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层内爆炸增产技术


中科院力学研究所专家丁雁生等人于2001年在“石油勘探与开发”杂志上发表了一篇题为“低渗透油气田层内爆炸增产技术研究”的文章,提出了一种全新的压裂概念:利用水力压裂技术将适当的爆炸药压入岩石裂缝,点燃那里的爆燃药,从而在主裂缝周围产生大量裂缝,达到提高地层渗透率的目的。这项技术如能成功,对提高低渗透油田的产量和采收率将有重大意义。

  深部地层造缝的特征是压力高、能量大、加载空间狭窄,同时,力学原理是再大的静水压力也不能压裂岩石,只有偏应力足够大才能压裂岩石。水力压裂技术满足这些特征,爆破工程经验表明,炸药爆炸也能满足这些基本特征。

  炸药释放能量有三种形式:爆轰、爆燃和燃烧,前两种统称为爆炸。爆炸时每千克炸药可瞬间释放约5×106 J
能量,使它有能力在狭窄环境做功。水力压裂时的注入压力一般为50-100MPa(比相应深度岩层的平均静水压力要高一定值),其造缝功率约为1×106-1×107  
W 。炸药爆轰的压力峰值高达10 GPa量级,功率约为1×10 11W;爆燃压力可控制在10-100MPa量级,功率约为1×10 7-1×10
10W。据此估计,炸药爆轰、爆燃的压力和功率高于或相当于水力压裂时的注液压力和功率。
  通常认为地层深部水力压裂形成的缝宽约2-3mm,裂缝容积约2-3 L/m2,可注入约2-3kg炸药。爆破工程中爆轰破碎单位体积岩石的耗药量约1
kg/m3,按此估计,“层内爆炸”在爆轰时可破碎约2-3m3岩石,耗药量显著低于核爆法。由于爆轰压力上升太快且远大于岩石强度,可能使岩石产生密实圈(即应力笼),而爆燃压力即大于岩石强度,压力上升快慢又适度,因此选择爆燃作为“层内爆炸”炸药释放能量的主要形式较为合适。用爆燃形式进行层内爆炸,只会在岩石中造成多条分支裂缝,且分支裂缝向主裂缝两侧延伸的长度大于2m,如果岩石破碎新增表面耗能大体为常数,则岩层开裂体积至少会大于2m3。

  高能气体压裂的经验表明:井筒内瞬态压力不超过100MPa时不会损坏井筒;同时,造成剪切裂缝两侧岩石有不可恢复的错动,压裂缝内因存在岩屑而有自支撑效应。根据这些经验,“层内爆炸”要把井筒瞬态压力控制在100MPa量级,并且可以依靠自支撑效应维持油层的渗透能力。

  层内爆炸技术从原理上可行,但能否实现,存在三方面技术问题: (1)药品能否压入含油气岩层的裂缝中; (2)压入裂缝后能否发生爆炸;
(3)爆炸后对岩石产生怎样的效果。总结成理论问题即:(1)含颗粒黏性流体在狭缝中的运动;(2)爆炸药在狭缝中的爆炸;(3)岩石的强动载破碎和渗流强化。目前看来,关键问题是爆燃药在狭缝中的爆炸和爆炸后对岩石产生的效果。

  目前,小尺度模拟实验已取得了成功。实验结果表明,层内爆炸通过热传导实现点火并传爆,爆燃的过程缓慢。通过模拟实验,至少找到了一组层内爆炸用特种火药基本配方:在200mm和1000mm尺度上实现了特种火药的挤注、点火和爆燃的基本过程,其峰值压力在1OOMPa左右。该特种火药的经济、安全可达到生产要求,从而证实层内爆炸原理基本可行。产出液后处理安全性问题也得到了解决。

  层内爆炸增产技术是一项具有战略性、前瞻性的创新技术,要将该技术实际应用于低渗透油田,今后主要有以下四方面工作:
(1)实验室放大试验与相关理论研究;(2)安全技术研究;(3)现场试验用工艺设备研究;(4)现场井下试验。
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