海上油田爆燃壓裂技術(shù)研究與現(xiàn)場試驗

孫 林， 楊萬有， 李旭光， 熊培祺

（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）

我國海上油田低滲透油氣儲量大，動用程度低，大部分儲層還具有層薄、近水等特點，技術(shù)措施實施費用高、風(fēng)險大，水力壓裂等常用增產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用受到限制[1-3]，挖潛技術(shù)手段有限。爆燃壓裂技術(shù)是一項成本低、適用性廣和特別適用于近水儲層改造的氣體壓裂技術(shù)，我國已經(jīng)研究應(yīng)用30 余年，實施井達(dá)上萬井次。其中，該技術(shù)應(yīng)用最多的陸地油田是長慶油田，年施工達(dá)2 000 余口井。西安石油大學(xué)、中國石油大學(xué)（華東）等院校均對該技術(shù)進(jìn)行了科研攻關(guān)，研究重點包括火藥發(fā)生器、中深井峰值壓力及裂縫形態(tài)模擬及監(jiān)測、電纜施工工藝、室內(nèi)模擬試驗和井筒安全等方面[4]。

截至目前，我國尚未進(jìn)行海上油田爆燃壓裂技術(shù)適應(yīng)性研究。若直接應(yīng)用陸地油田爆燃壓裂相關(guān)技術(shù)，存在較大安全隱患；同時，海上油田要求達(dá)到比陸地油田更顯著的增產(chǎn)效果。為了解決海上油田爆燃壓裂技術(shù)應(yīng)用的安全性問題，筆者研制了耐高溫、低火藥力推進(jìn)劑火藥，建立了高精度爆燃壓裂模擬模型，進(jìn)行了篩管地面打靶實驗，采用安全管柱組件并進(jìn)行安全校核，研究了海上油田井口泄壓方法；為了解決壓裂后的高效增產(chǎn)難題，采用低燃速推進(jìn)劑火藥，強(qiáng)化軟件模擬，并與酸化技術(shù)進(jìn)行了聯(lián)作，形成了海上油田爆燃壓裂技術(shù)， 并在8 口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，管柱均無安全問題，且取得了較好的增產(chǎn)效果，單井平均增產(chǎn)倍比提高至17.3倍，平均單井增油量43.1 m3/d。

1 海上油田爆燃壓裂的主要難點

爆燃壓裂技術(shù)也稱高能氣體壓裂技術(shù)，是利用火藥在儲層部位燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體壓出多條徑向裂縫的增產(chǎn)改造技術(shù)。燃燒產(chǎn)生的氣體主要包括CO2、N2和HCl 等，可以在1 s 內(nèi)達(dá)到幾十甚至上百兆帕的壓力，一般為地層破裂壓力的1.1～2.0 倍，從而在儲層中產(chǎn)生3～8 條不受地應(yīng)力控制的徑向微裂縫，裂縫縫長最長可達(dá)15 m，且裂縫不閉合；同時，高溫燃?xì)膺€具有降黏和有機(jī)解堵等作用。該技術(shù)在陸地油田應(yīng)用較為成熟，主要用于近水低滲透儲層改造。

海上油田迫切需要利用爆燃壓裂技術(shù)的優(yōu)勢，對近水低滲儲層進(jìn)行挖潛增產(chǎn)，但由于海上油田開采方式和產(chǎn)量需求有別于陸地，需要重點解決該技術(shù)在海上油田應(yīng)用的安全性和壓裂后高效增產(chǎn)2 方面的技術(shù)難點。

1）爆燃壓裂技術(shù)在海上油田應(yīng)用的安全性。海上油田若直接應(yīng)用陸地油田爆燃壓裂技術(shù)，則可能出現(xiàn)火藥產(chǎn)生的高峰值壓力造成完井管柱破壞、井下落物[4-7]、火藥不耐高溫和海上平臺井控安全[8-12]等諸多問題。陸地油田（以長慶油田為例）和海上油田爆燃壓裂技術(shù)應(yīng)用條件對比如表1 所示。

表 1 陸地和海上油田爆燃壓裂技術(shù)應(yīng)用條件對比Table 1 Comparison of the application conditions of deflagration fracturing technology with onshore and offshore oilfields

2）爆燃壓裂技術(shù)在海上油田具有更顯著的增產(chǎn)效果。海上油田開發(fā)具有高投入、高收益的特點，鉆井及工程費用一般是陸地油田的16～65 倍，因此單井產(chǎn)油量也需要達(dá)到陸地油田的十余倍，才能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)。目前陸地油田爆燃壓裂技術(shù)單井增產(chǎn)倍比為2.0～2.5 倍，而海上油田需要增產(chǎn)倍比達(dá)5.0 倍以上，才能滿足基本要求。

2 爆燃壓裂關(guān)鍵技術(shù)研究

基于海上油田爆燃壓裂要求，研究了推進(jìn)劑火藥、精準(zhǔn)模擬技術(shù)、地面打靶試驗、安全管柱組件及安全校核和井口泄壓方法等關(guān)鍵技術(shù)，形成了海上油田爆燃壓裂安全控制技術(shù)和高效增產(chǎn)技術(shù)。

2.1 海上油田爆燃壓裂安全控制技術(shù)

2.1.1 耐高溫、低火藥力推進(jìn)劑火藥

目前爆燃壓裂火藥主要采用軍工雙基藥和航天推進(jìn)劑火藥2 類，軍工雙基藥耐溫不超過120 ℃，而常規(guī)航天推進(jìn)劑火藥耐溫為120～160 ℃。因此，針對海上油田的需求，開發(fā)了以高氯酸鉀、耐高溫環(huán)氧樹脂和橡膠等成分為主的耐高溫推進(jìn)劑火藥，經(jīng)測試該火藥耐溫可達(dá)200 ℃，基本滿足目前海上油田作業(yè)需求。

同時，由于海上油田的φ244.5 mm 套管和篩管抗壓強(qiáng)度更低，對火藥性能也提出了新的要求，因為爆燃壓裂的高峰值壓力是主要的不安全因素。前人的研究結(jié)果表明[12-15]，火藥力越小，火藥用量相同的情況下越容易產(chǎn)生低峰值壓力，也相對安全。因此，要求火藥具有低火藥力。

密閉爆發(fā)器試驗測定結(jié)果顯示，耐高溫推進(jìn)劑火藥的火藥力為670 kJ/kg，而陸地油田常用火藥的火藥力為960 kJ/kg。

2.1.2 高精度爆燃壓裂模擬模型

高精度爆燃壓裂模擬可提供更為準(zhǔn)確的峰值壓力計算，提前進(jìn)行安全控制工作，目前國內(nèi)對于爆燃壓裂壓力模型研究主要分為簡易模型和復(fù)雜模型[12-15]2 類，海上油田在研發(fā)復(fù)雜模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了爆燃壓裂理論體系，修正了部分模型存在的單位不統(tǒng)一、物理意義模糊和模擬功能范圍窄等問題，同時建立了應(yīng)用范圍更廣的壓擋液運動模型[16]，采用微分方程顯式離散求解規(guī)則進(jìn)行求解，并用隱式迭代方法來提高計算精度和數(shù)據(jù)收斂性，基于該成果編制了海上油田爆燃壓裂軟件[17]。修正的復(fù)雜模型計算公式為：

式中：p 為氣體燃燒腔室壓力，Pa；f 為火藥力，J/kg；ρn為火藥密度，kg/m3；m 為火藥總質(zhì)量，kg；Ψ 為火藥燃燒比； γ為絕熱系數(shù)； Qr為傳熱量，J；S 為井筒橫截面積，m2；v 為液柱運動速度，m/s； Vt為液體進(jìn)入裂縫的體積，m3； pTg為 套管外部氣體壓力，Pa； VTg為進(jìn)入裂縫的氣體體積，m3； Vψ為火藥柱燃燒掉的體積，m3；x 為液柱向上運動的距離，m。

利用式（1）可以求解不同參數(shù)的火藥在特定的井筒條件中、不同時間下峰值壓力的變化情況，從而可以提前優(yōu)選火藥參數(shù)，進(jìn)行壓力安全控制。采用海上油田HZ19-2-7Sa 井的相關(guān)數(shù)據(jù)，分別用吳晉軍等人[15]采用的井筒壓力與裝藥量簡易模型和修正的復(fù)雜模型進(jìn)行計算。簡易模型的峰值壓力模擬值為110.4 MPa，實測井下峰值壓力達(dá)132.2 MPa，模擬精度為83.5%；修正的復(fù)雜模型峰值壓力模擬值為127.8 MPa，模擬精度達(dá)96.6%。

2.1.3 篩管地面打靶試驗

為了驗證海上油田篩管完井后爆燃壓裂的可行性，進(jìn)行了前瞻性的篩管地面打靶試驗研究[18-19]。10 余組打靶試驗結(jié)果表明，復(fù)合篩管在合適火藥類型及用量情況下可進(jìn)行爆燃壓裂作業(yè)，為國內(nèi)外首次在采用復(fù)合篩管完井的油氣井（HZ26-1-20Sb 井）進(jìn)行爆燃壓裂作業(yè)提供了參考[18]。

2.1.4 安全管柱組件及安全校核

1）安全管柱組件。

安全管柱組件包括鉆桿、加厚變扣、縱向減振器、丟手裝置、啟動單元、壓裂槍和空壓裂槍，以上工具需要根據(jù)井筒尺寸和施工模擬峰值壓力合理優(yōu)選。其中，縱向減振器主要是為了防止管柱上竄，減小縱向位移，基于現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗，建議在起爆器上和距離起爆器30 m 左右位置，至少各放置一個；丟手裝置主要是為了防止在大斜度井或水平井作業(yè)時可能出現(xiàn)的卡槍而設(shè)置的；空壓裂槍是為了避免火藥用量過于集中、瞬時壓力過高而設(shè)置的；壓裂槍則根據(jù)井筒直徑可選擇φ50.8～φ177.8 mm 等不同外徑，但為了降低卡槍風(fēng)險，壓裂槍直徑宜比作業(yè)井段最小內(nèi)徑小16.0 mm 以上。

此外，傳統(tǒng)爆燃壓裂采用導(dǎo)爆索起爆方法，導(dǎo)爆索屬于高速燃燒的炸藥，產(chǎn)生的瞬時高壓會對管柱產(chǎn)生較大影響，因此，采用比容小于90 mL/g、爆熱大于6 242 J/g 的復(fù)合火藥作為啟動單元替換導(dǎo)爆索，基本原理為“采用低威力、高熱量的復(fù)合火藥來點燃推進(jìn)劑火藥”，即由火藥啟動單元的燃燒引燃推進(jìn)劑火藥，避免了運輸風(fēng)險和爆轟高壓。HZ26-1-20Sb 井在爆燃壓裂作業(yè)過程中采用了這種創(chuàng)新模式。

2）管柱安全校核。

爆燃壓裂會產(chǎn)生瞬時高峰值壓力，根據(jù)材料力學(xué)的薄壁應(yīng)力計算公式判斷施工管柱安全：

式中： σ為管柱應(yīng)力，Pa； pmax為峰值壓力，Pa；D 為管柱外徑，mm；h 為管柱壁厚，mm。

將海上油田試驗井?dāng)?shù)據(jù)代入式（2）進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。HZ19-2-7Sa 井和BZ34-2-B6 井這2 口應(yīng)用陸地油田爆燃壓裂技術(shù)進(jìn)行驗證對比的井設(shè)計峰值壓力較大，且作業(yè)管柱設(shè)計采用屈服強(qiáng)度相對偏小的油管，計算的管柱應(yīng)力均大于管柱的最大屈服強(qiáng)度，管柱存在安全風(fēng)險；其他8 口試驗井的峰值壓力偏小，且作業(yè)管柱設(shè)計采用屈服強(qiáng)度相對偏大的鉆桿，計算的管柱應(yīng)力均小于管柱的最小屈服強(qiáng)度，管柱安全。由此可見，除了控制峰值壓力以外，海上油田的中深井、深井建議采用屈服強(qiáng)度高的鉆桿作為施工管柱。

2.1.5 井口泄壓方法

針對目前井口不坐封采油樹可能存在的問題，優(yōu)化了井口泄壓方法，以防止井口噴濺帶來的風(fēng)險。目前，海上油田井口泄壓安全設(shè)計步驟為：

1）拆除生產(chǎn)甲板井口采油樹，安裝立管、壓井管匯和節(jié)流管匯構(gòu)成的管匯組件和井口防噴器組，起生產(chǎn)管柱，刮井作業(yè)后進(jìn)行洗井，將井筒內(nèi)液體替換成一定密度的壓井液，起鉆。

表 2 海上油田試驗井管柱校核數(shù)據(jù)Table 2 Results of pipe string check in the test well of offshore oilfield

2）下入爆燃壓裂作業(yè)管柱。

3）采用鉆桿吊卡作為爆燃壓裂作業(yè)時的懸掛工具，雙吊環(huán)上端連接頂驅(qū)下的吊環(huán)連接器壓住鉆桿，以防止管柱上竄；作業(yè)管柱上端通過高壓軟管和三通連接作業(yè)泵，三通另一端口連接鉆井液池。

4）打開壓井管匯和節(jié)流管匯的閥門，將油套環(huán)空噴濺的液體導(dǎo)向鉆井液池，關(guān)閉萬能防噴器。

5）作業(yè)泵打壓點火，延時起爆的同時打開三通閥門，將作業(yè)管柱內(nèi)噴濺的液體泄壓至鉆井液池。

6）泄壓完成后，起出作業(yè)管柱。

海上油田爆燃壓裂施工工具如圖1 所示。海上油田井口泄壓方法不采用封隔器、氣體或充填物構(gòu)建覆蓋層密封油套環(huán)空，套管壓力可以正常釋放，解決了井口噴濺、管柱上竄等方面的問題，能夠防止井下管柱由于高壓而導(dǎo)致的扭曲變形或封隔器解封困難等問題。

2.2 海上油田爆燃壓裂高效增產(chǎn)技術(shù)

1）低燃速推進(jìn)劑火藥。前人的研究結(jié)果表明[12-15]，火藥用量一定時，燃燒速度越慢，作用時間越長，越容易形成更長的裂縫，增產(chǎn)效果越顯著。因此，研制的新火藥不僅具有耐高溫、火藥力低的特性，還有燃速低的特點。密閉爆發(fā)器試驗測定結(jié)果表明，研制的新火藥在壓力為6 MPa 時的燃速為4.4 mm/s，而陸地油田常規(guī)火藥在壓力為6 MPa 時的燃速大于6.0 mm/s。

圖 1 海上油田爆燃壓裂施工管柱示意Fig. 1 Schematic diagram of deflagration fracturing string in offshore oilfields

2）強(qiáng)化軟件模擬。進(jìn)行海上油田單井爆燃壓裂設(shè)計時，基于不同儲層和井筒等條件變化，結(jié)合新火藥的參數(shù)以及不同用量，再采用海上油田爆燃壓裂軟件，分別計算爆燃壓裂峰值壓力和裂縫情況，考慮增產(chǎn)效果和管柱安全性2 方面因素，選擇合適的火藥用量。由于海上油田井深、井筒等與陸地油田存在差異，峰值壓力一般控制在地層破裂壓力的1.1～1.5 倍，并進(jìn)行管柱安全校核，在不破壞管柱的限制壓力下，盡可能獲得更好的增產(chǎn)效果。

3）與酸化技術(shù)聯(lián)作。酸化能夠?qū)Ρ級毫研纬傻牧芽p進(jìn)一步溶蝕擴(kuò)縫，并能解除近井堵塞、溝通滲流通道，進(jìn)一步提高增產(chǎn)效果。

3 現(xiàn)場試驗

截至2019 年8 月底，海上油田爆燃壓裂及其配套技術(shù)在海上油田8 口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。8 口井完井方式包括套管完井和篩管完井，儲層類型包括砂巖和灰?guī)r。為了說明其效果，與采用陸地油田爆燃壓裂技術(shù)的2 口井進(jìn)行了對比，結(jié)果見表3。

表 3 海上油田爆燃壓裂技術(shù)現(xiàn)場試驗結(jié)果Table 3 Field test results of blasting fracturing in offshore oilfields

8 口試驗井應(yīng)用爆燃壓裂技術(shù)后恢復(fù)生產(chǎn)，7 口油井累計增油68 953 m3；LH11-1-D5P1 井作業(yè)后因故關(guān)井，產(chǎn)量無法統(tǒng)計，但漏失量從作業(yè)前0.19 m3/h增加到作業(yè)后0.48 m3/h。另外，WZ6-9-A6 井為水井，作業(yè)前壓力19.0 MPa 下無法注入，作業(yè)后壓力19.0 MPa 下穩(wěn)定注水量為40 m3/d，已累計增注水量18 720 m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

由8 口試驗井與2 口應(yīng)用陸地油田爆燃壓裂技術(shù)的對比井的壓裂效果可知，海上油田爆燃壓裂技術(shù)具有更安全、更高效的特點。試驗井采用高耐溫、低火藥力、低燃速的推進(jìn)劑火藥并強(qiáng)化軟件模擬，產(chǎn)生的峰值壓力為22.4～71.3 MPa，管柱均無安全問題；且平均增產(chǎn)倍比為17.3 倍，平均單井增油43.1 m3/d，單井增注水量40 m3/d。而對比井產(chǎn)生的峰值壓力高達(dá)132.2～142.0 MPa，管柱在近火藥段均發(fā)生嚴(yán)重變形及爆裂，裂口長12.0 cm，寬4.0 cm；平均增產(chǎn)倍比為3.2 倍，平均單井增油17.4 m3/d。對比井采用簡易模型計算的峰值壓力預(yù)測偏低，同時采用屈服強(qiáng)度偏低的油管作為施工管柱，管柱校核存在安全風(fēng)險，也是管柱發(fā)生問題的重要原因。

此外，試驗井中有4 口油井和1 口水井采用壓裂酸化聯(lián)作的方法，均觀察到試注或井筒漏失速度不斷增大的現(xiàn)象。LF13-1-6 井爆燃壓裂前試注壓力為10.3 MPa 時排量為0.1 m3/min，爆燃壓裂后試注壓力為10.3 MPa 時排量為0.3 m3/min，酸化后試注壓力為12.8 MPa 時排量為0.9 m3/min，說明壓裂酸化聯(lián)作的增產(chǎn)效果不斷提升。HZ26-1-20Sb 井爆燃壓裂前修井液漏失速度為0.6 m3/h，爆燃壓裂后漏失速度為0.8 m3/h，酸化后漏失速度達(dá)5.2 m3/h，修井液漏失速度不斷增大，也說明爆燃壓裂酸化聯(lián)作具有更理想的增產(chǎn)效果。同時，酸化泵注壓力從13.6 MPa 降至10.3 MPa，實施后產(chǎn)液量為338.5 m3/d，產(chǎn)油量為32.4 m3/d。截至目前，油井仍正常生產(chǎn)，且產(chǎn)出液中不含砂，累計增油量21 845 m3，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)論與建議

1）對海上油田爆燃壓裂技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)研究和現(xiàn)場試驗，驗證了該技術(shù)在海上油田具有較好的適應(yīng)性，可應(yīng)用于較多井況條件，并具有較好的增產(chǎn)效果。

2）針對于海上油田特殊開采方式和產(chǎn)量需求，采用耐高溫、低火藥力、低燃速火藥和高精度爆燃壓裂模擬模型，采用安全管柱組件并進(jìn)行安全校核，采用已形成的海上油田井口泄壓方法，強(qiáng)化軟件模擬并與酸化技術(shù)聯(lián)作，能增強(qiáng)技術(shù)安全性，提高增產(chǎn)效果。

3）需要考慮井斜、完井方式等因素的影響，進(jìn)一步優(yōu)化爆燃壓裂模型，提高模擬精度；為了提高對不同井況的適應(yīng)性，還需要進(jìn)行篩管井下打靶、裸眼地面打靶和裸眼井下打靶等試驗。

4）建議進(jìn)一步研究爆燃壓裂火藥、模型、管柱安全和泄壓方式，擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)技術(shù)安全性，提高壓裂后的增產(chǎn)效果。