可控沖擊波致裂海上油層可行性分析

楊萬有, 鄭春峰, 李 昂, 尹莎莎, 郭曉飛, 趙 展, 盧 勇

(1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2西安閃光能源科技有限公司 3西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室)

水力壓裂和酸化技術是開采低滲透油氣藏的重要方法，廣泛應用于各大油氣田[1-7],近年來，已成為海上油田的常規增產措施。這些措施在一定程度上提高了海上油田的產量，但仍存在諸多問題。壓裂雖然可以有效解決儲層污染和滲透性差等問題，但是受海上平臺空間小、近水儲層薄等客觀條件限制，壓裂后儲層增產效果不理想，投入產出比低[8]。酸化主要以解堵為主，很難實現儲層改造的目的，且有效作用距離短，若工藝設計及實施不當，會造成二次傷害[9]。爆燃壓裂是近年應用于海上油田的一項儲層改造工藝技術，現場應用取得了較好的增油效果，但涉及特種作業，需要火工品相關專業資質，并會損壞井下管柱，產生較大的安全隱患[10-12]。為此，急需一種高效、安全、低成本的儲層改造新技術。

可控沖擊波技術是一種物理法儲層改造技術，以幅值、沖量、作用區域和作業次數方便控制為特點，在儲層中以“單點多次、多點連續”的方式對儲層進行沖擊作用，已在油水井、煤層氣井應用了上百次[13]。目前可控沖擊波技術在煤礦瓦斯防治領域也成功應用多井次，可實現煤層增透，促進瓦斯解析[13-21]。但至今未有關于海上油田研究與應用的相關報道，因此，針對海上油田的特殊應用環境，本文通過搭建可控沖擊波產生平臺，制作與海上油田儲層力學強度相似的實驗樣品，通過室內實驗研究，探討可控沖擊波技術對海上油田儲層致裂的可能性，為將該技術引入海上油田應用提供理論支撐。

一、實驗方案

1. 實驗裝置

本文所述的實驗裝置核心是可控沖擊波產生器，是由西安交通大學張永民教授團隊根據用于現場作業的可控沖擊波產生裝置設計的室內實驗裝置[16-18]。實驗系統如圖1所示，主要包括：控制系統、脈沖電容器、開關、電纜和沖擊波產生器。裝置工作原理為：通過控制系統對脈沖電容器充電，當電容儲能達到設定值時，輸出觸發信號驅動氣體開關導通，將脈沖電容器存儲的能量在極短的時間內通過電纜進行釋放，并產生20～100 kA的強電流流過負載，驅動負載電爆炸產生強沖擊波致裂樣品。

圖1 實驗系統示意圖

2. 實驗樣品制作

本文主要以中海油渤海和深圳地區儲層抗壓強度為參考，制作相似性樣品，渤海地區儲層單軸抗壓強度7.6～35 MPa，深圳地區儲層單軸抗壓強度36.4～56.1 MPa，相似性樣品初始力學參數與配方如表1所示。實驗樣品由水泥、水、骨料、無機納米硅粉和粉煤灰按一定比例制成，并養護28 d，每個樣品的配方與初始力學強度如表1、表2所示。樣品為高1 m、直徑1 m的圓柱體，在樣品中間鉆深600 mm、直徑244.5 mm的孔，固定外徑244.5 mm的套管，模擬套管固井。

表1 實驗樣品配方

3. 實驗方法與內容

由于海上油田除了常規的套管射孔完井外，對于出砂嚴重的井還需下篩管防砂，因此，為了模擬海上實際的工作條件，設計了3項實驗內容：①模擬套管射孔完井環境，直接向樣品內注滿水，將沖擊波產生器放入套管內，裝配好模擬防噴器，進行沖擊致裂實驗；②模擬出砂嚴重的新井完井環境，將篩管放入套管內，再將沖擊波產生器放入篩管內，裝配好模擬防噴器，進行沖擊致裂實驗；③模擬出砂嚴重的老井完井環境，將篩管放入套管內，在篩管和套管的環形空間內充滿石英砂，再將沖擊波產生器放入篩管內，裝配好模擬防噴器，進行沖擊致裂實驗。

為了觀察累計沖擊次數對裂縫擴展的影響，設計了2項實驗內容：①同一塊樣品累計沖擊實驗，主要觀察裂縫擴展形態；②研究沖擊次數對致裂效果的影響，主要觀察兩種極限沖擊次數下裂縫分支的擴展。

由于很難取到大尺寸的海上油田儲層樣品，本次實驗所用實驗樣品是根據中海油中高滲區域儲層力學參數制作的模擬樣品，實驗中將力學參數比較接近的樣品歸為一組進行同一類實驗，如表2所示。

表2 實驗模擬樣品初始力學參數及實驗內容

系統初始儲能為30 kJ，充電電壓為24 kV，在直徑1.5 m、高1.5 m的水罐中模擬自由水域并采用PCB138沖擊波壓力探頭測量沖擊波波形，在水面以下60 cm處測得的典型沖擊波波形如圖2所示，沖擊波壓力峰值約為100 MPa，而渤海地區和深圳地區儲層最大抗壓強度是56.1 MPa，因此，該沖擊波可以滿足儲層致裂要求。

圖2 實驗用沖擊波波形

二、 結果分析

1. 不同完井工藝對沖擊波致裂效應的影響

針對海油油井的完井方式，研究了過套管、過套管+橋式復合篩管、過套管+橋式復合篩管+充填砂三種完井工藝條件下的沖擊波致裂實驗。對1#樣品過套管實驗累計沖擊3次，第1次沖擊即產生貫穿裂縫，沖擊3次后，沿樣品表面產生6條明顯的主裂縫，并伴隨一定數量的次生裂縫。主裂縫完全貫穿了巖樣，延伸距離為430 mm(巖樣的半徑減去套管的半徑)，裂縫高度為700 mm，裂縫以套管為圓心向四周延伸。次生裂縫主要分布在套管附近，這表明在過套管完井方式下，沖擊波致裂技術在套管附近儲層容易形成復雜裂縫，如圖3(a)所示；對2#樣品過套管+橋式復合篩管實驗累計沖擊6次，沖擊到第3次時才產生裂縫，沖擊6次后，樣品表面共產生4條主裂縫，無明顯次生裂縫，主裂縫貫穿整個巖樣，延伸距離為430 mm，裂縫高度為700 mm，裂縫以套管為圓心向四周延伸，如圖3(b)所示。在沖擊波致裂實驗中，過套管完井方式明顯比過套管+橋式復合篩管完井方式更容易形成裂縫，但二者延伸距離和高度相同，這主要是由于巖樣過小，因此實驗中裂縫的延伸距離沒有實際意義，后面的研究不對裂縫延伸距離進行研究；對3#樣品過套管+橋式復合篩管+充填砂實驗累計沖擊7次，樣品表面未再現明顯裂縫，樣品環向出現裂縫，如圖3(c)所示。實驗結果表明，對于海油目前3種常規的完井工藝條件，沖擊波均可致裂樣品，但由于沖擊波過不同介質衰減程度不同，使得不同完井工藝條件下致裂樣品的累積作用次數不同。

圖3 不同完井工藝沖擊致裂效果

2. 沖擊次數對裂縫擴展的影響

可控沖擊波技術是以單點多次作用到儲層，為了增大對儲層的改造效果，需要以多次作用的疲勞效應擴大對儲層的改造效果。為了研究不同沖擊次數下裂縫的變化情況，開展了兩組實驗，一組是對4#樣品累計沖擊作用8次，觀察同一裂縫的延伸；一組是研究沖擊次數對致裂效果的影響實驗，5#樣品累計沖擊5次，6#樣品累計沖擊24次，觀察裂縫的擴展方向。

對4#樣品的累計沖擊實驗，觀察到實驗過程中裂縫有兩方面變化：一是同一條裂縫隨著沖擊次數的增加而變寬變長，圖4所示；二是沖擊過程中在不同位置產生新的裂縫。對不同樣品的沖擊實驗結果表明，對5#樣品沖擊5次時，主要以產生貫穿性裂縫為主，并無明顯次生裂縫，如圖5(a)所示。對6#樣品沖擊24次時，沿貫穿的主裂縫產生大量的次生裂縫，次生裂縫沿主縫向樣品周邊呈無規則延伸，形狀似蜂窩，構成復雜的網狀裂縫系統，如圖5(b)所示。

圖4 不同沖擊次數同一裂縫的擴展

圖5 不同沖擊次數裂縫系統的變化

對于不同性質、強度的儲層，不同的改造目的所需要的沖擊波強度不同，因此作業次數也會不盡相同。所以，針對不同儲層，需要通過物模實驗，確定可控沖擊波具體的現場作業參數，為現場應用提供技術指導。

3. 沖擊波作用前后樣品力學參數變化

由于6#樣品表面裂縫網絡復雜，無法在其圓周方向取出測試小樣，僅對1#～5#樣品測試了實驗后力學參數。在制作實驗樣品時，同時制作了相應的小樣品，用于測試沖擊前樣品力學參數；沖擊實驗完成后，在樣品周向避開裂縫的區域鉆取小樣，測試沖擊實驗后力學參數，得到的檢測結果如表3。

表3 沖擊前后樣品力學參數測試結果

根據沖擊波拉伸破壞理論，巖石破碎過程中往往先發生拉伸破壞，沖擊波作用到巖石樣品使其產生了一定數量的裂縫或微裂縫，降低了巖石的力學強度[22]。同時產生的裂縫和微裂縫在一定程度上隨著沖擊次數的增加而增加，裂縫和微裂縫將繼續延展。通過實驗前后樣品的檢測數據對比可知，沖擊波作用后，樣品的抗壓強度、 抗拉強度、彈性模量均明顯降低，這有益于進一步提高其他增產措施的效果。值得注意的是，由于所取樣品均避開了宏觀裂縫處，所以該下降幅度遠小于實際變化量。

三、結論

(1)在過套管、過套管+橋式復合篩管、過套管+橋式復合篩管+充填砂3種完井方式下，沖擊波均可致裂儲層，區別在于致裂儲層所需的重復次數、產生裂縫的數量有所不同。

(2)沖擊波重復作用于儲層，使已有裂縫變長變寬，同時會產生新的裂縫。

(3)重復沖擊次數較少時，主要形成主裂縫；當重復次數增加到一定程度，沿主裂縫方向會產生多條復雜的裂縫，構成復雜縫網。

(4)沖擊波可降低儲層巖石的力學強度，沖擊波作用后儲層抗壓強度平均下降了23%，抗拉強度平均下降了52%。