可控冲击波增渗解堵技术实验研究

王巧智 苏延辉 江 安 郑春峰 高 波 张云飞

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司, 天津 300450

0 前言

在钻井完井、采油采气、注水、增产、修井及提高采收率等各种作业时,油水井受外来工作液侵入影响,破坏储层原有的物理化学平衡状态,致使油气层损害,表现为渗透率下降[1]。针对近井地带损害,渤海油田常采用基质酸化和化学药剂解堵,但存在解堵有效期短,储层二次损害等问题[2-5];针对远井地带损害,常采用酸压及水力压裂解堵,但存在施工成本高、施工工艺复杂等问题[6-7]。可控冲击波技术作为一种新兴物理法储层改造技术,具备工艺简单、增渗效果显著等特点,已在陆地油气田增渗以及煤矿瓦斯防治领域少量应用,效果良好[8-9]。但该技术在海上油田应用极少,且应用的可行性未能得到系统论证。以往学者研究关注的重点是可控冲击波理论研究以及现场应用效果[10-14],鲜有学者在现场应用之前系统实验评价可控冲击波增渗及解堵效果。本文针对海上特殊的应用环境,结合可控冲击波产生机理,搭建了可控冲击波产生平台,实验评价可控冲击波对井筒及岩心尺度样品的增渗及解堵效果,讨论了可控冲击波技术增渗及解堵机理,为现场应用提供理论支撑。

1 可控冲击波产生机理及实验装置

1.1 可控冲击波产生机理

冲击波改造储层技术的基础是脉冲功率技术,利用脉冲将能量的释放时间尽可能缩短,在短时间内获得大功率的能量。目前,脉冲冲击波的产生原理有两种:一种是电脉冲技术[15-18],它通过液电反应将设备储存的电能转换为机械能冲击波,但其受能量转化效率低、电能储能密度低的影响,仅能在一定程度疏通近井地带渗流通道;另一种是可控冲击波技术[19-21],其特点为在电脉冲技术上附加了化学能,即在金属丝周围包裹含能材料,形成聚能棒,液电反应使得金属丝爆炸,进而驱动含能材料释放能量,可控冲击波电热化学聚能结构见图1。在驱动过程中,通过优化聚能棒的参数,可控地产生参数可调的冲击波来大幅度提高电冲击波的冲击脉宽与冲击峰值,起到改造储层的效果。

图1 可控冲击波电热化学聚能结构图Fig.1 Structure of controllable shockwave electrothermalchemical energy accumulation

1.2 可控冲击波室内模拟实验装置

受西安交通大学张永民教授团队成果启发[15,18,22],本文设计了可控冲击波产生室内实验装置。实验装置主要包括控制系统、脉冲电容器、开关、电缆和冲击波产生器,见图2。其工作原理为:控制系统为脉冲电容器充电,当脉冲电容器的储能达到预设定值时,触发开关导通,将存储在脉冲电容器的能量通过电缆进行快速释放,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。本文所有实验充电电压设定为24 kV,系统初始储能为30 kJ,该模式下产生冲击波可以满足渤海油田储层致裂要求[11]。

图2 实验系统示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2 可控冲击波增渗实验评价

2.1 井筒尺度

2.1.1 实验样品

为模拟海上真实的储层条件,将水泥、水、骨料、无机纳米硅粉和粉煤灰按一定比例制成,养护28 d,制成井筒尺度(直径1.0 m、高度1.0 m)的样品,样品的岩石力学性质与渤海某油田的岩石力学性质相似。为模拟海上实际的工艺条件,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,模拟套管射孔完井,见表1～2和图3。

表1 井筒尺度样品制作配方表

表2 井筒尺度样品岩石力学性质表

a)浇铸模具a)Casting mould

2.1.2 实验方法

1)安装模拟防喷器,将实验装置下入模拟套管射孔完井的样品内。

2)实验装置安装至合适位置后,向套管内注满水,固定实验装置与套管顶部。

3)连接控制系统,进行实验。

4)一次冲击完成后,取出实验装置,更换聚能棒,再重复步骤1)～3),直到冲击次数达到7次。

5)实验过程中记录每一次冲击后样品裂缝生成情况。

2.1.3 实验结果

如图4所示,放电电压控制在24 kV的条件下,样品累计冲击7次。冲击1次时,在样品上表面开始萌生一条微裂缝;冲击5次时,该微裂缝以套管为起点向样品侧表面延伸,裂缝宽度增加;冲击7次时,该条裂缝的缝宽继续增加,并向岩样的侧表面继续延伸直至贯穿样品,最终形成一条宏观裂缝,样品渗透率显著提升。

a)冲击1次a)Impact once

2.2 小岩心尺度

2.2.1 实验样品

实验选取渤海油田天然岩心2块,岩心参数及增渗实验计划见表3。

表3 小岩心柱尺度样品参数及增渗实验计划表

2.2.2 实验方法

依然选用可控冲击波增渗解堵室内模拟实验装置作为脉冲驱动源,区别在于加工了装载25 mm直径小岩心柱的实验工装,代替图2中的样品—套管组合,小岩心实验工装组合及冲击波作用方式见图5。

图5 小岩心柱实验工装组合及冲击波作用方式图Fig.5 Small core column experimental tooling combinationand shockwave action mode

实验步骤如下。

1)测量岩心初始液测渗透率。

2)将岩心装入工装,对岩心施加5 MPa围压。

3)将工装放于水罐内,连接控制系统,进行冲击波增渗实验,冲击次数7次。

4)将岩心从工装内取出,对比冲击前后的岩心形貌,测量岩心液测渗透率,评价冲击波增渗效果。

2.2.3 实验结果

实验现象见图6,1-1号岩心冲击7次后,观察到小岩心柱样品端面受损掉块,冲击波作用后的气测渗透率由652.1×10-3μm2提升至739.0×10-3μm2,渗透率增幅13.3%;1-2号岩心冲击7次后,观察到小岩心柱样品除端面受损掉块外,还产生了一条非贯穿宏观裂缝,冲击波作用后的气测渗透率由579.6×10-3μm2提升至915.4×10-3μm2,渗透率增幅57.9%。

a)1-1冲击前a)1-1 before impact

3 可控冲击波解堵实验评价

增渗实验重点体现冲击波的致裂作用,裂缝的产生增加油气渗流空间,大幅度提升储层渗透率。而解堵实验侧重于体现冲击波的冲击效应,冲击波不仅可以致裂储层,理论上还可以驱除地层堵塞物,发挥解堵作用,提高渗透率。

3.1 实验样品

由于很难模拟井筒尺度样品的堵塞行为,因此实验选取渤海油田天然小岩心6块,开展小岩心尺度样品解堵实验评价。岩心参数及解堵实验计划见表4。为模拟渤海油田常见的固相侵入、无机垢堵塞及聚合物吸附滞留损害,人为地对岩心制造损害,处理方式如下。

1)固相侵入:选用高岭土溶液作为固相侵入损害体系,体系浓度200 mg/L,岩心驱替该溶液10 PV,使岩心内部产生固相侵入堵塞。

表4 小岩心尺度样品参数及解堵实验计划表

2)无机垢堵塞:模拟地层温度压力条件,使用抽真空饱和法饱和碳酸钠和氯化钙混合溶液,饱和时间4 h,使岩心内部产生无机垢堵塞。

3)聚合物吸附滞留:选用渤海某油田现场聚合物作为吸附滞留损害体系,体系浓度1 200 mg/L,岩心驱替该溶液10 PV,使岩心内部产生聚合物吸附滞留堵塞。

3.2 实验方法

参考小岩心尺度增渗实验方法,小岩心在工装内完成7次冲击后,重点对比损害前、损害后、冲击后三种状态的岩心端面形貌及堵塞物状态,通过计算岩心渗透率评价冲击波解除固相侵入、无机垢堵塞、聚合物吸附滞留损害的效果。

3.3 实验结果

对比损害前后的岩心端面形貌,观察到各处理方式的样品均有明显的堵塞物附着于岩心端面,损害后岩心的无因次渗透率从大到小依次为无机垢堵塞(0.73)、固相侵入(0.63)、聚合物吸附滞留(0.21),说明聚合物吸附滞留损害最为严重。在同一冲击强度,同一冲击次数作用后,各岩心均未产生明显裂缝,但端面都有不同程度的破损,端面附着的堵塞物减少,冲击后的无因次渗透率从大到小依次为固相侵入(0.90)、无机垢堵塞(0.85)、聚合物吸附滞留损害(0.41),表明可控冲击波技术对于解除固相侵入、无机垢堵塞、聚合物吸附滞留损害均有效。各样品冲击后的无因次渗透率较损害后的无因次渗透率均有显著提升,提升值从大到小依次为固相侵入(0.27)、聚合物吸附滞留(0.20)、无机垢堵塞(0.12),说明该实验条件下可控冲击波对于解除固相侵入损害效果最佳。三种处理方式岩心在损害前、损害后、冲击作用后的无因次渗透率变化见图7,固相侵入处理方式的岩心端面形貌变化见图8。

损害前

4 可控冲击波与储层作用机制讨论

可控冲击波是一种物理法储层改造技术,可控性表现在冲击的脉宽和峰值可调,冲击的区域和次数可控。从可控冲击波的技术特点来看,可以将其与储层的作用机制分为拉伸破坏造缝增渗与剪切推挤冲击解堵两类。

4.1 拉伸破坏造缝增渗

根据井筒尺度样品的配方,制作与之力学性质相同的小岩心柱,用于测试冲击前的力学参数。井筒尺度样品冲击实验完成后,在样品周向避开裂缝的区域钻取小样,测试冲击实验后的力学参数,对比冲击前后样品的检测数据,抗压强度由26.86 MPa降低为15.36 MPa,抗拉强度由1.78 MPa降低为0.69 MPa,弹性模量由 9.13 GPa 降低为1.29 GPa,泊松比由0.24上升为0.3。力学参数变化规律正符合拉伸破坏理论[22-23],岩石破碎过程中往往先发生拉伸破坏,内在表现为岩石强度降低,外在表现为样品产生裂缝,增加油井的渗流空间,最终实现渗透率大幅度提升。需要说明的有两点:一是实验钻取小样避开了宏观裂缝,因此岩石强度的降低幅度比实际情况要低；二是实验制作的混凝土样品的原始裂缝及微裂缝与真实地层相比基本不发育,因此实验未能模拟地层原始裂缝及微裂缝的扩展行为,弱化了致裂后形成的裂缝网络规模。

4.2 剪切推挤冲击解堵

可控冲击波在传播的中后期会衰减成高强弹性声波,高强弹性声波的幅值大小明显区别于地层的抗张、抗剪强度,因此会在声波与地层的交界面处产生剪切力[24]。剪切力作用于地层的渗流通道,产生振动、推挤、剥离等冲击效应,有利于驱除滞留吸附在地层内外部的堵塞物,发挥解堵作用。振动使得堵塞物的振幅、速度和加速度发生显著变化,从而使其产生松动效应。高强弹性声波的扰动会改善地层毛管力,减小表面张力[9],堵塞物则更容易像活塞一样被推挤,最终从渗流通道“剥离”下来。如图9所示,以无机垢损害评价为例,岩样损害后孔隙及孔隙周围被大量无机垢堆积充填,渗流空间明显减小。冲击作用之后,孔隙及孔隙周围环境变得清晰而干净,堆积物受剪切推挤冲击作用而大量消失,渗流能力恢复,验证了对冲击波解堵机理的认识。

a)无机垢损害后a)After inorganic damage

b)冲击波解堵后b)After shock wave

5 结论

本文在分析可控冲击波产生机理的基础上,研制了可控冲击波实验装置。模拟储层及工程环境,分别以井筒与小岩心尺度样品为研究对象,开展可控冲击波增渗解堵效果评价实验,得到以下结论。

1)可控冲击波对井筒及小岩心两种尺度实验样品均产生良好的增渗效果,井筒尺度样品产生较为明显的宏观裂缝,岩石强度降低,小岩心尺度样品渗透率提升13.3%～57.9%,从而实现增渗。

2)可控冲击波对解除小岩心尺度样品的固相侵入、无机垢堵塞、聚合物吸附滞留损害效果明显,无因次渗透率提升值在0.12～0.27之间,解除固相侵入损害的效果最为显著,冲击使得岩心渗流通道内外的堵塞物被振动、推挤直至剥离,从而实现解堵。可控冲击波技术增渗解堵效果明显,研究成果为可控冲击波增渗解堵技术的现场应用奠定了基础。