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爆燃压裂工艺研究

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水平井压裂 井压裂工艺 压裂技术
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/一/0,喝 爆燃压裂工艺研究 ‘a,.- —————一 ,,_0 ·_, 内容提要 爆燃压裂工艺技术以其独特的造缝能力而有别于水力压裂。邸它所形成的裂 缝体系不受地应力控制。爆燃压裂后谵层内将形成沿井筒周围分布的多案放射状 裂缝 缝长通常可达2一效降低了径向谚流状态下由近井带形成的 颈缩 区阻力。因此,它不仅能“垒方位 改造储层,而且具有明显的增产敢果。经多 次试验研究成功的油管送弹、水柱压挡、撞击引爆工艺方式,不需要大型或专门 设备,只需惜规修井作业酞即可完成全部作业,并且还可以与经常性的拄夏作业 相结台进行。因此,浑受生产现场欢迎 它不失为一种安全、经济、撕单,方便、 有效的实用工艺技术,它可广泛应用于油永井增产增注,老井复压,毒及作业为其它大型改谴措煎前的预处理等领域。 主 题 词:增产造缝爆燃压裂改造措苊 一、氍述 利用火药或炸药处理油层送到增产目的,迄今已有一百多年历史。1948年以来,}殖着 木力压裂技术的兴起,爆炸增产技术才逐步披取代。尽管如此,利用爆炸与水力压裂相结 台的油气增产研究并没有中断。 爆炸增产技术的致命弱点是,由于爆炸过程极为短暂 一段燃烧反应在蕺微秒内完成a 因此 一方面能量释放过快来不及传递难以形成裂缝,另一方面对被炸岩石表面造成粉碎 性破坏后形成一层压实层。压实层的存在大大降低了井壁附近的渗流能力,因而该方法基 奉不起增产作用或增产甚镦,阻碍了该技术的实际应用。 随着火箭和航天技术的迅遣发展,各种用于和平或战争目的的新型火箭燃料应运而生。 新型推进剞的大量涌现,给企图寻找一种新的,经济而方便的油层增产手段的^们带来了 新的希望。780年代即进入了蓬勃发展时期,文献报 道繁多一商品名称五花八门,如应力压裂、运动压裂、天体压裂 动力压裂和幅射压裂等。 据摄道,美国、苏联、加拿大、委内瑞拉等国对这一技术都比较重视。表 两国近年爆燃压裂工艺的应用发展情况。 我国最早由兵器部204所,西安石油学院。延长油矿在延长七里村油矿开展了裸眼浅 井爆燃压裂试验,并在近100口井上获得成功。从1989年起玉门、江苏 新疆、大庆等 油田也先后与西安石油学院,兵器部204所一起开展了该顼试验, 玉门及江苏油田试验井 次较多。他们共同的特点是:抛弃原塑料弹壳,电缆下弹 通电引爆工艺,普遍摸索采用 维普资讯 ,金属弹壳,撞击 柱或封隔嚣压挡工艺,均取得了比较满意的敢果。 表I 国外爆燃压裂情况 工艺 药品 弹 型 点火 压挡 应用情况 国家 方法 类型 结 构 方式 方式 井探 井沮 增产倍敦 有效期 (m) (℃) 美国 电缆进 m5,壳药柱 3000 2∞℃ 2.0~2.5 2~3 电缆送弹 固体燃料 有 心管药柱 电雷管 水柱 6500℃ 2.0 2 苏联 无 泵 选 00 3000 100℃ 2.5 特别应当指出的是,吉林油田在1988年开蛐单独研究本工艺后,他们进展迅建,截止耳前 为止,已应用了180个井次, 增产效果十分明显。从目前国内谈工艺的应用情况看,井深 已选35裸眼井,也有套管井,但百分之九十五以上均为套管井,渗透率从0,1×lO m 、100×10。 皿2,主要是在低渗油藏中应用。应用地层十分广泛,有砂岩、甚至变质岩,成功率大部可达有效率均在80 以上,平均增产周期达2 年,增产倍数一般都在2、2.5倍,最高可达5倍以上。 我局爆燃压裂工艺矸究最早始于1987年.当时曾与兵器部西安近代化学矸究所进行了 该项耳前期探讨性工作。198 9年经由石油夭然气总公司批准认可,才正式确立了爆燃压裂 工艺顼耳的开题研究o ‘ 二、造罐及增产原理: 大量国内外现场试验资科表明,爆燃压裂工艺技术作为一种进攻性储层改造措施,已 普遍为人们所接受,特别是近期已发展成为一种成熟的实用技术。一般增产平均为2—2.5 倍,有效期不小于2年,具有明显的经济效益和广阔的应用前景。因此,关于爆燃压裂的 增产机理问题的探讨,特别是裂缝形成机理的研究,一直没有中断过。但目前尚无定论。 以下谈谈我们综台国内外有关论述及通过现场观测得到的一些看法。 l、 爆燃压裂与爆炸压裂、水力压裂的工艺特征; 图1为美国桑迫亚家研究室测得的三种压裂过程典型的施工曲线,它们各自的特点为t 爆炸压裂————燃烧遵度极快,升压时问为微秒级,能量全部消耗在岩石表面的坏上,使岩石表面形成压实层和产生少量微细裂缝。 爆燃压裂———撼烧速度较快,升压时问为毫秒级,能量传递较快,因而不受地应力 控;}j,可形成径向放射状多条短裂缝。 水力压裂———卅压遣度缓慢为秒级,一般是沿着垂直于晟小主应力方向生成一条长、 一2一 维普资讯 。 氍修 毫母 修 2、井简径向渗流特征 恨据全(苏)厚燃地球物理研究所尼古拉耶维奇等人的研究指出,径向芬漉的压力降 有 ,。消耗在砸井壁3~5图二所示)。究,他们认为有70 的能量消耗在以井筒为中心的3 他们还通过渗流力学理论分析计算 证明由于表皮系数及井不完善系数的影响,实际 产液量0$: 0 ——=0.B 0_ 、 由此可以得出结论.由井壁到地层内3—5 影响或降低油井自终产扼 的主要障碍。换言之,即认为在径向流动条件下,地层能量大部份被消耗在以井简为中心, 以半径为5米的园周围内。因此,政造近井带的导流能力,对提高油井产能是至关重要的。 3、爆燃压裂裂缝特征及形成过程 关于爆璐压裂裂缝的特征及形成过程苏、美等国专家进行了大量室内及现场试验工作。 美国人首先在被废弃的坑道内作过试验燃后地层可钻沿爆燃中 15产生3—6 条放射状裂缝,而且这些裂缝不受地应力的控制。西安石油学院在延长七里村油矿选择了 多块巨石,以及在室内也做过类似梗似试验圈为爆燃压裂 缝形态及其与爆炸压裂,水力压裂裂缝各自的裂缝形态特征。 爆 燃 爆炸 水力 一3一 R≤ 维普资讯 ,目前国内外尚无定论。 美国人认为爆I;压力的推动下进入孔眼,当气体压力超过破 裂压力时,高压气流将地层捧开而形成裂缝。地面试验及室内模似均说明这个问题。 苏联人认为爆燃压裂的裂缝形成过程类似水力脉冲压裂。他们认为爆燃前井筒及地层 孔爵将爆燃后产生的高压气区视为一个压力源,液体在这个压力源 的压力作用下迅速推进地层 从而以高压水力脒冲形式蹩开地层 图4为谈看法的示意图。 |‘的专家则认为,爆燃裂缝的形成是上述两种作用的共同结果。 4、关于裂缝的闭合 根据国外资料报遭:“爆燃压裂过程中不携带支掉剂,在高闭合压力下,怎样保持压 裂裂缝的张开?桑氆亚试验室在内华达试验场提供的真实资料证实 裂缝宽度确实存在, 裂缝表面产生沟槽·不在主应力方向上的裂缝的两面产生了相对位移 。 我们认为由于爆燃高压气流韵冲酬,裂 缝表面形成沟稽而且有少量碎屑填充在裂缝 内 加上 错位 作用,所以爆燃压裂所生 成的裂缝不会完全闭台而保持一定的宽度, 这个宽度一般在0.381~0.76 2毫米咽5)。 5、有关裂缝长度的探讨: 裂缝铡试技术目前各国尚无准确可靠方 法,大体上只能通过现场或室内模拟、水动 力学或数学校型来计算,其结果准确性较差。 美国有关资料弥爆燃裂缝一般可达井径的5o —联学者则认为一般固体推进莉 爆燃压裂缝长可达5—10m,最近他们研究了一种液态火药爆燃工艺 键长可达2o~5总之,一致的看法是:爆燃裂缝最短也超过了 颈缩 区的范围。 总之,爆燃压裂能够形成具有一定宽度且不闭台的裂缝体系,又因它所形成的裂缝不 ——4—— 维普资讯 ,所以能 全方位 改造近井带地层,裂缝的长度虽然远远不如水力压裂, 但它完全突破了近井带的 颈缩 地区,故而必然具有一定的增产效果。除此之外 以下 几点对增产也有一定作用o (J).压裂裂缝能够切割地层的原生裂缝 对提高地层渗透能力大有好处。 (2).它的冲击,震动和热化学作用能够清除孔眼,套管壁的蜡、垢,胶质物质,有明 显的解堵作用。 (3).燃饶产生的大量二氧化碳,一氧化碳气体还可以降低原油粘度, 降低渗流阻力。 三、工艺技术关键及室内试验 我局生产井中绝大多数井都是属于中深套管井 要在套臂井中开展爆燃压裂工艺研究 当时国内仅有延长}由矿的裸陧浅井资料 国外也只有关于套管井的消息报道并无实质性的 工艺资料。因此,我1订必须立足于自力更生,克服和解决一道一道技术难关。要在中深套 管井内襄施爆燃工艺,首先必须解决以下工艺技术关键 。 j、优选安全、简单、可靠、经济、方便的旄工工艺,该顼技术才能有生命力。我们 从国内外资料了解到基本可行的多种工艺方法(惮见附表),结台长庆油田的生产实际 通过室内评价及现场试验最后筛选了油管送弹 金属弹壳气体发生器,撞击引爆,水柱压 挡工艺技术作为主攻方向。 爆燃压裂工艺技术分类表 l 按进弹方式分』 【 电缆进弹 油管送弹 泵 送 (液态推进剜专用) 东拄压挡 封隔嚣压挡 水柱、封隔器复台压挡 水泥塞压挡 砂袋、撬胶塞等 ,电缆通电引爆 按引爆方式分 击引爆 4 按装药方式分 有容器 无容器 ,可燃塑料壳 j.金属制气体发生器 心臂固体药柱 液态推进婀 一 5一 ,●●●●●●●●●●、 分 式 方 挡 压 按 2 ,●●●●,、●●【 维普资讯 、上述工艺方向确定之后,首先要求解决所用金属弹壳的结构设计向题。 对金属弹壳应有如下技术要求: (【)、具有较高的强度。弹壳压裂前需要承受井筒液体介质的高压及温度的影响要能够承受瞬问高达1 40体而言,弹壳应具有较高 的抗内压、抗外挤及抗拉伸机械强度。 ∞、具有可靠的密封性。无论泄气孔部位还是接联部位都必须长时间无渗漏 (3j、具有较好的拆装灵活性。 具有抗酸、璃、盐类及爆燃残余物的腐蚀性。 (5)、能多次重复使用,不产生裂缝、烧伤、冲蚀等缺陷。 按照上述掩术要求,设计加工的42内试压达现场应用最多达 6井次 均未出现损伤等缺陷。 3、 撞击点火装置的研橱 应满足以下技术要求; (1)、有较高的强度·爆燃后主体不应有损伤.并要求主要部件可重复使用。 (2)、具有绝对安全性 在运输或使用过程中绝对不舍发生任何条并下的自燃。 (虮具有很高的可靠性 经撞击后应迅速发生作用。 【4)、应有可靠的密封性,否则会造成施工失败。 现采用的撞击点火装置结构原理如图该装置首先在我院大直径井上试验成功 至今 已竖过未出现异常情况。 4、药品的室内试验与筛选 爆燃压裂工艺除以上必需的工具装备外,核心 是要解决药品问题 我们调研了军工系统当时已投 用的六种推进剂,并对他们的性能进行了室内测定 筛选,从中选出了适台我油田岩石力学特点的有三 种。 耐药品的技术要求是: B ;1).可靠性高,易于引燃。 (2)、安全性好一对冲击、震动、温度和电磁波不敏感。 0)、燃速符台爆燃要求,一般升压速度在0.1~(4)、产气量大 有利于廷缝。 【s)、价拮台理.货橱【广泛。 为此 我们研制了一套密闭爆发器及微机数据采集系统 弼取了几种常见推进剂的P —为筛选爆燃用药的主要依据 一6一 维普资讯 , “/7 双芳一3 lg//沿一2 特性 长度E∞) l 4 35 400 1.05 720 直径(5.O 7.5 4.S 6 0.4 6 5 孔径(mⅢ) 0.55 0..0 2.3 0.1l / 孔敷7 l l / 假比霞 L/k~) 0.g O.g 1.O 1.O 0. 产气量fL,92 5.1 95S.8 1041.2 937.S / 燃建常数t^) O.'g×10— , O.55×1 / / 燃速指教 O.85 / / r / / 燃层厚度(皿皿) 1.35 1.7T 1.68 0.22 / 图7为在密闭爆发器内实测的 /。一樟的P—药量20克,密闭攥发器容积 2500m ,嘲得最高峰值压力为78压时问为l 9药性能较好, 货源广,为近期 采用的主体药种。其它品种固各种原因不便采用。 5、套营保护及检测技术 (J)、套管保护的必要性。套管是油水井的基本物质基础,它不充许任何工艺措蘸对其 造成任何形式的永久性损伤。否则,将对以后的其它改造措施带来困难,甚至导致油承井 的正常生产无法进行。 (2)、套管损坏原因。油水井进行爆燃压裂作业时,主要是要在其空阃内形成高压,一 般爆燃时瞬问峰值压力均在爆燃峰值压力与众多因素有美,如药品性能、药 品数量、填装密度、渗透率 原生裂箍、历年描燕情况等因素都有密切联系。众多因素 中,造成套管损伤的主要因素是馕破压差△P △P=——’一 维普资讯 :△P— 燃后的套管空问压力与地层破裂压力之差(进入套管空阃的气流压力 P ——地层破裂压力 (因此,如何有敬控制住△P,就是套管保护的技术关键。 通常馓法是适当降低蜂值压力P=m。常用的措施是:一种为选用升压速度较慢的推进剂。 国 常用30、内常用腮芳3和”/。一樟,双铅一2等,双芳一 3.”/ 一樟性质与一种措施是控制一次压裂的用药量,国外推荐每米射 孔段不大于2 (3)、金属壳气体发生器能有效保护套管。 为了搞清爆燃过程中套管损伤机理,项目组曾研制了一套套管试验台架,由于的试验场所,该1式验装置重达1.2t,加上人力紧张等原因.该试验至母尚未开展。有关 套营保护的问题,是一个人们普遍关心且迫切需要解决的问题 为此,我们借助现场试验 和跚井技术基本找到了确切的答案。 首先采用通井办法检查套管。如城28—2 1井爆燃压裂后,即向下加深原管柱深度.使 长255封隔器的中 钻后胶筒完好无损。其它的塞1— 2井、塞29—1井等均做过类似检查,均未发现遇阻及划痕等现象。 另外,在中302井进行了压前、压后利井监捌。铡井项目是声幅变密度,八臂微井。 前者是植查水泥环 后者是检查套管。稠井结果是 压前压后曲线基本一致套管东泥环无 损伤 。详见铡井拄线图。 盔现场试验中,每米射孔段药量超过2中城28—21井最走,每米射孔 曼药量为8大翘过了国外推荐药量2什么套管并末产生损伤'我们认为是金属 壳气体发生器起了关键作用。 气体发生器不仅仅是 装药容器,能够满足一定的机摘强度和密封性要求.更主要的 是它在保护套管方面具有特礞功能。一方面是它把燃烧反应局限在其内部进行 避免了高 温、高压气体直接与套管内壁接触.起到了一定曲隔离保护作用。另一方面是它的孔眼的 “节流 作用.有效地降由发生器泄气孔进 环空的气流压力而套管得以有 效的保护。 一8一 i“t“ 且力量仁●丘 日8|L 维普资讯 。爆燃时我们可将气体发生器的峰值压力 P 祝为P。.环空压力灌气孔视为孔扳。在节流原理的作用下P 将下降到P ,当P*>P 时.地层将产生裂缝。P*一P =△P≤套管抗内压 强度时,套管则不会产生损坷:。即由于节流原理的作用,降低拜空压力P* 使爆破压差 △P<套管抗内压强度,则是套管不被损坏的充要条中}。 由此可得出结论:气体发生器在药型已选定的前提下,它的泄气孔孔径大小,孔数的 多少与发生器内容积的匹配是套管得以保护的关键参数。 四、油管送弹撞击引爆工艺 在套管这个特定环境中进行爆燃压裂.可有多种工艺方法来实现。由于现场生产条 件的制约,只有最简单、方便、安全、经济而有效的工艺才能为生产单位所接受。实践证 日胃,撞击管送弹,气体发生器加术挂压挡的 工艺方法是简易可行的。 1、工艺原理 如图9,撞击棒自井口投下后,在重力作用下沿 袖管内壁向下作自由落体运动,撞击棒运动过程中将 克服各种阻力,最后以啊氽的动能撞击雷管.雷管发 火后引燃传火管,传火管将喷射高温火焰点燃主药后 拄从上到下的墩序迅速燃烧,依扳推开弹壳密封脏塞 并向环空内喷射出高压气俸,高压气体推动井筒及地 层内液体,从而以高压脉冲形式使地层产生裂缝。 2、施工要求 (J)、套管完好 (2)、井底无落物。 (3)、固井质量台倍。 (4),井身数据齐全准确。 (5)、历年措施情况清楚。 3、施工步骤 (1)、起出井下油管 油杆。清除油管内外及油杆 各部结蜡及污物待用。 (2)、下井底。 (3)、下洗井管柱,下端带冲砂斜口,冲砂洗井至 ^工井底4)、起出冼井管柱。 (5)、压裂弹底部下至射孔段中部。下钻具结构依 次为:压裂弹一5根油管一长255封隔器一油管至井 图9塌燃压裂管柱结构示意图 一9一 维普资讯 。 (6)、座封封隔嚣并接好井口o. (T)、向油套管环形空间打平衡压力1 5用东柱压挡可不打,。 (g)、待所有人员撤离井场后,由专人向油管内投入撞击棒。 一 . (9)、待确定压裂弹被B【燃无误后起出下井全部工具及管柱。 卿.下洗井管柱蛔底洗井 至退出水中不古鳝、垢等物质为止。 0O、更换新泵 按原泵挂深度及抽扳参数下泵生产。 4、选井原则 (1)、钻井或其它作业过程中有明显伤害或污染。 《2)、地层压力较高 产量明显偏低者e (3)、注水引效井。 【4]、地质条件较好,经水力压裂无效者。 ( 、底水资料清楚但未窜通的井。 (6)、因结垢 结蜡造成堵塞的油井o 0)、对水,酸有敏感性的井。 5、工艺特点 ‘1)、施工极为简单方便,不需要专用或特殊作业机械,只需修井作业队及采油厂一般 配套设备即可完成全部作业。 (2)、可与检泵作业相结台,施工周期一般其需2—3天 不影响正常时宰 (3)、增产、增注较果明显。 (4)、费用低廉.经济性好。 (5)、工艺简草、易于掌握和推广应用。 (6】、适应性广泛。 仃)、药品安全性好,对冲击、震动、温度、电磁波均不敏感。 6、适应范围 “)、可太面积用于老井复压一可作为老油田调整,挖潜,引技的重要手段。 (z)、可用于新探构区的产能评价,《3)、可作为经常性的常规解堵工艺措施。 (4)、可与其它政造 解堵等工艺相结台,作为水力压裂、酸化压裂、除垢等工艺措施 的项处理措施。 五、现场试验情况 经过前一所段的摸索与不断改进完善 自1 井首获成功起,我们在 8月24日一11月13日共81天内·连续施工10中东井3口 油井 口。应用井深140温小于60‘C.地层渗透率0.5—72.2¨ ,成功井均为套管井, 井径为5 /3英寸一8 / 2律采用的是袖管送弹,撞击引爆. 下接第48页 一J 0一 维普资讯 、连续工作时问: 240h 5、环空温度: 0、40℃: 6、显示方式: 六位1、电源: 22螋±10 ,508Z; 8、抗震性能 经得起乡土公路颠簸; g、输出打印结果:平均地层压力.平均地层渗透率;油层流动系数;表皮因子: 10、仪器重量: <8三、现场试验情况: 本仪器于1g 91年8、9月在采油=厂三太队铡试10口井,为便于比较,与回声仪手工测试同时进行。在正式试井作业井中,均铡得完整的液面恢复曲线.打印出 计算结果。试验表明,本仪器因避免了测试过程中人为因素造成舶误差,测试质量明显好 于手工操作的回声仪。二者硼深最大绝对误差仅±2m.如果不计回声仪自身误差(美国回 声仪允许误差为±10m/3000~)·这个测深精度也是完全可以满足常规试井要求的。 四、仪器特点: 1、 本仪器集回声仪及回声仪控制仪功能于一体,并增加了数据处理功能.实现了测 试数字化、自动化和半智能化,在常规液面恢复试井中可替代回声仪 2、 本仪器可用于计算机对所棚曲线的直线段进行判别,选取晟佳直线段.从而提高 了试井解释质量o 3、本仪器可进行最后结果的计算与打印。 . 4、采用电声弹作声裸·自具特色。 5、仪器性能好,价格比较低.相当于国内同类仪器的1一 4,美罾仪器的l 10。 上接第:柱及封陌器压挡工艺,获得了满意的技果。油水井成功率达100 ,有效率100 ,油井 增产倍数为1.,平均3.8倍10.5倍.最低为南27—21并,为】.5 倍,水井王8一日并与小型水力加砂压裂投注井及高能射孔直接注井相比较.嗳水能力均高 于后者。 油井增产效果明显,截至今年】2月底累计增产原油1 670t,平均单井增油238t,单井 日增油3.6t,取得比较好的竖济效益。 参考文献 1、爆燃压裂工艺应用前景 唐吉安 1988年10月 2、中探套管井高能气体压裂 江苏石油勘探局 钱家徨 1 990年、高能气体压裂论证会汇报材料西安石油学院 1 988年8月 4,垒(苏)爆燃地球物理研究所尼古拉耶维奇等三^来华讲学讲稿 西安石油学院 1 991年4 普资讯
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