爆燃压裂酸化技术在海上油田的研究及应用

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　　摘 要:海上油田低渗储层规模大,动用程度低,挖潜技术手段有限。而采用常规的酸化解堵等措施通常表现为施工压力高、注入排量低,酸液等解堵工作液难以注入储层等问题,同时措施受限于平台空间,实施效果较差。为了解决这一难题,结合文献调研、海上油田的储层物性及平台作业空间等实际情况,提出了一种针对海上低孔低渗储层的爆燃压裂技术,并形成了海上油田相应的工艺设计方法和安全保障措施,创新性地将爆燃压裂措施与酸化工艺进行联作,利用酸化实现对爆燃的增效作用,解决了低渗储层单纯酸化压力高效果差的问题。同时利用研究成果对C37H井进行了爆燃压裂工艺设计,确保井下管柱安全性的前提下,设计最优火药用 量,最大限度地保障措施效果。目前该技术已经在海上油田一共应用21井次,均取得了显著的增产增注效果。

　　关键词:海上油田;低渗挖潜;爆燃压裂酸化;数值模拟;应用分析

　　论文《爆燃压裂酸化技术在海上油田的研究及应用》发表在《精细与专用化学品》，版权归《精细与专用化学品》所有。本文来自网络平台，仅供参考。

　　收稿日期:2024-10-21

　　作者简介:苏毅(1981-),男,大学本科,高级工程师,毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,目前从事开发开采专业研究。

　　中国海上低渗油田储层规模大,动用程度低, 挖潜技术手段有限,同时低渗透开发常用的水力压 裂措施受到平台空间的极大限制。以往此类油田多 采用酸化措施进行处理,然而常规酸化措施并不能 取得预期的效果,需结合具备储层改造效果的措 施进行联作,才能取得更好的效果。爆燃压裂技术 具备低成本、快速实施和占用空间小等特点,特别 适合与酸化进行联作以改善低渗储层物性条件以及解除堵塞。

　　目前,爆燃压裂技术的发展主要集中在爆燃含 能材料(火药、推进剂等)特性研究、爆燃实验和 数值模拟3个方面。

　　在含能材料研究方面,Cui 利用数值模拟方 法分析了推进剂绝热层Ⅱ型断裂的粘弹性黏结区在 不同受力情况下的变化。王峰等测试分析了2种 不同基础燃速高能固体草酸铵推进剂(HTBP)的 燃烧特征,并得出最优的装药方案。齐会等设计 了一套爆燃压裂用的固体推进剂的测试装置并利用 该装置测试了几种固体推进剂的燃烧特征曲线。 Martínez等进行了低、中应变率下固体推进剂结 构完整性的粘弹性断裂力学评价。

　　爆燃实验研究最早由美国sandia实验室开展, Chen对实验结果结合岩石力学方法进行了总结 分析,Jiang等进行了一系列甲烷爆燃压裂水泥 靶实验,分析了不同条件下所形成的裂缝条数及长 度。Wang等开展了地面甲烷打靶实验,获得了 甲烷爆燃过程的压力变化过程以及裂缝形态分布。

　　在数值模拟研究方面,黄波等提出了1套适合于海上油田的爆燃压裂数值模型, 该模型包含了火药燃烧模型、压力计算模型、压挡 液柱运动模型以及裂缝参数计算模型。孙林 等对爆燃压裂模型根据量纲分析对模型进行 修正,提高了模型的准确性和实用性,并进行了地 面打靶实验和平台现场实验,验证了模型。田 怡萍针对裂缝扩展模型的研究完善了爆燃压裂 裂缝计算模型。易飞等和黄波利用模型对火 药、完井等参数进行了正交分析,鲁坤等和王 磊等提出了爆燃压裂过程中的安全控制方法。 Li等结合爆燃形成的裂缝参数以及措施之后 的生产情况,建立了1套爆燃压裂增产倍比预测模 型。Wang等建立1套考虑气体冲击波的气体驱 动爆燃压裂数值模拟方法。Wu等归纳总结形成 了1套能够适合现场应用的爆燃压裂数值模拟模 型。Jaimes等利用CDEM方法模拟了爆燃压 裂在页岩水平井当中分段执行过程。

　　本研究针对海上油田的低渗储层特征以及措施 的特点,结合海上油田常规的酸化措施的问题,首 次开发出一种爆燃压裂酸化联作工艺。该工艺在确 保井下管柱安全性的前提下,设计最优火药用量, 最大限度地保障措施效果。目前该技术已经在海上 油田总共应用21井次,均取得了显著的增产增注 效果。

　　1 海上油田储层特征

　　1.1 低渗储层存在的问题

　　低渗储层常规酸化效果往往不佳,如D-2井注 酸时泵压高达3500psi,泵排量仅为0.5bpm,酸化 后,含水达100%,由于供液不足关井。因此,在 酸化工艺研究方面,需要采用工艺措施增强常规酸 化对储层的改造能力。

　　对于低渗透储层,物性问题是影响酸化效果的 主因。对于物性改造技术,常见的有水力压裂和酸 压2种工艺,但对于陆丰13-1、惠州19-1/2这些 油田低渗储层来说,这些工艺受储层底水、储层薄 等物性条件的限制,造缝容易沟通底水影响生 产,因此需要1种不会沟通底水的改造技术,来替 代或增强常规酸化的效果。

　　1.2 目标井低产低效原因

　　海上XL油田C37H井属于致密砂岩储层,其 渗透率为3.5mD,孔隙度为12%。由于该井采用 衰竭式开采无注水井,地层压力传导受限,地层中压力降幅很小,即便有注水井,建立注采井间有效驱替压差难度大,导致地层能量 低,故该井采用压裂投产,投产当日日产液 (132.3 ~m^{3}) , 含水54.2%。但是该井投产之后油压 产液量、产油量和产气量下降较快,自然递减 率大。期间通过开大油嘴尝试提高产量,但效果不理 想。也采用连续油管解堵措施作业,以期解除生产 管柱内可能存在的蜡堵情况,但实施后无明显增产 效果。

　　该井生产期间多次因泵腔内被油泥堵塞,导致 泵卡、井口无液、电机温升高停井。吸油分离后, 发现固体颗粒物存在很多铁屑,观测占总体积的 3%~5%。剩余样品中有2%~3%的陶砾,其成 分主要为二氧化硅,与单纯陶砾的基本成分一致。 其他成分主要为氧化铝、氧化钙和氧化铁等。通 过全岩分析表明该岩石主要含石英、钾长石和斜 长石。

　　2 爆燃压裂酸化技术

　　低渗油气层的工业性开发离不开有效的增产措 施,主要采用的方法是使地层产生人工裂缝。爆燃 压裂具有不受地应力影响,不会沟通底水等特征, 作为成本低、污染小、工艺简单的油水井储层改造 措施,在低渗透、特低渗透油气藏中已获得较为广 泛的应用。

　　爆燃压裂技术是利用火药或火箭推进剂在 储层部位燃烧产生的高温高压气体压出多条径向裂 缝,产生的裂缝不沿着最大主应力方向扩展,裂缝张开之后壁面受到剪应力的作用发生错动,导致压力卸载之后裂缝无法完全 闭合。同时利用高温和酸性气体刻蚀裂缝以及自 支撑的方式保持裂缝流动通道,以取得增产增注 的效果。

　　目前,针对海上油田的特征,形成了四个方面 的相关技术。

　　2.1 爆燃压裂数值模拟技术

　　爆燃压裂数值模拟是利用模型和数学方法描述 井下爆燃压裂过程,得到井下爆燃压裂过程中参数变化的技术。模拟计算的结果能够用于指导火药设 计与选择、管柱校核、裂缝参数控制以及增产情况 分析。同时由于海上油田完井方式多样化, 海上油田爆燃压裂措施对安全性和可靠性要求更 高,所以海上油田爆燃压裂的设计及施工更需要数 值模拟技术的参与。

　　爆燃压裂模拟理论起源于与现场实际工艺的结 合,在早期由西安石油大学王安仕等率先将技 术引进国内,并根据岩石力学理论建立了第一代模 型,该模型为基于有限元方法的爆燃压裂数值模拟 模型。由于第一代模型过于复杂和理论化,不适合 用于指导现场工程,吴飞鹏基于室内实验得到 的一系列经验公式,提出了爆燃压裂多级耦合的思 想作为第二代模型。但是第二代理论不完整,不能 很好描述裂缝起裂和延伸以及压力分布等问题,为 此,吴飞鹏等在耦合分析的基础上进一步完善了爆 燃压裂过程中的裂缝参数的变化模拟理论,并通过 室内实验优化了理论对裂缝条数的计算,提出了更 为准确的第三代模型。它是通过在井下火药燃 烧产生高温高压气体,压开储层,形成多条裂缝, 从而实现储层改造的目的。

　　根据爆燃压裂井下物理过程,建立爆燃动态 变化模型,可得到井筒压力变化主方程式：

　　式中: (d p / d t) 为压力随时间的变化率,Pa/s;p 为气体燃烧腔室压力,Pa; f 为火药力,J/kg; ( ho_{n}) 为火药密度, (kg / m^{3}) ; n 为火药总质量,kg; Ψ 为火药燃烧比例,无量纲; γ 为绝热系数; q 为传 热量,J; S 为井筒横截面积, (m^{2}) ; v 为液柱运动 速度,m/s; V 为液体进入裂缝的体积, (m^{3}) ; (P_{tg }) 为套管外部气体压力,Pa; (V_{t}) 为进入裂缝的气体 体积, (m^{3}) ; (V_{Psi}) 为火药柱燃烧掉的体积, (m^{3}) ;x为 液柱向上运动的距离, m。

　　离散计算方式按照微分方程显式离散求解规 则,将主方程离散之后可以得到的离散格式：

　　式中:上标 k 为当前时刻的量(已知), (k+1) 为下一时刻的量(未知待求)。

　　方程组中的其他辅助方程均采用这种方法进行 离散,可以按照常规方法进行求解。

　　2.2 爆燃压裂火药优选技术

　　在爆燃压裂设计与实施的过程中,火药优选是 很重要的一个环节。通过选择不同燃速、不同形状 的火药,能够控制爆燃压裂过程中的峰值压 力、裂缝形态等参数。

　　在火药优选过程中,需要结合效果和安全风 险这2个方面因素进行综合分析。采用不同的火 药参数进行了爆燃压裂火药的优化模拟。

　　由模拟结果可知,火药半径越大、燃速越慢、 火药力越低,峰值压力相对控制越好,但为了达到一定造缝效果,需要适当增加火药用量。从安全角度考 虑控制,海上油田推荐采用大尺寸、低火药力 和低燃速的火药。

　　2.3 爆燃压裂安全性保障技术

　　海上油田对作业安全性要求高,爆燃压裂作为 一项增产增注的储层改造措施,主要从以下两个方 面进行安全性分析。

　　2.3.1 套管安全性

　　井下套管必须在爆燃压裂过程中保持完整性。 根据美国sandia实验室所做的地下套管爆燃压裂 实验可知,套管在不同的深度情况下具有不同的安 全压力值,判断规则按照式(3)进行：

　　[Delta p=p_{s}-p_{f} leq p_{i} ag{3}]

　　式中, (Delta p) 为峰值压力和地层破裂压力的差 值,MPa; (p_{p}) 为爆燃压裂过程中的峰值压力 MPa; (p_{1}) 为地层破裂压力,MPa; (p_{i}) 为套管抗 内压强度,MPa。

　　计算需要配合套管的抗内压值和 固井质量综合考量,满足施工条件才能确保作业安 全。其次在施工时需要对套管进行提前试压,防止 使用时间较长的老套管,使得抗压能力变弱,进而 出现破损情况。

　　2.3.2 井口泄压安全

　　爆燃压裂过程中,压力会经由压挡液柱和入井 管柱进行传递,井口泄压是保障爆燃压裂安全实施 的重要方式。

　　陆地爆燃实验结果显示：当不灌满液时,井口未发生喷溅;当灌满液时地面出现短时高水柱。在海上油田施工时,可以采用管汇 放喷至泥浆池的方式解决井口喷液,防止平台油垢 污染。此外,海上油田在施工作业时,采用延时起 爆方式,使用油管加压或电缆点火后,5~7min后 才进行引爆,以确保预留出足够的安全预警时间。

　　2.4 爆燃压裂酸化联作技术

　　对于低渗油田开发,常规酸化施工时,通常表 现为施工压力高、注入排量低,酸化无法对储层实 现解堵,导致酸化后无法实现有效的增产增注。

　　爆燃压裂酸化联作增产技术,即使用物理和化 学的复合方法进行增产。物理即爆燃压裂能使地 层形成辐射状多裂缝油流通道,增强酸液注入能 力,扩大酸化半径;化学即酸化能解除近井堵 塞,沟通渗透通道,进一步防止裂缝闭合,增强 物理效果。

　　海上低渗油田存在低渗、泥质以及钻井液污染 等综合问题,并且常规酸液溶蚀率低,仅为6%~ 9%,酸液挤注困难。

　　根据多体系融合协同效应原理,以2种无机酸“盐酸”、“氟硼酸”以及一种 有机酸“改性硅酸” 为主剂原材料,通过系列实 验,优化配方组成,形成复合高效酸液体系。复 合高效酸液体系主要具备4个方面的优势:①能够 很好的溶蚀泥质、钙质;②能溶蚀近井 地带堵塞物;③具备溶解重质有机质成分;④具备较强洗油能力。

　　溶蚀对比实验表明,NHD-G2(复合高效酸)对岩屑溶蚀率适中,不会产生欠溶蚀或者过溶蚀现象,是适配性最优的酸液体系。动态驱替实验证明该体系可有效解除黏土、钻完井液等造成的堵塞,降低驱替压力,可与爆燃压裂实现协同增效。

　　现场应用数据表明,爆燃压裂与酸化联作可逐层深化改造效果,大幅提升油井产液、注水井注入能力。截止2024年9月底,该技术在海上油田累计应用21井次。其中3口长期关停井,关停时长13~27个月,经多项常规措施治理均无效,采用本工艺后两年累计增油 (17. 98 ×10^{4} ~m^{3}) ,原油增产倍比达4倍以上,投入产出比高于1:5,同时成功规避底水窜问题,综合应用效果突出。

　　3 C37H井爆燃压裂适应性分析及工艺方案

　　C37H井射孔层位位于水平段,井斜角较大,因此选用钻杆爆燃工艺开展施工。结合该井岩石物性、井筒参数等基础数据开展数值模拟。

　　模拟结果显示：随着火药用量增加,爆燃峰值压力、裂缝长度、增产倍比同步提升。结合设计规范,峰值压力控制在地层破裂压力1.2~1.5倍为最优区间,综合施工安全与改造效果,确定选用25kg火药。经套管安全校核,该药量下井筒压力余量充足,满足安全施工要求。

　　C37H井按照方案实施分层爆燃压裂作业后,成功复产, 产液量为 (152 ~m^{3} / d) , 产油量为 (1323 ~m^{3} / d) , 施工后无出砂现象,增产效果显著。

　　4 结论

　　(1)针对海上油田低渗透储层薄、临近底水,常规酸化措施应用受限的难题,研发爆燃压裂酸化联作技术。该技术结合物理造缝与化学溶蚀优势,有效解决单纯酸化压力高、效果差的问题,提升低渗储层改造效果。

　　(2)形成配套的数值模拟、火药优选、井下安全保障等系列技术体系,保障工艺在海上平台安全落地,现场应用验证技术增产增注能力突出。

　　(3)以C37H井为实例完成工艺优化设计,优选25kg最优火药用量,施工后油井顺利复产,增产效果明显。

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