高能气体压裂技术

高能气体压裂技术
高能气体压裂（High Energy Gas Fracture ,简称HEGF）是利用火药或火箭推进剂在井筒中快速燃烧产生的大量的高温高压气体在产层上压出辐射状多裂缝体系，改善近井地带的渗透性能，从而增加油气井产量和注水井注入量的一项增产措施。

前苏联把高能气体压裂称为热气化学处理，在美国也称作脉冲压裂、多裂缝压裂。

一．高能气体压裂工艺技术
1．高能气体压裂概况
美国高能气体压裂是从一百多年前的井筒爆炸方法演变而来，本世纪70年代中期后，美国、前苏联等国家对爆炸压裂失败的机理作了深入的探讨而发展了高能气体压裂并在80年代中期使该项技术趋于成熟。

80年带中期，西安石油学院开始从事高能气体压裂的研究，吸取和借鉴了国外的一些先进成果，已研制和开发出自己的产品系列，如压裂弹、测试仪、设计软件等。

高能气体压裂不同于爆炸压裂和水力压裂。

爆炸压裂在井筒中产生的爆轰波作用于井壁，快速的压力脉冲把井筒周围很小范围的岩石破碎，不能形成多裂缝体系。

水力压裂是通过压裂车组从地面注入压裂液在高于岩石破裂压力下将地层压开而形成一条宽而长的裂缝，这种裂缝长度从几十米到上千米不等，裂缝垂直于岩石最小主应力方向。

高能气体压裂火药产生的压力脉冲比爆炸压裂平缓而又远远快于水力加载，因而在井壁形成多裂缝体系，但裂缝长度一般小于10米（液体药高能气体压裂裂缝可超过30米），所以可用于改善近井地带的渗流环境（解堵或改造地层）。

三种压裂的区别见下表。

从表中看出，由于升压时间及加载速率的不同，高能气体压裂是明显区别与爆炸压裂和水力压力的增产措施。

表1 三种压裂方法的主要参数
2．高能气体的获得
高能气体是通过固体药或液体药的快速燃烧产生的。

固体药有火药及火箭推进剂。

常用的火药有硝化棉和炮药，硝化棉是致密的硝化纤维和极少量残留溶液组成，炮药是硝化纤维在不易挥发溶剂（如硝化甘油）中的固体溶液，它比硝化棉的能量高，火药的燃烧时
间以ms计。

常温固体药每公斤产气量在1028升左右，爆燃温度不超过2600 o C；高温固体药每公斤产气量不超过880升，爆燃温度在3000 o C以上。

液体药由氧化剂、燃料及溶液组成，主要成分是硝酸铵、甘油和水，其燃烧时间以s计。

用液体药压裂后，其裂缝可达25～50米，可与一般的水力压裂媲美。

根据上述特点，可以制成不同的压力发生器。

（1）有壳压力发生器（有壳弹）
该装置的药柱外面有金属外壳保护，施工时用电缆传输至预定位置，地面加电引燃。

由于有金属外壳，每米装药量仅3～4公斤，总装药量不超过40公斤，现以很少使用。

（2）无壳压力发生器
该发生器的外面无沉重的金属壳体，直接用中心铝管和中接头将药柱串联而成，每米装药量可达12公斤，总装药量可多达100～120公斤。

也可根据油管的内径制造出过油管无壳压力发生器，即它可通过油管用电缆直接下到目的层而不用起出油管。

（3）液体火药
它是将配好的液体直接注入目的层段，投入固体药让其静止反应引燃或地面加电点火引燃而释放高能气体。

3．高能气体压裂施工工艺
根据压裂药下入及点火方式的不同，高能气体压裂工艺分为三种：
（1）电缆下入高能气体发生器、地面加电引燃的工艺。

用中心铝管及电缆将压裂药柱串接在一起，中心铝管内装点火药柱，铝管上端装点火头，最下部药柱底端的铝管端部用堵头（堵头可承受药柱重量）拧死，电缆接在点火头上，用电缆车将其下至预定层位（磁定位），地面加电引燃点火头，点火头引燃铝管内引火药，加热中心管，再引燃药柱。

（2）油管下入高能气体发生器，投棒撞击点火引燃的工艺
用中心铝管、中接头将压裂药柱串接在一起，中心管内装点火药柱，最下端用堵头拧死，最上端装击针座，击针座下面是发火药，用变扣将击针座连接在油管的末端，下到目的层后，地面投棒将压裂药柱引燃。

（3）用固体药点火引燃液体药的工艺
从地面按比例配制设计需要量液体药，然后将液体药注入管柱内，用顶替液将液体替至目的层段，然后上提管柱到一定高度，从井口投入固体点火药等待其燃烧，或者是提出管串，用电缆下入点火药柱地面加电引燃液体药。

在施工过程中需放入隔离器材，如水泥塞、隔离塞等。

4．高能气体压裂压力检测技术
（1）峰值压力静态测试
该方法是把铜柱测试器固定在火药以上约20米处电缆上测定高能气体的最高压力值（即峰值）。

这种铜柱测试器是用不锈钢材料制成的活塞筒体，结构上在筒体的一端装有活塞，另一端装有垫柱及螺丝压盖，中间的空腔放铜柱，筒体内部用“O”环密封，如图1。

压力推动活塞作用在铜柱上，根据压力与铜柱压缩量的线性关系计算出峰值压力。

螺盖
O环
图1 铜柱测压器结构示意图
计算公式为：
P2=P1+100α(H1-H2)
式中，P1－铜柱预压压力；
H1－预压高度；
P2－铜柱测得的峰值压力；
H2－压后铜柱的高度；
α－铜柱的硬度系数。

测出压裂前后铜柱的高度即可确定峰值压力。

（2）动态压力－时间过程测试
压力、时间的动态测试是通过井下压力传感器而进行的，该装置类似于电子压力计，但是由于高能气体压裂过程极短所以其数据录取间隔远远小于电子压力计。

该装置分为两种。

一种是井下储存式p-t测试仪，由撞击导电机构、电子线路、电池组、点火系统、压力传感器和机械外壳等部分组成，地面加电时，仪器控制模块使点火头与点火电源相连，引燃压裂弹，同时启动系统与记录模块，将火药点燃后造成的井筒内压力变化过程记录下来，仪器取出后在地面用计算机回放数据。

另一种是地面直录式p-t测试仪，其井下部分包括压力传感器、压力变送器及其附属电路，地面部分包括输入阻抗放大器、转换器、单片机、打印机及点火直流高压发生器等。

当压裂弹及p-t测试仪下到目的层位后按下点火系统，同时启动单片机控制系统开始采集数据。

二．高能气体压裂的作用机理及增产原理
1．裂缝产生的机理
裂缝的起裂：气体发生器在目的层段引燃后，药柱以优化燃烧方式进行可控燃烧，迅
速产生高温高压气体，对井壁形成脉冲加载，使井筒周围的岩石受到压缩，当井筒内的压力超过对应加载速率下地层岩石的破裂压力时，即在井筒周围形成多条径向裂缝。

高能气
图2 某致密砂岩油层中HEGF实测P-t曲线
由图可见，当压力由A点上升至B点时，出现压力台阶，这预示着井筒周围的岩石开始起裂。

此时，目的层段的容积稍有增大，但推进剂在较高的环境温度和压力下具有较高的燃速，因而压力自B点稍有下降后，又迅速上升至C点，达到峰值压力，主要走向上的径向裂缝形成并向地层中快速延伸。

裂缝的延伸：达到峰值压力后，发生器产生的大量燃气继续释放，当高速进入裂缝的燃气在缝内形成的压力超过裂缝的延伸压力时，裂缝得以延伸，井筒中的压力不断下降，至D点时，井筒压力与地层压力逐渐趋于平衡，裂缝的延伸终止。

裂缝形成后，由于径向裂缝的随机性，不都是垂直于最小主应力方向，那么缝面上的切应力不为零，在这种残于应力的作用使缝面产生错动或位移，因而裂缝不能完全闭合，国外的实验也证明裂缝确实存在，宽度在0.381~0.762之间。

另外，压力超过岩石的屈服极限后，岩石会产生塑性变形，所以当压力降低后仍有残于裂缝，而破碎下来的岩屑可成为裂缝天然的支撑剂。

2．高能气体压裂的增产原理
高能气体压裂后形成的裂缝不能完全闭合，因而裂缝本身的导流能力强；裂缝一般足以穿透伤害带，对于裂缝性地层这种多裂缝体系又可沟通近井带的天然裂缝；另外，由于燃烧产生高温高压气体，不但可以熔化在井筒附近沉淀的沥青及石蜡、降低原油的粘度，还可以在井筒中产生水力振荡作用延伸裂缝和清理油层堵塞，所以高能气体压裂后，大大降低了近井带的渗流阻力而提高产能。

三．高能气体压裂的特点及其适用范围
1．高能气体压裂的特点
（1）降低地层的破裂压力
在水力压裂中，为了压开地层，必须多台压裂车同时启动大排量、高压向井中挤入压裂液，而通过高能气体预压后的地层，水力压裂时压开地层的压力大大降低。

（2）产生裂缝的随机性
这种随机性使高能气体用于多次水力压裂不见效的井非常有效。

因为重复水力压裂往往是沿着原有的裂缝进行，而其它方向的油仍然难以流动，高能气体产生的多裂缝体系使这些方向的渗流状况得到改善。

（3）可提高射孔的有效穿透率
高能气体压裂与射孔联作，推进剂延时燃烧后的高能气体通过射孔孔眼泄压，加深射孔深度，并在射孔尖端形成多裂缝，改善孔眼周围的压实带，达到更好地疏通油层的效果。

（4）漏失井或近水层处理
高能气体压裂所产生的裂缝不遵循最小主应力规律，裂缝走向以水平方向为主。

水力压裂所产生的裂缝遵循最小主应力规律，裂缝走向以垂直方向为主。

当处理层靠近漏失层或水层时，如果采用水力压裂，其垂直裂缝很容易沟通这些层位，造成层间窜流或含水量大大增加，因而在这种情况下水力压裂是非常危险的，在这种情况下，高能气体压裂就提供了一个很好的解决办法。

（5）选择性的增产措施
高能气体压裂工艺的选择性是指可以将产生的气体作用在整个目的层,这一特点使得在原生产层的上下无需采取隔离措施，可对一个或多个薄层的局部进行选择性增产作业而避免将不需要压裂的层位压开(例如含水层)。

（6）用于油层评价
高能气体压裂用于油层评价是一个快速、经济有效的方法。

在决定下套管后，HEGF 仅以很少的费用即可提供对油层的快速验证。

高能气体压裂后产生辐射状多裂缝体系，能够比酸化压裂更快、更经济地穿透污染地带而连通油层，增加井眼导流的有效半径。

如果用此方法未能发现足够含量的碳氢化合物，就完全可以认为地层没有可采烃类。

即使用酸化和水力压裂也很难得出相反的结果。

所以可用此措施来确定是要下套管作进一步测试还是放弃。

（7）无污染
火药燃烧后产物主要是CO、CO2及H2O，对油层无污染。

（8）压后的裂缝不需填入支撑剂
水力压裂后裂缝中必须加入支撑剂以使裂缝具有一定的导流能力，而高能气体压裂后由于残余应力的作用使裂缝保持一定开度，因而可不加入支撑剂。

（9）设备少，施工安全、简便
与酸化及水力压裂措施相比，高能气体压裂措施不需大型设备、大量的容器及配制大
量的液体，现场组装及施工工序简单，无需往返地搬迁设备；压裂药在常温下性能稳定，大部分器材在井下，因而安全可靠。

这些特点使高能气体压裂更能适用于戈壁、沙漠及海上平台的作业。

2．适用范围
（1）适用岩性
高能气体压裂由于加载速率较高，从而决定了其适用的岩性是脆性地层，对于塑性地层则不甚适用，而对于泥岩地层压可能会产生“压实效应”。

适于高能气体压裂的岩性有灰岩、白云岩和泥质含量较低（小于10％）的砂岩。

不很适于该项技术的岩性有泥岩、泥质含量较高（大于20％）的泥灰岩和砂质泥岩等。

此外，胶结疏松的砂岩地层，压后可能严重出砂，应慎重对待。

（2）地层选择
a. 天然裂缝发育的地层：压裂后产生的径向裂缝沟通天然裂缝。

b. 坚硬、致密的油气层：这样的地层脆性大，易于压开。

c. 污染或堵塞严重的油气层：径向裂缝和高温清除近井带的沥青质、蜡质和其它机械杂质的堵塞。

d. 水敏、酸敏油气层：这类岩层不适于搞酸化、压裂，而高能气体压裂不会产生敏感性问题。

（3）井类选择
·勘探井
a. 泥浆、水泥等污染严重、显示好、但射孔后出油气差或根本不出油的井。

b. 原始地层物性差、但取芯见到天然微裂缝的井，可优先选择高能气体压裂。

c. 油气层水敏或酸敏性矿物含量较高、酸化及压裂不理想的井。

d. 破裂压力高的井，高能气体压裂后可以降低地层的破裂压力。

e. 油层压力高、地层致密、试油产量较低的井。

探井在钻井过程中如果由于泥浆或完井造成污染，此时无论是水力压裂还是酸化都没有高能气体压裂方便、便宜。

国内外实践证明，无论探井遇到什么岩性、油层物性好坏都可以运用高能气体压裂技术。

·生产井或老油井
特别适于处理地层能量高、含油饱和度高、井底附近被伤害的油气层，也适于物性差的低产层甚至停产层。

a. 油层压力较高、供油能力充足、但产量突降的油井。

b. 增产措施后产量递减快、而地层压力仍然较高的油井。

c. 经多次增产处理产量仍然很低、但仍有一定地层压力的老油井。

d. 经多次水力压裂后长期关闭的“报废井”恢复产能。

·注水井
利用高能气体压裂，一方面可解除近井地带的污染堵塞，另一方面，产生的径向多裂缝体系改善了注水驱替前沿，调节由层间差异造成的不合理注水剖面，从而增强油藏整体开发及注水效果。

由于注水井井底经常处于高压状况，压裂后的增注效果优于油井的增产效果。

a. 初期能注液，但因水质差致使吸水指数递减较快的井层。

b. 吸水指数低，达不到配注要求的井层。

c. 根本注不进水的井层。

这几类井层都可以优先进行高能气体压裂改造，使其达到配注要求。

四．高能气体压裂的设计
1．资料的收集
设计前应收集本井井史、基本数据及邻井相关资料，以使设计更加准确可靠。

（1）井的基本数据，如井名、井深、地层压力、破裂压力、井底温度、射孔段等；
（2）试油试井资料，用之可确定油井的产油气情况、渗透率、表皮系数等；
（3）井深结构及套管技术规范（如规格、型号等）等资料；
（4）开钻、完钻日期及泥浆比重（用之可估计污染程度）等资料；
（5）测井解释资料，如孔隙度、渗透率、泥质含量、固井质量（CBL曲线）等；
（6）射孔资料，如射孔弹的厂家、规格、型号；孔径、孔密、相位、发射率等。

2．设计原则
高能气体压裂技术是靠高温高压的气体来压裂油气层，所以设计中首先要考虑的问题是所用药量不能破坏油气井，但在另一方面，如果装药少又使改造规模受限，由此，该项技术的设计原则是：在保证套管不受破坏的前提下，尽可能地加大用药量。

套管的极限承压能力与套管的钢级、尺寸、固井质量、射孔状况及地应力等很多因素有关。

综合国内外的情况看，认为在现阶段将套管所能承受的极限压差（井内压力与油气层压力之差）定为90MPa是合适的。

高能气体压裂的用药量受火药燃烧性能、方式以及施工参数的显著影响，应将装药参数、射孔参数、地层参数、压井参数等综合起来考虑，这正是高能气体压裂设计的中心内容所在。

3．装药量设计
火药燃烧时的峰值压力可用下式近似计算：
P max≈P0+W x MPa/Kg
式中，P max－峰值压力，Mpa；
P0－井内液柱压力，Mpa；
W－药柱质量，Kg；
MPa/Kg表示每公斤火药产生的压力。

P max可按破裂压力的1.2~1.5倍设计，以之确定装药量。

如果不知破裂压力，总装药量不超过40Kg；对于长地层，可以进行分次压裂，分次压裂时装药量应比第一次少10 Kg。

药柱规格：
95－24－500 95－13－500
85－24－500 85－13－500
75－24－500 75－13－500
56－6－500
规格中，第一个数表示药柱外径，第二个数表示药柱内径，第三个数表示药柱长度，均以mm为单位。

每公斤药产生的压力大约为1 MPa，药的密度为1.57~1.61x103Kg/m3。

根据需要可将不同外径的药柱串在一起，如9524＋9513 x 4+7513 x 2。

4．计算机模拟
药量与火药燃烧产生的最大压力及挤入地层的流体体积的关系必须用火药燃烧规律
方程、考虑了压缩性和水力阻力的井内流体运动方程、孔眼节流方程、驱替液进入地层和火药气流入随之形成并延伸的裂缝的方程等组成的微分方程组（此处从略）来模拟。

模拟火药弹的工作过程可获得不同地质条件下不同药量产生的最大压力所压出的裂缝长度和
宽度随时间的变化规律。

五．高能气体压裂的评价
1．实施结果
下表分别是我国部分油田93－96年采用固体火药和液体火药高能气体压裂效果的统计表，实施压裂后，可用工艺成功率、地质有效率、增产倍比、累计增油量等参数进行评价。

表2 固体火药高能气体压裂施工情况统计表
表3 液体火药高能气体压裂施工情况统计表
2．技术评价
技术评价一般包括以下三个方面：
（1）试井
以压裂前后压力恢复试井资料为基础，对比压裂前后表皮系数、油气层渗透率、采油指数及产液（吸水）剖面变化值进行评价，如表4。

表4 塔里木JN1 井及TZ422井压裂前后试井资料对比
（2）微井径与声幅测井
以微井径测井资料为基础，可以了解高能气体压裂对套管的损害程度；以压裂前后声幅资料为基础，可以了解高能气体压裂对水泥环的损害程度。

（3）微井温测井
利用微井温测井资料可以分析、判定裂缝形态。

3. 经济评价
利用增产油量和扣除压裂综合成本后实得利润指标来评价压裂经济效益，也可用投入产出比来进行评价。

辽河油田对其1993年5月至1995年6月施工的70口井进行统计，其结果投入产出比为1:8，可见经济效益是非常明显的。

六. 高能气体压裂技术的发展
大约从80年代中期后，国外高能气体压裂技术趋于与其它增产技术相结合而向综合的方向发展，如与加入过氧化氢溶液相结合、与加入支撑剂相结合、与泡沫压裂相结合、与酸化相结合、与水力压裂相结合、与射孔相结合等。

在向综合方向发展的同时，高能气体压裂技术本身也在改进和完善，如为了使裂缝延伸的更长一些，H.H.Mohaupt等人对装药材料作了改进，他们把药分为两级，第一级快速燃烧形成多裂缝，第二级缓慢燃烧利于延长裂缝。

另外，由于液体药在装药量和燃烧时间上都大于固体药，显然它压出的裂缝长于固体药压出的裂缝，液体药高能气体压裂仍是需要发展的领域。

七. 技服公司现场作业实例
1999年4月5日，杨学政、陈月飞二人于辽河油田对胜-21井进行了高能气体压裂施工。

该井是稠油井，井深3331米，射孔段3321-3261米，层厚60米，岩性为玄武岩。

该
井采用液体药压裂，作业目的是用高能气体压裂将地层压开几条径向裂缝，降低地层的破裂压力，为后续的水力压裂作准备。

1．作业步骤
（1）通井，并用高温（80o C以上）水正洗井，直至返出液清澈为止。

（2）向2方罐内加入180公斤水，加热并保持在70～80o C，加入360公斤固体药、60公斤液体药，配成600公斤混合液体药，加热，直至所有药完全溶解，测量温度和密度，密度要求为1.3左右。

（3）用热水正洗井以保持井温。

（4）向油管投入第一个隔离塞。

（5）将配置好的液体药注入油管中。

（6）向油管投入第二个隔离塞。

（7）按设计要求的量用水将液体药正替入目的层段。

（8）上提油管80米。

（9）向油管投入第三个隔离塞。

（10）投入固体点火药。

（11）向油管投入第四个隔离塞。

（12）按设计要求的量用水将点火药推到目的层段。

（13）打开井口所有阀门，让其静置反应。

2．作业结果
投入固体药后四个半小时后，听到“噗”的响声，井口有液柱喷出，证明液体药爆燃后一部分能量作用在液柱上，将液柱上推而喷出井口。

该井经过高能气体压裂及水力压裂后，获得了较好增产效果。

参考文献
1.杨学政有关高能气体压裂技术的授课内容，1999年8月；
2.《高能气体压裂》，西安石油学院，1992年；
3.高能气体压裂技术论文，西安石油学院高能气体压裂技术中心。