吳晉軍， 劉 敬， 徐東升， 武進壯， 呂 圓

(1西安石油大學石油工程學院 2中國石油天然氣集團公司油藏改造重點實驗室高能氣體壓裂分室)

水平井已成為低滲透油氣田開發(fā)的重要技術(shù)手段而應(yīng)用推廣。其完井方式主要分為套管完井和裸眼完井，目前儲層改造主要措施為裸眼井籠統(tǒng)改造、套管井分段壓裂等[1-2]。特別是早期水平裸眼井油層改造工藝不配套，導致相當數(shù)量井生產(chǎn)后期因難以實施改造措施，或成本太高等原因而只能自然生產(chǎn)，成為低效井甚至死井，給水平井油層開采帶來很大生產(chǎn)難題和浪費[3-4]。

早在20世紀90年代初美國就開始把火炸藥技術(shù)用于水平井增產(chǎn)的研究，1991年Rougeot石油與天然氣公司在Wilson25井進行試驗，施工水平井深度達到3 700 m，每次處理水平層段50 m，可適用于裸眼、割縫襯管和套管完井方式，在主井筒、分支井可分別實施。在阿拉斯加和北海油氣井應(yīng)用，產(chǎn)量從1 m3/d增加到50 m3/d，增產(chǎn)效果十分顯著[5-6]。國內(nèi)液態(tài)炸藥應(yīng)用于油層增產(chǎn)的技術(shù)研究近幾年來才開始，基于層內(nèi)爆炸研究基礎(chǔ)，開展了水平井油層液體炸藥爆炸壓裂增產(chǎn)技術(shù)與工藝的研究與試驗，取得積極效果。

一、液態(tài)炸藥技術(shù)研究

1.研究思想

目前工業(yè)用液體炸藥或乳狀炸藥爆速一般超過5 000 m/s, 爆炸威力巨大、破壞性大、安全性要求高，顯然這些純工業(yè)性炸藥不能直接用于油氣井。為此，針對水平井油層増產(chǎn)工藝要求，設(shè)想要研制的爆炸藥劑爆炸性能應(yīng)適中，應(yīng)具有較低的爆速、較強的爆炸做功能力，能使深層巖石產(chǎn)生多裂縫，且對地層不會產(chǎn)生嚴重破碎或壓實作用，符合油氣井安全使用條件。結(jié)合射孔、爆炸壓裂及高能氣體壓裂等技術(shù)研究積累與爆炸工程實踐經(jīng)驗[7-9]分析，并基于層內(nèi)爆炸一系列技術(shù)研究，所研制成功的微粉懸浮液態(tài)炸藥，其爆速控制在1 500～3 500 m/s，爆炸性能適中可控，較好的適用于水平井地層，使巖石產(chǎn)生多裂縫縫網(wǎng)以松弛地層應(yīng)力，達到了提高油層滲透性的目的，并滿足油田現(xiàn)場施工工藝的安全可靠性及使用條件。

2.液態(tài)炸藥性能及特點

該液態(tài)炸藥主要成份選用NH4NO3、C3H5N3O9、RDX、HMX等，是由氧化劑、燃燒劑、懸浮劑和敏化劑等組成的微粉懸浮混合液相炸藥，主要技術(shù)參數(shù)：爆熱約為4 200～6 000 J/g、比容約為500～700 mL/g、爆速為1 500～3 500 m/s。經(jīng)抗沖擊、靜電、摩擦感度及熱穩(wěn)定性檢測試驗符合國家民爆標準。液態(tài)炸藥在高溫高壓反應(yīng)釜模擬實驗的爆炸P-t測試曲線如圖1所示，室內(nèi)外實驗?zāi)M試驗證明，起爆條件為壓力10 MPa、溫度140℃，通常在地面條件下不會燃燒或爆炸，完全具備了油田現(xiàn)場安全、可靠的使用條件。其主要作用特點：①爆炸性能參數(shù)設(shè)計適中可控，適用于不同巖性地層爆炸壓裂多裂縫的工藝設(shè)計；②較高的比容、爆熱對地層有較強做功能力，延長了裂縫區(qū)降低壓實作用。液態(tài)炸藥流動性較好，能實現(xiàn)水平井的長井段一次整體爆炸壓裂產(chǎn)生和形成多體系裂縫網(wǎng)絡(luò)，也可通過隔離液實現(xiàn)分段進行爆炸壓裂改造。

圖1 液態(tài)炸藥爆炸模擬試驗P-t測試曲線

二、水平井液態(tài)藥爆炸工藝研究

1.工藝設(shè)計

工藝設(shè)計原理是通過選井選層，確定設(shè)計水平井施工方案，設(shè)計現(xiàn)場配置微粉懸浮液態(tài)炸藥、隔離液、頂替液設(shè)計用量。通過柱塞泵按照設(shè)計方案依次完成各注入液量，確保液態(tài)炸藥擠入水平井生產(chǎn)井段設(shè)計位置，通過特殊起爆裝置引爆液態(tài)炸藥，觀察井口變化，完成現(xiàn)場施工。

2. 水平井液態(tài)藥隔離試驗

微粉懸浮液態(tài)炸藥屬于水溶型，需要將憎水性的隔離液與壓擋液柱(水)完全隔開。經(jīng)過實驗研究形成了以油基、PAM、CaCl2等復(fù)合配制而成的不同的密度隔離液，能較好滿足液態(tài)炸藥隔離擠注工藝的要求，并模擬水平井進行了液態(tài)藥、隔離液擠注試驗確定隔離效果良好的工藝方案。

3.水平井起爆工藝設(shè)計

結(jié)合液態(tài)懸浮藥水平井爆炸技術(shù)要求及工藝特點，設(shè)計研究采用直井機械撞擊起爆裝置+延伸傳爆管線引爆裝置組合方法。起爆工藝的安全可靠性高，而且便于實現(xiàn)井口封閉式壓裂，有利于提高能量利用率，提高壓裂效果。設(shè)計的起爆工藝見圖2所示。

圖2 模擬水平井液態(tài)藥隔離試驗

三、井下爆炸壓力及溫度計算

懸浮液態(tài)炸藥配方組分較為復(fù)雜，其爆轟參數(shù)實際計算過程十分繁瑣，為了便于說明計算方法，對計算過程進行了簡化，結(jié)合CZ44-58側(cè)鉆水平井現(xiàn)場微粉懸浮液態(tài)炸藥試驗探討井下壓力、溫度的計算方法，按本次懸浮液態(tài)炸藥敏化劑含量5%配方計算。

(1)

式中：p—氣體壓力，MPa；F—爆炸力，F(xiàn)=nRT；p0—壓檔液柱壓力，MPa；n—氣體爆炸產(chǎn)物摩爾數(shù)，mol；R—氣體常數(shù)；T—爆溫，K；ρ—炸藥裝填密度,kg/m3；α—爆炸產(chǎn)物的范德瓦爾不可壓縮體積，一般取爆炸產(chǎn)物氣體體積的千分之一。

懸浮藥爆炸后所產(chǎn)生的總熱量Q總,一是用于加熱爆轟氣體產(chǎn)物，使其溫度升高；二是高溫爆轟氣體迅速膨脹對周圍巖層介質(zhì)做功，主要包括壓裂巖層破巖造縫、推動液柱對其作功。爆熱Q由式(2)[10]求得：

(2)

式中：ni—產(chǎn)物組分的摩爾數(shù)，mol；ΔHi—i產(chǎn)物組分的生成焓；ΔHf— 炸藥的摩爾生成焓；M—炸藥的摩爾質(zhì)量。

混合炸藥采用公式:Q總=∑xiQi

(3)

式中：xi—組合炸藥中i組分的質(zhì)量百分數(shù)。

CZ44-58井的扶余層巖石的力學特性(E=1.0～1.5×104MPa、μ=0.18～0.30、單軸抗壓強度45 MPa)屬中等強度的巖石，本次采用液態(tài)炸藥的爆炸性能屬于低速爆轟范疇，作用時間為毫秒級，椐此作以下假定：①爆炸過程近似地視為定容過程；②爆炸產(chǎn)物的熱容只是溫度的函數(shù)，而與爆炸時所處的壓力等其他條件無關(guān)。井下最大壓力pmax和最高溫度Tmax計算結(jié)合相關(guān)爆破工程實踐經(jīng)驗[10-11]，及采用封閉式井口爆炸試驗分析，考慮到井筒內(nèi)液柱部分漏失，作用地層有效爆熱設(shè)定為85%Q總。由式(2)計算：爆熱Q總=2 389.88 kJ/kg，有效爆熱Qv=2 031.4 kJ/kg。對于井筒內(nèi)最大壓力pmax和爆溫即最大溫度Tmax的計算過程如下：

(4)

式中，爆炸產(chǎn)物的平均摩爾熱容一般采用卡斯特平均摩爾熱容式求出：a0=854.48，a1=0.33。

由式(4)計算出爆溫Tmax，Tmax=1503.3℃；由式(1)計算出pmax，pmax=188.71 MPa。

需要說明的是，計算結(jié)果是建立在爆炸過程為定容過程的基礎(chǔ)上的，所計算的爆壓與實際情況相比明顯偏大。考慮到懸浮炸藥爆速2 200 m/s的低爆速藥，作用時間為毫秒級，從室內(nèi)外模擬實驗測試分析，理論計算與工程實際測試相對誤差在10%～30%。為此，結(jié)合本次現(xiàn)場應(yīng)用試驗監(jiān)測情況分析，其井下的最大壓力估算大約在132.1～169.84 MPa之間。

CZ44-58井采用J55篩管完井，J55屈服強度極限[12]為379～552 MPa,本次施工井下的最大壓力遠小于J55屈服極限強度。其爆炸作用過程完全在水平井裸眼(大孔徑篩管)段完成，對篩管沒有產(chǎn)生破壞性影響。最大壓力遠大于地層破裂壓裂壓力41.3 MPa，爆生氣體脈沖壓力幾乎直接作用在裸眼地層使地層產(chǎn)生多裂縫體系。根據(jù)設(shè)計方案本次施工重點考慮的對直井段套管影響，施工后通井檢測直井段套管沒有發(fā)現(xiàn)問題，與實際設(shè)計情況基本相符。

四、現(xiàn)場工藝試驗

1. CZ44-58水平井概況

CZ44-58井所處區(qū)塊油層平均孔隙度12.6%，平均空氣滲透率1.94 mD,屬于低孔特低滲透砂巖油層,完鉆垂深1 984.62 m，開窗位置1 816.2～1 820.7 m，水平生產(chǎn)段2 042～2 191 m，壓裂水平井段長143 m，完井方式采用?88.9 mm大孔徑篩管完井。該井完井后沒有進行水力壓裂措施，水平段儲層巖性致密，地層破裂壓力估算41.3 MPa，沒有人工裂縫或者天然裂縫，直接進行微粉懸浮液態(tài)藥爆炸壓裂施工試驗，其爆炸作用過程完全在水平井裸眼(大孔徑篩管)段完成的。

2.工藝設(shè)計及施工

本次方案設(shè)計懸浮炸藥充滿水平井段井筒，微粉懸浮液態(tài)藥設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 微粉懸浮液態(tài)炸藥設(shè)計參數(shù)

圖3 CZ44-58水平井液態(tài)藥爆炸壓裂施工工藝設(shè)計示意圖

施工工藝設(shè)計方案如圖3所示，施工程序主要分二大步驟：第一步：完成懸浮液態(tài)炸藥泵注入程序，依次進行隔離液-液態(tài)炸藥-隔離液-頂替液各設(shè)計用量；第二步：起爆裝置下井程序，依次連接起爆裝置-傳爆管線-撞擊起爆器-管柱，到達設(shè)計點火位置。安裝750型高壓井口裝置，準備起爆。起爆后壓力迅速上升至約5 MPa，并有水和氣體刺出，約5 min后壓力上升至17 MPa，最高壓力升至21 MPa，噴出水氣量增多，0.5 h后緩慢下降，之后井口壓力約5 MPa持續(xù)24 h，后連續(xù)2 d基本維持在2 MPa左右，期間一直伴隨有氣液流泄出，3 d后放噴。施工后初期產(chǎn)量為2 t/d，由地震裂縫動態(tài)檢測儀器檢測懸浮液態(tài)炸藥爆炸時地層反響較大，爆炸作用地層明顯。該工藝首次現(xiàn)場工藝施工一次起爆成功，為探索與研究適用于水平井油層爆炸壓裂開發(fā)的新技術(shù)與工藝奠定基礎(chǔ)。

五、結(jié)論

(1)研制的爆速1 500～3 500 m/s低爆速液態(tài)炸藥，其爆炸性能設(shè)計參數(shù)適中可控，可適用于不同低滲油層巖性特征產(chǎn)生多裂縫縫網(wǎng)以松弛地層應(yīng)力，而且降低了爆炸后可能對油井地層巖石產(chǎn)生的壓碎壓實等破壞性為低滲水平井油層壓裂開發(fā)提供新的技術(shù)途徑。

(2)研制的液態(tài)炸藥經(jīng)模擬試驗其起爆壓力10 MPa、溫度140℃地面條件下不會燃燒或爆炸，符合油田現(xiàn)場的安全使用條件。結(jié)合現(xiàn)場工藝試驗參數(shù)，運用爆炸力學相關(guān)理論探討了井下壓力及溫度的計算方法，與實際監(jiān)測結(jié)果反映趨勢一致，為優(yōu)化液態(tài)藥性能參數(shù)及工藝設(shè)計方法提供了理論參考。

(3)經(jīng)在CZ44-58水平井現(xiàn)場試驗應(yīng)用初步取得工藝成功，起爆后井口最大壓力約21 MPa，地震動態(tài)檢測反響較大，爆炸作用明顯。試驗證明其液態(tài)炸藥通過柱塞泵注入水平井段、直井撞擊起爆+傳爆管線點火工藝的設(shè)計原理與施工方案可行，工藝安全可靠、具有可操作性。

(4)建議該技術(shù)進一步開展現(xiàn)場應(yīng)用試驗，加強數(shù)據(jù)采集與優(yōu)化計算方法研究，使該項技術(shù)能在低滲油氣田及頁巖氣、煤層氣壓裂開發(fā)中試驗應(yīng)用并發(fā)揮作用。

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