深井延遲長脈沖燃爆壓裂火藥優(yōu)配與評(píng)價(jià)

任 楊， 吳飛鵬， 蒲春生， 何延龍， 馬 巖， 劉洪志

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580; 2.中原油田井下特種作業(yè)公司， 河南 濮陽 457000)

0 引言

燃爆壓裂主要通過高能火藥在井筒中瞬間燃燒，產(chǎn)生大量高能高壓氣體來破裂地層.該技術(shù)成本低、污染小、工藝簡單，在低滲透、特低滲透油氣藏應(yīng)用較為廣泛[1-5].影響燃爆壓裂施工效果的關(guān)鍵因素之一是火藥爆燃加載時(shí)間，即火藥爆燃速度.

目前成熟燃爆壓裂火藥主要為以雙芳-1和雙芳-3火藥為代表的雙基推進(jìn)劑或復(fù)合推進(jìn)劑[6]，但該類火藥燃燒速度過快(7 MPa壓力下大于16 mm/s)，難以形成安全加載峰值壓力與持續(xù)加載時(shí)間的有效平衡，作用于目的層的有效持壓時(shí)間短，致使壓裂形成的裂縫長度和規(guī)模受限，特別是在深層、超高壓地層中應(yīng)用時(shí)效果不理想，成為燃爆壓裂技術(shù)難以快速擴(kuò)展的關(guān)鍵瓶頸之一.

因此，迫切需要對(duì)目前燃爆壓裂火藥體系進(jìn)行升級(jí)改進(jìn).本文針對(duì)當(dāng)前成熟火箭推進(jìn)劑[7-12]，根據(jù)其燃燒性能、力學(xué)性能和安全性能等參數(shù)初步優(yōu)選了符合延遲長脈沖燃爆壓裂火藥要求的幾種推進(jìn)劑.

1 延遲長脈沖燃爆壓裂火藥的初步篩選

考察發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)改性雙基推進(jìn)劑(XLDB)、復(fù)合雙基推進(jìn)劑(CDB)、端羥基聚丁二烯(HTPB)的耐溫、力學(xué)性能較好，其比沖、燃速和壓力指數(shù)相對(duì)較低，且從未應(yīng)用于燃爆壓裂領(lǐng)域[7,8,11,12].因此，初步選取這三種推進(jìn)劑進(jìn)行燃燒性能評(píng)價(jià).

按照三種推進(jìn)劑的典型配方(表1)制備成圓柱形藥柱，各取5.0 g在20 ℃、7 MPa下采用密閉爆發(fā)器測試它們的壓力-時(shí)間(P-t)曲線，測試結(jié)果如圖1所示.

由圖1可知，達(dá)到峰值壓力前，三種推進(jìn)劑的爆燃加載速率均隨燃燒的進(jìn)行而快速增大，其中XLDB推進(jìn)劑的峰值壓力為156.1 MPa，爆燃時(shí)間為(達(dá)到峰值壓力的時(shí)間)33.6 ms；CDB推進(jìn)劑的峰值壓力為117.3 MPa，爆燃時(shí)間為41.1 ms；HTPB推進(jìn)劑的峰值壓力為147.9 MPa，持壓時(shí)間為66.3 ms.CDB推進(jìn)劑的峰值壓力最小，難以充分破裂深層、超高壓儲(chǔ)層；而HTPB和XLDB推進(jìn)劑峰值壓力接近，能量高，不僅能輕易壓開儲(chǔ)層，而且能擴(kuò)大破裂規(guī)模，易于形成不受地應(yīng)力控制的多條裂縫；HTPB推進(jìn)劑的爆燃加載時(shí)間為XLDB推進(jìn)劑的兩倍，能夠長時(shí)間地作用于地層，加大裂縫的延伸長度和破裂規(guī)模，其性能優(yōu)于其它兩種推進(jìn)劑.

表1 XLDB、CDB、HTPB推進(jìn)劑的典型配方[7,8]

注：PGA，聚己二酸乙二酯；TDI，甲苯二異氰酸酯.

圖1 三種推進(jìn)劑的P-t測試曲線

三種推進(jìn)劑成型固化后經(jīng)側(cè)面包覆置于充氮調(diào)壓式燃速儀中，在20 ℃、3.0～11.0 MPa壓力范圍下，采用靶線法測定推進(jìn)劑燃速(u).測試結(jié)果如圖2所示.

圖2 三種推進(jìn)劑的u-P曲線

由燃速-壓力(u-P)測試可看出，三種推進(jìn)劑的燃速均與壓力成正相關(guān)，相同壓力下，XLDB推進(jìn)劑、HTPB推進(jìn)劑和CDB推進(jìn)劑燃速和壓力指數(shù)依次降低；其中，HTPB推進(jìn)劑燃速和壓力指數(shù)最小，燃燒最穩(wěn)定，同等藥量和壓力下，爆燃加載持壓時(shí)間最長，有利于增大燃爆在深層、超高壓地層中形成的裂縫長度和規(guī)模.

但同時(shí)也注意到，HTPB推進(jìn)劑雖燃爆時(shí)間最長，燃速和壓力指數(shù)最小，但其燃速、壓力指數(shù)還是偏高，可通過調(diào)節(jié)配方比例、加入添加劑等措施優(yōu)化其燃燒和力學(xué)性能.

2 延遲長脈沖燃爆壓裂火藥配方的性能優(yōu)化

降低燃速和壓力指數(shù)的方法中，常用的主要是添加降速劑[13-15].由此，在端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑(HTPB)基礎(chǔ)配方中添加不同種類和組合的添加劑，進(jìn)行降低燃速對(duì)比實(shí)驗(yàn).

延遲長脈沖火藥基礎(chǔ)配方：HTPB(丁羥黏合劑)，9.6%wt；AP，66.5%wt；Al(直徑100～120μm)，16.6%wt；己二酸二辛酯，2.7%wt；降速劑，3.0%wt；甘油單蓖麻油酸酯，1%wt；其它，0.6%wt.

各固體降速劑的處理方法是：首先置于真空烘箱中干燥至少4 h，然后研磨并過25μm的標(biāo)準(zhǔn)篩，最后在85 ℃烘箱中完成烘干和固化.表2是幾種減速劑對(duì)基礎(chǔ)火藥配方的實(shí)驗(yàn)降速效果(溫度20 ℃，壓力7 MPa).

表2 降速劑對(duì)推進(jìn)劑燃速的影響

注：季銨鹽與其它降速劑質(zhì)量之比為1∶4

由表2可得，降速劑的降速率CaC2O4+季銨鹽>SrCO3+季銨鹽>CaCO3+季銨鹽>Ca3(PO4)2+季銨鹽>季銨鹽+LiF.季銨鹽與其它降速劑組合的降速效果優(yōu)于單個(gè)降速劑，具有較好的協(xié)同降速效應(yīng).其中CaC2O4+季銨鹽降速劑組合將火藥在7 MPa下燃速和壓力指數(shù)分別降低至7.24 mm/s和0.258 3，降速幅度達(dá)到21.98%，降速效果最好，燃燒最為穩(wěn)定.故最終優(yōu)選出延遲長脈沖燃爆壓裂火藥配方如表3所示.

表3 延遲長脈沖燃爆壓裂火藥配方

進(jìn)而對(duì)延遲長脈沖燃爆壓裂火藥進(jìn)行從低壓到高壓的u-P測試，結(jié)果如圖3所示.

圖3 延遲長脈沖火藥的u-P曲線

燃速-壓力曲線可以分為四個(gè)階段：0～11 MPa，低壓燃速緩慢上升區(qū)，壓力指數(shù)0.259 4；15～45 MPa，燃速急劇增大區(qū)，壓力指數(shù)0.982 4；50～90 MPa，高壓燃速穩(wěn)定區(qū)，壓力指數(shù)0.187 4； 90 MPa后的燃速快速攀升區(qū)，壓力指數(shù)0.853 7.深層、超高壓油氣井井底壓力一般超過35 MPa，絕大多數(shù)落于45～70 MPa范圍內(nèi)，而延遲長脈沖燃爆火藥在此壓力環(huán)境下處于穩(wěn)定的“平臺(tái)燃燒”區(qū)(壓力指數(shù)<0.2)，燃速36.4～39.5 mm/s，變化幅度小，在深層、超高壓地層有較強(qiáng)的適應(yīng)性.

3 延遲長脈沖火藥與傳統(tǒng)燃爆壓裂火藥燃燒性能對(duì)比

采用常用的燃爆壓裂傳統(tǒng)火藥—雙芳-3火藥作為代表與表3的延遲長脈沖火藥在溫度、壓力等相同條件下進(jìn)行P-t和從低壓到高壓的u-P測試.測試結(jié)果如圖4所示.

(a) 兩種火藥的P-t測試對(duì)比曲線

結(jié)果表明，相對(duì)于雙芳-3火藥142.4 MPa的峰值壓力和36.8 ms的爆燃加載時(shí)間，延遲脈沖火藥的峰值壓力和爆燃加載時(shí)間分別達(dá)到152.5 MPa和78.1 ms，均高于前者，燃爆加載時(shí)間增長了112.28%.此外，兩者的燃速均隨壓力的升高而增大，且前者一直大于后者，深層、超高壓地層井底壓力環(huán)境下(45～70 MPa)，雙芳-3火藥燃速高達(dá)78.3～85.4 mm/s，是延遲長脈沖火藥燃速36.4～39.5 mm/s的兩倍多.因此可以看出，在持壓時(shí)間和地層壓力下的燃速這兩個(gè)燃爆壓裂火藥最重要的參數(shù)上，延遲長脈沖火藥均遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)火藥雙芳-3.

4 延遲長脈沖火藥的安全性評(píng)價(jià)

(1)機(jī)械感度(撞擊、摩擦)

撞擊(摩擦)感度的表征采用爆炸概率法[16]，每組(一組20次)實(shí)驗(yàn)的爆炸概率按下式計(jì)算：

(1)

式中：P為爆炸概率；X為20次實(shí)驗(yàn)中發(fā)生爆炸的次數(shù).

a.撞擊感度實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)裝置為WL-1型立式落錘儀；落錘質(zhì)量為10.00±0.010 kg；樣品質(zhì)量為25±0.5 mg；落高為20±1 cm；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為特屈兒；溫度為20 ℃.

b.摩擦感度實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)裝置為WM-1型摩擦感度儀；擺角為95±1 °；表壓(樣品實(shí)際壓力)為4.90±0.07 MPa；樣品質(zhì)量為30±0.5 mg；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為特屈兒；溫度為20 ℃.

實(shí)驗(yàn)中若觀察到發(fā)光、冒煙、樣品變色、和樣品接觸的滑柱面有蝕燒痕跡、聽到有爆炸聲或聞到有樣品分解產(chǎn)物的氣味等任一現(xiàn)象，則認(rèn)定為爆炸，否則認(rèn)為不爆.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4 延遲長脈沖火藥撞擊感度和摩擦感度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

延遲長脈沖火藥的撞擊感度和摩擦感度均低于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)特屈兒，在正確運(yùn)輸和操作使用過程中是安全、可靠的.

(2)耐溫感度

深層油氣井目的儲(chǔ)層溫度高(地溫梯度一般為3 ℃/100 m)故延遲長脈沖火藥必須具有良好耐熱性能，以防其在較高溫度下貯存和使用時(shí)物理化學(xué)性能發(fā)生改變.耐溫性的測試實(shí)驗(yàn)采用差熱分析法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Shimdauz DAT-50差熱分析儀和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng).

實(shí)驗(yàn)條件：升溫速率為10 ℃/min；參照物為α-Al2O3；工作氣氛為氮?dú)?；流速?5 mL/min.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和表5所示.

圖5 延遲長脈沖火藥的DTA曲線

樣品藥量/mg分解起始溫度/℃放熱曲線峰溫/℃延遲長脈沖火藥1.02151.3249.8

延遲長脈沖火藥在低于150 ℃的升溫過程中基本沒有放熱或吸熱現(xiàn)象出現(xiàn)，但在151.3 ℃開始分解，在250 ℃以后開始急劇放熱并于249.8 ℃時(shí)達(dá)到放熱峰值.因此延遲長脈沖火藥在低于151.3 ℃的環(huán)境溫度下是穩(wěn)定、安全的.

5 結(jié)論

(1)HTPB推進(jìn)劑峰值壓力高、爆燃加載持壓時(shí)間最長、燃速最小，最符合深層、超高壓地層燃爆壓裂對(duì)火藥燃燒性能需求，適用作延遲長脈沖火藥的基礎(chǔ)配方.

(2)CaC2O4+季銨鹽的降速劑組合降速幅度達(dá)21.98%，降速效果最好，燃燒最穩(wěn)定.由此優(yōu)選并確定了延遲長脈沖燃爆壓裂火藥的配方.

(3)測試表明，該延遲長脈沖火藥無論是爆燃加載有效持壓時(shí)間還是地層壓力條件下的燃速等參數(shù)方面均優(yōu)于傳統(tǒng)燃爆壓裂火藥雙芳-3.

(4)該延遲長脈沖火藥適用于深層、超高壓油氣井的燃爆壓裂作業(yè)，有利于目的層多裂縫的形成和延伸拓展，增大與天然裂縫溝通的概率，為后續(xù)水力壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)甚至體積縫網(wǎng)創(chuàng)造良好條件.

(5)該延遲長脈沖火藥能經(jīng)受住井下高溫環(huán)境，正確的運(yùn)輸和使用過程中安全、可靠.

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