可控沖擊波致裂套管井儲(chǔ)層室內(nèi)試驗(yàn)研究

李育，馬煥煥，張永飛，王建平，張金元，韓龍飛

（延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究中心工藝技術(shù)研究所，陜西 延安 716001）

儲(chǔ)層改造是致密油氣藏獲得工業(yè)油流的必要手段［1-5］，壓裂措施已廣泛地應(yīng)用于各大油田。然而水力壓裂、爆燃?jí)毫训却胧┯兄T多缺點(diǎn)，水力壓裂、酸化壓裂等會(huì)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生二次傷害，且壓裂施工程序復(fù)雜，作業(yè)費(fèi)用較高；爆燃?jí)毫咽芟抻诨鸸て愤\(yùn)輸和工藝實(shí)施特殊性，難以大范圍推廣使用。擬打算采用沖擊波技術(shù)改造儲(chǔ)層，目前產(chǎn)生沖擊波的原理主要有3種：1）是以液電效應(yīng)原理產(chǎn)生沖擊波的技術(shù)，油田現(xiàn)場(chǎng)稱為“電脈沖技術(shù)”或“電爆震技術(shù)”，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有較多研究和應(yīng)用［6-9］，但應(yīng)用范圍和效果有限，能量利用率僅有15%左右；2）是為提高能量轉(zhuǎn)換效率，以水中金屬絲電爆炸原理產(chǎn)生沖擊波的技術(shù)，該技術(shù)能量利用率提高到了50%，作為過(guò)渡技術(shù)，雖有相關(guān)研究，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不多［10-11］；3）是可控沖擊波技術(shù)，該技術(shù)以金屬絲電爆炸等離子體驅(qū)動(dòng)含能材料產(chǎn)生沖擊波的技術(shù)，因在電能的基礎(chǔ)上復(fù)合了化學(xué)能，大大提高了沖擊波的幅值和脈寬，能量利用率可高達(dá)80%以上，使得利用沖擊波技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層改造成為可能［12-16］。前人文獻(xiàn)大多是關(guān)于沖擊波機(jī)理的定性研究，無(wú)法為延長(zhǎng)油田儲(chǔ)層改造提供依據(jù)?，F(xiàn)將可控沖擊波技術(shù)引入延長(zhǎng)油田儲(chǔ)層改造技術(shù)中，進(jìn)而為鄂爾多斯致密儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)提供新思路。

延長(zhǎng)油田主要采用套管射孔完井，為模擬這一完井方式，采用在水泥樣品中添加射孔套管實(shí)現(xiàn)。脈沖電流源作用增能棒產(chǎn)生可控沖擊波，沖擊波通過(guò)射孔孔眼以“單點(diǎn)多次、多點(diǎn)連續(xù)”的方式作用到樣品中［17-19］，樣品中的損傷不斷累積，當(dāng)損傷達(dá)到一定閾值時(shí)出現(xiàn)破裂。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探究可控沖擊波對(duì)樣品力學(xué)性質(zhì)及裂縫的影響，從而為可控沖擊波套管井儲(chǔ)層改造可行性提供依據(jù)。

1 材料與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

主要以延長(zhǎng)油田致密油氣層的儲(chǔ)層抗壓強(qiáng)度為參考，通過(guò)配方調(diào)整制作不同強(qiáng)度的水泥樣品，作為致密砂巖相似性樣品。制作的樣品直徑1 m、高1 m，模具如圖1所示。在模具中間焊接帶射孔的9-5/8"套管，套管長(zhǎng)度1 100 mm，螺旋布孔4×20均布，孔眼的軸向間距為20 cm，周向相鄰孔眼間的相位角90°（圖2）。在前期研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的沖擊波產(chǎn)生設(shè)備，本文確定了3 g和10 g增能棒產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行致密砂巖的致裂效應(yīng)試驗(yàn)研究。

圖1 水泥樣品模具

試驗(yàn)采用西安交通大學(xué)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)的室內(nèi)沖擊波產(chǎn)生裝置。

每種配方的樣品均制作了小樣測(cè)試試驗(yàn)前的力學(xué)參數(shù)，初始力學(xué)參數(shù)與配方如表1所示。

圖2 焊接套管

表1 初始力學(xué)參數(shù)及配方表

1.2 試驗(yàn)方案

主要進(jìn)行可控沖擊波致裂致密儲(chǔ)層可行性研究，首先對(duì)1#和2#水泥樣品進(jìn)行致裂驗(yàn)證試驗(yàn)，探究3 g和10 g增能棒能否致裂樣品；其次以致裂驗(yàn)證試驗(yàn)為基礎(chǔ)選擇合適的增能棒，以下試驗(yàn)皆采用相同能量的增能棒：①探究沖擊次數(shù)對(duì)樣品產(chǎn)生裂縫的影響；②探究可控沖擊波對(duì)力學(xué)參數(shù)的影響；③對(duì)所有套管進(jìn)行安全評(píng)估試驗(yàn)（具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2）。

表2 試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)

首先以3 g和10 g這2種增能棒進(jìn)行了致裂驗(yàn)證試驗(yàn)（1#和2#樣品），每種增能棒累計(jì)作用沖擊11次，試驗(yàn)結(jié)果表明，3 g增能棒不能致裂水泥樣品，10 g增能棒可以致裂水泥樣品。因此，選擇10 g增能棒進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，10 g增能棒累計(jì)沖擊到第5次時(shí)，套管被拔出17 cm，表面上產(chǎn)生6條裂縫，其中有3條貫穿樣品。

2.2 沖擊次數(shù)對(duì)樣品產(chǎn)生裂縫的影響

脈沖沖擊波技術(shù)是以單點(diǎn)多次作用到儲(chǔ)層，需要以多次作用的疲勞效應(yīng)擴(kuò)大對(duì)儲(chǔ)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(kāi)展了2組試驗(yàn)，一組是對(duì)3#樣品累計(jì)沖擊作用6次，觀察同一裂縫的延伸情況，試驗(yàn)結(jié)果表明裂縫隨著沖擊次數(shù)的增加而變寬變長(zhǎng)。

另一組是研究沖擊次數(shù)對(duì)裂縫系統(tǒng)的影響試驗(yàn)，4#樣品累計(jì)沖擊23次，觀察裂縫的擴(kuò)展方向。對(duì)4#樣品沖擊7次時(shí)，主要以產(chǎn)生貫穿性裂縫為主，并無(wú)明顯次生裂縫，如圖3A所示；對(duì)4#樣品沖擊23次時(shí)，沿貫穿的主裂縫產(chǎn)生大量的次生裂縫，次生裂縫沿主裂縫周邊呈無(wú)規(guī)縫向外延伸，形狀似蜂窩，構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)，如圖3B所示。

圖3 不同沖擊下裂縫系統(tǒng)的變化

對(duì)于不同性質(zhì)、強(qiáng)度的儲(chǔ)層，不同的改造預(yù)期所需要的沖擊波強(qiáng)度不同，因此作業(yè)次數(shù)也會(huì)不盡相同。所以，針對(duì)不同儲(chǔ)層，需要通過(guò)霧模試驗(yàn)，確定可控沖擊波具體的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

2.3 可控沖擊波對(duì)樣品力學(xué)參數(shù)影響

2.3.1 沖擊波作用對(duì)應(yīng)變的影響

對(duì)5#和6#樣品沖擊第1次、第2次時(shí)，2塊樣品的應(yīng)變波形均已經(jīng)呈現(xiàn)震蕩衰減（圖4、圖5），表明樣品內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)較多缺陷，這些震蕩的波形本質(zhì)上來(lái)源于樣品內(nèi)部斷裂處沖擊波的折反射，即此時(shí)樣品內(nèi)部已產(chǎn)生大量微裂隙，同時(shí)在樣品表面也觀察到肉眼可見(jiàn)的裂縫。

對(duì)7#樣品作用3次時(shí)，通過(guò)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)變波形如圖6所示。觀察發(fā)現(xiàn)，前2次作用時(shí)，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2波形趨勢(shì)大致相同，環(huán)向和軸向應(yīng)變約102μs后近似歸零；作用第3次時(shí)，環(huán)向與軸向應(yīng)變波形均有較大振蕩。隨著作業(yè)次數(shù)的增加，樣品表面的微應(yīng)變峰值呈逐漸減小的趨勢(shì)。這是由于沖擊波會(huì)在已經(jīng)形成的微裂隙頂端形成折反射，形成屏障效應(yīng)，造成沖擊波在傳播過(guò)程中的能量損失，因此傳播到樣品表面的沖擊波會(huì)逐漸降低，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變峰值也逐步降低。

圖4 5#水泥樣品應(yīng)變測(cè)試(A)沖擊1次和(B)沖擊2次

2.3.2 沖擊波作用前后樣品力學(xué)參數(shù)

5#、6#和7#樣品分別在沖擊作業(yè)3次和6次后取小樣測(cè)試力學(xué)參數(shù)，在制作試驗(yàn)樣品時(shí)，同時(shí)制作了相應(yīng)的小樣品，用于測(cè)試沖擊前樣品力學(xué)參數(shù)；沖擊試驗(yàn)完成后，在樣品周向避開(kāi)裂縫的區(qū)域鉆取小樣，測(cè)試沖擊試驗(yàn)后力學(xué)參數(shù)，得到的檢測(cè)結(jié)果如表3所示。通過(guò)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比，經(jīng)過(guò)3次沖擊波作用的水泥樣品平均抗壓強(qiáng)度降低44.7%，平均抗拉強(qiáng)度降低44.8%，平均彈性模量降低39.1%；經(jīng)過(guò)6次沖擊波作用的水泥樣品平均抗壓強(qiáng)度降低50.6%，平均抗拉強(qiáng)度降低47.09%，平均彈性模量降低39.8%，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著沖擊次數(shù)的增加巖石力學(xué)性質(zhì)降低。

圖5 6#水泥樣應(yīng)變測(cè)試(A)沖擊1次和(B)沖擊2次

圖6 7#樣品應(yīng)變測(cè)試(A)沖擊1次；(B)沖擊2次和(C)沖擊3次

表3 沖擊前后水泥樣品力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

3 應(yīng)用效果

依據(jù)可控沖擊波致裂套管井儲(chǔ)層室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)7口水井進(jìn)行解堵試驗(yàn)。脈沖解堵作業(yè)后，平均單井日注水量由0.09 m3提高到2.31 m3，平均單井日注水量提高24.67倍，平均單井增注423.41 m3，累計(jì)增注2 963.88 m3，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)3口低產(chǎn)油井進(jìn)行改造，作業(yè)后平均單井日產(chǎn)液量由0.31 m3提高到0.80 m3，平均單井日產(chǎn)油量由0.16 t增加到0.89 t，平均單井產(chǎn)能提高4.6倍，累計(jì)增產(chǎn)83.26 t，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

4 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得出，增能棒的量需達(dá)到某個(gè)閾值，產(chǎn)生的可控沖擊波才能既不損壞套管，又能夠致裂水泥樣品；沖擊次數(shù)對(duì)裂縫系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生影響，較少?zèng)_擊次數(shù)主要以產(chǎn)生貫穿性裂縫為主，并無(wú)明顯次生裂縫；較多沖擊次數(shù)時(shí)，沿貫穿的主裂縫產(chǎn)生大量的次生裂縫，次生裂縫沿主縫向水泥樣品周邊呈無(wú)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)；隨著沖擊次數(shù)的增加，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變、彈性模量、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度皆減小。依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)油水井進(jìn)行增產(chǎn)解堵試驗(yàn)，作業(yè)效果明顯。

表4 可控沖擊波注水井效果統(tǒng)計(jì)

表5 可控沖擊波采油井效果統(tǒng)計(jì)