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层内爆炸压裂技术原理及分析

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压裂工艺 压裂技术 分段压裂 连续油管
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  [收 稿 日 期 ] 2007212231[作 者 简 介 ] 赵 志 红 (19812) , 男 , 2005 年 大 学 毕 业 , 硕 士 生 , 现 主 要 从 事 油 气 藏 增 产 技 术 与 理 论 研 究 工 作 。层 内 爆 炸 压 裂 技 术 原 理 及 分 析赵 志 红 , 郭 建 春   (西 南 石 油 大 学 “ 油 气 藏 地 质 及 开 发 工 程 ” 国 家 重 点 实 验 室 , 四 川 成 都 610500)[摘 要 ] 立 足 于 水 力 压 裂 机 理 , 在 借 鉴 以 往 井 筒 内 爆 炸 压 裂 和 高 能 气 体 压 裂 经 验 的 基 础 上 , 结 合 爆 破 理 论对 层 内 爆 炸 作 用 过 程 以 及 对 油 气 层 的 改 造 效 果 进 行 了 研 究 , 对 其 增 产 原 理 进 行 了 分 析 。 结 合 水 力 压 裂 施工 工 艺 及 石 油 工 业 的 要 求 , 分 析 了 目 前 层 内 爆 炸 压 裂 现 场 应 用 的 技 术 难 点 , 对 今 后 的 工 作 提 出 了 建 议 ,对 其 应 用 前 景 进 行 了 分 析 。[关 键 词 ] 层 内 爆 炸 ; 压 裂 ; 低 渗 透 油 气 藏 ; 液 体 炸 药[中 图 分 类 号 ] 文 献 标 识 码 ] A     [文 章 编 号 ] 100029752 (2008) 02202972031   层 内 爆 炸 压 裂 基 本 概 念层 内 爆 炸 压 裂 就 是 首 先 采 用 水 力 压 裂 方 式 在 油 气 层 中 形 成 一 定 长 度 、 高 度 和 宽 度 的 水 力 裂 缝 , 接 着将 液 体 炸 药 用 压 裂 车 泵 送 到 水 力 裂 缝 中 , 随 后 引 爆 水 力 裂 缝 内 的 炸 药 。 利 用 炸 药 产 生 的 强 烈 冲 击 波 和 大量 高 温 高 压 气 体 来 破 碎 裂 缝 壁 面 岩 石 , 并 在 水 力 裂 缝 周 围 产 生 大 量 微 裂 缝 , 在 储 层 中 形 成 岩 石 颗 粒 支 撑的 水 力 裂 缝 和 大 量 自 支 撑 的 微 裂 缝 , 从 而 实 现 沟 通 更 深 远 的 储 层 、 有 效 地 改 善 地 层 渗 透 性 、 提 高 地 层 储量 的 动 用 程 度 、 增 加 油 气 产 量 、 节 约 开 发 成 本 , 最 终 达 到 经 济 有 效 地 开 发 低 渗 透 油 气 藏 的 目 的 。2   层 内 爆 炸 压 裂 过 程层 内 爆 炸 压 裂 是 建 立 在 水 力 压 裂 基 础 之 上 的 , 可 以 理 解 为 爆 炸 压 裂 与 水 力 压 裂 的 联 作 技 术 。211   地 面 准 备 工 作与 一 般 水 力 压 裂 不 同 之 处 是 层 内 爆 炸 压 裂 不 需 要 支 撑 剂 的 准 备 , 而 且 压 裂 液 和 压 裂 车 组 的 需 要 也 相对 较 少 , 唯 一 增 加 的 是 液 体 炸 药 现 场 配 制 车 及 一 些 相 关 的 起 爆 设 备 等 。 但 液 体 炸 药 价 格 低 廉 , 所 以 总 体来 说 , 大 大 减 少 了 施 工 成 本 。图 1   层 内 爆 炸 形 成 的 微 裂 缝 网 络 示 意 图212   地 下 作 用 过 程水 力 压 裂 在 地 层 中 形 成 一 条 水 力 裂 缝 后 , 通 过 压裂 车 泵 送 液 体 炸 药 到 水 力 裂 缝 中 , 再 泵 入 一 定 的 顶 替液 将 井 筒 中 的 液 体 炸 药 全 部 挤 入 水 力 裂 缝 中 去 。 然 后启 动 起 爆 设 备 , 将 液 体 炸 药 引 爆 , 液 体 炸 药 迅 速 燃 烧并 在 地 层 中 产 生 作 用 , 这 一 过 程 持 续 时 间 很 短 , 不 到1s。 根 据 爆 破 工 程 经 验 , 爆 炸 作 用 过 程 一 般 分 为 两 个阶 段 : 第 一 阶 段 , 由 液 体 炸 药 爆 炸 产 生 的 爆 炸 冲 击 波冲 击 破 碎 水 力 裂 缝 壁 面 附 近 岩 石 ; 然 后 冲 击 波 衰 减 为 应 力 波 , 撕 裂 破 碎 区 外 的 地 层 岩 石 , 在 岩 石 中 产 生大 量 初 始 微 裂 缝 , 形 成 裂 隙 区 。 第 二 阶 段 , 爆 炸 产 生 的 高 温 高 压 气 体 进 一 步 对 应 力 波 产 生 的 初 始 微 裂 缝扩 展 延 伸 , 从 而 在 主 裂 缝 周 围 产 生 大 量 微 裂 缝 (图 1) 。3   裂 缝 的 形 成 与 支 撑311   水 力 裂 缝 的 支 撑层 内 爆 炸 压 裂 的 一 个 优 点 是 不 需 要 地 面 泵 送 支 撑 剂 , 而 是 由 液 体 炸 药 爆 炸 破 碎 地 层 岩 石 产 生 岩 石 碎·792·石 油 天 然 气 学 报 (江 汉 石 油 学 院 学 报 )   2008 年 4 月   第 30 卷   第 2 期il I)    0   屑 来 支 撑 水 力 裂 缝 。 由 水 力 压 裂 经 验 可 知 , 地 层 深 部 水 力 压 裂 形 成 的 缝 宽 约 2~ 5 裂 缝 中 容 积 约 2~ 5L/  可 注 入 约 2~ 5 药 。 由 爆 破 工 程 经 验 , 爆 破 破 碎 单 位 体 积 岩 石 的 耗 药 量 约 1 石 。所 以 , 在 层 内 爆 炸 时 就 可 以 破 碎 产 生 2~ 5  岩 石 颗 粒 , 而 岩 石 的 密 度 一 般 为 2140~ 2175g/ 则 相 当 于 裂 缝 壁 面 附 近 岩 石 破 碎 产 生 的 岩 石 碎 屑 对 水 力 裂 缝 起 到 了 支 撑 的 作 用 。312   微 裂 缝 网 络 的 形 成 与 支 撑31211   微 裂 缝 网 络 的 形 成由 爆 破 经 验 知 , 爆 炸 冲 击 波 衰 减 为 应 力 波 后 , 应 力 波 在 地 层 岩 石 中 传 播 的 过 程 中 将 对 岩 石 产 生 撕 裂破 坏 , 在 岩 石 中 生 成 微 裂 缝 。 林 英 松 等 人 [1 ]进 行 的 层 内 爆 炸 模 拟 试 验 也 证 明 了 这 一 点 。在 应 力 波 产 生 大 量 微 裂 缝 的 基 础 上 , 液 体 炸 药 爆 炸 生 成 的 高 温 高 压 气 体 对 微 裂 缝 进 一 步 延 伸 。 微 裂缝 的 延 伸 过 程 包 括 延 伸 的 转 化 、 裂 缝 沿 初 始 裂 缝 方 位 的 延 伸 、 裂 缝 向 垂 直 于 最 小 主 应 力 方 向 偏 转 及 裂 缝延 伸 的 终 止 。 当 岩 石 突 然 破 裂 后 , 在 岩 石 内 形 成 了 自 由 容 积 , 一 部 分 气 体 进 入 裂 缝 , 形 成 “ 楔 劈 效 应 ” 。当 爆 炸 产 生 的 高 压 气 体 在 裂 缝 壁 面 上 形 成 的 压 力 超 过 裂 缝 的 延 伸 压 力 时 , 裂 缝 扩 展 延 伸 , 在 延 伸过 程 中 会 出 现 壁 面 岩 石 的 破 碎 以 及 裂 缝 之 间 的 相 交 、 合 并 , 形 成 更 宽 的 裂 缝 。 延 伸 过 程 的 后 期 , 气 体 压力 下 降 到 裂 缝 静 态 延 伸 的 水 平 , 裂 缝 延 伸 的 静 态 特 征 渐 趋 明 显 , 裂 缝 将 向 垂 直 于 最 小 主 应 力 方 向 偏 转 。随 着 裂 缝 内 压 力 的 进 一 步 降 低 , 各 裂 缝 逐 渐 停 止 延 伸 , 最 终 结 束 延 伸 过 程 。在 以 上 两 种 机 理 的 共 同 作 用 下 , 最 终 将 会 在 水 力 裂 缝 壁 面 附 近 地 层 岩 石 中 产 生 大 量 小 裂 缝 。 高 能 气体 压 裂 经 验 表 明 , 高 温 高 压 气 体 能 在 岩 石 中 形 成 3~ 8 条 缝 长 为 25~ 50m 的 裂 缝 。 爆 破 经 验 也 表 明 , 在固 体 药 球 形 装 药 条 件 下 , 爆 炸 能 够 形 成 8 条 左 右 的 裂 缝 [2 ] 。31212   微 裂 缝 的 支 撑层 内 爆 炸 压 裂 是 一 个 动 态 过 程 , 在 一 定 加 载 速 率 的 冲 击 载 荷 作 用 下 , 形 成 多 条 没 有 规 律 的 径 向 裂缝 , 裂 缝 面 不 再 垂 直 于 最 小 主 应 力 的 方 向 。 由 于 地 应 力 的 剪 切 作 用 , 这 些 裂 缝 面 之 间 将 会 产 生 偏 轴 效应 , 使 裂 缝 壁 面 之 间 发 生 小 的 错 位 , 从 而 使 裂 缝 不 能 原 位 闭 合 , 形 成 具 有 较 高 渗 透 率 的 导 流 裂 缝 。 同时 , 岩 石 在 超 过 屈 服 极 限 的 高 压 作 用 下 , 产 生 不 可 恢 复 的 塑 性 变 形 , 使 裂 缝 在 卸 载 后 仍 保 持 一 定 的 残 余缝 宽 。 此 外 , 应 力 波 对 缝 面 岩 石 的 剥 落 会 产 生 一 定 的 岩 石 碎 屑 ; 同 时 , 高 温 高 压 气 体 在 延 伸 裂 缝 的 过 程中 会 破 坏 裂 缝 面 附 近 的 岩 石 结 构 , 从 而 产 生 一 定 的 岩 石 碎 屑 [3 ] , 这 些 碎 屑 对 微 裂 缝 也 起 到 了 支 撑 的 作用 。4   层 内 爆 炸 压 裂 的 增 产 原 理层 内 爆 炸 压 裂 是 利 用 液 体 炸 药 在 水 力 裂 缝 中 爆 炸 对 油 气 层 进 行 改 造 的 技 术 , 依 据 液 体 炸 药 的 爆 炸 作用 过 程 和 生 成 气 体 的 性 质 , 其 增 产 机 理 主 要 有 以 下 4 个 方 面 : 机 械 作 用 、 热 作 用 、 化 学 作 用 和 应 力 波 作用 。411   机 械 作 用层 内 爆 炸 压 裂 的 机 械 作 用 是 造 缝 作 用 和 对 岩 石 的 破 碎 作 用 。 层 内 爆 炸 压 裂 破 碎 水 力 裂 缝 壁 面 岩 石 ,依 靠 岩 石 碎 屑 支 撑 裂 缝 , 从 而 使 水 力 裂 缝 具 有 较 高 的 渗 透 率 。 同 时 , 在 水 力 裂 缝 附 近 产 生 具 有 一 定 导 流能 力 的 大 量 细 裂 缝 , 这 些 细 裂 缝 不 仅 穿 透 水 力 裂 缝 近 壁 地 带 的 污 染 区 , 使 地 层 导 流 能 力 极 大 提 高 , 而 且增 加 了 沟 通 地 层 天 然 裂 缝 的 机 会 。 所 以 , 层 内 爆 炸 压 裂 在 地 层 岩 石 中 形 成 了 一 个 具 有 较 高 导 流 能 力 的 裂缝 网 络 (图 1) , 沟 通 了 地 层 中 更 深 远 的 油 气 资 源 。 这 对 低 渗 透 油 气 藏 的 开 发 具 有 重 大 的 意 义 。412   热 作 用液 体 炸 药 在 爆 炸 过 程 中 释 放 出 大 量 的 热 量 , 从 而 在 裂 缝 近 裂 缝 地 带 引 起 巨 大 的 温 度 变 化 。 燃 烧 区 内气 体 的 温 度 最 高 可 达 几 千 度 , 这 些 气 体 进 入 微 裂 缝 , 熔 化 地 层 中 石 蜡 等 易 熔 化 的 沉 积 物 , 破 坏 水 和 油 2水 堵 塞 物 , 降 低 原 油 粘 度 , 溶 解 污 染 物 。413   化 学 作 用层 内 爆 炸 压 裂 的 化 学 作 用 指 的 是 爆 炸 产 生 的 高 温 高 压 气 体 中 的    等 酸 性 气 体 遇 水形 成 的 酸 液 对 地 层 岩 石 的 腐 蚀 作 用 。 根 据 高 能 气 体 压 裂 经 验 [ 4 ] , 形 成 的 酸 液 浓 度 达 到 15 %~ 17 %。 在·892·   石 油 天 然 气 学 报 (江 汉 石 油 学 院 学 报 ) 2008 年 4 月燃 气 的 高 温 条 件 下 , 该 化 学 作 用 不 可 忽 视 , 与 酸 液 处 理 地 层 一 样 , 酸 洗 堵 塞 地 层 的 污 染 物 , 达 到 酸 化 的效 果 。414   应 力 波 作 用液 体 炸 药 在 裂 缝 中 爆 炸 时 会 产 生 较 强 的 应 力 波 [ 5 ] 。 根 据 声 波 采 油 原 理 , 应 力 波 在 岩 石 中 以 应 力 和 应变 方 式 传 播 , 使 地 层 岩 石 产 生 变 形 和 破 坏 , 对 储 层 岩 石 中 的 流 体 也 会 产 生 有 利 的 作 用 。1) 解 除 地 层 堵 塞   由 于 应 力 波 具 有 较 强 的 穿 透 能 力 , 可 以 穿 透 附 面 层 , 并 引 起 油 层 的 固 体 介 质 和液 体 介 质 的 非 同 相 振 动 , 从 而 破 坏 、 剥 落 附 面 层 , 使 “ 粘 附 ” 的 堵 塞 颗 粒 脱 落 。2) 在 油 层 中 产 生 微 裂 缝   原 油 、 岩 石 和 水 的 波 阻 特 性 是 不 同 的 , 当 应 力 波 在 饱 和 原 油 和 水 的 地 层中 传 播 时 , 不 同 介 质 内 的 应 力 波 之 间 发 生 耦 合 作 用 , 在 自 由 界 面 或 两 种 介 质 的 交 界 处 产 生 新 波 ; 或 者 应力 波 在 天 然 裂 缝 和 岩 石 微 隙 中 的 反 射 和 折 射 应 力 波 。 这 些 应 力 波 之 间 或 与 母 波 之 间 产 生 干 涉 作 用 , 形 成应 力 集 中 现 象 , 造 成 了 不 连 续 的 应 力 分 布 , 可 在 岩 石 抗 拉 强 度 较 小 处 形 成 微 裂 缝 。3) 降 低 流 体 粘 度   ① 解 聚 降 粘 。 解 聚 降 粘 是 指 高 分 子 化 合 物 的 流 体 在 高 强 度 的 波 动 作 用 下 作 强 迫机 械 振 动 , 使 分 子 具 有 较 大 的 加 速 度 , 形 成 分 子 间 的 相 对 运 动 , 在 分 子 的 惯 性 作 用 下 , 高 分 子 化 合 物 的分 子 键 断 裂 , 大 分 子 被 粉 碎 。 结 果 致 使 原 油 粘 度 降 低 , 提 高 原 油 在 地 层 中 的 流 动 速 度 , 有 利 于 提 高 采 收率 。 ② 热 降 粘 。 应 力 波 在 传 播 过 程 中 , 被 传 播 介 质 吸 收 , 不 同 介 质 的 分 界 面 处 和 边 界 的 摩 擦 作 用 等 都 会释 放 出 大 量 的 热 。 热 作 用 的 结 果 可 以 提 高 流 体 的 温 度 , 降 低 原 油 粘 度 , 使 流 体 的 流 动 阻 力 减 小 。5   技 术 难 点液 体 炸 药 领 域 的 突 破 , 给 层 内 爆 炸 压 裂 的 实 现 打 下 了 基 础 , 目 前 已 研 究 出 了 在 015 右 的 厚 度下 能 够 稳 定 传 爆 的 液 体 炸 药 [ 6 ] , 而 水 力 裂 缝 的 宽 度 一 般 为 2~ 5 所 以 液 体 炸 药 的 这 种 特 性 完 全 能 够适 应 层 内 爆 炸 压 裂 的 要 求 。 并 且 , 液 体 炸 药 具 有 足 够 的 钝 性 , 能 够 保 证 施 工 过 程 中 不 会 发 生 爆 炸 ; 国 内已 有 研 究 说 明 层 内 爆 炸 后 不 会 对 油 气 集 输 系 统 产 生 威 胁 , 这 在 很 大 程 度 上 去 除 了 石 油 工 业 最 关 心 的 安 全生 产 问 题 。 那 么 , 对 于 层 内 爆 炸 压 裂 的 应 用 , 作 者 认 为 还 存 在 以 下 几 个 方 面 的 难 题 : ① 研 究 在 水 力 压 裂高 压 的 条 件 下 成 功 将 液 体 炸 药 挤 入 水 力 裂 缝 的 工 艺 技 术 。 ② 怎 样 成 功 引 爆 裂 缝 中 的 液 体 炸 药 , 并 保 证 不对 套 管 造 成 损 坏 。 ③ 对 其 改 造 的 理 论 认 识 还 基 本 处 于 盲 区 。6   今 后 工 作 及 应 用 前 景层 内 爆 炸 压 裂 技 术 的 实 现 需 要 多 学 科 的 综 合 知 识 , 结 合 其 技 术 难 点 , 今 后 应 重 点 在 以 下 几 个 方 面 开展 工 作 : ① 研 究 层 内 爆 炸 压 裂 的 施 工 工 艺 , 并 进 行 大 量 的 模 拟 研 究 , 尽 早 实 现 施 工 工 艺 上 的 突 破 。 ② 进行 层 内 爆 炸 模 拟 试 验 研 究 , 认 识 层 内 爆 炸 对 地 层 岩 石 的 破 坏 规 律 。 ③ 进 行 层 内 爆 炸 基 础 理 论 研 究 , 从 理论 上 分 析 层 内 爆 炸 压 裂 过 程 及 其 效 果 。世 界 上 低 渗 透 油 气 资 源 十 分 丰 富 , 分 布 范 围 非 常 广 泛 ; 我 国 近 年 来 探 明 的 低 渗 油 气 储 量 约 占 该 期 全国 探 明 储 量 的 60 %~ 70 %以 上 , 且 这 一 比 例 有 不 断 上 升 的 趋 势 。 而 且 水 力 压 裂 和 酸 化 技 术 在 改 造 一 些低 渗 透 油 藏 时 效 果 不 理 想 , 甚 至 失 败 。 在 这 一 背 景 下 , 鉴 于 层 内 爆 炸 压 裂 对 改 造 低 渗 透 油 气 藏 有 着 无 可比 拟 的 优 势 , 层 内 爆 炸 压 裂 技 术 在 石 油 工 业 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 。[参 考 文 献 ][ 1 ] 丁 雁 生 , 陈 力 , 陈 燮 等 1 低 渗 透 油 气 田 “ 层 内 爆 炸 ” 增 产 技 术 研 究 [J ] 1 石 油 勘 探 与 开 发 , 2001 , 28 (2) : 90~ 96 , 1061[ 2 ] 林 英 松 , 蒋 金 宝 , 朱 天 玉 等 1 爆 炸 载 荷 对 水 泥 试 样 损 伤 破 坏 规 律 研 究 [J ] 1 中 国 石 油 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) , 2006 , 30 (3) : 55~ 581[ 3 ] 刘 发 喜 , 张 欣 庆 1 液 体 药 高 能 气 体 压 裂 及 其 发 展 方 向 [J ] 1 河 南 石 油 , 2000 , 14 (2) : 29~ 311[ 4 ] 王 元 胜 1  能 气 体 压 裂 技 术 在 油 田 开 发 中 的 应 用 [J ] 1 河 南 石 油 , 2001 , 15 (2) : 28~ 321[ 5 ] 叶 显 军 , 张 惠 生 , 田 国 理 1 液 体 火 药 高 能 气 体 压 裂 技 术 研 究 和 在 深 层 油 气 藏 中 的 应 用 [J ] 1 石 油 勘 探 与 开 发 , 2000 , 27 (3) : 67~701[ 6 ] 曾 龙 伟 , 郭 洪 岩 , 杨 秀 丽 等 1 物 理 法 采 油 技 术 [ M] 1 北 京 : 石 油 工 业 出 版 社 , 2001145~ 481[ 7 ] 洪 有 秋 , 王 又 新 1 液 体 炸 药 及 其 应 用 [J ] 1 爆 破 器 材 , 1980 , (01) : 4~ 101 [编 辑 ]   萧   雨·992·第 30 卷 第 2 期 赵 志 红 等 : 层 内 爆 炸 压 裂 技 术 原 理 及 分 析         ( S  il r x  S et 10500 , S  on  by of in  of in  n of  of      (  S il f d  I N O P  57061 , S   ( et  et  57061 , S   ( S il f d  t  S I N O P 57061 , S   In h t he  t of t he of by t he  SP  135 % J H 01 07 % 0105 % 3530 S 018 %  01 33 %J H  01 09 %  0105 % 3530S 018 %t t he t he t 0~ 8 he is 5 % t he of 2323  is      (  S il f d  t  57231 , S  U   ( et  et  57061 , S   (   et  57061 , S   To to  a as h ,  on to t he he is in h t t it is an t he       ( I  N om  C, U 30011 , X   (  x il  (  , M ry  J   A  ( I  N om  C, U 30011 , X   in a  of  it s he of h in n of t he  a t he s of  t he of  t he on         ( et  y et   S   of of t he  t IC(  t he t s , t he  t he he s of t he B  B  B  B by t he he   in t he  t he in of  is      52C     ( et  et   S    (  et x  S I N O P B ei j 00083 , U     ( om  S I N O P 57061 , S

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