過篩管爆燃壓裂技術(shù)

孫 林，黃 波，張 杰，吳飛鵬，李旭光，熊培祺

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452；2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065； 3.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

0 引 言

中國海上油田完井方式特殊，采用篩管完井的油井比例高達(dá)69%以上。在局限的平臺空間內(nèi)，常規(guī)酸化壓裂等措施實(shí)施空間受限。從2012年開始，海上油田開始應(yīng)用爆燃壓裂技術(shù)[1-2]，成功復(fù)產(chǎn)多口長期關(guān)停井(非篩管完井)，取得降本增效效果[3]。針對篩管完井，中海油于2015年至2016年進(jìn)行了篩管完井爆燃壓裂技術(shù)可行性研究[4-5]，驗(yàn)證了篩管在一定限制條件下實(shí)施爆燃壓裂技術(shù)的可行性，并在惠州26-1油田20Sb井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，獲得成功。為進(jìn)一步提高技術(shù)的安全性和有效性，從篩管完井爆燃壓裂工藝、火藥參數(shù)認(rèn)識及新型火藥研發(fā)、高精度篩管完井爆燃壓裂模擬模型、過篩管打靶實(shí)驗(yàn)幾個方面，研究并形成了過篩管爆燃壓裂技術(shù)。

1 技術(shù)思路

海上油田的水平井或定向井多采用篩管完井，通常具有儲層段跨度長的特點(diǎn)，為了覆蓋更多作業(yè)井段，需要多次起下管柱，作業(yè)時效低。而過篩管爆燃壓裂技術(shù)工藝則可實(shí)現(xiàn)一趟管柱多段壓裂作業(yè)。如圖1所示，工藝組件的外部結(jié)構(gòu)為起爆器、盲槍、壓裂槍、槍尾，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)爆索、中心管、火藥?；鹚巸?nèi)置于壓裂槍中，包裹于鋁制中心管外，作用于儲層段，盲槍中則不放置火藥，通過壓裂槍和盲槍的組合進(jìn)行分段壓裂。其工藝原理為：按照壓裂層段設(shè)計組裝盲槍和壓裂槍，并放置火藥。通過鉆桿或加厚油管將爆燃壓裂工具下入井中，通過地面泵加壓，對起爆器進(jìn)行加壓起爆，導(dǎo)爆索引燃壓裂層段對應(yīng)的鋁制中心管，中心管燃燒可產(chǎn)生2 000 ℃高溫使火藥充分燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體先后穿過壓裂槍和篩管后，作用于儲層進(jìn)行壓裂改造。由于導(dǎo)爆索太長，容易燃燒傳爆中斷，因此，該工藝適合于儲層跨度在30 m以內(nèi)的篩管井。對于儲層跨度為30～100 m的篩管井，則可在壓裂槍組件下面加裝增壓裝置，將易中斷的燃燒傳爆改變?yōu)榉€(wěn)定的液壓傳爆，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳爆。

圖1 過篩管爆燃壓裂工藝管柱示意圖Fig.1 The string schematic diagram of the screen-through deflagration fracturing technology

由于高溫高壓易破壞篩管，因此，該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于保證爆燃壓裂火藥燃燒時篩管的安全性和地層壓裂的有效性。技術(shù)思路如下：①采用更耐溫的推進(jìn)劑火藥，并優(yōu)化火藥參數(shù)，使火藥產(chǎn)生的峰值壓力更低，燃燒時間更長，提高壓裂效果并防止破壞篩管；②研究適合于篩管的高精度模擬模型，預(yù)測并控制峰值壓力和增產(chǎn)效果；③進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)和井下試驗(yàn)，優(yōu)選既能壓開儲層又不破壞篩管的火藥用量。

2 推進(jìn)劑火藥研發(fā)

2.1 火藥參數(shù)優(yōu)化

對于爆燃壓裂技術(shù)，與火藥相關(guān)的的2個關(guān)鍵參數(shù)是火藥力和燃燒速度：火藥力是單位質(zhì)量火藥所包含的能量；燃燒速度是單位時間火藥徑向燃燒長度?；鹚幜p小，峰值壓力相應(yīng)減小，將峰值壓力控制在1.0～2.0倍地層破裂壓力，可保證技術(shù)安全性；燃燒速度越小，燃燒時間越長，壓裂縫越長，可保證技術(shù)有效性[3]。

對海上油田6口井現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行了對比分析(表1，表中“(6 MPa)”為環(huán)境壓力的簡寫，下同)。由表1可知：采用高燃速、高火藥力火藥實(shí)施的2口井，峰值壓力高達(dá)132.0 MPa以上，且2口井實(shí)施后均出現(xiàn)管柱變形、破損現(xiàn)象，平均單井日增液為115.70 m3/d，平均單井日增油為17.30 m3/d；而采用低燃速、低火藥力火藥實(shí)施的4口井，峰值壓力為22.4～80.5 MPa，井下管柱保持完好，平均單井日增液為261.70 m3/d，平均單井日增油為71.80 m3/d。通過對比可知：低燃速、低火藥力火藥具有降低峰值壓力和增產(chǎn)的優(yōu)勢。

表1 爆燃壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)Table 1 The field application data of the deflagration fracturing technology

2.2 推進(jìn)劑火藥配方

基于以上認(rèn)識，研發(fā)了HY-1推進(jìn)劑火藥，該火藥主要以高氯酸銨、端羥基聚丁二烯、異佛爾酮二異氰酸酯、聯(lián)二脲等成分為主，通過調(diào)節(jié)不同物質(zhì)配方以及粒度等參數(shù)，改變火藥力和燃燒速度。該火藥各項(xiàng)參數(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 HY-1推進(jìn)劑火藥性能指標(biāo)Table 2 The performance Index of HY-1 propellant

3 高精度篩管完井爆燃壓裂模擬模型

目前，國內(nèi)外爆燃壓裂模擬模型主要是針對套管射孔井，對篩管完井情況并不適用。為了更好地模擬篩管完井情況，進(jìn)行了高精度篩管完井爆燃壓裂模擬模型研究。

模擬模型主要由火藥燃燒模型、壓擋液運(yùn)動模型、液體模型、氣體模型、裂縫模型等組成[6-7]，針對篩管完井，除了采用修正后的火藥燃燒模型、液體模型、氣體模型、裂縫模型外[8-9]，還引入了篩管孔眼壓降模型[10]和壓擋液柱井斜運(yùn)動模型。

篩管孔眼壓降模型：

(1)

式中：Δp(i)為第i個節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的井內(nèi)總壓降，MPa；ΔpnD(i)為第i個節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的礫石充填層壓降，MPa；Δps(i)為第i個節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的篩管孔眼處的壓降，MPa；snD(i)為第i個節(jié)點(diǎn)的礫石充填層的表皮系數(shù)；sp(i)為第i個節(jié)點(diǎn)的篩管孔眼處的表皮系數(shù)；sSL(i)為第i個節(jié)點(diǎn)的綜合表皮系數(shù)；Qj為液相或氣相的流量，m3/s；Bj為液相或氣相的體積系數(shù)；ηj為液相或氣相的黏度，mPa·s；Kj為液相或氣相的滲透率，mD；hD為地層厚度，m；j表示液相或氣相。

如果井壁與篩管之間沒有礫石充填，則可認(rèn)為ΔpnD(i)=0；如果有礫石充填，則要考慮礫石充填造成的壓降，根據(jù)Forchheimer方程積分可得到礫石充填層壓降表達(dá)式。目前，海上油田可進(jìn)行爆燃壓裂的篩管多未進(jìn)行礫石充填，因此，篩管孔眼壓降為：

(2)

壓擋液柱井斜運(yùn)動模型如下。

施工管柱內(nèi)部：

(3)

施工管柱與套管環(huán)空：

(4)

初始條件：

h1(x，0)=0

(5)

邊界條件：

(6)

式中：A1為井筒截面積，m2；Kf為體積模量，Pa-1；h1(x，t)為液柱微元在位置為x處、t時刻的位移，m；p(t)為液柱微元在t時刻的壓力，Pa；ρ1為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m2/s；ψ為井斜角，°；λ為摩阻系數(shù)；rsin為工藝管柱內(nèi)徑，m；rcin為套管內(nèi)徑，m；rsout為工藝管柱外徑，m；L為液柱運(yùn)移總長度，m。

基于上述模型編制了高精度篩管完井爆燃壓裂模擬軟件，利用軟件對陸上油田N49-1、N49-2 2口井進(jìn)行了模擬分析(圖2)。由圖2可知：軟件運(yùn)算結(jié)果與壓力高速傳感器監(jiān)測結(jié)果的模擬精度達(dá)到了97%～99%。

圖2 爆燃壓力曲線Fig.2 The deflagration pressure curve

4 過篩管打靶實(shí)驗(yàn)

火藥安全用量是指既可壓開地層又不破壞篩管的火藥用量。為獲取火藥安全用量，進(jìn)行了地面打靶實(shí)驗(yàn)和井下打靶試驗(yàn)。

4.1 地面打靶實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y定不同推進(jìn)劑火藥用量下實(shí)驗(yàn)前后篩管擋砂精度的變化；評價推進(jìn)劑火藥的造縫性能。

實(shí)驗(yàn)方法：制作5組Φ244.5 mm套管混凝土靶(套管上焊接有12個泄氣孔)，在套管中分別放入Φ139.7 mm擋砂精度為150.0 μm的篩管，在篩管中放置5種不同用量的推進(jìn)劑火藥，安裝帶有壓力測試裝置的套管蓋帽，隨后點(diǎn)火起爆，檢測實(shí)驗(yàn)后篩管擋砂精度。

與以往地面實(shí)驗(yàn)不同之處：采用推進(jìn)劑火藥；水泥靶外徑由1.5 m調(diào)整為3.0 m；壓力測試裝置由銅柱測壓計調(diào)整為精度更高的CY301型壓力高速傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、圖3。

由表3、圖3可知：峰值壓力、篩管灼燒面積、擋砂精度與火藥用量呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)峰值壓力不大于46.8 MPa時，對篩管擋砂精度無影響；推進(jìn)劑火藥的造縫效果較優(yōu)，外徑為3.0 m的水泥靶全部開裂。

圖3 地面打靶實(shí)驗(yàn)后篩管情況Fig.3 The screen conditions after the ground targeting test

表3 地面打靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of ground targeting test

4.2 井下打靶試驗(yàn)

井下打靶試驗(yàn)?zāi)康模涸u價不同火藥用量下井下篩管的完好情況以及油井增產(chǎn)效果。試驗(yàn)方法：選擇陸地油田N49-1、N49-2 兩口Φ139.7 mm套管井作為試驗(yàn)井。N49-1井試驗(yàn)井段為722.0～724.0 m，地層滲透率為0.59 mD；N49-2井試驗(yàn)井段為738.5～744.5 m、721.5～723.0 m，地層滲透率為0.71～0.91 mD。篩管外徑為88.9 mm，長度為2.6 m，擋砂精度為150.0 μm。篩管中放置推進(jìn)劑火藥(每一節(jié)火藥質(zhì)量為3.2 kg，長度為0.5 m)：N49-1井進(jìn)行1次試驗(yàn)，放置4節(jié)火藥；N49-2井進(jìn)行2次試驗(yàn)，分別放置3節(jié)和2節(jié)火藥。然后將篩管通過變扣與點(diǎn)火器相連，篩管下端連接帶有高速高精度壓力計的短節(jié)進(jìn)行測壓，試驗(yàn)后起出篩管，測試擋砂精度。試驗(yàn)后篩管情況見圖4，高精度壓力計測試結(jié)果見圖2，增油效果見表4。

圖4 井下打靶試驗(yàn)后篩管情況Fig.4 The screen conditions after downhole targeting test

井下打靶試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)每根篩管火藥用量為4節(jié)和3節(jié)時，篩管灼燒及穿孔破壞現(xiàn)象較為明顯；當(dāng)每根篩管火藥用量為2節(jié)時，即每米篩管火藥用量不大于3.2 kg/m(此用量大于地面實(shí)驗(yàn)，但峰值壓力小于地面實(shí)驗(yàn)，根據(jù)篩管灼燒情況，判斷溫度影響因素更大)，試驗(yàn)后測試的篩管擋砂精度為151.8 μm，即當(dāng)每米篩管火藥用量不大于3.2 kg/m時對篩管的擋砂精度沒有影響。

考慮井下打靶試驗(yàn)和地面打靶實(shí)驗(yàn)的溫度、壓力雙重影響，火藥安全用量為每米篩管火藥用量不大于3.2 kg/m，且井下峰值壓力應(yīng)小于46.8 MPa與地層壓力之和。

由表4可知：2口井分別取得2.7、3.0倍的增產(chǎn)效果，增油效果明顯。

表4 井下打靶試驗(yàn)前后產(chǎn)量數(shù)據(jù)Table 4 The production data before and after the downhole targeting test

5 結(jié) 論

(1) 研發(fā)了過篩管爆燃壓裂工藝，可實(shí)現(xiàn)一趟管柱覆蓋更多作業(yè)井段，提高作業(yè)時效。

(2) 研發(fā)了徑向燃速為3.57 mm/s(環(huán)境壓力為6.0 MPa)，火藥力為669 kJ/kg，耐溫可達(dá)178 ℃(48 h)的HY-1推進(jìn)劑火藥，產(chǎn)生的峰值壓力更低，燃燒時間更長，可提高油井壓裂效果并防止破壞篩管。

(3) 引入了篩管孔眼壓降模型和壓擋液柱井斜運(yùn)動模型，編制了高精度篩管完井爆燃壓裂模擬軟件，軟件運(yùn)算結(jié)果與壓力高速傳感器監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度達(dá)到了97%～99%。

(4) 進(jìn)行了過篩管地面打靶實(shí)驗(yàn)和井下打靶試驗(yàn)，火藥安全用量為不大于3.2 kg/m，且井下峰值壓力小于46.8 MPa與地層壓力之和，可達(dá)到既能壓開儲層又不破壞篩管的效果。

(5) 下步研究方向：更低燃速的液體火藥；層內(nèi)爆燃技術(shù)，即將火藥泵注至儲層中，減少篩管壓力沖擊的技術(shù)。