爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)在近水水平井中的應(yīng)用

孫 林, 楊軍偉， 鄒信波， 熊培祺， 陳慶棟

(1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2中國(guó)海洋石油有限公司深圳分公司)

爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)也稱為高能氣體壓裂，是采用火藥或火箭推進(jìn)劑在井筒中燃燒產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)高壓氣體對(duì)地層進(jìn)行壓裂[1-2]。從1986年，延長(zhǎng)七里村1038井進(jìn)行國(guó)內(nèi)第一口爆燃?jí)毫丫畬?shí)驗(yàn)至今，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外底水油藏中規(guī)模化應(yīng)用，控水增油效果顯著[3-8]，它是底水油藏改造中一種行之有效的措施。

目前國(guó)內(nèi)外近水水平井中應(yīng)用爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)的案例相對(duì)較少，因?yàn)楸級(jí)毫岩话闶茄刂淇卓籽鄯较蛐纬?～8條，單條為5～10 m的縫長(zhǎng)[9-10]，而縫高相對(duì)較小，縫高可控制為0.5 m之內(nèi)[6]。國(guó)內(nèi)外主要利用其縫高小、長(zhǎng)縫長(zhǎng)、多裂縫的特點(diǎn)，在直井或大斜度井中的底水油藏中應(yīng)用。

而中國(guó)海上油田陸豐13-1油田α層為中低滲砂巖底水油藏，儲(chǔ)層薄，含水上升快，措施井主要以水平井射孔完井為主，固井質(zhì)量不理想，沿著射孔孔眼距離底水僅為3.0～3.6 m，采用目前的爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)形成的縫長(zhǎng)直接面向水層，無(wú)法利用其“縱向控水”的特點(diǎn)，可能進(jìn)一步損壞固井質(zhì)量。

為解決這一難題，根據(jù)火藥燃燒、壓擋液運(yùn)動(dòng)等相關(guān)理論，修正了爆燃?jí)毫哑饓杭傲芽p延伸模型，結(jié)合陸豐13-1油田α層儲(chǔ)層物性和出水層段距離，優(yōu)選作業(yè)層段，采用大尺寸延時(shí)火藥，合理控制火藥用量，從而控制裂縫縫長(zhǎng)，避免溝通底水。

一、陸豐13-1油田低滲底水油藏特點(diǎn)

陸豐13-1油田位于中國(guó)南海珠江口盆地，主要含油層系珠江組的2 500層油藏為塊狀底水油藏，低滲儲(chǔ)層α層位于2 500油藏頂部，油藏埋藏2 343～2 500 m，它包含SL1～SL4四個(gè)小層，平均砂層厚度7.0 m，小層平均厚度為1.8 m。

α層孔隙度12%～15%，滲透率53.9～154.3 mD。α層以下層位為高孔高滲儲(chǔ)層，由于受底水影響，目前α層主要表現(xiàn)為含水上升快，水淹嚴(yán)重，合采井平均含水79%。α層是典型的低滲底水油藏。

二、爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)在近水 水平井中應(yīng)用難點(diǎn)

(1)水平井射孔孔眼直接面向水層，距離底水僅為3.0～3.6 m。目前技術(shù)在國(guó)內(nèi)外底水油藏中應(yīng)用普遍為直井或大斜度井中，屬于“縱向控水”。而目標(biāo)井陸豐13-1油田的26H和19H井為水平井，爆燃?jí)毫研纬煽p長(zhǎng)將直接沿射孔孔眼方向，距離底水層僅3.0～3.6 m。

(2)水平段較長(zhǎng)，存在潛力段，爆燃?jí)毫研枰x擇性改造。LF13-1油田19H井整個(gè)α層為2 812～2 906 m，而2 906 m以下為主要出水段，二次固井后補(bǔ)孔段為2 818～2 860 m，即SL1～SL3小層，同時(shí)各小層物性存在差別，其中SL2層為潛力段。

(3)水平井固井質(zhì)量不理想，爆燃?jí)毫岩走M(jìn)一步損壞固井質(zhì)量。兩口水平井固井質(zhì)量均不理想，同時(shí)還進(jìn)行過射孔作業(yè)，爆燃?jí)毫岩走M(jìn)一步破壞固井質(zhì)量，沿著井筒方向溝通底水。

三、近水水平井爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)

1.優(yōu)選爆燃?jí)毫咽┕ぞ?/h3>

針對(duì)水平井段較長(zhǎng)，爆燃?jí)毫训倪x擇性改造難題，主要結(jié)合油藏分析，優(yōu)選滲透率低、潛力大、距離底水一定距離的儲(chǔ)層井段進(jìn)行施工。

例如LF13-1油田19H井，由于SL2層、SL3層相對(duì)致密，SL1層相對(duì)疏松更易吸收爆燃?xì)怏w，同時(shí)SL3小層順著井筒和射孔孔段方向距離底水都較近，可動(dòng)油較少，優(yōu)選爆燃?jí)毫讯蜸L2小層中下部，爆燃?jí)毫芽蓜?dòng)用SL2層中部剩余油，同時(shí)利用SL2層頂部鈣層，控制裂縫在SL1層穿透后的延伸長(zhǎng)度，有利于達(dá)到改造增產(chǎn)、避免溝通底水目的。

2.控制峰值壓力和裂縫縫長(zhǎng)技術(shù)

2.1 爆燃?jí)毫哑饓汉土芽p模型

2.1.1 火藥燃燒規(guī)律模型

根據(jù)火藥燃燒方程式(1)，火藥的燃燒速度μ與燃燒系數(shù)w0和外界壓力p的指數(shù)關(guān)系。

(1)

式中：μ—火藥燃燒速度，m/s；e—火藥燃燒厚度，m；w0—燃燒系數(shù)，m/(s·Pan)；p—外界壓力，Pa；n—壓力系數(shù)。

2.1.2 火藥幾何尺寸模型

根據(jù)火藥質(zhì)量和幾何尺寸情況，并結(jié)合式(1)，可得到式(2)。

(2)

式中：m—燃燒掉火藥質(zhì)量，kg；ρn—火藥密度，kg/m3；Vg—燃燒掉火藥體積，m3；l—火藥長(zhǎng)度，m。

2.1.3 壓擋液運(yùn)動(dòng)模型

目前國(guó)內(nèi)通常采用剛體壓擋液運(yùn)動(dòng)模型[11-13]，而壓擋液為可壓縮流體，因此只能計(jì)算壓擋液柱底部向上運(yùn)動(dòng)過程，無(wú)法計(jì)算液柱中壓力分布情況，目前有關(guān)文獻(xiàn)也詳述其它模型[14-15]。根據(jù)牛頓第二定律和材料力學(xué)方程，以微元液體進(jìn)行力學(xué)分析，按照壓力波在液柱中的傳遞過程進(jìn)行推導(dǎo)，可得式(3)、式(4)。

(3)

(4)

初始條件為：

u(x,0)=0

邊界條件為：

式中：E0—水的體積模量，Pa；u(x,t)—壓擋液中微元在x位置處，t時(shí)刻的位移，m；ρ(x,t)—壓擋液中微元在x位置處，t時(shí)刻的密度，kg/m3；ρ0—壓擋液原始密度，kg/m3；λ—摩阻系數(shù)；r—井筒半徑，m。

2.1.4 壓力與時(shí)間關(guān)系模型

(5)

式中：f—火藥力，即單位質(zhì)量的火藥完全燃燒所做的功，J/kg；p—?dú)怏w燃燒腔室壓力，Pa；m—火藥燃燒部分質(zhì)量，kg；ψ—火藥燃燒部分相對(duì)質(zhì)量γ—絕熱系數(shù)；Q—傳熱量，J；S—井筒模截面積，m2；v—液柱運(yùn)動(dòng)速度，m/s；VT—液體進(jìn)入裂縫的體積，m3；pTg—套管外部氣體壓力，Pa；VTg—進(jìn)入裂縫的氣體體積，m3；Vψ—火藥柱燃燒掉的體積，m3；x—液柱向上運(yùn)動(dòng)的距離，m。

2.1.5 裂縫與時(shí)間關(guān)系模型

根據(jù)Griffith理論，巖石一旦起裂，以恒定速度向前延伸，可推導(dǎo)出如下模型：

(6)

(7)

式中：L(t)—裂縫縫長(zhǎng)，m；W(t)—裂縫縫寬，m；ρr—巖石密度，kg/m3；ν—巖石泊松比；E—楊氏模量，Pa；t—作用時(shí)間，s。

結(jié)合上述方程，利用有限差分方法來求解上述微分方程組，以得到具有有限精度的數(shù)值解。

2.2 不同燃速火藥對(duì)峰值壓力影響

以陸豐13-1油田26H井為例，分別采用雙芳-3、NEPE推進(jìn)劑、HTPB推進(jìn)劑三種不同燃速的火藥，假設(shè)上述三種火藥直徑均為69 mm，內(nèi)徑為26 mm，采用用量為20、30、40 kg進(jìn)行模擬，如圖1。

圖1 不同燃速及不同用量火藥與峰值壓力關(guān)系模擬曲線

圖1可知，高燃速的NEPE推進(jìn)劑容易產(chǎn)生高的峰值壓力，從管柱安全和固井質(zhì)量等考慮，優(yōu)選最低燃速的HTPB推進(jìn)劑火藥以降低峰值壓力。

2.3 不同尺寸火藥對(duì)峰值壓力影響

采用用量為30 kg，外徑分別為60 mm、69 mm和85 mm三種尺寸的HTPB推進(jìn)劑火藥進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同尺寸火藥與峰值壓力關(guān)系模擬曲線

由圖2可知，在相同火藥用量情況下，外徑越長(zhǎng)的HTPB火藥峰值壓力相對(duì)越小，為了控制峰值壓力，因此優(yōu)選85 mm外徑的火藥。

2.4 不同火藥用量對(duì)峰值壓力、裂縫縫長(zhǎng)影響

如圖1所示，火藥用量和峰值壓力成正比關(guān)系，控制火藥用量即可控制峰值壓力，由于水平井固井質(zhì)量不理想，盡量采用合適的火藥用量，滿足峰值壓力在1.1倍地層破裂壓力以上，同時(shí)滿足縫長(zhǎng)小于3 m即可。使用外徑為85 mm的HTPB火藥，峰值壓力和裂縫縫長(zhǎng)模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同火藥用量對(duì)峰值壓力、裂縫縫長(zhǎng)關(guān)系模擬曲線

由圖3可知，當(dāng)使用25 kg火藥時(shí)，儲(chǔ)層開始造縫；當(dāng)使用40 kg火藥時(shí)，峰值壓力為54.01 MPa，約為1.2倍地層破裂壓力，也低于目前國(guó)內(nèi)外爆燃?jí)毫逊逯祲毫?.5～2.0倍地層破裂壓力的控制范圍，且裂縫縫長(zhǎng)為2.8 m，低于目前離底水3 m縫長(zhǎng)的控制范圍。

四、應(yīng)用效果

陸豐油田兩口近水水平井爆燃?jí)毫炎鳂I(yè)效果如表1所示，兩口井均達(dá)到控水增油的目的，避免了距離儲(chǔ)層3.0～3.6 m底水的溝通，累計(jì)增油6 000 t，控水增油效果顯著。

表1 LF13-1油田兩口井近水水平井爆燃?jí)毫芽厮鲇托Ч?/p>

注：26H作業(yè)前開采下部SL3-SL5層，SL5是出水層，作業(yè)后生產(chǎn)SL1-SL2層；19H作業(yè)前開采SL1-SL6層和SL8層，作業(yè)后生產(chǎn)SL1-SL3層。

其中26H井爆燃?jí)毫炎鳂I(yè)前，在15.86 MPa壓力下進(jìn)行試擠，排量為0.11 m3/min；第一次爆壓后，15.86 MPa壓力下排量為0.18 m3/min；第二次爆壓后，15.86 MPa壓力下排量為0.21 m3/min。由現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)可以看出，爆燃?jí)毫咽┕ず螅貙赢a(chǎn)生裂縫，通過多次爆燃，裂縫導(dǎo)流能力明顯增強(qiáng)。

同時(shí)，26H作業(yè)前豐產(chǎn)層日產(chǎn)液量1 358 m3，含水率達(dá)99%，豐產(chǎn)層即為目前低滲層下面的底水層，上返補(bǔ)孔低滲層后曾試采，日產(chǎn)液量瞬時(shí)最高11 m3左右，無(wú)法達(dá)到配產(chǎn)要求，爆燃?jí)毫押笕债a(chǎn)液量達(dá)到120 m3，說明沒有溝通下部底水；19H井作業(yè)前多層合采，含水率達(dá)99%，作業(yè)后含水率降至97%，且液量也僅為作業(yè)前的四分之一左右，說明沒有溝通下部的主要出水層，控水增油效果明顯。

五、結(jié)論

(1)針對(duì)爆燃?jí)毫芽厮鲇偷碾y題，突破技術(shù)限制條件，根據(jù)火藥燃燒、壓擋液運(yùn)動(dòng)等相關(guān)理論，修正了爆燃?jí)毫哑饓杭傲芽p延伸模型，結(jié)合陸豐13-1油田α層儲(chǔ)層物性和出水層段距離，優(yōu)選作業(yè)層段，采用延時(shí)-低峰值壓力的爆燃設(shè)計(jì)思路，分析了不同燃速、不同尺寸火藥情況下，峰值壓力和裂縫縫長(zhǎng)，優(yōu)選了大尺寸、合理用量的HTPB推進(jìn)劑火藥，從而控制裂縫縫長(zhǎng)，避免溝通底水。

(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，陸豐油田兩口近水水平井爆燃?jí)毫堰_(dá)到控水增油的目的，成功避免了沿著射孔方向3.0～3.6 m的底水溝通，累計(jì)增油達(dá)6 000 m3，措施效果顯著。