（油气田开发工程专业论文）高能气体压裂中CO气体生成机制及流动扩散规律研究.pdf

英文摘要 s u b j i c t ： r e s e a r c ho nf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt o w a g ea n dd i f f u s i o nl a wo fc oi n h e g f s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t a tp r e s e n t ，h i g h - e n e r g yg a sf r a c t u r ei sa p p l i e dv e r yw i d e l yi nt h el o w p e r m e a b l eo i l g a s f i e l d p o l l u t i o na n dc l o g g i n gw h i c hc a u s e db yd r i l l i n ga n dp e r f o r a t i n gc a l lb ec l e a n e d s ot h e p r o d u c t i o n o fo i la n dg a sw e l l sa n dt h ei n j e c t i o nr a t eo fi n j e c t i o nw e l l sa r c i n c r e a s e d b u t , r e c e n t l y , s o m ee v e n t so fc ow e r et a k e np l a c ei nh i g h e n e r g yg a sf r a c t u r eo f s o m el o wp e r m e a b l eo i l g a sf i e l d o i f f i e l dp r o d u c t i o nw a sd e s t r o y e db a d l ya n dt h ev i t a l s e c u r i t yo fs t a f f sw e r em e n a c e ds e r i o u s l y e x a m p l ea so n el o wp e r m e a b l er e s e r v o i ri nt h i s p a p e r , t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n df l o w a g ea n dd i f f u s i o no f c ow e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i nh i g h - e n e r g yg a sf r a c t u r eo fl o wp e r m e a b i l i t yo i l - g a sf i e l d i n f l u e n c i n gr e g u l a r i t yo f h i g h - e n e r g yg a sf r a c t u r ea g e n tc o m p o s i t e o na n d1 l i g ht e m p e r a t u r eg a s e so fh i g h - e n e r g yg a s f r a c t u r er e a c t e dw i t hr e s e r v o i ra s s o c i a t e dg a s e sa n do i lf o rp r o d u c et h ec oa n do t h e r p o i s o n i n gg a s e sw a ss t u d i e di ne x p e r i m e n t o nt h eb a s i c u s i n gt h e r m o d y n a m i c s 、g a s d y n a m i c se n do i lr e c o v e r yt e c h i n i c sr a t i o n a l e w e l l - b o r ef l o wa n dd i f f u s i o nm o d e lo fc of o r h i g h - e n e r g yg a sf r a c t u r ea r e ：e s t a b l i s h e da n dt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o rf o rm i g r a t i o na n d d i f f u s i o no fc oj l l s ta sw e l l b o r e p r e s s u r e ，g a s - o i lr a t i o , w i n ds p e e d , l e a k a g es p e e d ，a i r p e r m a n e n c ew e r es t u d i e d i to f f e r i n gg r e a tt h e o r e t i c a lv a l u et oe x p l a i nt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s ma n dr e i n f o r c e m e n to f c of o rl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r s , a n dw h i c hi sh e l p f l i lt o h i g h e n e r g y g a s f r a c t u r es a f e t y p r o d u c t i o n o f s i m i l a r o i l f i e l d s k e yw o r d s ：l o wp e r m e a b i f i t y h i g h - e n e r g yg a sf r a c t u r e ； c a r b o nm o n o x i d e ； f o r m a t i o nm e c h a n i s m ：m a t h e m a t i c sm o d e l ： t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yf o u n d a t i o no f w a s t e r ne x p l o i t a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a c t i o ni t e m 一g he f f i c i e n c ye x p l o i t a t i o na n dw a t e rr 器o u r c es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t g o r d i a n t e c h n i q u e i n v e s t i g a t i o n o fe 】【t r e m e l y l o w p e r m e a b i l i t y o i l f i e l d o f s h a n - g a n - n i n g b a s i n ( 2 0 0 5 b a 9 0 1 a 1 3 ) ) 主要符号表 a l 管横截面积，m 2 ； d 。一泡流存在最小直径，m ； d 一管径，m ： 主要符号表 d 。一修正临界直径，m ； 皿一液相表观摩阻系数，无因次； 厶一多相混合物摩阻系数，无因次； 日。一持液率，无因次； 日。一段塞流中持液率，无因次； 日g 岱段塞流中的含气率，无因次； 三s y 一段塞单位长度，m ； k ，。一液相表观雷诺数，无因次； p 一压力，p a ； 心度，k ； ，s c 气核表观速度，m s ； 一泰勒泡上升速度，m s , y 一段塞流中的气体速度，m l s ； v w 一段塞流中的液相速度，m s ； ，k 修正的l o c h e s _ m a r t n e l l i 参数； 口一空隙率，无因次； 万一液膜厚度，无因次： 以气核粘度，p a s ； 声口一段塞流粘度，p a s ； v c _ 屯o 浓度，m g m 3 d 一一分散泡流存在最大直径，m ； d c d 一泡流临界直径，m 正一携带系数，无因次； 之气核表观摩阻系数，无因次； 广重力加速度，m l s 2 ； 日。一泰勒泡中的持液率，无因次： 日。一液膜所占比率，无因次； 工。一段塞流长度，m ； k ，一液膜雷诺数，无因次； ，。气核表观雷诺数，无因次； 一标况流量，m 3 s ； 一多相混合物流速，n 以； k 一液相表观速度，m s ； v 气相表观速度，n 洳； v 。一液相流动中的泰勒泡速度，m s ； 吒。泰勒泡中的液相速度，m s ： z - 一压缩系数，无因次； ，相对密度，无因次； 口管倾斜角度，。； ，啊一混相粘度，p a s ； 岛气相密度，k g ，m 3 ； 主要符号表 户_ 一多相混合物密度，k g m 3 ； 见气核密度，k g m 3 盯一表面张力，n m ； v i 矶一液相密度，k g m 3 ； 几一段塞流密度，k 咖3 ； 学位论文创瓤性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期：羔净也 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：团：! ! 日期趔丝矽 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 第一章绪论 针对低渗透油田的地质特征，及我国大部分油田都已进入油田开发后期，普遍面临 着油田含水率高、产量递减等问题。为提高开采速度和最终采收率，高能气体压裂技术 作为继水力压裂之后又一新的增产增注工艺技术，是提高油田开发水平及经济效益的有 效途径。高能气体压裂h 1 ( 简称h e g f ) 是在爆炸压裂技术上逐步发展起来，并在二十 世纪九十年代兴起的一项新技术。它是利用推进剂在井筒内快速燃烧，有控制的生成大 量高温高压气体，沿射孔进入地层，形成多条不受地应力限制的径向裂缝，沟通天然裂 缝，并且由于压裂过程中的负压作用、脉冲作用、热化学作用等，可以有效清除近井地 带由于钻井、射孔和各种措施造成的污染和堵塞，改善近井地带渗流环境，达到油气井 增产、注水井增注的目的。由于其巨大的优势和潜力，目前广泛的应用于低渗透油田改 造与开发，并经过这些年多方面的改进，此项技术己趋于成熟。但近期国内一些低渗透 油田在高能气体压裂施工过程中却出现了c o 气体中毒事件，给油田生产造成严重损 失，并对员工的生命安全带来了严重的威胁。因此，对高能气体压裂施工过程中c o 气 体的生成、井筒流动、大气扩散等规律进行全方位的监测以及深入细致的研究是非常有 必要的。 基于此，本文以陕甘宁盆地某低渗透油田为例，通过对此油田现用高能气体压裂药 剂体系爆燃生成气体成份和主力油区伴生气成份的系统分析测试和现场调研工作，准确 地掌握此油田高能气体压裂过程中，c o 气体生成的主要原因和定量描述c o 气体的流 动与扩散规律。此项工作的完成对合理、有效的开发油气田以及煤层气的开发都将具有 重要的实际意义。 1 2 国内外现状 ( 1 ) 高能气体压裂研究现状 高能气体压裂是国际上7 0 年代兴起，8 0 年代迅速发展的一种火工技术与采油工 艺综合应用的新型增产技术。高能气体压裂的基本原理就是利用火药或推进剂的燃烧， 产生脉冲加载并控制压力上升速度，使释放的大量高温高压气体作用于井壁岩石上，压 开径向裂缝体系，沟通地层喉道和天然微裂缝，解除近井地带有机物堵塞，提高井筒附 近地层的导流能力，从而达到增产增注之目的。 我国对高能气体压裂技术的研究起步较晚，但发展迅速。我国自1 9 8 5 年开始高能 气体压裂的研究工作以来，几乎在所有的油田推广使用，各油田累计施工1 0 0 0 井次， 西安石油大学硕士学位论文 取得了较好的增产效益。据不完全统计，我国高能气体压裂成功率在9 0 以上，有效率 7 0 以上，平均每口井增产原油1 0 0 吨左右。最大施工井深6 0 2 0 m ，最高施工井温1 4 0 。 西安石油学院高能气体压裂技术中心从1 9 9 5 年二月开始此项技术的研究工作， 1 9 9 6 年1 0 月2 4 日在辽河油田静4 2 6 4 井下井试验成功，现已在辽河、长庆、华北等油 田共进行了十多井次的现场试验，取得了良好的效果。 国外高能气体压裂技术工艺要比国内研究早得多 2 1 ，1 8 6 0 年，美国h h d e n n i s 首次 使用枪药改造油层；1 8 6 4 年，e l r o b e r t s 申请了第一个油井爆炸增产专利。本世纪2 0 3 0 年代，使用的凝胶炸药和包装的硝化甘油炸药，使爆炸增产法在现场应用更为安全； 4 0 5 0 年代又出现了装在硬纸管里的抗水胶质硝酸甘油炸药，使井筒爆炸增产法几乎 成为当时世界上主要油气田的标准完井技术，取得了比较显著的经济效益。但由于炸药 难以控制，常出现损伤井筒，及人身和设备安全事故，因而受到了4 0 5 0 年代兴起的 水力压裂的挑战。随着推进剂，断裂力学，计算技术的发展，从6 0 年代初开始，国外 学者从爆炸力学的角度对气体压裂作了深入研究。1 9 6 7 年，h h m o h a u p t 获准的“爆炸 激励井筒的设备”专利中，采用的就是推进剂。之后，又在燃烧及p t 过程控制和多裂缝 等方面取得进展，使其成为较实用的增产技术。 高能气体压裂技术涉及到许多科学领域，美国侧重于压裂机理研究和室内外模拟试 验，先后动用了桑迪亚国家实验室，内华达实验室，芝加哥天然气研究院，丹佛研究院， 马里兰大学和s e r v od y n a m i c s 公司等高层次科研机构，在高能气体的压裂的裂缝起裂， 延伸，闭合等机理研究，特别是径向多裂缝形成的研究，动态压力测试方法的研究，压 裂设计方法综合压裂技术等方面，均取得了长足进展。7 0 8 0 年代以来，陆续在现场 进行了4 0 0 0 多口井的h e g f 施工，最大井深达4 2 6 8 米。 近期美国o r y x 能源公司，阿科公司和马拉松公司经过多年研究开发出了超正压射 孔技术。美国人l u cp e t i t i e a n 则进一步采用火药燃烧气体作为超正压射孔技术需要的超 正压，把射孔与高能气体压裂复合推向一个新阶段。 该技术最早是1 9 8 3 年由美国人f r a n k i n c f o r d 通过专利形式提出的一项油气井增 产措施的设想。为了提高油气井的产量，拟采用聚能射流射孔和可控推进剂压裂装置相 结合的方法。该装置被下入油气井中一定深度的地质产层，压裂装置由可变横截面的壁 厚的圆柱形药室构成。药室中充以易燃烧推进剂气体发生剂，它们包覆着一定孔密和相 位角排列的射孔弹，沿压裂装置的纵向，一种研磨性材料分布在推进剂容器内，通过用 压力控制的气体增大射孔，并将液体注入射孔中，在井孔产油区所要求的位置上进行压 裂。这里由高速射流穿透井眼产油区，并产生裂缝，随后注入高压发射药燃烧气体和产 物，增大并扩展了射流形成的裂缝。 原苏联的高能气体压裂技术，主要由全苏石油矿场地球物理研究所及其他有关单位 合作进行。其室内模拟实验主要侧重于不同加载速率下的成缝研究，装药燃烧的临界直 径和h e g f 随机裂缝与理论计算的分析验证等。现场应用规模较大，仅无壳弹年施工量 2 第一章绪论 就达2 0 0 0 井次，高出水力压裂5 7 倍；处理对象包括探井，生产井和注水井。气体发 生器已系列化，规范化，施工井深达6 5 0 0 米，井温2 0 0 。此外，ro c 混合液体药压 裂技术也得到了发展，由于用药量大( 可达2 0 0 0 k g ) 和处理半径长，因此是一种极有 前途的压裂方法。 俄罗斯研究应用高能气体压裂技术始于1 9 3 0 年，压力发生器不断更新。1 9 8 6 年成 功地研究并应用于现场的氧化燃烧剂ro g 液体火药，极大地提高了高能气体压裂工艺 技术水平和增产效果。在选井、选层、设计施工、测试和效果分析等方面都具有较可靠 的理论基础和丰富的实践经验。在压裂设计方面，和水力压裂设计一样，形成了一套完 整的实践经验和理论体系，对于求解压力发生器在井下产生的压力及作用时间，裂缝几 何尺寸等参数都有相应的物理模型和数学模型，目前已有成系列化的设计软件。近年来， 高能气体压裂正朝着复合技术的方向发展。 ( 2 ) 井筒多相流研究现状 早在1 9 1 4 年，国外就已经出现对气液混合物的研究。w i n s e o n s i n 大学的 d a v i s - w e i d e 一3 j 就开始用水的密度来代替气水混合物的总密度，后来把气水混合物当成 泡沫来处理，但这种泡沫流的各种组成部分难于处理。直到1 9 5 2 年，p h i l l i p s 石油公司 的p o e t t m a n n c a r p e n t e 一”才找到一种计算地面油气水混合物质量的方法，井下的情况通 过压力和温度进行校正，由此得到了一定精度的压降预测相关式。把气液混合物当成均 相流动来处理，无法把井下油气水混合物的流动与地面油气水混合物的流动从物理本质 上区别开来，对各种流动形态也没有清楚的认识。 从1 9 6 0 1 9 8 0 年，这方面的研究工作有了较大的进展。正确描述多相流特性的物 理参数如气相折算速度、液相折算速度、空隙率、持液率的建立，各种流动形态的初步 研究和简单流动形态图的应用等，使气液混合物在流动条件下的密度得到更合理的表 达，由此推动了各种经验的和半经验的压力预测关系式的建立，其计算精度也有了较大 幅度的提高。其中有1 9 6 1 年的r o s 和1 9 6 3 年d u n s - r o s t 4 j 的压降计算方法、1 9 6 5 年 h a g e d o m b r o w n m 为发展适合于长管的流动模型、1 9 6 7 年o r k i s z e w s b 【6 】推广了 g r i f f i t h - w a u i s 的工作方法，建立了覆盖所有垂直管两相流压计算方法、1 9 7 2 年 乜i z 缅“昏f o g a r 嬲i m 在g o v i e r 等人研究的基础上从气液两相流动机理出发建立了泡状 流和段塞流压降计算方法、1 9 7 3 年b e g g s b r i u 嘲得出了持液率和沿程阻力系数的相关规 律。 1 9 8 0 年以来，由于不满足于经验和半经验关系式的可靠性，人们加强了以气泡水 动力学为特征的各种流动形态的物理机理研究，同时，计算机技术的普遍应用，促进了 流动形态识别的模型化方法的发展，从而出现了各种综r 占的机理性压力预测相关模型。 这包括1 9 8 0 年，t a i t e l - b o m e a - d u l d e r t g j 发表的垂直管内稳定向上气液流动的流型转变模 型化的文章、1 9 8 6 年h a s a n - k a b i r t 州充分采用了t a i t e l 等人在气液两相流动转变机理分 析方面的研究成果给出了各种流型下油井压力梯度的计算方法、1 9 9 4 年a r l s a r i ”1 等人把 西安石油大学硕士学位论文 近年来对流动形态中的各个单一流型的机理研究成果组合起来，形成了一套详细的综合 机理性的压降预测方法。2 0 0 1 年，k a y a t ”1 等人在总结前人成果的基础上，提出了新的 压力计算方法。这些模型与2 0 世纪六七十年代的模型相比，在综合特性方面是相当的， 甚至更好。由于工程应用中各种不确定因素的影响，还不能从精度上看出有更大的突破， 然而由于物理机制的深入研究，这些模型的应用可靠性得到了进一步的保证。 我国在多相管流压力降预测方法的研究上起步较晚。1 9 7 9 年陈家琅提出了混合物 垂直管流压降计算的阻力系数法【“，1 9 8 4 年周维四提出了一个计算自喷井井底流动压 力的统计数学模型【l q ；1 9 8 6 1 9 9 0 年韩洪升、陈家琅提出了油井内多相流动压力分布 的流动形态法【l s l 。2 0 0 0 年以后，张琪等人在水平井气液两相流方面做了很多工作椰】。 总之，这些工作的开展，使我国在多相管流的研究和应用上，缩短了与发达国家的差距， 奠定了良好的基础。 ( 3 ) 毒气泄漏扩散模型研究现状【1 9 h 3 3 高斯模型( g a u s s i a np l u m e p u f fm o d e l ) 该模型适用于点源的扩散，早在五、六十年代就己被应用。它是从统计方法入手， 考察扩散质的浓度分布。p l u m em o d e l ( 烟羽模型) 适用于连续源的扩散，p u f f m o d e l ( 烟团 模型) 适用于短时间泄漏的扩散( 即泄放时间相对于扩散时间比较短的情形，如突发性泄 放等1 。 尽管诸多假设使烟羽模型的使用受到了限制，但该模型仍被广泛应用。究其原因有 以下几点：1 ) 该模型提出较早，试验数据多，较为成熟；2 ) 模型简单，易于理解，计算 方便；3 ) 计算结果与试验值能较好吻合。 烟羽模型只适用于连续源或泄放时间大于或等于扩散时间的扩散，如果要研究瞬时 泄放( 泄放时间小于扩散时间) ，如容器突然爆炸导致其内部介质瞬时泄放出来的情况， 就应用修改的烟团模型。 高斯烟羽模型及烟团模型未考虑重力影响，所以只适用于轻气体或与空气密度相差 不多的气体的扩散。虽然高斯模型存在许多缺点，但目前美国环境保护协会e p a 所采 用的许多标准仍以高斯模型为基础而制定，并在广泛应用着。 b m ( i t li t t e ra n dm e q u a i d ) 模型 该模型由一系列重气体连续泄放和瞬时泄放的试验数据绘制成的计算图表组成。后 来h a n n a 等人对其进行了无因次处理并拟合成解析公式，发现能与b f i t t e r 和m e q u a i d 绘制的试验曲线吻合得较好。该模型具有简单易用的特点。 s u t t o n 模型 该模式是用湍流扩散统计理论来处理湍流扩散问题的。 f e m 3 模型 f e m 3 ( 3 一df i n i t ee l e m e n tm o d e l ) 模型是3 维有限元计算模型。该模型的原型是1 9 7 9 年提出的，最初是为了模拟l n g ( 液化天然气) 的突发性泄放，用该模型对l n g 的泄放 4 第一章绪论 进行了系列模拟，获得了较好的结果。近几年随着模型的不断完善，已可处理毒气及可 燃性气体等许多重气体的扩散。对4 种液化丙烷的扩散进行模拟结果还能反映出重气扩 散的趋势，只是有时计算结果与试验值会相差好几倍。 模型所用有限元解法系由伽辽金( g a l e r k i n ) 法改进而来，主要可解不定常的连续性 方程、动量方程、热量方程、扩散方程以及理想气体状态方程，它用k 理论( 梯度输运 理论) 来处理湍流，其缺点是求解特别困难。f e m 3 模型适于处理连续源泄放及有限时 间内的泄放。在处理瞬时源的泄放时，应对原模型作些修改。 综上所述，我们可以看到，随着理论研究的不断深人，各个相关学科的蓬勃发展， 必将推动各种预测方法的发展，相应的计算精度也必将得到更进一步的提高。但由于一 些方法复杂而使用不便，另一些方法考虑的因素不全，这些方法的应用均有局限性。这 些预测方法仍需深入研究，不断完善。 1 3 本文研究内容 ( 1 ) c o 现场聚集规律研究； ( 2 ) 对研究区的沉积特征、储层特征、油藏类型等进行研究，确定c o 气体生成的 地质因素； ( 3 ) 进行高能气体压裂室内实验模拟及高能气体压裂理论配方计算，确定c o 气体 生成的工程因素； ( 4 ) 建立c 0 气体井筒流动及大气扩散模型、并分析影响其流动、扩散的主要因素。 1 4 技术路线及创新点 1 4 1 技术路线 本课题将化学、地质学、热力学、流体力学、计算数学及计算机科学等基础学科和 油气田开发等专业学科有机的结合起来，对c o 气体生成、流动、扩散进行了全面的研 究，建立c o 井筒流动及矿场扩散预测模型。 a 、通过现场调研掌握c o 聚集规律； b 、运用地质学、油气田开发等理论对c o 气体生成进行地质、工程因素分析； c 、运用热力学、流体力学、油气田开发等知识建立c o 气体井筒流动及大气扩散数 学模型； d 、利用计算数学的有关原理对模型进行求解； e 、利用计算机科学编制相应的模拟软件。 5 西安石油大学硕士学位论文 1 4 2 创新点 l 、通过对研究区地质特征分析，高能气体压裂生成c o 理论及模拟实验研究，确 定c o 气体生成机制。 2 、运用热力学、流体力学、油气田开发等知识建立c o 井筒流动、大气扩散数学 模型，并对其进行求解和模拟计算。 3 、通过对c o 的研究和分析，提出现场防治c o 扩散的措施和方法。总体思路是 “两个过程，三个等级” 6 第二章高能气体压裂工艺技术 第二章高能气体压裂工艺技术 2 1 高能气体压裂技术概述 2 1 1 高能气体压裂工艺的基本原理 高能气体压裂的基本原理【1 1 就是利用火药或推进剂的燃烧，产生脉冲加载并控制压 力上升速度，使释放的大量高温高压气体作用于井壁岩石上，压开径向裂缝体系，沟通 地层喉道和天然裂缝，解除近井地带有机物堵塞，提高井筒附近地层的导流能力，从而 达到增产增注的目的。它是在爆炸压裂和聚能射孔的基础上发展起来的。施工程序是将 火药下至目的层，通过地面通电或投棒引燃，其技术关键是控制好高能气体的升压速度和 最高压力。要求这一升压速度慢于爆炸压裂而快于水力压裂，一般在1 毫秒到几百毫秒 之间；同时，限制最高压力低于地层岩石的屈服压力，一般在i o o m p a 以内。这样，就 能在井筒周围产生多条裂缝，并且无破碎压实带，从而把天然裂缝与井筒沟通，提高油 层导流能力，同时又增大了与天然裂缝沟通的机会，压裂过程中伴有压力冲击波及高温 作用，因而对近井地带被污染及各种机械杂质、结蜡堵塞的井具有很好的解堵作用，对 中低渗透层亦有明显的改造作用，能有效降低表皮系数，并相应提高渗透率，从而达到 增产增注的目的。它和爆炸压裂及水力压裂有着本质的不同。 目前国内外基本认为，高能气体压裂过程中包括以下几个方面的作用： ( 1 ) 机械作用( 生成裂缝) 高加载速率的气体压力，可形成径向多裂缝体系，解除井筒附近的污染和增加沟通 天然裂缝机会，另一方面能有效地穿透污染带，提高近井地带油层导流能力，可解除钻井、 完井、作业及正常生产过程中造成的近井地带的污染和堵塞，对中低渗透油层亦能起到 一定的改造作用。 ( 2 ) 脉冲冲击波作用 在高能气体压裂的动态过程中，压力的变化是脉冲式的逐渐衰减过程，形成的高压 把井筒内液柱举升1 0 2 5 m ；压力降低后回落，在井筒附近形成较强的水力冲击波，对 油层的机械杂质堵塞起到一定的解堵作用。对冲刷近井堵塞物和降低流体孔隙界面张力 有着积极的作用。 ( 3 ) 热效应 爆压时火药燃烧时释放出大量热量，一般能达到6 0 0 8 0 0 ，燃烧点处的气体温 度高达2 0 0 0 c ，在绝热条件下使气体温度达千度以上，而且相对集中，经与地层及流体 传热后，可以使瞬时油井温度提高数百度，处理后l 3 小时井温仍可提高2 0 5 0 0 ，这 些热量可溶解近井地带的蜡质和沥青质，解除油层孔道的堵塞，改善地层流体的物性和 7 西安石油大学硕士学位论文 流态，加快原油向井底的流动速度，提高储层的驱油效率。 ( 4 ) 化学作用 火药燃烧后产生一定量的：、c o 、：、 旧及日a 气体。n o 及h c i 溶于水生 成腐蚀性较强的酸液，对油层能起到一定程度的酸化解堵作用。 2 1 2 高能气体压裂技术的特点及应用 l 、高能气体压裂与其他解堵措施相比有突出的特点【3 4 1 ( 1 ) 选择性强。它所产生的裂缝不一定沿最小阻力路线发展，主要是水平方向，在垂直 方向扩展有限，这就为底水油帽油层改造提供了增产措施。 ( 2 ) 可压开多条不受地应力限制的径向网状裂缝，并与天然裂缝沟通，且裂缝自身的支 撑更有效，从而提高了油藏有效渗透率和井底有效半径，改善了油藏渗流条件。 ( 3 ) 无污染，不受水敏、酸敏地层的限制，h e g f 作业产生的气体能有效地清除污染。 ( 4 ) 工艺简单，实施安全，成本低廉。实施只需用电缆或油管把压裂弹送到油层点火而 已，不受场地限制，无需大型昂贵的压裂设备、车辆、压裂液、支撑剂等，也就不存在 由此而带来的一些不安全因素，且成本一般仅为水力压裂的三分之一。 2 、三种压裂方法的比较 高能气体压裂和水力压裂、爆炸压裂有着本质的不同。图2 1 是三种压裂方法的p t 过程示意图。 图2 1 三种压裂方法的p - t 过程对比图 ( 1 ) 爆炸作用在冲击波快速加载下，井筒附近形成大量短裂缝，产生破碎带，并 会造成井筒破坏。同时，会在据井5 1 0 倍弹径处形成压实带，这一带的渗透率极低， s 第二章高能气体压裂工艺技术 起了遮挡作用。 ( 2 ) 水力压裂由于加载速率低，沿垂直最小主应力方向自井筒两翼仅形成两条裂 缝。 ( 3 ) 高能气体压裂为动态压裂过程，在适当加载速率下，可形成3 8 条径向垂直 裂缝有穿透污染带和增加沟通天然微裂缝的可能性，为增产提供了新的手段。表2 1 是三种压裂方法主要参数的比较。 表2 1 三种压裂方法主要参数比较 、对比项 压裂方痉 p 僵伸at s t m p a s 1 总过程时间s 爆炸压裂 1 0 41 0 一7 1 0 81 矿 h e f g1 0 21 0 31 0 2 1 0 6l o _ 2 1 0 水力压裂 1 0 1 0 1 1o - 1 1 0 4 3 、高能气体压裂技术的应用嗍 高能气体压裂技术虽有其显著的优越性，但就目前国内外的研究水平来看，高能气 体压裂的燃气能量及所形成的裂缝规模还远不及水力压裂，加之该技术在应用中的许多 方面还处在工业性试验研究阶段，为了提高其成功率和压裂效果，因此必须根据本地区 的实际情况来进行实施。 ( 1 ) 对于地层物性差、可流动空间小，且存在天然裂缝的油田，采用高能气体压裂在 近井地带进行预处理，形成近井地带的网状裂缝，减小井筒附近地层的油流阻力，然后 进行水力压裂，可以有效提高产能。由于高能气体压裂能产生远远高于地层破裂压力的 燃气压力，对水力压裂存在地层破裂压力过高或压不开的致密油层预处理，能有效降低 破裂压力。 ( 2 ) 高能气体压裂适合中、高渗侏罗系油层解堵。侏罗系油层物性较好，原始地层压 力较低，这样造成钻井过程污染也相应增加，采用常规射孔和复合射孔，如果不和水力 压裂配合，则仅能消除井底附近污染，不能突破各种作业形成的污染带时，就会出现干 层或低产层。而高能气体压裂产生的多条径向裂缝可更有效地穿透污染带，降低表皮系 数，且h e g f 的工作介质是处于高温、高压下的h ，、n o 、n 0 2 、c o 、c 0 2 、h c i 和 水蒸汽，这些热气体可清除近井地带的沥青质、蜡质和其它机械杂质的堵塞，同时一些 热气体在高压下可与原油混相，使其粘度下降，从而更有效地消除伤害，恢复产能。高 能气体压裂适用于侏罗系底水油帽油层的解堵。底水油帽油层试油时，增油控水是其关 键所在，但往往是小规模解堵措施无效，而压裂改造措施往往会引起底水上窜，这一直 是试油技术上的一个难点。高能气体压裂的一个突出特点就是选择性强，邻近油水界面 而不压窜，适应于底水油帽油层。 9 西安石油大学硕士学位论文 ( 3 ) 对于勘探井，尤其是一些老探井，地层原始物性较好，由于钻井泥浆和固井水泥 等污染严重，虽取芯显示、测井综合解释都较好，但射孔后出油气较差或根本不出油的 井，利用高能气体压裂可清除污染，迅速获得试采评价结果。 ( 4 ) 由于对水敏地层进行水力压裂、酸敏地层进行酸化处理，不但达不到增产的目的， 相反会因其工作介质与地层岩石发生各种物理化学反应而堵塞地层孔隙，使油气井产量 下降。而高能气体压裂则不会产生这些负作用。 ( 5 ) 高能气体压裂是一个动态过程，在一定加载速率冲击载荷作用下，形成的多条径 向裂缝不受地应力的影响，具有一定的随机性，从而极大地增加了与受地应力控制的天 然微裂缝沟通的可能性。而且所形成裂缝延伸长度远远小于水力压裂所形成裂缝长度， 因此适用于天然裂缝发育，水力压裂容易压窜的井。 ( 6 ) 对初期能注进水，但因水质差吸水指数递减较快的井或层、吸水指数低，达不到 配注要求的井或层和根本注不进水的井或层都可优先采用高能气体压裂改造，一方面可 消除近井地带的堵塞污染，另一方面，产生的径向多裂缝体系改善了注水驱替前缘，使 其达到配注要求，从而增强油气藏整体开发及注水驱油的效果，而且费用会远远小于其 它措施。 ( 7 ) 高能气体压裂成本低、施工简便、不受道路、水源及井场等条件限制，因此对于 像陕北丘岭地带及塔里木这样的特殊油气田，高能气体压裂技术不失为一有效的增产新 工艺。 ( 8 ) 对于深井与超深井，由于地层破裂压力高，水力压裂难以压开。因此高能气体压 裂可作为深井与超深井水力压裂的预处理措施。 2 1 3 影响高能气体压裂效果的主要因素 1 、储层物性的影响 一般来说，物性好，压裂效果就好。高能气体压裂对特低孔渗储层油层改造效果相 对较差。但储层孔渗性太好时，由于地层对高能气体压裂的能量吸收太快，压力很难上 升到使储层起裂的峰值压力，达不到改造目的，影响爆燃压裂效果。 2 、射孔方式的影响 ( 1 ) 压档控制 深穿透负压射孔与高能气体压裂的互补使用，可最大程度恢复油层产能，对于储层 物性相对较好，地层压力较低，常规射孔后，高能气体压裂是在井内静水柱压力远大于 油层静压时作业，其结果必然对油层产生两种伤害，一是射孔产生的岩石碎屑物被压入 扩散到一定范围的地层孔隙中：二是在正压差下压井液更深一步倒灌入地层，会引起地 层中粘土矿物的膨胀，降低油层孔隙和渗透率。同时虽然压档与压力的对数成正比关系， 即压档越大，峰值压力就越大，形成的裂缝就越深，但由于套管承受的压力有限，施工 1 0 第二章高能气体压裂工艺技术 的安全性也应考虑，必须控制压档的高度，一方面最大程度地发挥高能气体压裂的效果， 另一方面又不使套管受损。 ( 2 ) 射孔弹型的选择 射开油层时，不但要求将井身套管和水泥环射穿，还要突破钻井、固井等作业形成 的污染带，射孔弹的选择以穿透深度大为原则。试验和现场应用的资料表明，高能气体 压裂井射孔孔密不得小于1 3h m ，且孔径越大越能发挥高能气体压裂的作用，既可避免 能量消耗在套管上，又可保护套管不受损伤。 ( 3 ) 高能气体压裂井爆燃药量的选择 爆燃药量的不同是影响高能气体压裂的效果最直接的因素，药量过小，达不到改造 储层目的，药量过大，又会使改造强度过大引起底水上窜，或造成套管损坏和浪费。根 据h e g f 的现场实践经验和试油结果，爆燃药量主要由储层物性和射孔厚度的大小决定， 物性越好，所需改造强度越小，爆燃药量就越少，反之亦然。 2 2 现用高能气体压裂工艺技术i ，s h 3 e 2 2 1 裸眼井用爆燃压裂弹( 裸眼弹) 在室内外模拟及野外巨石成缝压裂试验的基础上，根据火炸药聚能效应原理研制出 三段装药爆燃气体发生器( 简称压裂弹) ，于1 9 8 6 年3 月在延长七里村油矿1 0 3 8 井上， 进行了国内首次h e g f 试验获得成功，压裂弹中段为t n t r x d 柱状炸药5 k g ，两端为 双芳3 火药共7 5 k g ，旌工后井径测试显示：对应炸药段处井径仅扩大9 6 m m ，增产效果 显著。在施工的1 2 4 口井中成功率8 7 8 ，其中增产效果明显、持续时间较长的占5 0 0 。 同时，还开发研制出井下定时起爆器和简易压力一时间测试仪。 2 2 2 有壳弹压裂技术 采用活塞式轴向限压平衡喷射、泄气管径向集中泄气多级联装结构，可根据不同井 况采用多级同步引燃压裂或活塞自击逐级延时燃烧压裂，亦可采用不密封药柱的热引燃 式压裂。已先后在大庆、辽河、塔里木等油田施工7 0 余井次，累计增油逾1 6 0 0 0 t , 最大 井深5 5 0 0 m ，创有壳弹国内并深之最。 2 2 3 无壳弹压裂技术 无壳弹是一种新型h e g f 专利器材，具有装药强度( ( k g m ) 和装药量大；整弹重量 轻；药柱及所用器材可装箱发运，便于油田大面积推广应用；现场组装简便、省力、快 捷等优点，应用前景十分广阔。先后研制成中心管大直径，中心管过油管和热引燃式无 壳弹三个系列共1 4 个品种。已在大庆、胜利、辽河等十多个油田施工百余井次，成功 西安石油大学硕士学位论文 率9 5 ，有效率7 0 ，累计增油超过2 万吨，最大井深6 0 2 0 m ，创国内井深之最。 2 2 4 液体药压裂技术 由燃烧剂、氧化剂和溶剂按比例混合而成的液体药，是一种更为新型有效的h e g f 能源。有成本低、原料广、药量大、燃时长等优点，其冲击和摩擦感度、静电和压力感 度均较固体药安全。在完成包括配方计算、点火试验、燃烧性能研究、隔离液配制和工 艺安全的基础上，于1 9 9 2 年在吉林油田进行国内首次试验，用药量8 0 0 k g ，多种方法 测试证明点燃成功。 近年来，高能气体压裂正朝着复合技术的方向发展。 2 2 5 射孔- - h e g f 复合技术 高能气体压裂与射孔复合技术是一项射孔与高能气体压裂相结合的增加油气产量的 新技术。其设计原理是：在射孔弹架内装填钝感发射药团，把带有射孔弹和弹架装入到 射孔弹的枪身里，采用油管起下工艺将工具下到油气井目的层位，投棒引爆火帽、火帽 引爆导爆索，导爆索引爆连接在导爆索上的射孔弹，射孔弹穿透枪身及目的层套管，在 油气层部位形成射孔孔眼，延迟燃烧的枪身内的发射药燃烧产生的高温高压气体通过射 孔孔眼冲刷，加大加深射孔，孔深可达l 2 米，迅速聚集的高压气体在射孔孔眼前沿形 成多条裂缝，裂缝范围可达1 2 米，较单独射孔和单一高能气体压裂的疏通半径都大， 增加油气产量更加有效。该工艺具有能量利用充分、高能射流作用强、施土简化、成本 降低等优点，已在延长油矿取得比较好的地质效果，应用前景较单一的h e g f 更为广阔。 该技术最早是1 9 8 3 年由美国人f r a n k i n c f o r d 通过专利形式提出的一项油气井增产措施 的设想，西安石油学院高能气体压裂技术中心从1 9 9 5 年元月开始此项技术的研究工作。 1 9 9 6 年1 0 月2 4 日在辽河油田静4 2 6 4 井下井试验成功，现已在辽河、长庆、华北等油 田共进行了十多井次的现场试验，取得了良好的地质效果。 高能气体压裂与射孔复合的另外一个技术是超正压射孔技术。超正压射孔技术( 简 称e o p ) 是采用井眼压力远高于使地层产生裂缝所需要的压力( 即岩层破裂压力) 的条件 下进行射孔，是国际上刚兴起的一项新的油气层改造技术，是射孔领域的前沿技术。其 作用原理主要是将射孔枪下至目的层深度，射孔枪身底部连接无壳弹，通过引爆转换结 构先引燃无壳弹，无壳弹燃烧形成超正压射孔需要的超正压，然后进行射孔，这样射孔 的目的是减小射孔弹射流通过环空的摩阻( 液体换成气体) ，就使射孔弹射击得更远更 深。射孔后，环空的高压继续对地层施压，由于在气体形成最大压力点前没有从射孔孔 眼处泄漏，所以在射孔的同时用高能气体压裂地层是一种高效的一次性作业技术。 1 2 第二章高能气体压裂工艺技术 2 2 6 高能气体压裂与水力压裂及酸化复合技术 油气井在开发生产的后期要进行水力压裂或酸化处理，现在有几个油田已成功地把 高能气体压裂与水力压裂，高能气体压裂与酸化处理结合在一起，并取得了良好的地质 效果。 西安石油学院与塔里木油田合作在塔里木油田大宛1 0 1 ( 目的层位2 5 8 5 2 5 9 0 m ) 进行 了高能气体压裂与水力压裂复合技术作用，该层位破裂压力7 5 m p a ，压力梯度为0 0 2 9 m p a ，而此井先进行高能气体压裂，实测峰值压力为8m p a ，尔后进行水力压裂，破裂 压力降至3 5m p a ，高能气体压裂与水力压裂相复合，大大降低了水力压裂的破裂压力。 高能气体压裂与酸化处理复合技术，高能气体压裂与化学解堵处理复合，其工艺简便易 行，即采用油管起下工艺，把无壳弹下到目的层位，投棒撞击火帽进行高能气体压裂， 不起管柱从油管顶部( 地面) 往目的层挤酸，酸液通过撞击起爆器上的筛孔或泄沙孔，流 入油层部位。由于高能气体压裂在目的层位压开多条径向裂缝( 缝长径向可达2 8 m ) 酸 液可渗入油层径向范围比单一的酸化或化学解堵剂效果要好的多。此项技术在辽河油田 沈阳采油厂、四川石油管理局川西南矿、川南矿都进行了相当规模的推广特别是四川 石油管理局的气井，大多是灰岩地层、破裂压力高、天然裂缝不规范采用无壳弹高能 体压裂与酸化复合技术，取得了公认的比单一酸化效果要好得多的地质效果。 2 2 7 袖套式射孔压裂复合技术 该技术系在射孔枪身外套一个推进剂袖套，射孔弹在井下目的层射孔时，引燃推进 剂袖套，推进剂袖套在目的层套管内燃烧形成的高压，对地层实施压裂并形成多条径