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1、高能气体压裂技术摘要：文章介绍了高能气体压裂技术的基本原理，与普通压裂进行对比描述了裂 缝特征。就高能气体压裂过程的作用说明增产机理，分析了高能气体压裂技术的 优缺点，针对高能气体压裂措施工艺的设计内容和设计方法做了具体描述，并对 胜利油田现河、东辛采油厂、中原油田的应用效果进行了评估分析。认为高能气 体压裂是油田的生产开发中一个有效的增产增注手段,能获得良好的经济效益。 关键词：高能气体压裂;增产增注; 装药参数，工艺设计引言以经济而有效的技术获得地层中更高的油气产量,是油田开发的目标。在地 层中产生人工裂缝有利于油气的产出。最先应用的爆炸压裂技术,虽然产生了比 较显著的经济效益,但其损害井
2、筒、难以控制、形成近井压实带等技术问题难以 解决,逐渐被水力压裂取代。目前,水力压裂已成为一项成熟而完善的技术,在油 田开发中起着重要作用。但其产生的裂缝受地应力限制,对一些油层的改造效果 不尽人意,急需其它技术补充和完善。高能气体压裂技术就是一种较为有效的井 底处理新技术。1 高能气体压裂技术1.1 基本原理高能气体压裂(HEGF)是在爆炸压裂和聚能射孔的基础上发展起来的一种利 用火药或火箭推进剂在井筒中高速燃烧产生大量的高温高压气体来压裂油气层 的增产增注技术。施工程序是将火药下至目的层,通过地面通电或投棒引燃,其技 术关键是控制好高能气体的升压速度和最高压力。要求这一升压速度慢于爆炸压
3、裂而快于水力压裂,一般在1 毫秒到几百毫秒之间;同时,限制最高压力低于地层 岩石的屈服压力，一般在lOOMPa以内。这样，就能在井筒周围产生多条裂缝，并 且无破碎/ 压实带,从而把天然裂缝与井筒沟通,提高油层导流能力,同时又增大 了与天然裂缝沟通的机会，压裂过程中伴有压力冲击波及高温作用，因而对近井 地带被污染及各种机械杂质、结腊堵塞的井具有很好的解堵作用，对中低渗透层 亦有明显的改造作用，能有效降低表皮系数，并相应提高渗透率，从而达到增产增注的目的。它和爆炸压裂及水力压裂有着本质的不同1。1.1.1三种压裂裂缝特征及其形成图1-1三种压裂升压特征图图1-1为美国桑迪亚佳研究室试验研究的三种压
4、裂过程的典型p-t曲线，它 们各自的特点为：爆炸压裂火药燃烧速度极快，升压时间为微秒级，峰值压力极高，能量几 乎全部消耗在井壁岩石表面的粉碎性破坏中，使岩石表面形成压实层并伴有 101001条微细裂缝产生，缝长10100mm,如图1-2a所示。竹、5爆 OK图1-2三种压裂裂缝示意图(水力压裂HEGF火药燃烧速度较快，升压时间为毫秒级，峰值压力较高，能量传递较快, 因而不受地层岩石应力控制，可形成径向放射状多条短裂缝，如图1-2b所示。水力压裂升压速度缓慢，因此水力裂缝受地层岩石应力的控制，一般是沿 着垂直于最小主应力方向产生一条长而大的双翼对称裂缝，如图1-2c所示。三种压裂方法的主要参数对
5、比见表1。从表中看出，由于升压时间及加载速 率的不同，高能气体压裂是明显区别与爆炸压裂和水力压力的增产措施。表1-1 三种压裂方法的主要参数压裂方法峰值压力(MPa)升压时间 加载速度(MPa/ s)总过程(s)爆炸压裂10410-710610-6高能气体压裂10210-310210510-410一般水力压裂10102101041.2 高能气体的获得高能气体是通过固体药或液体药的快速燃烧产生的。固体药有火药及火箭推 进剂。常用的火药有硝化棉和炮药，硝化棉是致密的硝化纤维和极少量残留溶液 组成，炮药是硝化纤维在不易挥发溶剂(如硝化甘油)中的固体溶液，它比硝化 棉的能量高，火药的燃烧时间以ms计。
6、常温固体药每公斤产气量在1028升左右， 爆燃温度不超过2600 oC ；高温固体药每公斤产气量不超过880升，爆燃温度在 3000 oC以上。液体药由氧化剂、燃料及溶液组成，主要成分是硝酸铵、甘油和 水，其燃烧时间以s计。用液体药压裂后，其裂缝可达2550米，可与一般的水 力压裂媲美2。根据上述特点，可以制成不同的压力发生器。(1) 有壳压力发生器(有壳弹) 该装置的药柱外面有金属外壳保护，施工时用电缆传输至预定位置，地面加电引燃。由于有金属外壳，每米装药量仅34公斤，总装药量不超过40公斤，现 以很少使用。(2) 无壳压力发生器该发生器的外面无沉重的金属壳体，直接用中心铝管和中接头将药柱串
7、联而 成，每米装药量可达12公斤，总装药量可多达100120公斤。也可根据油管的内 径制造出过油管无壳压力发生器，即它可通过油管用电缆直接下到目的层而不用 起出油管。(3) 液体火药它是将配好的液体直接注入目的层段，投入固体药让其静止反应引燃或地面 加电点火引燃而释放高能气体。1.3 高能气体压裂过程中的作用及增产机理目前国内外基本认为,高能气体压裂过程中包括以下几个方面的作用并起到 了增产效果:(1) 机械作用(生成裂缝)：高能气体压裂一般能形成35条、径向长35m、 高度为装药段长的1. 21. 4倍、不受地应力控制的多裂缝体系,裂缝可自行支 撑。由于裂缝的随机性,一方面增大了与天然裂缝连
8、通的可能性;另一方面能有效 地穿透污染带,提高近井地带油层导流能力,可解除钻井、完井、作业及正常生产 过程中造成的近井地带的污染和堵塞,对中低渗透油层亦能起到一定的改造作 用，改善了油层的渗流能力。(2) 脉冲冲击波作用：在高能气体压裂的动态过程中,压力的变化是脉冲式的 逐渐衰减过程，形成的高压把井筒内液柱举升1025m ;压力降低后回落，在井筒 附近形成较强的水力冲击波,对油层的机械杂质堵塞起到一定的解堵作用。(3) 热效应:爆压时火药燃烧时释放出大量热量，一般能达到600 - 800C，在 绝热条件下使气体温度达千度以上,而且相对集中,这些热量可溶解近井地带的 蜡质和沥青质，解除油层孔道的
9、堵塞，改善地层流体的物性和流态，加快原油向井 底的流动速度，提高储层的驱油效率。(4) 化学作用：火药燃烧后产生一定量的CO2、CO、N2、NO及HCl气体， 前三种气体易溶于原油、降低原油粘度、提高原油溶解蜡及胶质、沥青质的能力。 后两种气体易溶于水生成腐蚀性较强的酸液，对油层能起到一定程度的酸化解堵 作用。1.3.1 基本作用特征高能气体压裂是借鉴爆炸压裂和水力压裂，介于二者之间的具有中等加载速 率的作用过程。其作用特征兼具二者的一些特征。一般的岗能气体压裂过程加载 时间为0.120 ms，总作用时间为数百毫秒，裂缝穿透范围通常在10 m之内。由 于高能气体压裂的加载速率远高于水力压裂，所
10、形成的裂缝形态为不完全受地应 力限制的径向多条裂缝体系；又由于其加裁速率远低于爆炸压裂，只要控制得当， 便不致于破坏并眼和造成近井地带的压实伤害。高能气体压裂过程为3个连续发 生的阶段即井内增压阶段、造绝阶段和裂缝延伸阶段，如图1-3所示。时间造缝阶段井内曙压期裂缝延伸期（幵压时间）图1-3高能气体压裂过程在井眼增压期间，压力扩散与井眼变形同时发生。裂缝（可能是微裂缝，或 者是天然大裂缝）承受压力，能量通过液体或压缩气体储存在井眼里。一般认为 这一阶段压力是随着时间线性增加的。达到螃恒压力所用的时间称为升压时间。 螃值压力除以升压时间即为脉冲速度。要取得多条裂缝，该脉冲速度是员重要的 变量，脉
11、冲速度太高可能引起地层伤害，而太低则只能在水力压裂易产生裂缝的 方向形成裂缝。第二阶段外始于裂缝破裂。在这一阶段，裂缝各自延伸且非常短。也就是说， 每条裂缝不会与其他裂缝相连。裂缝从并理延伸12倍的井眼半径时才开始有效 地“感觉”到其他裂缝的存在。在第二阶段，储存在井眼内的压缩液体中的大量 能量在裂缝破裂时释放。因为这是一种并眼存储现象，所以它对井眼封堵部分的 容积和液体的压缩性非常敏感。最后阶段是裂缝延伸阶段，多条裂缝从井眼延伸。在这期间裂缝与裂缝发生 相互作用。裂缝延伸过程对裂缝内的液体压力分布非常敏感:应力强度分析表明， 假设压力均匀分布在裂缝中，如果其中一些裂缝比其他一些裂缝长，那么这
12、些较 长的裂缝将继续延伸，而较短的裂缝由于受到较长裂缝的夹持将停止延伸，结果， 仅在两翼产生一对裂续。这是水力压裂的典型情况，因为除了裂缝尾端外，其压 力分布较均匀。如果以更快速度升压，则少量裂缝面受压。在达到型绽尾端之前， 压力迅速下降。因此，为了获得在裂缝延伸时部分裂缝面受压，可以找到合适的 加压速度以提供多条裂缝持续地延伸。2 高能气体压裂的特点及其适用范围2.1 高能气体压裂的特点(1) 降低地层的破裂压力在水力压裂中，为了压开地层，必须多台压裂车同时启动大排量、高压向井 中挤入压裂液，而通过高能气体预压后的地层，水力压裂时压开地层的压力大大 降低。(2) 产生裂缝的随机性这种随机性使
13、高能气体用于多次水力压裂不见效的井非常有效。因为重复水 力压裂往往是沿着原有的裂缝进行，而其它方向的油仍然难以流动，高能气体产 生的多裂缝体系使这些方向的渗流状况得到改善。(3) 可提高射孔的有效穿透率 高能气体压裂与射孔联作，推进剂延时燃烧后的高能气体通过射孔孔眼泄 压，加深射孔深度，并在射孔尖端形成多裂缝，改善孔眼周围的压实带，达到更 好地疏通油层的效果。(4) 漏失井或近水层处理高能气体压裂所产生的裂缝不遵循最小主应力规律，裂缝走向以水平方向为 主。水力压裂所产生的裂缝遵循最小主应力规律，裂缝走向以垂直方向为主。当 处理层靠近漏失层或水层时，如果采用水力压裂，其垂直裂缝很容易沟通这些层
14、位，造成层间窜流或含水量大大增加，因而在这种情况下水力压裂是非常危险的， 在这种情况下，高能气体压裂就提供了一个很好的解决办法。(5) 选择性的增产措施 高能气体压裂工艺的选择性是指可以将产生的气体作用在整个目的层,这一 特点使得在原生产层的上下无需采取隔离措施，可对一个或多个薄层的局部进行 选择性增产作业而避免将不需要压裂的层位压开(例如含水层)。(6) 用于油层评价高能气体压裂用于油层评价是一个快速、经济有效的方法。在决定下套管后， HEGF仅以很少的费用即可提供对油层的快速验证。高能气体压裂后产生辐射状多 裂缝体系，能够比酸化压裂更快、更经济地穿透污染地带而连通油层，增加井眼 导流的有效
15、半径。如果用此方法未能发现足够含量的碳氢化合物，就完全可以认 为地层没有可采烃类。即使用酸化和水力压裂也很难得出相反的结果。所以可用 此措施来确定是要下套管作进一步测试还是放弃。(7) 无污染火药燃烧后产物主要是CO、CO2及H2O,对油层无污染。(8) 压后的裂缝不需填入支撑剂 水力压裂后裂缝中必须加入支撑剂以使裂缝具有一定的导流能力，而高能气 体压裂后由于残余应力的作用使裂缝保持一定开度，因而可不加入支撑剂。(9) 设备少，施工安全、简便 与酸化及水力压裂措施相比，高能气体压裂措施不需大型设备、大量的容器 及配制大量的液体，现场组装及施工工序简单，无需往返地搬迁设备；压裂药在 常温下性能稳定，大部分器材在井下，因而安全可靠。这些特点使高能气体压裂 更能适用于戈壁、沙漠及海上平台的作业。2.2 适用范围(1) 适用岩性 高能气体压裂由于加载速率较高，从而决定了其适用的岩性是脆性地层，对 于塑性地层则不甚适用，而对于泥岩地层压可能会产生“压实效应”。适于高能气体压裂的岩性有灰岩、白云岩和泥质含量较低(小于10)的砂 岩。不很适于该项技术的岩性有泥岩、泥质含量较高(大于20)的泥灰岩和砂 质泥岩等。此外，胶结疏松的砂岩地层，压后可能严重出砂，应慎重对待。(2) 地层选择a. 天然裂缝发育的地层：压裂后产生的径向裂缝沟通天然裂缝。b.
