易 飛 孫 林 高建崇 熊培祺 李旭光

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300452）

爆燃壓裂技術(shù)也稱高能氣體壓裂技術(shù)，是一項(xiàng)利用火藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體對地層做功的壓裂技術(shù)，在國內(nèi)外石油行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1-6]，也是近年來中國海上油田重點(diǎn)發(fā)展的一項(xiàng)壓裂技術(shù)[7-9]?；鹚幾鳛樵擁?xiàng)技術(shù)的核心之一，火藥參數(shù)與作業(yè)安全及效果密切相關(guān)，使用高火藥力、高燃燒速度、小尺寸等參數(shù)火藥易產(chǎn)生高峰值壓力和較差造縫效果，可能出現(xiàn)作業(yè)井油套管破損[9-11]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成井筒坍塌、井下落物等復(fù)雜情況，以及地層改造效果差甚至無法壓開儲(chǔ)層。

因此，筆者重點(diǎn)針對火藥參數(shù)中外徑、燃燒速度、火藥力、燃?xì)獗葻崛莸?大因素3種水平變量，采用正交設(shè)計(jì)方法，利用現(xiàn)場井例設(shè)計(jì)三水平正交表L9（34），將81種繁瑣的組合運(yùn)算優(yōu)化為簡單的9種，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果得出各項(xiàng)因素在峰值壓力和造縫效果兩方面運(yùn)算結(jié)果中的重要性，并利用綜合平衡法優(yōu)化出唯一方案。所采用分析手段對爆燃壓裂設(shè)計(jì)的模擬運(yùn)算具有參考借鑒意義，可探索火藥參數(shù)與峰值壓力、造縫效果之間規(guī)律，對現(xiàn)場作業(yè)安全性、有效性提供理論依據(jù)，也對爆燃壓裂火藥性能改進(jìn)提出技術(shù)需求。

1 正交設(shè)計(jì)火藥參數(shù)選取依據(jù)

爆燃壓裂作業(yè)安全及效果主要由火藥參數(shù)決定。目前所使用的火藥主要是發(fā)射藥和固體推進(jìn)劑兩類[12]，并以固體推進(jìn)劑為主，火藥參數(shù)則包括內(nèi)外徑、長度、密度、摩擦感度、耐溫性、耐壓性、火藥力、燃燒速度方程指數(shù)、燃?xì)鉄崃W(xué)指數(shù)等，每項(xiàng)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同作業(yè)影響。在作業(yè)安全性方面，需要避免作業(yè)產(chǎn)生高峰值壓力，它是所有作業(yè)不安全的主因。在作業(yè)效果方面，則需要提升作業(yè)的造縫效果，以獲得更好的增產(chǎn)倍比。目前油田使用火藥作業(yè)時(shí)往往未針對施工井況，而對火藥參數(shù)提出具體性能要求。因此，存在較大安全隱患或效果風(fēng)險(xiǎn)。

選取的火藥參數(shù)需要對作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的峰值壓力和造縫效果有較大相關(guān)性，而參與爆燃壓裂模型[13-18]運(yùn)算的參數(shù)主要有火藥外徑、火藥力、燃燒速度、燃?xì)獗葻崛莸?項(xiàng)。

1）火藥外徑與造縫效果密切相關(guān)。爆燃壓裂火藥通過模具定型后的產(chǎn)品多采用圓柱型，其內(nèi)外徑與長度均可直接通過測量器具測得。由于火藥的內(nèi)徑和長度一般為固定參數(shù)，且由內(nèi)向外燃燒，當(dāng)外徑越大且在燃燒速度一定情況下，燃燒時(shí)間越長，越容易產(chǎn)生造縫效果。

2）火藥力與峰值壓力密切相關(guān)?；鹚幜κ菃挝换鹚庂|(zhì)量所包含的能量，可通過密閉爆發(fā)器[12，19]實(shí)驗(yàn)設(shè)備測得。爆燃壓裂過程其實(shí)是火藥能量釋放的過程，一定質(zhì)量的火藥燃燒產(chǎn)生的總能量，進(jìn)行熱傳導(dǎo)、對井筒液柱運(yùn)動(dòng)做功和液量延伸裂縫做功以及產(chǎn)生的氣體延伸裂縫做功消耗能量，剩余能量與井筒空間變化體積的比值即為燃?xì)鈮毫?，最大燃?xì)鈮毫礊榉逯祲毫?，因此火藥力與峰值壓力是正比關(guān)系。

3）燃燒速度與造縫效果、峰值壓力都密切相關(guān)?；鹚幦紵俣仁侨紵禂?shù)和外界壓力的指數(shù)關(guān)系，通常用燃燒方程表征[20-22]，也可通過密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)設(shè)備測得。當(dāng)燃燒速度越慢，火藥外徑一定情況下，燃燒時(shí)間也越長，也容易產(chǎn)生低峰值壓力和較好的造縫效果。

4）燃?xì)獗葻崛菀才c兩者密切相關(guān)?；鹚幦紵饕a(chǎn)生CO2、CO、CH4等氣體，通過火藥在密封爆燃器燃燒后收集氣體，使用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行定性定量分析[23-25]。通過測量結(jié)果，可根據(jù)3種氣體定壓比熱容或定容比熱容進(jìn)行計(jì)算即可獲得燃?xì)獗葻崛?。不同火藥產(chǎn)生的燃?xì)饨M分和不同溫度均對燃?xì)獗葻崛菥哂休^大影響，因此不同火藥組分有不同燃?xì)獗葻崛輩?shù)，而該參數(shù)也參與了爆燃壓裂模型運(yùn)算。

2 火藥參數(shù)正交綜合平衡分析

為了研究火藥外徑、火藥力、燃燒速度、燃?xì)獗葻崛莸?個(gè)參數(shù)（因素）對峰值壓力和造縫效果兩方面的影響，且每項(xiàng)因素計(jì)劃設(shè)定3種常見的水平變量，按照排列組合，共需要進(jìn)行81組模擬運(yùn)算才能進(jìn)行影響因素分析，相對比較繁瑣。因此，采用實(shí)驗(yàn)分析中的正交設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行多因素設(shè)計(jì)，簡化運(yùn)算過程，同時(shí)便于進(jìn)行結(jié)果分析，下面全部采用中國海上油田A井?dāng)?shù)據(jù)（表1）進(jìn)行模擬。

2.1 正交設(shè)計(jì)

由于各因素的水平變量相同，因此設(shè)計(jì)三水平正交表L9（34），4因素3水平變量僅需要運(yùn)算9組數(shù)據(jù)，即可獲得各因素與結(jié)果之間的關(guān)系，該因素與水平的數(shù)據(jù)見表2，燃燒速度分別采用高燃速的NEPE推進(jìn)劑、中燃速的HTPB推進(jìn)劑和低燃速的聚氨酯推進(jìn)劑的燃燒方程[20]。設(shè)計(jì)的正交方案數(shù)據(jù)見表3。

表1 海上油田A井?dāng)?shù)據(jù)表Table1 Parameters for Well A in offshore oilfield

表2 三水平正交表中因素與水平的數(shù)據(jù)表Table2 Data sheet for factors and levels in a three-level orthogonal table

表3 正交方案數(shù)據(jù)表Table3 Data sheet for orthogonal scheme

2.2 正交結(jié)果及綜合平衡分析

2.2.1 峰值壓力最佳方案

將表3正交方案中涉及的表2數(shù)據(jù)和表1數(shù)據(jù)分別代入基于爆燃壓裂設(shè)計(jì)模型[13-18]編制的軟件系統(tǒng)中，且根據(jù)不同火藥用量變化，不同正交方案下的峰值壓力運(yùn)算結(jié)果見表4。由表4數(shù)據(jù)結(jié)果可知，只有50 kg火藥用量情況下所有組合方案達(dá)到地層破裂壓力以上產(chǎn)生造縫效果，因此選擇該數(shù)據(jù)條件下的運(yùn)算結(jié)果，其正交數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表5。

表4 不同正交方案的峰值壓力運(yùn)算結(jié)果Table4 Peak pressure results for different orthogonal schemes

表5 50 kg火藥用量下正交數(shù)據(jù)分析峰值壓力結(jié)果Table5 Analysis results of orthogonal data under the dosage of 50 kg powder

由表5可以看出，按照極差R數(shù)據(jù)大小，A、B、C、D等4因素對峰值壓力影響的重要性分別為：B（燃燒速度）＞C（火藥力）＞D（燃?xì)獗葻崛荩続（外徑）。峰值壓力越小，意味著對油水井越安全，根據(jù)任一列水平號運(yùn)行結(jié)果的平均數(shù)k1、k2、k3值大小，優(yōu)選的最佳方案為A3B3C1D3，即火藥外徑最大、燃燒速度低、火藥力最小、燃?xì)獗葻崛葑畲蟮姆桨福逯祲毫樽畹汀?/p>

2.2.2 造縫效果最佳方案

利用同樣方法運(yùn)算不同正交方案下的造縫效果，由于爆燃壓裂除使裂縫縫長增加外，還會(huì)產(chǎn)生3～8條裂縫條數(shù)，各組方案中縫長和裂縫條數(shù)不統(tǒng)一，采用增產(chǎn)倍比來綜合對比造縫效果。不同正交方案下的增產(chǎn)倍比運(yùn)算結(jié)果見表6。

表6 不同正交方案的增產(chǎn)倍比運(yùn)算結(jié)果Table6 Increase production ratio results for different orthogonal schemes

同樣選擇50 kg火藥用量下的增產(chǎn)倍比數(shù)據(jù)進(jìn)行正交數(shù)據(jù)分析，結(jié)果見表7。由表7可以看出，A、B、C、D等4因素對造縫效果影響的重要性分別為：C（火藥力）＞D（燃?xì)獗葻崛荩綛（燃燒速度）＞A（外徑）。增產(chǎn)倍比越大造縫效果越好，因此優(yōu)選的最佳方案為A1B2C3D3，即火藥外徑最小、燃燒速度中、火藥力最大、燃?xì)獗葻崛葑畲蟮姆桨?，增產(chǎn)倍比最大。

表7 50 kg火藥用量下正交數(shù)據(jù)分析增產(chǎn)倍比結(jié)果Table7 Analysis results of increasing production ratio based on orthogonal data under the dosage of 50 kg powder

2.2.3 綜合平衡法最佳方案

根據(jù)表5、7的運(yùn)行結(jié)果，得出了A3B3C1D3和A1B2C3D3 2種不同的最佳方案，除了燃?xì)獗葻崛菀蛩刈畲蟮慕Y(jié)果對峰值壓力和造縫效果同時(shí)最佳以外，其他方案均出現(xiàn)截然相反的結(jié)果。而期望的爆燃壓裂運(yùn)算結(jié)果是峰值壓力偏小、同時(shí)造縫效果最佳，但目前這2種方案并不能同時(shí)滿足，這里采用綜合平衡法進(jìn)行分析。由于爆燃壓裂的安全是第一位，因此把峰值壓力控制作為最關(guān)鍵因素。把2種方案分別代入爆燃壓裂軟件中進(jìn)行運(yùn)算，可得到表8結(jié)果。由表8可知，A3B3C1D3方案產(chǎn)生了低峰值壓力效果，55 kg以上火藥用量才能壓開儲(chǔ)層，由于射孔段為9 m，按照射孔段全部填充火藥計(jì)算，最大使用95 kg火藥，其峰值壓力僅為49.4 MPa，單條裂縫可達(dá)25.1 m，可形成8條裂縫，增產(chǎn)倍比可達(dá)3.71倍，已經(jīng)接近小規(guī)模水力壓裂的水平，其火藥參數(shù)為：火藥外徑95 mm、燃燒速度低、火藥力670 kJ/kg、燃?xì)獗葻崛?.10 kJ/（kg·K），在此條件下井筒更加安全，且效果更加突出；同時(shí)，A1B2C3D3方案中考慮A井地層破裂壓力為42.2 MPa，控制峰值壓力約為2倍地層破裂壓力，因此在30 kg火藥用量下產(chǎn)生了88.2 MPa峰值壓力，單條裂縫達(dá)11.3 m，可形成3條裂縫，增產(chǎn)倍比達(dá)2.59倍，其火藥參數(shù)為：火藥外徑69 mm、燃燒速度中、火藥力980 kJ/kg、燃?xì)獗葻崛?.10 kJ/（kg·K），在此條件下火藥用量相對較少，也可以達(dá)到較好的造縫效果。

表8 綜合平衡法優(yōu)選結(jié)果Table8 Preferred table for integrated balance method

綜合對比2種方案，優(yōu)選峰值壓力更低、造縫效果更好的A3B3C1D3火藥方案。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2014年7月至今，我國海上油田共實(shí)施9井次爆燃壓裂作業(yè)[7-10，26-27]，其中2井次采用未進(jìn)行火藥參數(shù)優(yōu)選的常規(guī)方法進(jìn)行施工，施工壓力分別為132、142 MPa，且施工管柱均不同程度出現(xiàn)破壞[9]，平均增產(chǎn)倍比1.9倍。而采用正交綜合平衡分析法進(jìn)行爆燃壓裂方案設(shè)計(jì)后應(yīng)用的7井次，根據(jù)分析對火藥部分參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，如外徑、火藥力、燃燒速度等，施工的峰值壓力為22～72 MPa，施工管柱無一例出現(xiàn)破壞問題，并將6口長期關(guān)停井恢復(fù)生產(chǎn)，累計(jì)增油達(dá)3.77×104m3，平均增產(chǎn)倍比4.0倍[7-8，26-27]。特別是在國內(nèi)外首次成功實(shí)現(xiàn)了HZ26-1-20sb井過篩管爆燃壓裂[8，28]，達(dá)到了較好的造縫效果，驗(yàn)證了火藥參數(shù)正交綜合平衡分析方法的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

1）采用4因素3水平設(shè)計(jì)正交表L9（34），評價(jià)了燃燒速度、火藥力、燃?xì)獗葻崛?、外徑?個(gè)火藥參數(shù)（因素）對峰值壓力和造縫效果2方面的影響，得到火藥外徑最大、燃燒速度低、火藥力最小、燃?xì)獗葻崛葑畲蠛突鹚幫鈴阶钚?、燃燒速度中、火藥力最大、燃?xì)獗葻崛葑畲蟮?種最佳方案，并以峰值壓力控制作為最關(guān)鍵因素通過正交綜合平衡分析法優(yōu)選出了火藥外徑最大、燃燒速度低、火藥力最小、燃?xì)獗葻崛葑畲蟮淖罴逊桨浮?/p>

2）我國海上油田爆燃壓裂作業(yè)結(jié)果表明，采用正交綜合平衡分析法進(jìn)行爆燃壓裂方案設(shè)計(jì)后應(yīng)用的7井次均達(dá)到控制峰值壓力和增產(chǎn)的顯著效果，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。