國(guó)內(nèi)外高能氣體壓裂技術(shù)的運(yùn)用概況及獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

蔣林宏，王敉邦，張　梅（中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京　102249）

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國(guó)內(nèi)外高能氣體壓裂技術(shù)的運(yùn)用概況及獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

蔣林宏，王敉邦，張梅
（中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249）

摘要：高能氣體壓裂技術(shù)經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展取得了巨大進(jìn)展，雖然在作用機(jī)理和測(cè)試手段方面研究還存在不足，但在國(guó)內(nèi)外各類(lèi)型油田中得到了大量應(yīng)用并取得了很多經(jīng)驗(yàn)，具備了單獨(dú)施工、與射孔或酸化聯(lián)作施工等多種運(yùn)用形式。本文論述了高能氣體壓裂技術(shù)的發(fā)展歷程和運(yùn)用情況，列舉了高能氣體壓裂技術(shù)在國(guó)內(nèi)外陸地常規(guī)油田以及深井、氣井、近水儲(chǔ)層和海上油田的運(yùn)用實(shí)例，分析了高能氣體壓裂技術(shù)在不同條件下取得成功的原因?；诟吣軞怏w壓裂技術(shù)施工成本低、形成的裂縫長(zhǎng)度適中、對(duì)儲(chǔ)層幾乎無(wú)污染的特點(diǎn)，指出了高能氣體壓裂技術(shù)在我國(guó)深井、近水儲(chǔ)層和海上油田儲(chǔ)層改造中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛的運(yùn)用前景，應(yīng)該在我國(guó)西部、西南和海上油田進(jìn)行大力推廣。

關(guān)鍵詞：高能氣體壓裂；發(fā)展歷程；運(yùn)用情況；獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；前景

高能氣體壓裂是一種利用火（炸）藥在短時(shí)間內(nèi)燃燒產(chǎn)生的沖擊波和高溫高壓氣體來(lái)壓裂地層，從而改善井筒附近地層滲流能力的技術(shù)。高能氣體壓裂技術(shù)在深井、近水儲(chǔ)層和海上油田使用具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但地下情況的復(fù)雜及測(cè)試手段的限制使得其在機(jī)理研究方面還非常欠缺，這一缺點(diǎn)制約了其進(jìn)一步推廣[1-6]。盡管如此，該技術(shù)的施工工藝已經(jīng)很成熟并且在國(guó)內(nèi)外各個(gè)種類(lèi)的油藏和井型中有廣泛運(yùn)用。面對(duì)當(dāng)前低油價(jià)的形勢(shì)，低成本的高能氣體壓裂技術(shù)與水力壓裂相比展現(xiàn)出了更大的優(yōu)勢(shì)，具有很好的運(yùn)用前景。所以了解該技術(shù)在不同地區(qū)、不同井型中的運(yùn)用情況和優(yōu)勢(shì)對(duì)其研究、運(yùn)用和市場(chǎng)把握都有重要意義。

1　發(fā)展歷程簡(jiǎn)述

高能氣體壓裂技術(shù)最早于19世紀(jì)60年代出現(xiàn)在美國(guó)，后來(lái)以美國(guó)和前蘇聯(lián)兩個(gè)國(guó)家為中心，向全世界擴(kuò)散。最開(kāi)始技術(shù)人員采用TNT等猛炸藥對(duì)儲(chǔ)層實(shí)施爆炸壓裂，但因爆炸對(duì)井筒和地層的破壞太大而逐漸被淘汰，取而代之的是使用硝化棉等火（炸）藥的爆燃來(lái)實(shí)施高能氣體壓裂[7]。近年來(lái)還出現(xiàn)了濃稠硝基甲烷炸藥、液體推進(jìn)劑等一系列爆燃更穩(wěn)定、更加安全、更高效的高能火藥[8，9]。在施工形式上從以往的推進(jìn)劑單獨(dú)施工，發(fā)展到了目前的高能氣體壓裂與射孔復(fù)合技術(shù)、高能氣體壓裂與水力及酸化復(fù)合技術(shù)、“爆炸松動(dòng)”增產(chǎn)技術(shù)、液體藥高能氣體壓裂技術(shù)和袖套式復(fù)合射孔壓裂技術(shù)等[10]，不同的技術(shù)能夠適應(yīng)不同的油藏類(lèi)型和井型，為高能氣體壓裂的推廣提供了強(qiáng)大動(dòng)力。

我國(guó)在此方面的研究與應(yīng)用工作稍晚于美國(guó)，自1985年西安石油學(xué)院與西安近代化學(xué)所在國(guó)內(nèi)開(kāi)展高能氣體壓裂的研究與推廣以來(lái)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展出一項(xiàng)基本成熟的、在各油田應(yīng)用中取得了良好經(jīng)濟(jì)效益的、正在向綜合性壓裂發(fā)展的油氣層改造增產(chǎn)新技術(shù)。無(wú)殼彈高能氣體壓裂技術(shù)在全國(guó)各油田均得到了推廣應(yīng)用，近年來(lái)高能氣體壓裂單獨(dú)使用已經(jīng)很少[11]，而與射孔、水力壓裂和酸化的聯(lián)作技術(shù)，在各個(gè)油田都得到了較普遍的推廣。目前高能氣體壓裂技術(shù)在我國(guó)的運(yùn)用已經(jīng)擴(kuò)展到了深井和海上油氣井。

2　高能氣體壓裂國(guó)內(nèi)外運(yùn)用現(xiàn)狀

2.1國(guó)外運(yùn)用情況

有文獻(xiàn)指出，截止2012年，美國(guó)、加拿大、俄羅斯、歐洲、非洲、拉丁美洲和中東地區(qū)的高能氣體壓裂施工井?dāng)?shù)有8 000多口，運(yùn)用井型也包含了油井、氣井、注水井甚至煤層氣井[12，13]，儲(chǔ)層類(lèi)型包含從低滲到高滲的砂巖、頁(yè)巖和灰?guī)r等[14]。國(guó)外一般都將高能氣體壓裂與射孔聯(lián)作，用做水力壓裂之前采取的降低井筒周?chē)鷫毫p失的輔助措施[15]，或者是礫石充填井的解堵等[16]。裝藥方式大多為槍外裝藥（袖套式藥柱），用該裝藥方式的主要原因是能夠在確保射孔槍能夠裝載足夠多射孔彈的同時(shí)保證推進(jìn)劑的量足夠大[17，18]，而且可以減小射孔對(duì)地層的污染[19]，部分地區(qū)的運(yùn)用效果（見(jiàn)表1）。

由表1可以看出，高能氣體壓裂在各個(gè)地區(qū)的各類(lèi)型井都有成功的運(yùn)用案例。更多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，以復(fù)合射孔為主的高能氣體壓裂技術(shù)在國(guó)外約四分之三的運(yùn)用集中在美國(guó)、加拿大和中東地區(qū)[20，21]。筆者認(rèn)為如此廣泛的運(yùn)用主要?dú)w功于該技術(shù)不受場(chǎng)地限制，施工簡(jiǎn)單，設(shè)備投入少，作業(yè)時(shí)間短，無(wú)需支撐劑，成本低廉的優(yōu)勢(shì)。而在重油油藏中的運(yùn)用之所以能夠取得良好的效果，歸功于火（炸）藥爆燃產(chǎn)生的高溫高壓氣體和儲(chǔ)層發(fā)生物理、化學(xué)作用，在壓開(kāi)地層的同時(shí)可以進(jìn)一步改善儲(chǔ)層流體性質(zhì)、對(duì)儲(chǔ)層污染很小。

表1　國(guó)外部分代表地區(qū)運(yùn)用效果

2.2國(guó)內(nèi)運(yùn)用情況

2.2.1陸地油田淺井、中深井應(yīng)用情況高能氣體壓裂技術(shù)在國(guó)內(nèi)大慶、長(zhǎng)慶等陸地油田上萬(wàn)口井中進(jìn)行了應(yīng)用，且運(yùn)用的大多數(shù)井都屬于淺井和中深井。例如近三年，該技術(shù)已在長(zhǎng)慶油田、延長(zhǎng)油田、吉林油田服務(wù)1 000余井次，大多都取得了明顯的效果，有效率達(dá)到80 %以上。濮城油田5口井的施工實(shí)施結(jié)果表明：?jiǎn)尉霎a(chǎn)倍數(shù)為2.1，成功率為80 %；寶浪油田12口井的工藝一次成功率100 %，有效率85 %，增產(chǎn)幅度1～3倍，有效期3個(gè)月左右，其中注水井實(shí)施該技術(shù)壓裂后比解堵之前增注平均30 %以上，油井解堵效果平均為12 %[22，23]。

2.2.2深井應(yīng)用情況目前國(guó)內(nèi)高能氣體壓裂施工在深井中的施工比較少，但隨著我國(guó)陸上油田逐步向低滲、深部?jī)?chǔ)層進(jìn)軍，研究和優(yōu)化深井高能氣體壓裂技術(shù)具有十分廣泛的前途，深井中運(yùn)用實(shí)例也具備重要的參考價(jià)值。部分深井運(yùn)用實(shí)例（見(jiàn)表2）。

表2　國(guó)內(nèi)部分深井高能氣體壓裂實(shí)施情況

從表2不難看出，高能氣體壓裂技術(shù)在深井中的運(yùn)用依然可以達(dá)到較好的效果，而統(tǒng)計(jì)表明我國(guó)的深井大多都位于西北、西南、新疆等自然環(huán)境惡劣、交通不便、缺水的地區(qū)。在這樣的條件下，該技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單、不用支撐劑、液體用量少的特點(diǎn)能夠大大減少起、下管柱次數(shù)和運(yùn)輸成本，在我國(guó)深井中的運(yùn)用能夠體現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)。

2.2.3近水儲(chǔ)層改造爆燃?jí)毫褢?yīng)用情況由于高能氣體壓裂產(chǎn)生的裂縫條數(shù)多，長(zhǎng)度延伸有限，其在近水儲(chǔ)層改造方面有巨大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)際運(yùn)用中也取得了很好的效果。例如，長(zhǎng)慶底水油層油藏具有邊底水活躍，天然能量充足的特點(diǎn)，而2000年5月對(duì)長(zhǎng)慶吳起油田20口底水油帽油層油井進(jìn)行爆燃?jí)毫言囼?yàn)，施工成功率100 %。隨后該技術(shù)在勝利山、寨子河、鐵邊城、長(zhǎng)官?gòu)R等油區(qū)推廣，截止2008年底累計(jì)施工1 238井次，工藝成功率95 %。2009年在長(zhǎng)慶油田的Y8，長(zhǎng)3，長(zhǎng)2，長(zhǎng)9層底水油藏共實(shí)施爆燃32井次，其中探井12井次，生產(chǎn)井20井次，最高產(chǎn)液53.29 m3/d，最高產(chǎn)油量14.3 m3/d，控制底水有效率81.25 %，見(jiàn)效率93.75 %。同時(shí)爆燃?jí)毫言陔]東地區(qū)的底水油藏進(jìn)行了14口井的應(yīng)用試驗(yàn)，有效率達(dá)78.6 %。部分地區(qū)控制底水措施情況（見(jiàn)表3）。

表3　隴東地區(qū)的底水油藏爆燃?jí)毫咽┕で闆r

由表3可以看出，不同于水力壓裂，高能氣體壓裂技術(shù)在近水儲(chǔ)層中的使用在提高產(chǎn)液量的同時(shí)并沒(méi)有使含水量猛增，這歸功于高溫高壓氣體適當(dāng)?shù)淖饔梅秶?。?jù)統(tǒng)計(jì)，高能氣體壓裂產(chǎn)生的輻射狀裂縫的長(zhǎng)度絕大多數(shù)在十米以內(nèi)，這些裂縫在大大提高地層滲流能力的同時(shí)又不會(huì)溝通水層，而水力壓裂產(chǎn)生的長(zhǎng)裂縫很容易溝通水層，使得油井被水淹。所以，高能氣體壓裂技術(shù)在近水儲(chǔ)層改造方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和寬廣的運(yùn)用前景。

2.2.4氣井中應(yīng)用情況國(guó)內(nèi)高能氣體壓裂在氣井中應(yīng)用較少，機(jī)理研究也相對(duì)較弱，但我國(guó)具有豐富的天然氣資源，研究和優(yōu)化氣井高能氣體壓裂技術(shù)具有重要意義。目前在吉林油田、中原油田和川南、川西油田中有氣井的應(yīng)用[24]，尤其是在四川取得了良好的效果，四川部分地區(qū)應(yīng)用情況（見(jiàn)表4）。

由表4可以看出，使用的火藥量比較大，原因是四川氣井都是3 000多米的中深井，儲(chǔ)層物性較好，火藥用量太少的話產(chǎn)生的高溫高壓氣體會(huì)被底層吸收，大大降低其壓裂底層和解堵的能力。其次產(chǎn)氣層的物性大多比油層的差，容易被堵塞，而高溫高壓氣體處理地層后不會(huì)留下殘?jiān)?、不用支撐劑的特性可以避免堵塞氣層?/p>

表4　國(guó)內(nèi)部分氣井爆燃?jí)毫褜?shí)施情況

2.2.5海上應(yīng)用情況與陸地油田相比，高能氣體壓裂技術(shù)在海上油田的使用在國(guó)內(nèi)非常少，主要是出于運(yùn)輸和平臺(tái)施工安全方面的考慮。然而水力壓裂也并沒(méi)有在海上油田得到廣泛的使用，主要原因是海上水力壓裂的成本比陸地上高得多，而隨著施工技術(shù)和火藥配方的改進(jìn)，高能氣體壓裂技術(shù)的安全性大大提升，這使得該技術(shù)在海上擁有廣闊的運(yùn)用成為可能，也就決定了高能氣體壓裂在海上油田具備很大的成本優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，高能氣體壓裂技術(shù)在中國(guó)海上油田已成功應(yīng)用兩井次，2014年5月12日，在南海東部某油田A井進(jìn)行首次高能氣體壓裂作業(yè)；2015年4月28日到29日，該油田B井也進(jìn)行了高能氣體壓裂作業(yè)。其中A井施工后產(chǎn)液量由0提高到了67桶/天，B井產(chǎn)液量由410桶/天提升到了1 115桶/天。

3　小結(jié)

（1）雖然高能氣體壓裂技術(shù)的作用機(jī)理和測(cè)試手段研究還存在一些不足，但其在國(guó)內(nèi)外各類(lèi)油田的各種井型中都已經(jīng)有了廣泛運(yùn)用并且取得了很好的效果。

（2）目前高能氣體壓裂大多與射孔，酸化等措施復(fù)合施工，采用的壓裂藥劑安全性也有了較大的保障。

（3）在國(guó)內(nèi)該技術(shù)因具備施工簡(jiǎn)單，成本低廉，產(chǎn)生裂縫分布有效而且長(zhǎng)度較短的特征，在深井，近水儲(chǔ)層，海上油田和偏遠(yuǎn)地區(qū)油田中的使用展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有寬廣的運(yùn)用前景。

（4）因其不用支撐劑、對(duì)地層幾乎無(wú)污染的特征在氣井和敏感性較強(qiáng)儲(chǔ)層中的運(yùn)用取得了良好的效果，也有很大的運(yùn)用空間。總體而言，高能氣體壓裂的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)能夠彌補(bǔ)很多水力壓裂的缺陷，尤其是在上述幾種特殊的儲(chǔ)層和井型中，使用高能氣體壓裂可以取得很好的效果，是一種值得深入研究、值得大力推廣（尤其是在西部、西南和海上油田）的增產(chǎn)技術(shù)。

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Application and advantages of high energy gas fracturing at home and abroad

JIANG Linhong，WANG Mibang，ZHANG Mei
（China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

Abstract :During more than one hundred years' development，high energy gas fracturing （HEGF）has achieved great progress.Although there are still weaknesses on the research of HEGF's mechanism and methods of measurement, much field experience have been deposited and application methods such as single use,compound use with perforation and compound use with acidizing are accumulated.This paper discusses HEGF's historical development and overall application status, gives examples of HEGF's application in conventional onshore wells, deep wells, gas wells，near-water reservoirs and offshore fields at home and abroad, analyzes the reasons of success in diverse situations.Pointed out HEGF's unique advantages and broad prospect of application in deep wells, near-water reservoirs and off-shore fields based on HEGF's advantages of low cost, proper fracture length and nearly no pollution to reservoirs.Thus HEGF should be greatly generalized especially in the west,south west and offshore oil fields.

Key words：high energy gas fracturing；historical development；application status；unique advantages；prospect

作者簡(jiǎn)介：蔣林宏，男（1991-），中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士，現(xiàn)從事油氣田開(kāi)發(fā)理論與施工工藝方面的研究工作，郵箱：linhongjiang@yeah.net。

*收稿日期：2016－01-12

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.002

中圖分類(lèi)號(hào)：TE357.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5285（2016）03-0006-05