高能气体压裂技术

3)化学作用
高能气体压裂的化学作用指的是在燃气中的C0、CO2、 HCl、H2S成分遇水形成酸液对岩层的作用。根据配方的不 同，高能气体压裂形成的酸液浓度可以达到百分之十几，甚
至百分之二十。配合燃气的高温条件，该压裂的化学作用是
不可忽视的。 对有些地层，化学作用是微不足道的；而对另外一些地
层，化学作用有着不利的负作用。这些应在压裂弹配方设计
1)p—t过程设计
p—t过程设计中，有3个重要参数，即压力增长速率、压力峰 值和压力持续时间。
①压力增长速率：
考虑到高能气体产生径向裂缝在3～8条之间，要生成这样的 裂缝体系，需要压力增加速率在103～105MPa／s的范围内。综 合国内外理论和实践，压力上升时间一般控制在0.5～20ms的范 围内。 为了定量地描述压力增长速率，Cuderman给出在没有地应 力条件下描述高能气体压裂压力上升时间（反映了压力增长速 率）的半经验公式：
对污染半径为的井，则措施 前后的增产比为： 如近井地带无污染，措施 前后增产比 为：
2．现场施工工艺
国内外普遍采用的现场施工工艺主要有3种。
1)钢丝绳起下、水泥塞封堵、地面引燃施 工工艺
该施工工艺是，用钢丝绳将压裂弹下到设计的施工井段，在压裂弹以上 3～5m打水泥塞封堵。若施工井段以下口袋较长时，在下压裂弹之前要先打一 个水泥塞。水泥塞高度由下式计算 实际证明，该工艺安全 可靠，但对于深井及套管井 难度较大，且施工麻烦，周 期较长。因此，该工艺仅适 用于产能低的裸眼浅井。
火药的燃烧方式入人手。降低燃速，延长压力持续时间。
目前，有壳弹压力持续时间一般在100～200ms之间，无 壳弹则在200～400ms之间。
2）设计计算方法
①火药燃烧分析
火药的燃烧基于几何燃烧规律，即火药燃烧层由火药表面以平行层 的方式向垂直于火药的内部逐渐扩展。 在任意时刻，火药已燃部分与原始总量之比与火药颗粒形状和燃烧 方式有关，因而被称为形状函数（f）。 对带圆孔有壳弹，其形状函数为： 对于无壳弹，其形状函数为：
2 高能气体压裂模型与应用
1)活塞移动模型
根据固体力学理论，裂缝起裂必然存在着一个临界应力，该应 力大于最小主应力，一旦起裂，临界应力随之消失。 为了能反映出该临界应力在起裂过程的作用，将它抽象为在 活塞与地层之间加入一个障碍销子，临界应力也就是切断销子
活塞移动模型是基于大量的试验研究及机理分析而提出来的。
前苏联 ：
于70年代中期开始对高能气体压裂进行研究。其研究力
量主要集中在它的应用方面，至今已有系列的压裂弹产品。
这些气体发生器由专门机构生产，药型、药量、结构及使 用条件已形成规范。
鉴于俄罗斯等前苏联共和国的石油工业状况和条件，
其高能气体压裂目前的应用规模大大超过了水力压裂。 据悉，俄罗斯高能气体压裂年施工在2000井次以上，而水 力压裂仅有200～300井次。
二）高能气体压裂机理与模型
1 高能气体压裂机理
高能气体压裂既然是利用火药或火箭推进剂对气层
进行处理的技术，其增产作用基于4个方面的效应：
机械作用、热作用、化学作用，水力作用。
1）机械作用
高能气体压裂的机械作用即是造缝作用，是该技术最直接有效 的作用形式。机械作用的分析可以从三个阶段进行：增压阶段、破 裂阶段和延伸阶段。
2)电缆起下、液柱压挡、地面引燃施工工艺
该施工工艺是用射孔电缆车将压裂弹下到目的层段，采用
液柱(水、油或酸液等)压挡，地面通电引燃。压裂弹引燃后，
液体向上运动，通过压挡液柱高度时火药燃气的峰值压力、 造缝长度、液柱举升位移等影响的理论分析认为：压挡液柱
的高度不得小于500m，同时考虑到压裂弹外壳承压及密封的
相同，包括3方面的分析；裂缝宽度分析、流体在裂
缝中的流动分析、裂缝扩展判据。
A、裂缝宽度分析
假设气体流动的速度与裂缝扩展相同，亦即整个裂缝充满 流体，则缝宽方程可借用水力压裂的缝宽方程，如Geertsma 模式：
B、流体流动分析
由于气体的可压缩性，描述气体流动规律的动态方程组本 身就是一组耦合的微分方程，求解十分困难，必要的数据也 无法得到。为了便于设计，气体流动分析可简化用半经验的 压降方程。
C、裂缝扩展判据
高能气体压裂缝动态扩展问题，采用应变能释放 速率理论来描述较为合理。应变能释放速率理论的 裂缝扩展判据为：裂缝在能量释放速率达到临界值
时开始扩展，扩展方向为可以产生最大应变能速率
的方向。
⑤增产效果预测分析
高能气体压裂的增产效果与施工井的当前状况有很大关系。不同井况的 增产机理也不尽相同。对新井而言，高能气体压裂产生的径向裂缝解除近井 地带污染，其增产效果与裂缝条数范围及地层原始物性有关。由裂缝延伸分 析得到径向多裂缝体系的裂缝半径范围后，可以对径向多裂缝的增产效果作 出预测。
三）高能气体压裂的实验研究
与水力压裂相比高能气体压裂过程更为复杂。设
计中不确定的因素更多，因而其优化设计和控制难 度更大。为此需要在室内及现场进行大量的模拟实
验研究。
1 高能气体压裂的室内模拟实验
通常采用不同标号的水泥、石英砂和水作为原料，按照 不同的比例制成模拟岩心。实验时将模拟岩心置于加载装置 中，在模拟井眼中放入小型压裂弹，并安装测压用压电晶体 传感器。在实验过程中，用同步触发电路保证点火和采集的 同步进行。 该实验可定量地研究岩心物性、围压、加载速率、发生 器结构及药型等因素对高能气体压裂成缝情况的影响。初步
因此，常依据相似原理，由水电场模拟渗流场，利用模拟的 多条径向垂直裂缝对其增产效果进行实
验研究，从而为高能气体压裂的产能预测奠定基础。
四)高能气体压裂工艺及其设计
1．高能气体压裂的设计方法
高能气体压裂设计的合理与否是决定其成败的关健。在该
设计中，除考虑这各工艺的适用范围外，主要是设计p—t过 程。同时，在设计分析中还应包括高能气体压裂裂缝规模估 计，增产效果评价及预测等内容。
问题，压挡液柱高度不应大于1500m，实际施工时建议最好 保持在1000m左右。 该施工工艺适于玻璃钢外壳的压裂弹和可重复使用的金属 外壳的压裂弹，可用于中深裸眼井及套管井，在国内外已广 泛使用。
中通过进一步的弹药燃气的化学机理研究来控制。
4)水力作用
这是指伴随的井中液体振荡过程以及压力波的传播，反 射叠加所造成的压力脉动对地层的振动作用。它可以破坏堵 塞颗粒与储油岩层之间的凝集力，破坏附面层产生松动作用。 它还可以使输油孔道毛细孔径发生变化，降低孔隙内表面张 力，导致毛细管的周期性胀缩，有利于提高油气渗透率。
2)热作用
在高能气体压裂过程中，由于火药的燃烧，释放出大量 的热能，而且相对集中，可在井中和近井地带引起相当大的 温度变化。在井中燃气热量不仅汽化压井液体，而且液相中 的热传导又使压井液柱中建立不均匀分布的温度场。另一方 面，燃气传热通过套管及射孔将热量传递给地层，使温度升 高，井中及地层温度对清除蜡质、胶质及沥青质的堵塞作用 起着重要的作用。
的实验结果表明，在较低的围压和加载速率下，高能气体压
裂可产生2～5条径向裂缝。
2 高能气体压裂的电模拟实验
对于高能气体压裂的产能预测，要综合考查油气层特性、 近井污染带及污染程度、地层天然裂缝状态、多条径向垂直 裂缝模式及裂缝几何尺寸等因素的影响。鉴于问题的复杂性，
单纯用理论法求解或数值法计算还不能很好地解决这一问题。
三种压裂裂缝示意图 三种压裂升压特征图
(a)爆炸压裂 (b)高能气体压裂 (c)水力压裂
高能气体压裂是介于爆炸压裂和水力压裂之间的具有中等加载速率的作用 过程，并兼具二者的作用特征。当高能气体发生器在井下引燃时，产生大量的 高温高压气体，在0.1～20ms时间内即达到峰压力。这种较高的加载速率导致 在地层中形成辐射状的径向多裂缝系，不仅穿透近井地带污染区，而且增加了 沟通地层天然裂缝的会，使导流能力大大提高，见图
业。 50年代后期，他又发明了井下气体发生器——利用化学能压 裂油层。从而给气体压裂的发展作了技术上的准备。 70年代到80年代初，美国国家能源部证实了高能气体压裂在 适当加载速率下形成多条径向裂缝的事实，并获得了径向多裂 缝起裂、延伸、闭合、套管保护及压力脉冲的控制等重要的科 研成果。使得美国在高能气体压裂理论研究上处于世界领先地 位。
A、增压阶段
在裂缝压开之前，推进剂不断燃烧，井筒内压力迅速增大，此 时能量以受压液和压缩气体形成贮存于井筒中。在这个过程中压力 上升速率将决定裂缝的类型。
在压力上升速率很低的条件下，裂缝的几何形状与水力压裂形成的裂缝 的形状是相同的，产生对称的垂直于最小主应力的两条主裂缝。 在压力上升速率很高的条件下，如爆炸压裂，瞬时产生的高能量来不及 扩散，只有靠产生新的裂缝表面来耗散，结果在井筒附近形成大量小裂缝或 岩石破碎。 而高能气体压裂只有将压力增长速率控制在这两者之间，才能产生理想 的裂缝。
气体流过孔眼的线速度可根据质量流量确定：
所以，气体流过孔眼的线速度为：
B、外筒充液时的泄流规律
在充液井的高能气体压裂巾，火药产气和充井液体通过孔 眼被压入地层的规律更为复杂。为方便起见，气体泄出规律 仍按无液体时确定，而液体流出速度与气体泄出速度之间有 线性关系，则可得：
④裂缝扩展分析
高能气体压裂过程中的裂缝扩展分析与水力压裂
②井筒液柱运动分析
压井液体在气体压力作用下靠近压裂弹的一部分液体随 气体一起被压入地层，而弹体上部的液柱向上移动。如果不 考虑液体弹性压缩，则运动规律可用以下微分方程描述：
液体让出的体积为：
③井筒泄气分析 A、井筒未充液时射孔眼泄流分析
井筒未充液时，通过孔眼的流体纯粹为气体，泄流规律的 具体形式可以通过因次分析法得到。根据因次一致性原理， 可得气体通过孔眼的泄气流量为：
B、破裂阶段
在此期间，井筒内的受压液体或压缩气体的压力 大于井筒外岩层的破裂பைடு நூலகம்力，地层开始被压力裂缝。 这个过程中形成的峰值压力是应受控制的重要参数，
此参数过大造成井筒破坏，过小则压不开地层。
C、延伸阶段
在这个过程中将决定裂缝延伸的长短。裂缝延伸 的长短及其与天然裂缝沟通的程度，直接影响高能 气体压裂施工的效果。通过控制压力持续时间，可 以控制裂缝长度。延伸阶段越长，裂缝延伸越长， 施工效果越好。
与地层压力的差值，具体范围如下：
③压力持续时间
由于受燃烧数量级的控制(ms量级)，火药在很短时间内
燃烧完毕，产生的气体会因来不及泄出而导致井内压力过
高而引起套管损坏。 如果为了保护套管而降低装药量，压力过程持续时间则 很短，高能气体压裂的效果就会大大降低。 为了解决增产效果与套管保护之间的矛盾，必须从控制
②压力峰值
对压力峰值的设计，要求是要高于地层的破裂压力，低于套管 的承压极限。一般，在地层破裂前，产气压力会上升到几十甚至 几千兆帕，远远高于地层的破裂压力。因此压力要高于地层破裂 压力总能满足，关键是要使套管不受损坏。 由于套管在地层条件下与围岩应力的大小有直接的关系，而围 岩应力在现场又缺乏数据，在设计中以同样与深度有关系的地压 力来考虑围岩应力对峰值和的影响，其处理方法是控制峰值压力
的剪切应力。障碍销子剪断后表示地层已经起裂，临界应力消
失，活塞即开始运动，也就意味着裂缝开始延伸。活塞的反向 阻力正是裂缝延伸所需的压力。这样，便将上述各种实际压裂
中存在的主要压裂参数综合在一个形象的活塞移动模型中。
2)活塞模型的应用
裂缝长度预测：
将活塞移动模型视为一个绝热等熵的过程，不考虑摩擦渗 漏等因素，通过热力学及其他相关知识分析求出裂缝的 极限长度。
我国：
我国于1984年开始对这项技术进行研究。目前，该技
术在我国 各大油田都有了不同程度的试验与应用。并已
形成初步的压裂弹产品系列和包括压裂理论、设计方法及 软件、施工工艺及工具、测试技书及仪器在内的配套技术。 除包括有壳弹和无壳弹在内的固体弹技术外，基于现场配 制的液体药高能气体压裂技术也在研究和试验中。 可见，我国高能气体压裂技术研究的起步虽晚，但发 展较快。
三 高能气体压裂技术
高能气体压裂(HEGF)，又称应力压裂(Stress FRAC)、可控脉冲压裂(CPF)等。它是利用火箭推
进剂的油水目的层中燃烧产生高温高压气体压裂
地层，消除地层污染及堵塞物。有效地降低表皮
系数，达到油水井增产增注目的的新工艺。
一） 高能气体压裂技术的发展背景
美国：
1947年，美国人Henry Mophaupt将喷气技术引入油气开采工