孫 林, 楊軍偉， 鄒信波， 熊培祺， 陳慶棟

(1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2中國海洋石油有限公司深圳分公司)

爆燃壓裂技術(shù)也稱為高能氣體壓裂，是采用火藥或火箭推進劑在井筒中燃燒產(chǎn)生的動態(tài)高壓氣體對地層進行壓裂[1-2]。從1986年，延長七里村1038井進行國內(nèi)第一口爆燃壓裂井實驗至今，已經(jīng)在國內(nèi)外底水油藏中規(guī)?；瘧?yīng)用，控水增油效果顯著[3-8]，它是底水油藏改造中一種行之有效的措施。

目前國內(nèi)外近水水平井中應(yīng)用爆燃壓裂技術(shù)的案例相對較少，因為爆燃壓裂一般是沿著射孔孔眼方向形成3～8條，單條為5～10 m的縫長[9-10]，而縫高相對較小，縫高可控制為0.5 m之內(nèi)[6]。國內(nèi)外主要利用其縫高小、長縫長、多裂縫的特點，在直井或大斜度井中的底水油藏中應(yīng)用。

而中國海上油田陸豐13-1油田α層為中低滲砂巖底水油藏，儲層薄，含水上升快，措施井主要以水平井射孔完井為主，固井質(zhì)量不理想，沿著射孔孔眼距離底水僅為3.0～3.6 m，采用目前的爆燃壓裂技術(shù)形成的縫長直接面向水層，無法利用其“縱向控水”的特點，可能進一步損壞固井質(zhì)量。

為解決這一難題，根據(jù)火藥燃燒、壓擋液運動等相關(guān)理論，修正了爆燃壓裂起壓及裂縫延伸模型，結(jié)合陸豐13-1油田α層儲層物性和出水層段距離，優(yōu)選作業(yè)層段，采用大尺寸延時火藥，合理控制火藥用量，從而控制裂縫縫長，避免溝通底水。

一、陸豐13-1油田低滲底水油藏特點

陸豐13-1油田位于中國南海珠江口盆地，主要含油層系珠江組的2 500層油藏為塊狀底水油藏，低滲儲層α層位于2 500油藏頂部，油藏埋藏2 343～2 500 m，它包含SL1～SL4四個小層，平均砂層厚度7.0 m，小層平均厚度為1.8 m。

α層孔隙度12%～15%，滲透率53.9～154.3 mD。α層以下層位為高孔高滲儲層，由于受底水影響，目前α層主要表現(xiàn)為含水上升快，水淹嚴(yán)重，合采井平均含水79%。α層是典型的低滲底水油藏。

二、爆燃壓裂技術(shù)在近水 水平井中應(yīng)用難點

(1)水平井射孔孔眼直接面向水層，距離底水僅為3.0～3.6 m。目前技術(shù)在國內(nèi)外底水油藏中應(yīng)用普遍為直井或大斜度井中，屬于“縱向控水”。而目標(biāo)井陸豐13-1油田的26H和19H井為水平井，爆燃壓裂形成縫長將直接沿射孔孔眼方向，距離底水層僅3.0～3.6 m。

(2)水平段較長，存在潛力段，爆燃壓裂需要選擇性改造。LF13-1油田19H井整個α層為2 812～2 906 m，而2 906 m以下為主要出水段，二次固井后補孔段為2 818～2 860 m，即SL1～SL3小層，同時各小層物性存在差別，其中SL2層為潛力段。

(3)水平井固井質(zhì)量不理想，爆燃壓裂易進一步損壞固井質(zhì)量。兩口水平井固井質(zhì)量均不理想，同時還進行過射孔作業(yè)，爆燃壓裂易進一步破壞固井質(zhì)量，沿著井筒方向溝通底水。

三、近水水平井爆燃壓裂技術(shù)

1.優(yōu)選爆燃壓裂施工井段

針對水平井段較長，爆燃壓裂的選擇性改造難題，主要結(jié)合油藏分析，優(yōu)選滲透率低、潛力大、距離底水一定距離的儲層井段進行施工。

例如LF13-1油田19H井，由于SL2層、SL3層相對致密，SL1層相對疏松更易吸收爆燃?xì)怏w，同時SL3小層順著井筒和射孔孔段方向距離底水都較近，可動油較少，優(yōu)選爆燃壓裂段SL2小層中下部，爆燃壓裂可動用SL2層中部剩余油，同時利用SL2層頂部鈣層，控制裂縫在SL1層穿透后的延伸長度，有利于達(dá)到改造增產(chǎn)、避免溝通底水目的。

2.控制峰值壓力和裂縫縫長技術(shù)

2.1 爆燃壓裂起壓和裂縫模型

2.1.1 火藥燃燒規(guī)律模型

根據(jù)火藥燃燒方程式(1)，火藥的燃燒速度μ與燃燒系數(shù)w0和外界壓力p的指數(shù)關(guān)系。

(1)

式中：μ—火藥燃燒速度，m/s；e—火藥燃燒厚度，m；w0—燃燒系數(shù)，m/(s·Pan)；p—外界壓力，Pa；n—壓力系數(shù)。

2.1.2 火藥幾何尺寸模型

根據(jù)火藥質(zhì)量和幾何尺寸情況，并結(jié)合式(1)，可得到式(2)。

(2)

式中：m—燃燒掉火藥質(zhì)量，kg；ρn—火藥密度，kg/m3；Vg—燃燒掉火藥體積，m3；l—火藥長度，m。

2.1.3 壓擋液運動模型

目前國內(nèi)通常采用剛體壓擋液運動模型[11-13]，而壓擋液為可壓縮流體，因此只能計算壓擋液柱底部向上運動過程，無法計算液柱中壓力分布情況，目前有關(guān)文獻(xiàn)也詳述其它模型[14-15]。根據(jù)牛頓第二定律和材料力學(xué)方程，以微元液體進行力學(xué)分析，按照壓力波在液柱中的傳遞過程進行推導(dǎo)，可得式(3)、式(4)。

(3)

(4)

初始條件為：

u(x,0)=0

邊界條件為：

式中：E0—水的體積模量，Pa；u(x,t)—壓擋液中微元在x位置處，t時刻的位移，m；ρ(x,t)—壓擋液中微元在x位置處，t時刻的密度，kg/m3；ρ0—壓擋液原始密度，kg/m3；λ—摩阻系數(shù)；r—井筒半徑，m。

2.1.4 壓力與時間關(guān)系模型

(5)

式中：f—火藥力，即單位質(zhì)量的火藥完全燃燒所做的功，J/kg；p—氣體燃燒腔室壓力，Pa；m—火藥燃燒部分質(zhì)量，kg；ψ—火藥燃燒部分相對質(zhì)量γ—絕熱系數(shù)；Q—傳熱量，J；S—井筒模截面積，m2；v—液柱運動速度，m/s；VT—液體進入裂縫的體積，m3；pTg—套管外部氣體壓力，Pa；VTg—進入裂縫的氣體體積，m3；Vψ—火藥柱燃燒掉的體積，m3；x—液柱向上運動的距離，m。

2.1.5 裂縫與時間關(guān)系模型

根據(jù)Griffith理論，巖石一旦起裂，以恒定速度向前延伸，可推導(dǎo)出如下模型：

(6)

(7)

式中：L(t)—裂縫縫長，m；W(t)—裂縫縫寬，m；ρr—巖石密度，kg/m3；ν—巖石泊松比；E—楊氏模量，Pa；t—作用時間，s。

結(jié)合上述方程，利用有限差分方法來求解上述微分方程組，以得到具有有限精度的數(shù)值解。

2.2 不同燃速火藥對峰值壓力影響

以陸豐13-1油田26H井為例，分別采用雙芳-3、NEPE推進劑、HTPB推進劑三種不同燃速的火藥，假設(shè)上述三種火藥直徑均為69 mm，內(nèi)徑為26 mm，采用用量為20、30、40 kg進行模擬，如圖1。

圖1 不同燃速及不同用量火藥與峰值壓力關(guān)系模擬曲線

圖1可知，高燃速的NEPE推進劑容易產(chǎn)生高的峰值壓力，從管柱安全和固井質(zhì)量等考慮，優(yōu)選最低燃速的HTPB推進劑火藥以降低峰值壓力。

2.3 不同尺寸火藥對峰值壓力影響

采用用量為30 kg，外徑分別為60 mm、69 mm和85 mm三種尺寸的HTPB推進劑火藥進行模擬。模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同尺寸火藥與峰值壓力關(guān)系模擬曲線

由圖2可知，在相同火藥用量情況下，外徑越長的HTPB火藥峰值壓力相對越小，為了控制峰值壓力，因此優(yōu)選85 mm外徑的火藥。

2.4 不同火藥用量對峰值壓力、裂縫縫長影響

如圖1所示，火藥用量和峰值壓力成正比關(guān)系，控制火藥用量即可控制峰值壓力，由于水平井固井質(zhì)量不理想，盡量采用合適的火藥用量，滿足峰值壓力在1.1倍地層破裂壓力以上，同時滿足縫長小于3 m即可。使用外徑為85 mm的HTPB火藥，峰值壓力和裂縫縫長模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同火藥用量對峰值壓力、裂縫縫長關(guān)系模擬曲線

由圖3可知，當(dāng)使用25 kg火藥時，儲層開始造縫；當(dāng)使用40 kg火藥時，峰值壓力為54.01 MPa，約為1.2倍地層破裂壓力，也低于目前國內(nèi)外爆燃壓裂峰值壓力為1.5～2.0倍地層破裂壓力的控制范圍，且裂縫縫長為2.8 m，低于目前離底水3 m縫長的控制范圍。

四、應(yīng)用效果

陸豐油田兩口近水水平井爆燃壓裂作業(yè)效果如表1所示，兩口井均達(dá)到控水增油的目的，避免了距離儲層3.0～3.6 m底水的溝通，累計增油6 000 t，控水增油效果顯著。

表1 LF13-1油田兩口井近水水平井爆燃壓裂控水增油效果

注：26H作業(yè)前開采下部SL3-SL5層，SL5是出水層，作業(yè)后生產(chǎn)SL1-SL2層；19H作業(yè)前開采SL1-SL6層和SL8層，作業(yè)后生產(chǎn)SL1-SL3層。

其中26H井爆燃壓裂作業(yè)前，在15.86 MPa壓力下進行試擠，排量為0.11 m3/min；第一次爆壓后，15.86 MPa壓力下排量為0.18 m3/min；第二次爆壓后，15.86 MPa壓力下排量為0.21 m3/min。由現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)可以看出，爆燃壓裂施工后，地層產(chǎn)生裂縫，通過多次爆燃，裂縫導(dǎo)流能力明顯增強。

同時，26H作業(yè)前豐產(chǎn)層日產(chǎn)液量1 358 m3，含水率達(dá)99%，豐產(chǎn)層即為目前低滲層下面的底水層，上返補孔低滲層后曾試采，日產(chǎn)液量瞬時最高11 m3左右，無法達(dá)到配產(chǎn)要求，爆燃壓裂后日產(chǎn)液量達(dá)到120 m3，說明沒有溝通下部底水；19H井作業(yè)前多層合采，含水率達(dá)99%，作業(yè)后含水率降至97%，且液量也僅為作業(yè)前的四分之一左右，說明沒有溝通下部的主要出水層，控水增油效果明顯。

五、結(jié)論

(1)針對爆燃壓裂控水增油的難題，突破技術(shù)限制條件，根據(jù)火藥燃燒、壓擋液運動等相關(guān)理論，修正了爆燃壓裂起壓及裂縫延伸模型，結(jié)合陸豐13-1油田α層儲層物性和出水層段距離，優(yōu)選作業(yè)層段，采用延時-低峰值壓力的爆燃設(shè)計思路，分析了不同燃速、不同尺寸火藥情況下，峰值壓力和裂縫縫長，優(yōu)選了大尺寸、合理用量的HTPB推進劑火藥，從而控制裂縫縫長，避免溝通底水。

(2)現(xiàn)場試驗表明，陸豐油田兩口近水水平井爆燃壓裂達(dá)到控水增油的目的，成功避免了沿著射孔方向3.0～3.6 m的底水溝通，累計增油達(dá)6 000 m3，措施效果顯著。