復(fù)合射孔上部封擋作用效果實驗研究

趙 旭,丁士東,周仕明

(1.中國石化石油勘測開發(fā)研究院博士后工作站,北京100083;2.中國石油大學(xué),北京102249;3.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京100010)

復(fù)合射孔上部封擋作用效果實驗研究

趙 旭1,2,3,丁士東3,周仕明3

(1.中國石化石油勘測開發(fā)研究院博士后工作站,北京100083;2.中國石油大學(xué),北京102249;3.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京100010)

利用壓井液運動相似模擬實驗裝置,研究了復(fù)合射孔過程中上部封擋對復(fù)合射孔作用效果的影響。觀測了復(fù)合射孔過程中在封擋和不封擋2種狀況下的氣液作用現(xiàn)象。分析了復(fù)合射孔過程中在封擋和不封擋2種狀況下在氣液作用的初期、中期、后期的氣液作用狀況及變化規(guī)律,得到了實測的底部氣體和壓井液體中的壓力變化曲線。結(jié)果表明,復(fù)合射孔過程中的上端封擋能夠起到保存底部高能氣體能量、提高作用層位高能氣體能量的利用率的作用。但也會造成復(fù)合射孔氣液作用初期結(jié)束后壓井液的波動所產(chǎn)生的抽吸壓力大幅減小。

復(fù)合射孔;壓井液;壓裂火藥;上部封擋;實驗研究

0 引 言

在復(fù)合射孔施工中,壓裂火藥爆燃產(chǎn)生高能氣體能夠?qū)Φ貙赢a(chǎn)生壓裂作用。為獲得較長的壓裂時間,充分利用壓裂火藥燃燒產(chǎn)生的高能氣體能量,目前在現(xiàn)場應(yīng)用中往往采用上部封擋的方法進行保壓[1-6]。但由于上部封擋采用的封隔器的承壓能力有限,而且國內(nèi)對于上部封擋的研究主要是集中在封隔器的設(shè)計和復(fù)合射孔的整體施工工藝流程方面,對于復(fù)合射孔過程中上部封擋的作用機理及其對作用層位壓力的影響的研究還很不完善,需要對其進行深入的研究[7-8]。本文利用實驗方法對復(fù)合射孔上部封擋的作用效果進行探討。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

實驗在復(fù)合射孔壓井液運動相似模擬實驗裝置中進行[9-10]。實驗中為避免用火藥進行復(fù)合射孔實驗的復(fù)雜性和危險性,該裝置利用高能氣體發(fā)生裝置模擬井下火藥爆燃產(chǎn)生的高能氣體,用壓力傳感器和高速A/D卡采集記錄壓力數(shù)據(jù)。實驗裝置主要包括4個部分:高壓氣體發(fā)生系統(tǒng)、模擬井筒、容積可調(diào)節(jié)微型儲氣罐和數(shù)據(jù)采集及測量系統(tǒng)。實驗的模擬井筒全長11 m,內(nèi)徑為30 mm,其中有機玻璃管部分長為9 m,下端接長為2 m鋼管。有機玻璃管部分可觀測模擬井筒內(nèi)的氣液作用現(xiàn)象,下端的鋼管可保證實驗的安全性。在模擬井筒下部的高能氣體發(fā)生裝置接有速開開關(guān),可在毫秒級的時間內(nèi)全部打開,以便微型儲氣罐內(nèi)的高能氣體全部作用于在上部液體。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置示意圖

1.2 實驗方法和實驗參數(shù)

實驗中,考慮到實驗整體裝置的適用性和實驗的安全性,通過在模擬管道的出口加變徑封蓋的方法來模擬復(fù)合射孔過程中在壓井液上部的封擋情況。為了更好地研究底部高壓氣體的壓力變化情況,在距模擬管道的最底端0.5 m處和1.0 m處再安裝2個壓力傳感器,用以詳細分析實驗中底部高能氣體壓力的變化。在實驗裝置模擬管道的觀察段上設(shè)置4個觀測計時點,用以測量氣柱運行2個計時點間距離所需的時間及觀測氣柱在上移過程中的實驗現(xiàn)象。每2個計時點之間的距離為2 m,進而計算出氣柱在2個計時點間運動的平均速度,用來分析氣液作用后期在封擋和不封擋情況下的氣液作用現(xiàn)象的差異。根據(jù)實驗裝置的特性和相似性分析的結(jié)果,實驗選用的實驗參數(shù)見表1。

表1 實驗相關(guān)參數(shù)

2 實驗結(jié)果

2.1 在模擬管道的上端加封蓋和未加封蓋時底部氣體壓力變化對比

圖2～圖4是在模擬管道的上端加1個出口直徑為15 mm的封蓋和模擬管道未加封蓋底部氣體壓力變化曲線圖。可見在底部高壓氣體的作用下,井底壓力迅速提升,然后逐漸下降,經(jīng)過短暫的波動后壓力逐漸平穩(wěn),但在趨于平穩(wěn)的過程中,不斷伴隨著快速及小幅度的壓力波動。

圖2 0 m處壓力變送器測出的底部氣體壓力變化曲線圖

圖3 0.5m處壓力變送器測出的底部氣體壓力變化曲線圖

圖4 1 m處壓力變送器測出的底部氣體壓力變化曲線圖

其中,圖2中的升壓速度最快,其最大壓力值也最高,壓力波動最劇烈;圖3中的壓力變化次之;圖4中的壓力變化相對最為緩和。這主要是由3個壓力變送器所處的測量位置有關(guān)。圖2中的壓力變化是由最下端的壓力變送器測得的,其受初始高壓氣體的沖擊最明顯,壓力變送器在此處測出的沖擊壓力值要高于所選擇的作用氣體壓力。圖3中的壓力變化要明顯滯后于圖2中的壓力變化,但也可以看到?jīng)_擊波壓力的痕跡;而圖4中基本上看不出沖擊波壓力的影響,其壓力的變化要遠滯后于圖2和圖3。這說明在井下實際的復(fù)合射孔過程中火藥爆炸的沖擊波壓力其瞬時沖擊的影響范圍十分有限,壓力的衰減也非?？?。

由于實驗中采用了較高的壓井液,其所提供的上覆壓力封住了一部分的底部高能氣體,其有效壓力的持續(xù)時間相對較長,在150 m s后在模擬管道的1 m處測得的壓力仍然在0.3 M Pa以上。通過對比模擬管道上端加封蓋和未加封蓋的2條壓力變化曲線,由圖2和圖3可以看出在模擬管道上端加封蓋并沒有對高壓氣體對壓井液的沖擊作用產(chǎn)生明顯的影響。2種作用條件下測得的壓力曲線基本重合,而在氣液作用約100 m s后的壓力下降階段,上端加封蓋所測得的壓力曲線要明顯高于未加封蓋的情況。

圖4顯示的是由1 m處壓力變送器所測得的出口加封蓋和不加封蓋2種作用條件的氣體壓力變化曲線。由于1 m處的壓力變送器距離模擬管道底部有一定的距離,其受沖擊波的壓力影響較小。從圖4中可以明顯的看出,加封蓋的所測出的壓力值在整個氣液作用的前300 m s內(nèi)均高于未加封蓋的情況,其具有較高的壓力加載速率,較高的峰值壓力,即使在壓力衰減后的穩(wěn)定變化階段其壓力值也要明顯高于未加封蓋所測得的壓力。

2.2 在模擬管道的上端加封蓋和未加封蓋時實驗現(xiàn)象對比

未加封蓋的實驗現(xiàn)象:氣體迅速沖出至4.0 m處,氣液現(xiàn)象較為混雜,氣液界面較為模糊,隨后沖出來的氣體被壓回至2.0 m以下,模擬管道內(nèi)存在不明顯的波動。在觀察段可以看到由底部鋼管部分運移出幾個相對較長氣柱,最長的可達2.5 m,在震蕩上升中合并,后接有密集的泡狀流,其中含有小氣彈。在第3計時點和第4計時點測得的氣柱的上升時間分別為6.77 s、13.22 s。

加封蓋的實驗現(xiàn)象:氣體迅速沖出至2.3 m處,明顯停頓,有明顯的氣液界面,氣液現(xiàn)象清晰。隨后緩慢上升,氣體上升的方式是以“一頓一升”的方式上升的,1個氣柱初期長約有2.9 m,在第3計時點和第4計時點測得的氣柱的上升時間分別為7.61 s、14.38 s。

從2次實驗的現(xiàn)象對比可見,在未加封蓋的時候管柱內(nèi)氣液作用劇烈,初期形成多個氣柱,后有大量的密集氣泡,而且由模擬管道的觀察段可以看到存在上部壓井液柱把沖上來的氣體壓回的現(xiàn)象;而加封蓋的時候,管柱內(nèi)的氣液作用比較平穩(wěn),只形成了1個氣柱,而且沒有氣柱沖上來后被壓回的現(xiàn)象,從測得的氣柱上升速度也可以看出,未加封蓋的情況的運移速度要明顯快于加封蓋的情況。所以,能夠得出加封蓋的氣液作用要比未加封蓋時要穩(wěn)定的多,此外由圖2～圖4還可看出加封蓋所測得的壓力波動變化明顯要高于未加封蓋的情況。分析表明,采用上部封擋的方法,可以實現(xiàn)對底部高壓氣體的保壓的作用,提升了底部高壓氣體能量的利用率。

2.3 實驗300 ms后壓井液波動所引起的底部作用層位氣體壓力的變化

圖5和圖6顯示的是與上面實驗相對應(yīng)的在300 m s后的壓井液波動所引起的底部作用層位氣體壓力的變化。圖5顯示的是模擬管道上端未加封蓋時底部氣體壓力變化和5 m處壓井液體中的壓力變化,與之相對應(yīng)圖6顯示的是模擬管道上端加封蓋時底部氣體壓力變化和5 m處壓井液體中的壓力變化。未加封蓋時壓井液的波動引起的壓力變化和壓力波動時間要遠遠大于加封蓋的情況,加封蓋情況的氣液作用初期過后壓力波動很小而且很快就消失了。這是因為當壓井液的上端加封蓋,壓井液沒有了提升的空間,底部高壓氣體的消散速度也就大幅度的減慢,上覆壓力與底部氣體壓力之間的平衡作用很難被打破,因而,壓井液也就無法上下波動,進而底部氣體的壓力波動也就很小甚至沒有。

通過以上的分析,可見復(fù)合射孔過程中的上端封擋能夠起到保存底部高能氣體能量的作用,提高作用層位高能氣體能量的利用率。但上部封擋也會致使氣液作用初期結(jié)束后,壓井液的波動很小甚至沒有,這樣就無法使作用層位的氣體產(chǎn)生抽吸壓力,以達到地層解堵和提高滲透率的目的。因此,壓井液上端封擋比較適用于壓裂火藥量較少的復(fù)合射孔施工中,已達到其充分利用高能氣體能量的目的。而對于火藥量較大的復(fù)合射孔施工中,建議不進行上端封擋,因為火藥量較大能夠引起較大的壓井液波動,這樣就可以充分利用壓井液波動壓力所產(chǎn)生的抽吸壓力,起到清理射孔孔道,解除近井地帶射孔損害帶的作用。此外,對火藥量較大的復(fù)合射孔施工進行封擋,也會促使壓裂火藥的瞬時爆炸,與要求壓裂火藥的爆燃的初衷不符。

圖5 未加封蓋實驗壓井液柱中壓力隨時間變化曲線圖

圖6 加封蓋實驗壓井液柱中壓力隨時間變化曲線圖

3 結(jié) 論

(1)復(fù)合射孔過程中的上端封擋,能夠起到保存底部高能氣體能量的作用,提高作用層位高能氣體能量的利用率,但會造成復(fù)合射孔氣液作用初期結(jié)束后由壓井液的波動所產(chǎn)生的抽吸壓力大幅減小。

(2)結(jié)合油田現(xiàn)場復(fù)合射孔技術(shù)的應(yīng)用情況,得出在壓裂火藥量較少的復(fù)合射孔施工中,盡量采用上部封擋的方法,已達到其充分利用高能氣體能量的目的。而對于攜帶壓裂火藥量較大的復(fù)合射孔施工中,建議不采用上部封擋,已達到充分地利用壓井液波動壓力所產(chǎn)生的抽吸壓力的目的。

[1] 孫新波,劉 輝,王寶興,等.復(fù)合射孔綜述[J].爆破器材,2007,36(5):29-31.

[2] 李克明.高能復(fù)合射孔技術(shù)及應(yīng)用前景[J].石油鉆探技術(shù),2002,30(3):72-74.

[3] 王海東,孫新波,梁 純,等.國內(nèi)外射孔技術(shù)發(fā)展綜述[J].爆破器材,2005,35(3):33-36.

[4] 張國按,孫志明.高能復(fù)合射孔(FracGun)在國外A油田的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2006,31(1):62-64.

[5] 項忠華.射孔壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究[D].北京:中國石油大學(xué),2002.

[6] 王安仕,秦發(fā)動.高能氣體壓裂技術(shù)[M].西安:西北大學(xué)出版社,1998:66-145.

[7] 于 洋,任 峰.封隔器在復(fù)合射孔中的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2007,27(3):423-426.

[8] 趙 旭,柳貢慧.復(fù)合射孔過程中上部封擋作用機理分析[J].測井技術(shù),2009,33(1):98-101.

[9] 趙 旭,柳貢慧,張 濤.不同體積高壓氣體對復(fù)合射孔壓井液運動的影響[J].石油學(xué)報,2009,31(2):295-300.

[10]柳貢慧,趙 旭.復(fù)合射孔上部壓井液運動機理試驗[J].中國石油大學(xué)學(xué)報,2009,35(3):88-91.

Experimen tal Study of Effect of Top Pack on Com pound Perforation

ZHAO Xu1,2,3,D ING Shidong3,ZHOU Shiming3
(1.Research Institute of Petroleum Exp loration and Development Postdocto ral Wo rkstation,SINOPEC Beijing 100083,China; 2.China university of Petroleum,Beijing 102249,China;3.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC Beijing 100010,China)

Studied is the effect of top pack during the compound perfo ration by using simulated experimental device of killfluid movement.Observed is the air and hydraulic interaction under the condition of top pack and unpack.Analyzed are the air and hydraulic status and changes during the w hole p rocess of compound perfo ration under the condition of top pack and unpack.Obtained are the p ressure changing curves f rom bottom gas and killfluid.It is concluded that the top pack can keep the energy of high energy gas and enhance the utilization of high energy gas,however,it also makes the pump p ressure p roduced by fluctuation of control fluid decrease largely.

compound perfo ration,killfluid,fracturing pow der,top pack,experimental study

1004-1338(2010)05-0492-04

TE257.1

A

中國石油科技創(chuàng)新基金研究項目“復(fù)合射孔井下壓力變化與裂縫擴展機理研究(2009D-5006-03-09)”資助

趙 旭,男,1981年生,博士后,主要從事完井工程技術(shù)相關(guān)方面的研究。

2010-03-16 本文編輯 王小寧)