東海深層致密氣藏爆燃壓裂技術(shù)優(yōu)化

孫 林，郭士生，熊培祺，李旭光

（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.中海石油（中國）有限公司，上海200335）

東海深層致密氣藏主要包括天外天、殘月、黃巖和寧波等氣田群［1］，具有儲層埋藏深、跨度大、高溫、高壓、物性差和近水等特點，其高效開發(fā)屬于世界級難題，并作為“十三五”國家能源發(fā)展戰(zhàn)略中一個重要環(huán)節(jié)。目前東海海域增產(chǎn)措施以水力壓裂、酸化壓裂等技術(shù)為主［2-3］，已完成19口井的水力壓裂和6口井的酸化壓裂，而88%的井因地層出水而導(dǎo)致措施實施效果不理想。為解決東海深層致密氣藏改造增產(chǎn)難題，中海油下屬研究機構(gòu)進行爆燃壓裂技術(shù)優(yōu)化。

1 東海深層致密氣藏特點

東海海域氣井井況特殊，具有以下典型特點：①埋藏深、溫度高、壓力大。埋深為3 800～5 000 m，地層溫度為150～180 ℃，壓力系數(shù)為1.1～2.0，地層壓力為40～90 MPa。②以特低滲透氣藏為主，氣層厚度大，非均質(zhì)性強。儲層滲透率為 0.1～10 mD［4］，僅平黃開發(fā)區(qū)和寧波氣田群天然氣儲量達28 374×108m3，儲量主要分布在滲透率為0.1～1 mD的特低滲透氣藏中，單層厚度為100～150 m，滲透率級差達300倍。③縱向跨度大，主力氣層多，儲層近水?？v向跨度達1 000～1 200 m，存在多個主力層，儲層距離水層約為3～15 m。

2 爆燃壓裂技術(shù)研究難點

爆燃壓裂技術(shù)在中國應(yīng)用已經(jīng)有30 a歷史，該技術(shù)特別適合于低滲透近水油藏的壓裂增產(chǎn)［5-12］，是目前海上油田重點發(fā)展的低成本氣體壓裂技術(shù)［13］。但針對東海深層致密氣藏，該技術(shù)應(yīng)用存在3大難點：①火藥耐高溫性能差。目前中國火藥耐溫僅為120～150℃，對于東海150～180℃高溫地層，需要耐高溫等級更高的火藥。②氣井爆燃壓裂產(chǎn)能評估與裂縫相關(guān)性研究相對欠缺。目前中國爆燃壓裂技術(shù)均在油水井中規(guī)模應(yīng)用［5-12］，并形成了較多理論［14-19］，但對氣井爆燃壓裂產(chǎn)能評估與裂縫相關(guān)性研究相對欠缺，不能通過氣井產(chǎn)能需求來反向指導(dǎo)設(shè)計。③探井爆燃壓裂聯(lián)作實施程序繁瑣或低效。目前東海探井需要進行射孔和測試，單獨一趟爆燃管柱施工存在程序繁瑣、易造成儲層傷害等問題，而且一趟管柱聯(lián)作施工上采用袖套式裝藥存在峰值壓力高、井下作業(yè)不安全等弊端。

3 爆燃壓裂技術(shù)優(yōu)化

3.1 耐高溫火藥研制與性能評價

目前中國爆燃壓裂火藥大致分為發(fā)射藥和固體推進劑2種類型，其中發(fā)射藥主要應(yīng)用于中淺層井，火藥性能穩(wěn)定，但不耐高溫，應(yīng)用于120℃以下、埋深小于3 000 m且地層壓力系數(shù)大于0.6的井況；固體推進劑一般應(yīng)用于耐溫為120～150 ℃［20］、埋深小于5 000 m且地層壓力系數(shù)大于0.6的井況。

為適應(yīng)東海氣藏的要求，優(yōu)選更具耐溫性的質(zhì)量分數(shù)為35%～60%的高氯酸鉀［20-21］為固體氧化劑，質(zhì)量分數(shù)為10%～25%的耐高溫環(huán)氧樹脂為高分子粘合劑，再復(fù)合耐高溫的質(zhì)量分數(shù)為5%～10%的橡膠、質(zhì)量分數(shù)為2%～15%的敏感劑、質(zhì)量分數(shù)為1%～3%的固化劑等材料，采用淤漿澆注工藝，工藝流程為依次將材料加入混合機，攪拌90 min后出料，將藥劑置入模具中，固化后取出，即為新研制出的耐高溫火藥。

按照 WJ/Z9034［22］和 GJB770B［23］測試其耐溫性能和燃燒性能，經(jīng)測試火藥密度為1.47 g/cm3，在環(huán)境壓力為6 MPa條件下的燃燒速度為4.2 mm/s，且該火藥在200℃下耐溫達48 h。

3.2 氣井爆燃壓裂產(chǎn)能相關(guān)性研究

3.2.1 氣井爆燃壓裂產(chǎn)能及增產(chǎn)倍比模型

爆燃壓裂裂縫模型［14-19］相對成熟，但產(chǎn)能模型中，油水井與氣井存在較大差異，按照氣井非達西流動，其產(chǎn)能表達式為：

爆燃壓裂的多裂縫可按多分支井模型考慮，產(chǎn)能一般通過復(fù)變函數(shù)中的復(fù)分析進行推導(dǎo)，爆燃壓裂后產(chǎn)能表達式為：

由于爆燃壓裂所形成的裂縫高度遠小于裂縫長度，因此（2）式可以簡化為：

由此可知氣井增產(chǎn)倍比公式為：

3.2.2 氣井產(chǎn)能與裂縫參數(shù)相關(guān)性分析

為研究氣井爆燃壓裂產(chǎn)能相關(guān)性，基于東海A氣井固定參數(shù)（表1）進行模擬，先計算達到所需產(chǎn)能的裂縫形態(tài)，然后改變火藥參數(shù)中的火藥力、尺寸、燃燒速度和用量等變量，最終優(yōu)選符合安全壓力和裂縫形態(tài)下的方案。

表1 東海A氣井固定參數(shù)Table1 Parameters for Gas Well A in East China Sea

表2 東海A氣井內(nèi)置式火藥模擬結(jié)果Table2 Simulation result of Gas Well A fractured with build-in propellant in East China Sea

由模擬結(jié)果（圖1）可知，東海A氣井產(chǎn)氣量與裂縫的長度和數(shù)量均呈正相關(guān)，由于該井需達到5.00×104m3/d以上經(jīng)濟開發(fā)產(chǎn)氣量，因此，當(dāng)裂縫參數(shù)為3，4和5～8條時，其裂縫長度分別需達到8，7和6 m。

圖1 東海A氣井產(chǎn)氣量與裂縫長度和數(shù)量的相關(guān)性Fig.1 Correlation between gas production rate and fracture length of Gas Well A in East China Sea

內(nèi)置式火藥參數(shù)優(yōu)化方案 選取火藥力分別為670和960 kJ/kg。火藥外徑分別為95和67 mm，內(nèi)徑均為26 mm?；鹚幦紵俣鹊燃壏謩e為中、低燃燒速度，在環(huán)境壓力為150 MPa下分別為60.4和38.8 mm/s，且在0～150 MPa下均隨著壓力的升高而增加，在相同環(huán)境壓力下中燃燒速度遠大于低燃燒速度（圖2）?；鹚幜堪?.5 m一節(jié)火藥長度不斷增加。

由模擬結(jié)果（表2）可知，在相同火藥量情況下，火藥力越大、火藥越細、燃燒速度越快，峰值壓力越大，越易獲得更多裂縫數(shù)量或更大裂縫長度。如果峰值壓力處于安全范圍內(nèi)，即可推薦此類火藥，如果需要從安全角度考慮控制峰值壓力，則采用相反設(shè)計思路。

圖2 東海A氣井中、低火藥燃燒速度與環(huán)境壓力的關(guān)系Fig.2 Relationship between the burning rate of medium and low burning rate propellant and environment pressure of Gas Well A in East China Sea

根據(jù)模擬結(jié)果，形成2種方案。方案1：當(dāng)火藥力為960 kJ/kg，火藥外徑為67 mm，中燃燒速度時，至少需火藥量為37.5 kg，峰值壓力可達91.8 MPa，裂縫數(shù)量為5條，裂縫長度為6.8 m。方案2：當(dāng)火藥力為670 kJ/kg，火藥外徑為95 mm，低燃燒速度時，至少需火藥量為120 kg，峰值壓力可達79.1 MPa，裂縫數(shù)量為8條，裂縫長度為6.4 m。根據(jù)該井套管承壓情況，最大峰值壓力需限制為131.5 MPa，因此2種方案均可實現(xiàn)。

袖套式火藥參數(shù)優(yōu)化方案 選取火藥力分別為670和960 kJ/kg；火藥外徑分別為124和112 mm，內(nèi)徑均比外徑小10 mm；火藥燃燒速度等級仍分別為中燃燒速度和低燃燒速度（表3）；火藥量按0.5 m一節(jié)火藥長度不斷增加。

由模擬結(jié)果（表3）可知，袖套式火藥模擬特征和內(nèi)置式模擬特征一致，但袖套式火藥的起壓峰值壓力普遍較高，考慮到井筒安全的限壓為131.5 MPa，因此，優(yōu)選火藥力為670 kJ/kg，火藥外徑為112 mm，低燃燒速度時，至少需火藥量為65 kg，峰值壓力可達119.9 MPa，裂縫數(shù)量為5條，裂縫長度為6.4 m。

表3 東海A氣井袖套式火藥模擬結(jié)果Table3 Simulation result of Gas Well A fractured with sleeve propellant in East China Sea

圖3 東海A氣井TCP射孔-HEGF爆燃壓裂-APR測試聯(lián)作管柱Fig.3 TCP-HEGF-APR integration pipe of Gas Well A in East China Sea

3.3 TCP射孔-HEGF爆燃壓裂-APR測試聯(lián)作管柱

3.3.1 聯(lián)作測試管柱

如圖3所示，該管柱可實現(xiàn)TCP射孔-HEGF爆燃壓裂-APR測試一體化聯(lián)作。該管柱實施程序簡單，節(jié)省50%起下管柱的作業(yè)時間；環(huán)空加壓負壓射孔，減少儲層傷害，避免爆燃壓裂井口噴液問題；使用封隔器坐封，防止井筒噴液和瞬時高壓對APR測試影響；采用環(huán)空加壓起爆，同時還降低封隔器承壓風(fēng)險。

3.3.2 聯(lián)作思路

由于A氣井為深層探井，射孔后單獨采用一趟爆燃壓裂管柱，存在起下鉆作業(yè)繁瑣，易造成儲層傷害等問題，因此急需采用一趟管柱思路，目前中國類似深層氣井多采用袖套式聯(lián)作方法［24-25］，而根據(jù)該井袖套式火藥計算結(jié)果，火藥量為65 kg至少需長度為25 m的壓裂槍，而該井射孔段長度為5 m，存在壓裂槍工具組件多、峰值壓裂高、作用層段不匹配等問題。因此，該井采用射孔槍下掛式壓裂槍裝藥的聯(lián)作思路，根據(jù)內(nèi)置式火藥模擬結(jié)果，優(yōu)選方案1的火藥量為37.5 kg僅需長度為7.5 m的壓裂槍即可。

4 結(jié)論

東海海域氣井儲層具有埋藏深、跨度大、高溫、高壓、物性差、近水等特點，存在火藥耐高溫差、氣井爆燃壓裂產(chǎn)能評估與裂縫相關(guān)性研究相對欠缺和探井爆燃壓裂聯(lián)作實施程序繁瑣或低效等問題。為此，優(yōu)選更具耐溫性的高氯酸鉀為固體氧化劑、耐高溫環(huán)氧樹脂為高分子粘合劑，再復(fù)合耐高溫橡膠、敏感劑、固化劑等材料，采用淤漿澆注工藝，研制出耐高溫火藥，經(jīng)檢測火藥可耐200℃高溫達48 h。根據(jù)氣井非達西流動產(chǎn)能公式和爆燃壓裂后多裂縫模型，推導(dǎo)了爆燃壓裂后氣井產(chǎn)能和增產(chǎn)倍比模型，進行了氣井產(chǎn)能與裂縫參數(shù)相關(guān)性分析，并優(yōu)選了內(nèi)置式和袖套式2種火藥在不同火藥參數(shù)下的方案。形成了TCP射孔-HEGF爆燃壓裂-APR測試聯(lián)作一體化管柱，節(jié)省50%起下管柱的作業(yè)時間，減小儲層傷害，提高井下作業(yè)管柱安全性。

符號解釋

qsc——標準狀況下的產(chǎn)氣量，m3/d；K——滲透率，mD；h——氣層有效厚度，m；pe——地層壓力，MPa；pwf——井底流壓，MPa；T——氣層溫度，K；μˉ——平均壓力下氣體的平均黏度，mPa·s；Zˉ——平均壓力下氣體的平均偏差系數(shù)；re——供給邊界半徑，m；rw——井眼半徑，m；S'——視表皮系數(shù)；qscf——爆燃壓裂后標準狀況下的產(chǎn)氣量，m3/d；F——裂縫指數(shù)，41/n；L——單條裂縫長度，m；n——裂縫數(shù)量，條；η——增產(chǎn)倍比。