李旭光, 孫 林, 陳維余, 熊培祺, 楊 淼

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

0 引言

中國海上低滲油田儲量豐富，開發(fā)效果普遍不理想[1-2]，例如南海東部油田，已動用低滲儲層儲量約占總儲量的20%，但產(chǎn)量占比僅為7.5%。目前海上低滲油田增產(chǎn)措施技術(shù)以水力壓裂、爆燃壓裂、酸化技術(shù)為主，存在措施難度大、技術(shù)手段單一的特點。其中水力壓裂技術(shù)由于平臺空間小、施工成本高，目前難以實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)[3]；爆燃壓裂技術(shù)雖在海上油田取得較好的應(yīng)用效果[4]，但是由于火工品生產(chǎn)、運輸?shù)荣Y質(zhì)，導(dǎo)致該技術(shù)在海上油田也難以規(guī)模實施；常規(guī)酸化技術(shù)對于低滲油田則表現(xiàn)為注入壓力高、注入排量低等特點，技術(shù)改造力度有限。

水力沖擊壓裂技術(shù)作為一種綠色、低成本壓裂技術(shù)，從上世紀(jì)80年代起，在國內(nèi)開始研究并應(yīng)用，目前已在中原、吉林、遼河、勝利、大慶等油田實施達(dá)上千井次，效果顯著[5-8]。該技術(shù)僅需常規(guī)泵即可作業(yè)，設(shè)備占地面積小、易實施，在海上油田應(yīng)用前景廣闊，但是目前技術(shù)尚未在海上油田開展應(yīng)用，在陸地油田研究也多集中在水力沖擊壓裂工具改進(jìn)或?qū)嵤┕に嚨确矫鎇9-11]，在水力沖擊壓裂實驗及機理研究方面匱乏。本文通過地面模擬實驗裝置，首次對技術(shù)造縫情況及增壓效果進(jìn)行了實驗?zāi)M，并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，為技術(shù)后續(xù)在海上油田推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 水力沖擊壓裂地面打靶實驗原理

1.1 模擬實驗裝置

水力沖擊壓裂技術(shù)主要采用水力沖擊發(fā)生器進(jìn)行水力脈沖壓裂破巖及擴縫。水力沖擊發(fā)生器主要由導(dǎo)流短節(jié)、沖擊片、沖擊室、柱塞、尾管等部件組成[12]。技術(shù)基本原理如下：施工時，用油管或鉆桿將水力沖擊發(fā)生器下入目的層位；地面高壓泵加壓，當(dāng)泵注壓力與液柱壓力之和大于沖擊片破裂壓力時，沖擊片破裂，沖擊片上的液體壓能迅速轉(zhuǎn)化為動能；由于導(dǎo)流孔處油管內(nèi)液體流速很高，使環(huán)空內(nèi)的液體卷入沖擊室，使柱塞外部壓力降低；當(dāng)沖擊室內(nèi)的液體到柱塞位置時，速度達(dá)到最大值，高速液體撞擊柱塞上，速度急劇變?yōu)榱?，動能急劇變成壓能，產(chǎn)生巨大的沖擊壓力，將柱塞推出，形成高壓沖擊波致裂儲層。

為驗證水力沖擊壓裂技術(shù)造縫情況及增壓效果，根據(jù)水力沖擊壓裂作用機理，考慮實施可操作性及安全性，設(shè)計水擊管柱傾倒方案。模擬實驗裝置主要包括水泥靶、沖擊室、油管、地面泵、壓力測量等系統(tǒng)，采用水泥靶、沖擊室、油管、地面泵依次橫向連接的方式，如圖1所示。根據(jù)實驗場地規(guī)模大小，設(shè)計油管長度20 m，以確保液柱能夠獲得足夠的動能致裂水泥靶，同時設(shè)計沖擊室長度4 m，以確保液柱能夠充分加速以獲得增壓。實驗過程中用泵車加壓，通過20 m油管壓力傳遞至沖擊片短節(jié)，沖擊片破裂后，高速水流經(jīng)過沖擊管柱撞擊至柱塞短節(jié)，水流瞬時靜止，產(chǎn)生高壓作用于水泥靶。

圖1 水力沖擊壓裂地面打靶實驗示意圖

1.2 水力沖擊壓裂實驗數(shù)學(xué)模型

水力沖擊壓裂水擊過程根據(jù)作用機理可分為四個階段：①泵車加壓；②沖擊片破裂液柱在沖擊室獲得動能；③液柱撞擊柱塞，動能轉(zhuǎn)化為壓力；④壓力作用于儲層(水泥靶)。

水擊過程根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒關(guān)系，建立實驗數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ—任一時刻任一位置液體密度，kg/m3；V—任一時刻任一位置液體速度，m/s；F—質(zhì)量力，m/s2；p—任一時刻任一位置液柱壓力，Pa；U—內(nèi)能，J；q—熱傳導(dǎo)量，J/s；k—熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；T—液體溫度，K；t—時間，s。

求解上述模型可將液柱沿壓力傳播方向離散成n個微元，對應(yīng)水擊過程四個階段的邊界條件為：

1.2.1 井口加壓階段

壓力邊界：p0=ph(井口加壓值)

pn+1=pn(封閉邊界)

速度邊界：V0=0(上邊界速度)

Vn+1=Vn(下邊界速度)

1.2.2 液柱在沖擊室獲得動能階段

pn+1=0(自由邊界)

速度邊界：V0=V1(上邊界速度)

Vn+1=Vn(下邊界速度)

1.2.3 液柱撞擊柱塞，動能轉(zhuǎn)化為壓力過程

pn+1=0(封閉邊界)

速度邊界：V0=V1(上邊界速度)

Vn+1=0(下邊界速度)

1.2.4 壓力作用于儲層階段

壓力邊界：p0=p1(上封閉邊界)

pn+1=pn(封閉邊界)

速度邊界：V0=0(上邊界速度)

Vn+1=0(下邊界速度)

上述模型通過特定的離散方法可以求得水力沖擊壓裂水擊過程中任一時刻任一位置處的壓力值p(x,t)。

2 水力沖擊壓裂實驗材料要求

2.1 沖擊片及測壓裝置

沖擊片是水力沖擊工具的關(guān)鍵部件，是決定水力沖擊壓裂模擬實驗成敗的關(guān)鍵因素，分別設(shè)計5 MPa、15 MPa、25 MPa(具體以實際破裂壓力為準(zhǔn))三種沖擊片破裂極限，檢測不同壓力下的增壓效果。水力沖擊器前后設(shè)計壓力測量裝置，前端壓力測量裝置連接在轉(zhuǎn)換接頭處，后端在套管內(nèi)部內(nèi)置存儲式P-t儀，用以檢測地面泵加壓至沖擊片破裂后，流體經(jīng)過水力沖擊器后的壓力變化情況。

2.2 水泥靶

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY-T 5891.1—1999《油氣井射孔檢測用混凝土靶制作規(guī)范》制作?1 000 mm×1 000 mm混凝土靶3個，清水養(yǎng)護(hù)28 d，以滿足實驗要求。水泥靶內(nèi)置?244.5 mm套管，長度約1 000 mm，水泥靶中部模擬射孔，鉆直徑1 cm的小孔，外接直徑1 cm、長度10 cm的鐵管，以模擬射孔孔眼。

2.3 其他材料要求

端蓋：3個，端面居中開孔，孔徑115 mm，孔內(nèi)居中置?88.9 mm外加厚接箍，采用兩端環(huán)焊，焊接牢固。

水力沖擊短節(jié)：2套，外徑≤90 mm，配備不同壓力沖擊片若干套。

壓力管線：采用?88.9 mm平式油管短節(jié)20 m以上。

地面泵：配備400型以上水泥泵車1臺。

3 實驗程序

在實驗場地內(nèi)按水力沖擊壓裂地面打靶實驗裝配現(xiàn)場工具，具體步驟如下:

(1)吊車將靶體吊裝于安全區(qū)域，靶體套管下沿與地面平行，泄氣孔位置朝上。

(2)清理模擬水泥靶靶面,并確認(rèn)套管內(nèi)無異物。

(3)套管內(nèi)置開啟后的存儲式P-t儀，與端蓋上?88.9 mm接箍連接，接箍另一端連接內(nèi)置沖擊片的水力沖擊工具輸出端，端蓋在套管上擰緊。

(4)按要求在地面連接?88.9 mm油管短節(jié)，長度20 m，一端使用轉(zhuǎn)換接頭與水力沖擊工具連接，一端與單向閥連接，地面管線使用地錨加固。

(5)泵車與單向閥連接，轉(zhuǎn)換接頭上擰緊泄氣孔，連接數(shù)字式壓力傳感器的傳輸電纜，對管線進(jìn)行試壓，壓力不大于沖擊片極限值的80%。

(6)沿端蓋注水口注水直至排氣孔出水。

(7)傳感器開始記錄，實驗人員撤離至安全區(qū)域，泵車沿加壓管線注水，加壓至沖擊片極限值。

(8)實驗人員進(jìn)入現(xiàn)場，觀測、記錄實驗結(jié)果，確定下一組試驗方案。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 水力沖擊壓裂地面打靶實驗壓力測試

地面打靶實驗共進(jìn)行三組，沖擊片分別在泵壓達(dá)到27 MPa、13 MPa、2.4 MPa條件下破裂，與三組設(shè)計沖擊片極限破裂值接近，沖擊片破裂后，水力沖擊工具后端峰值壓力監(jiān)測值分別為48.5 MPa、48.1 MPa、47.3 MPa，監(jiān)測到明顯的增壓效果，實驗監(jiān)測到不同沖擊片破裂壓力下最終增壓壓力值相差不大，這是因為液柱的動能主要來源于兩部分，即沖擊片破裂前液柱具有的壓縮能和通過沖擊室加速獲得的能量。對于20 m液柱，不同壓力下的壓縮能可以忽略不計，因此實驗條件下增壓效果主要取決于沖擊室加速獲得的能量。實驗條件下液柱壓縮能較小，因此沖擊片破裂后液柱的初始速度接近，根據(jù)水力沖擊壓力傳播數(shù)學(xué)模型邊界條件，沖擊片破裂后作用于液柱上的壓力為泵車水馬力與液柱速度之比，因此三組實驗液柱通過沖擊室過程中作用于液柱的壓力接近，根據(jù)動量守恒方程，最終加速獲得的能量接近。

實驗最終監(jiān)測的增壓值與水力沖擊壓裂模型峰值壓力模擬計算值相對誤差小于5%，如表1所示。

表1 水力沖擊壓裂地面打靶實驗壓力測試結(jié)果

驗證了地面模擬實驗裝置的合理性與壓力傳播模型的準(zhǔn)確性。對于現(xiàn)場實際井身，不同沖擊片破裂壓力下液柱壓縮能不可忽略，基于礦場目標(biāo)井儲層所需破裂壓力，可采用實驗數(shù)學(xué)模型，為礦場應(yīng)用水動力壓裂峰值壓力計算及沖擊片破裂壓力優(yōu)化選取提供理論依據(jù)，確保技術(shù)在海上油田安全高效應(yīng)用。

4.2 水力沖擊壓裂造縫效果

三組地面打靶實驗均朝著預(yù)留孔眼(模擬射孔)方向形成兩條貫穿靶體的裂縫，如圖2所示，直觀驗證了水力沖擊壓裂技術(shù)的造縫效果，形成裂縫的相關(guān)參數(shù)如表2所示。其中裂縫半長為0.5 m，靶體軸向縫高大于90 mm，裂縫寬度大于1.5 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)自支撐而不閉合，從而保留一定程度的流動通道。

圖2 水力沖擊壓裂打靶后裂縫形態(tài)圖

表2 水力沖擊壓裂地面打靶裂縫參數(shù)

海上平臺由于空間制約，水力壓裂措施應(yīng)用受限，水力沖擊壓裂技術(shù)僅需常規(guī)泵即可實施，依靠技術(shù)造縫效果，可為海上油田儲層改造措施提供新的技術(shù)選擇。此外，水力沖擊壓裂技術(shù)可進(jìn)一步與酸化技術(shù)進(jìn)行聯(lián)作[13-14]，采用酸液作為沖擊液，實現(xiàn)清洗擴縫、進(jìn)一步防止裂縫閉合的目的，增強儲層改造效果。

4.3 水力沖擊壓裂井下峰值壓力實例計算

以海上油田某直井為例，井垂深1 547 m，油藏資料顯示儲層疏松，因此地層破裂壓裂梯度采用0.016 MPa/m(海上油田該深度儲層破裂壓力梯度普遍為0.016～0.018 MPa/m)，根據(jù)目標(biāo)井段深度數(shù)據(jù)計算，目標(biāo)井段地層破裂壓力為24.75 MPa，井筒靜液柱壓力15.16 MPa(靜液柱壓力梯度按照0.0098 MPa/m)。根據(jù)相關(guān)壓裂作業(yè)經(jīng)驗，水力沖擊壓裂井下峰值壓力可設(shè)計為破裂壓力的1.1～1.5倍，在不破壞管柱的限制壓力下，盡可能獲得更好的增產(chǎn)效果[15]。采用直徑127 mm、長度13 m沖擊室及?88.9 mm鉆桿進(jìn)行作業(yè)，采用前述水力沖擊壓裂數(shù)學(xué)模型，計算不同沖擊片破裂壓力條件下井下峰值壓力如表3所示。

表3 不同沖擊片壓力下井下峰值壓力模擬結(jié)果

綜合比較，沖擊片破裂壓力越大，峰值壓力越高，考慮井筒作業(yè)安全性以及給井口加壓留有一定安全余量，因此選擇沖擊片破裂壓力為25 MPa，井下峰值壓力可達(dá)地層破裂壓力的1.45倍。

5 結(jié)論

(1)實驗根據(jù)水力沖擊壓裂作用原理設(shè)計了水力沖擊壓裂地面打靶模擬實驗裝置，沖擊片分別在27 MPa、13 MPa、2.4 MPa條件下破裂，水力沖擊工具后端峰值壓力監(jiān)測值分別為48.5 MPa、48.1 MPa、47.3 MPa，增壓效果明顯，壓力監(jiān)測值與建立的水力沖擊壓裂水擊過程壓力傳播模型模擬值相對誤差小于5%，驗證了地面模擬實驗裝置的合理性與壓力傳播模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)礦場應(yīng)用峰值壓力設(shè)計及沖擊片破裂壓力選取提供了理論依據(jù)。

(2)通過地面打靶實驗直觀驗證了水力沖擊壓裂技術(shù)的造縫效果，技術(shù)僅需常規(guī)泵即可實施作業(yè)，依靠其造縫效果，可為海上油田儲層改造措施提供新的技術(shù)選擇，有效解決目前海上低滲油田增產(chǎn)措施技術(shù)應(yīng)用受限的難題。