射孔高能氣體壓裂技術(shù)研究及應用

陳華彬，馬自強，艾生軍, 羅苗壯，楊 亮, 何子龍

(1中國石油集團測井有限公司西南分公司 2中石油渤海鉆探工程公司井下作業(yè)分公司 3中石油塔里木油田分公司 4中石油渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司)

一、技術(shù)背景

陸上部分老油田進入產(chǎn)能挖潛階段，或地下能量不足，或薄層有待重新評估利用，另外早期開發(fā)的油氣田下入的套管腐蝕嚴重，強度不足，這些油氣井經(jīng)不起大型的水力壓裂作業(yè)，老井挖潛需要采用一種既能更好地溝通儲層釋放能量又不至于嚴重傷害完井套管的作業(yè)方式，推進低成本戰(zhàn)略開發(fā)，減少大型水力壓裂對腐蝕套管的傷害，解除壓井作業(yè)污染，同時實現(xiàn)小型的壓裂作業(yè)。勘探開發(fā)技術(shù)的進步，低成本作業(yè)成為低油價下的趨勢，部分老油氣田實施裸眼完井、襯管篩管完井，這類油氣井后期不再進行射孔作業(yè)，為了解除鉆井傷害帶，光靠地層能量進行解除難度大，大型壓裂作業(yè)成本高，為此，后續(xù)采用低成本的工藝技術(shù)措施解除傷害，溝通天然裂縫，釋放地層能量。

無論是老油田老井挖潛還是新鉆裸眼井完井，高能氣體壓裂技術(shù)[1-2]能適應上述井況油氣井增效提產(chǎn)作業(yè)，它可以對薄層進行射孔的同時對地層進行高能氣體壓裂，也可以對已經(jīng)打開的儲層進行純粹的高能氣體壓裂，技術(shù)上推進低成本戰(zhàn)略開發(fā)。

射孔高能氣體壓裂技術(shù)是近年來發(fā)展的一種新型增產(chǎn)技術(shù)，針對西北、東北、華北等部分油氣田埋藏深、致密、滲透性差的特點，研究實施固體推進劑、液體藥劑[3]兩種類型的高能炸藥，利用高能炸藥燃燒形成高溫高壓氣體對儲層進行壓裂作業(yè)，為油氣井增產(chǎn)提供了一項有效的技術(shù)手段[4]。

二、高能氣體壓裂工藝原理及特點

固體火箭推進劑是制造高能氣體的一種高能炸藥，是利用聚能射孔彈射流或固體推進劑內(nèi)部的導爆索等爆轟能量點燃，火箭推進劑燃燒產(chǎn)生的幾兆帕到200 MPa(可以通過軟件優(yōu)化設計控制)高能氣體擊穿射孔孔道，制造井段內(nèi)往返壓力脈沖沖刷凈化射孔孔道，在射孔孔眼周圍形成徑向裂縫并延伸，形成小型縫網(wǎng)，起到了小型壓裂的效果，更好溝通儲層天然裂縫，能夠有效降低或減少鉆井(固井)污染，提高油氣井流體的注入和產(chǎn)出能力。高能氣體壓裂效果與固體推進劑燃燒的壓力上升速度、燃燒壓力峰值和壓力的持續(xù)時間有關(guān)。

高能氣體壓裂與射孔、常規(guī)水力壓裂有著本質(zhì)區(qū)別。射孔作用時間為微妙級，常規(guī)水力壓裂作用時間為分鐘級，而高能氣體壓裂作用時間介于兩者之間為毫秒級(見圖1)。

圖1 三種不同工藝作業(yè)作用的壓力-時間曲線

固體推進劑分為外套式和下掛式。外套式是套在射孔槍外，推進劑內(nèi)徑與射孔槍外徑匹配，針對油氣井地層射孔的同時進行高能氣體壓裂，可以在射孔孔道形成徑向裂縫并延伸；下掛式是針對射過孔或者篩管完井的油氣井進行高能氣體壓裂，由圓柱形推進劑模塊組成，中間有鋼管支撐，內(nèi)穿導爆索。

外套式固體推進劑特點：

(1)性能穩(wěn)定，可以與任何井液接觸而不發(fā)生反應。

(2)炸藥的耐溫高，達到180℃/48 h。

(3)它套在射孔槍管外，利用聚能射孔彈射流點燃，下井裝藥量大，特別適合于老井、裸眼和襯管完井，可以實現(xiàn)大跨度多井段射孔高能氣體壓裂，配套了專用的裂縫制造模擬軟件。

(4)射孔的同時，產(chǎn)生高能氣體對射孔產(chǎn)層進行壓裂作業(yè)。

(5)可以在直井、大斜度井、水平井中進行TCP傳輸射孔作業(yè)。

下掛式固體推進劑特點：

(1)性能穩(wěn)定，可以與任何井液接觸而不發(fā)生反應，甲醇除外。

(2)炸藥的耐溫級別有170℃和120℃。

(3)下井裝藥量大，配套專用的射孔套管連接，中心有起爆系統(tǒng)，利用導爆索(藥量：40 g)引爆氧化劑，形成高能氣體，中心起爆系統(tǒng)有粉碎型和保留型兩種。

(4)作用目標為裸眼層段或者套管射過孔、襯管完井的油氣井、注水井。

(5)用于直井，可以進行電纜或油管輸送作業(yè)。

液體炸藥是制造高能氣體的另外一種高能炸藥，呈現(xiàn)類液態(tài)，是利用單發(fā)聚能射孔彈軸向向下的射流點燃，液體藥劑燃燒產(chǎn)生的高能氣體透過篩管進入井筒，壓裂地層形成徑向多裂縫體系，更好地溝通天然裂縫，起到了小型壓裂的效果，提高地層導流能力，能夠降低鉆井傷害，達到增產(chǎn)增注的目的。

液體炸藥是裝在一個可燃的筒體內(nèi)，然后整體放置于打孔的篩管里，利用軸向下射的射孔彈射流點燃，產(chǎn)生高能氣體經(jīng)過篩孔，進而壓裂地層。

液體炸藥特點：

(1)性能穩(wěn)定，可以與任何井液接觸而不發(fā)生反應。

(2)炸藥的耐溫級別較固體推進劑低。

(3)它掛在專用的射孔工具下，射孔彈射流引燃，射流不傷套管，形成高能氣體經(jīng)過篩管進而作用于地層，能量會產(chǎn)生衰減。

(4)作用目標為射過孔或者襯管完井的油氣井。

(5)用于直井，可以進行電纜或油管輸送作業(yè)。

1.套管射孔與高能氣體壓裂

StimGun[5-6]是外套式固體火箭推進劑中應用最為廣泛，在國內(nèi)塔里木油田、塔河油田、冀東油田等得到了廣泛應用。

它配套PulsFrac專用模擬裂縫的工程軟件[7]，軟件全面考慮地質(zhì)、工程、射孔等參數(shù)，通過模擬可以評估管柱力學情況以及井筒壓力變化，最為關(guān)鍵的是，通過PulsFrac優(yōu)化參數(shù)，StimGun可以連接封隔器進行射孔測試、射孔酸化等聯(lián)合作業(yè)，氣體壓裂安全而高效。

該工藝技術(shù)是對套管井進行打開形成流動通道的同時，產(chǎn)生的高能氣體[8]直接對射孔產(chǎn)層進行增產(chǎn)措施，制造并延伸裂縫，突破井周傷害，是一項小型的氣體壓裂作業(yè)，也可以用作致密儲層的壓裂預處理。

2.純高能氣體壓裂工藝技術(shù)

應用導爆索或軸向向下的射流點燃炸藥形成高能氣體，該高能氣體壓裂技術(shù)主要針對已經(jīng)射孔過的老井挖潛或裸眼完井的油氣井，可通過電纜、油管等方式將固體推進劑或液體炸藥輸送到挖潛段或裸眼段，引爆產(chǎn)生的高能氣體直接作用于儲層，制造儲層的裂縫體系，突破裸眼井段的鉆井傷害帶，解除修井帶來的傷害，也可以降低對老井套管的破壞。

3.高能氣體壓裂工藝與管柱設計

套管井射孔與高能氣體壓裂作業(yè)的輸送方式分為電纜輸送、油管輸送兩種，管柱設計可分為電纜傳輸管柱和油管傳輸管柱，油管輸送可分為光油管管柱與封隔器聯(lián)作管柱，油管傳輸可以應用于直井、大斜度井、水平井，但進行此項高能氣體壓裂需要專用軟件進行優(yōu)化模擬。

對于裸眼層段或已經(jīng)射過孔的油氣井、注水井，無需進行射孔作業(yè)，只能采用下掛式固體推進劑方式的高能氣體壓裂，輸送方式可以為電纜、油管，電纜輸送固體推進劑主要應用于直井，油管輸送固體推進劑可以應用于直井、大斜度井、水平井。

三、現(xiàn)場應用

在塔里木油田、冀東油田、長慶油田、塔河油田等實施油氣井挖潛，開展低成本射孔高能氣體壓裂技術(shù)作業(yè)，進行了上百口井的現(xiàn)場應用，無論是固體炸藥還是液體炸藥，現(xiàn)場應用均表現(xiàn)出良好的作業(yè)效果，起到了小型壓裂作業(yè)制造儲層微縫網(wǎng)溝通天然裂縫的目的，降低了地層起裂壓力，保護了油氣井套管。

案例一：X2-S22-19H井是塔里木油田的一口水平井，該井對原來未動用的薄層、差油層進行射孔作業(yè)，且動用層位是雙層套管固封，設計采用先鋒射孔彈技術(shù)和外套式固體推進劑相結(jié)合的StimGun射孔工藝技術(shù)，先鋒射孔彈穿透雙層套管，固體推進劑形成高能氣體對儲層進行壓裂作業(yè)。該井井斜度91.7°，井內(nèi)溫度118℃，?127 mm尾管完井，射孔井深5 031 m,垂深4 668 m，射孔厚度30 m，優(yōu)化設計應用固體推進劑18 m，模擬儲層裂縫長度2 m，應用StimGun水平井專用射孔器材，進行油管輸送壓力開孔延時起爆射孔作業(yè)。射孔后，固體推進劑燃燒充分并對射孔段進行壓裂作業(yè)，整個槍串成功起出地面，老井套管沒有因高能氣體壓裂作用而損壞。國內(nèi)第一次完成?127 mm小套管水平井StimGun射孔，施工后井筒完整，為老油田水平井挖潛提供一條技術(shù)途徑。

案例二：X13井為大慶油田的一口開發(fā)老井，開發(fā)中期日產(chǎn)氣13×104m3，開發(fā)過程中因進行多次處理工程復雜的作業(yè)，最后導致該井天然氣停產(chǎn)，之后進行了氣舉負壓作業(yè)、酸化解堵作業(yè)等多種措施均無見效。鑒于高能氣體壓裂技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，推薦應用StimGun射孔，把油氣井地質(zhì)、工程、井筒及射孔參數(shù)等輸入PulsFrac軟件進行優(yōu)化設計，模擬獲得2.5～3.6 m不等的裂縫長度。設計先鋒射孔彈技術(shù)、負壓射孔技術(shù)、高能氣體壓裂技術(shù)三結(jié)合，射孔高能氣體壓裂作業(yè)后成功解堵油氣井，措施后初期恢復了油氣井日產(chǎn)氣量5×104m3的產(chǎn)能，實現(xiàn)了老井挖潛作業(yè)，技術(shù)優(yōu)勢非常明顯。

案例三：下掛式固體推進劑的純高能氣體壓裂技術(shù)在中國石油長慶油田注水井X205-33井進行了現(xiàn)場應用，設計下掛式固體推進劑藥量燃燒升壓時間約5 ms內(nèi)，持續(xù)時間約600 ms，模擬計算燃燒峰值壓力為90 MPa。采用電纜輸送方式將下掛式固體推進劑送達目的層位，地面絞車供電引爆電雷管，進而爆轟導爆索而引爆固體推進劑，形成高能氣體對儲層進行壓裂作業(yè)。實施高能氣體壓裂后，進行的吸水剖面測井作業(yè)，顯示吸水厚度增加明顯，達到措施前的2倍，增加注水效果較好。

下掛式液體炸藥的純高能氣體壓裂技術(shù)在國內(nèi)正進行技術(shù)攻關(guān)，利用豎直下射的射孔彈裝配方式，射孔彈產(chǎn)生軸向向下的射流將炸藥引爆，產(chǎn)生高能氣體經(jīng)過篩管對裸眼地層進行氣體壓裂作業(yè)，投入試驗應用并取得階段性成果，實現(xiàn)了在井溫小于70℃、井深小于2 000 m的淺層低溫井內(nèi)先導試驗，為液體炸藥層間壓裂提供了有效途徑。

四、結(jié)論與建議

(1)高能氣體壓裂技術(shù)在老井挖潛、注水井等低成本開發(fā)的戰(zhàn)略井具有良好的應用前景，技術(shù)效果也比較明顯。

(2)高能氣體壓裂技術(shù)使用的炸藥形式多樣，輸送方式多樣，工藝形式多樣。

(3)高能氣體壓裂的對象直接為壓裂儲層，高能氣體注入量大。

(4)工藝適用井型多樣，可在直井、大斜度井、水平井中作業(yè)。