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油科技發展有限公司二〇一一年二月高能氣體壓裂增產技術高能氣體壓裂增產技術1.關于火工的有關知識2.國外發展概況3.增產機理及理論研究4.高能氣體發生器的研制5.壓力監測及施工工藝6.應用效果目錄高能氣體壓裂、層內爆炸壓裂、水力壓裂的區別1.高能氣體壓裂2.層內爆炸壓裂利用脈沖加載并控制壓力上升速度，使迅速釋放的高溫高壓氣體在井筒附近壓開多方位的徑向裂縫，使儲層中的天然裂縫能夠與井筒連通，從而達到增產的目的。先生成一個水力裂縫,把固體炸藥送入裂縫深處,然后點燃炸藥,在主裂縫附近生成壓碎帶或剪切裂縫,同時保持井筒完好無損,達到提高油井產能的目的.3.水力壓裂高能氣體壓裂增產技術一、

爆炸與燃燒（1）燃燒，是物質進行劇烈的氧化還原反應，并伴隨著發熱和發光的現象。通常所稱的燃燒是指某些物質(如柴、煤、油等)與空氣中的氧氣化合引起的劇烈氧化反應現象。火藥燃燒，含有足夠的氧化劑，燃燒時不需要空氣或外加的氧化劑。第一節關于火工的有關知識第一節關于火工的有關知識（2）爆炸，是在極短暫時間內發生能量轉變或者氣體體積急劇膨脹的現象。廣義的爆炸包括爆轟、爆燃與燃燒。爆炸一般分為物理爆炸、化學爆炸和核爆炸三類。①反應的放熱性。目前常規軍用炸藥的爆熱一般為3~6MJ/kg。②反應的高速性。爆炸反應是在微秒級(10-6s)時間內完成的。③生成大量高溫高壓氣體產物。炸藥的爆炸屬于化學爆炸，它有三個特征：二、火工材料（1）火藥

是在無外界供氧條件下，可由火花、火焰等外界能源正常引燃，迅速進行有規律的燃燒，同時生成大量熱和氣體產物的混合物，通常由氧化劑、粘結劑、可燃劑及附加劑等組成。（2）炸藥

是在一定的外界能量作用下，能發生高速的化學反應、放出大量的熱，生成氣體產物并對外界做功的化合物或混合物。廣義的炸藥包含起爆藥、猛炸藥、火藥和煙火劑。國內通常稱謂的炸藥是指猛性炸藥。第一節關于火工的有關知識二、火工材料（3）油氣井射孔彈所用炸藥

屬于高能混合炸藥，絕大部分以黑索金、奧克托今為主體。常見的混合炸藥有：①1235號耐熱傳爆藥：且有較高的爆轟感度，能在180℃溫度下工作2h，爆轟性能、成型性能好，機械強度高，使用安全。②2號耐熱炸藥：以TATB(三氨基三硝基苯)為主體，敏感度極低，使用安全，可用于耐高溫(小于250℃)的射孔彈或其他爆破器材中。③411號耐熱炸藥：可在2l0~220℃條件下工作2h，爆轟性能好，破甲深度深，撞擊感度和摩擦感度低，有較好的安全性能，成型性能好，機械強度高，是一種綜合性能較好的耐熱炸藥。第一節關于火工的有關知識第二節國外發展概況一、美國

1858年，美國德凱瑞首創性地提出了改造油層從而使油井增產的概念。

1861年，丹尼斯第一次成功地使用步槍火藥改造了油層。

1864年，羅伯茨申請了第一個油井爆炸增產的專利。1.應力壓裂(stressfrac)氣體發生器的應用情況是美國Servo—Dynamics公司研制的高能氣體壓裂工具，據介紹已有近30年的歷史，施工井次達4000口以上，增產69％~279％。

1）處理深度為90-4268m；2）縫長達10m以上；3）可適應的壓力范圍為1.725~41.4MPa；4）應用于新井的油氣層增產處理，包括多次處理；5）用于水力壓裂等措施前或者措施后進行處理；6）應用于不宜進行水力壓裂及酸化處理的油氣層，如水敏性油氣層等。7）對砂巖及碳酸巖油氣層均可取得較好的效果，它可以產生多條裂縫，并可使之與天然裂縫溝通，因而增產效果明顯。技術參數與適用范圍第二節國外發展概況1)東得克薩斯油田某注水井：巖性：細砂巖，孔隙度為14％，滲速率為5md;

井況：第一次酸化、再次酸化都未成功。應力壓裂前，注水量為1.98m3/h，注入壓力為6.9MPa，應力壓裂后，注水量上升為2.64m3/h，注入壓力下降為1.389MPa2)中阿但特戴維油田某油井：巖性：砂巖，孔隙度為7％，滲速率為10md，井況：細砂堵塞了射孔孔眼，產量很低，再次酸化處理仍末成功應力壓裂前，該井的原油產量為1.5m3/d，壓裂后上升到4.0m3/d,一年后產量還保持在3.5m3/d。應用實例第二節國外發展概況2.雙基推進劑在泥盆系頁巖中進行多裂縫壓裂的研究情況美國桑迪亞國家實驗認為，泥盆系頁巖用高速爆炸處理會在井筒附近造成壓碎和壓實區域，封堵了產出物、泡沫壓裂雖可避免應力罩的產生，但僅能產生單一裂縫。高能氣體壓裂，在強大的氣流擠壓作用下，既可避免壓碎井壁，可產生輻射狀的多條裂縫。多裂縫壓裂測得的典型壓力波曲線第二節國外發展概況二、前蘇聯前蘇聯專家們認為，高能氣體壓裂過程中既存在著機械作用，產生的高溫高壓燃氣又起了熱化學作用，同時在井筒中形成的壓力脈沖又可造成物理作用，因而，高能氣體壓裂是上述增產方法結合起來的有效措施，其增產效果并不比水力壓型差。在前蘇聯，高能氣體壓裂技術已經得到了較大規模的應用，從新井評價、生產井投產到油田高含水階段的開發等各個階段都應用了這一技術，并取得了較好的效果。總的來看，前蘇聯在現場應用規模、技術成熟性、壓裂效果等方面均優于美國，值得我們借鑒學習。第二節國外發展概況第三節增產機理及理論研究一、高能氣體壓裂的特點1）三種壓裂力方法的壓力時間關系壓裂方法縫值壓力（MPa）升壓時間（s）加載速度（MPa/s)總過程

(s)爆炸壓裂10410-7106~10710-6高能氣體壓裂10210-3103~104101水力壓裂10110210-1~10-2104三種壓裂方法的p-t過程高能氣體壓裂的過程是一種劇烈的化學反應過程，是火藥或推進劑的燃燒或爆燃反應過程，在幾毫秒或幾百毫秒內就能完成。所以不同于水力壓裂壓裂，也不同于井筒爆炸壓裂(在幾微秒內完)。因此能在地層中形成多條隨機裂縫而又不傷害井筒或套管。

2)不論哪種類型的高能氣體壓裂，均有成本低廉、工藝簡便、動用設備少、對施工場地無特別要求、工藝時間短、增產增注效果好、經濟效益好、對油層傷害小、對環境無污染等優點，因此具有廣泛的應用前景。第三節增產機理及理論研究二、高能氣體壓裂的增產機理1）增產原理（1）氣體發生器內的發射藥和固體推進劑被點火后，在幾個毫秒內迅速爆燃，并產生壓力近100MPa、溫度為2500℃(很快下降)的高速氣流，使井壁地層產生多條徑向裂縫，其中長裂縫的長度為井徑的50~100倍或200倍。裂縫中的一條或幾條可能和垂直于最小主應力的油層天然裂縫相溝通，就大大改善了油層的滲流能力，因此增產作用是明顯的，而水力壓裂產生的一條裂縫卻與天然裂縫走向一致、不會溝通。第三節增產機理及理論研究（2）由于高能氣體壓裂形成的多條徑向裂縫(2~5條)的方向是隨機的，基本上都不垂直于最小主應力方向。根據巖石的力學規律，巖石破裂時，裂縫的方向總是垂直于最小主應力軸。這樣，在地層巖石的應力控制下，就會對高能氣體壓裂產生的隨機裂縫造成剪切、錯動效應，使兩縫面產生錯動位移，兩個縫面上凹凸處相互交錯，形成不會閉合的自行支撐的裂縫。第三節增產機理及理論研究（3）高能氣體壓裂的高溫、高壓、高頻沖擊氣流會使多條裂縫縫面處的巖石產生少量崩垮，剝落的碎屑，其硬度與巖石完全一致，它們也會變成自行支撐裂縫的支撐物。形成不可回復的殘余變形裂縫，要滿足右式：第三節增產機理及理論研究2）解堵原理（1）高能氣體壓裂產生的徑向多條裂縫穿過井筒附近的污染帶，形成了新的油氣流動通道，一般井筒周圍的污染帶半徑不大，多在1m以內，所以不論藥量多少，一般高能氣體壓裂形成的多條裂縫均能遠遠超出污染帶的范圍，與油層深處溝通，從而得到解堵效果。

2)發射藥或固體推進劑爆燃時，產生的爆煙氣流溫度在2500℃以上，壓力近100MPa，它會向一切孔隙沖擊。隨著各裝藥段爆燃反應的進行，沖擊不斷產生。形成高溫、高壓、高頻的沖擊氣流波，它能夠將油層原生孔隙中產生堵塞作用的機械雜質或各種鹽類微粒、油層巖石剝落的微粒、膠結物中因膨脹而堵塞孔道的松散物質絕大部分沖刷、清掃干凈，基本恢復孔隙結構的原始狀態，從而解除堵塞。第三節增產機理及理論研究（3）產生高能氣體的同時也產生了沖擊波、超聲波、強聲場，它穿透件能極強，作用于油層可疏通油流通道，降低毛細孔道的表面張力，使原油降粘、除垢并解堵、清蠟防蠟，抑制地層細菌的生長和聚集，從而提高油層的泄油能力。(4)高能氣體壓裂處理后2h，井底還維持有足夠高的溫度異常。高溫場可以溶解沉積在處理層段井筒及地層滲濾面上的蠟質、膠質和瀝青質沉積物，疏通滲流通道，降低滲流阻力。溫度升高后，原油粘度降低，流度也相應提高了。（5）火藥或推進劑燃燒生成的CO，CO2，N2，NO，HCl等攜帶熱能的生成物進入油層。前二種易溶于原油，從而降低了原油的粘度，提高了原油溶解蠟及膠質、瀝青質的能力。后二種生成物均易溶于水而產生腐蝕性強的硝酸和鹽酸，相當于對地層進行了酸處理。第三節增產機理及理論研究3）高能氣體壓裂適應地層（1）新井試油評價，可解除污染，獲得測試結果；（2）酸化壓裂后的地層，可進行油氣層解堵；（3）對天然裂縫發育的區域，可進行增產改造；（4）對注水井，通過解堵、壓裂達到增注目的；（5）水敏、鹽敏、酸敏地層，可壓裂改造或解堵；（6）尤其適于常規改造技術不宜進行的沙漠、灘海、高山地區的油氣井另外，高能氣體壓裂作用的介質是爆燃氣體。不會對地層產生任何傷害，施工中也不向井外排出廢液，不會引起環保問題；施工小使用設備少，人力少，工藝簡便，施工周期短，成本極低．效益極大。第三節增產機理及理論研究三、高能氣體壓裂的理論研究根據課本P11表1-3的基礎數據，得到不同壓力加載速度與裂縫之間的關系。當加載速率大于1000GPa/s時，井壁被炸得粉碎；當加載速率大于32~100GPa/s而小于1000GPa/s時，井壁附近產生多條裂縫；當加載速率小于32GPa/s時，只造成兩條裂縫。1）加壓速度第三節增產機理及理論研究2）增產倍數假設地層均質等厚、各向同性，裂縫滲透率假設為無限大，縫長為L的裂縫的產量公式為：可得高能氣體壓裂的增產倍數：第三節增產機理及理論研究縫長(m)條數增產倍數縫長(m)條數增產倍數1532.49631.9142.5941.9762.6962.0382.7582.071032.20431.7442.2741.7862.3661.8382.4081.86明顯看出，在縫長一定的條件下，增加縫數的增產效果并不明顯。—般高能氣體壓裂的增產倍數約為1.5~2.5倍，在溝通天然裂縫的條件下，增產倍數會有明顯提高。裂縫增產倍數第三節增產機理及理論研究3）一些結論根據室內的應用研究工作，可以得到以下結論：（1）高能氣體壓裂可壓出多于2條的徑向裂縫，裂縫條數取決于升壓的速度。（2）高能氣體壓裂的增產培數一般為1.5~2.5倍，設備少、工藝簡單、成本低（3）已經有了接近實測結果的設計方法，可以有效地避免套管和水泥環的損壞。（4）高能氣體壓裂設計的基本原則是采用低燃速、大藥量的裝藥，壓出3-5條較長的徑向裂縫。

（5）高能氣體壓裂適用于不同井別的油氣井，如探井、生產井和注水井等，對沙漠油田的超深井和灘海油氣井有特殊的適應件。第三節增產機理及理論研究第四節高能氣體發生器的研制一、裸眼井高能氣體壓裂技術研究西安石油學院與兵器工業部204研究所，在1985年對裸眼井設計了三段裝藥的爆燃氣體發生器，并獲得了國家專利。就1987年所施工的66口井進行分析。

1)增產效果明顯、持續時間較長的有33口井，占50％，

2)增產效果和持續時間一般者有16口。占24.2％。

3)增產效果甚微或基本無效的有17口。占25.8％。

4)成功率：成功率力87.8%。擴大試驗的結果分析二、套管井高能氣體壓裂技術研究裸眼井高能氣體壓裂研究的最終日標，是將其應用于套管井，西安石油學院與兵器工業部204所在此領域都進行了大量有效的工作。1）油層爆燃壓裂器2）高能氣體壓裂用氣體發生器3）金屬彈殼氣體發生器——徑向泄氣金屬外殼彈4）無殼彈5）液態火藥高能氣體壓裂技術第四節高能氣體發生器的研制1）油層爆燃壓裂器（1）外殼是足酚醛環氧玻璃布管，耐壓強度高；（2）導線接頭使用高壓密封插塞，保持良好的電絕緣性能；（3）裝填燃速緩慢的多種火藥或推進劑，并以不同裝藥結構控制產生的高能氣體的速率；（4）具有打撈環，可與油田設備配套使用。第四節高能氣體發生器的研制油層爆燃壓裂器由測井電纜懸掛，靠磁定位準確下到油層套管的射孔段，油層爆燃壓裂器中的火藥爆燃后，產生的高能氣體通過套管孔眼使油層產生裂縫。能對1000~3000m的石油、天然氣套管井進行爆燃壓裂，能與油田的通用設備配套使用，可采用通用的作業方法，所用設備簡單、施工方便、安全可靠、費用低廉，針對油層厚度可任意組合管殼的長度。工藝過程在延長油田七里村油礦的759口井進行了試驗，增產6.3倍．優點現場應用效果第四節高能氣體發生器的研制2）高能氣體壓裂用氣體發生器（1）可重復使用；（2）活塞式軸向限壓；（3）平衡噴射（4）泄氣管徑向泄氣式（5)加重防沖型金屬裝置（6）大型藥柱（7）金屬點火具第四節高能氣體發生器的研制工藝過程發生器由電纜打撈頭連接．下部與泄氣管相連。泄氣管壁開有徑向泄氣孔若干，當電纜通電后，保護管內的抗沖擊和擠壓金屬點火具點燃藥柱。待壓力上升至設定值時，上、下接頭內的剪切銷釘被剪斷，上、下活塞同時沖出，燃氣噴射進上、下泄氣管中，再徑向泄入井內。優點結構便于更改藥型、藥量、變更裝藥結構和點火系統，施工簡便、成本低、施工后井下無任何落物、不污染油氣層、能避免電纜打扭、發生器裝置可重復使用。第四節高能氣體發生器的研制3）金屬彈殼氣體發生器——徑向泄氣金屬外殼彈對金屬彈殼的技術要求是：具有較尚的抗內壓、抗外擠及抗拉伸機械強度，有可靠的密封性，較好的拆裝靈活性及抗酸、堿、鹽類及爆燃殘余物的腐蝕性．能多次重復使用，不產生裂紋、燒傷、沖蝕等缺陷。對撞擊點火裝置的要求是：（1）較高的強度，主體不應有損傷．可重復使用。（2）絕對安全性，在運輸或使用中，任何條件下不能發生自然點火（3）有很高的可靠性，撞擊后應迅速發生作用（4）可靠的密封性。第四節高能氣體發生器的研制4）無殼彈第四節高能氣體發生器的研制第五節高能氣體壓裂的壓力監測及施工工藝一、高能氣體的壓力監則1）銅柱法測峰值壓力銅柱測壓儀結構如右圖所見，其敏感元件是銅柱。經過預壓，給出銅柱的尺寸及相應的壓力范圍。當承受到巨大壓力時，銅柱就會被活塞壓擠變形。用變形后的尺寸，直接按工廠給出的表格計算，就能知道銅柱承受的最大壓力。這就是高能氣體壓裂時的壓力峰值。2）p-t測試儀測壓力變化過程井下儀器通電后，控制模塊使點火頭與點火電源相連，同時啟動采集與記錄模塊，將火藥點燃后造成的并簡壓力變化過程記錄下來，壓裂結束后，將監測儀提出井筒并與專用的接口面板連接，讀出電子記錄模型中的p-t過程。第五節高能氣體壓裂的壓力監測及施工工藝二、高能氣體壓裂施工工藝1）電纜起下，液柱壓擋，地面引燃施工工藝用射孔電纜將氣體發生器下到目的層段，采用液柱壓擋，通過地面通電引燃。壓擋液柱的高度不得小500m。2）油管輸送、封隔器與液柱復合壓擋，撞擊引燃施工工藝用油管將氣體發生器、p—t監測儀、撞擊起爆器及封隔器等拖運到設計井深。首先座封封隔器，之后在油套環空施加10~20MPa的平衡壓力，最后從油管內投棒撞擊引燃。第五節高能氣體壓裂的壓力監測及施工工藝第五節高能氣體壓裂的壓力監測及施工工藝項目電纜起下油管輸送井深(m)2000~6000<4000耐壓(MPa)5545耐溫(℃)150150完井方式套管井，裸眼井套管井井類型生產井、水井、探井生產井、水井、探井、氣井所用主要設備修井車、水泥車、射孔車修井車、水泥車施工周期(h)3~86~24定深方式磁接箍定位丈量油管兩種工藝對比第六節高能氣體壓裂技術應用效果一、高能氣體壓裂技術適用范圍1)在鉆井過程中鉆井液污染或者井下作業中壓井液污染的探井和生產井。2)生產過程中機械雜質堵塞的井。3)酸化后酸渣造成二次堵塞的井。

4)水力壓裂后填砂裂縫被污染或裂縫閉合而使產量下降的井5)致密、堅強的油層因破裂壓力較高，水人壓裂難實現的井。7)裂縫發育的灰巖、砂巖油藏井8)水敏、酸敏油氣井。9)層薄，水力壓裂可能壓竄的井10)需