射孔高能气体压裂技术研究及应用

陈华彬，马自强，艾生军, 罗苗壮，杨 亮, 何子龙

(1中国石油集团测井有限公司西南分公司 2中石油渤海钻探工程公司井下作业分公司 3中石油塔里木油田分公司 4中石油渤海钻探工程有限公司第四钻井工程分公司)

一、技术背景

陆上部分老油田进入产能挖潜阶段，或地下能量不足，或薄层有待重新评估利用，另外早期开发的油气田下入的套管腐蚀严重，强度不足，这些油气井经不起大型的水力压裂作业，老井挖潜需要采用一种既能更好地沟通储层释放能量又不至于严重伤害完井套管的作业方式，推进低成本战略开发，减少大型水力压裂对腐蚀套管的伤害，解除压井作业污染，同时实现小型的压裂作业。勘探开发技术的进步，低成本作业成为低油价下的趋势，部分老油气田实施裸眼完井、衬管筛管完井，这类油气井后期不再进行射孔作业，为了解除钻井伤害带，光靠地层能量进行解除难度大，大型压裂作业成本高，为此，后续采用低成本的工艺技术措施解除伤害，沟通天然裂缝，释放地层能量。

无论是老油田老井挖潜还是新钻裸眼井完井，高能气体压裂技术[1-2]能适应上述井况油气井增效提产作业，它可以对薄层进行射孔的同时对地层进行高能气体压裂，也可以对已经打开的储层进行纯粹的高能气体压裂，技术上推进低成本战略开发。

射孔高能气体压裂技术是近年来发展的一种新型增产技术，针对西北、东北、华北等部分油气田埋藏深、致密、渗透性差的特点，研究实施固体推进剂、液体药剂[3]两种类型的高能炸药，利用高能炸药燃烧形成高温高压气体对储层进行压裂作业，为油气井增产提供了一项有效的技术手段[4]。

二、高能气体压裂工艺原理及特点

固体火箭推进剂是制造高能气体的一种高能炸药，是利用聚能射孔弹射流或固体推进剂内部的导爆索等爆轰能量点燃，火箭推进剂燃烧产生的几兆帕到200 MPa(可以通过软件优化设计控制)高能气体击穿射孔孔道，制造井段内往返压力脉冲冲刷净化射孔孔道，在射孔孔眼周围形成径向裂缝并延伸，形成小型缝网，起到了小型压裂的效果，更好沟通储层天然裂缝，能够有效降低或减少钻井(固井)污染，提高油气井流体的注入和产出能力。高能气体压裂效果与固体推进剂燃烧的压力上升速度、燃烧压力峰值和压力的持续时间有关。

高能气体压裂与射孔、常规水力压裂有着本质区别。射孔作用时间为微妙级，常规水力压裂作用时间为分钟级，而高能气体压裂作用时间介于两者之间为毫秒级(见图1)。

图1 三种不同工艺作业作用的压力-时间曲线

固体推进剂分为外套式和下挂式。外套式是套在射孔枪外，推进剂内径与射孔枪外径匹配，针对油气井地层射孔的同时进行高能气体压裂，可以在射孔孔道形成径向裂缝并延伸；下挂式是针对射过孔或者筛管完井的油气井进行高能气体压裂，由圆柱形推进剂模块组成，中间有钢管支撑，内穿导爆索。

外套式固体推进剂特点：

(1)性能稳定，可以与任何井液接触而不发生反应。

(2)炸药的耐温高，达到180℃/48 h。

(3)它套在射孔枪管外，利用聚能射孔弹射流点燃，下井装药量大，特别适合于老井、裸眼和衬管完井，可以实现大跨度多井段射孔高能气体压裂，配套了专用的裂缝制造模拟软件。

(4)射孔的同时，产生高能气体对射孔产层进行压裂作业。

(5)可以在直井、大斜度井、水平井中进行TCP传输射孔作业。

下挂式固体推进剂特点：

(1)性能稳定，可以与任何井液接触而不发生反应，甲醇除外。

(2)炸药的耐温级别有170℃和120℃。

(3)下井装药量大，配套专用的射孔套管连接，中心有起爆系统，利用导爆索(药量：40 g)引爆氧化剂，形成高能气体，中心起爆系统有粉碎型和保留型两种。

(4)作用目标为裸眼层段或者套管射过孔、衬管完井的油气井、注水井。

(5)用于直井，可以进行电缆或油管输送作业。

液体炸药是制造高能气体的另外一种高能炸药，呈现类液态，是利用单发聚能射孔弹轴向向下的射流点燃，液体药剂燃烧产生的高能气体透过筛管进入井筒，压裂地层形成径向多裂缝体系，更好地沟通天然裂缝，起到了小型压裂的效果，提高地层导流能力，能够降低钻井伤害，达到增产增注的目的。

液体炸药是装在一个可燃的筒体内，然后整体放置于打孔的筛管里，利用轴向下射的射孔弹射流点燃，产生高能气体经过筛孔，进而压裂地层。

液体炸药特点：

(1)性能稳定，可以与任何井液接触而不发生反应。

(2)炸药的耐温级别较固体推进剂低。

(3)它挂在专用的射孔工具下，射孔弹射流引燃，射流不伤套管，形成高能气体经过筛管进而作用于地层，能量会产生衰减。

(4)作用目标为射过孔或者衬管完井的油气井。

(5)用于直井，可以进行电缆或油管输送作业。

1.套管射孔与高能气体压裂

StimGun[5-6]是外套式固体火箭推进剂中应用最为广泛，在国内塔里木油田、塔河油田、冀东油田等得到了广泛应用。

它配套PulsFrac专用模拟裂缝的工程软件[7]，软件全面考虑地质、工程、射孔等参数，通过模拟可以评估管柱力学情况以及井筒压力变化，最为关键的是，通过PulsFrac优化参数，StimGun可以连接封隔器进行射孔测试、射孔酸化等联合作业，气体压裂安全而高效。

该工艺技术是对套管井进行打开形成流动通道的同时，产生的高能气体[8]直接对射孔产层进行增产措施，制造并延伸裂缝，突破井周伤害，是一项小型的气体压裂作业，也可以用作致密储层的压裂预处理。

2.纯高能气体压裂工艺技术

应用导爆索或轴向向下的射流点燃炸药形成高能气体，该高能气体压裂技术主要针对已经射孔过的老井挖潜或裸眼完井的油气井，可通过电缆、油管等方式将固体推进剂或液体炸药输送到挖潜段或裸眼段，引爆产生的高能气体直接作用于储层，制造储层的裂缝体系，突破裸眼井段的钻井伤害带，解除修井带来的伤害，也可以降低对老井套管的破坏。

3.高能气体压裂工艺与管柱设计

套管井射孔与高能气体压裂作业的输送方式分为电缆输送、油管输送两种，管柱设计可分为电缆传输管柱和油管传输管柱，油管输送可分为光油管管柱与封隔器联作管柱，油管传输可以应用于直井、大斜度井、水平井，但进行此项高能气体压裂需要专用软件进行优化模拟。

对于裸眼层段或已经射过孔的油气井、注水井，无需进行射孔作业，只能采用下挂式固体推进剂方式的高能气体压裂，输送方式可以为电缆、油管，电缆输送固体推进剂主要应用于直井，油管输送固体推进剂可以应用于直井、大斜度井、水平井。

三、现场应用

在塔里木油田、冀东油田、长庆油田、塔河油田等实施油气井挖潜，开展低成本射孔高能气体压裂技术作业，进行了上百口井的现场应用，无论是固体炸药还是液体炸药，现场应用均表现出良好的作业效果，起到了小型压裂作业制造储层微缝网沟通天然裂缝的目的，降低了地层起裂压力，保护了油气井套管。

案例一：X2-S22-19H井是塔里木油田的一口水平井，该井对原来未动用的薄层、差油层进行射孔作业，且动用层位是双层套管固封，设计采用先锋射孔弹技术和外套式固体推进剂相结合的StimGun射孔工艺技术，先锋射孔弹穿透双层套管，固体推进剂形成高能气体对储层进行压裂作业。该井井斜度91.7°，井内温度118℃，Ø127 mm尾管完井，射孔井深5 031 m,垂深4 668 m，射孔厚度30 m，优化设计应用固体推进剂18 m，模拟储层裂缝长度2 m，应用StimGun水平井专用射孔器材，进行油管输送压力开孔延时起爆射孔作业。射孔后，固体推进剂燃烧充分并对射孔段进行压裂作业，整个枪串成功起出地面，老井套管没有因高能气体压裂作用而损坏。国内第一次完成Ø127 mm小套管水平井StimGun射孔，施工后井筒完整，为老油田水平井挖潜提供一条技术途径。

案例二：X13井为大庆油田的一口开发老井，开发中期日产气13×104m3，开发过程中因进行多次处理工程复杂的作业，最后导致该井天然气停产，之后进行了气举负压作业、酸化解堵作业等多种措施均无见效。鉴于高能气体压裂技术的技术优势，推荐应用StimGun射孔，把油气井地质、工程、井筒及射孔参数等输入PulsFrac软件进行优化设计，模拟获得2.5～3.6 m不等的裂缝长度。设计先锋射孔弹技术、负压射孔技术、高能气体压裂技术三结合，射孔高能气体压裂作业后成功解堵油气井，措施后初期恢复了油气井日产气量5×104m3的产能，实现了老井挖潜作业，技术优势非常明显。

案例三：下挂式固体推进剂的纯高能气体压裂技术在中国石油长庆油田注水井X205-33井进行了现场应用，设计下挂式固体推进剂药量燃烧升压时间约5 ms内，持续时间约600 ms，模拟计算燃烧峰值压力为90 MPa。采用电缆输送方式将下挂式固体推进剂送达目的层位，地面绞车供电引爆电雷管，进而爆轰导爆索而引爆固体推进剂，形成高能气体对储层进行压裂作业。实施高能气体压裂后，进行的吸水剖面测井作业，显示吸水厚度增加明显，达到措施前的2倍，增加注水效果较好。

下挂式液体炸药的纯高能气体压裂技术在国内正进行技术攻关，利用竖直下射的射孔弹装配方式，射孔弹产生轴向向下的射流将炸药引爆，产生高能气体经过筛管对裸眼地层进行气体压裂作业，投入试验应用并取得阶段性成果，实现了在井温小于70℃、井深小于2 000 m的浅层低温井内先导试验，为液体炸药层间压裂提供了有效途径。

四、结论与建议

(1)高能气体压裂技术在老井挖潜、注水井等低成本开发的战略井具有良好的应用前景，技术效果也比较明显。

(2)高能气体压裂技术使用的炸药形式多样，输送方式多样，工艺形式多样。

(3)高能气体压裂的对象直接为压裂储层，高能气体注入量大。

(4)工艺适用井型多样，可在直井、大斜度井、水平井中作业。