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多级脉冲爆燃压裂作用过程耦合模拟

文档作者：吴飞鹏蒲春生陈德春任山2 刘斌2 文档来源： 1．中国石油大学(华东)石油工程学院；2．中国石化西南分公司工程技术研究院		点击数：	更新时间： 2025年09月04日
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2014年l0月
石油勘探与开发
PETROLEUM EXPL0RATION AND DEVEL0PM ENT Vl01．41 No．5 605
文章编号：1000—0747(2014)05．0605．07 DOI：10．11698／PED．2014．05．13
多级脉冲爆燃压裂作用过程耦合模拟
吴飞鹏 ，蒲春生 ，陈德春 ，任山2，刘斌2
(1．中国石油大学(华东)石油工程学院；2．中国石化西南分公司工程技术研究院)
基金项目：国家自然科学基金“延时式可控高能气体压裂技术动力学机理研究”(51104173)；国家科技重大专项
“复杂油气田地质与提高采收率”(2011ZX05009．004)； 国家自然科学基金“低渗油藏
低频振动辅助表面活性剂复合驱油机理研究”(5 1274229)
摘要：针对多级脉冲爆燃压裂作用过程瞬态性、多场耦合复杂性，建立多级脉冲爆燃压裂过程耦合求解方法，并进
行模拟计算和矿场应用分析。将多级脉冲爆燃压裂作用过程分解为火药爆燃加载、压挡液柱运动、射孔孔眼泄流、
裂缝起裂和裂缝延伸5个子系统，基于给定的基本假设建立各子系统的动力学模型，并借助节点系统分析方法得出
多级脉冲爆燃压裂过程耦合求解方法， 既可定量计算合理装药量，又可对爆燃压力、裂缝形态进行定量动态预测。
通过模拟计算分析了多级脉冲爆燃压裂过程中爆燃压力、压挡液气液界面位移、裂缝长度的变化规律，并将全过程
按时间分为5个阶段。矿场应用结果表明：基于该方法开展的多级脉冲爆燃压裂在设计药量下可成功压裂油层并降
低破裂压力，确保后期措施顺利进行。图6表l参30
关键词：多级脉冲爆燃压裂； 高能气体压裂；破裂压力；裂缝；动力学模型
中图分类号：TE357．3 文献标识码：A
Coupling simulation of m ultistage pulse conflagration compression fracturing
W u Feipeng ，Pu Chunsheng ，Chen Dechun ，Ren Shan ，Liu Bin
(1．College ofPetroleum Engineering，China University ofPetroleum，Qingdao 266555，China；2．Engineering Technology
Research Institute ofSinopec Southwest Oil＆Gas Company，Deyang 6 1 8000，China)
Abstract：Due to the transient and multi-field coupling complexity of the multistage pulse conflagration compression fracturing，the
coupling solution method for it was established，an d the simulation calculation and field application an alysis was conducted．The whole
process of conflagration compression fracturing was divided into five subsystems：propellan ts conflagration loading，piezoresistive liquid
column movement，perforation discharge，fracture initiation an d dynamic extension．Based on the given assumptions，the kinetic model of
each subsystem was built，and the coupling solution method ofmultistage pulse deflagration compression fracturing process was obtained
using the node system analysis method．W ith the coupling solution method，a reasonable range of propellants charge Can be calculated
an d the dynamic prediction of the conflagration pressure an d fracture shape Can be realized．Through simulation calculation，the changes
of propellants conflagr ation pressure，piezoresistive gas—liquid interface displacement and fracture length were analyzed，and the whole
process was divided into five phases by the time．The field application results indicate that the multistage pulse conflagration
compression fracturing conducted based on the coupling solution method can fracture the reservoir successfully and reduce the
breakdown pressure，mak ing sur e that the follow-up measur es are carried out smoothly．
Key words：multistage pulse conflagration compression fracturing；high energy gas fracturing；breakdown pressure；fi'acture；dynamic model
O引言
多级脉冲高能气体压裂技术是一种基于多种燃速
火药的可控脉冲压裂技术，既可压开高破裂压力油层，
形成不受地应力控制的多条裂缝，又可形成长时间高
压震荡式脉冲，扩大裂缝延伸规模，且不需大型设备，
对环境适应性强、无污染，在当前油气开发形势下越
来越受到重视[1-3]。但由于该技术作用过程瞬态性、子
系统耦合复杂性、火药燃烧及岩石破裂偶然性等因素，
难以对其建立一种高精度数值模拟技术，致使压裂工
艺参数设计以经验方法为主，措施效果稳定性欠佳，
成为制约该技术进一步发展的关键瓶颈[4 ]。因此，本
文对多级脉冲爆燃压裂技术中火药爆燃加载、井筒压
挡液柱运动、射孔孔眼泄流、裂缝起裂及延伸等5个
主要子系统进行模块化模型研究，进而根据各子系统
间的节点平衡关系，建立爆燃压裂过程的耦合动力学
模型和耦合求解方法，并进行矿场应用分析。
石油勘探与开发·石油工程
1多级脉冲爆燃压裂物理模型及基本
假设
1．1物理模型
多级脉冲燃爆压裂井下装置(见图1)由多级脉冲
压裂弹、点火装置、电缆组成，其中多级脉冲压裂弹
由2～4种火药(燃速从高到低)组成。在中心点火药
点燃后，借助同一中心铝管快速传热、同步引燃不同
燃速火药柱，利用一级高燃速火药瞬间产生高压破裂
地层，后续中、低燃速火药持续燃烧，长时间维持高
压环境，促使裂缝充分延伸。
点火装置
压井液
主体火药
点火药
射 L子L跟
套管
水泥环
储集层
图1 多级脉冲爆燃压裂井下结构示意图
施工过程中，将多级脉冲压裂弹在目的层引燃，
产生高能气体脉冲，借助射孔孔眼泄流破裂地层、延
伸裂缝，同时产生的高能气体推动压井液向上运动，
直至火药燃烧完毕，井底压力降至裂缝延伸压力以下，
施工结束。多级脉冲爆燃压裂过程包含火药燃烧、射
孑L孑L眼泄流、裂缝起裂、裂缝延伸、压挡液柱运动等
多个子系统，且子系统间相互影响、相互协调，须分
解建模后再耦合求解。
1．2基本假设
① 多级脉冲爆燃压裂作用系统分为火药爆燃加
载、压挡液柱运动、射孔孑L眼泄流、裂缝破裂、裂缝
延伸5个子系统；② 火药爆燃服从几何规律，燃气为
定比热的完全气体，爆燃加载过程为绝热过程；⑧压
挡液为牛顿流体，燃气与液柱存在完全接触面，液柱
在井筒中的流动为等截面管流，液柱运动全过程考虑
流体微元动能变化和管柱摩擦阻力影响；④考虑加载
速率对岩石破裂压力的影响；⑤ 裂缝内流体沿缝长作
一维稳定层流，且考虑流体在裂缝壁上的渗漏；⑥ 裂
缝延伸符合破坏力学理论，只考虑裂缝在宽度和长度
上的延伸情况。
2多级脉冲爆燃压裂作用过程动力学分
解模型
2．1火药爆燃加载模型
假设火药爆燃空间为密闭空间，不存在液柱运动
和孑L眼泄流。根据图1，基于不同爆燃速度火药燃速方
程，借助火药结构几何模型、质量守恒方程、能量守
恒方程、气体状态方程，可建立多级脉冲组合火药爆
燃加载模型 lO-11】：
喜警 扣( )
k (” )( pg)+ pMgVg dT
k
、
f,-CgTJ, d／npri
=cg
k dT
+ 詈
警 p
p = HgRT
(1)式中未知变量为任意时刻t时爆燃空间压力
P、爆燃空间温度 、爆燃空间内燃气体积 、火药燃
烧线速度 和药柱燃烧厚度 。结合模型初始压力、温
度条件，以时间间隔离散加载过程时间，逐步迭代求
解各时间间隔内的物理量组合，可得火药爆燃加载应
力随时间变化关系。
2．2压挡液柱运动模型
综合考虑爆燃压力对压挡液柱的宏观推动作用、
冲击压缩作用以及液柱的动能分布和管柱对其摩擦阻
力的影响，采用拉格朗日微元分析方法，以液柱任意
微小截面单元为研究对象，利用质量守恒、动量守恒、
能量守恒等条件，建立爆燃压裂过程中的压挡液柱运
动规律模型[12-13]：
吴 鹏等：多级脉冲爆燃压裂作用过程耦合模拟
。 ‘
‘。
盟Ox Ot=一
1 l一 亟一 ： 一 ：一
Px 4 RlAlg dt
=
2
旦dx l d 一㈡ l+ _
~．
dt
(2)
该模型再加上压挡液柱微元位移 与微元长度，I
变化关系共5个方程，其中未知量为压挡液柱微元压
力P1、密度P1、长度 运动速度v1和位移X，可定量
求解任意火药爆燃压力、液柱条件和井身条件下的压
挡液气液界面位移随时间的变化关系。
2．3射孔子L眼泄流模型
高能燃气在射孑L孔眼中的泄流速度与套管内外压
差、流体密度、射孔密度、孑L眼内径等均有很大关系，
按可压缩等截面一维定常流动理论推导射孑L孔眼泄流
模型【14-1 6]：
f旦丫
h rSr l p ~ ] ．2yTl Pe．
2．4 裂缝起裂模型
爆燃压裂是一种瞬态高加载速率(大于1O0
MPa／s)的破岩过程，很难获得动载下岩石破裂压力的
精确值 17-19J。因此，基于岩石动态损伤模拟实验装置
(见图2)，直接对小型模拟井眼进行强动载破岩实验，
设计不同岩石强度、不同冲击加压速率，测试岩石破
裂压力，进而回归出动载下岩石破裂压力与加载速率
间的定量关系：
Pd f=P。f+163．637In 一68．755 (4)
2．5裂缝延伸模型
裂缝起裂后燃气持续泄流，迫使裂缝延伸[20-21]，
且普遍认为在瞬态加载条件下，裂缝延伸速率恒定为
0．38倍岩石纵波波速 。 引。因此，爆燃压裂延伸过程
是包含高压流体在裂缝中压力分布模型【2引、弹塑性岩
石裂缝应力强度因子计算模型 刚、裂缝宽度模型[22,27]
和流体渗漏模型[ 在内的耦合模型。基于这些子模
型，建立质量守恒方程、能量守恒方程及气体状态方
(a)设备主体及岩心夹持器
(b)岩石试样
1一内活动柱塞；2一调节螺母；3一上法兰；4一吊紧螺钉；5一替换套；
6一胶套；7一外活动柱塞；8一橡胶板；9一岩心；10一下岩心塞；1 1一
简体；1 2一固定块；1 3一支承光杆；14一夹持器底座；1 5一稳座；
16一容器底座
图2 岩石动态损伤模拟实验设备主体、岩心夹持器
示意图及岩石试样
程，可得裂缝动态延伸模型【 。]：
，州 警叭 等叭 d，
l， 、、 j dt=cgT~(d gf+d Qg)+c Qf d + (5)
f ～
crf) Ot _
【Pf =pgRTf
在方程组(5)中，-／LH~．泄流量q、裂缝宽度 、
裂缝壁面的渗流速度 ，以及沿裂缝长度上的压力分布
Pf均是套管外侧孔眼出口处压力(裂缝根部压力)肌
的函数，因此该方程组存在Pfh、 和裂缝内各处火药
燃气密度P 共3个未知数。3个方程、3个未知量，可
定量化求解。
608 石油勘探与开发·石油工程 Vlo1．4l NO．5
3多级脉冲爆燃压裂过程耦合求解方法
将上述5个子系统分别形成计算模块，进而通过
建立由各子系统中压力、温度为主线变量的质量守恒
方程和能量守恒方程，得出多级脉冲爆燃压裂全过程
的耦合求解方法(图3为求解路线框图)：①利用某时
刻火药爆燃压力P，推算火药爆燃速度 再利用此时
燃气体积 和能量守恒方程推算下一时刻爆燃压力
P ；② 基于P ，用液柱运动模块计算压挡液柱运动后的
燃气体积 ；⑨ 基于体积 ，利用能量守恒方程，推
算此时爆燃压力P”；④ 用p”判断裂缝是否起裂，若起
裂进行下步运算，否则以 ”作为起始爆燃压力从①开
图3 多级脉冲爆燃压裂过程耦合求解路线框图
始计算；⑤基于压力P”，用裂缝延伸模块计算流入裂
缝的燃气量q；⑥ 基于体积 、q，利用能量守恒方程
和质量守恒方程，推算新火药爆燃压力P⋯、燃气体积
” ；⑦ 以P⋯、 作为下一时刻的初始量进行重复计
算，直至火药爆燃完全，且燃气压力降低到裂缝闭合
压力为l匕
4多级脉冲爆燃压裂关键系统变化规律
基于表1中基础参数，模拟50 kg多级脉冲压裂弹
爆燃，模拟结果如图4所示。由图4可知，多级脉冲
爆燃压裂过程从时间上可分成5个阶段。
表1 多级脉冲爆燃压裂基础参数
参数名称 参数值 参数名称 参数值
最大主应力47．5 MPa 压裂弹底距射孔顶高0 nl
最小主应力 32 6MPa 油层段套管内径 97．2 m
岩石弹性模量 35 000 MPa 油层段套管外径 114．3 m
岩石泊松比 0．23 油层段水泥环壁厚 O 04m
地层渗透率 O．062x 10。tun 油层段套管屈服强度 200 MPa
地层岩石抗拉强度 8．6 MPa 油层段套管弹性模量212 360 MPa
地层岩石 L隙度 1O％ 油层段水泥环弹性模量63 94 1 MPa
油层厚度 36 m 油层段套管泊松比 0．26
油层上顶面深度4 959m 油层段水泥环泊松比 O．23
射孔相位角 6O。 液柱高度 1 000 nl
射孔段长度 22．5m 液体密度 1 000 kg／m
射 L段顶面深度4 959m 液体压缩系数0．519x10 Pa
射孔密度 16 7k／m 液体黏度 1 mPa·s
射孔长度 O．5m 液体中声速 l 388．1 m／s
射孔孔眼半径 0．005 nl
一第1组裂缝长度一第2组裂缝长度
一爆燃压力 一压挡液气液界面位移
_ 一 二 45 鑫
z
1
0
图4 多级脉冲火药爆燃压裂过程爆燃压力、压挡液
气液界面位移、裂缝长度变化规律
①初始加压阶段。火药从0时刻开始爆燃，爆燃
压力由初始压力(9．8 MPa)开始迅速上升，液柱受压
开始向上运动，但此时各相位射孑L孑L眼均未达到起裂
压力。
② 低延伸压力裂缝起裂延伸阶段。当火药爆燃到
295．6 ms时，火药爆燃压力达到O。和l80。相位射孔孔
眼破裂压力(80．6 MPa)，两条裂缝开始起裂延伸，火
药燃气高速泄入缝内。但火药爆燃能量释放速率仍然
大于此阶段裂缝延伸和液柱运动造成的能量消耗速
O 0 O 0 0 O O
g＼浍迥恒昧燃 崮
2014年10月 吴飞鹏等：多级脉冲爆燃压裂作用过程耦合模拟
率，因此爆燃压力仍在上升，
裂前明显变小。
只是升压速率较裂缝起 5多级脉冲爆燃压裂模拟计算方法矿场
③ 高延伸压力裂缝起裂延伸阶段。当火药爆燃到
504．4 ms时，火药爆燃压力达到60。、120。、240。和300。
相位射孑L孑L眼破裂压力(98．0 MPa)，这些相位的4条
裂缝开始起裂延伸。此时6个相位的裂缝同时延伸，
裂缝延伸和液柱运动的耗能速率已大于火药爆燃能量
释放速率，因此火药爆燃压力出现下降趋势，故98．0
MPa为火药爆燃的峰值压力。但随着火药弹爆燃表面
积的增大，火药爆燃能量释放速率与耗能速率渐趋平
衡，爆燃压力保持稳定。
④ 火药爆燃完全后裂缝持续延伸阶段。当火药爆
燃到700 ms时，火药爆燃完全，此时井筒压力为91．6
MPa，此后井筒液柱在高压作用下继续向上运动，各
相位裂缝也在压力作用下继续延伸，但是由于火药已
爆燃完全爆燃压力迅速下降。
⑤ 裂缝止裂阶段。当井筒压力下降到78．66 MPa
后，60。、120。、240o和300。相位裂缝停止延伸，最终
裂缝长度1．29 m；当井筒压力继续下降到53．2 MPa后，
剩余两条裂缝也停止延伸，最终裂缝长度4．55 m。至
此裂缝完全停止延伸，爆燃压力在液柱运动和散热作
用下继续下降，最终趋于初始爆燃压力，高能气体压
裂过程结束。
宕
簌
蜒
念
1 500
600
400
200
O
应用
川西wJ．2井为一深层致密砂岩气井，前期对该井
3 550~3 560 m段储集层进行酸压预处理，起裂压力
85．5 MPa，施工压力83～88 MPa，排量仅为1．4 m ／min，
且排液困难，表明油层未压开，作业失败。因此，后
期对该井进行爆燃压裂预处理，基于本文方法设计两
级脉冲压裂弹75 ，模拟该井爆燃压力及裂缝长度变
化(见图5)，预测最终形成半缝长分别为5．2m和1．9m
的两组90。相位裂缝。
蝼
图5 爆燃压力和裂缝延伸动态预测曲线
按设计药量对该层段进行爆燃压裂，图6为压裂
前后测压施工曲线。经过爆燃压裂后油井破裂压力从
时间／min
图6 多级脉冲爆燃压裂前后测试压裂施工曲线
． 宴
皇
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蜓
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O 8 6 4 2 O O 8 一。cIⅢ 吡】＼稠 攀 一 口lⅢ
610 石油勘探与开发·石油工程 Vb1．41 No．5
85．5 MPa以上降低到71．0 MPa，且压裂后进行加砂压
裂处理时，在施工压力70 MPa左右排量达3 nl ／min，
且排液顺利，生产测试产气量达5．6×10 m ／d，措施效
果明显。表明设计药量下爆燃压裂成功压开油层，有
效降低了破裂压力，确保了后期措施的顺利施工。
6结论
多级脉冲爆燃压裂作用过程是一个瞬态的、多场
耦合的复杂物理过程，可分解为多级脉冲火药爆燃加
载、压挡液柱运动、射孔孔眼泄流、裂缝起裂和裂缝
延伸5个子系统。通过建立5个子系统的动力学模型，
借助节点系统分析方法，得出多级脉冲爆燃压裂全过
程的耦合求解方法。
分析了多级脉冲爆燃压裂过程中爆燃压力、压挡
液气液界面位移、裂缝长度的变化规律，并将全过程
分为初始加压、低延伸压力裂缝起裂延伸、高延伸压
力裂缝起裂延伸、火药爆燃完全后裂缝持续延伸和裂
缝止裂5个阶段。
将多级脉冲爆燃压裂应用于某深层致密砂岩气
井，结果表明：在设计药量下爆燃压裂成功压开油层，
降低了破裂压力，且确保了后期加砂压裂处理的顺利
进行。
符号注释：
— — 药柱爆燃体积，m ； 一火药种数；卜一时间，
s；lp——药柱长度，m；“——火药燃烧线速度，m／s； ——
药柱燃烧厚度，m；r 内中孔半径，m； ——爆燃空间
内燃气体积，m ；p——爆燃压力，Pa；卜爆燃空间温度，
K；尺——气体常数，8-314 J／(mol·K)； ——火药弹密度，
kg／m ； ——火药燃气密度，kg／m ；产- 火药力，J／kg；
c ——火药燃气比热，J／(kg·K)；m。 ——火药燃烧掉的质量，
kg；090——火药燃速系数，m／(s·Pa)； ——火药燃速压力指
数； ——火药燃气摩尔质量，kg／mol；ng——火药燃气物质
的量，mol；l,o—— 压挡液柱微元初始长度，m；I1——压
挡液柱微元t时刻长度，m；P10——压挡液柱微元初始密度，
kg／m0；pl——压挡液柱微元t时刻密度，kg／m ； ——压挡
液柱微元距离液柱底面的距离(是t的函数)，ill；Pl——压
挡液柱压力(是 、t的函数)，Pa； ——压挡液柱流体体积
压缩系数，Pa～； ——牛顿流体管流摩阻系数；El——牛顿
流体弹性模量，Pa；譬——重力加速度，9．8 m／s。；R1——压挡
液柱横截面半径，1TI；Al—— 压挡液柱横截面面积，rn ；
Vl——压挡液柱微元运动速度，m／s； ——射孔孔眼泄流入缝
的流体质量流量，kg／s；pfq——射孔套管前部井筒内压力(其
数值等于火药爆燃压力)，Pa；Pfh——射孔套管外裂缝人口处
的火药气压力，Pa； ——爆燃产物多变指数，其数值在绝热
条件下等于气体比热比，在等温过程为1．17；Hf——射孔密度，
孔／m；hf——射孔段长度，m；Sf——射孔孔眼横截面积，
m ；pdcf——岩石动载下破裂压力，Pa；p。f——岩石静载下
破裂压力，Pa；y。——爆燃压裂加载速率，MPa／s；Lf——
任意时刻裂缝长度，rn；新——任意时刻裂缝某横截面到裂
缝根端的距离，rll； ——任意时刻裂缝宽度(是研的函数)，
m；“ ——任意时刻燃气在裂缝壁面的渗流速度(是研的函
数)，m／s；Qf——任意时刻裂缝内燃气质量，kg；Q ——
任意时刻由裂缝壁面渗漏人地层的燃气总质量，kg；Pf——
任意时刻裂缝内燃气压力(是新的函数)，Pa；Tf——任意时
刻裂缝内燃气温度(假定在任意时刻裂缝内各处温度相同)，
K；o-f——任意时刻裂缝壁面的闭合应力(是研的函数)，Pa；
f__一地层压力，Pa。
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第一作者简介：吴飞鹏(1983．)，男，山东临朐人，博士，中国石油大
学(华东)石油工程学院副教授，主要从事复杂油气藏物理．化学强化开采
技术方面的研究工作 地址：山东省青岛经济技术开发区长江西路66号，
中国石油大学(华东)石油工程学院，邮政编码：266555。E—mail：
upcwfp@163．com
收稿日期：2014．02．27 修回日期：2014．06-27

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