（油气田开发工程专业论文）水力裂缝层内爆燃技术基础研究.pdf

摘要 水力裂缝层内爆燃技术是一项新兴的、前瞻性的技术。基于水力裂缝层内爆 燃技术提高低渗透油田采收率和油井产量的基本设想，利用油藏渗流理论和节点 系统分析方法，建立了水力裂缝层内爆燃油井产能计算模型，进行水力裂缝和爆 燃裂缝参数对油井产能影响规律分析；根据相似原理，建立了电模拟实验装置和 油井生产系统模型，实验研究水力裂缝和爆燃裂缝参数对渗流场和油井产能的影 响；设计和建设了岩石冲击动态损伤模拟实验装置，实验研究冲击压力对岩石的 作用机理和岩石开裂形成条件；根据动量和能量守衡原理等，建立了岩石动态损 伤峰值压力和加压速率计算模型，分析影响峰值压力和加压速率的因素及其影响 规律；建立了实验岩心破裂压力计算模型，分析影响岩心破裂压力的因素。理论 和实验研究结果表明，水力裂缝和爆燃裂缝的存在，改善了油藏流体的渗流模式， 有利于油井产能的提高爆燃裂缝的存在可在水力裂缝增加油井产量的基础上进 一步增产，相对于水力压裂油井，增产倍数可达1 5 5 电模拟实验模型产能测试 结果与产能计算模型预测结果相对误差较小，在0 2 1 7 7 2 范围内，平均相对 误差为4 0 6 ，检验了水力裂缝层内爆燃油井产能计算模型的精度。1 6 次钢块岩 心实验结果对岩石动态损伤峰值压力和加压速率计算模型进行了检验和修正，增 压值和平均加压速率实验值与修正后计算模型计算值问相对误差分别为2 5 6 和 4 0 4 ，具有较高的精度和指导实验的作用。4 4 次岩石冲击开裂实验表明，冲击能 量、冲击峰值压力以及平均加压速率是影响岩石开裂以及压裂模式由类似水力压 裂形成2 条裂缝的模式向多条裂缝压裂模式转变的主要因素；多条开裂裂缝的形 成更大程度上取决于平均加压速率，且压裂模式转变存在明显的临界平均加压速 率界限。基于实验和灰色关联分析结果，建立了具有较高精度的裂缝条数计算相 关式。论文的创新性主要体现在依据渗流力学理论和水电相似原理对水力裂缝层 内爆燃油井产能及其影响因素进行理论和实验研究、利用岩石力学理论和岩石冲 击损伤动态模拟实验装置对冲击载荷作用下岩石开裂动力学特性进行研究等方 面，为水力裂缝层内爆燃技术的工艺参数设计和控制提供依据，对该技术的应用 具有重要的指导作用。 主题词：爆燃裂缝；水力裂缝；计算模型；岩石动态损伤：模拟实验 t h ef u n d a m e n t a ls t u d yo fe x p l o s i v ef r a c t u r i n gw i t h i nt h e h y d r a u l i c a l l yf r a c t u r e df o r m a t i o n s a b s t r a c t t h ee x p l o s i v ef r a c t u r i n gw i t h i nt h eh y d r a u l i c a l l yf r a c t u r e df o r m a t i o n si sa n o r i g i n a la n dp r o s p e c t i v et e c h n o l o g y b a s e do nt h eb a s i ci d e ao ft h es t i m u l a t i o nu s i n g e x p l o s i v ef r a c t u r i n gw i t h i nt h eh y d r a u l i c a l l yf r a c t u r e dl o w - p e r m e a b i l i t yf o r m a t i o n s ，a p r o d u c t i v i t yc a l c u l a t i o nm o d e lw a sd e r i v e du s i n gt h et h e o r yo ff l u i df l o wi np o r o u s m e d i aa n dt h en o d a ls y s t e ma n a l y s i s t h es o l u t i o nt ot h i sm o d e lw a sp r e s e n t e dt o a n a l y z et h ee f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r so fb o t hh y d r a u l i ca n de x p l o s i v ef r a c t u r e so n w e l lp r o d u c t i v i t y a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yc r i t e r i a , e x p e r i m e n t a lm o d e l sa n ds e t u p o f t h ew e l ls y s t e m sw e r ed e v e l o p e dt os t u d yt h ef l o wm e c h a n i s m gi np o r o u sm e d i aa n d p r o d u c t i v i t yo fh y d r a u l i c a l l yf r a c t u r e dw e l l s 、衍t hf u r t h e re x p l o s i v ef r a c t u r e sa tt h e f r o n t n ee x p e r i m e n t a l s t u d y o nf r a c t u r ei n i t i a t i o n b yp r e s s u r ep u l s e s w a s a c c o m p l i s h e di n ad y n a m i cr o c kd a m a g ea p p a r a t u s ，w h i c hw a ss e l f - d e v e l o p e d ，t o a n a l y z et h ee f f e c to ft h ep u l s eo nr o c kc h a r a c t e r i s t i c s t h ec a l c u l a t i o nm o d e l so ft h e p e a kp r e s s u r ea n dt h ep r e s s u r i z a t i o nr a t e so b t a i n e df o r mt h ed a m m i cr o c kd a m a g e e x p e r i m e n ta n dt h em e t h o do ft h et e s tc o r e sf r a c t u r i n gp r e s s u r ew e r ed e d u c e du s i n g t h ec o n s e r v a t i o nl a w so fe n e r g ya n dm o m e n t u m , a n de l a s t i cm e c h a n i c s b o t ht h e t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l s t u d i e ss h o w e dt h a tt h e e x p l o d i n gf r a c t u r e c a l l s i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h eh y d r a u l i cf r a c t u r ew e l lp r o d u c t i v i t yw i t ht h ep r o d u c t i o n i n c r e a s er a t i oa b o u t1 5 5a n di m p r o v ef l u i df l o wi np o r o u sm e d i a , w h i c hp r o v e dt h a t t h es t i m u l a t i o nt e c h n i q u eo fe x p l o d i n gi nf r a c t u r ef r o n tw a sf e a s i b l e t h er e l a t i v e d e v i a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lt e s t i n gr e s u l t st ot h ep r e d i c t e dr e s u l t sw i t ht h ed e r i v e d m o d e l sr a n g e df r o mo 2 1t o7 7 2p e r c e n t , w i t ha na v e r a g eo f4 0 6p e r c e n t t h i s v e r i f i e dt h ep r o d u c t i v i t y c a l c u l a t i n gm o d e l t h ec a l c u l a t i o nm o d e l so ft h ep e a k p r e s s u r ea n dt h ep r e s s u r i z a t i o nr a t e sw e r ee x a m i n e da n dm o d i f i e db y1 6s t e e lc o r e e x p e r i m e n t s 。a n dt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o r sw e r e2 5 6p e r c e n ta n d4 0 4p e r c e n t 4 4 e x p e r i m e n t so nr o c kf r a c t u r i n gs h o w e dt h a t ：1 ) s h o c ke n e r g y ，p e a kp r e s s u r e ，a n d p r e s s u r i z a t i o nr a t e sw e r et h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es t a t u so fr o c kf r a c t u r e d ；2 ) t h ef o r e m o s tf a c t o ra f f e c t i n gt h ef r a c t u r en u m b e rw a st h ep r e s s u r i z a t i o nr a t e s ；3 ) t h e r e w a sa na p p a r e n tc r i t i c a lp r e s s u r i z a t i o nr a t e sa tt h et r a n s i t i o np o i n tf r o mt h ep a r e mo f 2 f r a c t u r e st ot h em o r ef r a c t u r e s ；a n d4 ) t h er e g r e s s i o nc o n e l a t i o no f t h ef r a c t u r en u m b e r w a sp r e s e n t t h i ss t u d yi si n n o v a t i v ei nt h e o r e t i c a lm o d e l i n g ，e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s d e v e l o p i n g ，a n de x p e r i m e n t a ls i m u l a t i n g ；t h u si tp r o v i d e di m p o r t a n tg u i d e l i n e sf o rt h e t e c h n o l o g i c a ld e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h ee x p l o s i v ef r a c t u r i n gt e c h n o l o g yw i t h i nt h e h y d r a u l i cf r a c t u rf r o n t k e yw o r d s ：e x p l o d i n gf r a c t u r e ；h y d r a u l i cf r a c t u r e ；c a l c u l a t i o nm o d e l ；r o c kd y n a m i c d a m a g e ；s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t 水力裂缝层内爆燃技术基础研究 创新点摘要 1 基于水力裂缝层内爆燃技术提高低渗透油田采收率和油井产量的基本设 想，利用油藏渗流理论和节点系统分析方法，建立了水力裂缝层内爆燃油井产能 计算模型及其求解方法，计算和分析了水力裂缝和爆燃裂缝参数对油井产能的影 响规律( 见第2 章) 建立了水力裂缝层内爆燃技术电模拟实验装置和相应的油井 生产系统模型，实验验证了爆燃裂缝对地层流体渗流模式的改善和水力裂缝层内 爆燃油井产能计算模型的精度( 见第3 章) 。数学模型计算分析结果和实验结果都 证明了水力裂缝层内爆燃技术的增产作用，并为水力裂缝层内爆燃技术工艺参数 优化设计提供依据。 2 设计和建设了岩石冲击动态损伤模拟实验装置( 见第4 章) 4 4 次岩石 冲击开裂实验结果表明，岩石岩心冲击开裂形成裂缝，大大地影响冲击峰值压力 和反弹撞击造成的压力脉冲波的幅值和频率、影响实验岩心围压；冲击能量、峰 值压力以及平均加压速率是影响岩石是否开裂以及压裂模式由类似水力压裂形成 2 条裂缝的模式向多条裂缝压裂模式转变的主要因素；多条开裂裂缝的形成更大 程度上取决于平均加压速率，且开裂形成多条裂缝存在明显的临界平均加压速率 界限；建立了具有较高精度的裂缝条数计算相关式( 见第6 章6 3 、6 4 ) 。为水 力裂缝层内爆燃技术的应用提供指导。 3 建立了岩石动态损伤峰值压力和加压速率计算模型( 见第5 章5 1 ) ，并 通过1 6 次钢块岩心实验结果对计算模型进行了修正，增压值和平均加压速率实验 值与修正计算模型计算值的相对误差分别为2 5 6 和4 0 4 ，具有较高的计算精度 ( 见第6 章6 2 ) ，能够很好地指导实验工作。 第1 章引言 第1 章引言 1 课题的来源及选题的依据 论文课题是中国石油化工集团公司和国家“2 1 l 工程”资助研究项目。 随着我国石油勘探和开发程度的深入，新增探明石油地质储量中低渗透油田 储量所占比例愈来愈大，且在已探明未动用储量中，低渗透油田储量也占大部分【l 】o 截止2 0 0 2 年底，低渗透油田探明地质储量为6 3 亿吨，占全国探明石油地质储量 的2 8 。其中已投入开发的低渗透储量为3 1 亿吨，未投入开发的低渗透储量为3 2 亿吨。因此，在目前石油后备储量紧张，同时在探明未动用的石油地质储量中大 部分为低渗透油田储量的形势下，如何动用和开发好低渗透油田的储量，对我国 石油工业的持续稳定发展和国家的石油安全具有十分重要的意义。 耳前，在低渗透油田( 渗透率为o 1 x l o o 5 0 x 1 0 4 u m 2 ) 的开发中主要采用水 力压裂技术改造油气层。国内外曾研究和使用过的技术还包括井内爆炸法、核爆 炸法、高能气体压裂以及高能气体压裂与水力压裂复合技术等。从低渗透油藏改 造后的开发效果来看，每种技术的适应性和增产效益均有一定的局限性。 水力压裂技术是低渗透油田有效开发的关键技术，由于在低渗透油气田勘探、 开发中广泛地应用，并获得极大的经济效益，从而使水力压裂技术在理论方法、 工艺、设备及工具等方面均得到了迅速的发展。油藏整体压裂改造技术于2 0 世纪 8 0 年代中后期在我国一批低渗透油田难以经济有效开发的背景下发展起来，为提 高低渗透油田的开发效益、增加低渗透储量的动用程度做出了重要贡献；同时也 将水力压裂技术推到了新的高度1 2 4 1 。 但是，在低渗透油田和特低渗透油田开发应用中，只有水力主裂缝邻域的油 气可以通过岩石原有的微小孔隙流入主裂缝产出，而离主裂缝较远的油气仍难开 采【5 j 【6 j 。在低渗透油田开发方面，长期存在着一个重要的问题，即投资大和经济效 益差的问题。许多油区在调整和改善低渗透油田开发效果方面做了大量的工作， 取得了一定的效果。但是，矛盾依然存在且愈来愈突出，相当多的油井采不出、 注入井注不进，形成低产低效、低采收率的状态。同时相当多的低渗透油田储量 仍然难以动用。 。韩大匡( 院上) ，二十一世纪油田开发面临的挑战与战略，低渗透油藏开发学术研讨会，2 0 0 31 0 第1 章引言 水力裂缝层内爆燃技术是利用现代水力压裂技术首先在地层中造成水力裂 缝，然后将爆燃药压入水力裂缝中，采取不损坏井筒的技术措施点燃该爆燃药， 在水力压裂主裂缝前缘和或周围产生自支撑裂隙。该技术增产和提高采收率的效 果将明显优于水力压裂技术，对提高难开采低渗透油气田的采收率和开发效益具 有重要意义。水力裂缝层内爆燃技术研究是一项新兴的、前瞻性的研究课题。 2 国内外研究动态 ( 1 ) 低渗透油气藏压裂增产技术状况与发展趋势 井内爆燃法 井内爆燃包括固态、液态和气态炸药在井筒内的爆轰和爆燃，目的是在井筒 周围产生多条裂缝，既消除在钻井过程中造成的表皮损害，又使天然裂缝体系与 井筒连通 7 1 。 1 8 6 0 年，美国d e n n i s h h 首先在油井中使用黑火药爆燃方法激励了油井： 1 8 6 4 年美国r o b e r t se a l 申请了以枪用火药使油井增产的专利；1 8 6 7 年用效果更 好的液态硝化甘油取代了黑火药嘲；后来，杜邦公司研制了低感度的硝化甘油炸药、 固态硝化甘油炸药、凝胶炸药和油井特种炸药等1 7 1 。在1 9 世纪6 0 年代到2 0 世纪 5 0 年代，井内爆燃法被广泛应用，曾经带来增产效益【9 】。 但该技术在2 0 世纪4 0 5 0 年代被水力压裂所取代。其主要原因是，井内爆 轰造成的压缩应力波使井筒周围岩石发生不可恢复的塑性变形，形成的残余应力 场i lo 】使得爆燃初期形成的大量裂缝重新闭合，或被爆燃残余物堵塞，有时反使岩 层渗透率下降。另外，井内爆燃易损毁井简、硝化甘油类药剂过于敏感等，也是 爆燃法不能推广应用的原因。我国在2 0 世纪5 0 7 0 年代多次试验井内爆燃法， 未获成功，由于人身及井身安全等原因停止试验。因此，要将井内爆燃法再应用 于油气田开采，就必须解决爆燃增产效果不稳定和井筒损害、施工安全等问题。 核爆燃法 美国和前苏联在2 0 世纪6 0 7 0 年代进行过核装置激励油气层的地下试验， 未获商业化应用【2 1 1 1 2 2 ；我国在2 0 世纪8 0 9 0 年代也曾进行核爆燃采油的规划和 现场试验设计，由丁二多方面原因未付诸实施【1 1 】。 井简核爆燃会造成并沟通各种孔缝洞，从而增加井筒周围岩石渗透率。荚国 和前苏联的试验结果表明了核爆燃法提高油气采收率可行性。荚国在1 9 6 7 年1 2 月施爆的g a sb u g g y 项目的核装置t n t 当量为3 1 0 h ，产生的爆穴半径约2 7 m ， 2 第1 章引言 由岩石崩落而形成的筒状通道( 本身就是导流能力极好的区域) 高约1 0 0 m ，极高 温和极高压以及极强大的压力波，使通道周围大范围岩石产生复杂的裂缝网络。 一般认为油层渗透率低于0 1 x 1 0 0 t u n 2 的超低渗透油田不再有商业价值，但g a s b u g g y 项目储集层地下渗透率小于o 0 1 x 1 0 - 3 p r a 2 ，仍获得一定的天然气流。所以， 用核爆促产的优势使可开发油气田的范围大大加宽。 核爆能量巨大，储集层要有一定厚度才能实施核爆燃而形成一定格局和规模 的裂缝；同时，核装置既要有足够的埋深以防止发生放射性泄漏，又不能太深以 防止岩石静压使产生的裂缝重新闭合。a t k i n s o n 和j o h a n s e n 建议，产层净厚度应 大于等于6 0 m ，安全的最小深度为3 0 0 m ，最大深度约为2 5 0 0 m ：他们还指出，从 较长时间尺度来看，在破裂半径内平均升温不到l ，破碎带升温仅5 ，温度对 提高采收率的作用不大。 核爆法产生的地震危害和核污染可以控制在可接受的程度。r o d e a n 认为，地 下核爆燃释放的巨大能量中一般只有o 0 1 l 转化为地震能。如果3 x 1 0 4 t t n t 当量的核爆燃有o 1 的能量转化为地震能，只相当于大约3 7 级地震。 放射性是人们十分关注的问题。据有关资料显示，在一次封闭的核爆之后， 所有的在熔岩温度( 1 5 0 0 2 0 0 0 ) 下不是气体的放射性元素都会被封存在空穴 “锅底”熔体中，几乎完全不会泄漏。r u l i s o n 项目中所用的弹体，在裂变装置周 围用碳化硼屏蔽，可使氚减少为原来的1 3 1 4 。如果把实施核爆井产出气和普通 气井产出气均匀混合构成可控的稀释系统，人们遭受辐射的增量只不过是天然背 景下放射性的l 。从经济方面考虑，可以通过稀释或送往远处的发电站将其转化 力另一种形式的能源。 核爆法是否经济还在争论。也许有一天，技术进步和大量作业能使其成本下 降到商业化应用的水平。 另一方面，核爆燃法由于人文、地理、效果等多方面原因，未付诸工业实施。 高能气体压裂技术 商能气体压裂是2 0 世纪6 0 7 0 年代在爆燃法压裂基础上发展起来的【2 l - 2 3 1 。 我国自2 0 世纪8 0 年代开始试验高能气体压裂，由于施工简单、所需费用少和结 果可控等，己在国内一些油田得到应用，取得较好增产效果。 高能气体压裂在井筒内使用火药、推进剂或推进剂与炸药混合物，利用它们 爆燃产生的大量高温、高压气体在井筒周围产生多条辐射状裂缝。高能气体压裂 的基本概念足药剂爆燃而不是爆轰【“j ( 但总能量与药剂爆轰相当) ，可以控制压力 3 第1 章引言 峰值和压力上升速度是否能产生多条裂缝，与井筒内压力上升速度直接相关， 压力上升时间小干l m s 沿井筒产生多条对称裂缝，而小于o 1 p s 则使井周地层粉碎 性破坏，或产生密实刚”j 。高能气体压裂是脉冲加载，一般来说脆性岩石的效果 比较好；- i - 艺关键是选择与储集层地质状况匹配的推进剂，既达到推进剂燃烧产 生多条裂缝的目的，又不造成其它不利影响。 2 0 世纪8 0 年代以来，高能气体压裂已广泛应用于我国各油田，取得了一定的 效益，但也存在一些问题。高能气体压裂裂缝沿井筒方向长约2 3 m ( 最长6 m ) ， 垂直井筒方向长约5 1 0 m ，缝宽一般为0 4 0 8 m m ，局限于近井地带【1 4 l 。所以， 高能气体压裂没能成为低渗透油田的主要增产措施，但它与其它技术( 如水力压 裂技术、酸化技术和射孔技术等) 结合也能发挥有效的作用【1 5 】。 水力压裂技术 水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低 渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。 水力压裂技术是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的 排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗 张强度时，在井底附近地层产生裂缝。继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前 延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具 有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，达到油水井增产增注目的的工艺措施。 水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改 变流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层与裂缝近似性的单向流动和裂 缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗，因而油气 井产量或注水井注入量就会大幅度提高。如果水力裂缝能连通油气层深处的产层 ( 如透镜体) 和天然裂缝，则增产的效果会更明显。另外，水力压裂对井底附近 受损害的油气层有解除堵塞作用。 自从1 9 4 7 年7 月世界第一口压裂井在美国堪萨斯州大县h u g o t o n 气田k e l p p e r l 井成功压裂以来，已有几百万井次的压裂作业。水力压裂技术已由简单的、低液 量、低排量压裂增产方法发展成为一项成熟的开采工艺技术，其发展具有由单井 的增产增注进展到整个油藏的总体压裂优化设计、低渗透油藏“压裂开采”进展 到“压裂开发”、在优化设计方面使用的水力裂缝几何模型已由二维进展到三维 模型、压裂规模从小型进展到大型压裂作业等特科1 6 1 1 2 7 1 。 水力压裂发展至今，已经成为油气层深部造缝的成熟技术。但在低渗透油层 4 第1 章引言 中应用，只有在水力主裂缝邻域的油气可以通过岩石中原有的微小孔隙流入主裂 缝产出，而离主裂缝较远的油气仍难开采，低渗透油田的采收率仍然很低。 高能气体压裂与水力压裂联作技术 高能气体压裂与水力压裂联作技术 1 5 - 1 8 1 是先对油气层进行高能气体压裂，在 近井地带形成多条径向裂缝，减小或消除了井壁周围的应力集中。然后进行水力 压裂，近井地带的裂缝沿高能气体压裂所形成的多条径向裂缝延伸当裂缝延伸 到径向裂缝的末端时，裂缝的继续延伸受地应力及其分布的控制，沿垂直地层最 小主应力方向延伸。这样在井筒周围就可以形成多条有支撑剂支撑的裂缝，远离 井筒地层的渗透性也得到了有效的改善，使地层流体先由地层向裂缝渗流，再由 裂缝向井筒周围的径向填砂裂缝流动，最后流入井筒。 ( 2 ) 水力裂缝层内爆燃技术原理分析 水力裂缝层内爆燃技术 2 6 1 的研究基于商能气体压裂和水力压裂的成功经验， 它是利用水力压裂技术将爆燃药压入油层人工裂缝，并采取不损毁井筒的技术措 施点燃该爆燃药，在主裂缝前缘和，或周围产生大量自支撑裂隙，达到提高油田采 收率和油气水井增产增注的目的，对提高低渗透油田采收率和开发效益具有重要 意义。 造缝特征相同 水力压裂造缝与药剂爆燃释放能量造缝的都具有压力高、能量大、加载空间 狭窄等基本特征。 药剂爆燃的压力和功率高于或相当于水力压裂时的注液压力和功率。 水力压裂时，注液压力一般为5 0 i o o m p a ，其造缝功率约为1 x 1 0 6 l x l 0 7 w 。 药剂爆燃时每千克炸药可瞬间释放约5 x 1 0 6 j 能量，使它有能力在狭窄环境做 功。爆燃压力可控制在i o i o o m p a 量级，功率约为l x l 0 7 1 1 0 1 0 w 。 对井筒的伤害和自支撑缝的产生与高能气体压裂技术类似 高能气体压裂的经验表明，井筒内瞬态压力不超过i o o m p a 时不会损毁井筒； 同时，造成的剪切裂缝两侧岩石有不可恢复的错动，且剪切裂缝内因存在岩屑而 有自支撑效应。根据这些经验，“层内爆燃”要把井筒内瞬态压力控制在i o o m p a 量级，并且可以依靠自支撑效应维持油气层的渗透能力。 所以，水力裂缝层内爆燃技术从原理上分析是可行的。 ( 3 ) 水力裂缝层内爆燃技术安全性分析【2 6 】 5 第1 章引言 压裂液返排所携带未爆燃药剂颗粒的安全性 据估计，水力压裂施工结束后，压裂液返排速度约为5 0 5 0 0 m 3 d ，在井筒约 为5 5 0 c m s ，在水力裂缝中约为1 1 0 c m s 。用层流估计，药剂颗粒的沉降速度 约为2 m m s 。明显小于水力裂缝和井筒中的压裂液返排速度。所以，若存在未爆 燃的药剂颗粒，在压裂液返排时，应随返排液从地层流到井筒并被携带至地面。 由于压裂返排液在井口放空，被带出的药剂颗粒不进入集输系统，且药剂的 浓度很低，所以是安全的。 油井产液携带未爆燃药剂颗粒的安全性 压裂裂缝闭合后，爆燃裂缝自支撑，水力裂缝支撑剂支撑，维持厚度约为毫 米数量级的渗流通道。 在低渗透油田的油井生产阶段，以油井日产液l o m 3 d l o o m 3 d 计算，液体在 井筒中的流速约为1 l o c m s ，裂缝中的流体渗流速度为0 2 2 c m s 。粒径中值约 为5 0 岬的药剂颗粒沉降速度约为2 m m s ，可以判断有部分未爆燃的药剂颗粒在油 井生产阶段随产液产出。 但是，产液平均爆燃药剂的浓度远低于注入爆燃药剂量与注入液总量之比， 而且随累积产液量增加而递减。估计可能进入集输系统的产液中未爆的药剂颗粒 浓度应远低于l ，所以是安全的。 产液中未爆燃药剂颗粒被分离的可能性 水力裂缝层内爆燃技术所使用的爆燃药剂的粒度大于l o i t m ，密度约为原油的 2 倍，体积浓度远小于1 。管式、碟式等离心机可处理粒度约1 肛l 、体积浓度小 于1 、沉降物与沉降液最小密度差达l o 2 0 k g m 3 的悬浮液。因此，在油气集输 系统中，用离心法可以将把产液中未爆燃药剂颗粒从油井产液中分离出来 原油中含未爆燃药剂颗粒的热分解分析 水力裂缝层内爆燃技术所使用的爆燃药剂不挥发，部分溶于环己烷，在明显 低于4 0 0 c 的温度下已熔化并分解。实验室研究表明，当炸药与足够多的油、水混 合后，在强点火条件下，炸药的燃烧热不能使炸药浓度低于3 0 并n 低于4 5 的两 种乳胶状炸药达到并维持点火温度，因而不能引燃。所以，在爆燃药剂度低于或 明显低于l 时，它已根本不会发生燃烧爆燃，只可能像在差热分析实验中那样， 在温度上升时缓慢热分解。 原油进入常减压分馏塔之前，在加热炉已升温到4 0 0 。c 时，可能残留在原油中 的少量药剂颗粒已分解殆尽，绝不会爆燃。 6 第1 章引言 所以，水力裂缝层内爆燃技术从安全性上分析是可行的。 ( 4 ) 水力裂缝层内爆燃技术研究进展。 特种爆燃药配方 中国科学院力学研究所通过多年的研究，找到了一组基本配方： 特种火药配方：原油( 机油) 氧化剂，氧化剂包括：高氯酸钾、硝酸铵。 特种炸药配方：黑金索，原油( 机油) 圆管点火试验研究1 4 2 】 中国科学院力学研究所建立了一外径为5 0 m m 、内径为1 5 m m 、装药段长度为 l o o m m 的圆管点火试验装置，两端各配有一螺母。上端的螺母中间可以安装点火 头和装点火药，下端的螺母中间有一通孔，是药品爆燃后燃气泄出的通道。建立 该试验装置的目的在于探索特种火药和特种炸药的配方，模拟药品在井筒中的爆 燃。测试手段主要包括圆管外贴应变片用来定性确定点火过程中的压力变化规律、 钢膜上贴应变片用来确定钢膜发生破裂的时间。 小尺度模拟试验装置及实验 小尺度模拟试验装置为一外径3 2 0 r a m 、内径1 6 0 m m 、高1 7 0 m m 的缸体，其 中上下各有两个活塞和两个盖板。每个活塞的周围都安装有三个“o ”型圈以防止 气体的泄露( 耐压试验显示：加载1 2 5 m p a 的压强，大约2 小时复零) 。 上下盖板各配有8 个螺栓，上紧螺栓可以模拟地层压力。 下盖板8 个螺栓中有4 个螺栓上贴有应变片，用来确定药品燃烧时装置中的 压力变化过程。 装置外有两个半圆形的加热套，用来模拟地层温度。主钢体侧壁上有测温孔 可以用来安装测温探头。 主钢体侧壁还有一螺纹台阶孔，可以安装点火装置。点火装置包括点火头和 传火管。 模拟岩样是用水泥浇铸而成。实验药品夹在两块岩样之间。 模拟实验结果表明，通过热传导可实现点火并传爆，爆燃的过程较缓慢。证 明了在小尺度情况下( 裂缝宽度约为5 m m ，缝长为1 3 0 m m ，药量不超过5 0 9 ) 爆 燃药剂传爆的可行性。 平板点火模拟试验装置f 4 2 】 。张琪等水力裂缝层内爆炸提高采收牢技术基础研究( 2 0 0 3 年和2 0 0 4 年研究工作报告) 中国石油化工 股份自限公司报告 7 第l 章引言 该装置的主体是两块长4 0 0 r a m 、宽2 4 0 m m 、厚2 8 m m 的钢板，其间夹有两块 宽6 0 m m 、厚3 0 m m 的钢条，由8 个螺栓固定。在其空隙中放置两块石板，石板之 间为待测实验品。左右用两块长2 4 0 m m 、宽6 8 m m 、厚2 5 m m 的钢板封堵。其中 一钢板中间由一孔用来安装点火具。 该实验装置建设的目的主要是模拟较大尺度岩缝中药剂持续传爆的可行性。 3 主要研究内容与技术路线 ( i ) 研究目标 尽管水力裂缝层内爆燃技术在原理、安全性以及小尺度实验分析是可行的。 但能否应用，还存在许多技术问题，例如：药剂能否和如何压入油气岩层的水力 裂缝中? 压入水力裂缝后能否和如何发生爆燃? 爆燃后对岩石产生怎样的效果? 如何控制作用效果和对油井产能的影响程度? 等等 基于水力裂缝层内爆燃技术前期研究基础，围绕着水力裂缝与爆燃裂缝参数 对增产效果的影响规律、岩石开裂形成条件对爆燃裂缝参数的影响等基础问题， 利用油藏渗流理论和节点系统分析方法，研究并建立水力裂缝层内爆燃油井产能 计算模型及其求解技术，并编制计算软件，分析水力裂缝和爆燃裂缝参数对油井 产能的影响；研制水力裂缝层内爆燃技术电模拟实验装置和相应的油井生产系统 模型，实验研究水力裂缝和爆燃裂缝参数对油藏渗流场和油井产能的影响，并验 证水力裂缝层内爆燃油井产能计算模型的精度；研制岩石冲击动态损伤模拟实验 装置，以分析冲击压力对岩石的作用机理，研究岩石开裂的形成条件，特别是研 究岩石开裂形成多条裂缝的条件。达到论证水力裂缝层内爆燃技术的增产效果和 指导该技术工艺参数设计与应用的目的。 ( 2 ) 主要研究内容 水力裂缝层内爆燃油井产能计算模型建立及计算分析软件开发； 水力裂缝层内爆燃油井产能电解模拟实验装置研制与实验； 水力裂缝层内爆燃技术的增产机理研究与效果分析； 岩石冲击动态损伤模拟实验装置设计与建设； 岩石冲击动态损伤机理的理论研究； 冲击压力对岩石的作用机理和岩石开裂形成条件的实验研究。 ( 3 ) 研究方法与技术路线 采用理论分析、数值模拟计算、实验装置的研制与动态模拟实验研究相结合 8 第l 章引言 的方法进行论文课题的研究。 国内外研究状况和发展动向的调研与分析，特别是对水力裂缝层内爆燃技 术和岩石冲击损伤动态模拟实验装置的调研与分析，为研究提供依据。 利用油藏渗流理论和节点系统分析方法，建立了水力裂缝层内爆燃油井产 能计算模型及其求解方法，并编制软件，计算和分析水力裂缝和爆燃裂缝参数对 油井产能的影响，以论证水力裂缝层内爆燃技术对油井增产作用。 根据相似原理，建立水力裂缝层内爆燃技术电模拟实验装置和相应的油井 生产系统模型，进一步研究水力裂缝和爆燃裂缝对油层渗流状况的改善效果，并 验证数学模型的精度。 设计及建设岩石冲击动态损伤模拟实验装置，以研究冲击压力对岩石的作 用机理和岩石的开裂形成条件。装置采用重物自由落体撞击岩心夹持器的内活动 柱塞，压缩岩心模拟井眼内的流体，产生动态压强作用于岩心模拟井眼壁面，模 拟爆燃药爆燃所产生的动态压力波对油层的处理。 结合岩石冲击动态损伤机理的理论研究，对模拟实验装置进行调试与修改 完善，探索实验规律，制定模拟实验方案，进行实验与结果分析，建立相关规律。 4 论文的逻辑结构 根据研究方法和技术路线，开展研究并进行总结，论文撰写围绕两个核心问 题分章进行描述。 ( 1 ) 通过数学模型和电模拟实验，进行水力裂缝层内爆燃技术增产的可行性 分析、影响增产效果的因素及其影响规律分析，为水力裂缝层内爆燃技术技术工 艺参数设计提供依据。 ( 2 ) 研究和建设岩石动态损伤模拟实验装置，结合岩石冲击动态损伤机理的 理论研究，为进行动载条件作用下的岩石力学特性研究提供了研究手段。并实验 研究冲击压力对岩石的作用机理，研究岩石开裂的形成条件，为水力裂缝层内爆 燃技术的应用提供指导 论文的逻辑结构见表1 1 。 9 第l 章引言 表1 - 1 论文逻辑结构表 论文结构内容梗概功能 介绍论文选题依据、国内外研究状况 第1 章引言 和发展动向、论文研究的内容与技术路线 了解论文研究背景和研 等。 究内容概貌。 第2 章水力裂 利用油臧渗流理论和节点系统分析研究水力裂缝和爆燃裂 缝层内爆燃油 方法，建立了水力裂缝层内爆燃油井产能缝参数对油井产能的影响规 井产能计算模 计算模型及其求解方法，并编制软件，计律，论证水力裂缝层内爆燃技 算和分析水力裂缝和爆燃裂缝参数对油 术对油井增产作用，为该技术 型 井产能的影响规律。 工艺参数优化设计提供依据。 第3 章水力裂 根据相似理论，研究和建设了电模拟 进一步验证水力裂缝层 缝层内爆燃油 实验装置，实验研究水力裂缝和爆燃裂缝 内爆燃技术对油藏渗流模式 井产能电模拟 参数对油藏渗流场和油井产能的影响。 的改善，并检验油井产能数学 实验研究模型的计算精度。 基于水力裂缝层内爆燃技术原理，研 制了岩石动态损伤模拟实验装置该装置 第4 章岩石动用一重物自由落体撞击岩心夹持器的内 为进行动载条件作用下 态损伤模拟实 活动柱塞，压缩岩心模拟井眼内的流体， 的岩石力学特性研究提供了 验装置的研制产生动态压强作用于岩心模拟井眼壁面。研究手段。 模拟“层内爆燃”时所产生的动态压强 对油层的处理。 第5 章岩石冲理论研究岩石应力状况对岩石开裂有利于实验测试系统可 击动态损伤机条件的影响以及实验条件对冲击峰值压靠性的分析与检测，并为实验 理的理论研究力和加压速率的影响，分析其影响规律。工作提供指导。 利用钢块岩心实验研究冲击条件对 增压值和平均加压速率的影响，修正了增研究冲击压力( 脉冲) 对 第6 章岩石冲压值和平均加压速率计算模型。利用岩石岩石的作用机理，研究岩石开 击动态损伤模岩心冲击实验研究影响岩石开裂与否以裂的形成条件，为水力裂缝层 拟实验研究及压裂模式由类似水力压裂形成2 条裂内爆燃技术工艺参数设计和 缝的模式向多条裂缝压裂模式转变的主应用提供指导。 要因素及其影响规律。 总结规律，为水力裂缝层内爆燃技术工艺参数设计和应用提供依据 第7 章结论 和指导。 1 0 第2 章水力裂缝层内爆燃压裂油井产能计算模型 第2 章水力裂缝层内爆燃油井产能计算模型 水力压裂作为油井增产、注水井增注的有效措施在低渗透油田的开采中得到 广泛的应用，研究方法也日趋成剃1 1 1 2 ”1 l 。但在低渗透率油气藏开发过程中，只有 水力压裂形成的主裂缝邻域的油气可以通过岩石中原有微小孔隙流入主裂缝而被 采出，远离主裂缝的油气仍难采出。水力裂缝层内爆燃技术是利用现代水力压裂 技术将爆燃药压入水力裂缝中，通过爆燃药的作用，在水力压裂主裂缝前缘产生 自支撑裂隙，达到油井进一步增产的目的。但是在水力裂缝前端产生爆燃裂缝到 底能产生多大的增产效果? 爆燃裂缝性质参数对该技术的增产效果的影响规律如 何? 这些问题目前尚未开展研究。本章利用油藏渗流理论和节点系统分析方法， 基于水力裂缝和爆燃裂缝为有限导流能力，建立水力裂缝层内爆燃油井产能计算 模型及其求解方法，并编制软件，以分析水力裂缝和爆燃裂缝参数对油井产能的 影响规律，论证水力裂缝层内爆燃技术的增产可行性，并为该技术的工艺参数设 计提供依据。 2 1 水力裂缝油井产能数学模型 2 1 1 假设条件 ( 1 ) 圆形油藏等压边界中心一口井，油层等厚，各向同性： ( 2 ) 油井未压裂时，流体在地层的流动为径向流；油井压裂后，认为压裂裂 缝两端部外流体的流动为径向流，压裂裂缝两边地层流体和裂缝中流体的流动为 单向流( 如图2 1 ) ； 网格i 图2 1 油井压裂后简化平面渗流模型 图2 2 裂缝前端外平面径向流网格划分示意图 第2 章水力裂缝层内爆燃压裂油井产能计算模型 ( 3 ) 水力裂缝为对称于井筒的双翼垂直裂缝，具有有限导流能力 ( 4 ) 裂缝剖面为矩形，高度等于油藏厚度； ( 5 ) 不考虑裂缝随时问延长的失效性； ( 6 ) 油水两相流动均满足达西定律； ( 7 ) 忽略毛管力和重力作用； ( 8 ) 油、水粘度和体积系数为定值。 2 1 2 水力裂缝前端外流体的径向流计算模型 假设裂缝前端部为小井眼，等效井眼半径为r 二：睾。在压裂裂缝前端外流体 的渗流遵循径向流的规律，对其按角度口进行均匀网格划分，由于对称性可取油藏 区域的四分之一进行研究，设有个网格，则口：9 0 ，在每个单元体内可近似看 疗l 作是平面径向流，如图2 - 2 所示。 第i 网格其渗流半径为( i = 1 , 2 3 n 1 ) ： = 一l is i n ( f 曰) + 厄面函萨网 ( 2 1 ) 式中，为裂缝宽度，m ；，二为水力裂缝前端等效井眼半径，1 1 1 ；0 为裂缝 半长，m ；也为油井的泄油半径，m ；为第i 网格的渗流半径，n l 。 取疗：个压差网格，压力问隔为印，对应的裂缝前端部压力p 二= p 。一( ，一1 ) 印， j = l ，2 3 疗2 。油井未压裂时的产量公式【3 2 1 为： 9 ：2 ：, r k k , f h ( p , - p , , ，) x 0 0 8 6 4 ( 2 - 2 )l ，= = j 一 弘l b l 埘。| r 0 式中，p 二为裂缝前端部压力，m p a ；p e 为供给边界压力，m p a ：9 为油井 产量，m 3 d ；k 为油层绝对渗透率，1 0 。p m 2 ，k 为，相流体相对渗透率；h 为油 层厚度，m ；p 一为井底流压，m p a ；, u l 为，相流体的粘度，m p a s ；马为l 相流体 体积系数，m 3 m 3 ；o 为井眼半径，m ：下标中的z = o 为油相；，= w 为水相。 1 2 第2 章水力裂缝层内爆燃压裂油井产能计算模型 压裂后，裂缝前端外每个网格内的流量级( f ，_ ，) 为： 级( f ) = 2 ：r k k 可a h ( p 湎, - p 矿乙) x 0 0 8 6 4