電爆沖擊波增滲解堵技術(shù)試驗(yàn)研究

周 鵬， 杜孝友， 曹硯鋒， 于繼飛， 江海畏， 薛啟龍

（1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 自然資源部深部鉆探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3. 海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；4. 中海油研究總院，北京 100028）

隨著生產(chǎn)時(shí)間增長(zhǎng)，油水井近井筒附近滲流通道會(huì)出現(xiàn)堵塞，對(duì)注水井而言，注水壓力會(huì)逐年升高，常規(guī)酸化解堵頻次增加，且注水效果越來(lái)越差，作業(yè)成本逐年增加；對(duì)油井而言，井底流壓升高，油井產(chǎn)量降低。物理解堵、化學(xué)解堵和生物解堵等常規(guī)解堵方法雖具有一定解堵效果[1-7]，但均存在一定不足：多數(shù)物理解堵方法施工工藝復(fù)雜；化學(xué)解堵方法成本高，有效期短，易對(duì)油井造成二次傷害，環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重；生物解堵方法對(duì)環(huán)境要求很高，技術(shù)不夠成熟。為此，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列增滲解堵新技術(shù)研究，其中，井下電爆沖擊波解堵技術(shù)是利用液電效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波，在地層中形成定向傳播的壓力脈沖，對(duì)地層及孔隙內(nèi)各種介質(zhì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊振動(dòng)，從而解除堵塞，并產(chǎn)生微裂縫，達(dá)到解堵、増注的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。

筆者在分析電爆沖擊波增滲解堵機(jī)理的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了電爆沖擊波壓力峰值影響因素的分析試驗(yàn)、沖擊波造縫以及解堵效果評(píng)價(jià)的室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了井下電爆沖擊波增滲解堵技術(shù)的可行性，為該技術(shù)的快速發(fā)展及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 電爆沖擊波增滲解堵技術(shù)原理

1.1 電爆沖擊波作用機(jī)制

電爆沖擊波增滲解堵技術(shù)原理如圖1所示，主要包括造縫和解堵2個(gè)方面。

圖 1 井下電爆沖擊波解堵技術(shù)基本原理及試驗(yàn)裝置Fig.1 Basic principle of permeability enhancement and plugging removal technology from downhole electric explosion shock wave

1）沖擊波造縫作用。與靜態(tài)力作用相比，巖石在沖擊力作用下的斷裂疲勞強(qiáng)度要小得多，沖擊波使地層巖石受到拉伸及剪切應(yīng)力，導(dǎo)致地層原始裂紋擴(kuò)展并產(chǎn)生新的微裂縫，從而擴(kuò)展原油滲流通道，提高油井產(chǎn)量。

2）沖擊波解堵作用。地層巖石為非均勻介質(zhì)，當(dāng)沖擊波在地層中傳播時(shí)，由于不同介質(zhì)的波阻抗不同，在其界面處會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，有助于剝離滲流通道內(nèi)的堵塞物。另外，沖擊波傳播過(guò)程中對(duì)孔隙進(jìn)行推擠和抽汲作用，有助于將孔隙雜質(zhì)排除，起到解堵作用[9]。

1.2 電爆沖擊波產(chǎn)生機(jī)理

電爆沖擊波產(chǎn)生機(jī)理類似于經(jīng)典的“液電效應(yīng)”原理，當(dāng)儲(chǔ)能電容充滿電后，放電電路如圖2所示。其中，電容儲(chǔ)存能量可以通過(guò)電容和電壓（通常可以達(dá)到20 kV以上）求得：

式中：W為電容儲(chǔ)存能量，J；C為電容器的電容，μF；Uc為電容電壓，V。

圖 2 電爆沖擊波金屬絲放電電路Fig.2 Electric explosion shock wave metal wire discharge circuit

放電電路的放電端采用金屬絲引弧的方式，可以提高能量利用效率，放電開(kāi)關(guān)S閉合的瞬間高電壓作用于金屬絲，金屬絲瞬間通過(guò)極大電流，相當(dāng)于電容儲(chǔ)存的能量瞬間轉(zhuǎn)移到放電端的金屬絲上，使金屬絲瞬間融化并形成等離子體放電通道，周圍的水介質(zhì)在極短的時(shí)間內(nèi)汽化而產(chǎn)生大量熱能，從而產(chǎn)生壓力沖擊波并迅速向外膨脹[10-12]。

金屬絲放電過(guò)程應(yīng)滿足如下方程：

式中：Lc電容器的電感，H；為金屬絲的時(shí)變電阻，Ω；Rc為電容器的電阻，Ω；t為放電時(shí)間，s。

金屬絲放電過(guò)程中釋放的能量主要包括金屬絲沉積能量Ec和電弧產(chǎn)生的能量Ed，分別可以表示為：

式中：Ec為金屬絲沉積能量，J；t1為能量沉積時(shí)間，即從放電初始到金屬絲變?yōu)闅怏w狀態(tài)的時(shí)間，s；I(t)為電路中電流，A；R為金屬絲電阻，Ω；Ed為電弧產(chǎn)生的能量，J；U(t)為電弧處電壓，V。

由于放電過(guò)程不穩(wěn)定，沖擊波在形成和傳播過(guò)程中波尾能量逐漸向波頭聚集，從微觀上研究沖擊波的形成機(jī)理和得到定量的物理模型是困難的。然而當(dāng)沖擊波傳播一定距離演化為球面波之后，能量沉積密度對(duì)沖擊波的特性影響不大，可以認(rèn)為沖擊波的壓力峰值ppeak與放電參數(shù)的關(guān)系呈冪指數(shù)的形式，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為[13]：

根據(jù)式（5）可知，改變放電能量、沖擊波上升持續(xù)時(shí)間和沖擊波總持續(xù)時(shí)間，可以調(diào)節(jié)沖擊波壓力峰值。

2 沖擊波壓力影響因素試驗(yàn)

大量研究表明，沖擊波壓力與電容、充電電壓及金屬絲直徑之間關(guān)系密切[13-16]，為此通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究其影響規(guī)律。圖3為電爆沖擊波影響因素試驗(yàn)裝置原理圖，其中T1為變壓器，P1為10 kV高壓直流電源，RX1、X為控制充電速度的繞線電阻，C1為40 μF脈沖儲(chǔ)能電容，R1為電路阻抗，KDIA為自制電子開(kāi)關(guān)，CTA為自制電流互感器。

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)控制面板設(shè)定參數(shù)，為儲(chǔ)能電容充電，達(dá)到設(shè)定的電壓參數(shù)時(shí)觸發(fā)電子開(kāi)關(guān)，電能傳輸?shù)浇饘俳z上，完成放電過(guò)程。用示波器采集壓力傳感器處的壓力信號(hào)，采用自制的電流線圈和電壓差分頭測(cè)量得到電流電壓的波形。

圖 3 沖擊波壓力影響因素試驗(yàn)裝置基本原理Fig. 3 Basic principle of the shock wave pressure influencing factors test device

2.1 充電電壓

設(shè)定金屬絲直徑為 0.30 mm，電容為 50 μF，測(cè)量充電電壓分別為 1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 和 3.5 kV 時(shí)的沖擊波壓力峰值，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，隨著充電電壓增大，沖擊波壓力峰值基本成線性增大。這是由于充電電壓與電容器儲(chǔ)能量直接相關(guān)，充電電壓越大，電容器儲(chǔ)能量就越大，注入金屬絲的電爆能量也越大，產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值越大。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)提高充電電壓獲得更高的沖擊波壓力峰值，以達(dá)到更好的增滲解堵效果，這也是實(shí)現(xiàn)沖擊波可控的重要手段。

圖 4 沖擊波壓力峰值隨充電電壓的變化規(guī)律Fig.4 Variation laws of shock wave peak pressure with charging voltage

2.2 金屬絲直徑

設(shè)定充電電壓為 3 kV，電容為 50 μF，測(cè)量金屬絲直徑分別為 0.15，0.20，0.30，0.06，0.90 和 1.00 mm時(shí)的沖擊波壓力峰值，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，隨著金屬絲直徑增大，沖擊波壓力峰值基本穩(wěn)定在1.1 MPa左右，可見(jiàn)，金屬絲直徑對(duì)沖擊波壓力峰值影響不大。這是由于金屬絲直徑直接影響金屬絲電阻，而金屬絲電阻與電路電阻共同影響放電電流，進(jìn)而影響電爆能量。在設(shè)置的試驗(yàn)放電參數(shù)下，金屬絲電阻相對(duì)較小，對(duì)放電電流影響較小，所以對(duì)沖擊波壓力峰值影響不大。

圖 5 沖擊波壓力峰值隨金屬絲直徑的變化規(guī)律Fig.5 Variation laws of shock wave peak pressure with wire diameter

2.3 電容

設(shè)定充電電壓為3 kV，金屬絲直徑為0.30 mm，測(cè)量電容分別為 10，20，30，40 和 50 μF 時(shí)的沖擊波壓力峰值，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，電容為20 μF時(shí)，沖擊波壓力峰值達(dá)到最大，然后隨著電容增大開(kāi)始下降。這是由于隨著電容增大，電容器儲(chǔ)能量增大，壓力峰值會(huì)隨著增大，但同時(shí)電容增大會(huì)增大電路電阻，使放電電流變小，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊波壓力峰值降低，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)電容。

圖 6 沖擊波壓力峰值隨電容的變化規(guī)律Fig.6 Variation laws of shock wave peak pressure with capacitance

3 沖擊波造縫試驗(yàn)

為驗(yàn)證電爆沖擊波的地層造縫作用，選取了與目標(biāo)砂巖地層物理性質(zhì)類似的C30混凝土試樣（直徑為 500 mm，高為 500 mm），并在試樣上鉆一直徑130 mm、深 300 mm 的孔，利用沖擊波試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖3）進(jìn)行不同能量沖擊波造縫試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，孔中灌滿水作為電介質(zhì)，將放電電極置于孔中，設(shè)置電容為 9 μF，充電電壓在 0～30 kV 可調(diào)，根據(jù)式（1），電容儲(chǔ)能最大為 4.05 kJ。

試驗(yàn)結(jié)果表明，放電電壓為30 kV時(shí)，產(chǎn)生的壓力沖擊波可以對(duì)混凝土試樣造成貫穿裂縫，如圖7所示。第1次沖擊后，測(cè)量得到的裂縫滲透流量為0.27 mL/s，連續(xù)沖擊2次、3次后的裂縫滲透流量分別增加至3.06和28.00 mL/s。電爆沖擊波多次作用后，混凝土試樣表面出現(xiàn)明顯裂縫，并且隨著沖擊次數(shù)的增多，混凝土試樣的滲透率顯著增大。

圖 7 電爆沖擊波對(duì)C30混凝土試樣造縫試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Fracture-generating results of electric explosion shock wave on C30 concrete sample

電爆沖擊波造縫試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了電爆沖擊波對(duì)砂巖儲(chǔ)層造縫增產(chǎn)的可行性，不同儲(chǔ)層可以選取不同的放電參數(shù)，以獲得適用于不同儲(chǔ)層物性的可控沖擊波。

4 解堵效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證電爆沖擊波的解堵效果，研制了電爆沖擊波解堵試驗(yàn)室內(nèi)評(píng)價(jià)裝置（見(jiàn)圖8），通過(guò)串聯(lián)巖心夾持器，可以模擬近井壁直徑1.00 m內(nèi)的地層滲透效果，還可對(duì)巖心施加圍壓，模擬井下壓力環(huán)境進(jìn)行電爆沖擊波解堵試驗(yàn)。

試驗(yàn)裝置中各部分的主要參數(shù)及功能為：

1）采用電爆壓力罐模擬井筒環(huán)境。電爆壓力罐內(nèi)徑 150 mm，深度 400 mm，罐體中部配有加注閥口，用于注入水，頂部為電極插入口。罐體安裝有壓力傳感器，用于測(cè)量電爆過(guò)程中的沖擊波瞬時(shí)壓力；壓力控制閥1控制電爆壓力罐的壓力，當(dāng)壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，電爆壓力罐內(nèi)的液體會(huì)通過(guò)壓力控制閥溢流到流量計(jì)量裝置。

圖 8 電爆沖擊波解堵試驗(yàn)裝置示意Fig.8 Schematic of the electric explosion shock wave plugging removal test device

2）巖心夾持器外套連接圍壓加載閥，外套內(nèi)部配有膠套，通過(guò)圍壓加載閥向膠套與外套之間的空間注水，模擬地層壓力環(huán)境；巖心夾持器連接有圍壓和軸壓傳感器，用于監(jiān)測(cè)加載圍壓和巖心軸向的滲透壓力。

3）供液壓力罐可通過(guò)壓力控制閥2向巖心注水，水滲透巖心后進(jìn)入電爆壓力罐，具有恒壓、恒流2種工作模式。

4）流量計(jì)量裝置可根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔記錄流入液體的質(zhì)量，求得瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。流量計(jì)量裝置底部有閥門(mén)連接到儲(chǔ)液箱，每次試驗(yàn)完畢，可將水通過(guò)閥門(mén)排至儲(chǔ)液箱。

4.2 試驗(yàn)流程

1）試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)注流泵向供液壓力罐注水，供液壓力罐向電爆壓力罐注水并加壓至2.0 MPa，向巖心夾持器膠套與外套之間的空間注水加壓至 4.0 MPa。

2）啟動(dòng)電爆沖擊波設(shè)備，設(shè)置充電電壓30 kV，儲(chǔ)能4.05 kJ。電爆壓力罐內(nèi)產(chǎn)生沖擊波作用于巖心，壓力傳感器監(jiān)測(cè)沖擊波壓力。

3）水在軸壓的作用下滲透穿過(guò)巖心，流向電爆壓力罐，當(dāng)電爆罐壓力超過(guò)壓力控制閥1設(shè)定的初始?jí)毫r(shí)，電爆壓力罐內(nèi)的水會(huì)流入流量計(jì)量裝置，獲得巖心滲透流量。

4）試驗(yàn)完畢后將流量計(jì)量裝置中的水排空，再次進(jìn)行電爆沖擊，重復(fù)上述操作進(jìn)行多次試驗(yàn)，測(cè)試多次電爆沖擊波作用后巖心的滲透率變化情況。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

巖心累計(jì)滲透流量試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出：累計(jì)流量隨時(shí)間呈拋物線增長(zhǎng)，開(kāi)始時(shí)增長(zhǎng)速度較快，最后趨于平緩；沖擊波作用4次后巖心平均滲流量達(dá)到0.064 mL/min，與試驗(yàn)前巖心的平均滲流量0.040 mL/min相比，平均滲流量提高了60.0%，表明電爆沖擊波對(duì)巖心產(chǎn)生了良好的解堵增滲效果，驗(yàn)證了在井下圍壓條件下電爆沖擊波增滲解堵的可行性。

圖 9 沖擊波作用前后滲透流量隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Curves of seepage flow vs. time pre/post-shock wave action

5 結(jié)論與建議

1）電爆沖擊波可以在地層流體介質(zhì)中形成定向傳播的壓力脈沖，不但能使儲(chǔ)層產(chǎn)生微裂縫，而且對(duì)堵塞雜質(zhì)具有抽汲作用，可以獲得解堵增滲的效果。

2）室內(nèi)試驗(yàn)表明，隨著充電電壓增大，沖擊波壓力峰值呈線性增長(zhǎng)，金屬絲直徑對(duì)沖擊波壓力峰值影響不大，電容對(duì)沖擊波壓力峰值的影響有一個(gè)最優(yōu)值，要根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)電容。

3）室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電爆沖擊波可以擴(kuò)展儲(chǔ)層巖石的裂縫并產(chǎn)生新的微裂縫，而且在井下圍壓條件下能達(dá)到增滲解堵的效果。

4）由于采用的試驗(yàn)巖心較為致密，滲透時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)初期的電爆沖擊波能量也較小，導(dǎo)致增滲效果還不是非常明顯，在后期試驗(yàn)研究中需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。