[科普中国]-高能气体压裂

原理裂缝产生

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。

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。

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。

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。

发展历史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）。1