爆破造裂技术在油气开采中的应用研究

吕 为,卢光明,张保良

(1. 湖北东神楚天化工有限公司,湖北 大冶 435100;2.湖南金能爆破工程有限公司,湖南 长沙 410000)

0 引言

受相关开采技术的制约,我国乃至全世界,石油开采的资源采收率往往在15%～20%,页岩气等非常规油气开采的资源采收率仅接近20%,因此,造成80%以上可采宝贵油气资源无法得到有效的开发利用。 我国陆地已产生原油残滞资源接近100 亿t,而且仍在以每年大于6 亿t 递增,采收率偏低和资源浪费严重的问题凸显,是困扰油气开采乃至国家能源策略的重大棘手难题。

造成当今油气开采资源采收率偏低和资源浪费严重的根本原因,是储层改造技术乏力所致[1-2],由于现有的常规储层改造技术即水力压裂法,仅能使储层采块产生数量与分布范围极为有限的导流缝隙,无法使导流缝隙遍布整个采块,充分连通采块中的油气储存空间,造成开采层中的绝大多数油气资源在开采中因缺乏导流缝隙而无法渗出与流动,进而使得可采资源无法采收。

基于上述问题和现状,笔者提出了油气藏采层内精准控制爆破造裂的方法[3],以在弃采油井内控制利用爆炸能量对油气开采层进行造裂做功为手段,安全可靠、经济便捷,使已弃采油层全层厚、全采块、全方位地破裂,产生新的网络状连通导流缝隙,从而实现采块整体改造,使采块内的残滞油气资源充分渗出,顺畅流至回采井,最终达到提高资源采收率的目的。

1 爆破造裂优势及机理分析

大量的储层造裂实践和分析研究[4]表明:油气储层人工造缝所产生的缝隙数量、缝隙长度和缝隙宽窄,取决于造裂作用力的加载速率、力量幅值和造裂作用的持续时间,并与其成正比。 具体特征见表1。

表1 3 种不同储层造裂方法的基本特征

由表1 可知,炸药爆炸能量的做功加载速率和第一峰值压力远远高于其他方法,而且伴随有气体和热能产生,符合产生多缝隙和生成促产动力的需要,尤其是炸药爆炸能够使爆源周围固态介质产生纵横交错裂缝乃至粉碎这一特性,为杜绝造裂作业出现单一或有限缝隙提供了支撑。

通过采用特定方法,将具有聚能等控制功能的造裂药柱装入对应的设定井段内,引爆后生成的能量对油气采层将产生下列一系列作用[5-6]:

1)机械作用。 爆炸第一峰值的压力远远超过岩石破裂的压力,在爆源周围会产生破碎区和生成许多条向远处延伸的径向裂缝,进而形成小区域破碎体,产生引导裂缝,完成储层采块的多裂缝启裂。

2)物理作用。 物理作用主要体现在水力振荡作用方面,爆炸和高温高压气体压力能量会推动井内液柱向上运动,促使腾空的空间和气泡的上涌,使高能燃气体积增大,压力下降,从而引导液柱向下运动,压力的周期波动有助于岩石裂缝形成和清理油层堵塞,更有利于油层网络裂缝的形成与延伸。

3)化学作用。 炸药爆炸产生的气体在压力条件下会溶于原油和溶化干酪根,进而降低页岩气的黏度和表面张力,能够有效提高油气的析出能力。

4)热力学作用。 实测表明,炸药爆炸瞬间的中心最高温度可达5 000 ℃。 爆炸和燃烧生成的热量绝大部分被储层所吸纳,使储层温度增高。 储层温度对甲烷类气体的吸附能力具有很大影响,温度越高,甲烷的吸附能力越小。 因此,储层温度的增高,不仅会削弱甲烷的吸附能力,提高储层的解吸和析出效应,而且还会提高页岩气的运移能力。

利用上述机械、物理、化学和热力学作用,都有利于实现油气采层 “体积造裂”, 提高油气运移与解吸能力。

2 专用聚能造裂药柱

2.1 专用聚能造裂药柱的设计

爆破造裂技术的关键是需要一种特殊的造裂装置来实现对油气藏采层的爆破造裂,使其在油气井内能够可靠、稳定起爆,同时做功方向实现可控。为了实现以上目标,在常规的炸药柱的基础上进行改进,提出了一种钻采油气井专用聚能造裂药柱[7],其具有柱形壳体,壳体内灌装熔铸炸药,且在壳体两端装有堵头和端盖,在端盖的一端插装引爆器。 具体结构特点包括:

1)壳体内为梯恩梯与黑索今的混注炸药,配比可根据具体使用环境要求进行调整。

2)引爆器一端伸入熔铸炸药内180 mm 以上深度,并呈绞丝扣结构,另一端伸出端盖外部呈环扣状,确保吊装方便并能可靠引爆。

3)在壳体外表面压制有多个聚能穴,聚能穴在壳体表面呈梅花状排布。

4)聚能穴在壳体表面呈排布置,至少有4 排,每排至少有4 个聚能穴,绕壳体外壁均匀布置,且相邻两排聚能穴在轴向上交错布置,形成梅花状排布。

具体结构如图1 所示。

图1 造裂装置的具体结构

2.2 专用聚能造裂药柱的优势

该聚能造裂药柱与其他爆燃压裂方法、装置相比,在形状结构、配方、造裂原理和适用范围方面均有较大优势:

1)结构。 该造裂装置采用柱形不锈钢壳体,其在壳体外表面压制有多个聚能穴,聚能穴在壳体表面呈梅花状排布,可实现定向爆破并增强爆破效果。 该装置通过将熔化好的单质猛炸药或混合物注入壳体内冷却而成,爆炸后壳体被完全粉碎,无须进行回收处理。 而普通压裂装置采用纸质、橡胶或树脂材料,筒体端盖采用树脂或橡胶材料,各组件间的连接均采用螺纹连接方式,压裂作业后的组件需随电缆提出井口。

2)配方。 该造裂装置柱体主要成分以单质猛炸药为主(如梯恩梯、黑索今),也可使用两种单质猛炸药的混合物,而压裂装置柱体主要以黑火药为主,做功能力明显偏弱。

3)造裂原理。 该造裂装置通过引爆器引爆壳体内的猛炸药进行爆炸做功。 该造裂方法以爆炸产生的冲击波为主,以爆炸产生的大量气体为辅,对藏采层进行复合造裂,使储块在近井周边一定范围内产生大量纵横交错的爆破裂隙,形成网络状连通。 而普通压裂装置是通过引燃药柱内的黑火药,使压裂火药柱迅速燃烧产生大量气体,在井筒中建立起高压对地层进行做功来造裂。 整个过程没有发生爆炸,仅以火药柱爆燃产生的气体为做功载体进行压裂。

4)适用范围。 造裂方法具有复合造裂效果,以提高油气资源采收率为目的,可适用于低产油井、干涸或废弃油气井,可有效解决“有油采不出,有气不外冒”的问题。 而普通压裂方法以提高产能为主要目的,效果较为单一,主要适用于正常或低产油气井。

3 爆破造裂技术的实践

3.1 常用装药爆破方式

1)竖井装药爆破。 利用贯穿于待造裂油藏采层的井眼进行装药爆破。 该方法工艺简单,施工方便,但一次爆破造裂的体积较小。 爆破效果如图2所示。

图2 竖井装药爆破造裂示意图

2)连通井组水平井段装药爆破。 由于该方法能够一次装填更多的炸药,不仅能够大大地增加一次爆破造裂的体积,还能有效提高造裂质量。 爆破效果如图3 所示。

图3 连通井组水平井段装药爆破造裂示意图

3)竖井与扇形状水平井眼、斜眼或裂缝混合装药爆破。 该方法是充分应用水平井装药爆破优势,通过对整个矿层钻凿水平井眼和利用裂缝进行装药爆破,对整个矿层或更大区域矿体造裂。 爆破效果如图4 所示。

图4 竖井与扇形状水平井眼或斜眼或裂缝混合装药爆破造裂示意图

3.2 模拟装药探井

由于爆炸装置重量轻,在没有外加动力的情况下容易遇阻,为了确保爆炸装置安装至设定位置,装药前,必须进行电缆悬吊法模拟装药探井。 具体做法:制备一长度和直径均大于拟用爆炸装置尺寸的特制通井规,用专用电缆固定于特制通井规上端,利用特制通井规的自重下沉完成模拟装药探井作业,并根据通井结果确定爆炸装置尺寸,以保障爆炸装置能够顺畅装填至设定位置。 模拟装药探井作业系统如图5 所示。

图5 模拟装药探井作业系统示意图

3.3 造裂装置的装填

将爆破造裂所需炸药按设计要求装填到位,是取得预计造裂效果的基础与保障,常用装填方法有:

1)管柱输送爆炸装置方法。 将制备好的炸药装置与钻杆、油管和抽油杆中某种杆(筒)连接好,然后一根接一根往地下送杆(管),将造裂装置送至设定位置,使爆破位置的准确度达100%。

2)电缆输送爆炸装置方法。 采用载荷能力达5 t 的W7BP 型专用电缆代替杆管,利用造裂装置的自重和配重形成悬吊式下落,应用测井车的定位系统将炸药装置下送至设定位置。

3)投放输送炸药装填方法。 先将炸药分批或一次投入井口,利用造裂装置的高密度属性自然下沉并随时检查,遇堵时用专用管柱疏通,将炸药送至设定位置之后,再装起爆装置。

3.4 起爆网路检测

根据弃采油井的实际情况,起爆网路选用简便可靠的地面电力起爆系统,并采用W7BP 型承荷探测电缆或测井电缆作起爆母线,使起爆网路在复杂工况环境下仍保持15 MΩ 绝缘。 在爆破装置和起爆装置下送过程中,必须时时检测起爆网路状态,只有在起爆网路状态处于正常范围时才可继续下送,否则应立即回提20 m 后停机检查分析,待问题解决后方能恢复下送作业。 当问题不能马上解决时,应无条件将其回提至地面,找出问题并处理后再下送,确保准爆率达到100%。

3.5 爆破效果检验

采用地震检波器进行爆破造裂效果检测。 根据爆破发出的响声、井涌程度、震感等现象,由人工或仪器仪表检测确认爆破成功后,尽快进行试气,检验爆破造裂的效果。

4 实施效果

4.1 青海冷湖油田爆破增产试验

在青海冷湖油田进行了42 次井下爆破增产作业,先后在三号区废弃油井7915、7917 和8003 的6 个3 种不同潜力油层(原生态油层、已射孔油层和已完采油层)进行爆破造裂增油试验,取得了3井爆破,4 井增油的明显效果。

虽然在试验中无法及时进行排液求产,原油增加量被减少,但是,单井日增产原油量最高仍达0.88 m3,为试验井周边捞油井日产量的5 倍,4 井平均日增产原油量达0.14 m3,为周边同类井的1～1.5 倍。

4.2 湖南龙山页岩气龙参2 井爆破增产试验

在龙参2 井进行了24 次井下爆破增产作业,虽然面临井筒有效通径没有进行排液求产、井筒存在漏失和炸药用量严重不足等不利条件,但是该井的产气量仍然从进场时的22 m3/d,最高增加到580 m3/d,单天气产量增加25 倍,增产效果明显。

5 结语

爆破造裂技术利用高能炸药爆炸产生的冲击载荷和高能气体形成动、静载荷相结合的储层立体造裂效应和化学、热能的扰动作用,对实现油气储层的网络化造裂和对油气资源生产扰动促产具有明显效果,能够在水力压裂法等常规方法不能产出的情况下,实现油、气、水的同步产出,应用前景广阔。