楊萬(wàn)有, 鄭春峰, 李 昂, 尹莎莎, 郭曉飛, 趙 展, 盧 勇

(1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2西安閃光能源科技有限公司 3西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

水力壓裂和酸化技術(shù)是開(kāi)采低滲透油氣藏的重要方法，廣泛應(yīng)用于各大油氣田[1-7],近年來(lái)，已成為海上油田的常規(guī)增產(chǎn)措施。這些措施在一定程度上提高了海上油田的產(chǎn)量，但仍存在諸多問(wèn)題。壓裂雖然可以有效解決儲(chǔ)層污染和滲透性差等問(wèn)題，但是受海上平臺(tái)空間小、近水儲(chǔ)層薄等客觀條件限制，壓裂后儲(chǔ)層增產(chǎn)效果不理想，投入產(chǎn)出比低[8]。酸化主要以解堵為主，很難實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層改造的目的，且有效作用距離短，若工藝設(shè)計(jì)及實(shí)施不當(dāng)，會(huì)造成二次傷害[9]。爆燃?jí)毫咽墙陸?yīng)用于海上油田的一項(xiàng)儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的增油效果，但涉及特種作業(yè)，需要火工品相關(guān)專(zhuān)業(yè)資質(zhì)，并會(huì)損壞井下管柱，產(chǎn)生較大的安全隱患[10-12]。為此，急需一種高效、安全、低成本的儲(chǔ)層改造新技術(shù)。

可控沖擊波技術(shù)是一種物理法儲(chǔ)層改造技術(shù)，以幅值、沖量、作用區(qū)域和作業(yè)次數(shù)方便控制為特點(diǎn)，在儲(chǔ)層中以“單點(diǎn)多次、多點(diǎn)連續(xù)”的方式對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行沖擊作用，已在油水井、煤層氣井應(yīng)用了上百次[13]。目前可控沖擊波技術(shù)在煤礦瓦斯防治領(lǐng)域也成功應(yīng)用多井次，可實(shí)現(xiàn)煤層增透，促進(jìn)瓦斯解析[13-21]。但至今未有關(guān)于海上油田研究與應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道，因此，針對(duì)海上油田的特殊應(yīng)用環(huán)境，本文通過(guò)搭建可控沖擊波產(chǎn)生平臺(tái)，制作與海上油田儲(chǔ)層力學(xué)強(qiáng)度相似的實(shí)驗(yàn)樣品，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，探討可控沖擊波技術(shù)對(duì)海上油田儲(chǔ)層致裂的可能性，為將該技術(shù)引入海上油田應(yīng)用提供理論支撐。

一、實(shí)驗(yàn)方案

1. 實(shí)驗(yàn)裝置

本文所述的實(shí)驗(yàn)裝置核心是可控沖擊波產(chǎn)生器，是由西安交通大學(xué)張永民教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的可控沖擊波產(chǎn)生裝置設(shè)計(jì)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置[16-18]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括：控制系統(tǒng)、脈沖電容器、開(kāi)關(guān)、電纜和沖擊波產(chǎn)生器。裝置工作原理為：通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)脈沖電容器充電，當(dāng)電容儲(chǔ)能達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸出觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)氣體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，將脈沖電容器存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)電纜進(jìn)行釋放，并產(chǎn)生20～100 kA的強(qiáng)電流流過(guò)負(fù)載，驅(qū)動(dòng)負(fù)載電爆炸產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波致裂樣品。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2. 實(shí)驗(yàn)樣品制作

本文主要以中海油渤海和深圳地區(qū)儲(chǔ)層抗壓強(qiáng)度為參考，制作相似性樣品，渤海地區(qū)儲(chǔ)層單軸抗壓強(qiáng)度7.6～35 MPa，深圳地區(qū)儲(chǔ)層單軸抗壓強(qiáng)度36.4～56.1 MPa，相似性樣品初始力學(xué)參數(shù)與配方如表1所示。實(shí)驗(yàn)樣品由水泥、水、骨料、無(wú)機(jī)納米硅粉和粉煤灰按一定比例制成，并養(yǎng)護(hù)28 d，每個(gè)樣品的配方與初始力學(xué)強(qiáng)度如表1、表2所示。樣品為高1 m、直徑1 m的圓柱體，在樣品中間鉆深600 mm、直徑244.5 mm的孔，固定外徑244.5 mm的套管，模擬套管固井。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品配方

3. 實(shí)驗(yàn)方法與內(nèi)容

由于海上油田除了常規(guī)的套管射孔完井外，對(duì)于出砂嚴(yán)重的井還需下篩管防砂，因此，為了模擬海上實(shí)際的工作條件，設(shè)計(jì)了3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：①模擬套管射孔完井環(huán)境，直接向樣品內(nèi)注滿水，將沖擊波產(chǎn)生器放入套管內(nèi)，裝配好模擬防噴器，進(jìn)行沖擊致裂實(shí)驗(yàn)；②模擬出砂嚴(yán)重的新井完井環(huán)境，將篩管放入套管內(nèi)，再將沖擊波產(chǎn)生器放入篩管內(nèi)，裝配好模擬防噴器，進(jìn)行沖擊致裂實(shí)驗(yàn)；③模擬出砂嚴(yán)重的老井完井環(huán)境，將篩管放入套管內(nèi)，在篩管和套管的環(huán)形空間內(nèi)充滿石英砂，再將沖擊波產(chǎn)生器放入篩管內(nèi)，裝配好模擬防噴器，進(jìn)行沖擊致裂實(shí)驗(yàn)。

為了觀察累計(jì)沖擊次數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，設(shè)計(jì)了2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：①同一塊樣品累計(jì)沖擊實(shí)驗(yàn)，主要觀察裂縫擴(kuò)展形態(tài)；②研究沖擊次數(shù)對(duì)致裂效果的影響，主要觀察兩種極限沖擊次數(shù)下裂縫分支的擴(kuò)展。

由于很難取到大尺寸的海上油田儲(chǔ)層樣品，本次實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)樣品是根據(jù)中海油中高滲區(qū)域儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)制作的模擬樣品，實(shí)驗(yàn)中將力學(xué)參數(shù)比較接近的樣品歸為一組進(jìn)行同一類(lèi)實(shí)驗(yàn)，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M樣品初始力學(xué)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

系統(tǒng)初始儲(chǔ)能為30 kJ，充電電壓為24 kV，在直徑1.5 m、高1.5 m的水罐中模擬自由水域并采用PCB138沖擊波壓力探頭測(cè)量沖擊波波形，在水面以下60 cm處測(cè)得的典型沖擊波波形如圖2所示，沖擊波壓力峰值約為100 MPa，而渤海地區(qū)和深圳地區(qū)儲(chǔ)層最大抗壓強(qiáng)度是56.1 MPa，因此，該沖擊波可以滿足儲(chǔ)層致裂要求。

圖2 實(shí)驗(yàn)用沖擊波波形

二、 結(jié)果分析

1. 不同完井工藝對(duì)沖擊波致裂效應(yīng)的影響

針對(duì)海油油井的完井方式，研究了過(guò)套管、過(guò)套管+橋式復(fù)合篩管、過(guò)套管+橋式復(fù)合篩管+充填砂三種完井工藝條件下的沖擊波致裂實(shí)驗(yàn)。對(duì)1#樣品過(guò)套管實(shí)驗(yàn)累計(jì)沖擊3次，第1次沖擊即產(chǎn)生貫穿裂縫，沖擊3次后，沿樣品表面產(chǎn)生6條明顯的主裂縫，并伴隨一定數(shù)量的次生裂縫。主裂縫完全貫穿了巖樣，延伸距離為430 mm(巖樣的半徑減去套管的半徑)，裂縫高度為700 mm，裂縫以套管為圓心向四周延伸。次生裂縫主要分布在套管附近，這表明在過(guò)套管完井方式下，沖擊波致裂技術(shù)在套管附近儲(chǔ)層容易形成復(fù)雜裂縫，如圖3(a)所示；對(duì)2#樣品過(guò)套管+橋式復(fù)合篩管實(shí)驗(yàn)累計(jì)沖擊6次，沖擊到第3次時(shí)才產(chǎn)生裂縫，沖擊6次后，樣品表面共產(chǎn)生4條主裂縫，無(wú)明顯次生裂縫，主裂縫貫穿整個(gè)巖樣，延伸距離為430 mm，裂縫高度為700 mm，裂縫以套管為圓心向四周延伸，如圖3(b)所示。在沖擊波致裂實(shí)驗(yàn)中，過(guò)套管完井方式明顯比過(guò)套管+橋式復(fù)合篩管完井方式更容易形成裂縫，但二者延伸距離和高度相同，這主要是由于巖樣過(guò)小，因此實(shí)驗(yàn)中裂縫的延伸距離沒(méi)有實(shí)際意義，后面的研究不對(duì)裂縫延伸距離進(jìn)行研究；對(duì)3#樣品過(guò)套管+橋式復(fù)合篩管+充填砂實(shí)驗(yàn)累計(jì)沖擊7次，樣品表面未再現(xiàn)明顯裂縫，樣品環(huán)向出現(xiàn)裂縫，如圖3(c)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于海油目前3種常規(guī)的完井工藝條件，沖擊波均可致裂樣品，但由于沖擊波過(guò)不同介質(zhì)衰減程度不同，使得不同完井工藝條件下致裂樣品的累積作用次數(shù)不同。

圖3 不同完井工藝沖擊致裂效果

2. 沖擊次數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響

可控沖擊波技術(shù)是以單點(diǎn)多次作用到儲(chǔ)層，為了增大對(duì)儲(chǔ)層的改造效果，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)展了兩組實(shí)驗(yàn)，一組是對(duì)4#樣品累計(jì)沖擊作用8次，觀察同一裂縫的延伸；一組是研究沖擊次數(shù)對(duì)致裂效果的影響實(shí)驗(yàn)，5#樣品累計(jì)沖擊5次，6#樣品累計(jì)沖擊24次，觀察裂縫的擴(kuò)展方向。

對(duì)4#樣品的累計(jì)沖擊實(shí)驗(yàn)，觀察到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裂縫有兩方面變化：一是同一條裂縫隨著沖擊次數(shù)的增加而變寬變長(zhǎng)，圖4所示；二是沖擊過(guò)程中在不同位置產(chǎn)生新的裂縫。對(duì)不同樣品的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)5#樣品沖擊5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5(a)所示。對(duì)6#樣品沖擊24次時(shí)，沿貫穿的主裂縫產(chǎn)生大量的次生裂縫，次生裂縫沿主縫向樣品周邊呈無(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)，如圖5(b)所示。

圖4 不同沖擊次數(shù)同一裂縫的擴(kuò)展

圖5 不同沖擊次數(shù)裂縫系統(tǒng)的變化

對(duì)于不同性質(zhì)、強(qiáng)度的儲(chǔ)層，不同的改造目的所需要的沖擊波強(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)物模實(shí)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)。

3. 沖擊波作用前后樣品力學(xué)參數(shù)變化

由于6#樣品表面裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，無(wú)法在其圓周方向取出測(cè)試小樣，僅對(duì)1#～5#樣品測(cè)試了實(shí)驗(yàn)后力學(xué)參數(shù)。在制作實(shí)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)；沖擊實(shí)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)試沖擊實(shí)驗(yàn)后力學(xué)參數(shù)，得到的檢測(cè)結(jié)果如表3。

表3 沖擊前后樣品力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)沖擊波拉伸破壞理論，巖石破碎過(guò)程中往往先發(fā)生拉伸破壞，沖擊波作用到巖石樣品使其產(chǎn)生了一定數(shù)量的裂縫或微裂縫，降低了巖石的力學(xué)強(qiáng)度[22]。同時(shí)產(chǎn)生的裂縫和微裂縫在一定程度上隨著沖擊次數(shù)的增加而增加，裂縫和微裂縫將繼續(xù)延展。通過(guò)實(shí)驗(yàn)前后樣品的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，沖擊波作用后，樣品的抗壓強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度、彈性模量均明顯降低，這有益于進(jìn)一步提高其他增產(chǎn)措施的效果。值得注意的是，由于所取樣品均避開(kāi)了宏觀裂縫處，所以該下降幅度遠(yuǎn)小于實(shí)際變化量。

三、結(jié)論

(1)在過(guò)套管、過(guò)套管+橋式復(fù)合篩管、過(guò)套管+橋式復(fù)合篩管+充填砂3種完井方式下，沖擊波均可致裂儲(chǔ)層，區(qū)別在于致裂儲(chǔ)層所需的重復(fù)次數(shù)、產(chǎn)生裂縫的數(shù)量有所不同。

(2)沖擊波重復(fù)作用于儲(chǔ)層，使已有裂縫變長(zhǎng)變寬，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的裂縫。

(3)重復(fù)沖擊次數(shù)較少時(shí)，主要形成主裂縫；當(dāng)重復(fù)次數(shù)增加到一定程度，沿主裂縫方向會(huì)產(chǎn)生多條復(fù)雜的裂縫，構(gòu)成復(fù)雜縫網(wǎng)。

(4)沖擊波可降低儲(chǔ)層巖石的力學(xué)強(qiáng)度，沖擊波作用后儲(chǔ)層抗壓強(qiáng)度平均下降了23%，抗拉強(qiáng)度平均下降了52%。