（油气田开发工程专业论文）高能气体压裂Pt理论数学模型研究.pdf

英文摘要 s u b j i c t ：t h es t u d yo fp tt h e o r ym a t h e m a t i c sm o d e lo ft h eh i g he n e r g yg a sf r a c t u r e s p e c i a l i t y ：t h ee n g i n e e r i n g o ft h eo i la n dg a sf i e l dd e v e l o p m e n t n a m e ：z h o us h a ow e i ( s i g n a t u r e ) 丛盟墨& 丝幽 i n s t r u c t o r ：p uc h u ns h e n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c i t h eo i la n dg a sz o n ei sf r a c t u r e db yt h eg a so ft h er o c k e tp r o p e l l a n ti nh i g he n e r g yg a s f r a c t u r e ( h e g f ) ，b e c a u s es o m ek e yt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ea l w a y sc o n t r o l l e di m p r o p e r l yo n t h es p o t ，t h eo i lo rg a sw e l lc a l lb ed e s t r o y e d ，o rt h ep r o d u c t i o no fo i lo rg a sw e l l sc a nn o tb e i n c r e a s e d b e c a u s eo ft h i s ，i no r d e rt og u a r a n t e et h et h a ta n t i c i p a t e dr e s u l ta n dr e c e i v e i m p l e m e n t a t i o ns e c u r i t y ，t h e s t r i c tr u l e sm u s tb ef o l l o w e dw h i l e i m p l e m e n t a t i n g t h e t e c h n o l o g y ，t h ec r a f tp a r a m e t e r sm u s tb eo p t i m i z a t e d t h ep - tm a t h e m a t i c sm o d e lo fh e g fc a np r e d i c tt h ep e a kp r e s u r e ，t h et i m eo fp r e s u r e r i s i n g ，p r e s s u r ed u r a t i o nt i m ea n dt h ee x t e n d i n gl e n g t ho fc r a c k ，n o to n l yt h ed a m a g e dp r o b l e m o fg a sw e l lo fo i lc a nb es o l v e db yt h i sm o d e l ，b u ta l s ot h ef r a c t u r er e s u l tc a nb eo p t i m i z e d c o m b i n i n gr o c km e c h a n i c s ，f r a c t u r em e c h a n i c s ，g u n p o w d e rt h e o r i e s ，t h i sp a p e rb e g a i n sf r o m t h ep r e s s u r ea n dt i m er e l a t i o n s h i p so ft h eg a sa n dt h ec r a c ks p r e a d i n gm e c h a n i s m ，t h eb a l a n c e d p r i n c i p l eo fe n e r g yi su s e dt od e r i v et h ep - tr e l a t i o n s h i p b a s e do nt h e s ew o r k s ，t h em a t h e m a t i c s m o d e lo ft i m ea n d p r e s s u r ea tt r a n s i e n ts t a t ei se s t a b l i s h e d ，t h ep r o p a g a t ec o u r s eo ft h ep r e s s u r e a n dt h ee x t e n dm e c h a n i s mo ft h ec r a c ka r ea n a l y s db yt h i st h e o r y t h ei m p o r t a n tr e l e v a n t p a r a m e t es u c ha s t h ea m o u n to fp o w d e rc h a r g e ，p e a l 【p r e s s u r e ，a n dt h el e n g t ho fc r a c k e x t e n d i n gc a r lb eo b s t a i n e dt h r o u g hc a l c u l a t i n g c o m p a r r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l tw i t l lt h e s u r v e yr e s u l t ，t h ee r r o ri sl e s st h a n10 t h eh e g fp a r a m e t e r so f5 6 1w e l lo fs i c h u a na r e d e s i g n e db yt h i ss o f t w a r e ，a f t e rf r a c t u r i n g ，t h ep r o d u c t i o ni s i n c r e a s e dr e m a r k a b l l y s ot h e a m o u n to fp o w d e ra n dt h el e n g t ho fc r a c k se x t e n d i n go fh e g fc a nb ee f f e c t i v ec o n t r o l l e da n d o p t i m i z a t e db yt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp - tw h i c hh a sb e t t e rg u i d a n c e o nt h et e c h n o l o g i c a l d e s i g na n da p p l i c a t i o n si nt h es c e n eo f h e g f k e yw o r d s ：h e g f ；t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；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 fw e s t e me 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 ya c t i o ni t e m 。- “h i 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 e s o u r c es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tg o r d i a nt e c h n i q u ei n v e s t i g a t i o no f e x t r e m e l yl o wp e r m e a b i l i t yo i lf i e l do f s h a n g a n - n i n gb a s i n ( 2 0 0 5 b a 9 0 l a l 3 ) i i i 主要符号表 4 一余容，咖- 3 姆； d 一为套管内径，c m ； 主要符号表 c 一声速，m l s ； d o 一压裂弹外径，c m ； d 孔一射孔孔径，c m ； j 套管内径，m ； 岛一火药燃烧后产生的有效能量，k , l ； e 一岩石弹性模量，g p a ； e 一为火药厚度，c m ；厂一火药力，圳堙； 日一为压裂弹长，c m 3 ； 七一绝热指数； 一裂缝半长，m ； t 一最大高压气区长度，m ； m 一为装药量，姆； m 一火药质量燃速，g s c m 2 ： m 2 一火药燃烧损失后的质量，堙； 刀一压井液汽化热，s k g ： 朋一为单位时间内火药燃烧产物的生成量，；昱一有效燃气作用压力，m p 口； 最一为燃烧掉m 火药产生的燃气压力，m p a ；忍一井内液柱压力，m p a ； 见一井筒压力，m p 口；p l 一压裂前的燃气压力，m p a ； p 一压裂后的燃气压力，m p a ；r 一表示火药燃烧的气体常数； 疋套管内截面积，c m 2 ； & 一火药初始燃烧面，c m h 一地层温度，x ；气套管内外壁的温度，x ： 毛一井筒内液体温度，k ；一套管内外壁的温度，k ； 五一定容燃烧温度，k ； 丁平壁两边的温度差，k ； i 燃气温度，k ； f 一为火药燃烧时间，s ； 一动力粘度，姆( 掰s ) ； y 裂缝传播速度，所s ； y 一液柱移动速度，嘭； w 一为燃烧m 火药时产生的燃气体积，c m 3 ； v l 一燃烧掉的无壳弹体积，c m 3 ： v 一汽化液体体积，c m 3 ； v i 主要符号表 v ，一为流体运动粘度， 巧一燃气的空气体积，m 3 p - - 栅m 质量火药下等效井底火药装填密度，g c m 3 ；6 平壁厚度，c m ； j r 一为火药燃烧速度，c m s ；风一井筒内压井液密度，g c m 3 ； 入一物体材料的导热系数，w ( m k ) ： 口，、a 2 一换热系数，w ( m 七) ； 6 一套管壁厚，米； n u y 一努谢尔特数； 以为气体密度，后g m ，； a 一火药余容，d m 旬瞎； p 。一火药燃烧系数； v i i 入一导热系数，w ( m k ) ； 入，一为导热系数，w ( m k ) ； p 一等效火药装填密度，g c m 3 ； p 一岩石密度，k n m 3 ； y 一压力指数； 学位论文创新性声明 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：i 盈鱼车 日期：啦：兰： 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，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。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：l 目生盛 导师签名： 日期：2 弼 日期： 2 趟二一l 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 研究的目的及意义 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( h e g f ) 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( 简称爆燃压裂) 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、射孔和各种措旌造成的污染和堵塞，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，目前已广泛应用于低渗透 油田的新井投产和注水井后期改造，并经过这些年多方面的改进，此项技术在工艺方面 已趋于成熟。但是对于高能气体压裂中一些相关关键参数的设计和有效控制方面，例如 装药量，峰值压力，有效作用时间和裂缝延伸长度等等，还有待于继续研究发展。在现 场施工中往往因对其相关关键参数的设计不够准确，导致套管破裂或者地层损害，不能 达到理想的压裂效果，对油田造成严重的经济损失。基于此，通过结合国内外研究现状， 在先前研究高能气体压裂数理模型的基础上，运用岩石力学、断裂力学和火药学的相关 理论知识，建立一种新的高能气体压裂p t 理论数学模型。 由于井下的实际情况千差万别，高能气体压裂又是在瞬间完成，该过程非常复杂。 因此，在满足一定的假定条件下，本文以火药燃烧定律、能量守恒原理为依据，考虑更 多的能量损失因素，建立高能气体压裂尸一f 理论数学模型，然后编制成计算软件。通过 编程计算与实测数据进行对比来评价模型的可实用性，此项工作的完成为高能气体压裂 工艺参数设计提供有力的参考依据，对合理、有效的开发陕甘宁盆地低渗透油气田具有 重要的价值作用。 1 2 国内外现状 1 2 1 高能气体压裂技术 l 高能气体压裂基本原理 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与井壁岩石上，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 两安石油大学硕十学位论文 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1 0 0 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 米；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n 6 0 0 - - 8 0 0 ，燃烧点处的气体温度 高达2 0 0 0 ，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1 3 小时井温仍可提高2 0 - - , 5 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 0 2 、c o 、n ，、n o 及h c i 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 高能气体压裂的特点及应用 a 高能气体压裂与其他解堵措施相比有突出的特点口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。 第一章绪论 ( 3 ) 无污染，不受水敏、酸敏地层的限制，高能气体压裂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。 b 三种压裂方法的比较口】 高能气体压裂和水力压裂、爆炸压裂有着本质的不同。图i - i 是三种压裂方法的尸一f 过程示意图。 图i - i 三种压裂方法的户一，过程对比图 ( 1 ) 爆炸压裂。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， 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l 一1 是三种压裂方法主要参数的比较。 表1 1 三种压裂方法主要参数比较 淤 峰压肝a缝长m升压时间s 加载速率总过程时 压裂方法 m p a s 一1 间s 爆炸压裂 1 0 4l o l o - 11 0 一7 1 0 81 0 6 艇f g1 0 2i 01 0 41 0 2 1 0 61 0 一1 0 水力压裂 l o 1 0 1 0 2 i 0 1 i 0 1 1 0 4 3 影响高能气体压裂效果的因素 a 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，影响高能气体压裂效果。 b 射孔方式的影响 3 西安石油大学硕f ：学位论文 ( 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 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，不但要求将井身套篇：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 3 孑l 米，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 据高能气体压裂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。 4 高能气体压裂技术发展现状 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盯3 ，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，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，取得了良好的地质效果。 国外高能气体压裂技术工艺要比国内研究早得多哺3 ，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 一- 4 第一章绪论 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，又在燃烧及尸一，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，内华达试验室，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 - 一8 0 年代以来，陆续在现场进行 了4 0 0 0 多口井的高能气体压裂施工，最大井深达4 2 6 8 米瞄一。 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f 晦界直 径和高能气体压裂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，r o 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r o c 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 两安石油大学硕 = 学位论文 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呻3 。 5 高能气体压裂工艺状况哺1 ( 1 ) 裸眼井用高能气体压裂弹( 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， 进行了国内首次高能气体压裂试验获得成功，压裂弹中段为t n t r x d 柱状炸药5 k g ，两 端为双芳一3 火药共7 5 k g ，施工后井径测试显示：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 。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 ) 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 ，创有壳弹国内井深之最。 ( 3 ) 无壳弹压裂技术 无壳弹是一种新型高能气体压裂专利器材，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。己在大庆、胜利、辽河等十多个油田施工百余井次，成功 一率9 5 ，有效率7 0 ，累计增油超过2 万吨，最大井深6 0 2 0 米，创国内井深之最。 ( 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高能气 体压裂能源。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。 1 近年来，高能气体压裂正朝着复合技术的方向发展。 ( 5 ) 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 一- 2 5 9 0 米) 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 5m p a ，压力梯度为 6 第一章绪论 0 0 2 9m p a ，而此并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 5 m 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 米) 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 能气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。 ( 6 ) 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向 裂缝，达到射孔压裂同时完成的目的。其作用原理是：将该装置通过油管( 或电缆) 输送到 目的层，投棒( 或通电) 起爆，首先引爆射孔弹，射孔弹引爆后，产生很强的金属流、穿过枪 管、袖套药柱、套管进入地层。在穿过袖套药柱的同时，射孔弹产生的金属热粒子引燃 围绕在枪身上的推进剂药柱，药柱燃烧产生大量的高温高压气体进入地层，对孔眼产生较 强的冲刷，对地层产生压裂，并产生径向多条裂缝。由于处理井壁污染半径大，增产增注效 果更加明显。其特点是：简化了工艺( 射孔压裂同时完成) ，降低了成本，提高了综合处 理效果。与现有的深穿透复合射孔技术相比，发射药装药量得到了明显的增加。深穿透 复合射孔技术，装药量为1 5 1 8 堙所，袖套式射孔压裂复合装置，装药量可达 11 堙m ，是深穿透复合射孔技术装药量的7 8 倍。与现有的射孔一高能气体射孔压裂 复合射孔技术比较：后一种工艺系在射孔枪身下悬挂数节无壳弹，射孔同时引燃无壳弹， 使射孔压裂一次完成。但因高压气体产生在射孔层段的下部，压裂效果受到一定影响， 射孔枪身与无壳弹接在一起，枪身加长，使下井工艺遇到定困难。 ( 7 ) 与注入过氧化氢结合的高能气体压裂技术 该技术是使含有稳定剂的过氧化氢( h ，0 2 ) 进入高能气体压裂形成的径向裂缝中， 当稳定地与支撑剂或地层中的金属或金属离子发生反应时，日，d 便开始分解，产生足 够的气体压力并进一步扩展裂缝，为了使日，d ，在缺少金属或金属化合物的地层中能够 分解，可以使用与金属相混合的支撑剂，除此之外，还可以在固体推进剂的外面用金属 化合物进行涂覆。 在1 9 9 8 年之前，高能气体压裂属于单级压裂阶段。这时使用的是兵器工业部2 0 4 所、航天部4 2 所提供的压裂弹，特点是用同规格、同燃速的单节压裂弹组成压裂整弹， 一次下井，同时燃烧，产生一次能量冲击，只有一次压裂过程。长期以来的现场实践和 试验表明，高能气体压裂作业时单纯的次能量冲击起到的压裂和解堵效果往往不能达 西安石油大学硕 ：学位论文 到预期的目的。为了提高高能气体压裂的压裂效果，1 9 9 8 年人们开始逐步加大压裂弹 的用量，以扩大裂缝的长度，加大吞吐程度。但压裂弹过多时会产生很高的峰值压力， 能引起压穿底水和套管变形，造成井下事故，同时，加大压裂弹的用量后，对固井质量 的要求也大大提高。这种做法很快被证明是不可取的。借鉴火箭的多级推动原理，从改 变压裂弹的性能出发，研制多种燃速、多种规格的压裂弹，采用多级点火的方法，控制 燃烧过程，改善压裂解堵效果。采用这种方法后，高能气体压裂整体效果得到了很大提 高。长庆油田应用这种工艺的井，平均单井日产油量由1 9 9 7 年的不足8 脚3 提高到了2 0 0 0 年的3 2 6 删3 ，单井最高产油量也由1 9 9 7 年的不足5 2 m 3 提高到了1 2 0 m 3 。虽然多级可 控高能气体压裂取得了很大的效果，但是多级可控高能气体压裂也存在弹体错位、弹体 组合难度大、压裂弹的用药量较少和不能用于浅井施工的问题，限制了它的进一步推广。 2 0 0 0 年至今，对高能气体压裂进行全面改进，开发出了双级高能气体压裂技术、新型电 缆传输高能气体压裂定位技术和全面改进高能气体压裂引爆装置。这些技术的开发使高 能气体压裂工艺技术趋于完善成熟。 然而，国内高能气体压裂工艺在浅并中施工增产效果较好，但对于大于3 0 0 0 米深 井还具有一定的局限性。目前，国内高能气体压裂技术存在的主要问题是对套管的安全 保护缺少科学依据，压力发生器在井下的作用时间短，裂缝设计及效果分析等有关问题 仍需继续努力攻关。 1 2 2 高能气体压裂数理模型状况 ( 1 ) 高能气体压裂参数分析及数学模型n 叫 高能气体压裂技术是在井筒中利用快速燃烧化学物质压裂井壁附近的地层以达到增 产增注的效果。这项技术已被用于上千口井，现在每年还有几百口井被使用。对于高能 气体压裂技术，一项至为关键的方面是能够有效的控制高能气体产生的压力脉冲。为了 能够较清楚的理解高能气体压裂的机理，在1 9 8 0 年，美国桑迪亚自然实验室进行了一系 列室内实验和室外实验，在同一时期，n i l s o n 和s c h a l t z 也发表了他们各自在高能气体 压裂实验方面的一些结论。 为了能够更好的运用高能气体压裂技术，发展高能气体压裂理论模型去指导设计高 能气体压裂施工是非常重要的。为了设计指导高能气体压裂，还需： 建立理论模型，在设计高能气体压裂中预测燃气脉冲压力； 深化模型并且预测多级脉冲压裂的压裂增产效果； 建立高能气体压裂基本原理； 研究高能气体压裂中敏感性设计参数。 高能气体压裂的整个过程通常在不到一秒的时间内完成，由于火药燃气的可压缩性 和压裂过程的强烈动态性，井筒以及裂缝中各点处的压力均不相同，并随着时间快速变 8 第一章绪论 化，理论分析非常复杂。为了使问题简化便于分析，需采取一定的假设条件。d a v i dw y a n g 建立高能气体压裂数学模型其假设条件如下： 裂缝的数目和高度是已知的： 裂缝的起始和延伸是由气体压力驱动的，不考虑动应力波的作用； 所有裂缝具有相同的高度和渗透率，裂缝的形态是长方形的，在裂缝延伸期间， 裂缝的高度和方位不发生变化； 流体通过裂缝泄流满足达西定律； 井筒内施工段各点压力均相等； 裂缝尖端处的压力等于地层裂缝延伸压力； 在裂缝延伸过程中，气体与地层的热交换甚微，可以忽略不计； 在整个压裂过程中没有相态改变。 在满足假设条件下，d a v i dw y a n g 结合工程流体力学、空气动力学等相关基础知识 建立瞬态井筒压力模型、火药燃烧模型、井筒流体压缩流动模型、流体通过射孔孔眼泄 流模型和裂缝形态和延伸模型。分析了高能气体压裂的破岩机理；分析了高能气体压裂 设计中，裂缝形态和裂缝数目对峰压的影响，为高能气体压裂设计中产生的裂缝数目、 缝宽和缝长提供了定量的参考依据。 ( 2 ) 油气井增产措施中气体驱动裂缝延伸模型n 气体驱动裂缝延伸模型是由l p e t i t j e a n 和b c o u e t 建立，该模型能够描述气体或液 体驱动裂缝延伸。能够运用于井筒压力远高于地层压力，导致裂缝的高速延伸和井筒内 液体在裂缝中扰动的情况。作者提出了测试结果，证明解析解和数值解是可行的。最终， 作者把自身的模型运用于模拟现场动态压裂实验中，并且和气体或者液体压裂结果进行 了对照。 该文章提出裂缝延伸模型在以下的假设条件下： 假设地层为高孔隙压力的均质地层； 假设液体和气体为不可压缩流体； 裂缝的起始状态和裂缝的数目为一个输入的结果； 裂缝延伸过程中地层压力为拟稳定状态； 该模型基于线弹性破裂理论； 相对于压力波传播速度裂缝传播速度很小； 假定非弹性区被限定在裂缝尖端很小的范围内或者有时在井壁附近地区； 假定裂缝的几何形态为二维的。 该文章运用动量守恒定律、本构方程建立裂缝延伸数值模型，运用该模型去模拟现 场动态压裂情况，和实测气体或流体驱动压裂进行对照表明：裂缝的延伸速度是非常重 要，因为裂缝的延伸速度牵涉到产生峰值压力随裂缝延伸的压力衰减速度。压力的衰减 时间和现场定性测试结果保持一致；结果还表明，因为存在着较低的渗流滤失，当高能 9 西安石油大学硕士学位论文 高压气体冲击流体进入裂缝期间，裂缝的传播速度是非常高，并且流体在裂缝中存在着 很高的扰动作用。 ( 3 ) 高能气体压裂数理模型u 羽 该文章在国、内外文献及大量试验的基础上，对高能气体压裂机理进行了比较系统 的分析研究，提出了一个与高能气体压裂过程非常相似的数理模型一活塞移动模型。 该模型的基本假定条件： 视气体在裂缝中的流动为一维的； 裂缝的横截面积为常量； 视高能气体维完全气体； 气体在缝内流动时存在着三种能量损失，即摩擦、渗漏和热传导。 根据以上假设，从质量守恒定律、动量定理及能量守恒定律出发推倒出裂缝内高能气 体的非等墒不定常流动的基本方程。结合高能气体压裂的特殊边界条件和初始条件可以 得到尸一t 曲线以及尸一，、甜一x 及z ，一t 曲线族，由此对高能气体压裂的动态特性有个全 面的了解，从而可以改进装药设计、调整峰值压力、优化各参数的关系。 ( 4 ) 用高能气体压裂模型研究裂缝条数n 3 3 该模型采用火药燃烧规律方程、考虑了压缩性和水力阻力的井内流体运动方程、孔 眼节流方程、驱替液体进入地层和火药气流入随之形成并延伸的裂缝的方程等组成的微 分方程组来模拟压裂弹在井内的工作过程，计算可得不同地质条件、不同药量所压出的 裂缝长度和宽度随时间变化的规律，从而求出裂缝生长速度。根据裂缝尖端生长速度不 能超过该岩石传播横波速度的一半来确定裂缝条数。 ( 5 ) 高能气体压裂裂缝尺寸计算模型嘲 该模型在假设裂缝为垂直缝，缝高为常数的条件下，运用材料力学和渗流力学基础 理论知识，结合火药燃烧定律建立了高能气体压裂裂缝几何尺寸计算方法。 ( 6 ) 高能气体压裂最佳装药量及峰压设计计算模型n 印 该模型是将气体发生器中火药气体作为体系，把压井液、套管与地层等作为外界， 根据热力学第一定律，建立了高能气体压裂装药量与压力关系的数学计算模型。 ( 7 ) 高能气体压裂径向多裂缝延伸数值模拟方法 由于高能气体压裂工作介质的可压缩性，裂缝延伸分析中包括着不可分割的三部分： 火药燃烧分析、裂缝延伸分析和气体流动分析。该模型使用以下假设条件： 。一一 地质为均质、各向同性的弹性体，而且裂缝段符合平面应变的条件； 裂缝数目事先已知； 气体延裂缝长度方向流动，且总是充满裂缝空间； 气体与地层的热交换忽略不计。 。该模型运用火药学、岩石力学、空气动力学等相关理论知识建立，数值计算方法采 用边界元理论中的位移不连续法。 l o 第一章绪论 ( 8 ) 高能气体压裂火药燃烧及射孔泄流规律n 7 1 该模型基于火药平行层燃烧规律及泄气条件对密闭容器压力公式进行修正，用因此 分析法导出了泄流规律的形式，并将火药燃烧与孔眼泄流结合起来逐步计算瞬时压力过 程。通过对数值计算结果的分析讨论，为高能气体压裂的装药设计提供理论依据。 1 3 本文研究内容 ( 1 ) 建立高能气体压裂p f 理论数学模型； ( 2 ) 高能气体压裂相关关键技术参数确定及选择； ( 3 ) 编制高能气体压裂p f 模型计算软件。 ( 4 ) 分析高能气体压裂p t 数学模型结果输出及实例应用研究。 1 4 技术路线及创新点 1 4 1 技术路线 本课题将火药学、传热学、岩石断裂力学、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，利用能量平衡原理对火药燃烧过程以及产生燃气 压力作用过程进行了全面的分析研究，建立高能气体压裂p 一，数学模型。 ， a 利用火药学、火药物理化学性能、岩石断裂力学等学科知识，结合高能气体压裂现 场实际应用情况对高能气体压裂相关关键参数进行优选确定。 b 、假设压裂过程服从理想气体的绝热等墒过程，在火药燃烧完和地层压开后满足理 想气体的状态方程；计算高能气体压裂中相关能量损失；建立高能气体压裂p t 数学模 型。 d 、利用计算机科学编制相应的模拟计算软件。 1 4 2 创新点 以能量平衡原理为基础，结合火药学、断裂力学、岩石力学等相关理论知识，提出 建立高能气体压裂从火药开始燃烧到裂缝止裂整个过程的压力时间理论数学模型，从 而确定出高能气体压裂的最佳火药量、峰值压力；并且对高能气体压裂裂缝传播机理及 延伸长度进行初探研究。 两安石油大学硕七学位论文 第二章高能气体压裂p - t 理论数学模型研究 2 1 高能气体压裂p r 数学模型研究目标选择 2 1 1 裸眼井高能气体压裂p t 数学模型研究目标选择 对于裸眼井高能气体压裂，国内目前使用无壳弹高能气体压裂工艺技术最为显著，因 此本文选择无壳弹井底高能