爆燃壓裂技術在海上低效油井中的研究與應用

周際永，李旭光，孫林，熊培祺，楊軍偉

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司（天津300452）

爆燃壓裂是利用火藥在儲層部位燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體壓出多條徑向裂縫以實現(xiàn)增產(chǎn)增注的技術[1-3]。近年來隨著海上油田開發(fā)向低滲油田邁進，爆燃壓裂技術逐漸在海上油田興起并推廣應用，目前累計在南海東部、南海西部、渤海油田生產(chǎn)油水井應用超過10井次，累計增油約7×104m3，社會經(jīng)濟效益顯著。海上低滲油田低產(chǎn)低效井眾多，其中部分油井或平臺因無法達到經(jīng)濟產(chǎn)量被迫關停廢棄，經(jīng)過深入論證研究，爆燃壓裂技術在渤海Q油田因生產(chǎn)低效而關停的油井M井成功應用，取得了良好的應用效果，為海上油田低效乃至廢棄油井治理注入了新的活力。

1 M井基本情況

M井2012年10月3日投產(chǎn)，初期日產(chǎn)液85.8 m3，日產(chǎn)油49 m3，日產(chǎn)氣0.71×104m3左右，含水42.8%，無無水采油期。該井2016年2月25日關停前正常生產(chǎn)，日產(chǎn)液209.18 m3，日產(chǎn)油下降到1.97 m3，含水99.06%，日產(chǎn)氣0.16×104m3左右。M井分3個防砂段合采，見表1。

表1 M井射孔層位測井解釋

根據(jù)M井儲層特征，第2、3防砂段物性較好，第1防砂段物性相對較差，合采情況下第1防砂段有進一步挖潛潛力，因此優(yōu)先選擇第1防砂段進行爆燃。進一步分析第1防砂段各層含油飽和度和儲層厚度，優(yōu)選爆燃作業(yè)段為3 472.2～3 480.7 m、3 508.7～3 514.3 m。

2 M井爆燃壓裂工藝研究

2.1 火藥優(yōu)選

由于火藥是徑向燃燒，具有一定燃燒速度，燃速計算見公式（1），作用時間越長越容易形成更長的縫長，縫長計算見公式（2），根據(jù)峰值壓力計算模型，見公式（3）和（4）[4]，火藥力越小，相同火藥用量情況下，則越易產(chǎn)生低峰值壓力，也相對安全。

式中：μ為火藥燃燒速度，m/s；e為火藥燃燒厚度，m；w0為燃速系數(shù)，m/(s·Pan)；P為外界壓力，Pa；n為壓力系數(shù)。

式中：L(t)為裂縫縫長，m；E為楊氏模量，Pa；ν為巖石泊松比，無因次；ρr為巖石密度，kg/m3；t為作用時間，s。

式中：Pmax為峰值壓力，Pa；P0為壓井液壓力，Pa；m為火藥用量，kg；f為火藥力，J/kg；V0為火藥燃燒后形成的空腔體積，m3；ψ為火藥燃燒量的百分比；ρ為火藥密度，kg/m3；α為火藥余容，m3/kg。

因此，為控制峰值壓力、確保安全，同時提高作業(yè)效果，M井采用低燃速、低火藥力的火藥，以產(chǎn)生低峰值壓力和長裂縫。M井實施之前海上油田實施的7口井中，有5口井采用低燃速、低火藥力的火藥安全率100%，施工峰值壓力為22.4～71.3 MPa[5]，有效控制高峰值壓力，避免高壓下管柱損傷。

2.2 峰值壓力模擬及火藥布置

M井分3 508.7～3 514.3 m、3 472.2～3 480.7 m兩段進行爆燃作業(yè)，根據(jù)選定的火藥參數(shù)以及地層物性信息、井身結構信息、施工管柱信息、壓擋液柱信息等計算兩段分別采用4節(jié)火藥（每節(jié)火藥質(zhì)量為4.6 kg），井下爆燃峰值壓力分別為84.8MPa、82 MPa，如圖1、圖2所示。爆燃井段垂深為2 783.2～2 811.5 m，地層破裂壓力為50.10～50.61 MPa（按0.018 MPa/m破裂壓裂梯度計算），結合海上油田爆燃安全壓力設計經(jīng)驗，峰值壓力一般控制為地層破裂壓力的1.1～1.5倍左右[5]?？紤]到M井爆燃井段滲透率較低，在保證安全的前提下適當提高峰值壓力，已設計峰值壓力約為地層破裂的1.6倍左右，也符合陸地油田爆燃壓裂安全壓力范圍，該壓力可確保儲層壓開。結合作業(yè)段各小層物性參數(shù)，為提高作業(yè)效果，火藥布局分別如圖3、圖4所示，對于跨度較大的第1段，設計采用篩管夾層槍連接壓裂槍，從而避開隔夾層，使火藥集中作用于目的儲層。

圖1 第1段3 508.7～3 514.3 m爆燃峰值壓力模擬

圖2 第2段3 472.2～3 480.7 m爆燃峰值壓力模擬

圖3 第1段3508.7～3 514.3 m爆燃火藥布置

圖4 第2段3 472.2～3 480.7 m爆燃火藥布置

2.3 其他安全控制措施

2.3.1 安全工具優(yōu)選

在起爆器選擇上，對于電纜起爆，避免采用以往的電雷管，采用安全性更高的電磁雷管。對于管柱加壓起爆和管柱撞針起爆，則選擇具備耐高溫和密封功能的機械加壓、機械撞針等起爆器，上述工具僅在井下施工條件下才能起爆?？紤]M井作業(yè)井深和作業(yè)穩(wěn)定性，采用管柱加壓起爆方式。

安全管柱組件包括鉆桿及多級縱向減震器，需根據(jù)井筒尺寸和施工模擬峰值壓力優(yōu)選。

基于鉆桿的厚度和重量采用鉆桿施工，在爆燃壓裂過程中管柱的安全程度較高。在M井實施前海上油田已實施的7口井，5口井采用鉆桿作業(yè)施工，管柱起出正常，而2口井采用油管或部分采用油管作業(yè)的井，均出現(xiàn)管柱穿孔或扭曲變形的情況[6]。

其中多級縱向減震器主要是為了防止管柱上竄，減小縱向位移，基于海上油田已實施的7口井和陸地油田上萬口井的現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗，在起爆器上和距離起爆器2 m左右位置，至少放置一個，為確保安全M井放置了兩級減震器。

此外，為確保井控安全，采用投球式壓力開孔起爆器，實現(xiàn)了爆燃壓裂管串在下鉆過程中和點火后油套的連通，大大降低了作業(yè)安全風險。

2.3.2 套管安全性驗證

造成套管損傷的主要因素是爆破壓差，即爆燃后的套管環(huán)空壓力與地層破裂壓力之差，對于M井，爆破壓差約為30 MPa，M井作業(yè)段為177.8 mm（7"）套管，抗內(nèi)壓為56.3 MPa，爆破壓差小于抗內(nèi)壓，所以套管處于安全狀態(tài)。

2.3.3 泄壓方式優(yōu)化

井下爆燃壓裂火藥燃燒過程會造成壓擋液柱上移，鑒于海上油田某井采用井下封隔器造成井下憋壓、損壞作業(yè)管柱的情況，M井不采用井下封隔器，而采用海上油田特殊的井口泄壓工藝，主要操作如下：①在井口打開節(jié)流和壓井管匯，防止井口噴濺；②關閉萬能，防止井口噴濺；③通過卡瓦、吊卡雙重懸掛確保施工管柱安全；④在延時起爆的同時切換閥門接通方井口，泄壓至泥漿池。

3 M井現(xiàn)場實施效果

M井關停前1、2、3防砂段合采，日產(chǎn)液209.18 m3，日產(chǎn)油1.97 m3，含水99.06%。2018年9月，M井作業(yè)后按生產(chǎn)制度單采第1防砂段，初期日產(chǎn)液53.22 m3，日產(chǎn)油10.07 m3，含水81.1%。爆燃層段地層系數(shù)僅占整個儲層段的11.7%，作業(yè)后單采第1防砂段產(chǎn)量達到原產(chǎn)量的25.4%，作業(yè)前后日產(chǎn)液、日產(chǎn)油對比見表2。截至2019年6月M井所在平臺廢棄前，累計增油3 127.6 m3，經(jīng)濟效益顯著。

表2 M井第1防砂段作業(yè)前后日產(chǎn)液、日產(chǎn)油對比

兩次爆燃使用18.4 kg火藥，壓裂井下爆燃峰值壓力設計分別為84.8、82 MPa，根據(jù)現(xiàn)場銅柱測壓結果，兩次爆燃銅柱的平均長度均為5.56 mm，根據(jù)所用銅柱的壓后高與壓力的關系知，峰值壓力為90 MPa，峰值壓力計算值模擬精度達90%以上（表3），計算較為準確，由于模擬中采用了部分經(jīng)驗參數(shù)，若地層資料齊全，模擬精度會更高。

表3 M井銅柱實測值與模擬峰值壓力值對比

施工后管柱提出后，工具和鉆桿完好，無任何變形。同時，第1段爆燃采用的過夾層篩管槍內(nèi)、外沒有出現(xiàn)撕裂和變形，中心傳火管也無變形，驗證了過夾層篩管槍的安全性，且傳爆可靠。

4 結論

1）針對M井，通過在火藥優(yōu)選、峰值壓力模擬及火藥布置、安全工具優(yōu)選、泄壓方式優(yōu)化等方面深入研究，形成了適合海上油田的爆燃壓裂技術。M井作業(yè)后管柱及井下工具完好，說明形成的系列爆燃壓裂技術安全可靠。

2）M井井下峰值壓力模擬值與井下銅柱實測值相比，模擬精度達90%以上。通過選用低燃速、低火藥力火藥，配合高精度峰值壓力模擬，可在控制峰值壓力、確保井下安全的前提下，提高作業(yè)效果。該方法可用于指導海上油田爆燃壓裂工藝設計，以確保技術實施安全高效。

3）截至2019年6月所在平臺廢棄前，M井累計增油3 127.6 m3，經(jīng)濟效益顯著。實踐表明，爆燃壓裂技術能夠有效實現(xiàn)低滲儲層改造增產(chǎn)，以較低的成本使低效油井重煥生機，為海上油田低產(chǎn)低效井治理提供了新的技術解決思路。