水平井液态药爆炸压裂工艺试验应用研究

2018-05-07吴晋军徐东升武进壮

钻采工艺 2018年1期

吴晋军，刘敬，徐东升，武进壮，吕圆

(1西安石油大学石油工程学院 2中国石油天然气集团公司油藏改造重点实验室高能气体压裂分室)

水平井已成为低渗透油气田开发的重要技术手段而应用推广。其完井方式主要分为套管完井和裸眼完井，目前储层改造主要措施为裸眼井笼统改造、套管井分段压裂等[1-2]。特别是早期水平裸眼井油层改造工艺不配套，导致相当数量井生产后期因难以实施改造措施，或成本太高等原因而只能自然生产，成为低效井甚至死井，给水平井油层开采带来很大生产难题和浪费[3-4]。

早在20世纪90年代初美国就开始把火炸药技术用于水平井增产的研究，1991年Rougeot石油与天然气公司在Wilson25井进行试验，施工水平井深度达到3 700 m，每次处理水平层段50 m，可适用于裸眼、割缝衬管和套管完井方式，在主井筒、分支井可分别实施。在阿拉斯加和北海油气井应用，产量从1 m3/d增加到50 m3/d，增产效果十分显著[5-6]。国内液态炸药应用于油层增产的技术研究近几年来才开始，基于层内爆炸研究基础，开展了水平井油层液体炸药爆炸压裂增产技术与工艺的研究与试验，取得积极效果。

一、液态炸药技术研究

1.研究思想

目前工业用液体炸药或乳状炸药爆速一般超过5 000 m/s, 爆炸威力巨大、破坏性大、安全性要求高，显然这些纯工业性炸药不能直接用于油气井。为此，针对水平井油层増产工艺要求，设想要研制的爆炸药剂爆炸性能应适中，应具有较低的爆速、较强的爆炸做功能力，能使深层岩石产生多裂缝，且对地层不会产生严重破碎或压实作用，符合油气井安全使用条件。结合射孔、爆炸压裂及高能气体压裂等技术研究积累与爆炸工程实践经验[7-9]分析，并基于层内爆炸一系列技术研究，所研制成功的微粉悬浮液态炸药，其爆速控制在1 500～3 500 m/s，爆炸性能适中可控，较好的适用于水平井地层，使岩石产生多裂缝缝网以松弛地层应力，达到了提高油层渗透性的目的，并满足油田现场施工工艺的安全可靠性及使用条件。

2.液态炸药性能及特点

该液态炸药主要成份选用NH4NO3、C3H5N3O9、RDX、HMX等，是由氧化剂、燃烧剂、悬浮剂和敏化剂等组成的微粉悬浮混合液相炸药，主要技术参数：爆热约为4 200～6 000 J/g、比容约为500～700 mL/g、爆速为1 500～3 500 m/s。经抗冲击、静电、摩擦感度及热稳定性检测试验符合国家民爆标准。液态炸药在高温高压反应釜模拟实验的爆炸P-t测试曲线如图1所示，室内外实验模拟试验证明，起爆条件为压力10 MPa、温度140℃，通常在地面条件下不会燃烧或爆炸，完全具备了油田现场安全、可靠的使用条件。其主要作用特点：①爆炸性能参数设计适中可控，适用于不同岩性地层爆炸压裂多裂缝的工艺设计；②较高的比容、爆热对地层有较强做功能力，延长了裂缝区降低压实作用。液态炸药流动性较好，能实现水平井的长井段一次整体爆炸压裂产生和形成多体系裂缝网络，也可通过隔离液实现分段进行爆炸压裂改造。

图1 液态炸药爆炸模拟试验P-t测试曲线

二、水平井液态药爆炸工艺研究

1.工艺设计

工艺设计原理是通过选井选层，确定设计水平井施工方案，设计现场配置微粉悬浮液态炸药、隔离液、顶替液设计用量。通过柱塞泵按照设计方案依次完成各注入液量，确保液态炸药挤入水平井生产井段设计位置，通过特殊起爆装置引爆液态炸药，观察井口变化，完成现场施工。

2. 水平井液态药隔离试验

微粉悬浮液态炸药属于水溶型，需要将憎水性的隔离液与压挡液柱(水)完全隔开。经过实验研究形成了以油基、PAM、CaCl2等复合配制而成的不同的密度隔离液，能较好满足液态炸药隔离挤注工艺的要求，并模拟水平井进行了液态药、隔离液挤注试验确定隔离效果良好的工艺方案。

3.水平井起爆工艺设计

结合液态悬浮药水平井爆炸技术要求及工艺特点，设计研究采用直井机械撞击起爆装置+延伸传爆管线引爆装置组合方法。起爆工艺的安全可靠性高，而且便于实现井口封闭式压裂，有利于提高能量利用率，提高压裂效果。设计的起爆工艺见图2所示。

图2 模拟水平井液态药隔离试验

三、井下爆炸压力及温度计算

悬浮液态炸药配方组分较为复杂，其爆轰参数实际计算过程十分繁琐，为了便于说明计算方法，对计算过程进行了简化，结合CZ44-58侧钻水平井现场微粉悬浮液态炸药试验探讨井下压力、温度的计算方法，按本次悬浮液态炸药敏化剂含量5%配方计算。

(1)

式中：p—气体压力，MPa；F—爆炸力，F=nRT；p0—压档液柱压力，MPa；n—气体爆炸产物摩尔数，mol；R—气体常数；T—爆温，K；ρ—炸药装填密度,kg/m3；α—爆炸产物的范德瓦尔不可压缩体积，一般取爆炸产物气体体积的千分之一。

悬浮药爆炸后所产生的总热量Q总,一是用于加热爆轰气体产物，使其温度升高；二是高温爆轰气体迅速膨胀对周围岩层介质做功，主要包括压裂岩层破岩造缝、推动液柱对其作功。爆热Q由式(2)[10]求得：

(2)

式中：ni—产物组分的摩尔数，mol；ΔHi—i产物组分的生成焓；ΔHf— 炸药的摩尔生成焓；M—炸药的摩尔质量。

混合炸药采用公式:Q总=∑xiQi

(3)

式中：xi—组合炸药中i组分的质量百分数。

CZ44-58井的扶余层岩石的力学特性(E=1.0～1.5×104MPa、μ=0.18～0.30、单轴抗压强度45 MPa)属中等强度的岩石，本次采用液态炸药的爆炸性能属于低速爆轰范畴，作用时间为毫秒级，椐此作以下假定：①爆炸过程近似地视为定容过程；②爆炸产物的热容只是温度的函数，而与爆炸时所处的压力等其他条件无关。井下最大压力pmax和最高温度Tmax计算结合相关爆破工程实践经验[10-11]，及采用封闭式井口爆炸试验分析，考虑到井筒内液柱部分漏失，作用地层有效爆热设定为85%Q总。由式(2)计算：爆热Q总=2 389.88 kJ/kg，有效爆热Qv=2 031.4 kJ/kg。对于井筒内最大压力pmax和爆温即最大温度Tmax的计算过程如下：

(4)

式中，爆炸产物的平均摩尔热容一般采用卡斯特平均摩尔热容式求出：a0=854.48，a1=0.33。

由式(4)计算出爆温Tmax，Tmax=1503.3℃；由式(1)计算出pmax，pmax=188.71 MPa。

需要说明的是，计算结果是建立在爆炸过程为定容过程的基础上的，所计算的爆压与实际情况相比明显偏大。考虑到悬浮炸药爆速2 200 m/s的低爆速药，作用时间为毫秒级，从室内外模拟实验测试分析，理论计算与工程实际测试相对误差在10%～30%。为此，结合本次现场应用试验监测情况分析，其井下的最大压力估算大约在132.1～169.84 MPa之间。

CZ44-58井采用J55筛管完井，J55屈服强度极限[12]为379～552 MPa,本次施工井下的最大压力远小于J55屈服极限强度。其爆炸作用过程完全在水平井裸眼(大孔径筛管)段完成，对筛管没有产生破坏性影响。最大压力远大于地层破裂压裂压力41.3 MPa，爆生气体脉冲压力几乎直接作用在裸眼地层使地层产生多裂缝体系。根据设计方案本次施工重点考虑的对直井段套管影响，施工后通井检测直井段套管没有发现问题，与实际设计情况基本相符。

四、现场工艺试验

1. CZ44-58水平井概况

CZ44-58井所处区块油层平均孔隙度12.6%，平均空气渗透率1.94 mD,属于低孔特低渗透砂岩油层,完钻垂深1 984.62 m，开窗位置1 816.2～1 820.7 m，水平生产段2 042～2 191 m，压裂水平井段长143 m，完井方式采用Ø88.9 mm大孔径筛管完井。该井完井后没有进行水力压裂措施，水平段储层岩性致密，地层破裂压力估算41.3 MPa，没有人工裂缝或者天然裂缝，直接进行微粉悬浮液态药爆炸压裂施工试验，其爆炸作用过程完全在水平井裸眼(大孔径筛管)段完成的。

2.工艺设计及施工

本次方案设计悬浮炸药充满水平井段井筒，微粉悬浮液态药设计参数如表1所示。

表1 微粉悬浮液态炸药设计参数

图3 CZ44-58水平井液态药爆炸压裂施工工艺设计示意图

施工工艺设计方案如图3所示，施工程序主要分二大步骤：第一步：完成悬浮液态炸药泵注入程序，依次进行隔离液-液态炸药-隔离液-顶替液各设计用量；第二步：起爆装置下井程序，依次连接起爆装置-传爆管线-撞击起爆器-管柱，到达设计点火位置。安装750型高压井口装置，准备起爆。起爆后压力迅速上升至约5 MPa，并有水和气体刺出，约5 min后压力上升至17 MPa，最高压力升至21 MPa，喷出水气量增多，0.5 h后缓慢下降，之后井口压力约5 MPa持续24 h，后连续2 d基本维持在2 MPa左右，期间一直伴随有气液流泄出，3 d后放喷。施工后初期产量为2 t/d，由地震裂缝动态检测仪器检测悬浮液态炸药爆炸时地层反响较大，爆炸作用地层明显。该工艺首次现场工艺施工一次起爆成功，为探索与研究适用于水平井油层爆炸压裂开发的新技术与工艺奠定基础。