硬質(zhì)合金鋁套管高能氣體壓裂可行性室內(nèi)研究

馮 雷，劉立磚，鄧 拓，李 春，范志坤

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中國(guó)石油(中國(guó))有限公司非常規(guī)油氣分公司，山西晉中 045400)

高能氣體微壓裂是提高非常規(guī)資源開采價(jià)值引入的創(chuàng)新技術(shù)，[1]該技術(shù)又稱作熱氣化學(xué)處理、脈沖壓裂、多裂縫壓裂等，近20年來在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展迅速[2]。高能氣體微壓裂(High Energy Gas Fracturing，簡(jiǎn)稱HEGF)作為一項(xiàng)完井改造增產(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，能夠解除地層污染，溝通更多的天然裂縫，改善近井地帶儲(chǔ)層滲流能力，已成功在我國(guó)陸地油田淺井、中深井取得成績(jī)，在深井中的應(yīng)用也在進(jìn)步[3]，尤其是在煤層氣開發(fā)過程中效果顯著[4]，考慮到安全因素在海上油田應(yīng)用還較少。相比于技術(shù)比較成熟的水力壓裂[5]，該技術(shù)特點(diǎn)主要為時(shí)間短、見效快、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、對(duì)油層無污染[6]。目前完井結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的“套管—水泥環(huán)—地層”結(jié)構(gòu)。在高能氣體微壓裂實(shí)施過程中，套管的性能十分重要，在不考慮井下介質(zhì)環(huán)境腐蝕的條件下，主要傷害來自火(炸)藥燃燒過程中高溫帶來的屈服破壞[7]、套管內(nèi)高壓與水泥環(huán)缺陷帶來的擠壓破壞[8]、射孔對(duì)套管強(qiáng)度的破壞[9]。因此套管的強(qiáng)度是該技術(shù)應(yīng)用過程中的重要控制因素，目前應(yīng)用的絕大多數(shù)為無縫鋼套管完井，鋁合金套管完井的則很少，幾乎未見報(bào)道[10]。鋁合金套管與鋼材套管相比，強(qiáng)度和耐溫性能都存在差距，這對(duì)高能氣體壓裂是不利的。但鋁合金套管具有密度低、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用將可能越來越多。高能氣體微壓裂技術(shù)能否在鋁合金套管完井的井中應(yīng)用，以此降低施工成本，關(guān)鍵在于地層中能否產(chǎn)生裂縫及是否對(duì)鋁合金套管產(chǎn)生破壞等方面的模擬與研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

高能氣體微壓裂的過程十分復(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(diǎn)[11]。室內(nèi)模擬試驗(yàn)是研究高能氣體微壓裂的有效手段。試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱四M井下鋁合金套管完井爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)的可行性，必須盡可能地模擬井下鋁合金套管完井爆燃?jí)毫训膶?shí)際情況[12]：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，模擬試驗(yàn)的火藥必須在有限的、密閉環(huán)境下進(jìn)行，同時(shí)當(dāng)壓力達(dá)到一定值后要有壓力釋放的通道，試驗(yàn)選取具有套管固井的帶圍壓水泥靶進(jìn)行。

試驗(yàn)設(shè)備由水泥靶、壓力發(fā)生器、壓力測(cè)量、溫度測(cè)量傳感器等系統(tǒng)組成。

制作水泥靶是模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵。試驗(yàn)時(shí)，水泥靶齡期為60 d，其外圍用鋼板箍緊，外徑為5.0 m，中心安置140 mm鋁合金套管，長(zhǎng)1.2 m，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，試驗(yàn)時(shí)用端蓋密封。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(cè)量是套管完井模擬試驗(yàn)需要獲得的重要參數(shù)。由于試驗(yàn)時(shí)鋁合金套管需要承受高壓和高溫的雙重作用，現(xiàn)有的壓力計(jì)不能承受過高的溫度，因此，為了保險(xiǎn)起見，試驗(yàn)時(shí)壓力的測(cè)量采用銅柱法，只測(cè)量試驗(yàn)時(shí)的峰值壓力，并在套管上、中、下3個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量。

溫度測(cè)量。爆燃?jí)毫褧r(shí)火藥燃燒的中心溫度可達(dá)850 ℃，地面試驗(yàn)時(shí)雖然套管內(nèi)充滿了水，但由于水的氣化及流失比較快，套管可能承受的溫度還會(huì)很高。目前由于儀器局限及試驗(yàn)空間的局限性無法用儀器直接測(cè)量。本試驗(yàn)選取標(biāo)準(zhǔn)金屬塊分別置于套管外壁上、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(cè)量溫度[13]。

2 模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

根據(jù)固體推進(jìn)劑的燃速與壓力呈指數(shù)關(guān)系的特性，井下高能氣體壓裂過程很快，通常只有幾十至幾百毫秒。所以，模擬試驗(yàn)開始階段推進(jìn)劑必須在有限且密閉的空間中燃燒，這樣才能達(dá)到巖石起裂的壓力；同時(shí)，當(dāng)壓裂達(dá)到一定值以后，必須有壓力釋放的通道，兩端密封的套管水泥靶能很好地模擬油氣井實(shí)際，利用射孔彈射孔建立的泄氣通道，當(dāng)套管內(nèi)壓力達(dá)到水泥靶的破裂壓力時(shí)，水泥靶產(chǎn)生裂縫，高能氣體進(jìn)入裂縫并誘導(dǎo)裂縫繼續(xù)延伸。

2.1 模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)擬采用分別每米裝填1.5 kg、2.0 kg等不同藥量下裂縫形態(tài)及對(duì)套管的影響，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施做出借鑒。將組裝好的起爆器的壓裂藥柱放置于套管中心，后灌滿清水，水面與套管上端平齊，以保證套管內(nèi)空氣能夠被排出，提高推進(jìn)劑的燃燒速度，連接起爆線后蓋緊上端蓋。

2.2 模型建立

模擬試驗(yàn)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)[14]。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試驗(yàn)條件下的爆燃加載曲線。模擬試驗(yàn)的整個(gè)過程在不到1 s的時(shí)間內(nèi)完成。模型建立進(jìn)行如下假設(shè)[15]：

(1)爆燃過程為絕熱過程；

(2)燃?xì)鉃橥耆珰怏w，符合理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT；

(3)火藥燃燒完全，燃燒產(chǎn)物組分不變；

(4)火藥燃燒服從由內(nèi)向外燃燒規(guī)律；

(5)試驗(yàn)采用固體推進(jìn)劑藥柱，其單節(jié)長(zhǎng)度為l，藥柱外徑為R0，內(nèi)徑為r，采用中心傳火，內(nèi)側(cè)表面點(diǎn)火燃燒方式。在整個(gè)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，建立高能氣體微壓裂模擬試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型[16-17]：

Vg=πr+δ2-πr2l=πl(wèi)δδ+2r

(1)

(2)

(3)

(4)

式中Vg——藥柱的燃燒體積，m3；

r——藥柱內(nèi)徑，m；

R0——藥柱外徑，m;

l——藥柱單節(jié)長(zhǎng)度，m；

δ——任意時(shí)刻t的藥柱厚，m；

u——火藥的燃燒速度，m/s；

ωo——火藥燃速系數(shù)，m/s；

p——套管內(nèi)平均壓力，MPa；

n——壓力指數(shù)；

VK——套管內(nèi)未被充填的自由容積，m3；

R——燃?xì)獬?shù)，通常等于2. 87 J/(kg·℃)；

閉環(huán)服務(wù)的踐行者——行唐金豐公社，實(shí)現(xiàn)菜單式托管土地2萬畝、全托管土地1萬畝，擁有社長(zhǎng)103名、社員5189戶，打通糧食收購(gòu)和銷售環(huán)節(jié)，從種到收再到售打造閉環(huán)服務(wù)，讓農(nóng)戶真正做起休閑農(nóng)場(chǎng)主。

T——套管內(nèi)的平均溫度，℃；

ρo——火藥的密度，kg/m3；

So——火藥的燃燒表面積，m2；

F——火藥力，J/kg；

Cg——比熱容，J/(kg·℃)。

3 試驗(yàn)程序

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

到目前為止，高能氣體壓裂微技術(shù)只是在鋼套管完井中進(jìn)行了大量的應(yīng)用，鋁合金套管完井的施工還是空白。射孔完井與高能氣體微壓裂技術(shù)在增產(chǎn)機(jī)理、施工工藝、火藥用量、管柱保護(hù)方面有很大區(qū)別，所以，需要對(duì)高能氣體微壓裂技術(shù)進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，研究清楚高能氣體微壓裂裂縫形態(tài)，鋁合金套管強(qiáng)度的變化，為高能氣體微壓裂技術(shù)在鋁合金套管完井的應(yīng)用提供試驗(yàn)支持。

3.2 試驗(yàn)方法

將射孔槍按照要求裝配好外部包裹推進(jìn)劑后置于混凝土靶上套管中，炮尾內(nèi)放置銅柱測(cè)壓器。位于套管中心，剩余空間注灌滿清水。連接腳線后蓋緊上端蓋，人員撤離后，起爆[18]。

3.3 試驗(yàn)步驟

(1)清理靶面，預(yù)留的螺紋扣清理干凈，確認(rèn)套管內(nèi)部沒有異物。

(2)推進(jìn)劑稱重，射孔槍外壁均勻涂抹黏合劑，將推進(jìn)劑粘貼在射孔槍外壁。

圖1 包裹推進(jìn)劑的射孔器Fig.1 Perforator for wrapping propellant

(3)放線：將起爆電線一端置于掩體(本試驗(yàn)為廠房)內(nèi)，正負(fù)對(duì)接，置于混凝土靶附近，測(cè)量起爆線電阻確認(rèn)正常。

(4)組裝射孔槍：將射孔彈按裝配要求裝入彈架，射孔彈出口與盲孔對(duì)正，裝測(cè)壓器于炮尾內(nèi)，將射孔槍與炮尾連接，將電起爆器套密封圈密封面涂黃油與射孔槍另一端連接，使用儀表檢測(cè)起爆器電阻，看是否能滿足起爆要求。

(5)將組裝好檢測(cè)無誤的射孔器置于套中。連接起爆腳線。腳線由事先在端蓋上的預(yù)留孔穿出(孔徑4 mm)。

(6)灌注清水至套管端面，擰緊上端蓋。

(7)清理場(chǎng)地，無關(guān)人員嚴(yán)禁進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域，其余人員撤離至廠房?jī)?nèi)，起爆器充電，再次確認(rèn)試驗(yàn)區(qū)沒有人員后，倒計(jì)時(shí)3 s后起爆。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了使模擬試驗(yàn)更能體現(xiàn)實(shí)際施工需要，模擬試驗(yàn)選取了耐溫、燃速不同、應(yīng)用廣泛的復(fù)合推進(jìn)劑和雙芳-3兩種火藥，火藥性能參數(shù)見表1。根據(jù)制定的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)程序分別進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3及表2所示。

表1 試驗(yàn)用火藥性能參數(shù)表Table 1 Parameters of the gunpowder performance

試驗(yàn)結(jié)果分析：

(1)從圖2可看出模擬試驗(yàn)水泥靶都在火藥燃燒產(chǎn)壓下產(chǎn)生了裂縫，裂縫條數(shù)為2～4條，裂縫之間的相位分別為90°，說明高能氣體微壓裂產(chǎn)生的裂縫彼此方位具有一定程度上呈法相性，單縫開裂方向不受水泥靶應(yīng)力狀態(tài)影響，具有隨機(jī)性。

(2)當(dāng)火藥藥量增加、峰值壓力增大時(shí)產(chǎn)生裂縫條數(shù)增加，峰值壓力越大，產(chǎn)生的裂縫條數(shù)越多，這主要是當(dāng)峰值壓力較大時(shí)，極短時(shí)間產(chǎn)生巨大能量，需要有多條裂縫來釋放套管中的壓力。

(3)試驗(yàn)后140 mm硬質(zhì)合金鋁套管內(nèi)外徑幾乎無變化，沒有出現(xiàn)擴(kuò)徑或縮徑現(xiàn)象，在該高溫高壓條件下，硬質(zhì)鋁合金套管保持原有強(qiáng)度性能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與表面形狀均未遭到破壞。

圖2 模擬試驗(yàn)前后水泥靶裂縫形態(tài)Fig.2 Fracture morphology of the cement target before and after the simulation

圖3 試驗(yàn)后鋁合金套管剖面情況Fig.3 Aluminium alloy casing section after the experiment

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Form of experimental results

5 結(jié)論

(1)可以用兩端密閉的、帶套管的水泥靶來模擬高能氣體微壓裂過程，模擬試驗(yàn)表明了套管完井中可利用高能氣體壓裂產(chǎn)生的多裂縫體系來進(jìn)行增產(chǎn)作業(yè)。

(2)高能氣體微壓裂的增產(chǎn)機(jī)理是利用火藥燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體對(duì)目的層迅速做功，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)試驗(yàn)后140 mm硬質(zhì)合金鋁套管內(nèi)外徑無明顯變化，套管本體內(nèi)部與表面結(jié)構(gòu)均未發(fā)生變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，在硬質(zhì)合金鋁套管完井內(nèi)進(jìn)行高能氣體微壓裂增產(chǎn)技術(shù)是安全可行的。