水平井液態(tài)藥爆炸壓裂工藝試驗(yàn)應(yīng)用研究

吳晉軍， 劉 敬， 徐東升， 武進(jìn)壯， 呂 圓

(1西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2中國石油天然氣集團(tuán)公司油藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高能氣體壓裂分室)

水平井已成為低滲透油氣田開發(fā)的重要技術(shù)手段而應(yīng)用推廣。其完井方式主要分為套管完井和裸眼完井，目前儲層改造主要措施為裸眼井籠統(tǒng)改造、套管井分段壓裂等[1-2]。特別是早期水平裸眼井油層改造工藝不配套，導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量井生產(chǎn)后期因難以實(shí)施改造措施，或成本太高等原因而只能自然生產(chǎn)，成為低效井甚至死井，給水平井油層開采帶來很大生產(chǎn)難題和浪費(fèi)[3-4]。

早在20世紀(jì)90年代初美國就開始把火炸藥技術(shù)用于水平井增產(chǎn)的研究，1991年Rougeot石油與天然氣公司在Wilson25井進(jìn)行試驗(yàn)，施工水平井深度達(dá)到3 700 m，每次處理水平層段50 m，可適用于裸眼、割縫襯管和套管完井方式，在主井筒、分支井可分別實(shí)施。在阿拉斯加和北海油氣井應(yīng)用，產(chǎn)量從1 m3/d增加到50 m3/d，增產(chǎn)效果十分顯著[5-6]。國內(nèi)液態(tài)炸藥應(yīng)用于油層增產(chǎn)的技術(shù)研究近幾年來才開始，基于層內(nèi)爆炸研究基礎(chǔ)，開展了水平井油層液體炸藥爆炸壓裂增產(chǎn)技術(shù)與工藝的研究與試驗(yàn)，取得積極效果。

一、液態(tài)炸藥技術(shù)研究

1.研究思想

目前工業(yè)用液體炸藥或乳狀炸藥爆速一般超過5 000 m/s, 爆炸威力巨大、破壞性大、安全性要求高，顯然這些純工業(yè)性炸藥不能直接用于油氣井。為此，針對水平井油層増產(chǎn)工藝要求，設(shè)想要研制的爆炸藥劑爆炸性能應(yīng)適中，應(yīng)具有較低的爆速、較強(qiáng)的爆炸做功能力，能使深層巖石產(chǎn)生多裂縫，且對地層不會產(chǎn)生嚴(yán)重破碎或壓實(shí)作用，符合油氣井安全使用條件。結(jié)合射孔、爆炸壓裂及高能氣體壓裂等技術(shù)研究積累與爆炸工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[7-9]分析，并基于層內(nèi)爆炸一系列技術(shù)研究，所研制成功的微粉懸浮液態(tài)炸藥，其爆速控制在1 500～3 500 m/s，爆炸性能適中可控，較好的適用于水平井地層，使巖石產(chǎn)生多裂縫縫網(wǎng)以松弛地層應(yīng)力，達(dá)到了提高油層滲透性的目的，并滿足油田現(xiàn)場施工工藝的安全可靠性及使用條件。

2.液態(tài)炸藥性能及特點(diǎn)

該液態(tài)炸藥主要成份選用NH4NO3、C3H5N3O9、RDX、HMX等，是由氧化劑、燃燒劑、懸浮劑和敏化劑等組成的微粉懸浮混合液相炸藥，主要技術(shù)參數(shù)：爆熱約為4 200～6 000 J/g、比容約為500～700 mL/g、爆速為1 500～3 500 m/s。經(jīng)抗沖擊、靜電、摩擦感度及熱穩(wěn)定性檢測試驗(yàn)符合國家民爆標(biāo)準(zhǔn)。液態(tài)炸藥在高溫高壓反應(yīng)釜模擬實(shí)驗(yàn)的爆炸P-t測試曲線如圖1所示，室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)證明，起爆條件為壓力10 MPa、溫度140℃，通常在地面條件下不會燃燒或爆炸，完全具備了油田現(xiàn)場安全、可靠的使用條件。其主要作用特點(diǎn)：①爆炸性能參數(shù)設(shè)計(jì)適中可控，適用于不同巖性地層爆炸壓裂多裂縫的工藝設(shè)計(jì)；②較高的比容、爆熱對地層有較強(qiáng)做功能力，延長了裂縫區(qū)降低壓實(shí)作用。液態(tài)炸藥流動性較好，能實(shí)現(xiàn)水平井的長井段一次整體爆炸壓裂產(chǎn)生和形成多體系裂縫網(wǎng)絡(luò)，也可通過隔離液實(shí)現(xiàn)分段進(jìn)行爆炸壓裂改造。

圖1 液態(tài)炸藥爆炸模擬試驗(yàn)P-t測試曲線

二、水平井液態(tài)藥爆炸工藝研究

1.工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)原理是通過選井選層，確定設(shè)計(jì)水平井施工方案，設(shè)計(jì)現(xiàn)場配置微粉懸浮液態(tài)炸藥、隔離液、頂替液設(shè)計(jì)用量。通過柱塞泵按照設(shè)計(jì)方案依次完成各注入液量，確保液態(tài)炸藥擠入水平井生產(chǎn)井段設(shè)計(jì)位置，通過特殊起爆裝置引爆液態(tài)炸藥，觀察井口變化，完成現(xiàn)場施工。

2. 水平井液態(tài)藥隔離試驗(yàn)

微粉懸浮液態(tài)炸藥屬于水溶型，需要將憎水性的隔離液與壓擋液柱(水)完全隔開。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究形成了以油基、PAM、CaCl2等復(fù)合配制而成的不同的密度隔離液，能較好滿足液態(tài)炸藥隔離擠注工藝的要求，并模擬水平井進(jìn)行了液態(tài)藥、隔離液擠注試驗(yàn)確定隔離效果良好的工藝方案。

3.水平井起爆工藝設(shè)計(jì)

結(jié)合液態(tài)懸浮藥水平井爆炸技術(shù)要求及工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研究采用直井機(jī)械撞擊起爆裝置+延伸傳爆管線引爆裝置組合方法。起爆工藝的安全可靠性高，而且便于實(shí)現(xiàn)井口封閉式壓裂，有利于提高能量利用率，提高壓裂效果。設(shè)計(jì)的起爆工藝見圖2所示。

圖2 模擬水平井液態(tài)藥隔離試驗(yàn)

三、井下爆炸壓力及溫度計(jì)算

懸浮液態(tài)炸藥配方組分較為復(fù)雜，其爆轟參數(shù)實(shí)際計(jì)算過程十分繁瑣，為了便于說明計(jì)算方法，對計(jì)算過程進(jìn)行了簡化，結(jié)合CZ44-58側(cè)鉆水平井現(xiàn)場微粉懸浮液態(tài)炸藥試驗(yàn)探討井下壓力、溫度的計(jì)算方法，按本次懸浮液態(tài)炸藥敏化劑含量5%配方計(jì)算。

(1)

式中：p—?dú)怏w壓力，MPa；F—爆炸力，F(xiàn)=nRT；p0—壓檔液柱壓力，MPa；n—?dú)怏w爆炸產(chǎn)物摩爾數(shù)，mol；R—?dú)怏w常數(shù)；T—爆溫，K；ρ—炸藥裝填密度,kg/m3；α—爆炸產(chǎn)物的范德瓦爾不可壓縮體積，一般取爆炸產(chǎn)物氣體體積的千分之一。

懸浮藥爆炸后所產(chǎn)生的總熱量Q總,一是用于加熱爆轟氣體產(chǎn)物，使其溫度升高；二是高溫爆轟氣體迅速膨脹對周圍巖層介質(zhì)做功，主要包括壓裂巖層破巖造縫、推動液柱對其作功。爆熱Q由式(2)[10]求得：

(2)

式中：ni—產(chǎn)物組分的摩爾數(shù)，mol；ΔHi—i產(chǎn)物組分的生成焓；ΔHf— 炸藥的摩爾生成焓；M—炸藥的摩爾質(zhì)量。

混合炸藥采用公式:Q總=∑xiQi

(3)

式中：xi—組合炸藥中i組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

CZ44-58井的扶余層巖石的力學(xué)特性(E=1.0～1.5×104MPa、μ=0.18～0.30、單軸抗壓強(qiáng)度45 MPa)屬中等強(qiáng)度的巖石，本次采用液態(tài)炸藥的爆炸性能屬于低速爆轟范疇，作用時(shí)間為毫秒級，椐此作以下假定：①爆炸過程近似地視為定容過程；②爆炸產(chǎn)物的熱容只是溫度的函數(shù)，而與爆炸時(shí)所處的壓力等其他條件無關(guān)。井下最大壓力pmax和最高溫度Tmax計(jì)算結(jié)合相關(guān)爆破工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[10-11]，及采用封閉式井口爆炸試驗(yàn)分析，考慮到井筒內(nèi)液柱部分漏失，作用地層有效爆熱設(shè)定為85%Q總。由式(2)計(jì)算：爆熱Q總=2 389.88 kJ/kg，有效爆熱Qv=2 031.4 kJ/kg。對于井筒內(nèi)最大壓力pmax和爆溫即最大溫度Tmax的計(jì)算過程如下：

(4)

式中，爆炸產(chǎn)物的平均摩爾熱容一般采用卡斯特平均摩爾熱容式求出：a0=854.48，a1=0.33。

由式(4)計(jì)算出爆溫Tmax，Tmax=1503.3℃；由式(1)計(jì)算出pmax，pmax=188.71 MPa。

需要說明的是，計(jì)算結(jié)果是建立在爆炸過程為定容過程的基礎(chǔ)上的，所計(jì)算的爆壓與實(shí)際情況相比明顯偏大。考慮到懸浮炸藥爆速2 200 m/s的低爆速藥，作用時(shí)間為毫秒級，從室內(nèi)外模擬實(shí)驗(yàn)測試分析，理論計(jì)算與工程實(shí)際測試相對誤差在10%～30%。為此，結(jié)合本次現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)監(jiān)測情況分析，其井下的最大壓力估算大約在132.1～169.84 MPa之間。

CZ44-58井采用J55篩管完井，J55屈服強(qiáng)度極限[12]為379～552 MPa,本次施工井下的最大壓力遠(yuǎn)小于J55屈服極限強(qiáng)度。其爆炸作用過程完全在水平井裸眼(大孔徑篩管)段完成，對篩管沒有產(chǎn)生破壞性影響。最大壓力遠(yuǎn)大于地層破裂壓裂壓力41.3 MPa，爆生氣體脈沖壓力幾乎直接作用在裸眼地層使地層產(chǎn)生多裂縫體系。根據(jù)設(shè)計(jì)方案本次施工重點(diǎn)考慮的對直井段套管影響，施工后通井檢測直井段套管沒有發(fā)現(xiàn)問題，與實(shí)際設(shè)計(jì)情況基本相符。

四、現(xiàn)場工藝試驗(yàn)

1. CZ44-58水平井概況

CZ44-58井所處區(qū)塊油層平均孔隙度12.6%，平均空氣滲透率1.94 mD,屬于低孔特低滲透砂巖油層,完鉆垂深1 984.62 m，開窗位置1 816.2～1 820.7 m，水平生產(chǎn)段2 042～2 191 m，壓裂水平井段長143 m，完井方式采用?88.9 mm大孔徑篩管完井。該井完井后沒有進(jìn)行水力壓裂措施，水平段儲層巖性致密，地層破裂壓力估算41.3 MPa，沒有人工裂縫或者天然裂縫，直接進(jìn)行微粉懸浮液態(tài)藥爆炸壓裂施工試驗(yàn)，其爆炸作用過程完全在水平井裸眼(大孔徑篩管)段完成的。

2.工藝設(shè)計(jì)及施工

本次方案設(shè)計(jì)懸浮炸藥充滿水平井段井筒，微粉懸浮液態(tài)藥設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 微粉懸浮液態(tài)炸藥設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 CZ44-58水平井液態(tài)藥爆炸壓裂施工工藝設(shè)計(jì)示意圖

施工工藝設(shè)計(jì)方案如圖3所示，施工程序主要分二大步驟：第一步：完成懸浮液態(tài)炸藥泵注入程序，依次進(jìn)行隔離液-液態(tài)炸藥-隔離液-頂替液各設(shè)計(jì)用量；第二步：起爆裝置下井程序，依次連接起爆裝置-傳爆管線-撞擊起爆器-管柱，到達(dá)設(shè)計(jì)點(diǎn)火位置。安裝750型高壓井口裝置，準(zhǔn)備起爆。起爆后壓力迅速上升至約5 MPa，并有水和氣體刺出，約5 min后壓力上升至17 MPa，最高壓力升至21 MPa，噴出水氣量增多，0.5 h后緩慢下降，之后井口壓力約5 MPa持續(xù)24 h，后連續(xù)2 d基本維持在2 MPa左右，期間一直伴隨有氣液流泄出，3 d后放噴。施工后初期產(chǎn)量為2 t/d，由地震裂縫動態(tài)檢測儀器檢測懸浮液態(tài)炸藥爆炸時(shí)地層反響較大，爆炸作用地層明顯。該工藝首次現(xiàn)場工藝施工一次起爆成功，為探索與研究適用于水平井油層爆炸壓裂開發(fā)的新技術(shù)與工藝奠定基礎(chǔ)。

五、結(jié)論

(1)研制的爆速1 500～3 500 m/s低爆速液態(tài)炸藥，其爆炸性能設(shè)計(jì)參數(shù)適中可控，可適用于不同低滲油層巖性特征產(chǎn)生多裂縫縫網(wǎng)以松弛地層應(yīng)力，而且降低了爆炸后可能對油井地層巖石產(chǎn)生的壓碎壓實(shí)等破壞性為低滲水平井油層壓裂開發(fā)提供新的技術(shù)途徑。

(2)研制的液態(tài)炸藥經(jīng)模擬試驗(yàn)其起爆壓力10 MPa、溫度140℃地面條件下不會燃燒或爆炸，符合油田現(xiàn)場的安全使用條件。結(jié)合現(xiàn)場工藝試驗(yàn)參數(shù)，運(yùn)用爆炸力學(xué)相關(guān)理論探討了井下壓力及溫度的計(jì)算方法，與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果反映趨勢一致，為優(yōu)化液態(tài)藥性能參數(shù)及工藝設(shè)計(jì)方法提供了理論參考。

(3)經(jīng)在CZ44-58水平井現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用初步取得工藝成功，起爆后井口最大壓力約21 MPa，地震動態(tài)檢測反響較大，爆炸作用明顯。試驗(yàn)證明其液態(tài)炸藥通過柱塞泵注入水平井段、直井撞擊起爆+傳爆管線點(diǎn)火工藝的設(shè)計(jì)原理與施工方案可行，工藝安全可靠、具有可操作性。

(4)建議該技術(shù)進(jìn)一步開展現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集與優(yōu)化計(jì)算方法研究，使該項(xiàng)技術(shù)能在低滲油氣田及頁巖氣、煤層氣壓裂開發(fā)中試驗(yàn)應(yīng)用并發(fā)揮作用。

[1]康毅力，羅平亞.中國致密砂巖氣藏勘探開發(fā)關(guān)鍵工程技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].石油勘探與開發(fā)，2007，34(2)：239-245.

[2]王新杰，唐海，佘龍，等.低滲透油藏水平井裂縫參數(shù)優(yōu)化研究[J].巖性油氣藏，2014，26(5):129-132.

[3]劉新菊，董海英，王風(fēng)，等.特低滲油藏水平井開發(fā)效果評價(jià)及影響因素研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33(6)：318-325．

[4]張煥芝，何艷青，劉嘉，等.國外水平井分段壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].石油科技論壇，2012(6):47-52.

[5]Dan Themig.New Technologies Enhance Efficiency of Horizontal，Multistage Fracturing[J].Journal of Petroleum Technology，2011.

[6]吳晉軍.低滲油層層內(nèi)深度爆炸技術(shù)作用機(jī)理及工藝試驗(yàn)研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，26(1)：48-50．

[7]李克明，張曦.高能復(fù)合射孔技術(shù)及應(yīng)用[J].石油勘探與開發(fā)，2002，29(5)：91-92.

[8]吳晉軍，廖紅偉，張杰.水平井液體藥高能氣體壓裂技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用研究[J].鉆采工藝，2007，30(1)：50-53．

[9]吳晉軍，蘇愛明，王繼偉，等.多級強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)的試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2005，34(1)：77-80.

[10]劉殿中，楊仕春.工程爆破實(shí)用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.9：36-42.

[11]寧建國，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.11：93-98.

[12]王安仕，秦發(fā)動.高能氣體壓裂技術(shù)[M].陜西西安：西北大學(xué)出版社，1998.7：54-55.