切优点，还具有移动机种的某些长处，扩展了用途，简化 了操作，还具有退磁功能。 该设备有四种探头： 1、旋转探头： 型）能对各种焊缝、各种几何形状的曲面、平面、 （E 管道、锅炉、球罐等压力容器进行一次性全方位显示缺陷和伤痕。 2、电磁轭探头： 型）它配有活关节，可以对平面、曲面工件进行 （D 探伤。 3、马蹄探头： 型）它可以对各种角焊缝，大型工件的内外角进行 （A 局部探伤。 4、磁环： 型）它能满足所有能放入工件的周向裂纹的探伤，用它 （O 来检测工件的疲劳痕（疲劳裂痕均垂于轴向）及为方便，用它还可以 对工件进行远离法退磁。 总之，该仪器是多种探伤仪的给合体，功能与适用范围广，尤其应用 于不允许通电起弧破表面零件的探伤。 无损检测概论及新技术应用 无损检测概论及新技术应用 概论 摘要： 摘要：综述了无损检测的定义、方法、特点、要求等基本知识，以及无损检测在 现今社会中的应用实例，其中包括混凝土超声波无损检测技术、涡流无损检测技 术、渗透探伤技术。 关键词： 关键词：无损检测；混凝土缺陷；涡流检测;渗透探伤。 引言： 引言：随着现代工业的发展，对产品的质量和结构的安全性、使用的可靠性提出 了越来越高的要求，无损检测技术由于具有不破坏试件、检测灵敏度高等优点， 所以其应用日益广泛。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上 反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。 1、 无损检测概论 、 无损检测 检测概论 无损检测就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用 性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位 置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿 命等）的所有技术手段的总称。 常用的无损检测方法有射线照相检验(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)和 液体渗透检测(PT) 四种。 其他无损检测方法： 涡流检测(ET)、 声发射检测 （AT） 、 （TIR） 泄漏试验 、 （LT） 交流场测量技术 、 （ACFMT） 漏磁检验 、 （MFL)、 热像/红外 远场测试检测方法（RFT)等。 基于以上方法，无损检测具有一下应用特点： 1>不损坏试件材质、结构 无损检测的最大特点就是能在不损坏试件材质、 结构的前提下进行检测， 所以实施无损检测后，产品的检查率可以达到 100%。但是，并不是所有需要测 试的项目和指标都能进行无损检测，无损检测技术也有自身的局限性。某些试验 只能采用破坏性试验， 因此， 在目前无损检测还不能代替破坏性检测。 也就是说， 对一个工件、材料、机器设备的评价，必须把无损检测的结果与破坏性试验的结 果互相对比和配合，才能作出准确的评定。 2>正确选用实施无损检测的时机 在无损检测时， 必须根据无损检测的目的,正确选择无损检测的时机,从而顺利 地完成检测预定目的,正确评价产品质量。 3>正确选用最适当的无损检测方法 由于各种检测方法都具有一定的特点，为提高检测结果可靠性，应根据设备 材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式，预计可能产生的缺陷种类、 形状、部位和取向，选择合适的无损检测方法。 4>综合应用各种无损检测方法 任何一种无损检测方法都不是万能的，每种方法都有自己的优点和缺点。应 尽可能多用几种检测方法，互相取长补短，以保障承压设备安全运行。此外在无 损检测的应用中，还应充分认识到，检测的目的不是片面追求过高要求的“高质 量”，而是应在充分保证安全性和合适风险率的前提下，着重考虑其经济性。只 有这样，无损检测在承压设备的应用才能达到预期目的。[1] 通过各种检测方法，最终对于无损检测的要求是：不仅要发现缺陷，探测试 件的结构、状态、性质，还要获取更全面、准确和综合的信息，辅以成象技术、 自动化技术、计算机数据分析和处理技术等，与材料力学、断裂力学等学科综合 应用，以期对试件和产品的质量和性能作出全面、准确的评价。 2、 无损检测在各领域的应用 、 无损检测基于以上优点,在现今社会受到广泛关注和应用,为实际生产工作减 少了废料成本,提供了极大的方便。其中超声波检测技术、涡流检测、渗透探伤 技术、霍尔效应无损探伤技术应用极为出色。 混凝土超声无损检测 混凝土是我国建筑结构工程最为重要的材料之一，它的质量直接关系到结构 的安全。多年来，结构混凝土质量的传统检测方法是以按规定的取样方法，制作 立方体试件，在规定的温度环境下，养护 28d 时按标准实验方法测得的试件抗压 强度来评定结构构件的混凝土强度。用试件实验测得的混凝土性能指标，往往是 与结构物中的混凝土性能有一定差别。因此，直接在结构物上检测混凝土质量的 现场检测技术，已成为混凝土质量管理的重要手段。 所谓混凝土“无损检测”技术，就是要在不破坏结构构件的情况下，利用测 试仪器获取有关混凝土质量等受力功能的物理量。 因该物理量与混凝土质量之间 有较好的相互关系，可采用获取的物理量去推定混凝土质量。[2] 混凝土超声检测是用超声波探头中的压电陶瓷或其他类型的压电晶体加载某 频率的交流电压后激发出固定频率的弹性波， 在材料或结构内部传播后再由超声 波换能器接收，通过对采集的超声波信号的声速、振幅、频率以及波形等声学参 数进行分析，以此推断混凝土结构的力学特性、内部结构及其组成情况。超声波 检测可用于混凝土结构的测厚、探伤、混凝土的弹性模量测定以及混凝土力学强 度评定等方面. [3] 涡流无损检测 涡流检测的基本原理：将通有交流电的线圈置于待测的金属板上或套在待测 的金属管外。这时线圈内及其附近将产生交变磁场，使试件中产生呈旋涡状的感 应交变电流，称为涡流。涡流的分布和大小，除与线圈的形状和尺寸、交流电流 的大小和频率等有关外，还取决于试件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线圈 的距离以及表面有无裂纹缺陷等。因而，在保持其他因素相对不变的条件下，用 一探测线圈测量涡流所引起的磁场变化，可推知试件中涡流的大小和相位变化， 进而获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的变化或 缺陷存在等信息。但由于涡流是交变电流，具有集肤效应，所检测到的信息仅能 反映试件表面或近表面处的情况。[4] 应用：按试件的形状和检测目的的不同，可采用不同形式的线圈,通常有穿过 式、探头式和插入式线圈 3 种。穿过式线圈用来检测管材、棒材和线材，它的内 径略大于被检物件， 使用时使被检物体以一定的速度在线圈内通过， 可发现裂纹、 夹杂、凹坑等缺陷。探头式线圈适用于对试件进行局部探测。应用时线圈置于金 属板、管或其他零件上，可检查飞机起落撑杆内筒上和涡轮发动机叶片上的疲劳 裂纹等。插入式线圈也称内部探头，放在管子或零件的孔内用来作内壁检测，可 用于检查各种管道内壁的腐蚀程度等。为了提高检测灵敏度，探头式和插入式线 圈大多装有磁芯。涡流法主要用于生产线上的金属管、棒、线的快速检测以及大 批量零件如轴承钢球、汽门等的探伤（这时除涡流仪器外尚须配备自动装卸和传 送的机械装置） 、材质分选和硬度测量，也可用来测量镀层和涂膜的厚度。[5] 优缺点：涡流检测时线圈不需与被测物直接接触，可进行高速检测,易于实现 自动化,但不适用于形状复杂的零件,而且只能检测导电材料的表面和近表面缺陷, 检测结果也易于受到材料本身及其他因素的干扰。 渗透探伤技术 液体渗透检测的基本原理：零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透 剂后，在毛细管作用下，经过一段时间，渗透液可以渗透进表面开口缺陷中；经 去除零件表面多余的渗透液后，再在零件表面施涂显像剂，同样，在毛细管的作 用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液回渗到显像剂中，在一定的光 源下 （紫外线光或白光） 缺陷处的渗透液痕迹被现实， 黄绿色荧光或鲜艳红色） ， （ ， 从而探测出缺陷的形貌及分布状态。[6] 渗透检测适用于具有非吸收的光洁表面的金属、非金属，特别是无法采用磁 性检测的材料，例如铝合金、镁合金、钛合金、铜合金、奥氏体钢等的制品，可 检验锻件、铸件、焊缝、陶瓷、玻璃、塑料以及机械零件等的表面开口型缺陷。 渗透检测的优点是灵敏度较高（已能达到检测开口宽度达 的裂缝） ，检测 成本低，使用设备与材料简单，操作轻便简易，显示结果直观并可进一步作直观 验证（例如使用放大镜或显微镜观察） ，其结果也容易判断和解释，检测效率较 高。缺点是受试件表面状态影响很大并只能适用于检查表面开口型缺陷，如果缺 陷中填塞有较多杂质时将影响其检出的灵敏度。[7] 3、 结语 、 随着现代科学技术的发展，激光、红外、微波、液晶等技术都被应用于无损 检测领域，而传统的常规无损检测技术也因为现代科技的发展，大大丰富了应用 方法，如射线照相就可细分为 X 射线、γ射线、中子射线、高能 X 射线、射线 实时照相、层析照相……等多种方法。 无损检测作为一种综合性应用技术，无损检测技术经历了从无损探伤，到无 损检测，再到无损评价，并且向自动无损评价、定量无损评价发展。相信在不远 的将来， 新生的纳米材料、 微机电器件等行业的无损检测技术将会得到迅速发展。 参考文献【1】李喜孟.无损检测.机械工业出版社.2011 】 【2】父新漩. 混凝土无损检测手册.人民交通出版社.2003 】 【 3】 冯子蒙.超声波无损检测于评价的关键技术问题及其解决方案.煤矿机 】 械.2009(9) 【4】唐继强.无损检测实验.机械工业出版社.2011 】 【5】李丽茹.表面检测.机械工业出版社.2009 】 【6】国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材编审委员会.机械工业 出版社.2004 【7】胡学知主编. 中国劳动社会保障出版社.2007 】
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钢结构无损检测 摘要：通过对应用于建筑钢结构行业中的几种常规无损检测方法的简述，归纳了被检对象所适用的不同无 损检测方法。为广大工程技术人员和管理人员了解、学习、应用无损检测技术提供参考。 关键词：建筑钢结构；无损检测 1 前言 建筑钢结构由于其强度高、工业化程度高以及综合经济效益好等优点，自上世纪 90 年代，特别是近年来得 到了迅猛发展，广泛应用于工业和民用等领域。由于一些重点工程，建筑钢结构发生了严重的质量事故， 如郑州中原博览中心网架曾发生了崩塌事故，所以建筑钢结构的安全性和可靠性越来越受到重视。 建筑钢结构的安全性和可靠性源于设计，其自身质量则源于原材料、加工制作和现场安装等因素。评价建 筑钢结构的安全性和可靠性一般有三种方式：⑴模拟实验；⑵破坏性实验；⑶无损检测。模拟实验是按一 定比例模拟建筑钢结构的规格、材质、结构形式等，模拟在其运行环境中的工作状态，测试、评价建筑钢 结构的安全性和可靠性。模拟实验能对建筑钢结构的整体性能作出定量评价，但其成本高，周期长，工艺 复杂。破坏性实验是采用破坏的方式对抽样试件的性能指标进行测试和观察。破坏性实验具有检测结果精 确、直观、误差和争议性比较小等优点，但破坏性实验只适用于抽样，而不能对全部工件进行实验，所以 不能得出全面、综合的结论。无损检测则能对原材料和工件进行 100%检测，且经济成本相对较低。 上世纪 50 年代初，无损检测技术通过前苏联进入我国。作为工艺过程控制和产品质量控制的手段，如今在 核电、航空、航天、船舶、电力、建筑钢结构等行业中得到广泛的应用，创造了巨大的经济效益和社会效 益。无损检测技术是建立在众多学科之上的一门新兴的、综合性技术。无损检测技术是以不损伤被检对象 的结构完整性和使用性能为前提，应用物理原理和化学现象，借助先进的设备器材，对各种原材料，零部 件和结构件进行有效的检验和测试，借以评价它们的完整性、连续性、致密性、安全性、可靠性及某些物 理性能。无损检测经历了三个阶段，即无损探伤（Non-destructive Inspection，简称 NDI）、无损检测 （Non-destructive testing，简称 NDT）、无损评价（Non-destructive Evaluation，简称 NDE）、无损 探伤的含义是探测和发现缺陷。无损检测不仅仅要探测和发现缺陷，而且要发现缺陷的大小、位置、当量、 性质和状态。无损评价的含义则更广泛、更深刻， 它不仅要求发现缺陷，探测被检对象的结构、性质、状 态，还要求获得更全面、更准确的，综合的信息，从而评价被检对象的运行状态和使用寿命。应用于钢结 构行业中的常规无损检测方法有磁粉检测（Magnetic Testing 简称 MT）、渗透检测（Penetrate Testing， 简称 PT）、涡流检测（Eddy current Testing 简称 ET）、声发射检测（Acoustic Emission Testing 简称 AET）、超声波检测（Ultrasonic Testing，简称 UT）、射线检测（Radiography Testing，简称 RT）。在 建筑钢结构行业中，按检测缺陷产生的时机，无损检测方法可以按下图分类。 2 检测方法的简述 磁粉检测（MT） 原理 铁磁性材料被磁化后，产生在被检对象上的磁力线均匀分布。由于不连续性的存在，使工件表面和近表面 的磁力线发生了局部畸变而产生了漏磁场，漏磁场吸附施加在被检对象表面的磁粉，形成在合适光照下可 见的磁痕,从而达到检测缺陷的目的。 适用范围 可以对铁磁性原材料，如钢板、钢管、铸钢件等进行检测，也可以对铁磁性结构件进行检测。 局限性 仅适用铁磁性材料及其合金的表面和近表面的缺陷检测，对检测人员的视力、工作场所、被检对象的规格、 形状等有一定的要求。 优点 经济、方便、效率高、灵敏度高、检测结果直观。 渗透检测（PT） 原理 在被检对象表面施加含有荧光染料或着色染料的渗透液，渗透液在毛细血管的作用下，经过一定时间 后，渗透液可以渗透到表面开口的缺陷中去。经过去除被检对象表面多余的渗透液，干燥后，再在被检对 象表面施加吸附介质（显象剂）。同样在毛细血管的作用下，显象剂吸附缺陷中的渗透液，使渗透液回渗 到显象剂中，在一定的光照下，缺陷中的渗透液被显示。从而达到检测缺陷的目的。 适用范围 适用于非多孔状固体表面开口缺陷。 局限性 仅适用于表面开口缺陷的检测，而且对被检对象的表面光洁度要求较高，涂料、铁锈、氧化皮会覆盖表面 缺陷而造成漏检。对检测人员的视力有一定要求，成本相对较高。 优点 设备轻便、操作简单，检测灵敏度高，结果直观、准确。 涡流检测（ET） 原理 金属材料在交变磁场的作用下产生了涡流，根据涡流的分布和大小可以检测出铁磁性材料和非铁磁性材料 的缺陷。 适用范围 适用于各种导电材料的表面和近表面的缺陷检测。 局限性 不适用不导电材料检测，对形状复杂的试件很难应用，比较适合钢管、钢板等形状规则的轧制型材的检测， 而且设备较贵；无法判定缺陷的性质。 优点 检测速度快，生产效率高，自动化程度高。 声发射检测（AET） 原理 材料或结构件受到内力或外力的作用产生形变或断裂时， 以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射， 也称为应力波发射。声发射检测是通过受力时材料内部释放的应力波判断被检对象内部结构损伤程度的一 种新兴动态无损检测技术。 适用对象 适用于被检对象的动态监测，如对大型桥梁、核电设备的实时动态监测。 局限性 无法监测静态缺陷、干扰检测的因素较多；设备复杂、价格较贵、检测技术不太成熟。 优点 可以远距离监控设备的运行情况和缺陷的扩展情况，对结构的安全性和可靠性评价提供依据。 超声波检测（UT） 原理 超声波是指频率大于 20 千兆赫兹的机械波。根据波动传播时介质的振动方向相对于波的传播方向不同，可 将波动分为纵波、横波、表面波和板波等。用于钢结构检测的主要是纵波和横波。 超声波探伤仪激励探头产生的超声波在被检对象的介质中按一定速度传播，当遇到异面介质（如气孔、夹 渣）时，一部分超声波反射回来，经仪器处理后，放大进入示波屏，显示缺陷的回波。 适用对象 适用于各类焊逢、板材、管材、棒材、锻件、铸件以及复合材料的检测，特别适合厚度较大的工件。 局限性 检测结果可追溯性较差；定性困难，定量不精确，人为因素较多；对被检工件的材质规格，几何形状有一 定要求。 优点 检测成本低、速度快、周期短、效率高；仪器小、操作方便；能对缺陷进行精确定位；对面积型缺陷的检 出率较高（如裂纹、未熔合等） 射线检测（RT） 原理 射线是一种波长短、频率高的电磁波。 射线检测，常规使用×射线机或放射性同位素作为放射源产生射线，射线穿过被检对象，经过吸收和衰减， 由于被检试件中存在厚度差的原因，不同强度的射线到达记录介质（如射线胶片），射线胶片的不同部位 吸收了数量不等的光子，经过暗室处理后，底片上便出现了不同黑度的缺陷影象，从而判定缺陷的大小和 性质。 适用范围 适用较薄而不是较厚（如果工件的厚度超过 80mm 就要使用特殊设备进行检测，如加速器）的工件的内部体 积型缺陷的检测。 局限性 检测成本高、周期长，工作效率低；不适用角焊逢、板材、管材、棒材、锻件的检测；对面状的缺陷检出 率较低；对缺陷的高度和缺陷在被检对象中的深度较难确定；影响人体健康。 优点 检测结果直观、定性定量准确；检测结果有记录，可以长期保存，可追溯性较强。 3 小结 综上所述，每种无损检测方法的原理和特点各不相同，且适用的检测对象也不一样。在建筑钢结构的行业 中应根据结构的整体性能，检测成本及被检对象的规格、材质、缺陷的性质、缺陷产生的位置等诸多因素 合理选择无损检测方法。一般地，选择无损检测方法及合格等级，是设计人员依据相关规范而确定的。有 的工程，业主也有无损检测方法及合格等级的要求，这就需要供需双方相互协商了。 钢结构在加工制作及安装过程中无损检测方法的选择见表 1 被检对象 原材料检验 板材 锻件及棒材 管材 螺栓 焊接检验 坡口部位 清根部位 对接焊逢 角焊逢和 T 型焊逢 UT 检测方法 UT、MT（PT） UT（RT）、MT（PT） UT、MT（PT） UT、PT（MT） PT（MT） RT（UT）、MT（PT） UT（RT）、PT（MT） 被检对象所适用的无损检测方法见表 2 内部缺陷 表面缺陷和近表面 检测方法 UT ● ○ ● ● MT ● ● ● ● PT ● ○ ○ ● ET △ △ ● × AET △ △ △ △ 发生中缺陷检 测 检测方法 RT 被检对象 试 件 分 类 锻件 铸件 压延件（管、板、型材） 焊逢 × ● × ● 分层 疏松 气孔 内部 缩孔 缺陷 未焊透 未熔合 缺陷 分类 夹渣 裂纹 白点 表面裂纹 表面 缺陷 表面气孔 折叠 断口白点 × × ● ● ● △ ● ○ × △ ○ — × ● ○ ○ ○ ● ● ○ ○ ○ △ × — × — — — — — — — — — ● △ ○ ● — — — — — — — — — ● ● ○ ● — — — — — — — — — ● △ ○ — — — — — △ △ △ △ △ △ — — — 注：●很适用；○适用；△有附加条件适用；×不适用；—不相关 参 1. 考 文 献 强天鹏 射线检测 [M] 云南科技出版社 2001 2. 3. 4. 5. 周在杞等 张俊哲等 无损检测技术及其应用 [M] 科学出版社 王小雷 锅炉压力容器无损检测相关知识 [M] 李家伟等 无损检测 冉启芳 2001 1993 [M] 机械工业出版社 2002 无损检测方法的分类及其特征的介绍 [J] 无损检测 1999 2 钢网架结构超声波检测及其质量的分 [J] 无损检测 2001 6 磁粉检测（MT） 磁粉检测（MT） 原理 铁磁性材料被磁化后，产生在被检对象上的磁力线均匀分布。由于不连续性的存在，使工件表面和近表面 的磁力线发生了局部畸变而产生了漏磁场，漏磁场吸附施加在被检对象表面的磁粉，形成在合适光照下可 见的磁痕,从而达到检测缺陷的目的。 磁粉探伤的原理及概述 磁粉探伤的原理 磁粉探伤又称 MT 或者 MPT（Magnetic Particle Testing），适用于钢铁等磁性材料的表面附近进行探伤 的检测方法。利用铁受磁石吸引的原理进行检查。在进行磁粉探伤检测时，使被测物收到磁力的作用，将 磁粉（磁性微型粉末）散布在其表面。然后，缺陷的部分表面所泄漏出来泄露磁力会将磁粉吸住，形成指 示图案。指示图案比实际缺陷要大数十倍，因此很容易便能找出缺陷。 磁粉探伤方法 磁粉探伤检测的顺序分为前期处理、磁化、磁粉使用、观察，以及后期处理。 前期处理→磁化→磁粉使用→观察→后期处理 以下分别说明各个步骤的概要。 （1）前期处理 探探伤面如果有油脂、涂料、锈、或其他异物附着的情况下，不仅会妨碍磁粉吸附在伤痕上，而且还会出 现磁粉吸附在伤痕之外的部分形成疑私图像的情况。因此在磁化之前，要采用物理或者化学处理，进行去 除污垢异物的步骤。 （2）磁化 将检测物适当磁化是非常重要的。通常，采用与伤痕方向与磁力线方向垂直的磁化方式。另外为了适当磁 化，根据检测物的形状可以采用多种方法。日本工业规格（JIS G 0565-1992）中规定了以下 7 种磁化方法。 ①轴通电法……在检测物轴方向直接通过电流。 ②直角通电法……在检测物垂直于轴的方向直接通过电流。 ③Prod 法……在检测物局部安置 2 个电极（称为 Prod）通过电流。 ④电流贯通法……在检测物的孔穴中穿过的导电体中通过电流。 ⑤线圈法……在检测物中放入线圈，在线圈中通过电流。 ⑥极间法……把检测物或者要检测的部位放入电磁石或永磁石的磁极间。 ⑦磁力线贯通法……对通过检测物的孔穴的强磁性物体施加交流磁力线，使感应电流通过检测物。 （3）磁粉使用磁粉探伤的原理 ① 磁粉的种类 为了让磁粉吸附在伤痕部的磁极间形成检出图像，使用的磁粉必须容易被伤痕部的微弱磁场磁化，吸附在 磁极上，也就是说需要优秀的吸附性能。另外，要求形成的磁粉图像必须有很高的识别性。 一般，磁粉探伤中使用的磁粉有在可见光下使用的白色、黑色、红色等不同磁粉，以及利用荧光发光的荧 光磁粉。另外，根据磁粉使用的场合，有粉状的干性磁粉以及在水或油中分散使用的湿性磁粉。 ② 磁粉的使用时间 磁粉使用时间分为一边通过磁化电流一边使用磁粉的连续法，以及在切断磁化电流的状态即利用检测物的 残留磁力的残留法两种。 （4）观察 为了便于观察附着在伤痕部位的磁粉图像，必须创造容易观察的环境。普通磁粉需要在尽可能明亮的环境 下观察，荧光磁粉则要使用紫外线照射灯将周围尽量变暗才容易观察。 （5）后期处理 磁粉探伤结束，检测物有可能仍作为产品或是需要送往下一个加工步骤接受机械加工等。这时就需要进行 退磁、去除磁粉、防锈处理等后期处理。 适用范围 可以对铁磁性原材料，如钢板、钢管、铸钢件等进行检测，也可以对铁磁性结构件进行检测。 局限性 仅适用铁磁性材料及其合金的表面和近表面的缺陷检测，对检测人员的视力、工作场所、被检对象的规格、 形状等有一定的要求。 优点 经济、方便、效率高、灵敏度高、检测结果直观。 生产厂家： 生产厂家：济宁联永超声电子有限公司 仪器设备名称： 仪器设备名称：CDX-Ⅲ该机型磁粉探伤仪 Ⅲ 仪器概况：CDX-Ⅲ该机型磁粉探伤仪是具有多种磁化方式的磁粉探 伤仪设备。仪器采用可控硅作无触点开关，噪音小、寿命长、操作简 单、方便、适应性强、工作稳定。是最近推出新产品，它除具有便携 式机种的一切优点，还具有移动机种的某些长处，扩展了用途，简化 了操作，还具有退磁功能。 该设备有四种探头： 1、旋转探头： 型）能对各种焊缝、各种几何形状的曲面、平面、 （E 管道、锅炉、球罐等压力容器进行一次性全方位显示缺陷和伤痕。 2、电磁轭探头： 型）它配有活关节，可以对平面、曲面工件进行 （D 探伤。 3、马蹄探头： 型）它可以对各种角焊缝，大型工件的内外角进行 （A 局部探伤。 4、磁环： 型）它能满足所有能放入工件的周向裂纹的探伤，用它 （O 来检测工件的疲劳痕（疲劳裂痕均垂于轴向）及为方便，用它还可以 对工件进行远离法退磁。 总之，该仪器是多种探伤仪的给合体，功能与适用范围广，尤其应用 于不允许通电起弧破表面零件的探伤。 无损检测概论及新技术应用 无损检测概论及新技术应用 概论 摘要： 摘要：综述了无损检测的定义、方法、特点、要求等基本知识，以及无损检测在 现今社会中的应用实例，其中包括混凝土超声波无损检测技术、涡流无损检测技 术、渗透探伤技术。 关键词： 关键词：无损检测；混凝土缺陷；涡流检测;渗透探伤。 引言： 引言：随着现代工业的发展，对产品的质量和结构的安全性、使用的可靠性提出 了越来越高的要求，无损检测技术由于具有不破坏试件、检测灵敏度高等优点， 所以其应用日益广泛。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上 反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。 1、 无损检测概论 、 无损检测 检测概论 无损检测就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用 性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位 置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿 命等）的所有技术手段的总称。 常用的无损检测方法有射线照相检验(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)和 液体渗透检测(PT) 四种。 其他无损检测方法： 涡流检测(ET)、 声发射检测 （AT） 、 （TIR） 泄漏试验 、 （LT） 交流场测量技术 、 （ACFMT） 漏磁检验 、 （MFL)、 热像/红外 远场测试检测方法（RFT)等。 基于以上方法，无损检测具有一下应用特点： 1>不损坏试件材质、结构 无损检测的最大特点就是能在不损坏试件材质、 结构的前提下进行检测， 所以实施无损检测后，产品的检查率可以达到 100%。但是，并不是所有需要测 试的项目和指标都能进行无损检测，无损检测技术也有自身的局限性。某些试验 只能采用破坏性试验， 因此， 在目前无损检测还不能代替破坏性检测。 也就是说， 对一个工件、材料、机器设备的评价，必须把无损检测的结果与破坏性试验的结 果互相对比和配合，才能作出准确的评定。 2>正确选用实施无损检测的时机 在无损检测时， 必须根据无损检测的目的,正确选择无损检测的时机,从而顺利 地完成检测预定目的,正确评价产品质量。 3>正确选用最适当的无损检测方法 由于各种检测方法都具有一定的特点，为提高检测结果可靠性，应根据设备 材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式，预计可能产生的缺陷种类、 形状、部位和取向，选择合适的无损检测方法。 4>综合应用各种无损检测方法 任何一种无损检测方法都不是万能的，每种方法都有自己的优点和缺点。应 尽可能多用几种检测方法，互相取长补短，以保障承压设备安全运行。此外在无 损检测的应用中，还应充分认识到，检测的目的不是片面追求过高要求的“高质 量”，而是应在充分保证安全性和合适风险率的前提下，着重考虑其经济性。只 有这样，无损检测在承压设备的应用才能达到预期目的。[1] 通过各种检测方法，最终对于无损检测的要求是：不仅要发现缺陷，探测试 件的结构、状态、性质，还要获取更全面、准确和综合的信息，辅以成象技术、 自动化技术、计算机数据分析和处理技术等，与材料力学、断裂力学等学科综合 应用，以期对试件和产品的质量和性能作出全面、准确的评价。 2、 无损检测在各领域的应用 、 无损检测基于以上优点,在现今社会受到广泛关注和应用,为实际生产工作减 少了废料成本,提供了极大的方便。其中超声波检测技术、涡流检测、渗透探伤 技术、霍尔效应无损探伤技术应用极为出色。 混凝土超声无损检测 混凝土是我国建筑结构工程最为重要的材料之一，它的质量直接关系到结构 的安全。多年来，结构混凝土质量的传统检测方法是以按规定的取样方法，制作 立方体试件，在规定的温度环境下，养护 28d 时按标准实验方法测得的试件抗压 强度来评定结构构件的混凝土强度。用试件实验测得的混凝土性能指标，往往是 与结构物中的混凝土性能有一定差别。因此，直接在结构物上检测混凝土质量的 现场检测技术，已成为混凝土质量管理的重要手段。 所谓混凝土“无损检测”技术，就是要在不破坏结构构件的情况下，利用测 试仪器获取有关混凝土质量等受力功能的物理量。 因该物理量与混凝土质量之间 有较好的相互关系，可采用获取的物理量去推定混凝土质量。[2] 混凝土超声检测是用超声波探头中的压电陶瓷或其他类型的压电晶体加载某 频率的交流电压后激发出固定频率的弹性波， 在材料或结构内部传播后再由超声 波换能器接收，通过对采集的超声波信号的声速、振幅、频率以及波形等声学参 数进行分析，以此推断混凝土结构的力学特性、内部结构及其组成情况。超声波 检测可用于混凝土结构的测厚、探伤、混凝土的弹性模量测定以及混凝土力学强 度评定等方面. [3] 涡流无损检测 涡流检测的基本原理：将通有交流电的线圈置于待测的金属板上或套在待测 的金属管外。这时线圈内及其附近将产生交变磁场，使试件中产生呈旋涡状的感 应交变电流，称为涡流。涡流的分布和大小，除与线圈的形状和尺寸、交流电流 的大小和频率等有关外，还取决于试件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线圈 的距离以及表面有无裂纹缺陷等。因而，在保持其他因素相对不变的条件下，用 一探测线圈测量涡流所引起的磁场变化，可推知试件中涡流的大小和相位变化， 进而获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的变化或 缺陷存在等信息。但由于涡流是交变电流，具有集肤效应，所检测到的信息仅能 反映试件表面或近表面处的情况。[4] 应用：按试件的形状和检测目的的不同，可采用不同形式的线圈,通常有穿过 式、探头式和插入式线圈 3 种。穿过式线圈用来检测管材、棒材和线材，它的内 径略大于被检物件， 使用时使被检物体以一定的速度在线圈内通过， 可发现裂纹、 夹杂、凹坑等缺陷。探头式线圈适用于对试件进行局部探测。应用时线圈置于金 属板、管或其他零件上，可检查飞机起落撑杆内筒上和涡轮发动机叶片上的疲劳 裂纹等。插入式线圈也称内部探头，放在管子或零件的孔内用来作内壁检测，可 用于检查各种管道内壁的腐蚀程度等。为了提高检测灵敏度，探头式和插入式线 圈大多装有磁芯。涡流法主要用于生产线上的金属管、棒、线的快速检测以及大 批量零件如轴承钢球、汽门等的探伤（这时除涡流仪器外尚须配备自动装卸和传 送的机械装置） 、材质分选和硬度测量，也可用来测量镀层和涂膜的厚度。[5] 优缺点：涡流检测时线圈不需与被测物直接接触，可进行高速检测,易于实现 自动化,但不适用于形状复杂的零件,而且只能检测导电材料的表面和近表面缺陷, 检测结果也易于受到材料本身及其他因素的干扰。 渗透探伤技术 液体渗透检测的基本原理：零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透 剂后，在毛细管作用下，经过一段时间，渗透液可以渗透进表面开口缺陷中；经 去除零件表面多余的渗透液后，再在零件表面施涂显像剂，同样，在毛细管的作 用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液回渗到显像剂中，在一定的光 源下 （紫外线光或白光） 缺陷处的渗透液痕迹被现实， 黄绿色荧光或鲜艳红色） ， （ ， 从而探测出缺陷的形貌及分布状态。[6] 渗透检测适用于具有非吸收的光洁表面的金属、非金属，特别是无法采用磁 性检测的材料，例如铝合金、镁合金、钛合金、铜合金、奥氏体钢等的制品，可 检验锻件、铸件、焊缝、陶瓷、玻璃、塑料以及机械零件等的表面开口型缺陷。 渗透检测的优点是灵敏度较高（已能达到检测开口宽度达 的裂缝） ，检测 成本低，使用设备与材料简单，操作轻便简易，显示结果直观并可进一步作直观 验证（例如使用放大镜或显微镜观察） ，其结果也容易判断和解释，检测效率较 高。缺点是受试件表面状态影响很大并只能适用于检查表面开口型缺陷，如果缺 陷中填塞有较多杂质时将影响其检出的灵敏度。[7] 3、 结语 、 随着现代科学技术的发展，激光、红外、微波、液晶等技术都被应用于无损 检测领域，而传统的常规无损检测技术也因为现代科技的发展，大大丰富了应用 方法，如射线照相就可细分为 X 射线、γ射线、中子射线、高能 X 射线、射线 实时照相、层析照相……等多种方法。 无损检测作为一种综合性应用技术，无损检测技术经历了从无损探伤，到无 损检测，再到无损评价，并且向自动无损评价、定量无损评价发展。相信在不远 的将来， 新生的纳米材料、 微机电器件等行业的无损检测技术将会得到迅速发展。 参考文献【1】李喜孟.无损检测.机械工业出版社.2011 】 【2】父新漩. 混凝土无损检测手册.人民交通出版社.2003 】 【 3】 冯子蒙.超声波无损检测于评价的关键技术问题及其解决方案.煤矿机 】 械.2009(9) 【4】唐继强.无损检测实验.机械工业出版社.2011 】 【5】李丽茹.表面检测.机械工业出版社.2009 】 【6】国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材编审委员会.机械工业 出版社.2004 【7】胡学知主编. 中国劳动社会保障出版社.2007 】
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浅议煤矿煤层的开采技术摘要：由于煤层的自然条件和采用的机械不同，完成回采工作各工序的方法也就不同，并且在进行的顺序、时间和空间上必须有规律地加以安排和配合。这种在采煤工作面内按照一定顺序完成各项工序的方法及其配合，称为采煤工艺。在一定时间内，按照一定的顺序完成回采工作各项工序的过程，称为采煤工艺过程。关键词：开发技术 煤炭工艺 煤炭一、煤炭开采的主要形式（一）井下采煤井下采煤的顺序。对于倾角10°以上的煤层一般分水平开采，每一水平又分为若干采区，先在第一水平依次开采各采区煤层，采完后再转移至下一水平。开采近水平煤层时，先将煤层划分为几个盘区，立井于井田中心到达煤层后，先采靠近井筒的盘区，再采较远的盘区。如有两层或两层以上煤层，先采第一水平最上面煤层，再自上而下采另外煤层，采完后向第二水平转移。按落煤技术方法，地下采煤有机械落煤、爆破落煤和水力落煤三种，前二者称为旱采，后者称为水采，我国水采矿井仅占。旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法，以前者为主。壁式采煤法工作面长，一般100～200 m，可以容纳功率大，生产能力高的采煤机械，因而产量大，效率高。柱式采煤法工作面短，一般6～30 m，由于工作面短，顶板易维护，从而减少了支护费用，主要缺点是回采率低。（二）露天采煤移走煤层上覆的岩石及覆盖物，使煤敞露地表而进行开采称为露天开采，其中移去土岩的过程称为剥离，采出煤炭的过程称为采煤。露天采煤通常将井田划分为若干水平分层，自上而下逐层开采，在空间上形成阶梯状。其主要生产环节：首先用穿孔爆破并用机械将岩煤预先松动破碎，然后用采掘设备将岩煤由整体中采出，并装入运输设备，运往指定地点，将运输设备中的剥离物按程序排放于堆放场；将煤炭卸在洗煤厂或其他卸矿点。主要优缺点优点为生产空间不受限制，可采用大型机械设备，矿山规模大，劳动效率高，生产成本低，建设速度快。另外，资源回采率可达90%以上，资源利用合理，而且劳动条件好，安全有保证，死亡率仅为地下采煤的1/30左右。主要缺点是占用土地多，会造成一定的环境污染，而且生产过程需受地形及气候条件的制约。在资源方面，对煤赋存条件要求较严，只宜在埋藏浅，煤层厚度大的矿区采用。二、采煤方法与工艺在发展现代采煤工艺的同时，继续发展多层次、多样化的采煤工艺，建立具有中国特色的采煤工艺理论。我国长壁采煤方法已趋成熟，放顶煤采煤的应用在不断扩展，应用水平和理论研究的深度和广度都在不断提高，急倾斜、不稳定、地质构造复杂等难采煤层采煤方法和工艺的研究有很大空间，主要方向是改善作业 条件，提高单产和机械化水平。（一）开采技术开发煤矿高效集约化生产技术、建设生产高度集中、高可靠性的高产高效矿井开采技术。以 提高工作面单产和生产集中化为核心，以提高效率和经济效益为目标，研究开发各种条件下 的高效能、高可靠性的采煤装备和工艺，简单、高效、可靠的生产系统和开采布置，生产过 程监控与科学管理等相互配套的成套开采技术，发展各种矿井煤层条件下的采煤机械化，进一步改进工艺和装备，提高应用水平和扩大应用范围，提高采煤机械化的程度和水平。（二）解决难题开发“浅埋深、硬顶板、硬煤层高产高效现代开采成套技术”，主要解决以下技术难题。硬顶板控制技术，研究埋深浅、地压小的硬厚顶板控制技术，主要通过岩层定向水力 压裂、倾斜深孔爆破等顶板快速处理技术，使直接顶能随采随冒，提高顶煤回收率，且基本 顶能按一定步距垮落，既有利于顶煤破碎，又保证工作面的安全生产。硬厚顶煤控制技术，研究开发埋深浅、支承压力小条件硬厚顶煤的快速处理技术，包括高压 注水压裂技术和顶煤深孔预爆破处理技术，使顶煤体能随采随冒，提高其回收率。顶煤冒放性差、块度大的综放开采成套设备配套技术，研制既有利于顶煤破碎和顶板控制， 又有利于放顶煤的新型液压支架，合理确定后部输送机能力。 两硬条件下放顶煤开采快速推进技术，研究合适的综放开采回采工艺，优化工序，缩短放煤 时间，提高工作面的推进度，实现高产高效。5～宽煤巷锚杆支护技术，通过宽煤巷锚 杆支护技术的研究开发和应用，有利于综采配套设备的大功率和重型化，有助于连续采煤机 的应用，促进工作面的高产高效。（三）缓倾斜薄煤层长壁开采主要研究开发：体积小、功率大、高可靠性的薄煤层采煤机 、刨煤机；研制适合刨煤机综采的液压支架；研究开发薄煤层工作面的总体配套技术和高效开采技术。（四）缓倾斜厚煤层一次采全厚大采高长壁综采应进一步加强完善支架结构及强度，加 强 支架防倒、防滑、防止顶梁焊缝开裂和四连杆变形、防止严重损坏千斤顶措施等的研究，提高支架的可靠性，缩小其与中厚煤层(采高3m左右)高产高效指标的差距。（五）各种综采高产高效综采设备保障系统要实现高产高效，就要提高开机率，对“支架—围岩”系统、采运设备进行监控。今后研究的重点是：通过电液控制阀组操纵支架和改善“支架—围岩”系统控制，进一步完善液压信息、支架位态、顶板状态、支护质量信息的自动采集系统；乳化液泵站及液压系统运行状态的检测诊断；采煤机在线与离线相结合的“油 —磨屑”监测和温度、电信号的监测；带式输送机、刮板输送机全面状态监控。三、主要的开采技术（一）深矿井开采技术深矿井开采的关键技术是：煤层开采的矿压控制、冲击地压防治、瓦斯和热害治理及深井通风、井巷布置等；需要攻关研究的是：深井围岩状态和应力场及分布状态的特征；深井作业场所工作环境的变化；深井巷道（特别是软岩巷道）快速掘进与支护技术与装备；深井冲击地压防治技术与监测监控技术；深矿井高产高效开采有关配套技术；深矿井开采热害治理技术与装备。（二）“三下”采煤技术提高数值模拟计算和相似材料模拟等，深入研究开采上覆岩层运动和地表下陷规律，研究满足地表、建筑物、地下水资源保护需要的合理的开采系统和优化参数，发展沉降控制理念和关键技术，包括用地表废料向垮落法工作面采空区充填的系统；研究与应用各种充填技术和组合充填技术，村庄房屋加固改造重建技术，适于村庄保护的开采技术；研究近水体开采的开采设计，工艺参数优化和装备，提出煤炭开采与煤炭城市和谐统一的开采沉陷控制、开采村庄下压煤、土地复垦和矿井水资源化等关键技术。（三）优化巷道布置，减少矸石排放的开采技术改进、完善现有采煤方法和开采布置，以实现开采效益最大化为目标，研究开发煤矿地质条件开采巷道布置及工艺技术评价体系专家系统，实现开采方法、开采布置与煤层地质条件的最优匹配。实行全煤巷布置单一煤层开采，矸石基本不运出地面，生产系统要减化，同时实现中采与中掘同走发展，生产效率大幅提高的经验的同时，重点研究高产高效矿井，开拓部署与巷道布置系统的优化，减化巷道布置，优化采区及工作面参数，研究单一煤层集中开拓，集中准备、集中回采的关键技术，大幅度降低岩巷掘进率，多开煤巷，减少出矸率；研究矸石在井下直接处理、作为充填材料的技术，既是减少污染的一项有利措施，又减化了生产系统，有利于高产高效集中化开采，应加紧研究。采煤方法和工艺的进步和完善始终是采矿学科发展的主题。采煤工艺的发展将带动煤炭开采各环节的变革，现代采煤工艺的发展方向是高产、高效、高安全性和高可靠性，基本途径是使采煤技术与现代高新技术相结合，研究开发强力、高效、安全、可靠、耐用、智能化的采 煤设备和生产监控系统，改进和完善采煤工艺。
Department for multi-storey development of low-permeability reservoir, the reservoir surface, vertical heterogeneity is very serious, large differences between layers, after fracturing the previous general transformation of the imbalance caused by the problem and sand oil field development has been severely restricting effect. Thus came into being hierarchical fracturing, reservoir used to improve the thesis describes the classification of hierarchical fracturing techniques and basic principles. According to the site to collect examples of analysis of the water jet fracturing, fracturing the bridge plug and double packer hierarchical fracturing technical difficulties and technical essentials, focusing on analysis and research of the packer tiered hierarchical fracturing and mechanical bridge plug fracturing technology. And describes the hierarchical fracturing technology in the productive layer of the application and development of oil fields in the instance of the application, but will also for the future development of hierarchical fracturing technology has made the prospect.
油井压裂的风险分析与安全对策论文
摘要：对油井压裂过程中存在的安全风险进行了分析，梳理了安全管理的重点环节，提出了相应的安全管理对策措施。
关键词：油井压裂；风险分析安全对策
引言
油井压裂作业设备多、环节多，具有技术含量高、施工难度大、作业环境恶劣、救援及逃生困难的特点，安全管理工作难度大，极易酿成重大的人员伤亡和财产损失事故。笔者就油井压裂过程中存在的安全风险进行了分析，并提出了相应的安全管理对策措施。
1、压裂施工风险分析
人员与设备高度集中压裂作业井场占地一般1600m2左右；压裂设备包括压裂车、混砂车、仪表车、管汇车、砂罐车及立式砂罐、大罐等。在特殊情况下，如压力高或需要更大排量施工的井，还要增加压裂车和仪表车。井场人员和设备密集，管理难度大。
井场布置易存在隐患由于受井场场地的限制，施工车辆距离井口过近，压裂仪表车、其他辅助车辆和仪器距离高压区的距离较近，存在安全隐患。
施工过程危险性高压裂作业施工，尤其是老井、重复压裂井、大型酸化压裂，工序复杂，地面压力在30MPa-60MPa之间，极易造成井身结构破坏、管线爆裂，发生卡钻、砂堵油管、管柱断脱、井口设备刺漏等工程事故，极易引发井喷事故和物体打击事故。
救援及逃生困难由于井场摆放着各种车辆和压裂罐，视野较窄，一旦发生事故，很难迅速逃生和得到救援，极易升级为不良事件。
环境保护要求高如果压裂失控、压裂管柱破裂或者高压井口、管线泄漏，极易发生压裂液、有毒有害气体和原油的泄露，污染大气层和地表层，造成重大地面污染事故。
2、安全管理的重点环节
作业人员的管理应对设计人员进行井控培训，施工人员需穿戴好劳保用品并持证上岗，非本岗位工作人员要限入高压区。
生产设备的管理使用压裂设备前，必须对设备的气控系统、液压系统、吸入排出系统、仪表及执行机构系统、设备故障诊断系统等十个系统进行认真检查，并对仪表进行校正。
井场布置的管理压裂施工的井场布置应严格按高压区、低压区、井口区和辅助区划分，设立好警戒线，非工作人员严禁入内。油井压裂的所有生产设备，必须停放在上风方向，并与井口保持30m距离。
试压工序的管理井口要用钢丝绳固定牢固，高压管汇要安装泄压阀及安全阀。排空试压并保持15min，仔细检查无刺漏后再放空。要确定最高限压压力，现场施工中严禁超压操作，超压时应紧急停车。
施工过程的管理施工过程主要包括：循环、试压、试挤、压裂、支撑剂、替挤、反洗或活动管柱等环节，压裂施工期间应统一现场的操作指挥，必须对施工的设计要求、井下情况、地面设备及各个岗位的技术情况清楚，落实各项安全防范措施。在生产过程中，要保存安全生产的相关资料，主要包括作业人员名册、工作日志、培训记录、事故和险情记录、安全设备维修记录情况等。
安全管理的法规标准油井压裂作业安全管理须遵守SY6443-2000《压裂酸化作业安全规定》等有关的安全管理规定。
3、安全对策
规范人的安全行为
①压裂前召开安全会议，以保证所有的`现场人员都知道压裂施工程序，现场人员都应清楚自己在压裂施工中的职责和在应急情况下的处理措施。对施工现场人数进行统计，在应急情况下的人员逃生路线明确，在实施压裂过程中，暂无施工任务的人员应到指定位置待命。
②员工是油井压裂作业的主体，要从关爱员工生命及保护生产力的角度出发，严格压裂作业从业人员的选择任用。规范安全行为，加强安全教育及操作技能的培训，使其能够按规程、标准上岗操作，减少人为操作失误，降低因不安全行为引起的事故。
③压裂施工过程中，要严格按照操作规程的要求进行，不满足安全要求的井场坚决不能作业。高、低压管汇吊装、压裂车并入管汇、砂罐车倒车等重点工序，必须由专人指挥方能进行，提高操作的准确性及可靠性，有效避免人员伤亡事故的发生。
④要消除工作环境中的有害因素，创造适合人的工作环境，从而减少人失误的可能性。
控制设备设施的不安全状态
①压裂作业生产设施，要根据施工耐压等级，确定油井压裂生产设施和专业设备的选型，抓好设备的运行检查、定期校验、日常维护保养、维修改造、报废处理等环节的管理，杜绝设备带病运行，是确保油井压裂作业安全的重要途径。
②安全检查是监测单位生产作业情况与国家、地方及企业标准不符合程度的过程，是发现危害因素的方法，是安全管理工作的重要内容。通过安全检查，掌握油井压裂生产设备的安全运行状况，确保生产安全。
③严格按标准布置井场压裂设备，配备齐全的消防设施，消除压裂现场的机械设备、化学药剂的潜在危险。
④设备的安全附件要定期校验，不符合安全标准的安全附件要及时更换或修复，以消除作业中的安全隐患。
⑤安全管理部门要依据安全检查及隐患排查结果、隐患评价及隐患分级情况，提出隐患治理计划并组织实施。
抓好安全管理和应急救援工作
①油井压裂作业单位要依据国家有关安全生产的各项法律、法规和标准，结合单位的生产经营实际，制定单位安全生产管理的各项规章制度，要及时修订或完善，并组织员工对新制度进行学习培训。
②压裂作业单位要建立与单位生产和发展相适应的安全生产管理模式，建立健全安全管理网络，并配备好安全工程师，对于改善单位的安全管理、提高单位安全生产保障能力具有良好的作用。
③抓好应急救援工作。事故应急救援能有效降低事故发生后的人员伤亡和财产损失。油井压裂作业单位应建立并不断完善油井压裂作业配套的应急救援预案，强化应急演练，提高处理事故的应急技术，储备充足的应急物资和装备设施。同时，应建立可靠的通信联络与警报系统，加强与兄弟应急救援机构的信息沟通和交流，确保在应急状况下，及时得到救助，避免大的人员伤亡和财产损失。
可以研究水力压裂的新型压裂液对煤层增透卸压的效果。目前煤矿下水力压裂压裂液的研究比较少。