爆燃压裂技术在近水水平井中的应用

孙 林, 杨军伟， 邹信波， 熊培祺， 陈庆栋

(1中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2中国海洋石油有限公司深圳分公司)

爆燃压裂技术也称为高能气体压裂，是采用火药或火箭推进剂在井筒中燃烧产生的动态高压气体对地层进行压裂[1-2]。从1986年，延长七里村1038井进行国内第一口爆燃压裂井实验至今，已经在国内外底水油藏中规模化应用，控水增油效果显著[3-8]，它是底水油藏改造中一种行之有效的措施。

目前国内外近水水平井中应用爆燃压裂技术的案例相对较少，因为爆燃压裂一般是沿着射孔孔眼方向形成3～8条，单条为5～10 m的缝长[9-10]，而缝高相对较小，缝高可控制为0.5 m之内[6]。国内外主要利用其缝高小、长缝长、多裂缝的特点，在直井或大斜度井中的底水油藏中应用。

而中国海上油田陆丰13-1油田α层为中低渗砂岩底水油藏，储层薄，含水上升快，措施井主要以水平井射孔完井为主，固井质量不理想，沿着射孔孔眼距离底水仅为3.0～3.6 m，采用目前的爆燃压裂技术形成的缝长直接面向水层，无法利用其“纵向控水”的特点，可能进一步损坏固井质量。

为解决这一难题，根据火药燃烧、压挡液运动等相关理论，修正了爆燃压裂起压及裂缝延伸模型，结合陆丰13-1油田α层储层物性和出水层段距离，优选作业层段，采用大尺寸延时火药，合理控制火药用量，从而控制裂缝缝长，避免沟通底水。

一、陆丰13-1油田低渗底水油藏特点

陆丰13-1油田位于中国南海珠江口盆地，主要含油层系珠江组的2 500层油藏为块状底水油藏，低渗储层α层位于2 500油藏顶部，油藏埋藏2 343～2 500 m，它包含SL1～SL4四个小层，平均砂层厚度7.0 m，小层平均厚度为1.8 m。

α层孔隙度12%～15%，渗透率53.9～154.3 mD。α层以下层位为高孔高渗储层，由于受底水影响，目前α层主要表现为含水上升快，水淹严重，合采井平均含水79%。α层是典型的低渗底水油藏。

二、爆燃压裂技术在近水 水平井中应用难点

(1)水平井射孔孔眼直接面向水层，距离底水仅为3.0～3.6 m。目前技术在国内外底水油藏中应用普遍为直井或大斜度井中，属于“纵向控水”。而目标井陆丰13-1油田的26H和19H井为水平井，爆燃压裂形成缝长将直接沿射孔孔眼方向，距离底水层仅3.0～3.6 m。

(2)水平段较长，存在潜力段，爆燃压裂需要选择性改造。LF13-1油田19H井整个α层为2 812～2 906 m，而2 906 m以下为主要出水段，二次固井后补孔段为2 818～2 860 m，即SL1～SL3小层，同时各小层物性存在差别，其中SL2层为潜力段。

(3)水平井固井质量不理想，爆燃压裂易进一步损坏固井质量。两口水平井固井质量均不理想，同时还进行过射孔作业，爆燃压裂易进一步破坏固井质量，沿着井筒方向沟通底水。

三、近水水平井爆燃压裂技术

1.优选爆燃压裂施工井段

针对水平井段较长，爆燃压裂的选择性改造难题，主要结合油藏分析，优选渗透率低、潜力大、距离底水一定距离的储层井段进行施工。

例如LF13-1油田19H井，由于SL2层、SL3层相对致密，SL1层相对疏松更易吸收爆燃气体，同时SL3小层顺着井筒和射孔孔段方向距离底水都较近，可动油较少，优选爆燃压裂段SL2小层中下部，爆燃压裂可动用SL2层中部剩余油，同时利用SL2层顶部钙层，控制裂缝在SL1层穿透后的延伸长度，有利于达到改造增产、避免沟通底水目的。

2.控制峰值压力和裂缝缝长技术

2.1 爆燃压裂起压和裂缝模型

2.1.1 火药燃烧规律模型

根据火药燃烧方程式(1)，火药的燃烧速度μ与燃烧系数w0和外界压力p的指数关系。

(1)

式中：μ—火药燃烧速度，m/s；e—火药燃烧厚度，m；w0—燃烧系数，m/(s·Pan)；p—外界压力，Pa；n—压力系数。

2.1.2 火药几何尺寸模型

根据火药质量和几何尺寸情况，并结合式(1)，可得到式(2)。

(2)

式中：m—燃烧掉火药质量，kg；ρn—火药密度，kg/m3；Vg—燃烧掉火药体积，m3；l—火药长度，m。

2.1.3 压挡液运动模型

目前国内通常采用刚体压挡液运动模型[11-13]，而压挡液为可压缩流体，因此只能计算压挡液柱底部向上运动过程，无法计算液柱中压力分布情况，目前有关文献也详述其它模型[14-15]。根据牛顿第二定律和材料力学方程，以微元液体进行力学分析，按照压力波在液柱中的传递过程进行推导，可得式(3)、式(4)。

(3)

(4)

初始条件为：

u(x,0)=0

边界条件为：

式中：E0—水的体积模量，Pa；u(x,t)—压挡液中微元在x位置处，t时刻的位移，m；ρ(x,t)—压挡液中微元在x位置处，t时刻的密度，kg/m3；ρ0—压挡液原始密度，kg/m3；λ—摩阻系数；r—井筒半径，m。

2.1.4 压力与时间关系模型

(5)

式中：f—火药力，即单位质量的火药完全燃烧所做的功，J/kg；p—气体燃烧腔室压力，Pa；m—火药燃烧部分质量，kg；ψ—火药燃烧部分相对质量γ—绝热系数；Q—传热量，J；S—井筒模截面积，m2；v—液柱运动速度，m/s；VT—液体进入裂缝的体积，m3；pTg—套管外部气体压力，Pa；VTg—进入裂缝的气体体积，m3；Vψ—火药柱燃烧掉的体积，m3；x—液柱向上运动的距离，m。

2.1.5 裂缝与时间关系模型

根据Griffith理论，岩石一旦起裂，以恒定速度向前延伸，可推导出如下模型：

(6)

(7)

式中：L(t)—裂缝缝长，m；W(t)—裂缝缝宽，m；ρr—岩石密度，kg/m3；ν—岩石泊松比；E—杨氏模量，Pa；t—作用时间，s。

结合上述方程，利用有限差分方法来求解上述微分方程组，以得到具有有限精度的数值解。

2.2 不同燃速火药对峰值压力影响

以陆丰13-1油田26H井为例，分别采用双芳-3、NEPE推进剂、HTPB推进剂三种不同燃速的火药，假设上述三种火药直径均为69 mm，内径为26 mm，采用用量为20、30、40 kg进行模拟，如图1。

图1 不同燃速及不同用量火药与峰值压力关系模拟曲线

图1可知，高燃速的NEPE推进剂容易产生高的峰值压力，从管柱安全和固井质量等考虑，优选最低燃速的HTPB推进剂火药以降低峰值压力。

2.3 不同尺寸火药对峰值压力影响

采用用量为30 kg，外径分别为60 mm、69 mm和85 mm三种尺寸的HTPB推进剂火药进行模拟。模拟结果如图2所示。

图2 不同尺寸火药与峰值压力关系模拟曲线

由图2可知，在相同火药用量情况下，外径越长的HTPB火药峰值压力相对越小，为了控制峰值压力，因此优选85 mm外径的火药。

2.4 不同火药用量对峰值压力、裂缝缝长影响

如图1所示，火药用量和峰值压力成正比关系，控制火药用量即可控制峰值压力，由于水平井固井质量不理想，尽量采用合适的火药用量，满足峰值压力在1.1倍地层破裂压力以上，同时满足缝长小于3 m即可。使用外径为85 mm的HTPB火药，峰值压力和裂缝缝长模拟结果如图3所示。

图3 不同火药用量对峰值压力、裂缝缝长关系模拟曲线

由图3可知，当使用25 kg火药时，储层开始造缝；当使用40 kg火药时，峰值压力为54.01 MPa，约为1.2倍地层破裂压力，也低于目前国内外爆燃压裂峰值压力为1.5～2.0倍地层破裂压力的控制范围，且裂缝缝长为2.8 m，低于目前离底水3 m缝长的控制范围。

四、应用效果

陆丰油田两口近水水平井爆燃压裂作业效果如表1所示，两口井均达到控水增油的目的，避免了距离储层3.0～3.6 m底水的沟通，累计增油6 000 t，控水增油效果显著。

表1 LF13-1油田两口井近水水平井爆燃压裂控水增油效果

注：26H作业前开采下部SL3-SL5层，SL5是出水层，作业后生产SL1-SL2层；19H作业前开采SL1-SL6层和SL8层，作业后生产SL1-SL3层。

其中26H井爆燃压裂作业前，在15.86 MPa压力下进行试挤，排量为0.11 m3/min；第一次爆压后，15.86 MPa压力下排量为0.18 m3/min；第二次爆压后，15.86 MPa压力下排量为0.21 m3/min。由现场施工数据可以看出，爆燃压裂施工后，地层产生裂缝，通过多次爆燃，裂缝导流能力明显增强。

同时，26H作业前丰产层日产液量1 358 m3，含水率达99%，丰产层即为目前低渗层下面的底水层，上返补孔低渗层后曾试采，日产液量瞬时最高11 m3左右，无法达到配产要求，爆燃压裂后日产液量达到120 m3，说明没有沟通下部底水；19H井作业前多层合采，含水率达99%，作业后含水率降至97%，且液量也仅为作业前的四分之一左右，说明没有沟通下部的主要出水层，控水增油效果明显。

五、结论

(1)针对爆燃压裂控水增油的难题，突破技术限制条件，根据火药燃烧、压挡液运动等相关理论，修正了爆燃压裂起压及裂缝延伸模型，结合陆丰13-1油田α层储层物性和出水层段距离，优选作业层段，采用延时-低峰值压力的爆燃设计思路，分析了不同燃速、不同尺寸火药情况下，峰值压力和裂缝缝长，优选了大尺寸、合理用量的HTPB推进剂火药，从而控制裂缝缝长，避免沟通底水。

(2)现场试验表明，陆丰油田两口近水水平井爆燃压裂达到控水增油的目的，成功避免了沿着射孔方向3.0～3.6 m的底水沟通，累计增油达6 000 m3，措施效果显著。