爆破造裂技術(shù)在油氣開采中的應(yīng)用研究

呂 為,盧光明,張保良

(1. 湖北東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 長沙 410000)

0 引言

受相關(guān)開采技術(shù)的制約,我國乃至全世界,石油開采的資源采收率往往在15%～20%,頁巖氣等非常規(guī)油氣開采的資源采收率僅接近20%,因此,造成80%以上可采寶貴油氣資源無法得到有效的開發(fā)利用。 我國陸地已產(chǎn)生原油殘滯資源接近100 億t,而且仍在以每年大于6 億t 遞增,采收率偏低和資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題凸顯,是困擾油氣開采乃至國家能源策略的重大棘手難題。

造成當(dāng)今油氣開采資源采收率偏低和資源浪費(fèi)嚴(yán)重的根本原因,是儲(chǔ)層改造技術(shù)乏力所致[1-2],由于現(xiàn)有的常規(guī)儲(chǔ)層改造技術(shù)即水力壓裂法,僅能使儲(chǔ)層采塊產(chǎn)生數(shù)量與分布范圍極為有限的導(dǎo)流縫隙,無法使導(dǎo)流縫隙遍布整個(gè)采塊,充分連通采塊中的油氣儲(chǔ)存空間,造成開采層中的絕大多數(shù)油氣資源在開采中因缺乏導(dǎo)流縫隙而無法滲出與流動(dòng),進(jìn)而使得可采資源無法采收。

基于上述問題和現(xiàn)狀,筆者提出了油氣藏采層內(nèi)精準(zhǔn)控制爆破造裂的方法[3],以在棄采油井內(nèi)控制利用爆炸能量對油氣開采層進(jìn)行造裂做功為手段,安全可靠、經(jīng)濟(jì)便捷,使已棄采油層全層厚、全采塊、全方位地破裂,產(chǎn)生新的網(wǎng)絡(luò)狀連通導(dǎo)流縫隙,從而實(shí)現(xiàn)采塊整體改造,使采塊內(nèi)的殘滯油氣資源充分滲出,順暢流至回采井,最終達(dá)到提高資源采收率的目的。

1 爆破造裂優(yōu)勢及機(jī)理分析

大量的儲(chǔ)層造裂實(shí)踐和分析研究[4]表明:油氣儲(chǔ)層人工造縫所產(chǎn)生的縫隙數(shù)量、縫隙長度和縫隙寬窄,取決于造裂作用力的加載速率、力量幅值和造裂作用的持續(xù)時(shí)間,并與其成正比。 具體特征見表1。

表1 3 種不同儲(chǔ)層造裂方法的基本特征

由表1 可知,炸藥爆炸能量的做功加載速率和第一峰值壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方法,而且伴隨有氣體和熱能產(chǎn)生,符合產(chǎn)生多縫隙和生成促產(chǎn)動(dòng)力的需要,尤其是炸藥爆炸能夠使爆源周圍固態(tài)介質(zhì)產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)裂縫乃至粉碎這一特性,為杜絕造裂作業(yè)出現(xiàn)單一或有限縫隙提供了支撐。

通過采用特定方法,將具有聚能等控制功能的造裂藥柱裝入對應(yīng)的設(shè)定井段內(nèi),引爆后生成的能量對油氣采層將產(chǎn)生下列一系列作用[5-6]:

1)機(jī)械作用。 爆炸第一峰值的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巖石破裂的壓力,在爆源周圍會(huì)產(chǎn)生破碎區(qū)和生成許多條向遠(yuǎn)處延伸的徑向裂縫,進(jìn)而形成小區(qū)域破碎體,產(chǎn)生引導(dǎo)裂縫,完成儲(chǔ)層采塊的多裂縫啟裂。

2)物理作用。 物理作用主要體現(xiàn)在水力振蕩作用方面,爆炸和高溫高壓氣體壓力能量會(huì)推動(dòng)井內(nèi)液柱向上運(yùn)動(dòng),促使騰空的空間和氣泡的上涌,使高能燃?xì)怏w積增大,壓力下降,從而引導(dǎo)液柱向下運(yùn)動(dòng),壓力的周期波動(dòng)有助于巖石裂縫形成和清理油層堵塞,更有利于油層網(wǎng)絡(luò)裂縫的形成與延伸。

3)化學(xué)作用。 炸藥爆炸產(chǎn)生的氣體在壓力條件下會(huì)溶于原油和溶化干酪根,進(jìn)而降低頁巖氣的黏度和表面張力,能夠有效提高油氣的析出能力。

4)熱力學(xué)作用。 實(shí)測表明,炸藥爆炸瞬間的中心最高溫度可達(dá)5 000 ℃。 爆炸和燃燒生成的熱量絕大部分被儲(chǔ)層所吸納,使儲(chǔ)層溫度增高。 儲(chǔ)層溫度對甲烷類氣體的吸附能力具有很大影響,溫度越高,甲烷的吸附能力越小。 因此,儲(chǔ)層溫度的增高,不僅會(huì)削弱甲烷的吸附能力,提高儲(chǔ)層的解吸和析出效應(yīng),而且還會(huì)提高頁巖氣的運(yùn)移能力。

利用上述機(jī)械、物理、化學(xué)和熱力學(xué)作用,都有利于實(shí)現(xiàn)油氣采層 “體積造裂”, 提高油氣運(yùn)移與解吸能力。

2 專用聚能造裂藥柱

2.1 專用聚能造裂藥柱的設(shè)計(jì)

爆破造裂技術(shù)的關(guān)鍵是需要一種特殊的造裂裝置來實(shí)現(xiàn)對油氣藏采層的爆破造裂,使其在油氣井內(nèi)能夠可靠、穩(wěn)定起爆,同時(shí)做功方向?qū)崿F(xiàn)可控。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo),在常規(guī)的炸藥柱的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出了一種鉆采油氣井專用聚能造裂藥柱[7],其具有柱形殼體,殼體內(nèi)灌裝熔鑄炸藥,且在殼體兩端裝有堵頭和端蓋,在端蓋的一端插裝引爆器。 具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括:

1)殼體內(nèi)為梯恩梯與黑索今的混注炸藥,配比可根據(jù)具體使用環(huán)境要求進(jìn)行調(diào)整。

2)引爆器一端伸入熔鑄炸藥內(nèi)180 mm 以上深度,并呈絞絲扣結(jié)構(gòu),另一端伸出端蓋外部呈環(huán)扣狀,確保吊裝方便并能可靠引爆。

3)在殼體外表面壓制有多個(gè)聚能穴,聚能穴在殼體表面呈梅花狀排布。

4)聚能穴在殼體表面呈排布置,至少有4 排,每排至少有4 個(gè)聚能穴,繞殼體外壁均勻布置,且相鄰兩排聚能穴在軸向上交錯(cuò)布置,形成梅花狀排布。

具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 造裂裝置的具體結(jié)構(gòu)

2.2 專用聚能造裂藥柱的優(yōu)勢

該聚能造裂藥柱與其他爆燃壓裂方法、裝置相比,在形狀結(jié)構(gòu)、配方、造裂原理和適用范圍方面均有較大優(yōu)勢:

1)結(jié)構(gòu)。 該造裂裝置采用柱形不銹鋼殼體,其在殼體外表面壓制有多個(gè)聚能穴,聚能穴在殼體表面呈梅花狀排布,可實(shí)現(xiàn)定向爆破并增強(qiáng)爆破效果。 該裝置通過將熔化好的單質(zhì)猛炸藥或混合物注入殼體內(nèi)冷卻而成,爆炸后殼體被完全粉碎,無須進(jìn)行回收處理。 而普通壓裂裝置采用紙質(zhì)、橡膠或樹脂材料,筒體端蓋采用樹脂或橡膠材料,各組件間的連接均采用螺紋連接方式,壓裂作業(yè)后的組件需隨電纜提出井口。

2)配方。 該造裂裝置柱體主要成分以單質(zhì)猛炸藥為主(如梯恩梯、黑索今),也可使用兩種單質(zhì)猛炸藥的混合物,而壓裂裝置柱體主要以黑火藥為主,做功能力明顯偏弱。

3)造裂原理。 該造裂裝置通過引爆器引爆殼體內(nèi)的猛炸藥進(jìn)行爆炸做功。 該造裂方法以爆炸產(chǎn)生的沖擊波為主,以爆炸產(chǎn)生的大量氣體為輔,對藏采層進(jìn)行復(fù)合造裂,使儲(chǔ)塊在近井周邊一定范圍內(nèi)產(chǎn)生大量縱橫交錯(cuò)的爆破裂隙,形成網(wǎng)絡(luò)狀連通。 而普通壓裂裝置是通過引燃藥柱內(nèi)的黑火藥,使壓裂火藥柱迅速燃燒產(chǎn)生大量氣體,在井筒中建立起高壓對地層進(jìn)行做功來造裂。 整個(gè)過程沒有發(fā)生爆炸,僅以火藥柱爆燃產(chǎn)生的氣體為做功載體進(jìn)行壓裂。

4)適用范圍。 造裂方法具有復(fù)合造裂效果,以提高油氣資源采收率為目的,可適用于低產(chǎn)油井、干涸或廢棄油氣井,可有效解決“有油采不出,有氣不外冒”的問題。 而普通壓裂方法以提高產(chǎn)能為主要目的,效果較為單一,主要適用于正?；虻彤a(chǎn)油氣井。

3 爆破造裂技術(shù)的實(shí)踐

3.1 常用裝藥爆破方式

1)豎井裝藥爆破。 利用貫穿于待造裂油藏采層的井眼進(jìn)行裝藥爆破。 該方法工藝簡單,施工方便,但一次爆破造裂的體積較小。 爆破效果如圖2所示。

圖2 豎井裝藥爆破造裂示意圖

2)連通井組水平井段裝藥爆破。 由于該方法能夠一次裝填更多的炸藥,不僅能夠大大地增加一次爆破造裂的體積,還能有效提高造裂質(zhì)量。 爆破效果如圖3 所示。

圖3 連通井組水平井段裝藥爆破造裂示意圖

3)豎井與扇形狀水平井眼、斜眼或裂縫混合裝藥爆破。 該方法是充分應(yīng)用水平井裝藥爆破優(yōu)勢,通過對整個(gè)礦層鉆鑿水平井眼和利用裂縫進(jìn)行裝藥爆破,對整個(gè)礦層或更大區(qū)域礦體造裂。 爆破效果如圖4 所示。

圖4 豎井與扇形狀水平井眼或斜眼或裂縫混合裝藥爆破造裂示意圖

3.2 模擬裝藥探井

由于爆炸裝置重量輕,在沒有外加動(dòng)力的情況下容易遇阻,為了確保爆炸裝置安裝至設(shè)定位置,裝藥前,必須進(jìn)行電纜懸吊法模擬裝藥探井。 具體做法:制備一長度和直徑均大于擬用爆炸裝置尺寸的特制通井規(guī),用專用電纜固定于特制通井規(guī)上端,利用特制通井規(guī)的自重下沉完成模擬裝藥探井作業(yè),并根據(jù)通井結(jié)果確定爆炸裝置尺寸,以保障爆炸裝置能夠順暢裝填至設(shè)定位置。 模擬裝藥探井作業(yè)系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 模擬裝藥探井作業(yè)系統(tǒng)示意圖

3.3 造裂裝置的裝填

將爆破造裂所需炸藥按設(shè)計(jì)要求裝填到位,是取得預(yù)計(jì)造裂效果的基礎(chǔ)與保障,常用裝填方法有:

1)管柱輸送爆炸裝置方法。 將制備好的炸藥裝置與鉆桿、油管和抽油桿中某種桿(筒)連接好,然后一根接一根往地下送桿(管),將造裂裝置送至設(shè)定位置,使爆破位置的準(zhǔn)確度達(dá)100%。

2)電纜輸送爆炸裝置方法。 采用載荷能力達(dá)5 t 的W7BP 型專用電纜代替桿管,利用造裂裝置的自重和配重形成懸吊式下落,應(yīng)用測井車的定位系統(tǒng)將炸藥裝置下送至設(shè)定位置。

3)投放輸送炸藥裝填方法。 先將炸藥分批或一次投入井口,利用造裂裝置的高密度屬性自然下沉并隨時(shí)檢查,遇堵時(shí)用專用管柱疏通,將炸藥送至設(shè)定位置之后,再裝起爆裝置。

3.4 起爆網(wǎng)路檢測

根據(jù)棄采油井的實(shí)際情況,起爆網(wǎng)路選用簡便可靠的地面電力起爆系統(tǒng),并采用W7BP 型承荷探測電纜或測井電纜作起爆母線,使起爆網(wǎng)路在復(fù)雜工況環(huán)境下仍保持15 MΩ 絕緣。 在爆破裝置和起爆裝置下送過程中,必須時(shí)時(shí)檢測起爆網(wǎng)路狀態(tài),只有在起爆網(wǎng)路狀態(tài)處于正常范圍時(shí)才可繼續(xù)下送,否則應(yīng)立即回提20 m 后停機(jī)檢查分析,待問題解決后方能恢復(fù)下送作業(yè)。 當(dāng)問題不能馬上解決時(shí),應(yīng)無條件將其回提至地面,找出問題并處理后再下送,確保準(zhǔn)爆率達(dá)到100%。

3.5 爆破效果檢驗(yàn)

采用地震檢波器進(jìn)行爆破造裂效果檢測。 根據(jù)爆破發(fā)出的響聲、井涌程度、震感等現(xiàn)象,由人工或儀器儀表檢測確認(rèn)爆破成功后,盡快進(jìn)行試氣,檢驗(yàn)爆破造裂的效果。

4 實(shí)施效果

4.1 青海冷湖油田爆破增產(chǎn)試驗(yàn)

在青海冷湖油田進(jìn)行了42 次井下爆破增產(chǎn)作業(yè),先后在三號區(qū)廢棄油井7915、7917 和8003 的6 個(gè)3 種不同潛力油層(原生態(tài)油層、已射孔油層和已完采油層)進(jìn)行爆破造裂增油試驗(yàn),取得了3井爆破,4 井增油的明顯效果。

雖然在試驗(yàn)中無法及時(shí)進(jìn)行排液求產(chǎn),原油增加量被減少,但是,單井日增產(chǎn)原油量最高仍達(dá)0.88 m3,為試驗(yàn)井周邊撈油井日產(chǎn)量的5 倍,4 井平均日增產(chǎn)原油量達(dá)0.14 m3,為周邊同類井的1～1.5 倍。

4.2 湖南龍山頁巖氣龍參2 井爆破增產(chǎn)試驗(yàn)

在龍參2 井進(jìn)行了24 次井下爆破增產(chǎn)作業(yè),雖然面臨井筒有效通徑?jīng)]有進(jìn)行排液求產(chǎn)、井筒存在漏失和炸藥用量嚴(yán)重不足等不利條件,但是該井的產(chǎn)氣量仍然從進(jìn)場時(shí)的22 m3/d,最高增加到580 m3/d,單天氣產(chǎn)量增加25 倍,增產(chǎn)效果明顯。

5 結(jié)語

爆破造裂技術(shù)利用高能炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷和高能氣體形成動(dòng)、靜載荷相結(jié)合的儲(chǔ)層立體造裂效應(yīng)和化學(xué)、熱能的擾動(dòng)作用,對實(shí)現(xiàn)油氣儲(chǔ)層的網(wǎng)絡(luò)化造裂和對油氣資源生產(chǎn)擾動(dòng)促產(chǎn)具有明顯效果,能夠在水力壓裂法等常規(guī)方法不能產(chǎn)出的情況下,實(shí)現(xiàn)油、氣、水的同步產(chǎn)出,應(yīng)用前景廣闊。