可控沖擊波致裂海上油層可行性分析

楊萬有, 鄭春峰, 李 昂, 尹莎莎, 郭曉飛, 趙 展, 盧 勇

(1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2西安閃光能源科技有限公司 3西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室)

水力壓裂和酸化技術(shù)是開采低滲透油氣藏的重要方法，廣泛應(yīng)用于各大油氣田[1-7],近年來，已成為海上油田的常規(guī)增產(chǎn)措施。這些措施在一定程度上提高了海上油田的產(chǎn)量，但仍存在諸多問題。壓裂雖然可以有效解決儲層污染和滲透性差等問題，但是受海上平臺空間小、近水儲層薄等客觀條件限制，壓裂后儲層增產(chǎn)效果不理想，投入產(chǎn)出比低[8]。酸化主要以解堵為主，很難實現(xiàn)儲層改造的目的，且有效作用距離短，若工藝設(shè)計及實施不當(dāng)，會造成二次傷害[9]。爆燃壓裂是近年應(yīng)用于海上油田的一項儲層改造工藝技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的增油效果，但涉及特種作業(yè)，需要火工品相關(guān)專業(yè)資質(zhì)，并會損壞井下管柱，產(chǎn)生較大的安全隱患[10-12]。為此，急需一種高效、安全、低成本的儲層改造新技術(shù)。

可控沖擊波技術(shù)是一種物理法儲層改造技術(shù)，以幅值、沖量、作用區(qū)域和作業(yè)次數(shù)方便控制為特點，在儲層中以“單點多次、多點連續(xù)”的方式對儲層進(jìn)行沖擊作用，已在油水井、煤層氣井應(yīng)用了上百次[13]。目前可控沖擊波技術(shù)在煤礦瓦斯防治領(lǐng)域也成功應(yīng)用多井次，可實現(xiàn)煤層增透，促進(jìn)瓦斯解析[13-21]。但至今未有關(guān)于海上油田研究與應(yīng)用的相關(guān)報道，因此，針對海上油田的特殊應(yīng)用環(huán)境，本文通過搭建可控沖擊波產(chǎn)生平臺，制作與海上油田儲層力學(xué)強度相似的實驗樣品，通過室內(nèi)實驗研究，探討可控沖擊波技術(shù)對海上油田儲層致裂的可能性，為將該技術(shù)引入海上油田應(yīng)用提供理論支撐。

一、實驗方案

1. 實驗裝置

本文所述的實驗裝置核心是可控沖擊波產(chǎn)生器，是由西安交通大學(xué)張永民教授團(tuán)隊根據(jù)用于現(xiàn)場作業(yè)的可控沖擊波產(chǎn)生裝置設(shè)計的室內(nèi)實驗裝置[16-18]。實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括：控制系統(tǒng)、脈沖電容器、開關(guān)、電纜和沖擊波產(chǎn)生器。裝置工作原理為：通過控制系統(tǒng)對脈沖電容器充電，當(dāng)電容儲能達(dá)到設(shè)定值時，輸出觸發(fā)信號驅(qū)動氣體開關(guān)導(dǎo)通，將脈沖電容器存儲的能量在極短的時間內(nèi)通過電纜進(jìn)行釋放，并產(chǎn)生20～100 kA的強電流流過負(fù)載，驅(qū)動負(fù)載電爆炸產(chǎn)生強沖擊波致裂樣品。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

2. 實驗樣品制作

本文主要以中海油渤海和深圳地區(qū)儲層抗壓強度為參考，制作相似性樣品，渤海地區(qū)儲層單軸抗壓強度7.6～35 MPa，深圳地區(qū)儲層單軸抗壓強度36.4～56.1 MPa，相似性樣品初始力學(xué)參數(shù)與配方如表1所示。實驗樣品由水泥、水、骨料、無機納米硅粉和粉煤灰按一定比例制成，并養(yǎng)護(hù)28 d，每個樣品的配方與初始力學(xué)強度如表1、表2所示。樣品為高1 m、直徑1 m的圓柱體，在樣品中間鉆深600 mm、直徑244.5 mm的孔，固定外徑244.5 mm的套管，模擬套管固井。

表1 實驗樣品配方

3. 實驗方法與內(nèi)容

由于海上油田除了常規(guī)的套管射孔完井外，對于出砂嚴(yán)重的井還需下篩管防砂，因此，為了模擬海上實際的工作條件，設(shè)計了3項實驗內(nèi)容：①模擬套管射孔完井環(huán)境，直接向樣品內(nèi)注滿水，將沖擊波產(chǎn)生器放入套管內(nèi)，裝配好模擬防噴器，進(jìn)行沖擊致裂實驗；②模擬出砂嚴(yán)重的新井完井環(huán)境，將篩管放入套管內(nèi)，再將沖擊波產(chǎn)生器放入篩管內(nèi)，裝配好模擬防噴器，進(jìn)行沖擊致裂實驗；③模擬出砂嚴(yán)重的老井完井環(huán)境，將篩管放入套管內(nèi)，在篩管和套管的環(huán)形空間內(nèi)充滿石英砂，再將沖擊波產(chǎn)生器放入篩管內(nèi)，裝配好模擬防噴器，進(jìn)行沖擊致裂實驗。

為了觀察累計沖擊次數(shù)對裂縫擴(kuò)展的影響，設(shè)計了2項實驗內(nèi)容：①同一塊樣品累計沖擊實驗，主要觀察裂縫擴(kuò)展形態(tài)；②研究沖擊次數(shù)對致裂效果的影響，主要觀察兩種極限沖擊次數(shù)下裂縫分支的擴(kuò)展。

由于很難取到大尺寸的海上油田儲層樣品，本次實驗所用實驗樣品是根據(jù)中海油中高滲區(qū)域儲層力學(xué)參數(shù)制作的模擬樣品，實驗中將力學(xué)參數(shù)比較接近的樣品歸為一組進(jìn)行同一類實驗，如表2所示。

表2 實驗?zāi)M樣品初始力學(xué)參數(shù)及實驗內(nèi)容

系統(tǒng)初始儲能為30 kJ，充電電壓為24 kV，在直徑1.5 m、高1.5 m的水罐中模擬自由水域并采用PCB138沖擊波壓力探頭測量沖擊波波形，在水面以下60 cm處測得的典型沖擊波波形如圖2所示，沖擊波壓力峰值約為100 MPa，而渤海地區(qū)和深圳地區(qū)儲層最大抗壓強度是56.1 MPa，因此，該沖擊波可以滿足儲層致裂要求。

圖2 實驗用沖擊波波形

二、 結(jié)果分析

1. 不同完井工藝對沖擊波致裂效應(yīng)的影響

針對海油油井的完井方式，研究了過套管、過套管+橋式復(fù)合篩管、過套管+橋式復(fù)合篩管+充填砂三種完井工藝條件下的沖擊波致裂實驗。對1#樣品過套管實驗累計沖擊3次，第1次沖擊即產(chǎn)生貫穿裂縫，沖擊3次后，沿樣品表面產(chǎn)生6條明顯的主裂縫，并伴隨一定數(shù)量的次生裂縫。主裂縫完全貫穿了巖樣，延伸距離為430 mm(巖樣的半徑減去套管的半徑)，裂縫高度為700 mm，裂縫以套管為圓心向四周延伸。次生裂縫主要分布在套管附近，這表明在過套管完井方式下，沖擊波致裂技術(shù)在套管附近儲層容易形成復(fù)雜裂縫，如圖3(a)所示；對2#樣品過套管+橋式復(fù)合篩管實驗累計沖擊6次，沖擊到第3次時才產(chǎn)生裂縫，沖擊6次后，樣品表面共產(chǎn)生4條主裂縫，無明顯次生裂縫，主裂縫貫穿整個巖樣，延伸距離為430 mm，裂縫高度為700 mm，裂縫以套管為圓心向四周延伸，如圖3(b)所示。在沖擊波致裂實驗中，過套管完井方式明顯比過套管+橋式復(fù)合篩管完井方式更容易形成裂縫，但二者延伸距離和高度相同，這主要是由于巖樣過小，因此實驗中裂縫的延伸距離沒有實際意義，后面的研究不對裂縫延伸距離進(jìn)行研究；對3#樣品過套管+橋式復(fù)合篩管+充填砂實驗累計沖擊7次，樣品表面未再現(xiàn)明顯裂縫，樣品環(huán)向出現(xiàn)裂縫，如圖3(c)所示。實驗結(jié)果表明，對于海油目前3種常規(guī)的完井工藝條件，沖擊波均可致裂樣品，但由于沖擊波過不同介質(zhì)衰減程度不同，使得不同完井工藝條件下致裂樣品的累積作用次數(shù)不同。

圖3 不同完井工藝沖擊致裂效果

2. 沖擊次數(shù)對裂縫擴(kuò)展的影響

可控沖擊波技術(shù)是以單點多次作用到儲層，為了增大對儲層的改造效果，需要以多次作用的疲勞效應(yīng)擴(kuò)大對儲層的改造效果。為了研究不同沖擊次數(shù)下裂縫的變化情況，開展了兩組實驗，一組是對4#樣品累計沖擊作用8次，觀察同一裂縫的延伸；一組是研究沖擊次數(shù)對致裂效果的影響實驗，5#樣品累計沖擊5次，6#樣品累計沖擊24次，觀察裂縫的擴(kuò)展方向。

對4#樣品的累計沖擊實驗，觀察到實驗過程中裂縫有兩方面變化：一是同一條裂縫隨著沖擊次數(shù)的增加而變寬變長，圖4所示；二是沖擊過程中在不同位置產(chǎn)生新的裂縫。對不同樣品的沖擊實驗結(jié)果表明，對5#樣品沖擊5次時，主要以產(chǎn)生貫穿性裂縫為主，并無明顯次生裂縫，如圖5(a)所示。對6#樣品沖擊24次時，沿貫穿的主裂縫產(chǎn)生大量的次生裂縫，次生裂縫沿主縫向樣品周邊呈無規(guī)則延伸，形狀似蜂窩，構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)，如圖5(b)所示。

圖4 不同沖擊次數(shù)同一裂縫的擴(kuò)展

圖5 不同沖擊次數(shù)裂縫系統(tǒng)的變化

對于不同性質(zhì)、強度的儲層，不同的改造目的所需要的沖擊波強度不同，因此作業(yè)次數(shù)也會不盡相同。所以，針對不同儲層，需要通過物模實驗，確定可控沖擊波具體的現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)，為現(xiàn)場應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

3. 沖擊波作用前后樣品力學(xué)參數(shù)變化

由于6#樣品表面裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，無法在其圓周方向取出測試小樣，僅對1#～5#樣品測試了實驗后力學(xué)參數(shù)。在制作實驗樣品時，同時制作了相應(yīng)的小樣品，用于測試沖擊前樣品力學(xué)參數(shù)；沖擊實驗完成后，在樣品周向避開裂縫的區(qū)域鉆取小樣，測試沖擊實驗后力學(xué)參數(shù)，得到的檢測結(jié)果如表3。

表3 沖擊前后樣品力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

根據(jù)沖擊波拉伸破壞理論，巖石破碎過程中往往先發(fā)生拉伸破壞，沖擊波作用到巖石樣品使其產(chǎn)生了一定數(shù)量的裂縫或微裂縫，降低了巖石的力學(xué)強度[22]。同時產(chǎn)生的裂縫和微裂縫在一定程度上隨著沖擊次數(shù)的增加而增加，裂縫和微裂縫將繼續(xù)延展。通過實驗前后樣品的檢測數(shù)據(jù)對比可知，沖擊波作用后，樣品的抗壓強度、 抗拉強度、彈性模量均明顯降低，這有益于進(jìn)一步提高其他增產(chǎn)措施的效果。值得注意的是，由于所取樣品均避開了宏觀裂縫處，所以該下降幅度遠(yuǎn)小于實際變化量。

三、結(jié)論

(1)在過套管、過套管+橋式復(fù)合篩管、過套管+橋式復(fù)合篩管+充填砂3種完井方式下，沖擊波均可致裂儲層，區(qū)別在于致裂儲層所需的重復(fù)次數(shù)、產(chǎn)生裂縫的數(shù)量有所不同。

(2)沖擊波重復(fù)作用于儲層，使已有裂縫變長變寬，同時會產(chǎn)生新的裂縫。

(3)重復(fù)沖擊次數(shù)較少時，主要形成主裂縫；當(dāng)重復(fù)次數(shù)增加到一定程度，沿主裂縫方向會產(chǎn)生多條復(fù)雜的裂縫，構(gòu)成復(fù)雜縫網(wǎng)。

(4)沖擊波可降低儲層巖石的力學(xué)強度，沖擊波作用后儲層抗壓強度平均下降了23%，抗拉強度平均下降了52%。