水力沖擊壓裂技術(shù)地面打靶模擬實(shí)驗(yàn)研究

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(guó)海上低滲油田儲(chǔ)量豐富，開(kāi)發(fā)效果普遍不理想[1-2]，例如南海東部油田，已動(dòng)用低滲儲(chǔ)層儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)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?jí)毫选⑺峄夹g(shù)為主，存在措施難度大、技術(shù)手段單一的特點(diǎn)。其中水力壓裂技術(shù)由于平臺(tái)空間小、施工成本高，目前難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)[3]；爆燃?jí)毫鸭夹g(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(yùn)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(shí)施；常規(guī)酸化技術(shù)對(duì)于低滲油田則表現(xiàn)為注入壓力高、注入排量低等特點(diǎn)，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(guó)內(nèi)開(kāi)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(shí)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(shí)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(kāi)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(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究方面匱乏。本文通過(guò)地面模擬實(shí)驗(yàn)裝置，首次對(duì)技術(shù)造縫情況及增壓效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)原理

1.1 模擬實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(shí)，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(shí)，沖擊片破裂，沖擊片上的液體壓能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(shí)，速度達(dá)到最大值，高速液體撞擊柱塞上，速度急劇變?yōu)榱悖瑒?dòng)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(chǔ)層。

為驗(yàn)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(jī)理，考慮實(shí)施可操作性及安全性，設(shè)計(jì)水擊管柱傾倒方案。模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要包括水泥靶、沖擊室、油管、地面泵、壓力測(cè)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)地規(guī)模大小，設(shè)計(jì)油管長(zhǎng)度20 m，以確保液柱能夠獲得足夠的動(dòng)能致裂水泥靶，同時(shí)設(shè)計(jì)沖擊室長(zhǎng)度4 m，以確保液柱能夠充分加速以獲得增壓。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用泵車(chē)加壓，通過(guò)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(guò)沖擊管柱撞擊至柱塞短節(jié)，水流瞬時(shí)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(shí)驗(yàn)示意圖

1.2 水力沖擊壓裂實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

水力沖擊壓裂水擊過(guò)程根據(jù)作用機(jī)理可分為四個(gè)階段：①泵車(chē)加壓；②沖擊片破裂液柱在沖擊室獲得動(dòng)能；③液柱撞擊柱塞，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力；④壓力作用于儲(chǔ)層(水泥靶)。

水擊過(guò)程根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒關(guān)系，建立實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ—任一時(shí)刻任一位置液體密度，kg/m3；V—任一時(shí)刻任一位置液體速度，m/s；F—質(zhì)量力，m/s2；p—任一時(shí)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(shí)間，s。

求解上述模型可將液柱沿壓力傳播方向離散成n個(gè)微元，對(duì)應(yīng)水擊過(guò)程四個(gè)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(dòng)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(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力過(guò)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(chǔ)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(guò)特定的離散方法可以求得水力沖擊壓裂水擊過(guò)程中任一時(shí)刻任一位置處的壓力值p(x,t)。

2 水力沖擊壓裂實(shí)驗(yàn)材料要求

2.1 沖擊片及測(cè)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(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素，分別設(shè)計(jì)5 MPa、15 MPa、25 MPa(具體以實(shí)際破裂壓力為準(zhǔn))三種沖擊片破裂極限，檢測(cè)不同壓力下的增壓效果。水力沖擊器前后設(shè)計(jì)壓力測(cè)量裝置，前端壓力測(cè)量裝置連接在轉(zhuǎn)換接頭處，后端在套管內(nèi)部?jī)?nèi)置存儲(chǔ)式P-t儀，用以檢測(cè)地面泵加壓至沖擊片破裂后，流體經(jīng)過(guò)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(cè)用混凝土靶制作規(guī)范》制作?1 000 mm×1 000 mm混凝土靶3個(gè)，清水養(yǎng)護(hù)28 d，以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。水泥靶內(nèi)置?244.5 mm套管，長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)，端面居中開(kāi)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(xiàn)：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(chē)1臺(tái)。

3 實(shí)驗(yàn)程序

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)按水力沖擊壓裂地面打靶實(shí)驗(yàn)裝配現(xiàn)場(chǎng)工具，具體步驟如下:

(1)吊車(chē)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(wú)異物。

(3)套管內(nèi)置開(kāi)啟后的存儲(chǔ)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(zhǎng)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(xiàn)使用地錨加固。

(5)泵車(chē)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(duì)管線(xiàn)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(kāi)始記錄，實(shí)驗(yàn)人員撤離至安全區(qū)域，泵車(chē)沿加壓管線(xiàn)注水，加壓至沖擊片極限值。

(8)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，觀(guān)測(cè)、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定下一組試驗(yàn)方案。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 水力沖擊壓裂地面打靶實(shí)驗(yàn)壓力測(cè)試

地面打靶實(shí)驗(yàn)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(jì)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(cè)值分別為48.5 MPa、48.1 MPa、47.3 MPa，監(jiān)測(cè)到明顯的增壓效果，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)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?yàn)橐褐膭?dòng)能主要來(lái)源于兩部分，即沖擊片破裂前液柱具有的壓縮能和通過(guò)沖擊室加速獲得的能量。對(duì)于20 m液柱，不同壓力下的壓縮能可以忽略不計(jì)，因此實(shí)驗(yàn)條件下增壓效果主要取決于沖擊室加速獲得的能量。實(shí)驗(yàn)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(chē)水馬力與液柱速度之比，因此三組實(shí)驗(yàn)液柱通過(guò)沖擊室過(guò)程中作用于液柱的壓力接近，根據(jù)動(dòng)量守恒方程，最終加速獲得的能量接近。

實(shí)驗(yàn)最終監(jiān)測(cè)的增壓值與水力沖擊壓裂模型峰值壓力模擬計(jì)算值相對(duì)誤差小于5%，如表1所示。

表1 水力沖擊壓裂地面打靶實(shí)驗(yàn)壓力測(cè)試結(jié)果

驗(yàn)證了地面模擬實(shí)驗(yàn)裝置的合理性與壓力傳播模型的準(zhǔn)確性。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(chǎng)目標(biāo)井儲(chǔ)層所需破裂壓力，可采用實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型，為礦場(chǎng)應(yīng)用水動(dòng)力壓裂峰值壓力計(jì)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(shí)驗(yàn)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(guān)驗(yàn)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(zhǎng)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(dòng)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(tái)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(shí)施，依靠技術(shù)造縫效果，可為海上油田儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)清洗擴(kuò)縫、進(jìn)一步防止裂縫閉合的目的，增強(qiáng)儲(chǔ)層改造效果。

4.3 水力沖擊壓裂井下峰值壓力實(shí)例計(jì)算

以海上油田某直井為例，井垂深1 547 m，油藏資料顯示儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)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(yàn)，水力沖擊壓裂井下峰值壓力可設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jì)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(shí)驗(yàn)根據(jù)水力沖擊壓裂作用原理設(shè)計(jì)了水力沖擊壓裂地面打靶模擬實(shí)驗(yàn)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(cè)值分別為48.5 MPa、48.1 MPa、47.3 MPa，增壓效果明顯，壓力監(jiān)測(cè)值與建立的水力沖擊壓裂水擊過(guò)程壓力傳播模型模擬值相對(duì)誤差小于5%，驗(yàn)證了地面模擬實(shí)驗(yàn)裝置的合理性與壓力傳播模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)礦場(chǎng)應(yīng)用峰值壓力設(shè)計(jì)及沖擊片破裂壓力選取提供了理論依據(jù)。

(2)通過(guò)地面打靶實(shí)驗(yàn)直觀(guān)驗(yàn)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(shí)施作業(yè)，依靠其造縫效果，可為海上油田儲(chǔ)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。