可控沖擊波增滲解堵技術(shù)實驗研究

王巧智 蘇延輝 江 安 鄭春峰 高 波 張云飛

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 300450

0 前言

在鉆井完井、采油采氣、注水、增產(chǎn)、修井及提高采收率等各種作業(yè)時,油水井受外來工作液侵入影響,破壞儲層原有的物理化學(xué)平衡狀態(tài),致使油氣層損害,表現(xiàn)為滲透率下降[1]。針對近井地帶損害,渤海油田常采用基質(zhì)酸化和化學(xué)藥劑解堵,但存在解堵有效期短,儲層二次損害等問題[2-5];針對遠(yuǎn)井地帶損害,常采用酸壓及水力壓裂解堵,但存在施工成本高、施工工藝復(fù)雜等問題[6-7]。可控沖擊波技術(shù)作為一種新興物理法儲層改造技術(shù),具備工藝簡單、增滲效果顯著等特點,已在陸地油氣田增滲以及煤礦瓦斯防治領(lǐng)域少量應(yīng)用,效果良好[8-9]。但該技術(shù)在海上油田應(yīng)用極少,且應(yīng)用的可行性未能得到系統(tǒng)論證。以往學(xué)者研究關(guān)注的重點是可控沖擊波理論研究以及現(xiàn)場應(yīng)用效果[10-14],鮮有學(xué)者在現(xiàn)場應(yīng)用之前系統(tǒng)實驗評價可控沖擊波增滲及解堵效果。本文針對海上特殊的應(yīng)用環(huán)境,結(jié)合可控沖擊波產(chǎn)生機理,搭建了可控沖擊波產(chǎn)生平臺,實驗評價可控沖擊波對井筒及巖心尺度樣品的增滲及解堵效果,討論了可控沖擊波技術(shù)增滲及解堵機理,為現(xiàn)場應(yīng)用提供理論支撐。

1 可控沖擊波產(chǎn)生機理及實驗裝置

1.1 可控沖擊波產(chǎn)生機理

沖擊波改造儲層技術(shù)的基礎(chǔ)是脈沖功率技術(shù),利用脈沖將能量的釋放時間盡可能縮短,在短時間內(nèi)獲得大功率的能量。目前,脈沖沖擊波的產(chǎn)生原理有兩種:一種是電脈沖技術(shù)[15-18],它通過液電反應(yīng)將設(shè)備儲存的電能轉(zhuǎn)換為機械能沖擊波,但其受能量轉(zhuǎn)化效率低、電能儲能密度低的影響,僅能在一定程度疏通近井地帶滲流通道;另一種是可控沖擊波技術(shù)[19-21],其特點為在電脈沖技術(shù)上附加了化學(xué)能,即在金屬絲周圍包裹含能材料,形成聚能棒,液電反應(yīng)使得金屬絲爆炸,進而驅(qū)動含能材料釋放能量,可控沖擊波電熱化學(xué)聚能結(jié)構(gòu)見圖1。在驅(qū)動過程中,通過優(yōu)化聚能棒的參數(shù),可控地產(chǎn)生參數(shù)可調(diào)的沖擊波來大幅度提高電沖擊波的沖擊脈寬與沖擊峰值,起到改造儲層的效果。

圖1 可控沖擊波電熱化學(xué)聚能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of controllable shockwave electrothermalchemical energy accumulation

1.2 可控沖擊波室內(nèi)模擬實驗裝置

受西安交通大學(xué)張永民教授團隊成果啟發(fā)[15,18,22],本文設(shè)計了可控沖擊波產(chǎn)生室內(nèi)實驗裝置。實驗裝置主要包括控制系統(tǒng)、脈沖電容器、開關(guān)、電纜和沖擊波產(chǎn)生器,見圖2。其工作原理為:控制系統(tǒng)為脈沖電容器充電,當(dāng)脈沖電容器的儲能達(dá)到預(yù)設(shè)定值時,觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通,將存儲在脈沖電容器的能量通過電纜進行快速釋放,產(chǎn)生20～100 kA的強電流流過負(fù)載,驅(qū)動負(fù)載電爆炸產(chǎn)生強沖擊波致裂樣品。本文所有實驗充電電壓設(shè)定為24 kV,系統(tǒng)初始儲能為30 kJ,該模式下產(chǎn)生沖擊波可以滿足渤海油田儲層致裂要求[11]。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2 可控沖擊波增滲實驗評價

2.1 井筒尺度

2.1.1 實驗樣品

為模擬海上真實的儲層條件,將水泥、水、骨料、無機納米硅粉和粉煤灰按一定比例制成,養(yǎng)護28 d,制成井筒尺度(直徑1.0 m、高度1.0 m)的樣品,樣品的巖石力學(xué)性質(zhì)與渤海某油田的巖石力學(xué)性質(zhì)相似。為模擬海上實際的工藝條件,在樣品中間鉆深600 mm、直徑244.5 mm的孔,固定外徑244.5 mm的套管,模擬套管射孔完井,見表1～2和圖3。

表1 井筒尺度樣品制作配方表

表2 井筒尺度樣品巖石力學(xué)性質(zhì)表

a)澆鑄模具a)Casting mould

2.1.2 實驗方法

1)安裝模擬防噴器,將實驗裝置下入模擬套管射孔完井的樣品內(nèi)。

2)實驗裝置安裝至合適位置后,向套管內(nèi)注滿水,固定實驗裝置與套管頂部。

3)連接控制系統(tǒng),進行實驗。

4)一次沖擊完成后,取出實驗裝置,更換聚能棒,再重復(fù)步驟1)～3),直到?jīng)_擊次數(shù)達(dá)到7次。

5)實驗過程中記錄每一次沖擊后樣品裂縫生成情況。

2.1.3 實驗結(jié)果

如圖4所示,放電電壓控制在24 kV的條件下,樣品累計沖擊7次。沖擊1次時,在樣品上表面開始萌生一條微裂縫;沖擊5次時,該微裂縫以套管為起點向樣品側(cè)表面延伸,裂縫寬度增加;沖擊7次時,該條裂縫的縫寬繼續(xù)增加,并向巖樣的側(cè)表面繼續(xù)延伸直至貫穿樣品,最終形成一條宏觀裂縫,樣品滲透率顯著提升。

a)沖擊1次a)Impact once

2.2 小巖心尺度

2.2.1 實驗樣品

實驗選取渤海油田天然巖心2塊,巖心參數(shù)及增滲實驗計劃見表3。

表3 小巖心柱尺度樣品參數(shù)及增滲實驗計劃表

2.2.2 實驗方法

依然選用可控沖擊波增滲解堵室內(nèi)模擬實驗裝置作為脈沖驅(qū)動源,區(qū)別在于加工了裝載25 mm直徑小巖心柱的實驗工裝,代替圖2中的樣品—套管組合,小巖心實驗工裝組合及沖擊波作用方式見圖5。

圖5 小巖心柱實驗工裝組合及沖擊波作用方式圖Fig.5 Small core column experimental tooling combinationand shockwave action mode

實驗步驟如下。

1)測量巖心初始液測滲透率。

2)將巖心裝入工裝,對巖心施加5 MPa圍壓。

3)將工裝放于水罐內(nèi),連接控制系統(tǒng),進行沖擊波增滲實驗,沖擊次數(shù)7次。

4)將巖心從工裝內(nèi)取出,對比沖擊前后的巖心形貌,測量巖心液測滲透率,評價沖擊波增滲效果。

2.2.3 實驗結(jié)果

實驗現(xiàn)象見圖6,1-1號巖心沖擊7次后,觀察到小巖心柱樣品端面受損掉塊,沖擊波作用后的氣測滲透率由652.1×10-3μm2提升至739.0×10-3μm2,滲透率增幅13.3%;1-2號巖心沖擊7次后,觀察到小巖心柱樣品除端面受損掉塊外,還產(chǎn)生了一條非貫穿宏觀裂縫,沖擊波作用后的氣測滲透率由579.6×10-3μm2提升至915.4×10-3μm2,滲透率增幅57.9%。

a)1-1沖擊前a)1-1 before impact

3 可控沖擊波解堵實驗評價

增滲實驗重點體現(xiàn)沖擊波的致裂作用,裂縫的產(chǎn)生增加油氣滲流空間,大幅度提升儲層滲透率。而解堵實驗側(cè)重于體現(xiàn)沖擊波的沖擊效應(yīng),沖擊波不僅可以致裂儲層,理論上還可以驅(qū)除地層堵塞物,發(fā)揮解堵作用,提高滲透率。

3.1 實驗樣品

由于很難模擬井筒尺度樣品的堵塞行為,因此實驗選取渤海油田天然小巖心6塊,開展小巖心尺度樣品解堵實驗評價。巖心參數(shù)及解堵實驗計劃見表4。為模擬渤海油田常見的固相侵入、無機垢堵塞及聚合物吸附滯留損害,人為地對巖心制造損害,處理方式如下。

1)固相侵入:選用高嶺土溶液作為固相侵入損害體系,體系濃度200 mg/L,巖心驅(qū)替該溶液10 PV,使巖心內(nèi)部產(chǎn)生固相侵入堵塞。

表4 小巖心尺度樣品參數(shù)及解堵實驗計劃表

2)無機垢堵塞:模擬地層溫度壓力條件,使用抽真空飽和法飽和碳酸鈉和氯化鈣混合溶液,飽和時間4 h,使巖心內(nèi)部產(chǎn)生無機垢堵塞。

3)聚合物吸附滯留:選用渤海某油田現(xiàn)場聚合物作為吸附滯留損害體系,體系濃度1 200 mg/L,巖心驅(qū)替該溶液10 PV,使巖心內(nèi)部產(chǎn)生聚合物吸附滯留堵塞。

3.2 實驗方法

參考小巖心尺度增滲實驗方法,小巖心在工裝內(nèi)完成7次沖擊后,重點對比損害前、損害后、沖擊后三種狀態(tài)的巖心端面形貌及堵塞物狀態(tài),通過計算巖心滲透率評價沖擊波解除固相侵入、無機垢堵塞、聚合物吸附滯留損害的效果。

3.3 實驗結(jié)果

對比損害前后的巖心端面形貌,觀察到各處理方式的樣品均有明顯的堵塞物附著于巖心端面,損害后巖心的無因次滲透率從大到小依次為無機垢堵塞(0.73)、固相侵入(0.63)、聚合物吸附滯留(0.21),說明聚合物吸附滯留損害最為嚴(yán)重。在同一沖擊強度,同一沖擊次數(shù)作用后,各巖心均未產(chǎn)生明顯裂縫,但端面都有不同程度的破損,端面附著的堵塞物減少,沖擊后的無因次滲透率從大到小依次為固相侵入(0.90)、無機垢堵塞(0.85)、聚合物吸附滯留損害(0.41),表明可控沖擊波技術(shù)對于解除固相侵入、無機垢堵塞、聚合物吸附滯留損害均有效。各樣品沖擊后的無因次滲透率較損害后的無因次滲透率均有顯著提升,提升值從大到小依次為固相侵入(0.27)、聚合物吸附滯留(0.20)、無機垢堵塞(0.12),說明該實驗條件下可控沖擊波對于解除固相侵入損害效果最佳。三種處理方式巖心在損害前、損害后、沖擊作用后的無因次滲透率變化見圖7,固相侵入處理方式的巖心端面形貌變化見圖8。

損害前

4 可控沖擊波與儲層作用機制討論

可控沖擊波是一種物理法儲層改造技術(shù),可控性表現(xiàn)在沖擊的脈寬和峰值可調(diào),沖擊的區(qū)域和次數(shù)可控。從可控沖擊波的技術(shù)特點來看,可以將其與儲層的作用機制分為拉伸破壞造縫增滲與剪切推擠沖擊解堵兩類。

4.1 拉伸破壞造縫增滲

根據(jù)井筒尺度樣品的配方,制作與之力學(xué)性質(zhì)相同的小巖心柱,用于測試沖擊前的力學(xué)參數(shù)。井筒尺度樣品沖擊實驗完成后,在樣品周向避開裂縫的區(qū)域鉆取小樣,測試沖擊實驗后的力學(xué)參數(shù),對比沖擊前后樣品的檢測數(shù)據(jù),抗壓強度由26.86 MPa降低為15.36 MPa,抗拉強度由1.78 MPa降低為0.69 MPa,彈性模量由 9.13 GPa 降低為1.29 GPa,泊松比由0.24上升為0.3。力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律正符合拉伸破壞理論[22-23],巖石破碎過程中往往先發(fā)生拉伸破壞,內(nèi)在表現(xiàn)為巖石強度降低,外在表現(xiàn)為樣品產(chǎn)生裂縫,增加油井的滲流空間,最終實現(xiàn)滲透率大幅度提升。需要說明的有兩點:一是實驗鉆取小樣避開了宏觀裂縫,因此巖石強度的降低幅度比實際情況要低；二是實驗制作的混凝土樣品的原始裂縫及微裂縫與真實地層相比基本不發(fā)育,因此實驗未能模擬地層原始裂縫及微裂縫的擴展行為,弱化了致裂后形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

4.2 剪切推擠沖擊解堵

可控沖擊波在傳播的中后期會衰減成高強彈性聲波,高強彈性聲波的幅值大小明顯區(qū)別于地層的抗張、抗剪強度,因此會在聲波與地層的交界面處產(chǎn)生剪切力[24]。剪切力作用于地層的滲流通道,產(chǎn)生振動、推擠、剝離等沖擊效應(yīng),有利于驅(qū)除滯留吸附在地層內(nèi)外部的堵塞物,發(fā)揮解堵作用。振動使得堵塞物的振幅、速度和加速度發(fā)生顯著變化,從而使其產(chǎn)生松動效應(yīng)。高強彈性聲波的擾動會改善地層毛管力,減小表面張力[9],堵塞物則更容易像活塞一樣被推擠,最終從滲流通道“剝離”下來。如圖9所示,以無機垢損害評價為例,巖樣損害后孔隙及孔隙周圍被大量無機垢堆積充填,滲流空間明顯減小。沖擊作用之后,孔隙及孔隙周圍環(huán)境變得清晰而干凈,堆積物受剪切推擠沖擊作用而大量消失,滲流能力恢復(fù),驗證了對沖擊波解堵機理的認(rèn)識。

a)無機垢損害后a)After inorganic damage

b)沖擊波解堵后b)After shock wave

5 結(jié)論

本文在分析可控沖擊波產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上,研制了可控沖擊波實驗裝置。模擬儲層及工程環(huán)境,分別以井筒與小巖心尺度樣品為研究對象,開展可控沖擊波增滲解堵效果評價實驗,得到以下結(jié)論。

1)可控沖擊波對井筒及小巖心兩種尺度實驗樣品均產(chǎn)生良好的增滲效果,井筒尺度樣品產(chǎn)生較為明顯的宏觀裂縫,巖石強度降低,小巖心尺度樣品滲透率提升13.3%～57.9%,從而實現(xiàn)增滲。

2)可控沖擊波對解除小巖心尺度樣品的固相侵入、無機垢堵塞、聚合物吸附滯留損害效果明顯,無因次滲透率提升值在0.12～0.27之間,解除固相侵入損害的效果最為顯著,沖擊使得巖心滲流通道內(nèi)外的堵塞物被振動、推擠直至剝離,從而實現(xiàn)解堵。可控沖擊波技術(shù)增滲解堵效果明顯,研究成果為可控沖擊波增滲解堵技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。