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多脉冲复合爆燃气体压裂技术论文

多脉冲复合爆燃气体压裂

【摘要】

为进一步提高油田井的产量和采收率，改善开采的经济效益，本文对油田井多脉冲复合爆燃气体压裂展开了系统的研究与应用（主要对水井的应用），具有重要的科学意义和应用前景。

研究的内容和主要成果为：

（1）根据水井的结构特点，对多脉冲复合装置和延时控制装置在井筒中的作用特点进行了分析，设计出合理的装药结构，并评价出该技术的安全可靠性。

（2）进行了多脉冲复合爆燃气体压裂对水井的井下施工的施工设计及效果预测，研究了该施工工艺技术在井下的操作流程及压裂后的产能对比，为进一步的现场应用奠定了基础。

（3）爆燃压裂工艺技术以及其独特的造缝能力而有别于水力压裂。

及它所形成的裂缝体系不受地应力控制，爆燃压裂后储层内将形成沿井筒周围分布的多条放射状裂缝，裂缝通常可达2-10m，有效降低了径向渗流状态下由近井带形成的“颈缩”区阻力。

因此，它不仅能全方位改造储层，而且具有增产的效果。

经多次试验研究成功的电缆送弹引爆施工工艺，需要专门的施工队伍和设备。

因此，深受欢迎，它不失为一种安全、经济、简单、方便、有效的施工工艺技术，可广泛应用与油水井的曾产曾注，老井复压，新区产能评价及作业为其他大型改造措施前的预处理等领域。

（4）多脉冲爆燃压裂破岩机理研究，多脉冲爆燃压裂技术的作用原理和技术特点，并通过理论计算出多脉冲爆燃压裂的设计方法，对提高现场压裂效果起到积极的指导作用。

（5）阐述高能气体压裂技术在油田中的应用及作用机理和特点，并通过在油田中的应用总结出现场施工工艺、应用效果和适用范围，为技术的推广应用提供借鉴。

（6）做好施工前的施工准备、安全设施、注意事项及HSE要求，最后按照步骤施工。

【关键词】

多级脉冲；爆燃压裂；破岩机理；油田应用；施工安全

第一章绪论

1.1研究背景与意义

随着国民经济的发展和石油资源的枯竭，对于低渗透油、气田的勘探和开发具有重大的战略意义，而低渗油、气田的工业性开发离不开有效的增产措施。

水井己成为低渗油田增加产量，提高采收率的一项重要手段，在油气开采过程中，水井可以增加井筒与油层的接触面积，在提高油层内的泄油面积方面有着不可比拟的优点。

随着对石油资源的需求的增加、钻井技术的完善和钻井经验的积累，水井开发油气田日益受到重视，水井数量急剧增长，截至２００６年底，全世界的水井己经超过了两万口，绝大多数属于美国、加拿大以及俄罗斯。

我国在上世纪八十年代开始也展开了对水井的研究和应用，相继在大庆、胜利、新疆、辽河、大港、长庆、华北、中原、四川等１４个油气区钻有几百口水井，这些水井绝大部分的显示出了巨大的优越性，取得了良好的经济效益。

目前，水井上产生人工裂缝主要采用的方法是水力压裂法，相关的理论研究也逐渐完善，但随着高难度油气藏的勘探开发，对一系列复杂的油气层，常规油层水井改造方法如水力压裂、酸化压裂等已难以取得效果，面临地层压力高～温度高难以压开地层的难题，大大提高作业成本，往往形成投资很大，产出很少的局面。

针对此类问题研究和开发新的油层改造技术已非常迫切，任务艰巨，意义重大。

以火药推进剂技术为主要手段的各种油气田增产技术早在十九世纪四十年代就开始研究，到上世纪七十年代，在大量试验和理论研究的基础上，高能气体压裂技术逐渐发展起来，并在前苏联和美国得到较为广泛的应用。

高能气体压裂技术是利用火药或火箭推进剂燃烧产生的大量高温、高压气体以高压脉冲波形式冲击压开岩层，在地层产生多条径向垂直裂缝，以提高地层渗透性，．达到增加油井产量的目的。

我国开展此项研究工作较晚，１９８５年，由中国石油天然气总公司批准在西安石油学院成立爆燃压裂研究室，专门从事高能气体压裂技术研究工作，１９９２年又批准成立高能气体压裂技术中心，经过不断开发研究并吸收和借鉴国外先进的技术经验，已取得一系列较成熟且具有自己特色的技术成果，并在油田得到了较广泛的推广应用，产生明显的经济效益和社会效益

以上这些高能气体压裂技术使用的推进剂火药大都是单级脉冲式的，虽然能够解除近井带污染，达到了增产增注的目的，但却存在火药燃烧过快，压裂缝长不足的问题：

如果盲目增加药量会伤害套管；重复进行单级脉冲高能气体压裂，一是增加了成木，二是不能保证有效压开地层。

多级脉冲气体加载压裂技术是在单脉冲高能气体压裂技术的基础上发展起来的，是一种复杂岩层地应力松弛的新方法。

其基本原理是通过不同燃速药组合，合理控制压裂用药的燃烧速度，逐级释放，在地层产生多个连续加载脉冲压力，快速压开地层，并促使地层裂缝快速拓展和延伸。

由于它可以克服单脉冲高能气体压裂对地层作用时间短、压裂缝长不足的缺点使油井增产、水井增注，该技术在低渗透油田受到了越来越广泛的重视。

到目前为止，高能气体压裂施工工艺大部分用于直井，相关的理论研究也是围绕直井进行，在水井上进行多级脉冲气体加载压裂技术，在我国却并不多见，目前仅仅停留在试验阶段。

水井井身结构复杂性的特点决定了在水井上实施多级脉冲气体加载压裂技术不同于直井的压裂特征。

实际应用压裂水井储层环境千变万化，要指导具体多级脉冲气体加载压裂设计，尤其是推进剂装药设计，增大现场施作成功率，进一步延伸在地层形成的多裂缝的长度，提高长期效益，还需要更好地了解该技术井下爆燃荷载瞬态特性、油井和岩层动态响应等。

水井多极脉冲气体加载压裂过程分析是爆炸力学、流体力学、断裂力学、岩石（固体）力学等耦合作用，并同时要考虑热效应的问题。

这一多学科交又、混合科学问题的理论和数值求解极其复杂，其分析模型包括火药燃烧分析、压井液体运动分析、井井筒流体通过射孔孔眼的渗流分析、裂缝中流体流动分析、岩石变形及裂缝起裂、扩展分析等。

对这些问题的探索有助于更好的对多级脉冲气体加载压裂的控制与优化。

本文拟从井筒流体通过射孔孔眼的流动分析、裂缝中流体流动分析、多级脉冲气体加载压裂过程中的岩石变形、裂缝起裂及裂缝扩展分析研究多级脉冲气体加载压裂机理与主要控制因素，建立一套适应我国低渗、特低渗油田开发的深穿透定向

可控大功率多级脉冲气体加载压裂配套理论与技术，以期指导现场施工，有效地提高低渗、特低渗油藏的压裂效果。

1.２高能气体压裂国内外研究现状与发展趋势

1高能气体压裂理论研究进展

在油井增产技术研究中，从最早爆炸致裂，到近一二十年兴起的高能气体压裂，以及最近几年发展起来的高能复合射孔压裂及多级脉冲气体加载压裂，国内外相关研究机构在理论研究、实验室试验、现场实验及模拟计算方面做了许多工作，尤其是美国能源部的蒙格顿能量技术中心（ＭｏｒｇａｎｔｏｗｎＥｎｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ）、桑迪亚国家实验

2中国石油大学（华东）大学博士学位论文

室（ＳａｎｄｉａＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）等其它能源机构，从上世纪６０年代就开始研究推进剂或者低能量释放率炸药为基础的压裂技术，形成以下基本理论。

第二章爆燃压裂工艺研究

一、利用火药或炸药处理油层送到增产目的，迄今已有一百多年历史。

１９４８年以来，｝着木力压裂技术的兴起，爆炸增产技术才逐步披取代。

尽管如此，利用爆炸与水力压裂相台的油气增产研究并没有中断。

爆炸增产技术的致命弱点是，由于爆炸过程极为短暂，因此　一方面能量释放过快来不及传递难以形成裂缝，另一方面对被炸岩石表面造成粉碎性破坏后形成一层压实层。

压实层的存在大大降低了井壁附近的渗流能力，因而该方法基奉不起增产作用或增产甚镦，阻碍了该技术的实际应用。

随着火箭和航天技术的迅遣发展，各种用于和平或战争目的的新型火箭燃料应运而生。

新型推进剞的大量涌现，给企图寻找一种新的，经济而方便的油层增产手段的人们带来了新的希望。

７Ｏ年代这一新的爆燃方法开始兴起，到８０年代即进入了蓬勃发展时期，文献报道繁多一商品名称五花八门，如应力压裂、运动压裂、天体压裂　动力压裂和幅射压裂等。

两国近年爆燃压裂工艺的应用发展情况。

我国最早由兵器部２０４所，西安石油学院。

延长油矿在延长七里村油矿开展了裸眼浅井爆燃压裂试验，并在近１００口井上获得成功。

从１９８９年起玉门、江苏　新疆、大庆等。

油田也先后与西安石油学院，兵器部２０４所一起开展了该顼试验，　玉门及江苏油田试验井。

二、造缝及增产原理

大量国内外现场试验资科表明，爆燃压裂工艺技术作为一种进攻性储层改造措施，已普遍为人们所接受，特别是近期已发展成为一种成熟的实用技术。

一般增产平均为２—２．５倍，有效期不小于２年，具有明显的经济效益和广阔的应用前景。

因此，关于爆燃压裂的增产机理问题的探讨，特别是裂缝形成机理的研究，一直没有中断过。

但目前尚无定论。

以下谈谈我们综台国内外有关论述及通过现场观测得到的一些看法。

ｌ、　爆燃压裂与爆炸压裂、水力压裂的工艺特征；

破坏上，使岩石表面形成压实层和产生少量微细裂缝。

爆燃压裂烧速度较快，升压时问为毫秒级，能量传递较快，因而不受地应力

水力压裂升压速度缓慢为秒级，一般是沿着垂直于小主应力方向生成一条长、

2、爆燃压裂裂缝特征及形成过程

关于爆燃压裂的裂缝及形成过程苏、美等国家进行了大量的室内及现场实验工作。

美国人首先在废弃的坑道内进行过实验，结果证明，爆燃后地层可钻沿地层中心产生3-8条放射状裂缝，而且这些裂缝不受地应力控制。

西安石油学院在延长七里村油矿选择了多块岩石，以及在室内也做过类似模拟试验，说明了上述事实是正确的。

第三章多脉冲爆燃压裂破岩机理研究

多级脉冲爆燃压裂技术是在单一脉冲、多脉冲爆燃压裂技术的基础上研究的一项新技术，该技术采用多种不同火药或同一火药经过特殊合理的装药设计结构和控制，使其在油井简内有规律地燃烧，产生大量高温、高压气体压裂岩层，形成多个高压脉冲波加载冲击岩层，使岩层产生多条不受地应力控制的裂缝，并促使裂缝在多脉冲加载波的连续作用下快速拓展延伸，形成较长的多裂缝体系，从而增加了与天然裂缝沟通的几率，并伴随大量的热化学作用于地层深部大大提高了油层渗透导流能力，增加油气井产量。

技术特点

1、提高了能量的利用率，适合岩层起裂造缝特点。

快燃速药起裂能产生多裂缝；中、慢燃速药连续脉冲作用能延伸裂缝，提高压裂效果。

2、提高了装药量。

由于合理控制火药的燃宽；延伸裂缝的推进剂燃速较慢，峰值压力较低，所以装药量将适当加大，不会破损套管。

而多脉冲爆燃压裂一次引燃，不能随意曾加药量。

3、延长了对地层的作用时间。

由于提高了中、慢燃速的药量，井下作用时间延长，有利于延伸造成的裂缝。

4、热化学能量大大增加，提高了综合压裂效果，降低了成本。

多脉冲爆燃压裂技术为提高压裂效果，往往需要同层进行重复压裂，而该技术一般进行一次压裂即可。

5、多级脉冲爆燃压裂以低频脉冲波的振动方式作用于地层，加强了对油流孔道的解堵、疏通和导流作用。

结语

多级脉冲爆燃压裂工艺技术具有成本低、施工简便、无需分层工具便能改造薄油层、几乎不污染地层、可沟通更多的天然微裂缝等诸多优点，因此适用于薄油层、敏感性油气层、天然裂缝较发育的油气层改造以及探井或新投产井的储层试油评价、生产井

的解堵处理、注水井的降压增注处理和具有一定能力的水力压裂井重复增产处理等。

该技术已在长庆、中原等油田进行了现场试验，均获得了较好的增产增注效果和经济效益。

第四章高能气体压裂技术在油田中的应用

以经济而有效的技术获得地层中更高的油气产量,是油田开发的目标。

在地层中产生人工裂缝有利于油气的产出。

最先应用的爆炸压裂技术，虽然产生了比较显著的经济效益,但其损害井筒、难以控制、成近井压实带等技术问题难以解决,逐渐被水力压裂取代。

目前,水力压裂已成为一项成熟而完善的技术,在油田开发中起着重要作用。

但其产生的裂缝受地应力限制，,对一些油层的改造效果不尽人意,急需其它技补充和完善。

1、作用机理

高能气体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、注水的目的。

根据火药燃烧规律,火药的燃烧速度受压力影响很大。

在井筒内,由于压井液压挡和井筒套管的约束,推进剂被引燃后快速燃烧,压力迅速上升。

此时升压速度远远大于泄压速度,当压力高于地层破裂压力时,岩石屈服破裂产生多条随机裂缝,高压气体进入裂缝,进一步延伸裂缝。

当泄压速度大于升压速度时,压力不再上升;当压力低于破裂压力时,不再有新裂缝产生理论和试验证明,压力上升速度决定裂缝形成数量压力作用时间影响形成的裂缝长度,峰值压力的控制是保护套管的关键。

因此,根据不同油井情况,通过确定合理的装药结构,控制压力上升速度和峰值压力加大装药量,延长压力作用时间,从而达到有效保护套管和良好的地层改造效果的目的。

高能气体压裂有三种装药方式:

钢壳弹、无壳弹和液体药。

目前,无壳弹在安全性、实用性、改造效果和工艺成熟度方面都比较完善。

我们研制的无壳弹,通过调整初始点火面积和传火速度来控制弹体燃烧;通过采用多级装药,增加装药量,前几级采用快燃速,达到快速升压,压开多条裂缝的目的;后几级采用慢燃速,延长压力作用时间,从而使产生的裂缝得以够延伸,取得了较好的改造效果。

2、施工工艺

电缆施工工艺

用电缆车带动电缆,将压裂弹总成输送至目的层，通电点火压裂。

它具有作业时间短,劳动强度低,可连续处理多个油层的特点。

油管施工工艺

用作业机起下油管,将压裂弹总成输送至目的层,投棒点压裂。

它适用于有自喷能力或电缆难以起下的井。

3、应用效果

通过对近几年来现场施工536井次的统计,成功率达到98%以上,无一例井下事故发生,取得了较好经济和社会效益。

据对128口生产油井的统计,高能气体压裂后共增产原油23712吨,按原油市场价1000元/吨计,共增收2300多万元;对52口注水井统计,均取得了注水压力降低,注水量增加,注水效果显著改善的结果;对116口新井投产统计,平均单井产液量32.6m3,产油25.8m3,最高单井产量120m3,地质符合率100%,缩短了作业周期,降低了作业成本,对油层取得了正确认识。

4、适用范围

1探井储层试油评价

2新井压裂改造投产

3生产井压裂解堵增产

4注水井压裂解堵增注,改善吸水剖面

5与水力压裂、酸化压裂联作

6与射孔联作

5结束语

高能气体压裂是一项新兴的压裂技术,今后应加强油田工程、地质与火工技术的配合,针对不同的地质状况和井况,确定合理的装药结构和施工工艺,提高压裂效果;要加强现场施工的监督工作,确保施工安全、顺利，使这项技术更加完善。

第五章施工前的准备安全施工及注意事项

施工准备

（一）试油队准备

1、严格按照试油工程施工设计进行通井、洗井，以保证井筒内干净、畅通。

2、试油队检查作业机，保持正常运行状态；试油队井场有完好的应急交通车辆。

3、试油队按标准配备防CO、H2S等有害气体的防毒面具、正压呼吸器和便携式CO、H2S等有害气体的检测仪器。

4、井场应备1.5倍井容以上的压井液。

（2）压裂队准备

1、按照项目部石油地质方案要求做好压裂施工设计方案。

2、准备好合格的压裂器材、施工用电缆车等设备。

3、按照项目部施工进度要求按时到达井场现场。

施工步骤

1、高能气体压裂队向试油队进行施工技术交底以及安全注意事项等，并按施工设计组装好压裂等器材。

2、试油队装好防喷井口和电缆滑轮登组件，专业操作人员现场装配好点火器。

3、将电缆、磁定位器和高能气体压裂弹连接好，试油队要全过程进行连续CO、H2S等有害气体的检测，防止气体中毒。

4、启动电缆车将高能气体压裂器材送到目的层，用磁定位器校准深度，使压裂器设计要求对准欲压裂井段。

5、通电点火，完成压裂后起出电缆检查压裂弹的起爆率，火药的燃烧情况等。

6、按要求进行下一步的工艺措施。

安全注意事项

1、施工队伍严格按照Q/SL0217-89《石油射孔技术规范》进行施工，施工人员必须持证上岗，严格遵守施工现场各项规章制度。

2、施工人员要带好劳保用品，非施工人员不得进入施工现场。

3、起下电缆应控制在3000米/小时，严禁猛起猛放，现场施工要有专人操作、指挥。

4、施工现场严禁吸烟，距压裂器材30米严禁明火，压裂器组装时，无关人员不得靠近。

5、施工现场应配备适量的消防器材。

6、井口连接电缆和点火器时，电缆仪器车上必须切断电源，是电线短路，并有专人监护短路端。

7、点火起爆时，所有人员远离井口。

8、压裂后的其他工序中，试油队要进行连续有害气体的检测，以防中毒。

9、井控工作按《井下作业井控工作手册》（试行）的要求执行。

压裂结构示意图

HSE要求

1、严格执行《石油天然气工业健康、安全与环境管理体系》（SY/T6278-1997）要求。

2、施工现场应严格执行《压裂酸化作业安全规定》（SY6443-2000），施工中出现的意外情况按QHSE-ZYZDS-CSD《测试试井队HSE岗位作业指导书》应急计划的要求执行。

3、施工现场应严格遵守《中华人民共和国环境保护法》，现场施工废液、废弃物应集中封闭处理，不得随意堆放和外排，以保护周边环境。

4、现场管理按CJX/HC5.5.05-02《HSE现场监督管理办法》的规定执行。

5、防火、防爆、防毒、井控措施必须落实。

参考文献

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[5]王树强，张树森，等.多脉冲深穿透射孔技术[J.石油钻采工艺，2005,27（3）：

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作者：

李志信

2011.9.17