过筛管爆燃压裂技术

孙 林，黄 波，张 杰，吴飞鹏，李旭光，熊培祺

(1.中海油能源发展股份有限公司，天津 300452；2.西安石油大学，陕西 西安 710065； 3.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

0 引 言

中国海上油田完井方式特殊，采用筛管完井的油井比例高达69%以上。在局限的平台空间内，常规酸化压裂等措施实施空间受限。从2012年开始，海上油田开始应用爆燃压裂技术[1-2]，成功复产多口长期关停井(非筛管完井)，取得降本增效效果[3]。针对筛管完井，中海油于2015年至2016年进行了筛管完井爆燃压裂技术可行性研究[4-5]，验证了筛管在一定限制条件下实施爆燃压裂技术的可行性，并在惠州26-1油田20Sb井进行了现场试验，获得成功。为进一步提高技术的安全性和有效性，从筛管完井爆燃压裂工艺、火药参数认识及新型火药研发、高精度筛管完井爆燃压裂模拟模型、过筛管打靶实验几个方面，研究并形成了过筛管爆燃压裂技术。

1 技术思路

海上油田的水平井或定向井多采用筛管完井，通常具有储层段跨度长的特点，为了覆盖更多作业井段，需要多次起下管柱，作业时效低。而过筛管爆燃压裂技术工艺则可实现一趟管柱多段压裂作业。如图1所示，工艺组件的外部结构为起爆器、盲枪、压裂枪、枪尾，内部结构包括导爆索、中心管、火药。火药内置于压裂枪中，包裹于铝制中心管外，作用于储层段，盲枪中则不放置火药，通过压裂枪和盲枪的组合进行分段压裂。其工艺原理为：按照压裂层段设计组装盲枪和压裂枪，并放置火药。通过钻杆或加厚油管将爆燃压裂工具下入井中，通过地面泵加压，对起爆器进行加压起爆，导爆索引燃压裂层段对应的铝制中心管，中心管燃烧可产生2 000 ℃高温使火药充分燃烧，产生的高温高压气体先后穿过压裂枪和筛管后，作用于储层进行压裂改造。由于导爆索太长，容易燃烧传爆中断，因此，该工艺适合于储层跨度在30 m以内的筛管井。对于储层跨度为30～100 m的筛管井，则可在压裂枪组件下面加装增压装置，将易中断的燃烧传爆改变为稳定的液压传爆，从而实现更远距离的传爆。

图1 过筛管爆燃压裂工艺管柱示意图Fig.1 The string schematic diagram of the screen-through deflagration fracturing technology

由于高温高压易破坏筛管，因此，该项技术的关键在于保证爆燃压裂火药燃烧时筛管的安全性和地层压裂的有效性。技术思路如下：①采用更耐温的推进剂火药，并优化火药参数，使火药产生的峰值压力更低，燃烧时间更长，提高压裂效果并防止破坏筛管；②研究适合于筛管的高精度模拟模型，预测并控制峰值压力和增产效果；③进行地面实验和井下试验，优选既能压开储层又不破坏筛管的火药用量。

2 推进剂火药研发

2.1 火药参数优化

对于爆燃压裂技术，与火药相关的的2个关键参数是火药力和燃烧速度：火药力是单位质量火药所包含的能量；燃烧速度是单位时间火药径向燃烧长度。火药力减小，峰值压力相应减小，将峰值压力控制在1.0～2.0倍地层破裂压力，可保证技术安全性；燃烧速度越小，燃烧时间越长，压裂缝越长，可保证技术有效性[3]。

对海上油田6口井现场应用效果进行了对比分析(表1，表中“(6 MPa)”为环境压力的简写，下同)。由表1可知：采用高燃速、高火药力火药实施的2口井，峰值压力高达132.0 MPa以上，且2口井实施后均出现管柱变形、破损现象，平均单井日增液为115.70 m3/d，平均单井日增油为17.30 m3/d；而采用低燃速、低火药力火药实施的4口井，峰值压力为22.4～80.5 MPa，井下管柱保持完好，平均单井日增液为261.70 m3/d，平均单井日增油为71.80 m3/d。通过对比可知：低燃速、低火药力火药具有降低峰值压力和增产的优势。

表1 爆燃压裂技术现场应用数据Table 1 The field application data of the deflagration fracturing technology

2.2 推进剂火药配方

基于以上认识，研发了HY-1推进剂火药，该火药主要以高氯酸铵、端羟基聚丁二烯、异佛尔酮二异氰酸酯、联二脲等成分为主，通过调节不同物质配方以及粒度等参数，改变火药力和燃烧速度。该火药各项参数性能指标如表2所示。

表2 HY-1推进剂火药性能指标Table 2 The performance Index of HY-1 propellant

3 高精度筛管完井爆燃压裂模拟模型

目前，国内外爆燃压裂模拟模型主要是针对套管射孔井，对筛管完井情况并不适用。为了更好地模拟筛管完井情况，进行了高精度筛管完井爆燃压裂模拟模型研究。

模拟模型主要由火药燃烧模型、压挡液运动模型、液体模型、气体模型、裂缝模型等组成[6-7]，针对筛管完井，除了采用修正后的火药燃烧模型、液体模型、气体模型、裂缝模型外[8-9]，还引入了筛管孔眼压降模型[10]和压挡液柱井斜运动模型。

筛管孔眼压降模型：

(1)

式中：Δp(i)为第i个节点所产生的井内总压降，MPa；ΔpnD(i)为第i个节点所产生的砾石充填层压降，MPa；Δps(i)为第i个节点所产生的筛管孔眼处的压降，MPa；snD(i)为第i个节点的砾石充填层的表皮系数；sp(i)为第i个节点的筛管孔眼处的表皮系数；sSL(i)为第i个节点的综合表皮系数；Qj为液相或气相的流量，m3/s；Bj为液相或气相的体积系数；ηj为液相或气相的黏度，mPa·s；Kj为液相或气相的渗透率，mD；hD为地层厚度，m；j表示液相或气相。

如果井壁与筛管之间没有砾石充填，则可认为ΔpnD(i)=0；如果有砾石充填，则要考虑砾石充填造成的压降，根据Forchheimer方程积分可得到砾石充填层压降表达式。目前，海上油田可进行爆燃压裂的筛管多未进行砾石充填，因此，筛管孔眼压降为：

(2)

压挡液柱井斜运动模型如下。

施工管柱内部：

(3)

施工管柱与套管环空：

(4)

初始条件：

h1(x，0)=0

(5)

边界条件：

(6)

式中：A1为井筒截面积，m2；Kf为体积模量，Pa-1；h1(x，t)为液柱微元在位置为x处、t时刻的位移，m；p(t)为液柱微元在t时刻的压力，Pa；ρ1为液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m2/s；ψ为井斜角，°；λ为摩阻系数；rsin为工艺管柱内径，m；rcin为套管内径，m；rsout为工艺管柱外径，m；L为液柱运移总长度，m。

基于上述模型编制了高精度筛管完井爆燃压裂模拟软件，利用软件对陆上油田N49-1、N49-2 2口井进行了模拟分析(图2)。由图2可知：软件运算结果与压力高速传感器监测结果的模拟精度达到了97%～99%。

图2 爆燃压力曲线Fig.2 The deflagration pressure curve

4 过筛管打靶实验

火药安全用量是指既可压开地层又不破坏筛管的火药用量。为获取火药安全用量，进行了地面打靶实验和井下打靶试验。

4.1 地面打靶实验

实验目的：测定不同推进剂火药用量下实验前后筛管挡砂精度的变化；评价推进剂火药的造缝性能。

实验方法：制作5组Φ244.5 mm套管混凝土靶(套管上焊接有12个泄气孔)，在套管中分别放入Φ139.7 mm挡砂精度为150.0 μm的筛管，在筛管中放置5种不同用量的推进剂火药，安装带有压力测试装置的套管盖帽，随后点火起爆，检测实验后筛管挡砂精度。

与以往地面实验不同之处：采用推进剂火药；水泥靶外径由1.5 m调整为3.0 m；压力测试装置由铜柱测压计调整为精度更高的CY301型压力高速传感器。实验结果见表3、图3。

由表3、图3可知：峰值压力、筛管灼烧面积、挡砂精度与火药用量呈正相关关系；当峰值压力不大于46.8 MPa时，对筛管挡砂精度无影响；推进剂火药的造缝效果较优，外径为3.0 m的水泥靶全部开裂。

图3 地面打靶实验后筛管情况Fig.3 The screen conditions after the ground targeting test

表3 地面打靶实验结果Table 3 The results of ground targeting test

4.2 井下打靶试验

井下打靶试验目的：评价不同火药用量下井下筛管的完好情况以及油井增产效果。试验方法：选择陆地油田N49-1、N49-2 两口Φ139.7 mm套管井作为试验井。N49-1井试验井段为722.0～724.0 m，地层渗透率为0.59 mD；N49-2井试验井段为738.5～744.5 m、721.5～723.0 m，地层渗透率为0.71～0.91 mD。筛管外径为88.9 mm，长度为2.6 m，挡砂精度为150.0 μm。筛管中放置推进剂火药(每一节火药质量为3.2 kg，长度为0.5 m)：N49-1井进行1次试验，放置4节火药；N49-2井进行2次试验，分别放置3节和2节火药。然后将筛管通过变扣与点火器相连，筛管下端连接带有高速高精度压力计的短节进行测压，试验后起出筛管，测试挡砂精度。试验后筛管情况见图4，高精度压力计测试结果见图2，增油效果见表4。

图4 井下打靶试验后筛管情况Fig.4 The screen conditions after downhole targeting test

井下打靶试验结果显示：当每根筛管火药用量为4节和3节时，筛管灼烧及穿孔破坏现象较为明显；当每根筛管火药用量为2节时，即每米筛管火药用量不大于3.2 kg/m(此用量大于地面实验，但峰值压力小于地面实验，根据筛管灼烧情况，判断温度影响因素更大)，试验后测试的筛管挡砂精度为151.8 μm，即当每米筛管火药用量不大于3.2 kg/m时对筛管的挡砂精度没有影响。

考虑井下打靶试验和地面打靶实验的温度、压力双重影响，火药安全用量为每米筛管火药用量不大于3.2 kg/m，且井下峰值压力应小于46.8 MPa与地层压力之和。

由表4可知：2口井分别取得2.7、3.0倍的增产效果，增油效果明显。

表4 井下打靶试验前后产量数据Table 4 The production data before and after the downhole targeting test

5 结 论

(1) 研发了过筛管爆燃压裂工艺，可实现一趟管柱覆盖更多作业井段，提高作业时效。

(2) 研发了径向燃速为3.57 mm/s(环境压力为6.0 MPa)，火药力为669 kJ/kg，耐温可达178 ℃(48 h)的HY-1推进剂火药，产生的峰值压力更低，燃烧时间更长，可提高油井压裂效果并防止破坏筛管。

(3) 引入了筛管孔眼压降模型和压挡液柱井斜运动模型，编制了高精度筛管完井爆燃压裂模拟软件，软件运算结果与压力高速传感器监测结果的准确度达到了97%～99%。

(4) 进行了过筛管地面打靶实验和井下打靶试验，火药安全用量为不大于3.2 kg/m，且井下峰值压力小于46.8 MPa与地层压力之和，可达到既能压开储层又不破坏筛管的效果。

(5) 下步研究方向：更低燃速的液体火药；层内爆燃技术，即将火药泵注至储层中，减少筛管压力冲击的技术。