過篩管爆燃壓裂技術

孫 林，黃 波，張 杰，吳飛鵬，李旭光，熊培祺

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452；2.西安石油大學，陜西 西安 710065； 3.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

0 引 言

中國海上油田完井方式特殊，采用篩管完井的油井比例高達69%以上。在局限的平臺空間內(nèi)，常規(guī)酸化壓裂等措施實施空間受限。從2012年開始，海上油田開始應用爆燃壓裂技術[1-2]，成功復產(chǎn)多口長期關停井(非篩管完井)，取得降本增效效果[3]。針對篩管完井，中海油于2015年至2016年進行了篩管完井爆燃壓裂技術可行性研究[4-5]，驗證了篩管在一定限制條件下實施爆燃壓裂技術的可行性，并在惠州26-1油田20Sb井進行了現(xiàn)場試驗，獲得成功。為進一步提高技術的安全性和有效性，從篩管完井爆燃壓裂工藝、火藥參數(shù)認識及新型火藥研發(fā)、高精度篩管完井爆燃壓裂模擬模型、過篩管打靶實驗幾個方面，研究并形成了過篩管爆燃壓裂技術。

1 技術思路

海上油田的水平井或定向井多采用篩管完井，通常具有儲層段跨度長的特點，為了覆蓋更多作業(yè)井段，需要多次起下管柱，作業(yè)時效低。而過篩管爆燃壓裂技術工藝則可實現(xiàn)一趟管柱多段壓裂作業(yè)。如圖1所示，工藝組件的外部結構為起爆器、盲槍、壓裂槍、槍尾，內(nèi)部結構包括導爆索、中心管、火藥。火藥內(nèi)置于壓裂槍中，包裹于鋁制中心管外，作用于儲層段，盲槍中則不放置火藥，通過壓裂槍和盲槍的組合進行分段壓裂。其工藝原理為：按照壓裂層段設計組裝盲槍和壓裂槍，并放置火藥。通過鉆桿或加厚油管將爆燃壓裂工具下入井中，通過地面泵加壓，對起爆器進行加壓起爆，導爆索引燃壓裂層段對應的鋁制中心管，中心管燃燒可產(chǎn)生2 000 ℃高溫使火藥充分燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體先后穿過壓裂槍和篩管后，作用于儲層進行壓裂改造。由于導爆索太長，容易燃燒傳爆中斷，因此，該工藝適合于儲層跨度在30 m以內(nèi)的篩管井。對于儲層跨度為30～100 m的篩管井，則可在壓裂槍組件下面加裝增壓裝置，將易中斷的燃燒傳爆改變?yōu)榉€(wěn)定的液壓傳爆，從而實現(xiàn)更遠距離的傳爆。

圖1 過篩管爆燃壓裂工藝管柱示意圖Fig.1 The string schematic diagram of the screen-through deflagration fracturing technology

由于高溫高壓易破壞篩管，因此，該項技術的關鍵在于保證爆燃壓裂火藥燃燒時篩管的安全性和地層壓裂的有效性。技術思路如下：①采用更耐溫的推進劑火藥，并優(yōu)化火藥參數(shù)，使火藥產(chǎn)生的峰值壓力更低，燃燒時間更長，提高壓裂效果并防止破壞篩管；②研究適合于篩管的高精度模擬模型，預測并控制峰值壓力和增產(chǎn)效果；③進行地面實驗和井下試驗，優(yōu)選既能壓開儲層又不破壞篩管的火藥用量。

2 推進劑火藥研發(fā)

2.1 火藥參數(shù)優(yōu)化

對于爆燃壓裂技術，與火藥相關的的2個關鍵參數(shù)是火藥力和燃燒速度：火藥力是單位質(zhì)量火藥所包含的能量；燃燒速度是單位時間火藥徑向燃燒長度。火藥力減小，峰值壓力相應減小，將峰值壓力控制在1.0～2.0倍地層破裂壓力，可保證技術安全性；燃燒速度越小，燃燒時間越長，壓裂縫越長，可保證技術有效性[3]。

對海上油田6口井現(xiàn)場應用效果進行了對比分析(表1，表中“(6 MPa)”為環(huán)境壓力的簡寫，下同)。由表1可知：采用高燃速、高火藥力火藥實施的2口井，峰值壓力高達132.0 MPa以上，且2口井實施后均出現(xiàn)管柱變形、破損現(xiàn)象，平均單井日增液為115.70 m3/d，平均單井日增油為17.30 m3/d；而采用低燃速、低火藥力火藥實施的4口井，峰值壓力為22.4～80.5 MPa，井下管柱保持完好，平均單井日增液為261.70 m3/d，平均單井日增油為71.80 m3/d。通過對比可知：低燃速、低火藥力火藥具有降低峰值壓力和增產(chǎn)的優(yōu)勢。

表1 爆燃壓裂技術現(xiàn)場應用數(shù)據(jù)Table 1 The field application data of the deflagration fracturing technology

2.2 推進劑火藥配方

基于以上認識，研發(fā)了HY-1推進劑火藥，該火藥主要以高氯酸銨、端羥基聚丁二烯、異佛爾酮二異氰酸酯、聯(lián)二脲等成分為主，通過調(diào)節(jié)不同物質(zhì)配方以及粒度等參數(shù)，改變火藥力和燃燒速度。該火藥各項參數(shù)性能指標如表2所示。

表2 HY-1推進劑火藥性能指標Table 2 The performance Index of HY-1 propellant

3 高精度篩管完井爆燃壓裂模擬模型

目前，國內(nèi)外爆燃壓裂模擬模型主要是針對套管射孔井，對篩管完井情況并不適用。為了更好地模擬篩管完井情況，進行了高精度篩管完井爆燃壓裂模擬模型研究。

模擬模型主要由火藥燃燒模型、壓擋液運動模型、液體模型、氣體模型、裂縫模型等組成[6-7]，針對篩管完井，除了采用修正后的火藥燃燒模型、液體模型、氣體模型、裂縫模型外[8-9]，還引入了篩管孔眼壓降模型[10]和壓擋液柱井斜運動模型。

篩管孔眼壓降模型：

(1)

式中：Δp(i)為第i個節(jié)點所產(chǎn)生的井內(nèi)總壓降，MPa；ΔpnD(i)為第i個節(jié)點所產(chǎn)生的礫石充填層壓降，MPa；Δps(i)為第i個節(jié)點所產(chǎn)生的篩管孔眼處的壓降，MPa；snD(i)為第i個節(jié)點的礫石充填層的表皮系數(shù)；sp(i)為第i個節(jié)點的篩管孔眼處的表皮系數(shù)；sSL(i)為第i個節(jié)點的綜合表皮系數(shù)；Qj為液相或氣相的流量，m3/s；Bj為液相或氣相的體積系數(shù)；ηj為液相或氣相的黏度，mPa·s；Kj為液相或氣相的滲透率，mD；hD為地層厚度，m；j表示液相或氣相。

如果井壁與篩管之間沒有礫石充填，則可認為ΔpnD(i)=0；如果有礫石充填，則要考慮礫石充填造成的壓降，根據(jù)Forchheimer方程積分可得到礫石充填層壓降表達式。目前，海上油田可進行爆燃壓裂的篩管多未進行礫石充填，因此，篩管孔眼壓降為：

(2)

壓擋液柱井斜運動模型如下。

施工管柱內(nèi)部：

(3)

施工管柱與套管環(huán)空：

(4)

初始條件：

h1(x，0)=0

(5)

邊界條件：

(6)

式中：A1為井筒截面積，m2；Kf為體積模量，Pa-1；h1(x，t)為液柱微元在位置為x處、t時刻的位移，m；p(t)為液柱微元在t時刻的壓力，Pa；ρ1為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m2/s；ψ為井斜角，°；λ為摩阻系數(shù)；rsin為工藝管柱內(nèi)徑，m；rcin為套管內(nèi)徑，m；rsout為工藝管柱外徑，m；L為液柱運移總長度，m。

基于上述模型編制了高精度篩管完井爆燃壓裂模擬軟件，利用軟件對陸上油田N49-1、N49-2 2口井進行了模擬分析(圖2)。由圖2可知：軟件運算結果與壓力高速傳感器監(jiān)測結果的模擬精度達到了97%～99%。

圖2 爆燃壓力曲線Fig.2 The deflagration pressure curve

4 過篩管打靶實驗

火藥安全用量是指既可壓開地層又不破壞篩管的火藥用量。為獲取火藥安全用量，進行了地面打靶實驗和井下打靶試驗。

4.1 地面打靶實驗

實驗目的：測定不同推進劑火藥用量下實驗前后篩管擋砂精度的變化；評價推進劑火藥的造縫性能。

實驗方法：制作5組Φ244.5 mm套管混凝土靶(套管上焊接有12個泄氣孔)，在套管中分別放入Φ139.7 mm擋砂精度為150.0 μm的篩管，在篩管中放置5種不同用量的推進劑火藥，安裝帶有壓力測試裝置的套管蓋帽，隨后點火起爆，檢測實驗后篩管擋砂精度。

與以往地面實驗不同之處：采用推進劑火藥；水泥靶外徑由1.5 m調(diào)整為3.0 m；壓力測試裝置由銅柱測壓計調(diào)整為精度更高的CY301型壓力高速傳感器。實驗結果見表3、圖3。

由表3、圖3可知：峰值壓力、篩管灼燒面積、擋砂精度與火藥用量呈正相關關系；當峰值壓力不大于46.8 MPa時，對篩管擋砂精度無影響；推進劑火藥的造縫效果較優(yōu)，外徑為3.0 m的水泥靶全部開裂。

圖3 地面打靶實驗后篩管情況Fig.3 The screen conditions after the ground targeting test

表3 地面打靶實驗結果Table 3 The results of ground targeting test

4.2 井下打靶試驗

井下打靶試驗目的：評價不同火藥用量下井下篩管的完好情況以及油井增產(chǎn)效果。試驗方法：選擇陸地油田N49-1、N49-2 兩口Φ139.7 mm套管井作為試驗井。N49-1井試驗井段為722.0～724.0 m，地層滲透率為0.59 mD；N49-2井試驗井段為738.5～744.5 m、721.5～723.0 m，地層滲透率為0.71～0.91 mD。篩管外徑為88.9 mm，長度為2.6 m，擋砂精度為150.0 μm。篩管中放置推進劑火藥(每一節(jié)火藥質(zhì)量為3.2 kg，長度為0.5 m)：N49-1井進行1次試驗，放置4節(jié)火藥；N49-2井進行2次試驗，分別放置3節(jié)和2節(jié)火藥。然后將篩管通過變扣與點火器相連，篩管下端連接帶有高速高精度壓力計的短節(jié)進行測壓，試驗后起出篩管，測試擋砂精度。試驗后篩管情況見圖4，高精度壓力計測試結果見圖2，增油效果見表4。

圖4 井下打靶試驗后篩管情況Fig.4 The screen conditions after downhole targeting test

井下打靶試驗結果顯示：當每根篩管火藥用量為4節(jié)和3節(jié)時，篩管灼燒及穿孔破壞現(xiàn)象較為明顯；當每根篩管火藥用量為2節(jié)時，即每米篩管火藥用量不大于3.2 kg/m(此用量大于地面實驗，但峰值壓力小于地面實驗，根據(jù)篩管灼燒情況，判斷溫度影響因素更大)，試驗后測試的篩管擋砂精度為151.8 μm，即當每米篩管火藥用量不大于3.2 kg/m時對篩管的擋砂精度沒有影響。

考慮井下打靶試驗和地面打靶實驗的溫度、壓力雙重影響，火藥安全用量為每米篩管火藥用量不大于3.2 kg/m，且井下峰值壓力應小于46.8 MPa與地層壓力之和。

由表4可知：2口井分別取得2.7、3.0倍的增產(chǎn)效果，增油效果明顯。

表4 井下打靶試驗前后產(chǎn)量數(shù)據(jù)Table 4 The production data before and after the downhole targeting test

5 結 論

(1) 研發(fā)了過篩管爆燃壓裂工藝，可實現(xiàn)一趟管柱覆蓋更多作業(yè)井段，提高作業(yè)時效。

(2) 研發(fā)了徑向燃速為3.57 mm/s(環(huán)境壓力為6.0 MPa)，火藥力為669 kJ/kg，耐溫可達178 ℃(48 h)的HY-1推進劑火藥，產(chǎn)生的峰值壓力更低，燃燒時間更長，可提高油井壓裂效果并防止破壞篩管。

(3) 引入了篩管孔眼壓降模型和壓擋液柱井斜運動模型，編制了高精度篩管完井爆燃壓裂模擬軟件，軟件運算結果與壓力高速傳感器監(jiān)測結果的準確度達到了97%～99%。

(4) 進行了過篩管地面打靶實驗和井下打靶試驗，火藥安全用量為不大于3.2 kg/m，且井下峰值壓力小于46.8 MPa與地層壓力之和，可達到既能壓開儲層又不破壞篩管的效果。

(5) 下步研究方向：更低燃速的液體火藥；層內(nèi)爆燃技術，即將火藥泵注至儲層中，減少篩管壓力沖擊的技術。