張 杰， 黃利平， 周際永， 孫 林， 馮 煊， 張 鑫

(1西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 3西安石油大學(xué)油氣科技有限公司)

高能氣體壓裂作為一項(xiàng)油氣井增產(chǎn)技術(shù)措施，由于其升壓速率快，可形成多方位的裂縫體系，解除地層污染、溝通天然裂縫，改善近井地帶儲(chǔ)層滲流能力，已在我國(guó)進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。但目前應(yīng)用的絕大多數(shù)為套管完井，篩管完井的則很少，幾乎未見報(bào)道[1]，而我國(guó)現(xiàn)有大量的篩管完井需要進(jìn)行儲(chǔ)層增產(chǎn)改造。高能氣體壓裂技術(shù)能否在篩管完井的井中進(jìn)行應(yīng)用、能否在地層中產(chǎn)生裂縫及能否對(duì)篩管產(chǎn)生破壞等方面需要進(jìn)行研究。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

篩管完井高能氣體壓裂的過程十分復(fù)雜，具有沖擊破巖的瞬態(tài)性、復(fù)雜性，及難以用理論精確描述的特點(diǎn)[2]，模擬實(shí)驗(yàn)是研究篩管完井高能氣體壓裂的有效手段。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱四M井下篩管完井爆燃?jí)毫鸭夹g(shù)可行性及對(duì)篩管防砂性能的影響，必須盡可能的模擬井下篩管完井爆燃?jí)毫训膶?shí)際情況：①峰值壓力高于地層破裂壓力；②加載速率快。根據(jù)火藥的燃燒特性，模擬實(shí)驗(yàn)的火藥必須在有限的、密閉環(huán)境下進(jìn)行，同時(shí)當(dāng)壓力達(dá)到了一定的值后要有壓力釋放的通道，實(shí)驗(yàn)選取具有套管固井的帶圍壓水泥靶進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由水泥靶、壓力發(fā)生器、壓力測(cè)量、溫度測(cè)量等系統(tǒng)組成。

水泥靶是模擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水泥靶齡期為60 d，其外圍用鋼板箍緊，外徑為3.5 m，中心安置?244.5 mm套管，長(zhǎng)1.2 m，套管周圍開有直徑為5 mm、相位30°的泄氣孔，套管兩端加工有絲扣，一端用端蓋擰緊預(yù)制于混凝土中，另一端絲扣露在混凝土外面，實(shí)驗(yàn)時(shí)用端蓋密封。在套管外澆鑄0.2 m厚的水泥環(huán)(澆鑄時(shí)泄氣孔外用膠密封，防止水泥漿進(jìn)入泄氣孔而堵塞泄氣通道)，然后在水泥環(huán)與鋼板之間澆鑄水泥砂漿以模擬地層巖石。

壓力測(cè)量是篩管完井模擬實(shí)驗(yàn)需要獲得的重要參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)篩管需要承受高壓和高溫的雙重作用，現(xiàn)有的壓力計(jì)不能承受過高的溫度，為了保險(xiǎn)起見，實(shí)驗(yàn)時(shí)壓力的測(cè)量采用銅柱法，只測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)的峰值壓力，并在篩管上、中、下三個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量。

溫度測(cè)量。爆燃?jí)毫褧r(shí)火藥燃燒的中心溫度可達(dá)850℃，地面實(shí)驗(yàn)時(shí)雖然篩管內(nèi)充滿了水，但由于水的氣化及流失比較快，篩管可能承受的溫度還會(huì)很高。目前由于儀器局限及實(shí)驗(yàn)空間的局限性無(wú)法用儀器直接測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)選取標(biāo)準(zhǔn)金屬塊分別置于篩管外壁上、中、下位置。依據(jù)溫度分布范圍分別選取了99.9%的鉛塊、鋅塊、鋁塊和銅塊來(lái)測(cè)量溫度[3]。

二、模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

1.模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)用篩管的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為900 mm，先置于混凝土靶內(nèi)的套管中的扶正器內(nèi)，居中后在篩管與套管的環(huán)空位置中加入細(xì)砂，砂面與篩管平齊，將組裝好的起爆器的推進(jìn)劑藥柱放置于篩管中心，后灌滿清水，水面與套管上端平齊，以保證套管內(nèi)空氣被排出，提高推進(jìn)劑的燃燒速度，連接起爆線后蓋緊上端蓋(模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示)。

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)示意圖

2. 模型建立

模擬實(shí)驗(yàn)峰值壓力與藥量、火藥種類、火藥所占密閉空間體積及火藥的燃燒規(guī)律有關(guān)[4]。峰值壓力的確定與火藥爆燃形成的加載速率關(guān)系緊密，因此要建立火藥在密封模擬實(shí)驗(yàn)條件下的爆燃加載曲線。模擬實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程在不到1 s的時(shí)間內(nèi)完成。

模型建立進(jìn)行如下假設(shè):①爆燃過程為絕熱過程；②燃?xì)鉃橥耆珰怏w，符合氣體狀態(tài)方程；③火藥燃燒完全，燃燒產(chǎn)物組分不變；④火藥燃燒服從從內(nèi)向外燃燒規(guī)律；⑤實(shí)驗(yàn)采用固體推進(jìn)劑藥柱，其單節(jié)長(zhǎng)度為lmm，藥柱外徑為Rmm，內(nèi)徑為rmm，采用中心傳火，內(nèi)側(cè)表面點(diǎn)火燃燒方式。在整個(gè)爆燃過程中根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、火藥燃燒速度模型和幾何平衡關(guān)系，建立篩管完井高能氣體壓裂模擬實(shí)驗(yàn)的物理模型為[5-6]:

PV=nRT理想氣體狀態(tài)方程

Vg=[π(r+δ)2-πr2]l=πl(wèi)δ(δ+2r) 幾何平衡

式中：Vg—藥柱的燃燒體積，m3;ω0—火藥燃速系數(shù)，m/s;u—火藥的燃燒速度，m/s;δ—任意時(shí)刻t藥柱肉厚，m；n—壓力指數(shù)；ρ0—火藥的密度，kg/m3；VK—套管內(nèi)未被充填自由容積，m3；S0—火藥的燃燒表面積，m2；p—套管內(nèi)平均壓力，MPa;R—燃?xì)獬?shù)，通常等于2. 87 J/kg℃;f—火藥力，J/kg;T—套管內(nèi)的平均溫度，℃。

三、實(shí)驗(yàn)程序

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

到目前為止，高能氣體壓裂技術(shù)只是在套管完井中進(jìn)行了大量的應(yīng)用，篩管完井的施工還是空白。射孔完井與篩管完井高能氣體壓裂技術(shù)在增產(chǎn)機(jī)理、施工工藝、火藥用量、管柱保護(hù)方面有很大區(qū)別，所以，需要對(duì)篩管完井高能氣體壓裂技術(shù)進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)，搞清篩管完井高能氣體壓裂裂縫形態(tài)，篩管強(qiáng)度及防砂性能等方面的變化[7-8]，為高能氣體壓裂技術(shù)在篩管完井的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)支持。

2.實(shí)驗(yàn)方法

將外壁上中下位置固定好銅柱測(cè)壓器和溫度標(biāo)定金屬塊的優(yōu)質(zhì)和星孔篩管分別置于混凝土靶的套管中，居中后在環(huán)空位置加入干河砂，與篩管平齊。將組裝好的起爆器的及推進(jìn)劑藥柱放置于篩管中心，剩余空間注灌滿清水。連接腳線后蓋緊上端蓋，人員撤離后，點(diǎn)火。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了使模擬實(shí)驗(yàn)更能體現(xiàn)實(shí)際施工需要，模擬實(shí)驗(yàn)選取了耐溫、燃速不同、應(yīng)用廣泛的復(fù)合推進(jìn)劑和雙芳-3兩種火藥。篩管分別選取了常用的橋式復(fù)合篩管和星孔篩管。根據(jù)制定的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)程序分別進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：①?gòu)膱D2和表2可以看出5組模擬實(shí)驗(yàn)水泥靶都產(chǎn)生了裂縫，裂縫條數(shù)為2～4條，裂縫之間的相位分別為180°、45°、90°，這同套管上30°相位卸壓孔不完全重合，說(shuō)明篩管完井高能氣體壓裂產(chǎn)生的裂縫方位具有一定的隨機(jī)性；②產(chǎn)生裂縫條數(shù)與峰值壓力有關(guān)，峰值壓力越大，產(chǎn)生的裂縫條數(shù)越多，這主要是當(dāng)峰值壓力較大時(shí)，就需要有多條裂縫來(lái)釋放套管中的壓力；③高能氣體壓裂過后篩管的防砂性能都有不同程度的降低，舊篩管的防砂性能比新篩管下降的要多，這主要是舊篩管中金屬繞絲的強(qiáng)度比新篩管低，所能承受的高能氣體壓裂過程中產(chǎn)生的壓力較低，在同等壓力的情況下，舊篩管的防砂性能下降就比較多，這也說(shuō)明在實(shí)際篩管完井中進(jìn)行高能氣體壓裂時(shí)要適當(dāng)考慮篩管的新舊程度，當(dāng)篩管較舊時(shí)，要適當(dāng)減少藥量。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)前后水泥靶裂縫形態(tài)圖

表2 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

五、結(jié)論

(1)可以用兩端密閉的、帶套管的水泥靶來(lái)模擬篩管完井高能氣體壓裂過程，模擬實(shí)驗(yàn)表明了篩管完井中可利用高能氣體壓裂產(chǎn)生的多裂縫體系來(lái)進(jìn)行增產(chǎn)作業(yè)。

(2)篩管完井高能氣體壓裂的增產(chǎn)機(jī)理是利用火藥燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體對(duì)目的層做功，在地層產(chǎn)生2～4條裂縫，裂縫條數(shù)與峰值壓力有關(guān)，峰值壓力越大，產(chǎn)生裂縫條數(shù)越多。

(3)模擬實(shí)驗(yàn)表明了篩管完井中高能氣體壓裂過程中產(chǎn)生的高壓氣體沖擊后，篩管結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，篩管防砂性能略有下降，舊篩管防砂性能比新篩管下降得多，在進(jìn)行高能氣體壓裂設(shè)計(jì)時(shí)要考慮篩管新舊程度。