CN115263265B - 一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法，包括：步骤一、获得储层岩石的初始破裂压力；步骤二、计算放电装置在不同电容、不同初始电压和不同转换效率下单次的放电能量；步骤三、获得岩石在不同放电能量下、不同放电次数后的岩石破裂压力；步骤四、计算放电能量对岩石破裂压力的影响参数，从而确定放电能量衰减系数；步骤五、确定不同射孔密度对改造层段受冲击波能量作用的程度；步骤六、计算不同放电能量、不同放电次数以及不同改造层段射孔密度条件下，放电冲击波降低岩石破裂压力的值。本发明通过降低近井地带岩石破裂压力而降低后期压裂施工压力，避免高地应力储层导致的高破裂压力使得施工风险大而储层改造不充分的问题。

Description

一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法及应用

技术领域

本发明属于油气增产领域，具体涉及一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法及其在储层改造中的应用。

背景技术

从常规资源到非常规资源的开发模式转变是全球能源利用增加的结果。常规资源可以定义为碳氢化合物的采集不需要任何专门的方法。非常规资源可以定义为:如果不实施特殊的增产措施，如基质酸化或压裂，在经济上就不可能实现油气采收率的地层。因此，要想从非常规资源中获得具有吸引力的经济比例的油气，就需要最先进的增产和完井技术。但是，随着对非常规储层的深入，发现对于深层、超深层的储层改造，面临着储层地应力高导致的储层岩石破裂困难的问题，不但降低储层的改造效率，同时增加改造施工风险。在开发过程中多表现为增产效果不佳、改造时施工压力高、产量递减快、稳产期短等现象。此外，在传统改造施工过程中，往往会向地层注入压裂液等材料，容易对储层造成伤害，污染地层，对后期开发带来影响。同时，较高的施工压力也会形成安全隐患，提高施工费用，增加油气开采的经济成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法，该方法原理可靠，操作简便，通过降低近井地带岩石破裂压力而降低后期压裂施工压力，在深层、超深层储层改造过程中，能够避免高地应力储层导致的高破裂压力使得施工风险大而储层改造不充分的问题。

本发明的另一目的还在于提供一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法在储层改造中的应用，通过放电装置在地层中精准放电，产生高能冲击波作用于岩石，降低近井地带岩石破裂压力，从而降低压裂施工压力，有效提高储层的改造效率，极大地降低作业风险。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法，依次包括以下步骤：

步骤一、根据岩石力学试验结果得到储层岩石的初始破裂压力M；

步骤二、计算放电装置在不同电容、不同初始电压和不同转换效率下单次的放电能量E_b；

步骤三、对岩石进行多次放电的对照试验，获得岩石在不同放电能量下、不同放电次数后的岩石破裂压力M_n；

步骤四、计算放电能量对岩石破裂压力的影响参数e′，从而确定放电能量衰减系数t的数值；

步骤五、确定不同射孔密度对改造层段受冲击波能量作用的程度，即射孔影响系数k；

步骤六、计算不同放电能量、不同放电次数以及不同改造层段射孔密度条件下，放电冲击波降低岩石破裂压力的值Pm。

进一步地，所述步骤二中，通过下式计算放电装置单次的放电能量：

式中E_b为放电能量，kJ；C为电容器电容，μF；U₀为初始放电电压，kV；η₀为能量转换为作用能量的效率，％。

进一步地，所述步骤三中，放电能量分别为2.5kJ、5.0kJ、8.0kJ、10.0kJ，放电次数分别为20次、50次、100次、200次，每次放电间隔为9s，对照试验后，通过声波测试计算多次放电后的岩石破裂压力。

由于放电装置放电200次后对岩石的作用效果大幅度降低，因此设计的放电次数不超过200次。

由于每次放电间隔为9s，单次放电500ms后，放电冲击波波形已完全消散，转为冲击能量在地层中传递，而冲击波在储层水介质中的传播速度＞1500m/s。可以认为，在下一次冲击波作用前，上一次冲击波已完全作用储层，储层内并无残留冲击能量，每次放电冲击都为单独作用的效果。

进一步地，所述步骤四中，首先计算放电能量对岩石破裂压力的影响参数e′：

e′＝(M-M_n)/n

式中M_n为经过n次放电后的岩石破裂压力，MPa；M为初始破裂压力，MPa。

由于在力学测试过程中，岩石会发生不可逆的损伤，导致其无法进行后续的试验。所以，为保证在放电过程中岩石的整体完整性，本发明采用岩石损伤模型(闫长斌.基于声波频谱特征的岩体爆破累积损伤效应分析[J].岩土力学,2017,38(9):2721-2727)，通过对放电冲击后岩石声波波速的测量来反推岩石的破裂压力。

岩体非线性破坏经验准则：

式中σ₁为岩石破坏时最大主应力，MPa；σ₃为岩石破坏时最小主应力，MPa；σ_c为完整岩石单轴抗压强度，MPa；m_b为岩石Hoke-Brown常数，无量纲；s为与岩石质量有关常数，反映岩石破碎程度。

通过Hoke-Brown修正公式确认m_b、s：

式中m_e为完整岩石的Hoke-Brown常数m值，无量纲；RMR为岩石分类指标值，无量纲；D为岩石受冲击波作用破损程度，％。

式中v₀为放电作用前岩石的声波波速，m/s；v为放电作用后岩石的声波波速,m/s；η_s为岩体纵波速度降低率，％。

当岩石完全损伤时，令σ₃＝0，即可得到累积损伤后的岩石单轴抗压强度σ_s(即储层岩石破裂压力)：

随着放电次数的增加，岩石在受冲击波作用的过程中会受到不同程度的损伤，这导致不同阶段的岩石破裂压力的变化程度是不同的，同时，岩石中包含的天然裂缝等客观条件属于不确定因素，也会干扰试验结果。为减弱上述因素对e′值的影响，保证实际作用中的计算有效，本发明取多次放电后e′的平均值

作为单次放电能量对岩石破裂压力的影响参数。

放电次数分别为20次、50次、100次、200次，当放电能量为2.5kJ时，

当放电能量为5.0kJ时，/>

当放电能量为8.0kJ时，/>

当放电能量为10.0kJ时，/>

水下炸药爆炸冲击波峰值压力公式如下(宁建国,王成,马天宝.爆炸与冲击动力学.国防工业出版社，2010年9月，P137)：

式中P为水下炸药爆炸峰值压力，MPa；K为试验系数，无量纲；w为炸药装药量，g；R为距爆心的距离，m；α为压力衰减系数，无量纲。

本发明中，放电能量E_b对标为爆炸能量

而放电能量衰减系数t对标为爆炸能量衰减系数α，由此可以得到下式：

若用实际

值进行推导，得到的t值为负，不易于后期计算，因此在此处将/>

值扩大100倍，即/>

r为常数0.0001，无量纲，根据实验数据获得。

从而确定放电能量衰减系数t的数值：

式中t为放电能量衰减系数。

进一步地，所述步骤五中，通过AUTODYN仿真模拟软件进行数值建模，设计射孔间距为d，射孔密度为s，随着射孔距离的增加，正对放电装置周围射孔段受到的冲击波影响逐步降低。由于油气行业射孔为均匀射孔，在任何一个方向的射孔数相同，同时放电冲击波为双向放电，放电角度为180°，因为两个方向的效果相同，所以考虑单独一个方向对岩石的损伤情况，以90°角划分，为

当一次放电完毕后，在两端相聚d的射孔簇端的压力接近为中间射孔簇端压力的10％，经过多次放电，正对放电窗口的射孔簇受到的压力与周围射孔段受到的压力比基本也维持在10:1，因此认为随着射孔密度的降低，影响降低程度为10％，通过仿真模拟的压力变化值可以发现，由于放电装置是从下而上进行放电作用的，当放电装置对准一个射孔段进行放电时，其上部射孔段会受到10％的冲击力影响，当装置上提后，再次对前一阶段受影响射孔段进行放电，但此时原下部射孔段受作用后储层已经产生变化，此时放电溢出作用力并不会对其再次产生效果，基于上述关系，得到计算射孔影响系数k的公式如下：

式中k为射孔影响系数；s为射孔密度，个/m。

进一步地，所述步骤六中，通过下式计算放电冲击波对岩石破裂压力的降低值Pm：

式中P_m为经过n次放电后的岩石破裂压力降低值，MPa；n为放电次数，次；M为储层原始破裂压力，MPa；r为常数0.0001，无量纲；E_b为放电能量，kJ；t为放电能量衰减系数，无量纲；k为射孔影响系数，无量纲。

基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法应用于储层改造，是指通过放电装置在地层中精准放电，产生冲击波作用于岩石，根据放电冲击波降低的岩石破裂压力，设计施工方案，优化施工参数，提高储层改造效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过本发明，可以针对具有不同破裂压力的储层、由于不同的施工要求所需降低的破裂压力，设计优化不同的施工放电能量与放电次数，从而达到最优、最经济的改造效果。

附图说明

图1为放电冲击后的酸化泵注曲线。

具体实施方式

下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

实施例

以某油田Y水井为例，2013年6月实施酸压措施增注后恢复正常注水，措施参数：正循环井筒至返液正常，正替前置液10.1m³，座封，破裂压力34.9MPa；后由于堵塞等原因注水停止。2016年10月实施降压增注和重孔措施后恢复正常注水；酸化参数：循环井筒，正替有机酸8m³，坐封，正挤有机酸4m³，顶替10m³，压力36-39MPa，排量100L/min工作压力33.2MPa。

(1)根据室内试验测试结果显示，该井目的储层破裂压力M＝35MPa。

(2)由于此次施工需要增加施工排量至1.2m³/min，这将导致施工压力的上升，同时限压40MPa，因此需要通过放电冲击波降低储层的破裂压力。考虑施工排量，设计降低破裂压力至30MPa。

(3)该井所在区块改造队伍配有标准测井车，可以满足放电的电量供应；本次放电设备使用电容C＝120μF。目标井深2700m，放电冲击波能量转换功率为87％。因此得到放电能量

(4)原始破裂压力为35MPa，目标破裂压力为30MPa。为减小施工次数，降低设备在井下工作时间，此次施工不考虑5kJ以下放电能量，因此参考

取t值为1.48。

(5)在放电施工前，目标井已完成了射孔作业。射孔密度s＝16个/m，带入式

可以得到系数k＝1.4。

(6)将上述参数带入式P_m＝e×n×M×k

即

得到

(7)根据步骤六得到的公式进行反向推导，计算得到各种参数见表1。

表1

放电次数/n	100	100	110	110	120	120	130	130	140	140	150	150
													放电电压/kV	9	10	9	10	9	10	8	9	8	9	8	9
降低破压/MPa	4.14	5.65	4.55	6.22	4.97	6.78	3.8	5.38	4.09	5.79	4.38	6.21

根据表1优化放电参数为：电压9kV，放电120次/20cm，系数t＝1.48。

(8)采用设计方式进行施工，施工破裂压力32MPa，储层延伸压力梯度为0.0085MPa/m，施工液体摩阻为2MPa。施工排量见图1。考虑到摩阻的影响，该设计参数有效。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法，依次包括以下步骤：

步骤一、根据岩石力学试验结果得到储层岩石的初始破裂压力M；

步骤二、计算放电装置在不同电容、不同初始电压和不同转换效率下单次的放电能量E_b；

步骤三、对岩石进行多次放电的对照试验，获得岩石在不同放电能量下、不同放电次数后的岩石破裂压力M_n；

步骤四、首先计算放电能量对岩石破裂压力的影响参数e′：

e′＝(M-M_n)/n

式中M_n为经过n次放电后的岩石破裂压力，MPa；M为初始破裂压力，MPa；n为放电次数，次；

取多次放电后e′的平均值

作为单次放电能量对岩石破裂压力的影响参数，通过如下公式：

式中r为常数0.0001，无量纲；

从而计算得到放电能量衰减系数t：

步骤五、确定不同射孔密度对改造层段受冲击波能量作用的程度，即射孔影响系数k：

式中s为射孔密度，个/m；

步骤六、计算不同放电能量、不同放电次数以及不同改造层段射孔密度条件下，放电冲击波对岩石破裂压力的降低值Pm：

式中P_m为经过n次放电后岩石破裂压力的降低值，MPa；n为放电次数，次；M为储层原始破裂压力，MPa；r为常数0.0001，无量纲；E_b为放电能量，kJ；t为放电能量衰减系数，无量纲；k为射孔影响系数，无量纲。

2.如权利要求1所述的一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法，其特征在于，所述步骤二中，通过下式计算放电装置单次的放电能量：

式中E_b为放电能量，kJ；C为电容器电容，μF；U₀为初始放电电压，kV；η₀为能量转换为作用能量的效率，％。

3.如权利要求1或2所述的一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法，其特征在于，所述步骤三中，放电能量分别为2.5kJ、5.0kJ、8.0kJ、10.0kJ，放电次数分别为20次、50次、100次、200次，每次放电间隔为9s，对照试验后，通过声波测试计算多次放电后的岩石破裂压力。

4.如权利要求1或2所述的一种基于放电冲击波技术降低储层破裂压力的方法，其特征在于，将所述方法应用于储层改造，通过放电装置在地层中精准放电，产生冲击波作用于岩石，根据放电冲击波降低的岩石破裂压力，设计施工方案，优化施工参数，提高储层改造效率。

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