CN117108261A

CN117108261A - 一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法

Info

Publication number: CN117108261A
Application number: CN202311379250.6A
Authority: CN
Inventors: 罗懋康; 邓科; 万雪松; 罗天杰
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2023-10-24
Filing date: 2023-10-24
Publication date: 2023-11-24
Anticipated expiration: 2043-10-24
Also published as: CN117108261B

Abstract

本发明涉及能源领域，公开了一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法，包括：建立含能液气流体燃爆过程中爆速与爆压控制模型，得到含能液气流体燃爆过程中的爆速和爆压；根据得到的爆速和爆压，对含能液气流体燃爆中产生的冲击波，建立冲击应力波控制模型，得到透射入岩石中的冲击波压力；基于透射入岩石中的冲击波压力，建立含能液气流体装药量控制模型，得到含能液气流体装药量的临界装药质量；建立岩层压裂区域损伤控制模型，得到岩层压碎区半径，裂隙圈半径；通过含能液气流体装药量来控制岩层压碎区半径，裂隙圈半径，完成岩层压裂控制。基于本发明，能够通过控制装药含能液气流体来对压裂过程进行综合控制。

Description

一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法

技术领域

本发明涉及能源领域，具体是一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法。

背景技术

页岩气分布广泛，储量丰富，开采潜力大，具有巨大的社会、经济价值，但其复杂的储层特性导致未经压裂改造的页岩气井生产周期长、生产率低，故几乎所有的页岩井都需要经过储层压裂改造才能实现工业化生产。目前页岩气开采中主要以水力压裂技术为压裂改造手段，其余压裂技术处于理论研究或试采阶段,如：爆炸压裂技术、高能气体压裂技术等。然而，在页岩气储层压裂改造实践中，已有压裂技术表现出诸多不足之处，即使在页岩开采中已获得关键技术突破与应用成功的水力压裂技术也不例外，而这些不足严重制约了页岩气的生产。

（一）现有压裂技术局限

1.水力压裂技术在页岩储层压裂改造中的不足表现为：（1）耗水巨大：水力压裂实施过程中耗水巨大，给水资源的合理利用与源管理造成困难；（2）污染环境：水力压裂结束后先前注入的大量压裂液所携带的化学剂滞留地层中极易污染环境；（3）水敏反应：页岩储层含黏土成分较高，而压裂液中大量的水极易与黏土发生水敏反应，导致黏土膨胀而降低储层导流能力；（4）可适性差：水利压裂技术需向岩层压注大量的水以迫使岩层开裂，故在缺水或沙漠地区实施水力压裂往往导致水力压裂实施极其困难与成本急剧增加。

2.爆炸压裂技术在压裂过程中的不足表现为：（1）爆炸压裂强度可控性差：爆炸压裂技术中通常使用凝聚炸药，密度较高且先行固定难以调整，因而难以对压裂强度进行控制；（2）爆炸压裂过程可控性差：凝聚炸药反应快、爆速高、爆压强而导致压裂过程控制难度大，因而极易压实储层与毁坏压裂设备。

3.高能气体压裂技术的不足之处表现为：（1）压裂工质含能受限：高能气体压裂技术通常以烟火药或火箭推进剂为能源释放作为压裂工质的燃气，但也因此，由此产生的燃气本身含能受限；（2）作用能量逐级递减：高能气体压裂技术的压裂能量只能从燃气发生处向纵深渐远渐弱地传递释放，压裂效果自然也沿纵深递减；（3）压裂效果限制明显：由于能量发生和传播先行受限或逐程衰减，高能气体压裂技术本身的压裂效果极其有限，通常作为辅助手段与其它压裂技术搭配使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法，包括：

步骤一，建立含能液气流体燃爆过程中爆速与爆压控制模型，得到含能液气流体燃爆过程中的爆速D和爆压P；

步骤二，根据得到的爆速D和爆压P，对含能液气流体燃爆中产生的冲击波，建立冲击应力波控制模型，得到透射入岩石中的冲击波压力；

步骤三，基于透射入岩石中的冲击波压力，建立含能液气流体装药量控制模型，得到含能液气流体装药量的临界装药质量/>；

步骤四，建立岩层压裂区域损伤控制模型，得到岩层压碎区半径，裂隙圈半径；通过含能液气流体装药量来控制岩层压碎区半径/>，裂隙圈半径/>，完成岩层压裂控制。

进一步的，所述的建立含能液气流体燃爆过程中爆速与爆压控制模型，得到含能液气流体燃爆过程中的爆速D和爆压P，其中的爆速与爆压控制模型为：

式中，D为爆速,m为含能液气流体的质量,c为含能液气流体的生成热，k为爆轰气体的等熵膨胀指数，P为爆压,为井筒的半径,/>为单级页岩井长度。

进一步的，所述的根据得到的爆速D和爆压P，对含能液气流体燃爆中产生的冲击波，建立冲击应力波控制模型，得到透射入岩石中的冲击波压力，其中的冲击应力波控制模型为：

式中，分别为岩石和炸药的密度；/>为岩石中的纵波速度；/>为透射入岩石中的冲击波压力。

进一步的，所述的基于透射入岩石中的冲击波压力，建立含能液气流体装药量控制模型，得到含能液气流体装药量的临界装药质量/>，其中的含能液气流体装药量控制模型为：

式中，为临界装药质量，即含能液气流体燃爆产生的冲击波压力迫使页岩储层开裂所需要的最小装药质量；V为装药体积；/>为页岩储层单轴动态抗拉强度。

进一步的，所述的建立岩层压裂区域损伤控制模型，得到岩层压碎区半径，裂隙圈半径/>，其中的岩层压裂区域损伤控制模型为：

其中,，其中的/>，为侧向应力系数，/>为岩石动态泊松比；/>为页岩储层单轴动态抗压强度；/>为压碎区半径，/>为裂隙圈半径，/>为冲击波在裂隙区中传播衰减指数；/>为冲击波在压碎区中传播衰减指数。

本发明的有益效果是：压裂过程可控性强，含能液气流体控制燃爆能够通过控制装药含能液气流体填充形态、装药密度、装药体积分数以及添加惰性气体等多种途径来对压裂过程进行综合控制。

压裂区域更大。通过控制含能液气流体的充填形态能够以耦合形式充填井筒与井壁岩层附近裂缝，故FAE的燃爆压裂在井筒与井壁岩层裂缝中同发生，极大增加了压裂区域。

压裂能力更强。含能液气流体燃爆反应时间长，可以对岩层进行更长时间的压裂，进而产生更密集、更长、更大空间的裂缝；其次，井筒压裂与缝内压裂同时进行，压裂区域更大。

附图说明

图1为一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法，包括：

所述的建立含能液气流体燃爆过程中爆速与爆压控制模型，得到含能液气流体燃爆过程中的爆速D和爆压P，其中的爆速与爆压控制模型为：

所述的根据得到的爆速D和爆压P，对含能液气流体燃爆中产生的冲击波，建立冲击应力波控制模型，得到透射入岩石中的冲击波压力，其中的冲击应力波控制模型为：

所述的基于透射入岩石中的冲击波压力，建立含能液气流体装药量控制模型，得到含能液气流体装药量的临界装药质量/>，其中的含能液气流体装药量控制模型为：

所述的建立岩层压裂区域损伤控制模型，得到岩层压碎区半径，裂隙圈半径/>，其中的岩层压裂区域损伤控制模型为：

其中,，其中的/>，为侧向应力系数，/>为岩石动态泊松比；/>为页岩储层单轴动态抗压强度；/>为压碎区半径，/>为裂隙圈半径，/>为冲击波在裂隙区中传播衰减指数；/>为冲击波在压碎区中传播衰减指数。W、A、B为模型简化代换表示，并无具体含义。

具体的，本方法在充分研究页岩储层特性、爆炸压裂爆速过高的爆炸和高能气体压裂爆速过低的爆燃作用方式、以及相应各种炸药燃料属性的基础上，提出高速适中且可控的FAE燃爆压裂技术。

该技术得益于FAE的原料、工质易扩散，和密度、能量易控制的独特性质，而使其在页岩层压裂时所需的原料充填方式、能量传递方式以及释能压裂方式上，均有别于已有压裂技术，从而使得在充填能力、压裂能力、压裂控制、压裂效果上，均优于已有压裂技术：

第一，充填能力强劲。FAE易扩散，且能控制其在液气之间转换，故能在外界控制下以其强劲的充填能力对井筒与岩层裂缝进行耦合方式充填。

第二，能量全程作用。该方法预先全程扩散传播FAE含能液气流、然后适时可控启动燃爆的方式，对页岩层从浅表到纵深全程释放能量和施加压裂作用，因而没有爆炸压裂和高能气体压裂方式下的能量随传递过程而逐程递减的问题；即在填充过程中首先将含能物质填充于井内与裂缝内，然后能量在井内与裂缝内全程全域释放，压裂作用向岩层深处传递。

第三，释能人工可控。FAE燃爆过程伴随着强化燃烧与弱化爆炸两个过程，且可以在燃烧与爆炸之间进行人工控制。

第四，复合可控性强。本方法是通过控制FAE的形态、密度、储能量、活性等的嵌套复合控制压裂，故控制能力极强。

第五，高效双重压裂。FAE燃爆压裂方式是基于FAE燃爆在井筒与裂缝中逐次进行的井内压裂与层内压裂一体的双重压裂模式。

综上，FAE燃爆压裂技术综合压裂效果极其优异，不仅具有广阔的研究空间，也具有极强的应用价值。本方法由5个步骤组成，具体如下。

选取FAE

本方法以满足压裂实际需求与最佳综合压裂效果为目的，在充分研究各种炸药属性以及比较后认为选取FAE为压裂原料是更有效果的可行方法，其可行性表现如下：

（1）原料相态可控。FAE通常为液态或气态或液气混合态，且可在液气状态之间控制转换，故FAE能以需求为目的进行相态控制。

（2）充填密度可控。通过控制FAE的充填相态进而控制充填密度、控制FAE单位体积内含能量，进而达到控制含能总量。

（3）燃爆可控性好。FAE燃爆过程可以在强化燃烧与弱化爆炸之间以目标为导向进行按需控制燃爆。

（4）压裂性质好。FAE的燃爆具有反应时间长，爆速低、峰值压低等，这些性质在压裂过程中极其需要，故FAE压裂性质好。

基于以上分析，选取FAE作为可控燃爆压裂技术的压裂原料较凝聚炸药与火箭推进剂更适合。

爆速与爆压控制模型

FAE燃爆压裂过程中，须以目标需求为导向对爆速与爆压进行控制，以达到延长FAE燃爆持续时间，降低FAE燃爆峰值压的目的，以适宜压裂需求。

为此,本方法基于理想气体爆轰理论建立FAE燃爆过程中爆速与爆压控制模型。

（1）

式中，D为爆速,单位m/s，m为FAE的质量,单位kg，c为FAE的生成热，单位kj/kg，k为爆轰气体的等熵膨胀指数，P为爆压,单位kg/m ²，为井筒的半径,单位：米，/>为单级页岩井长度,单位，米。

冲击应力波控制模型

FAE控制燃爆中产生的冲击波，在接触井壁界面时发生反射、折射后透射入岩层形成冲击应力波。本方法以目标导向为目的建立模型对FAE控制燃爆过程中透射入岩层中的冲击波压力进行控制，以达到压裂效果显著而不压实岩层的目的。本方法基于动量守恒，能量守恒以及声学原理建立如下冲击应力波控制模型：

（2）

式中，分别为岩石和炸药的密度，单位；/>为岩石中的纵波速度；/>为透射入岩石中的冲击波压力，单位，MPa。

炸药充填质量控制模型

破裂压力是指迫使岩层中裂隙开裂的最小压力，只有透射波压力大于岩层的破裂压力才能将岩层压开，进而在岩层中产生裂缝或裂隙。本方法结合岩层实验测得参数建立装药量控制模型如下：

（3）

式中，为临界装药质量，即FAE燃爆产生的冲击波压力迫使页岩储层开裂所需要的最小装药质量；V为装药体积；/>为页岩储层单轴动态抗拉强度。

岩层损伤控制模型

透射应力波的强弱会对岩层产生不同的损伤，本文中以岩层的单轴抗拉强度与单轴抗压强度作为岩层损伤程度的分界。根据透射应力波的衰减规律，由井筒壁向外依次在岩层中形成压碎区、裂隙区以及震动区。

FAE燃爆产生的冲击波进入页岩储层将产生拉应力、压应力以及剪剪切应力，而页岩储层在三种应力作用下发生变形，进而在页岩储层中产生一系列形态各异的缝隙。Mises屈服理论认为，当岩层中某点的应力状态对应畸变能达到某一极限值时，该点便屈服而发生形变。基于岩石力学与Mises理论，冲击波在页岩储层中某一点产生的应力为：

式中，为冲击波在页岩储层中产生的应力，/>分别为最大主应力、中间主应力以及最小主应力。

当时透射应力对岩层造成拉伸，压缩，剪切损伤，在岩层中产生一系列方向、形状各异的纵横交错的裂缝，表现为在岩层中产生大小、尺寸不同的岩石块，造成岩层碎裂性损伤，该区域为压碎区。当/>时透射波应力对岩层造成拉伸损伤，仅在岩层中产生一系列的拉伸裂隙，裂缝延伸区域为裂隙圈；当/>时透射应力波在岩层中形成震动区域；对于岩层的损伤，压裂中预期达到最佳压裂效果，而不对岩层造成破坏，故压裂中需要对损伤范围加以控制，如：压碎圈尽可能小，而裂隙圈极可能大。本方法基于爆炸力学，爆炸动力学、岩石爆破理论、岩石力学等力学建立岩层压裂区域损伤控制模型如下：

(4)

模型中，，其中的，/>为侧向应力系数，/>为岩石动态泊松比；/>为页岩储层单轴动态抗压强度；/>为压碎区半径，/>为裂隙圈半径，/>为冲击波在压碎区中传播衰减指数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法，其特征在于，包括：

步骤四，建立岩层压裂区域损伤控制模型，得到岩层压碎区半径，裂隙圈半径/>；通过含能液气流体装药量来控制岩层压碎区半径/>，裂隙圈半径/>，完成岩层压裂控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法，其特征在于，所述的建立含能液气流体燃爆过程中爆速与爆压控制模型，得到含能液气流体燃爆过程中的爆速D和爆压P，其中的爆速与爆压控制模型为：

式中，D为爆速, m为含能液气流体的质量, c为含能液气流体的生成热， k为爆轰气体的等熵膨胀指数，P为爆压, 为井筒的半径, />为单级页岩井长度。

3.根据权利要求2所述的一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法，其特征在于，所述的根据得到的爆速D和爆压P，对含能液气流体燃爆中产生的冲击波，建立冲击应力波控制模型，得到透射入岩石中的冲击波压力，其中的冲击应力波控制模型为：

4.根据权利要求3所述的一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法，其特征在于，所述的基于透射入岩石中的冲击波压力，建立含能液气流体装药量控制模型，得到含能液气流体装药量的临界装药质量/>，其中的含能液气流体装药量控制模型为：

5.根据权利要求4所述的一种基于含能液气流体复合控制燃爆的页岩压裂方法，其特征在于，所述的建立岩层压裂区域损伤控制模型，得到岩层压碎区半径，裂隙圈半径/>，其中的岩层压裂区域损伤控制模型为：

其中，，其中，为侧向应力系数，/>为岩石动态泊松比；/>为页岩储层单轴动态抗压强度；/>为压碎区半径，/>为裂隙圈半径，/>为冲击波在裂隙区中传播衰减指数，/>为冲击波在压碎区中传播衰减指数。