篩管完井高能氣體壓裂模擬實驗研究

張 杰， 黃利平， 周際永， 孫 林， 馮 煊， 張 鑫

(1西安石油大學石油工程學院 2中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 3西安石油大學油氣科技有限公司)

高能氣體壓裂作為一項油氣井增產(chǎn)技術(shù)措施，由于其升壓速率快，可形成多方位的裂縫體系，解除地層污染、溝通天然裂縫，改善近井地帶儲層滲流能力，已在我國進行了大量的現(xiàn)場應(yīng)用。但目前應(yīng)用的絕大多數(shù)為套管完井，篩管完井的則很少，幾乎未見報道[1]，而我國現(xiàn)有大量的篩管完井需要進行儲層增產(chǎn)改造。高能氣體壓裂技術(shù)能否在篩管完井的井中進行應(yīng)用、能否在地層中產(chǎn)生裂縫及能否對篩管產(chǎn)生破壞等方面需要進行研究。

一、實驗設(shè)計

篩管完井高能氣體壓裂的過程十分復(fù)雜，具有沖擊破巖的瞬態(tài)性、復(fù)雜性，及難以用理論精確描述的特點[2]，模擬實驗是研究篩管完井高能氣體壓裂的有效手段。實驗?zāi)康氖菫榱四M井下篩管完井爆燃壓裂技術(shù)可行性及對篩管防砂性能的影響，必須盡可能的模擬井下篩管完井爆燃壓裂的實際情況：①峰值壓力高于地層破裂壓力；②加載速率快。根據(jù)火藥的燃燒特性，模擬實驗的火藥必須在有限的、密閉環(huán)境下進行，同時當壓力達到了一定的值后要有壓力釋放的通道，實驗選取具有套管固井的帶圍壓水泥靶進行。

實驗設(shè)備由水泥靶、壓力發(fā)生器、壓力測量、溫度測量等系統(tǒng)組成。

水泥靶是模擬實驗的關(guān)鍵。實驗時，水泥靶齡期為60 d，其外圍用鋼板箍緊，外徑為3.5 m，中心安置?244.5 mm套管，長1.2 m，套管周圍開有直徑為5 mm、相位30°的泄氣孔，套管兩端加工有絲扣，一端用端蓋擰緊預(yù)制于混凝土中，另一端絲扣露在混凝土外面，實驗時用端蓋密封。在套管外澆鑄0.2 m厚的水泥環(huán)(澆鑄時泄氣孔外用膠密封，防止水泥漿進入泄氣孔而堵塞泄氣通道)，然后在水泥環(huán)與鋼板之間澆鑄水泥砂漿以模擬地層巖石。

壓力測量是篩管完井模擬實驗需要獲得的重要參數(shù)。由于實驗時篩管需要承受高壓和高溫的雙重作用，現(xiàn)有的壓力計不能承受過高的溫度，為了保險起見，實驗時壓力的測量采用銅柱法，只測量實驗時的峰值壓力，并在篩管上、中、下三個部位進行測量。

溫度測量。爆燃壓裂時火藥燃燒的中心溫度可達850℃，地面實驗時雖然篩管內(nèi)充滿了水，但由于水的氣化及流失比較快，篩管可能承受的溫度還會很高。目前由于儀器局限及實驗空間的局限性無法用儀器直接測量。本實驗選取標準金屬塊分別置于篩管外壁上、中、下位置。依據(jù)溫度分布范圍分別選取了99.9%的鉛塊、鋅塊、鋁塊和銅塊來測量溫度[3]。

二、模擬實驗?zāi)Ｐ徒?/h2>

1.模擬實驗裝置設(shè)計

實驗用篩管的長度設(shè)計為900 mm，先置于混凝土靶內(nèi)的套管中的扶正器內(nèi)，居中后在篩管與套管的環(huán)空位置中加入細砂，砂面與篩管平齊，將組裝好的起爆器的推進劑藥柱放置于篩管中心，后灌滿清水，水面與套管上端平齊，以保證套管內(nèi)空氣被排出，提高推進劑的燃燒速度，連接起爆線后蓋緊上端蓋(模擬實驗裝置如圖1所示)。

圖1 模擬實驗示意圖

2. 模型建立

模擬實驗峰值壓力與藥量、火藥種類、火藥所占密閉空間體積及火藥的燃燒規(guī)律有關(guān)[4]。峰值壓力的確定與火藥爆燃形成的加載速率關(guān)系緊密，因此要建立火藥在密封模擬實驗條件下的爆燃加載曲線。模擬實驗的整個過程在不到1 s的時間內(nèi)完成。

模型建立進行如下假設(shè):①爆燃過程為絕熱過程；②燃氣為完全氣體，符合氣體狀態(tài)方程；③火藥燃燒完全，燃燒產(chǎn)物組分不變；④火藥燃燒服從從內(nèi)向外燃燒規(guī)律；⑤實驗采用固體推進劑藥柱，其單節(jié)長度為lmm，藥柱外徑為Rmm，內(nèi)徑為rmm，采用中心傳火，內(nèi)側(cè)表面點火燃燒方式。在整個爆燃過程中根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、火藥燃燒速度模型和幾何平衡關(guān)系，建立篩管完井高能氣體壓裂模擬實驗的物理模型為[5-6]:

PV=nRT理想氣體狀態(tài)方程

Vg=[π(r+δ)2-πr2]l=πl(wèi)δ(δ+2r) 幾何平衡

式中：Vg—藥柱的燃燒體積，m3;ω0—火藥燃速系數(shù)，m/s;u—火藥的燃燒速度，m/s;δ—任意時刻t藥柱肉厚，m；n—壓力指數(shù)；ρ0—火藥的密度，kg/m3；VK—套管內(nèi)未被充填自由容積，m3；S0—火藥的燃燒表面積，m2；p—套管內(nèi)平均壓力，MPa;R—燃氣常數(shù)，通常等于2. 87 J/kg℃;f—火藥力，J/kg;T—套管內(nèi)的平均溫度，℃。

三、實驗程序

1. 實驗?zāi)康?/h3>

到目前為止，高能氣體壓裂技術(shù)只是在套管完井中進行了大量的應(yīng)用，篩管完井的施工還是空白。射孔完井與篩管完井高能氣體壓裂技術(shù)在增產(chǎn)機理、施工工藝、火藥用量、管柱保護方面有很大區(qū)別，所以，需要對篩管完井高能氣體壓裂技術(shù)進行地面模擬實驗，搞清篩管完井高能氣體壓裂裂縫形態(tài)，篩管強度及防砂性能等方面的變化[7-8]，為高能氣體壓裂技術(shù)在篩管完井的應(yīng)用提供實驗支持。

2.實驗方法

將外壁上中下位置固定好銅柱測壓器和溫度標定金屬塊的優(yōu)質(zhì)和星孔篩管分別置于混凝土靶的套管中，居中后在環(huán)空位置加入干河砂，與篩管平齊。將組裝好的起爆器的及推進劑藥柱放置于篩管中心，剩余空間注灌滿清水。連接腳線后蓋緊上端蓋，人員撤離后，點火。

四、實驗結(jié)果及分析

為了使模擬實驗更能體現(xiàn)實際施工需要，模擬實驗選取了耐溫、燃速不同、應(yīng)用廣泛的復(fù)合推進劑和雙芳-3兩種火藥。篩管分別選取了常用的橋式復(fù)合篩管和星孔篩管。根據(jù)制定的實驗方案和實驗程序分別進行了模擬實驗，實驗結(jié)果如圖2和表2所示。

實驗結(jié)果分析：①從圖2和表2可以看出5組模擬實驗水泥靶都產(chǎn)生了裂縫，裂縫條數(shù)為2～4條，裂縫之間的相位分別為180°、45°、90°，這同套管上30°相位卸壓孔不完全重合，說明篩管完井高能氣體壓裂產(chǎn)生的裂縫方位具有一定的隨機性；②產(chǎn)生裂縫條數(shù)與峰值壓力有關(guān)，峰值壓力越大，產(chǎn)生的裂縫條數(shù)越多，這主要是當峰值壓力較大時，就需要有多條裂縫來釋放套管中的壓力；③高能氣體壓裂過后篩管的防砂性能都有不同程度的降低，舊篩管的防砂性能比新篩管下降的要多，這主要是舊篩管中金屬繞絲的強度比新篩管低，所能承受的高能氣體壓裂過程中產(chǎn)生的壓力較低，在同等壓力的情況下，舊篩管的防砂性能下降就比較多，這也說明在實際篩管完井中進行高能氣體壓裂時要適當考慮篩管的新舊程度，當篩管較舊時，要適當減少藥量。

圖2 模擬實驗前后水泥靶裂縫形態(tài)圖

表2 模擬實驗數(shù)據(jù)表

五、結(jié)論

(1)可以用兩端密閉的、帶套管的水泥靶來模擬篩管完井高能氣體壓裂過程，模擬實驗表明了篩管完井中可利用高能氣體壓裂產(chǎn)生的多裂縫體系來進行增產(chǎn)作業(yè)。

(2)篩管完井高能氣體壓裂的增產(chǎn)機理是利用火藥燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體對目的層做功，在地層產(chǎn)生2～4條裂縫，裂縫條數(shù)與峰值壓力有關(guān)，峰值壓力越大，產(chǎn)生裂縫條數(shù)越多。

(3)模擬實驗表明了篩管完井中高能氣體壓裂過程中產(chǎn)生的高壓氣體沖擊后，篩管結(jié)構(gòu)不會被破壞，篩管防砂性能略有下降，舊篩管防砂性能比新篩管下降得多，在進行高能氣體壓裂設(shè)計時要考慮篩管新舊程度。