可控冲击波致裂海上油层可行性分析

杨万有, 郑春峰, 李 昂, 尹莎莎, 郭晓飞, 赵 展, 卢 勇

(1中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2西安闪光能源科技有限公司 3西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室)

水力压裂和酸化技术是开采低渗透油气藏的重要方法，广泛应用于各大油气田[1-7],近年来，已成为海上油田的常规增产措施。这些措施在一定程度上提高了海上油田的产量，但仍存在诸多问题。压裂虽然可以有效解决储层污染和渗透性差等问题，但是受海上平台空间小、近水储层薄等客观条件限制，压裂后储层增产效果不理想，投入产出比低[8]。酸化主要以解堵为主，很难实现储层改造的目的，且有效作用距离短，若工艺设计及实施不当，会造成二次伤害[9]。爆燃压裂是近年应用于海上油田的一项储层改造工艺技术，现场应用取得了较好的增油效果，但涉及特种作业，需要火工品相关专业资质，并会损坏井下管柱，产生较大的安全隐患[10-12]。为此，急需一种高效、安全、低成本的储层改造新技术。

可控冲击波技术是一种物理法储层改造技术，以幅值、冲量、作用区域和作业次数方便控制为特点，在储层中以“单点多次、多点连续”的方式对储层进行冲击作用，已在油水井、煤层气井应用了上百次[13]。目前可控冲击波技术在煤矿瓦斯防治领域也成功应用多井次，可实现煤层增透，促进瓦斯解析[13-21]。但至今未有关于海上油田研究与应用的相关报道，因此，针对海上油田的特殊应用环境，本文通过搭建可控冲击波产生平台，制作与海上油田储层力学强度相似的实验样品，通过室内实验研究，探讨可控冲击波技术对海上油田储层致裂的可能性，为将该技术引入海上油田应用提供理论支撑。

一、实验方案

1. 实验装置

本文所述的实验装置核心是可控冲击波产生器，是由西安交通大学张永民教授团队根据用于现场作业的可控冲击波产生装置设计的室内实验装置[16-18]。实验系统如图1所示，主要包括：控制系统、脉冲电容器、开关、电缆和冲击波产生器。装置工作原理为：通过控制系统对脉冲电容器充电，当电容储能达到设定值时，输出触发信号驱动气体开关导通，将脉冲电容器存储的能量在极短的时间内通过电缆进行释放，并产生20～100 kA的强电流流过负载，驱动负载电爆炸产生强冲击波致裂样品。

图1 实验系统示意图

2. 实验样品制作

本文主要以中海油渤海和深圳地区储层抗压强度为参考，制作相似性样品，渤海地区储层单轴抗压强度7.6～35 MPa，深圳地区储层单轴抗压强度36.4～56.1 MPa，相似性样品初始力学参数与配方如表1所示。实验样品由水泥、水、骨料、无机纳米硅粉和粉煤灰按一定比例制成，并养护28 d，每个样品的配方与初始力学强度如表1、表2所示。样品为高1 m、直径1 m的圆柱体，在样品中间钻深600 mm、直径244.5 mm的孔，固定外径244.5 mm的套管，模拟套管固井。

表1 实验样品配方

3. 实验方法与内容

由于海上油田除了常规的套管射孔完井外，对于出砂严重的井还需下筛管防砂，因此，为了模拟海上实际的工作条件，设计了3项实验内容：①模拟套管射孔完井环境，直接向样品内注满水，将冲击波产生器放入套管内，装配好模拟防喷器，进行冲击致裂实验；②模拟出砂严重的新井完井环境，将筛管放入套管内，再将冲击波产生器放入筛管内，装配好模拟防喷器，进行冲击致裂实验；③模拟出砂严重的老井完井环境，将筛管放入套管内，在筛管和套管的环形空间内充满石英砂，再将冲击波产生器放入筛管内，装配好模拟防喷器，进行冲击致裂实验。

为了观察累计冲击次数对裂缝扩展的影响，设计了2项实验内容：①同一块样品累计冲击实验，主要观察裂缝扩展形态；②研究冲击次数对致裂效果的影响，主要观察两种极限冲击次数下裂缝分支的扩展。

由于很难取到大尺寸的海上油田储层样品，本次实验所用实验样品是根据中海油中高渗区域储层力学参数制作的模拟样品，实验中将力学参数比较接近的样品归为一组进行同一类实验，如表2所示。

表2 实验模拟样品初始力学参数及实验内容

系统初始储能为30 kJ，充电电压为24 kV，在直径1.5 m、高1.5 m的水罐中模拟自由水域并采用PCB138冲击波压力探头测量冲击波波形，在水面以下60 cm处测得的典型冲击波波形如图2所示，冲击波压力峰值约为100 MPa，而渤海地区和深圳地区储层最大抗压强度是56.1 MPa，因此，该冲击波可以满足储层致裂要求。

图2 实验用冲击波波形

二、 结果分析

1. 不同完井工艺对冲击波致裂效应的影响

针对海油油井的完井方式，研究了过套管、过套管+桥式复合筛管、过套管+桥式复合筛管+充填砂三种完井工艺条件下的冲击波致裂实验。对1#样品过套管实验累计冲击3次，第1次冲击即产生贯穿裂缝，冲击3次后，沿样品表面产生6条明显的主裂缝，并伴随一定数量的次生裂缝。主裂缝完全贯穿了岩样，延伸距离为430 mm(岩样的半径减去套管的半径)，裂缝高度为700 mm，裂缝以套管为圆心向四周延伸。次生裂缝主要分布在套管附近，这表明在过套管完井方式下，冲击波致裂技术在套管附近储层容易形成复杂裂缝，如图3(a)所示；对2#样品过套管+桥式复合筛管实验累计冲击6次，冲击到第3次时才产生裂缝，冲击6次后，样品表面共产生4条主裂缝，无明显次生裂缝，主裂缝贯穿整个岩样，延伸距离为430 mm，裂缝高度为700 mm，裂缝以套管为圆心向四周延伸，如图3(b)所示。在冲击波致裂实验中，过套管完井方式明显比过套管+桥式复合筛管完井方式更容易形成裂缝，但二者延伸距离和高度相同，这主要是由于岩样过小，因此实验中裂缝的延伸距离没有实际意义，后面的研究不对裂缝延伸距离进行研究；对3#样品过套管+桥式复合筛管+充填砂实验累计冲击7次，样品表面未再现明显裂缝，样品环向出现裂缝，如图3(c)所示。实验结果表明，对于海油目前3种常规的完井工艺条件，冲击波均可致裂样品，但由于冲击波过不同介质衰减程度不同，使得不同完井工艺条件下致裂样品的累积作用次数不同。

图3 不同完井工艺冲击致裂效果

2. 冲击次数对裂缝扩展的影响

可控冲击波技术是以单点多次作用到储层，为了增大对储层的改造效果，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，开展了两组实验，一组是对4#样品累计冲击作用8次，观察同一裂缝的延伸；一组是研究冲击次数对致裂效果的影响实验，5#样品累计冲击5次，6#样品累计冲击24次，观察裂缝的扩展方向。

对4#样品的累计冲击实验，观察到实验过程中裂缝有两方面变化：一是同一条裂缝随着冲击次数的增加而变宽变长，图4所示；二是冲击过程中在不同位置产生新的裂缝。对不同样品的冲击实验结果表明，对5#样品冲击5次时，主要以产生贯穿性裂缝为主，并无明显次生裂缝，如图5(a)所示。对6#样品冲击24次时，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，如图5(b)所示。

图4 不同冲击次数同一裂缝的扩展

图5 不同冲击次数裂缝系统的变化

对于不同性质、强度的储层，不同的改造目的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，需要通过物模实验，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。

3. 冲击波作用前后样品力学参数变化

由于6#样品表面裂缝网络复杂，无法在其圆周方向取出测试小样，仅对1#～5#样品测试了实验后力学参数。在制作实验样品时，同时制作了相应的小样品，用于测试冲击前样品力学参数；冲击实验完成后，在样品周向避开裂缝的区域钻取小样，测试冲击实验后力学参数，得到的检测结果如表3。

表3 冲击前后样品力学参数测试结果

根据冲击波拉伸破坏理论，岩石破碎过程中往往先发生拉伸破坏，冲击波作用到岩石样品使其产生了一定数量的裂缝或微裂缝，降低了岩石的力学强度[22]。同时产生的裂缝和微裂缝在一定程度上随着冲击次数的增加而增加，裂缝和微裂缝将继续延展。通过实验前后样品的检测数据对比可知，冲击波作用后，样品的抗压强度、 抗拉强度、弹性模量均明显降低，这有益于进一步提高其他增产措施的效果。值得注意的是，由于所取样品均避开了宏观裂缝处，所以该下降幅度远小于实际变化量。

三、结论

(1)在过套管、过套管+桥式复合筛管、过套管+桥式复合筛管+充填砂3种完井方式下，冲击波均可致裂储层，区别在于致裂储层所需的重复次数、产生裂缝的数量有所不同。

(2)冲击波重复作用于储层，使已有裂缝变长变宽，同时会产生新的裂缝。

(3)重复冲击次数较少时，主要形成主裂缝；当重复次数增加到一定程度，沿主裂缝方向会产生多条复杂的裂缝，构成复杂缝网。

(4)冲击波可降低储层岩石的力学强度，冲击波作用后储层抗压强度平均下降了23%，抗拉强度平均下降了52%。