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摘 要:射孔及孔道酸化技术是将复合射孔技术、酸化处理等工艺结合起来,基本原理是将化学反应带入射孔作业,方法是将固体酸性材料装在射孔弹中,在射孔的同时酸性材料随射孔流进入油层孔道及裂缝中,这些酸与周围的岩石发生化学反应,使复合射孔造成的孔道和裂缝扩大、延伸,并形成无法闭合的永久裂隙。这些裂缝能够改善近井带的渗透率,从而提高射孔效率。
关键词:射孔 酸化 助推火药 固体酸
中图分类号:TE1 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)12(b)-0108-01
引言
上世纪80年代,利用火药燃烧产生的高温高压气体对油层进行清堵压裂(通常称为高能气体压裂)技术在国外开始应用。随着油田勘探力度的加大,深层勘探的不断增加,孔隙度、渗透率特低,岩层致密的油气藏成为勘探开发的重点。对于这些条件的井,复合射孔的优势不在明显,在复合射孔后还要进行酸化、压裂等一些措施,才能满足生产的需要。
射孔及孔道酸化技术,它能够将复合射孔技术、酸化处理等工艺结合起来,且操作方便、安全高效、成本低廉,为低渗透油气田的高效开发提供了一条新途径。
1 技术简介
射孔及孔道酸化技术的基本原理是将化学反应带入射孔作业。其特点是将射孔弹、高能火药、高浓度固体酸性材料都装在射孔枪中,利用射孔弹在油层中射孔,火药爆燃对孔道压裂造缝。这些酸与周围的岩石发生化学反应,使复合射孔造成的孔道和裂缝扩大、延伸,并形成无法闭合的永久裂隙。这些裂缝能够改善近井带的渗透率,从而提高射孔效率。
1.1 大孔径高孔密射孔
所谓大孔径高密度射孔,通常指孔径＞18mm,孔密大于20孔/米的射孔,对于普通的102型射孔枪,由于枪内空间的限制,同时做到以上两点已很困难,而在本项技术中,射孔枪内除了要装填射孔弹,还要装火药及大量的固体酸性材料。
1.2 火药造缝
在射孔过程中,射孔弹爆炸所形成高速射流在套管、水泥环和近井岩石中形成穿孔,并向外延伸,在孔道周围产生裂纹。在这些裂纹还没有闭合、或没有完全闭合之前,枪内火药燃烧产生的大量高温高压气体进入孔道,阻止了裂缝的闭合,并使这些裂缝扩展延伸,与自然裂缝相交,在井筒周围形成裂缝网络。这个过程就是火药造缝。
1.3 酸性材料输送
在射孔弹爆炸和火药爆燃过程中,酸性材料随射流和高温高压气体向油层孔道中运动,最后进入孔道和裂缝中,形成酸性材料塞。由于油层孔道及裂缝经历一个先内高压向外膨胀,后是外部地层压力向内压、孔道急剧收缩的过程,孔道中的酸性材料被严重挤压,形成一个强度高、密度大的酸性材料塞。
1.4 化学反应清堵
进入油层孔道和裂缝中的酸性材料会与井液接触,产生大量的液态酸。这些液态酸与孔道及裂缝周围的岩层发生反应,完成酸化处理作业,在孔道周围形成无法闭合的永久裂缝。
2 关键技术
2.1 侧向起爆对称式双向射孔器
为了解决枪内空间的矛盾,我们提出了侧向起爆对称式双向射孔器。该射孔器采用侧向起爆、对称装药的结构。
2.2 助推火药
在助推火药的制作进程中,往火药中填入一定量的溶剂是必要的。这里,溶剂的比例是很重要的。如果溶剂比例太大,硝化棉溶的太厉害,就会改变火药的性质,造成火药点火困难以及燃烧缓慢;如果溶剂比例太小,粘在火药表面并很快挥发掉,会造成药柱成型困难。
2.2.1 成型工艺
这里第一个问题是模具的设计。助推火药中经溶解的硝化棉大分子,处于紊乱状态,受外力挤压成型后,硝化棉大分子呈定向排列,外力除去后由于溶剂挥发和硝化棉大分子转为定向的弯曲状态。实践证明,根据弧厚的不同,药粒径向的收缩率平均可达30％,这样为了控制成品的几何尺寸在一定的范围内,在设计成型装置时,必须考虑助推火药的收缩。
第二个问题是成型压力。成型压力直接影响助推火药的装填密度和燃烧表面积。
2.2.2 烘干处理
烘干处理是药柱成型后一道重要工序,目的是让药柱中的溶剂尽快挥发出去,以提高助推火药的感度,保证药柱在射孔枪内顺利的点火,燃烧完成助推任务。
我们的烘干是在烘箱中进行的,总结起来影响烘干速度的有以下几个因素:
(1)温烘干速度高,火药中溶剂分子得到的热量大,单位时间从药表面汽化的溶剂分子增多。特别在烘干的后阶段,烘干速度主要取决于药的内部溶剂分子向表面扩散的速度。
(2)气体流动。增加气体流动是缩短烘干时间的有效办法。
2.3 固体酸的研制
氢氟酸对砂岩中的一切成分(石英、黏土、碳酸岩)都有溶蚀能力,又是溶解硅酸盐类的唯一普通酸。因此、所有用于砂岩酸化的配方都包含氢氟酸或其化合物。
氢氟酸在砂岩中的主要化学反应为:
2HF+CaCO3=CaF2↓+CO2↑+H2O
6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O
由于氢氟酸的特殊性质和成分,在现有的盐类中找不到加水即可生成氢氟酸的原料,必须采用化学合成的方法来制作。在本项目的研究中,我们通过实验室研究,合成出了固体氢氟酸。这种材料为白色晶体颗粒,遇水即生成氢氟酸。
2.3.1 固体氢氟酸的溶解能力试验
将50g固体氢氟酸放在聚四氟乙稀的烧杯里,倒入200mL的清水,两者充分溶解后,将一根直径为5mm、壁厚为1mm的玻璃管(主成分是二氧化硅)插入其中,氢氟酸与二氧化硅的反应方程式为:
6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O
事实上这个反应进行的很慢,肉眼看不到烧杯内有任何反应。但是两天以后,我们发现玻璃管被溶蚀掉近10mm。这个试验说明:我们合成的固体氢氟酸遇水之后,可以生成氢氟酸,而形成的氢氟酸对二氧化硅有很强的溶蚀能力。
2.3.2 固体氢氟酸的耐温试验
油井的射孔及孔道酸化装置的工作环境是几千米深的井下,材料的耐温性是一个重要的技术指标。
3 结语
射孔及孔道酸化技术是一项全新的射孔技术,解决了低渗透油气层开发过程中需要多种工艺联合作业的难题。它能在射孔的同时,完成高能气体压裂、油井酸化处理等多项作业。可以大大提高射孔效率,改善近井带油层的渗透率。虽然,该项技术现在只是进行了一些理论构思和机理性试验,但是通过目前的实验结果可以肯定,射孔及孔道酸化技术是切实可行的,完全能够实现射孔、造缝、酸化的一体化,该项技术的研制成功将为现有射孔技术开辟一个全新的领域。
参考文献
[1] 张宝平等编著.爆轰物理学[M].兵器工业出版社,(2001).
[2] (美)威廉.普.沃尔特斯,乔纳斯.埃.朱卡斯著.王树魁.贝静芬等译.成型装药原理及其应用[M].兵器工业出版社,(1992).
[3] 万仁傅,罗英俊主编.采油技术手册[M].石油工业出版社,(2002).
关键词:射孔 酸化 助推火药 固体酸
中图分类号:TE1 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)12(b)-0108-01
引言
上世纪80年代,利用火药燃烧产生的高温高压气体对油层进行清堵压裂(通常称为高能气体压裂)技术在国外开始应用。随着油田勘探力度的加大,深层勘探的不断增加,孔隙度、渗透率特低,岩层致密的油气藏成为勘探开发的重点。对于这些条件的井,复合射孔的优势不在明显,在复合射孔后还要进行酸化、压裂等一些措施,才能满足生产的需要。
射孔及孔道酸化技术,它能够将复合射孔技术、酸化处理等工艺结合起来,且操作方便、安全高效、成本低廉,为低渗透油气田的高效开发提供了一条新途径。
1 技术简介
射孔及孔道酸化技术的基本原理是将化学反应带入射孔作业。其特点是将射孔弹、高能火药、高浓度固体酸性材料都装在射孔枪中,利用射孔弹在油层中射孔,火药爆燃对孔道压裂造缝。这些酸与周围的岩石发生化学反应,使复合射孔造成的孔道和裂缝扩大、延伸,并形成无法闭合的永久裂隙。这些裂缝能够改善近井带的渗透率,从而提高射孔效率。
1.1 大孔径高孔密射孔
所谓大孔径高密度射孔,通常指孔径＞18mm,孔密大于20孔/米的射孔,对于普通的102型射孔枪,由于枪内空间的限制,同时做到以上两点已很困难,而在本项技术中,射孔枪内除了要装填射孔弹,还要装火药及大量的固体酸性材料。
1.2 火药造缝
在射孔过程中,射孔弹爆炸所形成高速射流在套管、水泥环和近井岩石中形成穿孔,并向外延伸,在孔道周围产生裂纹。在这些裂纹还没有闭合、或没有完全闭合之前,枪内火药燃烧产生的大量高温高压气体进入孔道,阻止了裂缝的闭合,并使这些裂缝扩展延伸,与自然裂缝相交,在井筒周围形成裂缝网络。这个过程就是火药造缝。
1.3 酸性材料输送
在射孔弹爆炸和火药爆燃过程中,酸性材料随射流和高温高压气体向油层孔道中运动,最后进入孔道和裂缝中,形成酸性材料塞。由于油层孔道及裂缝经历一个先内高压向外膨胀,后是外部地层压力向内压、孔道急剧收缩的过程,孔道中的酸性材料被严重挤压,形成一个强度高、密度大的酸性材料塞。
1.4 化学反应清堵
进入油层孔道和裂缝中的酸性材料会与井液接触,产生大量的液态酸。这些液态酸与孔道及裂缝周围的岩层发生反应,完成酸化处理作业,在孔道周围形成无法闭合的永久裂缝。
2 关键技术
2.1 侧向起爆对称式双向射孔器
为了解决枪内空间的矛盾,我们提出了侧向起爆对称式双向射孔器。该射孔器采用侧向起爆、对称装药的结构。
2.2 助推火药
在助推火药的制作进程中,往火药中填入一定量的溶剂是必要的。这里,溶剂的比例是很重要的。如果溶剂比例太大,硝化棉溶的太厉害,就会改变火药的性质,造成火药点火困难以及燃烧缓慢;如果溶剂比例太小,粘在火药表面并很快挥发掉,会造成药柱成型困难。
2.2.1 成型工艺
这里第一个问题是模具的设计。助推火药中经溶解的硝化棉大分子,处于紊乱状态,受外力挤压成型后,硝化棉大分子呈定向排列,外力除去后由于溶剂挥发和硝化棉大分子转为定向的弯曲状态。实践证明,根据弧厚的不同,药粒径向的收缩率平均可达30％,这样为了控制成品的几何尺寸在一定的范围内,在设计成型装置时,必须考虑助推火药的收缩。
第二个问题是成型压力。成型压力直接影响助推火药的装填密度和燃烧表面积。
2.2.2 烘干处理
烘干处理是药柱成型后一道重要工序,目的是让药柱中的溶剂尽快挥发出去,以提高助推火药的感度,保证药柱在射孔枪内顺利的点火,燃烧完成助推任务。
我们的烘干是在烘箱中进行的,总结起来影响烘干速度的有以下几个因素:
(1)温烘干速度高,火药中溶剂分子得到的热量大,单位时间从药表面汽化的溶剂分子增多。特别在烘干的后阶段,烘干速度主要取决于药的内部溶剂分子向表面扩散的速度。
(2)气体流动。增加气体流动是缩短烘干时间的有效办法。
2.3 固体酸的研制
氢氟酸对砂岩中的一切成分(石英、黏土、碳酸岩)都有溶蚀能力,又是溶解硅酸盐类的唯一普通酸。因此、所有用于砂岩酸化的配方都包含氢氟酸或其化合物。
氢氟酸在砂岩中的主要化学反应为:
2HF+CaCO3=CaF2↓+CO2↑+H2O
6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O
由于氢氟酸的特殊性质和成分,在现有的盐类中找不到加水即可生成氢氟酸的原料,必须采用化学合成的方法来制作。在本项目的研究中,我们通过实验室研究,合成出了固体氢氟酸。这种材料为白色晶体颗粒,遇水即生成氢氟酸。
2.3.1 固体氢氟酸的溶解能力试验
将50g固体氢氟酸放在聚四氟乙稀的烧杯里,倒入200mL的清水,两者充分溶解后,将一根直径为5mm、壁厚为1mm的玻璃管(主成分是二氧化硅)插入其中,氢氟酸与二氧化硅的反应方程式为:
6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O
事实上这个反应进行的很慢,肉眼看不到烧杯内有任何反应。但是两天以后,我们发现玻璃管被溶蚀掉近10mm。这个试验说明:我们合成的固体氢氟酸遇水之后,可以生成氢氟酸,而形成的氢氟酸对二氧化硅有很强的溶蚀能力。
2.3.2 固体氢氟酸的耐温试验
油井的射孔及孔道酸化装置的工作环境是几千米深的井下,材料的耐温性是一个重要的技术指标。
3 结语
射孔及孔道酸化技术是一项全新的射孔技术,解决了低渗透油气层开发过程中需要多种工艺联合作业的难题。它能在射孔的同时,完成高能气体压裂、油井酸化处理等多项作业。可以大大提高射孔效率,改善近井带油层的渗透率。虽然,该项技术现在只是进行了一些理论构思和机理性试验,但是通过目前的实验结果可以肯定,射孔及孔道酸化技术是切实可行的,完全能够实现射孔、造缝、酸化的一体化,该项技术的研制成功将为现有射孔技术开辟一个全新的领域。
参考文献
[1] 张宝平等编著.爆轰物理学[M].兵器工业出版社,(2001).
[2] (美)威廉.普.沃尔特斯,乔纳斯.埃.朱卡斯著.王树魁.贝静芬等译.成型装药原理及其应用[M].兵器工业出版社,(1992).
[3] 万仁傅,罗英俊主编.采油技术手册[M].石油工业出版社,(2002).