电爆冲击波增渗解堵技术试验研究

常规油水井解堵技术存在工艺复杂、成本高和环境污染严重等问题，电爆冲击波增渗解堵技术因具有解堵增渗效果好、能量可控和环保等优势而成为研究热点。在分析电爆冲击波增渗解堵机理的基础上，研制了电爆冲击波试验装置，进行了电容、充电电压及金属丝直径对电爆冲击波压力峰值的影响试验，并进行了模拟地层压力环境下的电爆冲击波造缝及解堵效果评价试验。结果表明，冲击波压力峰值随着充电电压增大呈线性增大，金属丝直径对冲击波压力峰值影响不大，存在一个使冲击波压力峰值最大的最优电容，验证了电爆冲击波可以扩展储层岩石的裂缝并产生新的微裂缝，而且能达到增渗解堵的效果。研究结果为推动电爆冲击波增渗解堵技术研究及现场试验奠定了基础。      

复合射孔压裂效果评价方法研究进展

复合射孔压裂效果评价是复合射孔技术的重要组成部分。为适应不同条件油气层复合射孔压裂的要求,经过10多年发展,先后形成了地面混凝土靶射孔试验、室内砂岩靶模拟压裂试验、室内模拟射孔压裂试验、数值模拟等一系列复合射孔压裂能力效果分析评价方法,提高了优化设计水平和施工效果;通过合理控制高能气体峰值压力,保护了油层套管、水泥环。复合射孔压裂研究和效果评价方法在不断发展和完善,应充分结合油气层特点,开展模拟围压的复合射孔压裂试验、数值模拟以及试验及井下监测结合研究。     

内置式复合射孔装药量优化设计

内置式复合射孔器火药燃烧受井下环境影响较小,压力上升速度快,可产生多条裂缝.火药燃烧时间内产生的最高压力必须高于地层破裂压力1.2倍以上才对地层产生有效作用,峰值压力越高,产生的裂缝越长,对地层效果越好,但它不能超过套管极限抗压强度,否则将损坏套管.通过岩石破裂压力和套管安全性评价分析,借鉴内弹道密闭容器火药燃烧和压裂...     

岩石破坏后力学特性及其对天然气开采的影响

地层在失去应力平衡后,岩石将发生破坏,而岩石的岩性差异导致破坏后的力学特性也相差较大。岩石在峰值强度后将产生走向各异的裂缝;若岩石在破坏后产生大量岩粉,将堵塞地层中的喉道和裂缝,导致储层的渗流能力降低。选用四川盆地4个区块的4类岩性的多个岩样进行三轴压缩实验,根据岩样峰值强度后的破坏模式定义了3种类型:Ⅰ型岩样破坏后将产生拉伸裂缝,并且应力突降;Ⅱ型岩样破坏后将产生剪切裂缝,应力缓慢降低;Ⅲ型岩样破坏后将产生拉伸与剪切裂缝,应力往复变化。Ⅰ型与Ⅱ型岩样在破坏后形成的裂缝较为单一,且裂缝面光滑;Ⅲ型岩样在破坏后形成走向各异的裂缝,且产生大量的岩粉,影响天然气开采。针对Ⅲ型岩样破坏后产生大量的岩粉,以煤岩为例,提出采用超前预防处理以及在排采期进行治理的措施。     

干热岩热储体积改造技术研究与试验

干热岩的岩性、力学特性和开发利用方式与常规油气资源相比差异较大,其储层改造不能直接采用页岩油气与致密砂岩油气压裂技术,需要研究适用于干热岩的改造技术。为此,利用井下花岗岩岩心和大尺寸露头岩样,采用高温测试和真三轴物理模拟系统,测试分析了高温岩石力学特性,模拟研究了裂缝起裂与扩展形态特征,分析了高温下花岗岩的脆塑性、岩石破坏特性以及天然裂缝对裂缝破裂压力、扩展路径和形态的影响特征,提出了“低排量热破裂+胶液扩缝+变排量循环注入”体积改造技术,并进行了现场试验,验证了室内研究结果。研究表明,花岗岩在高温下塑性强、脆性差、水平应力差大,岩石以张性和剪切混合破坏为主,天然裂缝和温差效应可显著降低破裂压力、提高裂缝复杂性与改造体积。研究结果对于干热岩热储高效开发具有较好的指导作用。      

复合射孔数值模拟的准确性验证及其应用展望

用数值模拟技术可以有效分析在温度与压力作用下的射孔效果.数值模拟的精度和有效性的验证则是一个新问题.借助西安通源公司的地面试验测试装置进行了爆炸冲击的流固耦合数值模拟的精度验证,根据地面试验测试装备和结构以及复合射孔枪内的试验载荷曲线,用数值模拟分析地面测试设备中的环空压力和射孔枪的残余变形,分析对比试验测量得到的枪身残余变形量以及环空压力的峰值,对比结果是两者的环空压力-时间曲线波形的主要形态基本一致,环空压力峰值和残余变形量的最大相对误差不超过8%.在此基础上,规划今后的数值模拟研究方向和内容.其模拟结果证明能够满足石油工程精度的要求.把握了数值计算精度的条件,可在石油射孔专业中从事一些数值模拟的具体应用研究.     

浅层高含水油田提高采收率技术

在室内实验、数值模拟、单井试注的基础上,研究了浅层高含水油田适宜的提高采收率技术。通过密闭取心、测井解释、荧光分析、数值模拟等多种研究方法,分析老君庙油田L3油层水驱后剩余油分布,I、II类砂体采出程度高,剩余油类型以颗粒表面油膜状残余油为主,主要黏附在大粒间孔(大于10μm)的岩石表面,适宜超低界面张力的化学复合驱技术。通过室内天然岩心实验和数值模拟参数优化,确定了化学复合驱注入参数。由于浅层油藏破裂压力低,化学复合驱的压力上升空间仅有1~3 MPa,故选择适宜的注入速度,控压注入,避免动态裂缝的产生。单井试注注入压力从空白水驱时的4.9 MPa升至7.7 MPa,3个月后见效油井含水降低至81.3%,验证了注入体系适应性好,注入方案可行。     

基于数值模拟的储层岩石力学参数预测模型分析及应用

由于储层钻孔采样所获取的实际岩心数量有限,导致室内物理力学试验结果具有较大离散性,难以准确地标定储层岩石力学参数。为此,应用数值模拟方法,根据某油田取心样品的物理力学试验结果以及测井资料中不同埋深储层岩石的孔隙度,利用有限元分析软件RFPA2D建立相应的数值模拟岩心,进而对不同孔隙度数值模拟岩心的弹性模量、应力峰值强度、残余应力强度及泊松比等岩石力学参数进行数值分析。将物理力学试验结果与数值模拟结果进行整体回归分析,得到以孔隙度为主变量的岩石力学参数预测模型。基于该预测模型,建立某油田储层三维水力压裂模型,探讨三维水力压裂裂缝的扩展形态,并将数值模拟试验与现场施工的压裂曲线进行对比,发现二者的压裂压力在变化趋势上基本一致,且压裂段的起裂压力与延伸压力相差也较小,验证了研究成果及方法的合理性和适用性。     

鸭西区块异常高应力储层加砂压裂探索与实践

为提高酒泉盆地鸭西区块异常高应力储层开发效果,开展加砂压裂研究与实践。通过开展室内岩心试验分析和压裂液性能评价试验,结合压裂油藏数值模拟以及裂缝模拟研究,认为鸭西异常高应力储层压裂难点主要在于受构造应力影响,地面破裂压力和施工压力高,岩石"硬"。优选了一套低伤害加重压裂液体系,加重后密度可达1.30g/cm3,得到了优化的水力裂缝参数和施工方案。在C井试验实现加砂15.3m3,压后初期产量24.8m3/d,是邻井3倍以上,增产效果显著。     

碳酸盐岩储层渗透率应力敏感性实验研究

储层的渗透率应力敏感性在油气勘探开发领域有着重要的研究价值。实验样品选自4类典型的碳酸盐岩储层,制取Φ2.5cm×5cm的基块、天然裂缝和人工裂缝圆柱体样品,开展渗透率应力敏感性及岩石力学实验研究,并分析岩石物性及岩石力学性质对碳酸盐岩储层渗透率应力敏感性的影响。实验表明,碳酸盐岩渗透率应力敏感性可以选用应力敏感性系数法评价,方便于不同区块、不同层位、不同岩性储层应力敏感性的对比;碳酸盐岩基块、天然裂缝和人工裂缝岩样的应力敏感性系数均值为0.22、0.49和0.63,应力敏感程度逐渐增强;碳酸盐岩的应力敏感性系数与渗透率的相关性较差,但整体呈减小的趋势;劈裂法制取的人工裂缝岩样的应力敏感性随机性较大,较难真实地反映天然裂缝岩样的应力敏感性;应力敏感程度与岩石力学性质相关,岩石弹性模量越大应力敏感性越弱;建议加强应力敏感性微观机理及数值模拟研究。     

金属丝电爆炸冲击波对水泥环完整性的影响

随着电爆炸技术被应用于油井解堵、除蜡以及在近井地带构造微裂缝等作业,其在井下产生的冲击波对固井水泥环的影响不可忽视。为了研究电爆炸井下工具在作业过程中对水泥环完整性的影响,采用数值模拟方法,在AUTODYN中建立了套管-水泥环-岩石组合体模型,研究了冲击波载荷在组合体中的传播过程及其对水泥环的损伤。研究结果表明:在射孔区域,冲击波会经过射孔孔眼在液体中传播,并保持较高的压力,而在非射孔区域,冲击波经过套管后衰减较大;水泥环和岩石受到冲击波的作用时,损伤区域都是从射孔孔眼开始向外扩展,水泥环和岩石主要受冲击波的拉伸和剪切破坏,同时冲击波造成的套管变形也可能会造成水泥环损伤。研究结果对于电爆炸技术在石油行业的安全应用具有一定的指导作用。     

激波掠过后岩石相对损伤度与裂缝渗透率关系模拟实验研究

为了将岩石动载损伤的研究成果应用于爆炸增产技术优化设计和施工中,开展了激波作用下岩石相对损伤度与裂缝渗透率的定量关系研究。依据激波作用后试样的损伤实验结果,建立了激波掠过后试样的相对损伤度模型,并定义了无量纲弹性波速。依据无量纲弹性波速,求得了相对损伤度与裂缝孔隙度的定量关系。利用实验数据和理论模型,得到了裂缝孔隙度随裂缝渗透率的变化规律,并求得了裂缝的平均宽度。依据裂缝孔隙度,求得了相对损伤度与裂缝渗透率的定量关系。定性地对地层条件与实验条件下的渗流强化结果进行了对比,并预测了爆炸压裂技术在低渗透油藏的增产效果。     

冲击作用下岩石裂纹长度预测模型及数值模拟研究

为研究动载侵入岩石过程中的裂纹演化规律和预测裂纹长度,根据牛顿第二定律及波动理论,建立了岩石在冲击过程中的最大冲击力与冲击速度间的数学模型,结合岩石在静载作用下的载荷与裂纹长度间的关系,建立了岩石在冲击载荷作用下形成裂纹的长度预测模型,并利用离散元数值模拟方法研究了岩石动态破碎过程中裂纹的形成与扩展特征以及冲击速度对裂纹长度的影响规律。分析研究发现,岩石在冲击力作用下形成的裂纹以张性裂纹为主,且径向裂纹向着岩石自由表面扩展,侧向裂纹从损伤区萌生并向岩石内部逐渐扩展;径向裂纹长度和侧向裂纹长度均与冲击速度呈幂函数关系,数值模拟结果与理论模型结果基本吻合;冲击速度由15 m/s增大至35 m/s,岩石的破碎范围和破碎深度逐渐增大,形成的径向裂纹长度从3.47 mm增大到9.03 mm,侧向裂纹长度从7.29 mm增大到14.58 mm。研究结果为研究岩石的动载侵入断裂和动态破碎机理提供了理论依据。      

燃烧热能机械能复合破岩先导性试验研究

为了证实燃烧热能-机械能复合破岩方法的可行性,通过理论分析和室内试验对该破岩方法进行了研究。采用瞬态传热方式对岩石有限元模型进行了热分析,评价了燃烧热能对破岩的作用;并利用自制的钻头和试验台架开展了模拟钻进试验和对比试验,验证了燃烧热能-机械复合破岩的可行性和破岩提速能力。理论分析可知,在不考虑岩石受热而发生热应力裂解的情况下,燃烧热能获得的钻速达18.0 m/h。模拟试验得到,该方法在花岗岩中的平均钻进速度为24.5 m/h,同时钻进中高温改变了井眼周围岩石成分的团聚状态,可形成1.8 mm厚的陶瓷层;在相同试验条件下,该破岩方法获得的钻进速度是常规机械破岩方法的8.3倍。研究结果表明,对于导热系数较小、抗拉强度和剪切强度较低的岩石,燃烧热能形成的热冲击力能引起岩石脆性破坏,降低岩石抗压强度,与机械能复合破岩能明显提高钻进效率。      

页岩气增产用脉冲放电冲击波装置研究

为进一步推进脉冲放电冲击波技术在页岩气井增产中的应用，研制了可用于页岩气井井下作业的脉冲放电冲击波装置。该装置包括位于地面的电源系统和位于井下的储能、放电系统，其中井下部分封装在外径为102.0 mm的不锈钢外筒内，以保证有较好的绝缘性能和机械强度。该装置的设计最高电压和最大储能分别为10 kV和5 kJ，单次下井重复放电4 000次以上。根据现场特点和工程需求，对该装置的储能方式、负载电极、高压电容器等进行了研究设计，在地面进行了解堵除垢和岩样致裂调试试验，并在油井中开展了井下试验。地面调试试验发现，脉冲放电冲击波装置工作稳定性好，具有解堵疏通、致裂岩石的效果；井下试验结果表明，产液量和产油量相比施工前分别提高227%和197%，取得了较好的增产效果。研究认为，该装置工作稳定性好，在油井中具有很好的解堵疏通、致裂岩石的效果，也具备应用于页岩气井进行增产的可行性，但在页岩气井中具体效果如何，还有待于进一步研究。      

水力脉冲波协同多氢酸酸化解堵反应动力学模型

水力脉冲波协同多氢酸酸化技术对于高压注水、注汽井近井区域的储层堵塞具有高效的解堵效果。但目前针对该项技术的模拟理论及动力学研究较少,现场工艺参数设计存在一定的盲目性。基于多氢酸活性酸组分的酸岩反应模型,以水力脉冲波传播动力学为基础,构建了水力脉冲波协同多氢酸酸化反应动力学模型;研究了孔隙度、渗透率、酸液及矿物浓度随时间和距离的变化规律,分析了水力脉冲波协同多氢酸酸化解堵的参数敏感性,并进行了矿场应用分析。研究表明:协同作用进一步提高了储层的酸化解堵效果,明显改善了酸液流速、酸液及矿物浓度的分布;振幅、频率较高时,酸液流速的径向差异直接影响相邻位置的解堵效果。针对不同类型的砂岩油藏设计了水力脉冲波协同多氢酸酸化解堵参数,并成功开展11井次矿场试验,注水压力平均下降6.3 MPa,注汽压力平均下降3.5 MPa,起到了显著的解堵降压增注效果。     

强电流脉冲放电对套管的影响探析

井下强电流脉冲放电解堵技术是一种有效的物理法油、水井增产增注技术。该技术具有能量储存时间较长、瞬间释放能量大的特点。介绍了该技术井下放电解堵原理、放电对套管的作用。通过强电流套管损伤试验和套管磁粉探伤试验,定量地分析了强电流脉冲放电对套管的影响程度,初步得出结论:目前国内外井下放电设备对套管产生的冲击波强度都不会损伤套管。     

液相放电等离子体破岩室内实验与破岩机理

液相放电等离子体破岩是一种将电能转换为冲击波机械能的新型高效破岩技术，目前国内外对其在石油钻井中的应用研究较少。开展了液相放电等离子体破岩室内实验：首先使用3组不同厚度的页岩验证了等离子体冲击波破岩的可行性；然后使用损伤变量和声幅衰减系数作为岩样损伤表征量，定量分析了不同影响因素下，混凝土岩样受等离子体冲击波作用后的损伤程度；使用3种岩样（混凝土、页岩、砂岩），验证了该技术对不同抗压强度岩样，在不同地层中的适应性；最后借助CT扫描，观察冲击波作用前后的岩样，分析和揭示了冲击波作用下岩样的损伤破坏形态和机制。室内实验结果表明：冲击波峰值压力高达130~190 MPa；页岩被劈裂成多块，混凝土岩样的破坏深度为3~5 mm，破坏程度随放电电压和冲击次数的增加而增加；载荷相同时，岩样的破坏程度随抗压强度减小而增加，但页岩的层理结构有利于吸收冲击波能量，增加其破坏程度；岩样的破坏形式以径向裂纹、片落裂纹和冲蚀坑为主。液相放电等离子体破岩机理的研究结果表明：冲击波作用岩样，岩样表面受压被破坏，岩样内部产生切向拉伸应力，应力波从岩样内部往边界传播时，在岩-液界面反射并产生拉伸应力，当拉伸应力大于岩样抗拉强度时产生裂纹；冲击波的产生伴随着高速射流，射流的水楔作用加速裂纹的扩展，形成冲蚀坑。     

煤样的超声速度和衰减各向异性测试

由实际煤层采集的岩样，将其加工成两类模型（22个8面体和2个20面柱体），并利用脉冲传输技术对此两类模型进行了超声P波和S波测试。测试分析结果表明：煤样中定向排列的裂隙产生明显的速度各向异性、横波分裂和衰减各向异性；同时还发现P波的动力学特征变化比运动学特征更明显，P波衰减随裂隙方位的变化明显大于S波。这为利用P波属性的变化进行裂隙检测和预测提供可靠实验依据。     

低频脉冲波强化采油技术研究及试验

本文对低频脉冲波的技术性能、作用机理、对岩层岩心的裂缝效应、改善孔隙结构效应以及对流体的作用等方面进行了理论探讨和室内及现场试验。阐述了低频脉冲强化采油机理主要在于能使近井地带形成微裂缝网,疏通储层孔隙,改善孔隙中流体分布状态,降低原油粘度等。通过现场试验,证实了低频脉冲波强化采油技术可用于油水井除垢、降粘、解堵、增产增注等方面,而且该技术投资少、见效快、工艺简单,具有广阔的推广应用前景。被总公司新技术推广中心评为1994年油井增产优秀项目。