可控冲击波致裂套管井储层室内试验研究

李育，马焕焕，张永飞，王建平，张金元，韩龙飞

（延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心工艺技术研究所，陕西 延安 716001）

储层改造是致密油气藏获得工业油流的必要手段［1-5］，压裂措施已广泛地应用于各大油田。然而水力压裂、爆燃压裂等措施有诸多缺点，水力压裂、酸化压裂等会对储层产生二次伤害，且压裂施工程序复杂，作业费用较高；爆燃压裂受限于火工品运输和工艺实施特殊性，难以大范围推广使用。拟打算采用冲击波技术改造储层，目前产生冲击波的原理主要有3种：1）是以液电效应原理产生冲击波的技术，油田现场称为“电脉冲技术”或“电爆震技术”，该技术在国内外已有较多研究和应用［6-9］，但应用范围和效果有限，能量利用率仅有15%左右；2）是为提高能量转换效率，以水中金属丝电爆炸原理产生冲击波的技术，该技术能量利用率提高到了50%，作为过渡技术，虽有相关研究，但现场应用不多［10-11］；3）是可控冲击波技术，该技术以金属丝电爆炸等离子体驱动含能材料产生冲击波的技术，因在电能的基础上复合了化学能，大大提高了冲击波的幅值和脉宽，能量利用率可高达80%以上，使得利用冲击波技术进行储层改造成为可能［12-16］。前人文献大多是关于冲击波机理的定性研究，无法为延长油田储层改造提供依据。现将可控冲击波技术引入延长油田储层改造技术中，进而为鄂尔多斯致密储层开发提供新思路。

延长油田主要采用套管射孔完井，为模拟这一完井方式，采用在水泥样品中添加射孔套管实现。脉冲电流源作用增能棒产生可控冲击波，冲击波通过射孔孔眼以“单点多次、多点连续”的方式作用到样品中［17-19］，样品中的损伤不断累积，当损伤达到一定阈值时出现破裂。本文通过室内试验探究可控冲击波对样品力学性质及裂缝的影响，从而为可控冲击波套管井储层改造可行性提供依据。

1 材料与方案

1.1 实验材料

主要以延长油田致密油气层的储层抗压强度为参考，通过配方调整制作不同强度的水泥样品，作为致密砂岩相似性样品。制作的样品直径1 m、高1 m，模具如图1所示。在模具中间焊接带射孔的9-5/8"套管，套管长度1 100 mm，螺旋布孔4×20均布，孔眼的轴向间距为20 cm，周向相邻孔眼间的相位角90°（图2）。在前期研究的基础上，结合现有用于现场作业的冲击波产生设备，本文确定了3 g和10 g增能棒产生的冲击波进行致密砂岩的致裂效应试验研究。

图1 水泥样品模具

试验采用西安交通大学根据现场作业设计的室内冲击波产生装置。

每种配方的样品均制作了小样测试试验前的力学参数，初始力学参数与配方如表1所示。

图2 焊接套管

表1 初始力学参数及配方表

1.2 试验方案

主要进行可控冲击波致裂致密储层可行性研究，首先对1#和2#水泥样品进行致裂验证试验，探究3 g和10 g增能棒能否致裂样品；其次以致裂验证试验为基础选择合适的增能棒，以下试验皆采用相同能量的增能棒：①探究冲击次数对样品产生裂缝的影响；②探究可控冲击波对力学参数的影响；③对所有套管进行安全评估试验（具体试验方案见表2）。

表2 试验方案

2 结果与讨论

2.1 冲击验证试验

首先以3 g和10 g这2种增能棒进行了致裂验证试验（1#和2#样品），每种增能棒累计作用冲击11次，试验结果表明，3 g增能棒不能致裂水泥样品，10 g增能棒可以致裂水泥样品。因此，选择10 g增能棒进行后续的试验。试验过程中发现，10 g增能棒累计冲击到第5次时，套管被拔出17 cm，表面上产生6条裂缝，其中有3条贯穿样品。

2.2 冲击次数对样品产生裂缝的影响

脉冲冲击波技术是以单点多次作用到储层，需要以多次作用的疲劳效应扩大对储层的改造效果。为了研究不同冲击次数下裂缝的变化情况，开展了2组试验，一组是对3#样品累计冲击作用6次，观察同一裂缝的延伸情况，试验结果表明裂缝随着冲击次数的增加而变宽变长。

另一组是研究冲击次数对裂缝系统的影响试验，4#样品累计冲击23次，观察裂缝的扩展方向。对4#样品冲击7次时，主要以产生贯穿性裂缝为主，并无明显次生裂缝，如图3A所示；对4#样品冲击23次时，沿贯穿的主裂缝产生大量的次生裂缝，次生裂缝沿主裂缝周边呈无规缝向外延伸，形状似蜂窝，构成复杂的网状裂缝系统，如图3B所示。

图3 不同冲击下裂缝系统的变化

对于不同性质、强度的储层，不同的改造预期所需要的冲击波强度不同，因此作业次数也会不尽相同。所以，针对不同储层，需要通过雾模试验，确定可控冲击波具体的现场作业参数，为现场应用提供技术指导。

2.3 可控冲击波对样品力学参数影响

2.3.1 冲击波作用对应变的影响

对5#和6#样品冲击第1次、第2次时，2块样品的应变波形均已经呈现震荡衰减（图4、图5），表明样品内部已经出现较多缺陷，这些震荡的波形本质上来源于样品内部断裂处冲击波的折反射，即此时样品内部已产生大量微裂隙，同时在样品表面也观察到肉眼可见的裂缝。

对7#样品作用3次时，通过应变测试系统测量应变波形如图6所示。观察发现，前2次作用时，测点1和测点2波形趋势大致相同，环向和轴向应变约102μs后近似归零；作用第3次时，环向与轴向应变波形均有较大振荡。随着作业次数的增加，样品表面的微应变峰值呈逐渐减小的趋势。这是由于冲击波会在已经形成的微裂隙顶端形成折反射，形成屏障效应，造成冲击波在传播过程中的能量损失，因此传播到样品表面的冲击波会逐渐降低，产生的动态应变峰值也逐步降低。

图4 5#水泥样品应变测试(A)冲击1次和(B)冲击2次

2.3.2 冲击波作用前后样品力学参数

5#、6#和7#样品分别在冲击作业3次和6次后取小样测试力学参数，在制作试验样品时，同时制作了相应的小样品，用于测试冲击前样品力学参数；冲击试验完成后，在样品周向避开裂缝的区域钻取小样，测试冲击试验后力学参数，得到的检测结果如表3所示。通过试验前后数据对比，经过3次冲击波作用的水泥样品平均抗压强度降低44.7%，平均抗拉强度降低44.8%，平均弹性模量降低39.1%；经过6次冲击波作用的水泥样品平均抗压强度降低50.6%，平均抗拉强度降低47.09%，平均弹性模量降低39.8%，试验结果表明随着冲击次数的增加岩石力学性质降低。

图5 6#水泥样应变测试(A)冲击1次和(B)冲击2次

图6 7#样品应变测试(A)冲击1次；(B)冲击2次和(C)冲击3次

表3 冲击前后水泥样品力学参数测试结果

3 应用效果

依据可控冲击波致裂套管井储层室内试验结果，对7口水井进行解堵试验。脉冲解堵作业后，平均单井日注水量由0.09 m3提高到2.31 m3，平均单井日注水量提高24.67倍，平均单井增注423.41 m3，累计增注2 963.88 m3，具体试验结果见表4。对3口低产油井进行改造，作业后平均单井日产液量由0.31 m3提高到0.80 m3，平均单井日产油量由0.16 t增加到0.89 t，平均单井产能提高4.6倍，累计增产83.26 t，具体试验结果见表5。

4 结论

通过室内试验得出，增能棒的量需达到某个阈值，产生的可控冲击波才能既不损坏套管，又能够致裂水泥样品；冲击次数对裂缝系统会产生影响，较少冲击次数主要以产生贯穿性裂缝为主，并无明显次生裂缝；较多冲击次数时，沿贯穿的主裂缝产生大量的次生裂缝，次生裂缝沿主缝向水泥样品周边呈无规则延伸，形状似蜂窝，构成复杂的网状裂缝系统；随着冲击次数的增加，动态峰值应变、弹性模量、抗拉强度和抗压强度皆减小。依据室内试验结果，对油水井进行增产解堵试验，作业效果明显。

表4 可控冲击波注水井效果统计

表5 可控冲击波采油井效果统计