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高能气体压裂增产技术 1 关于火工的有关知识2 国外发展概况3 增产机理及理论研究4 高能气体发生器的研制5 压力监测及施工工艺6 应用效果 目录 1 Xi anShiyouUniversity 高能气体压裂 层内爆炸压裂 水力压裂的区别 1 高能气体压裂 2 层内爆炸压裂 利用脉冲加载并控制压力上升速度 使迅速释放的高温高压气体在井筒附近压开多方位的径向裂缝 使储层中的天然裂缝能够与井筒连通 从而达到增产的目的 第一章 先生成一个水力裂缝 把固体炸药送入裂缝深处 然后点燃炸药 在主裂缝附近生成压碎带或剪切裂缝 同时保持井筒完好无损 达到提高油井产能的目的 3 水力压裂 第一节高能气体压裂增产技术 2 一 爆炸与燃烧 1 燃烧 是物质进行剧烈的氧化还原反应 并伴随着发热和发光的现象 Xi anShiyouUniversity 第一节火工 第一章 通常所称的燃烧是指某些物质 如柴 煤 油等 与空气中的氧气化合引起的剧烈氧化反应现象 火药燃烧 含有足够的氧化剂 燃烧时不需要空气或外加的氧化剂 3 Xi anShiyouUniversity 第一节关于火工的有关知识 第一章 2 爆炸 是在极短暂时间内发生能量转变或者气体体积急剧膨胀的现象 广义的爆炸包括爆轰 爆燃与燃烧 爆炸一般分为物理爆炸 化学爆炸和核爆炸三类 反应的放热性 目前常规军用炸药的爆热一般为3 6MJ kg 反应的高速性 爆炸反应是在微秒级 10 6s 时间内完成的 生成大量高温高压气体产物 炸药的爆炸属于化学爆炸 它有三个特征 4 Xi anShiyouUniversity 第一节关于火工的有关知识 第一章 二 火工材料 1 火药是在无外界供氧条件下 可由火花 火焰等外界能源正常引燃 迅速进行有规律的燃烧 同时生成大量热和气体产物的混合物 通常由氧化剂 粘结剂 可燃剂及附加剂等组成 2 炸药是在一定的外界能量作用下 能发生高速的化学反应 放出大量的热 生成气体产物并对外界做功的化合物或混合物 广义的炸药包含起爆药 猛炸药 火药和烟火剂 国内通常称谓的炸药是指猛性炸药 5 Xi anShiyouUniversity 第一节关于火工的有关知识 第一章 二 火工材料 3 油气井射孔弹所用炸药 属于高能混合炸药 绝大部分以黑索金 奥克托今为主体 常见的混合炸药有 1235号耐热传爆药 且有较高的爆轰感度 能在180 温度下工作2h 爆轰性能 成型性能好 机械强度高 使用安全 2号耐热炸药 以TATB 三氨基三硝基苯 为主体 敏感度极低 使用安全 可用于耐高温 小于250 的射孔弹或其他爆破器材中 411号耐热炸药 可在2l0 220 条件下工作2h 爆轰性能好 破甲深度深 撞击感度和摩擦感度低 有较好的安全性能 成型性能好 机械强度高 是一种综合性能较好的耐热炸药 6 Xi anShiyouUniversity 第二节国外发展概况 第一章 一 美国 1858年 美国德凯瑞首创性地提出了改造油层从而使油井增产的概念 1861年 丹尼斯第一次成功地使用步枪火药改造了油层 1864年 罗伯茨申请了第一个油井爆炸增产的专利 1 应力压裂 stressfrac 气体发生器的应用情况是美国Servo Dynamics公司研制的高能气体压裂工具 据介绍已有近30年的历史 施工井次达4000口以上 增产69 279 7 Xi anShiyouUniversity 第二节国外发展概况 第一章 1 处理深度为90 4268m 2 缝长达10m以上 3 可适应的压力范围为1 725 41 4MPa 4 应用于新井的油气层增产处理 包括多次处理 5 用于水力压裂等措施前或者措施后进行处理 6 应用于不宜进行水力压裂及酸化处理的油气层 如水敏性油气层等 7 对砂岩及碳酸岩油气层均可取得较好的效果 它可以产生多条裂缝 并可使之与天然裂缝沟通 因而增产效果明显 技术参数与适用范围 8 Xi anShiyouUniversity 第二节国外发展概况 第一章 1 东得克萨斯油田某注水井 岩性 细砂岩 孔隙度为14 渗速率为5md 井况 第一次酸化 再次酸化都未成功 应力压裂前 注水量为1 98m3 h 注入压力为6 9MPa 应力压裂后 注水量上升为2 64m3 h 注入压力下降为1 389MPa2 中阿但特戴维油田某油井 岩性 砂岩 孔隙度为7 渗速率为10md 井况 细砂堵塞了射孔孔眼 产量很低 再次酸化处理仍末成功应力压裂前 该井的原油产量为1 5m3 d 压裂后上升到4 0m3 d 一年后产量还保持在3 5m3 d 应用实例 9 Xi anShiyouUniversity 第二节国外发展概况 第一章 2 双基推进剂在泥盆系页岩中进行多裂缝压裂的研究情况 美国桑迪亚国家实验认为 泥盆系页岩用高速爆炸处理会在井筒附近造成压碎和压实区域 封堵了产出物 泡沫压裂虽可避免应力罩的产生 但仅能产生单一裂缝 高能气体压裂 在强大的气流挤压作用下 既可避免压碎井壁 可产生辐射状的多条裂缝 多裂缝压裂测得的典型压力波曲线 10 Xi anShiyouUniversity 第二节国外发展概况 第一章 二 前苏联 前苏联专家们认为 高能气体压裂过程中既存在着机械作用 产生的高温高压燃气又起了热化学作用 同时在井筒中形成的压力脉冲又可造成物理作用 因而 高能气体压裂是上述增产方法结合起来的有效措施 其增产效果并不比水力压型差 在前苏联 高能气体压裂技术已经得到了较大规模的应用 从新井评价 生产井投产到油田高含水阶段的开发等各个阶段都应用了这一技术 并取得了较好的效果 总的来看 前苏联在现场应用规模 技术成熟性 压裂效果等方面均优于美国 值得我们借鉴学习 11 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 一 高能气体压裂的特点 1 三种压裂力方法的压力时间关系 12 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 三种压裂方法的p t过程 高能气体压裂的过程是一种剧烈的化学反应过程 是火药或推进剂的燃烧或爆燃反应过程 在几毫秒或几百毫秒内就能完成 所以不同于水力压裂压裂 也不同于井筒爆炸压裂 在几微秒内完 因此能在地层中形成多条随机裂缝而又不伤害井筒或套管 2 不论哪种类型的高能气体压裂 均有成本低廉 工艺简便 动用设备少 对施工场地无特别要求 工艺时间短 增产增注效果好 经济效益好 对油层伤害小 对环境无污染等优点 因此具有广泛的应用前景 13 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 二 高能气体压裂的增产机理 1 增产原理 1 气体发生器内的发射药和固体推进剂被点火后 在几个毫秒内迅速爆燃 并产生压力近100MPa 温度为2500 很快下降 的高速气流 使井壁地层产生多条径向裂缝 其中长裂缝的长度为井径的50 100倍或200倍 裂缝中的一条或几条可能和垂直于最小主应力的油层天然裂缝相沟通 就大大改善了油层的渗流能力 因此增产作用是明显的 而水力压裂产生的一条裂缝却与天然裂缝走向一致 不会沟通 14 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 2 由于高能气体压裂形成的多条径向裂缝 2 5条 的方向是随机的 基本上都不垂直于最小主应力方向 根据岩石的力学规律 岩石破裂时 裂缝的方向总是垂直于最小主应力轴 这样 在地层岩石的应力控制下 就会对高能气体压裂产生的随机裂缝造成剪切 错动效应 使两缝面产生错动位移 两个缝面上凹凸处相互交错 形成不会闭合的自行支撑的裂缝 15 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 3 高能气体压裂的高温 高压 高频冲击气流会使多条裂缝缝面处的岩石产生少量崩垮 剥落的碎屑 其硬度与岩石完全一致 它们也会变成自行支撑裂缝的支撑物 形成不可回复的残余变形裂缝 要满足右式 16 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 2 解堵原理 1 高能气体压裂产生的径向多条裂缝穿过井筒附近的污染带 形成了新的油气流动通道 一般井筒周围的污染带半径不大 多在1m以内 所以不论药量多少 一般高能气体压裂形成的多条裂缝均能远远超出污染带的范围 与油层深处沟通 从而得到解堵效果 2 发射药或固体推进剂爆燃时 产生的爆烟气流温度在2500 以上 压力近100MPa 它会向一切孔隙冲击 随着各装药段爆燃反应的进行 冲击不断产生 形成高温 高压 高频的冲击气流波 它能够将油层原生孔隙中产生堵塞作用的机械杂质或各种盐类微粒 油层岩石剥落的微粒 胶结物中因膨胀而堵塞孔道的松散物质绝大部分冲刷 清扫干净 基本恢复孔隙结构的原始状态 从而解除堵塞 17 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 3 产生高能气体的同时也产生了冲击波 超声波 强声场 它穿透件能极强 作用于油层可疏通油流通道 降低毛细孔道的表面张力 使原油降粘 除垢并解堵 清蜡防蜡 抑制地层细菌的生长和聚集 从而提高油层的泄油能力 4 高能气体压裂处理后2h 井底还维持有足够高的温度异常 高温场可以溶解沉积在处理层段井筒及地层渗滤面上的蜡质 胶质和沥青质沉积物 疏通渗流通道 降低渗流阻力 温度升高后 原油粘度降低 流度也相应提高了 5 火药或推进剂燃烧生成的CO CO2 N2 NO HCl等携带热能的生成物进入油层 前二种易溶于原油 从而降低了原油的粘度 提高了原油溶解蜡及胶质 沥青质的能力 后二种生成物均易溶于水而产生腐蚀性强的硝酸和盐酸 相当于对地层进行了酸处理 18 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 3 高能气体压裂适应地层 1 新井试油评价 可解除污染 获得测试结果 2 酸化压裂后的地层 可进行油气层解堵 3 对天然裂缝发育的区域 可进行增产改造 4 对注水井 通过解堵 压裂达到增注目的 5 水敏 盐敏 酸敏地层 可压裂改造或解堵 6 尤其适于常规改造技术不宜进行的沙漠 滩海 高山地区的油气井 另外 高能气体压裂作用的介质是爆燃气体 不会对地层产生任何伤害 施工中也不向井外排出废液 不会引起环保问题 施工小使用设备少 人力少 工艺简便 施工周期短 成本极低 效益极大 19 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 三 高能气体压裂的理论研究 根据课本P11表1 3的基础数据 得到不同压力加载速度与裂缝之间的关系 当加载速率大于1000GPa s时 井壁被炸得粉碎 当加载速率大于32 100GPa s而小于1000GPa s时 井壁附近产生多条裂缝 当加载速率小于32GPa s时 只造成两条裂缝 1 加压速度 20 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 2 增产倍数 假设地层均质等厚 各向同性 裂缝渗透率假设为无限大 缝长为L的裂缝的产量公式为 可得高能气体压裂的增产倍数 21 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 明显看出 在缝长一定的条件下 增加缝数的增产效果并不明显 般高能气体压裂的增产倍数约为1 5 2 5倍 在沟通天然裂缝的条件下 增产倍数会有明显提高 裂缝增产倍数 22 Xi anShiyouUniversity 第三节增产机理及理论研究 第一章 3 一些结论 根据室内的应用研究工作 可以得到以下结论 1 高能气体压裂可压出多于2条的径向裂缝 裂缝条数取决于升压的速度 2 高能气体压裂的增产培数一般为1 5 2 5倍 设备少 工艺简单 成本低 3 已经有了接近实测结果的设计方法 可以有效地避免套管和水泥环的损坏 4 高能气体压裂设计的基本原则是采用低燃速 大药量的装药 压出3 5条较长的径向裂缝 5 高能气体压裂适用于不同井别的油气井 如探井 生产井和注水井等 对沙漠油田的超深井和滩海油气井有特殊的适应件 23 Xi anShiyouUniversity 第四节高能气体发生器的研制 第一章 一 裸眼井高能气体压裂技术研究 西安石油学院与兵器工业部204研究所 在1985年对裸眼井设计了三段装药的爆燃气体发生器 并获得了国家专利 就1987年所施工的66口井进行分析 1 增产效果明显 持续时间较长的有33口井 占50 2 增产效果和持续时间一般者有16口 占24 2 3 增产效果甚微或基本无效的有17口 占25 8 4 成功率 成功率力87 8 扩大试验的结果分析 24 Xi anShiyouUniversity 第四节高能气体发生器的研制 第一章 二 套管井高能气体压裂技术研究 裸眼井高能气体压裂研究的最终日标 是将其应用于套管井 西安石油学院与兵器工业部204所在此领域都进行了大量有效的工作 1 油层爆燃压裂器 2 高能气体压裂用气体发生器 3 金属弹壳气体发生器 径向泄气金属外壳弹 4 无壳弹 5 液态火药高能气体压裂技术 25 第四节高能气体发生器的研制 第一章 1 油层爆燃压裂器 1 外壳是足酚醛环氧玻璃布管 耐压强度高 2 导线接头使用高压密封插塞 保持良好的电绝缘性能 3 装填燃速缓慢的多种火药或推进剂 并以不同装药结构控制产生的高能气体的速率 4 具有打捞环 可与油田设备配套使用 26 Xi anShiyouUniversity 第四节高能气体发生器的研制 第一章 油层爆燃压裂器由测井电缆悬挂 靠磁定位准确下到油层套管的射孔段 油层爆燃压裂器中的火药爆燃后 产生的高能气体通过套管孔眼使油层产生裂缝 能对1000 3000m的石油 天然气套管井进行爆燃压裂 能与油田的通用设备配套使用 可采用通用的作业方法 所用设备简单 施工方便 安全可靠 费用低廉 针对油层厚度可任意组合管壳的长度 工艺过程 在延长油田七里村油矿的759口井进行了试验 增产6 3倍 优点 现场应用效果 27 第四节高能气体发生器的研制 第一章 2 高能气体压裂用气体发生器 1 可重复使用 2 活塞式轴向限压 3 平衡喷射 4 泄气管径向泄气式 5 加重防冲型金属装置 6 大型药柱 7 金属点火具 28 Xi anShiyouUniversity 第四节高能气体发生器的研制 第一章 工艺过程 发生器由电缆打捞头连接 下部与泄气管相连 泄气管壁开有径向泄气孔若干 当电缆通电后 保护管内的抗冲击和挤压金属点火具点燃药柱 待压力上升至设定值时 上 下接头内的剪切销钉被剪断 上 下活塞同时冲出 燃气喷射进上 下泄气管中 再径向泄入井内 优点 结构便于更改药型 药量 变更装药结构和点火系统 施工简便 成本低 施工后井下无任何落物 不污染油气层 能避免电缆打扭 发生器装置可重复使用 29 Xi anShiyouUniversity 第四节高能气体发生器的研制 第一章 3 金属弹壳气体发生器 径向泄气金属外壳弹 对金属弹壳的技术要求是 具有较尚的抗内压 抗外挤及抗拉伸机械强度 有可靠的密封性 较好的拆装灵活性及抗酸 碱 盐类及爆燃残余物的腐蚀性 能多次重复使用 不产生裂纹 烧伤 冲蚀等缺陷 对撞击点火装置的要求是 1 较高的强度 主体不应有损伤 可重复使用 2 绝对安全性 在运输或使用中 任何条件下不能发生自然点火 3 有很高的可靠性 撞击后应迅速发生作用 4 可靠的密封性 30 第四节高能气体发生器的研制 第一章 4 无壳弹 31 Xi anShiyouUniversity 第五节高能气体压裂的压力监测及施工工艺 第一章 一 高能气体的压力监则 1 铜柱法测峰值压力 铜柱测压仪结构如右图所见 其敏感元件是铜柱 经过预压 给出铜柱的尺寸及相应的压力范围 当承受到巨大压力时 铜柱就会被活塞压挤变形 用变形后的尺寸 直接按工厂给出的表格计算 就能知道铜柱承受的最大压力 这就是高能气体压裂时的压力峰值 32 Xi anShiyouUniversity 第五节高能气体压裂的压力监测及施工工艺 第一章 2 p t测试仪测压力变化过程 井下仪器通电后 控制模块使点火头与点火电源相连 同时启动采集与记录模块 将火药点燃后造成的并简压力变化过程记录下来 压裂结束后 将监测仪提出井筒并与专用的接口面板连接 读出电子记录模型中的p t过程 33 Xi anShiyouUniversity 第五节高能气体压裂的压力监测及施工工艺 第一章 二 高能气体压裂施工工艺 1 电缆起下 液柱压挡 地面引燃施工工艺 用射孔电缆将气体发生器下到目的层段 采用液柱压挡 通过地面通电引燃 压挡液柱的高度不得小500m 2 油管输送 封隔器与液柱复合压挡 撞击引燃施工工艺 用油管将气体发生器 p t监测仪 撞击起爆器及封隔器等拖运到设计井深 首先座封封隔器 之后在油套环空施加10 20MPa的平衡压力 最后从油管内投棒撞击引燃 34 第五节高能气体压裂的压力监测及施工工艺 第一章 35 Xi anShiyouUniversity 第五节高能气体压裂的压力监测及施工工艺 第一章 两种工艺对比 36 Xi anShiyouUniversity 第六节高能气体压裂技术应用效果 第一章 一 高能气体压裂技术适用范围 1 在钻井过程中钻井液污染或者井下作业中压井液污染的探井和生产井 2 生产过程中机械杂质堵塞的井 3 酸化后酸渣造成二次堵塞的井 4 水力压裂后填砂裂缝被污染或裂缝闭合而使产量下降的井5 致密 坚强的油层因破裂压力较高 水人压裂难实现的井 7 裂缝发育的灰岩 砂岩油藏井8 水敏 酸敏油气井 9 层薄 水力压裂可能压窜的井10 需要增注的井 11 高能气体压裂与酸化措施综合处理 对某些井能起到更好的增产效果 12 因为设备 水源 井场或道路等难进行压裂 酸化处理的井 37 Xi