筛管完井高能气体压裂模拟实验研究

张 杰， 黄利平， 周际永， 孙 林， 冯 煊， 张 鑫

(1西安石油大学石油工程学院 2中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 3西安石油大学油气科技有限公司)

高能气体压裂作为一项油气井增产技术措施，由于其升压速率快，可形成多方位的裂缝体系，解除地层污染、沟通天然裂缝，改善近井地带储层渗流能力，已在我国进行了大量的现场应用。但目前应用的绝大多数为套管完井，筛管完井的则很少，几乎未见报道[1]，而我国现有大量的筛管完井需要进行储层增产改造。高能气体压裂技术能否在筛管完井的井中进行应用、能否在地层中产生裂缝及能否对筛管产生破坏等方面需要进行研究。

一、实验设计

筛管完井高能气体压裂的过程十分复杂，具有冲击破岩的瞬态性、复杂性，及难以用理论精确描述的特点[2]，模拟实验是研究筛管完井高能气体压裂的有效手段。实验目的是为了模拟井下筛管完井爆燃压裂技术可行性及对筛管防砂性能的影响，必须尽可能的模拟井下筛管完井爆燃压裂的实际情况：①峰值压力高于地层破裂压力；②加载速率快。根据火药的燃烧特性，模拟实验的火药必须在有限的、密闭环境下进行，同时当压力达到了一定的值后要有压力释放的通道，实验选取具有套管固井的带围压水泥靶进行。

实验设备由水泥靶、压力发生器、压力测量、温度测量等系统组成。

水泥靶是模拟实验的关键。实验时，水泥靶龄期为60 d，其外围用钢板箍紧，外径为3.5 m，中心安置Ø244.5 mm套管，长1.2 m，套管周围开有直径为5 mm、相位30°的泄气孔，套管两端加工有丝扣，一端用端盖拧紧预制于混凝土中，另一端丝扣露在混凝土外面，实验时用端盖密封。在套管外浇铸0.2 m厚的水泥环(浇铸时泄气孔外用胶密封，防止水泥浆进入泄气孔而堵塞泄气通道)，然后在水泥环与钢板之间浇铸水泥砂浆以模拟地层岩石。

压力测量是筛管完井模拟实验需要获得的重要参数。由于实验时筛管需要承受高压和高温的双重作用，现有的压力计不能承受过高的温度，为了保险起见，实验时压力的测量采用铜柱法，只测量实验时的峰值压力，并在筛管上、中、下三个部位进行测量。

温度测量。爆燃压裂时火药燃烧的中心温度可达850℃，地面实验时虽然筛管内充满了水，但由于水的气化及流失比较快，筛管可能承受的温度还会很高。目前由于仪器局限及实验空间的局限性无法用仪器直接测量。本实验选取标准金属块分别置于筛管外壁上、中、下位置。依据温度分布范围分别选取了99.9%的铅块、锌块、铝块和铜块来测量温度[3]。

二、模拟实验模型建立

1.模拟实验装置设计

实验用筛管的长度设计为900 mm，先置于混凝土靶内的套管中的扶正器内，居中后在筛管与套管的环空位置中加入细砂，砂面与筛管平齐，将组装好的起爆器的推进剂药柱放置于筛管中心，后灌满清水，水面与套管上端平齐，以保证套管内空气被排出，提高推进剂的燃烧速度，连接起爆线后盖紧上端盖(模拟实验装置如图1所示)。

图1 模拟实验示意图

2. 模型建立

模拟实验峰值压力与药量、火药种类、火药所占密闭空间体积及火药的燃烧规律有关[4]。峰值压力的确定与火药爆燃形成的加载速率关系紧密，因此要建立火药在密封模拟实验条件下的爆燃加载曲线。模拟实验的整个过程在不到1 s的时间内完成。

模型建立进行如下假设:①爆燃过程为绝热过程；②燃气为完全气体，符合气体状态方程；③火药燃烧完全，燃烧产物组分不变；④火药燃烧服从从内向外燃烧规律；⑤实验采用固体推进剂药柱，其单节长度为lmm，药柱外径为Rmm，内径为rmm，采用中心传火，内侧表面点火燃烧方式。在整个爆燃过程中根据质量守恒、能量守恒、火药燃烧速度模型和几何平衡关系，建立筛管完井高能气体压裂模拟实验的物理模型为[5-6]:

PV=nRT理想气体状态方程

Vg=[π(r+δ)2-πr2]l=πlδ(δ+2r) 几何平衡

式中：Vg—药柱的燃烧体积，m3;ω0—火药燃速系数，m/s;u—火药的燃烧速度，m/s;δ—任意时刻t药柱肉厚，m；n—压力指数；ρ0—火药的密度，kg/m3；VK—套管内未被充填自由容积，m3；S0—火药的燃烧表面积，m2；p—套管内平均压力，MPa;R—燃气常数，通常等于2. 87 J/kg℃;f—火药力，J/kg;T—套管内的平均温度，℃。

三、实验程序

1. 实验目的

到目前为止，高能气体压裂技术只是在套管完井中进行了大量的应用，筛管完井的施工还是空白。射孔完井与筛管完井高能气体压裂技术在增产机理、施工工艺、火药用量、管柱保护方面有很大区别，所以，需要对筛管完井高能气体压裂技术进行地面模拟实验，搞清筛管完井高能气体压裂裂缝形态，筛管强度及防砂性能等方面的变化[7-8]，为高能气体压裂技术在筛管完井的应用提供实验支持。

2.实验方法

将外壁上中下位置固定好铜柱测压器和温度标定金属块的优质和星孔筛管分别置于混凝土靶的套管中，居中后在环空位置加入干河砂，与筛管平齐。将组装好的起爆器的及推进剂药柱放置于筛管中心，剩余空间注灌满清水。连接脚线后盖紧上端盖，人员撤离后，点火。

四、实验结果及分析

为了使模拟实验更能体现实际施工需要，模拟实验选取了耐温、燃速不同、应用广泛的复合推进剂和双芳-3两种火药。筛管分别选取了常用的桥式复合筛管和星孔筛管。根据制定的实验方案和实验程序分别进行了模拟实验，实验结果如图2和表2所示。

实验结果分析：①从图2和表2可以看出5组模拟实验水泥靶都产生了裂缝，裂缝条数为2～4条，裂缝之间的相位分别为180°、45°、90°，这同套管上30°相位卸压孔不完全重合，说明筛管完井高能气体压裂产生的裂缝方位具有一定的随机性；②产生裂缝条数与峰值压力有关，峰值压力越大，产生的裂缝条数越多，这主要是当峰值压力较大时，就需要有多条裂缝来释放套管中的压力；③高能气体压裂过后筛管的防砂性能都有不同程度的降低，旧筛管的防砂性能比新筛管下降的要多，这主要是旧筛管中金属绕丝的强度比新筛管低，所能承受的高能气体压裂过程中产生的压力较低，在同等压力的情况下，旧筛管的防砂性能下降就比较多，这也说明在实际筛管完井中进行高能气体压裂时要适当考虑筛管的新旧程度，当筛管较旧时，要适当减少药量。

图2 模拟实验前后水泥靶裂缝形态图

表2 模拟实验数据表

五、结论

(1)可以用两端密闭的、带套管的水泥靶来模拟筛管完井高能气体压裂过程，模拟实验表明了筛管完井中可利用高能气体压裂产生的多裂缝体系来进行增产作业。

(2)筛管完井高能气体压裂的增产机理是利用火药燃烧产生的高温、高压气体对目的层做功，在地层产生2～4条裂缝，裂缝条数与峰值压力有关，峰值压力越大，产生裂缝条数越多。

(3)模拟实验表明了筛管完井中高能气体压裂过程中产生的高压气体冲击后，筛管结构不会被破坏，筛管防砂性能略有下降，旧筛管防砂性能比新筛管下降得多，在进行高能气体压裂设计时要考虑筛管新旧程度。