爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)在海上油田定向井多層合采中的應(yīng)用

李凡，曹衛(wèi)東，孫玉華，陳康，江華，李少偉

（1.中國海洋石油有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.中國石油玉門油田分公司油田作業(yè)公司，甘肅 玉門 735200；3.中石化經(jīng)緯有限公司中原測(cè)控公司，河南 濮陽 457001；4.通源石油科技集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)是采用特制火藥（推進(jìn)劑）在井筒中燃燒產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)高壓氣體對(duì)地層進(jìn)行的壓裂[1-2]。相比水力壓裂，爆燃?jí)毫丫哂袎毫ι仙俣瓤臁⒎逯祲毫Ω叩奶攸c(diǎn)，在近井地帶能夠有效控制裂縫走向。動(dòng)態(tài)壓力的沖擊加載能使近井地帶產(chǎn)生徑向的輻射狀裂縫，裂縫長度一般可達(dá) 5～10 m[3-4]。從 20世紀(jì) 80年代國內(nèi)陸上油田爆燃?jí)毫训?口井至今，該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外低滲油藏中規(guī)?；瘧?yīng)用，增產(chǎn)效果顯著，成為低滲油藏改造中一種行之有效的措施[5-10]。目前國內(nèi)外一趟作業(yè)多層同時(shí)施工的應(yīng)用案例相對(duì)較少。爆燃?jí)毫岩话阌?個(gè)點(diǎn)來起爆，1個(gè)起爆點(diǎn)的火藥起爆后，能量作用范圍可覆蓋附近8～10 m長度的井筒。壓裂改造層位之間的夾層厚度小于6 m時(shí)，一般1個(gè)點(diǎn)起爆的作用效果可完全覆蓋各層；夾層厚度大于6 m時(shí)，則需要對(duì)各層分別施工才能滿足壓裂效果。多層同時(shí)施工，作用能量較大，火藥質(zhì)量控制不當(dāng)，會(huì)發(fā)生作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。如何在保證作業(yè)安全的前提下實(shí)現(xiàn)作業(yè)效果最優(yōu)，成為油井作業(yè)的核心問題。

1 油藏特征

1.1 A油田油藏地質(zhì)概況

A油田位于珠江口盆地北部凹陷帶，油源充足，距香港約200 km，所在海域水深90～95 m。A油田構(gòu)造是發(fā)育在基底隆起背景上的、受1組右行雁列式帚狀斷層所控制的低幅度斷背斜構(gòu)造，走向呈SWW—NEE向，圈閉整體上在構(gòu)造高部位地層傾角較小，在主體部位地層較為平緩。A油田主要含油層段為海相三角洲前緣沉積，發(fā)育三角洲前緣水下分流河道、河口壩和席狀砂沉積。儲(chǔ)層巖性主要為長石石英砂巖，分選性為差—好，膠結(jié)類型為孔隙型膠結(jié)，孔隙類型主要為粒間孔，儲(chǔ)層孔隙較發(fā)育。A油田主要發(fā)育構(gòu)造油藏、巖性-構(gòu)造油藏和巖性油藏，其中以構(gòu)造油藏為主。油層段埋深約1 200～1 400 m。剖面上，含油井段長，含油層數(shù)較多，各油藏之間均有一定厚度的穩(wěn)定泥巖分隔，形成多套各自獨(dú)立的油水系統(tǒng)；平面上，受斷層和儲(chǔ)層物性變化控制，主井區(qū)與其他井區(qū)分隔。

1.2 C1井儲(chǔ)層情況

本次實(shí)施補(bǔ)孔的L11，L14，L17層均為邊水油藏，其中L14，L17層實(shí)施爆燃?jí)毫选脑透邏何镄苑治鼋Y(jié)果來看，原油具有高密度、低含硫的特點(diǎn)，地層原油黏度110～280 mPa·s，原油性質(zhì)隨埋深增加變化不大，為重質(zhì)稠油。儲(chǔ)層物性中等，屬于中孔、中滲儲(chǔ)層，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。L14層孔隙度為25.5%，滲透率為350.8×10-3μm2，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 24.7%，地層破裂壓力為 21.66 MPa；L17層孔隙度為 26.5%，滲透率為320.6×10-3μm2，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 18.6%，地層破裂壓力為22.24 MPa。

2 爆燃?jí)毫央y點(diǎn)與技術(shù)

2.1 爆燃?jí)毫阎饕y點(diǎn)

由于C1井產(chǎn)量下降，需要通過補(bǔ)孔+爆燃?jí)毫迅纳平貛B流能力，以提高單井產(chǎn)量和油田采出程度。根據(jù)C1井的基本資料，目前C1井的3個(gè)主力層（L11，L14，L17）中，考慮到 L17 層厚度最大且處在下部，L11層在上部，為了提高作業(yè)效率和成功率，優(yōu)選L14，L17層進(jìn)行爆燃?jí)毫迅脑臁?個(gè)層位總跨度43.5 m，中間夾層厚度31.9 m。由于海上作業(yè)對(duì)施工周期的要求，本次爆燃?jí)毫研枰?個(gè)層位同時(shí)施工，分別施工和同時(shí)施工的對(duì)比見表1。如果火藥質(zhì)量控制不當(dāng)，可能會(huì)造成掉槍的安全風(fēng)險(xiǎn)。所以，如何準(zhǔn)確計(jì)算與控制施工火藥質(zhì)量，且保證施工效果良好，成為本次作業(yè)的難題。

表1 爆燃?jí)毫?種方案對(duì)比

2.2 爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)

為了解決以上施工難題，在保證施工安全及作業(yè)效果的前提下，首先，選擇性能參數(shù)合適的爆燃?jí)毫延玫腿妓倩鹚嶩TPB，運(yùn)用火藥燃燒壓力公式計(jì)算不同質(zhì)量火藥的峰值壓力，根據(jù)峰值壓力情況選擇有效的施工火藥質(zhì)量；然后，校核套管和作業(yè)管柱的安全；最后，通過“海上油田爆燃?jí)毫涯M軟件”對(duì)L14，L17層的爆燃?jí)毫堰M(jìn)行模擬計(jì)算，預(yù)估2個(gè)層位同時(shí)施工后的增產(chǎn)情況。

2.2.1 不同質(zhì)量火藥燃燒后的峰值壓力

在不考慮射孔孔眼泄壓的情況下，通過修正密閉容器的最大內(nèi)壓公式，可以得到井筒火藥產(chǎn)生的壓力。對(duì)一個(gè)不泄氣的密閉容器，火藥燃燒后產(chǎn)生的壓力[11]為

式中：p為火藥燃燒壓力（即理論峰值壓力），MPa；F為火藥力，J/kg；m0為初始火藥質(zhì)量，kg；V 為密閉容器體積，m3；α 為火藥余容，m3/kg。

利用式（1），代入 HTPB 火藥力 85 000 J/kg，分別計(jì)算 10，15，20，25 kg火藥的峰值壓力，再結(jié)合實(shí)測(cè)峰值壓力加以修正，結(jié)果見圖1。

圖1 單層峰值壓力與火藥質(zhì)量的關(guān)系

2.2.2 施工火藥質(zhì)量

根據(jù)目前國內(nèi)外爆燃?jí)毫逊逯祲毫刂品秶?，C1井爆燃?jí)毫褑螌臃逯祲毫稍O(shè)計(jì)為

式中：pp為進(jìn)入套管環(huán)空的峰值壓力，MPa；a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值 1.2～1.5；pf為地層破裂壓力，MPa。

由此可知，L14層需要的峰值壓力為25.99～32.49 MPa，L17層需要的峰值壓力為 26.69～33.36 MPa。由圖1可知，單層15 kg火藥的峰值壓力為27.55 MPa，所以2個(gè)層位各15 kg火藥能滿足峰值壓力要求，火藥燃燒作用時(shí)間也滿足施工需求，故C1井L14，L17層一次作業(yè)同時(shí)施工，火藥質(zhì)量選擇30 kg。

2.2.3 安全校核

目前，國內(nèi)安全校核通常采用剛體壓擋液運(yùn)動(dòng)模型[12-14]，而壓擋液為可壓縮流體，無法計(jì)算液柱中壓力分布及衰減情況[15]。故可假設(shè)L14，L17層火藥燃燒產(chǎn)生的峰值壓力在疊加處最大而無衰減，即疊加處最大峰值壓力為2個(gè)層位火藥燃燒峰值壓力之和，以此來進(jìn)行套管和作業(yè)管柱安全校核。

2.2.3.1 套管安全校核

爆燃作業(yè)對(duì)油井的生產(chǎn)套管具有一定沖擊，造成套管損傷的主要因素是套管內(nèi)外的壓差：

式中：△p為爆燃后套管環(huán)空壓力與地層破裂壓力之差，MPa。

壁厚11 mm、鋼級(jí)1Cr-L80的φ244.45 mm套管最小抗內(nèi)壓強(qiáng)度值為39.6 MPa。由式（3）計(jì)算可知，△p約等于35.0 MPa，故△p小于39.6 MPa，因此可判斷壓力疊加處套管處于安全狀態(tài)。

2.2.3.2 作業(yè)管柱安全校核

該井爆燃?jí)毫询B加處峰值壓力最大可達(dá)55.10 MPa，除了對(duì)套管產(chǎn)生沖擊外，還會(huì)對(duì)作業(yè)管柱產(chǎn)生沖擊。利用材料力學(xué)的薄壁應(yīng)力計(jì)算公式，可以判斷作業(yè)管柱安全[16]。

根據(jù)以上模擬計(jì)算結(jié)果，分析判斷2個(gè)層位同時(shí)進(jìn)行爆燃?jí)毫炎鳂I(yè)可行，即一次作業(yè)同時(shí)施工L14，L17層，2個(gè)層位爆燃?jí)毫褬屩虚g用高強(qiáng)度夾層槍連接，爆燃?jí)毫褬尲皧A層槍內(nèi)用導(dǎo)爆索貫穿2個(gè)層位同時(shí)起爆。為進(jìn)一步降低爆燃對(duì)施工管柱的向上沖擊力，起爆器上端增加3組減震器。

2.2.4 模擬計(jì)算

通過“海上油田爆燃?jí)毫涯M軟件”輸入2個(gè)層位的地層參數(shù)和井筒參數(shù)等數(shù)據(jù)（以L17層為例，見表2、表3），對(duì)L14，L17層按照2個(gè)層位各15 kg火藥進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果顯示：L14，L17層的峰值壓力分別為27.13，30.40 MPa，火藥燃燒作用時(shí)間分別達(dá)到369，578 ms，裂縫長度分別為6.43，10.59 m，最終日產(chǎn)油量分別提高1.65，1.83倍。模擬結(jié)果顯示，爆燃?jí)毫咽┕ず?，產(chǎn)量可以提高約1.7倍。

表2 C1井L17層爆燃?jí)毫训牡貙訁?shù)

表3 C1井L17層爆燃?jí)毫训木矃?shù)

3 施工作業(yè)流程

3.1 通洗井及下槍作業(yè)

首先對(duì)整個(gè)井筒進(jìn)行通洗井作業(yè)，保證井筒內(nèi)壁干凈無異物，然后按照設(shè)計(jì)方案依次下入壓裂槍和夾層槍，壓裂槍最上端連接延時(shí)裝置和起爆器，起爆器上端接3組減震器，最后下入鉆具組合，下入鉆具時(shí)控制下鉆速度。

3.2 校深及點(diǎn)火起爆

壓裂槍下入預(yù)定位置后，進(jìn)行校深及調(diào)整管柱作業(yè)。調(diào)整好后，鉆桿連接現(xiàn)場(chǎng)施工管線，為了防止起爆時(shí)井內(nèi)液體噴到鉆臺(tái)，環(huán)空必須掏空一定高度的液體。起爆時(shí)鉆桿內(nèi)加壓速度平穩(wěn)，關(guān)注泵壓力表的變化。在等候延時(shí)的同時(shí)，迅速打開鉆桿與泥漿池之間的閥門，使得爆燃?jí)毫褧r(shí)鉆桿內(nèi)及環(huán)空的液體流至泥漿池。

3.3 起出及檢查爆燃情況

起爆完成后，立即將壓裂槍提出射孔井段，以免發(fā)生套變、砂埋卡槍。觀察2 h，記錄油壓及套壓，如無異常，注頂替液循環(huán)1周后起出爆燃?jí)毫压苤針寱r(shí)注意指重計(jì)變化。壓裂槍提出井口時(shí)，由專業(yè)人員確認(rèn)無殘留火藥后，再進(jìn)行拆槍作業(yè)。

4 爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)應(yīng)用效果

C1井2個(gè)層位同時(shí)爆燃?jí)毫咽┕ぃ侠砜刂屏嘶鹚幏逯祲毫ΟB加的問題，使得每層的施工效果達(dá)到預(yù)期。補(bǔ)孔+爆燃?jí)毫咽┕ず?，日產(chǎn)油量提高8～12倍，增油效果顯著，具體作業(yè)前后日產(chǎn)油量對(duì)比見表4。

表4 C1井爆燃?jí)毫炎鳂I(yè)前后日產(chǎn)油量對(duì)比

截至2020年12月底，爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)在海上油田4口井中成功進(jìn)行了應(yīng)用。除C1井外，其余3口井施工后也達(dá)到了預(yù)期效果，日產(chǎn)油量提高6倍以上，具體井況及作業(yè)前后日產(chǎn)油量對(duì)比見表5。

表5 海上油田爆燃?jí)毫丫疀r及作業(yè)前后日產(chǎn)油量對(duì)比

5 結(jié)論

1）針對(duì)爆燃?jí)毫讯鄬油瑫r(shí)施工的難題，突破以往思路和限制條件，結(jié)合海上油田儲(chǔ)層物性和層段距離，優(yōu)選作業(yè)層位；根據(jù)地層破裂壓力和火藥燃燒峰值壓力，選擇有效的施工火藥質(zhì)量，優(yōu)化后的施工管串結(jié)構(gòu)安全可靠。這說明采用一趟作業(yè)2個(gè)層位同時(shí)爆燃的設(shè)計(jì)思路是正確的。

2）合理有效控制施工火藥質(zhì)量是爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)在定向井多層合采中成功應(yīng)用的關(guān)鍵。爆燃?jí)毫涯M計(jì)算可為設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)控制提供理論依據(jù)。施工應(yīng)用表明，爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)的增產(chǎn)效果顯著。