大功率脈沖技術(shù)對低產(chǎn)煤層氣井增產(chǎn)可行性探討

白建梅 程 浩 祖世強 湯繼丹

(中國石油華北油田采油工藝研究院, 河北 062552)

1 問題的提出

沁水煤層氣田屬于低滲透、低孔隙度、低儲層壓力儲層, 自然產(chǎn)能低, 通過壓裂改造, 能夠在煤層中形成一定長度的高導(dǎo)流能力的人工裂縫, 加速煤層排水降壓, 促進煤層氣解吸、流動。但是隨著沁水盆地煤層氣開發(fā)工作的不斷深入, 暴露出不少問題, 其中單井產(chǎn)氣量差距大, 部分井單井產(chǎn)量沒有達到經(jīng)濟開采產(chǎn)量。因此, 低產(chǎn)井問題成為制約煤層產(chǎn)能建設(shè)的關(guān)鍵因素。據(jù)不完全統(tǒng)計, 研究區(qū)的直井單井日產(chǎn)氣量小于1000m3的井接近50%,因此如何提高低產(chǎn)井的產(chǎn)量是目前急需解決的問題。

經(jīng)對低產(chǎn)井進行系統(tǒng)分析, 低產(chǎn)的主要原因體現(xiàn)在以下四個方面：

(1) 地質(zhì)原因

整體上看, 區(qū)域內(nèi)煤層非均質(zhì)性嚴重, 其煤層厚度、滲透性、含氣量等均變化較大。部分高滲富集區(qū), 產(chǎn)氣時間早, 短時間內(nèi)產(chǎn)氣量上升較快, 多口井產(chǎn)量在3000m3/d 以上; 而相對較差的區(qū)域,產(chǎn)氣時間較晚, 產(chǎn)量較低, 多在1000m3/d 左右或以下。

(2) 煤層的應(yīng)力敏感特性

室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)表明, 隨著有效應(yīng)力的增加, 煤樣的滲透率均急劇下降, 表現(xiàn)出較強的應(yīng)力敏感性。同時生產(chǎn)實踐表明, 在排水降壓過程中, 動液面下降過快, 導(dǎo)致井底壓力下降過快, 單井產(chǎn)氣量下降, 經(jīng)過后期長時間排采, 產(chǎn)氣量也很難恢復(fù),造成產(chǎn)能永久傷害。

由于排采經(jīng)驗的不足, 部分井在排采初期, 沒有采用“五段兩點法”的排采制度, 同時沒有明確不同的煤層氣井在各個階段的排采制度, 致使單井產(chǎn)量低。

(3) 部分井壓裂效果欠佳

依據(jù)前階段煤層氣地質(zhì)研究資料, 3#煤層主要分為以下四種類型： 高滲透低飽和型、高滲透高飽和型、低滲透低飽和型及低滲透高飽和型。目前無論哪種地質(zhì)類型均采用同一種壓裂工藝, 分析不同區(qū)域單井的產(chǎn)氣情況可以看出, 不同類型的煤巖采用同一種壓裂工藝, 產(chǎn)氣量高低不一, 也就是說, 煤層氣直井開發(fā)的效果決定條件是煤體結(jié)構(gòu),由于煤體結(jié)構(gòu)的不同, 決定著壓裂參數(shù)的不同, 而目前的壓裂方式可能對某種類型是適應(yīng)的, 但并不一定適應(yīng)全部。

(4) 排采過程中煤粉遷移堵塞近井地帶

部分煤層氣井一開始產(chǎn)量比較高, 經(jīng)過一段時間以后, 產(chǎn)量會逐步的減小, 減小的原因有很多種, 一個不可不重視的原因是煤粉、煤灰或其他雜質(zhì)堵塞孔隙、裂隙通道, 影響了氣水產(chǎn)出通道的暢通, 導(dǎo)致氣水阻滯, 無法流動。

對于以上低產(chǎn)的原因, 前兩項是儲層所固有的, 無法改變的, 而如果能夠通過一種方法改善井周圍的滲透性, 同時不會污染煤層, 將為實現(xiàn)15×108m3產(chǎn)能建設(shè)目標的提供有利的保障。

目前煤層氣井常用的增產(chǎn)技術(shù)主要有壓裂以及重復(fù)壓裂 (小型解堵) 、爆燃改造、洞穴完井等技術(shù)。對目前低產(chǎn)井而言, 重復(fù)壓裂是一種常規(guī)的增產(chǎn)措施, 但重復(fù)壓裂技術(shù)需要向地層中注入液體,不可避免的會污染地層。根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)條件和現(xiàn)在的應(yīng)力場特征, 重復(fù)壓裂基本上還是沿原裂縫伸展, 造新縫的可能性小。重復(fù)壓裂施工設(shè)備復(fù)雜, 操作費用較貴; 而在阜新部分井實施的爆燃改造技術(shù), 地面需要修井機、水泥車、水罐車等多種設(shè)備, 同時能量釋放相對較慢, 能量密度小, 關(guān)鍵是會釋放一些異物, 給后期采煤帶來危險。

鑒于以上增產(chǎn)技術(shù)存在一定的局限性, 需要開發(fā)一種新型的增產(chǎn)技術(shù), 該技術(shù)需要達到以下技術(shù)要求： 施工工藝簡單, 不會向煤層釋放任何異物,能量密度最高, 可控性好, 能量利用效率高。依據(jù)這些要求, 我們探索了脈沖增產(chǎn)技術(shù)。

2 脈沖功率技術(shù)

2．1 技術(shù)原理

脈沖功率技術(shù)是在瞬間獲得高功率的一門專項技術(shù), 基本原理就是利用井下儀器在地層位置施行強功率放電, 通過不同的物理原理可以將高功率電脈沖轉(zhuǎn)換為電子束能、激光能量、微波能量、熱能和等離子體能量, 從而在地層構(gòu)造中生成高壓脈沖應(yīng)力波, 以達到處理地層的目的, 具體到煤層氣井將高功率電能轉(zhuǎn)換為機械能作用于煤層, 以達到儲層改造的目的。工作時放電電壓高達幾十千伏, 在此高壓作用下, 電極間油水介質(zhì)被瞬間擊穿進入等離子體狀態(tài), 能量迅速釋放形成爆炸, 產(chǎn)生應(yīng)力波, 該應(yīng)力波的峰值壓力高達幾十兆帕。由于地層介質(zhì)應(yīng)力特性的各向異性, 在此強大的沖擊應(yīng)力波作用下, 各層面間將產(chǎn)生強大的切向剪切力, 發(fā)生錯動生成新的滲液孔道, 原有孔道亦將在沖擊應(yīng)力波的作用下延伸; 由于沖擊應(yīng)力波在煤巖介質(zhì)中的波速差產(chǎn)生的剪切力以及不規(guī)則的邊界引發(fā)的旋流應(yīng)力場將有效的剝離、清除原滲流孔道中的堵塞物, 起到疏通滲流通道的作用。

2．2 作用效果

脈沖功率技術(shù)作用效果主要作用表現(xiàn)為：

(1) 造縫作用

在沖擊載荷作用下, 煤巖的斷裂強度和疲勞強度明顯小于靜態(tài), 當(dāng)沖擊力峰值壓力超過巖石的疲勞強度時, 就會造成新的微裂縫或宏觀裂縫。

(2) 解堵作用

沖擊波在非均質(zhì)性較強的介質(zhì)中產(chǎn)生的速度、加速度有很大的差異, 從而在這些介質(zhì)中的固液和氣液等波阻抗相差較大的界面產(chǎn)生較強的剪切力,而且波阻抗差異越大, 剪切應(yīng)力就越大。

(3) 提高地層液體流動性

沖擊波在煤巖介質(zhì)不同位置上壓差的方向和大小交替變化, 使液體由滯留區(qū)向排液活動區(qū)流動;改變孔隙中水、氣界面的動態(tài), 克服束縛滯留效應(yīng), 有利于地下水的重新分布、聚集和排出。

(4) 清除地層污染作用

彈性沖擊波在多孔介質(zhì)中傳播時會使介質(zhì)時而被壓縮, 時而被擴張, 造成滲流道直徑大小變化,可使固態(tài)顆粒逐步通過孔道排出。

空化作用可以破碎聲場中的固態(tài)物質(zhì)、振動松動后的堵塞物和其它固結(jié)物被抽吸、推擠到井筒,疏通氣水通道, 改善煤層近井地帶的滲透性。

(5) 改變地層靜電場分布

電脈沖放電在煤層產(chǎn)生的強電磁或彈性波場,可以改變煤層表面電場的分布, 減少氣水的流動阻力。

該技術(shù)由密封電纜頭、升壓變壓器、整流濾波器、儲能電容器、放電開關(guān)和電極組成。以高功率脈沖技術(shù)實現(xiàn)電能的積蓄和瞬間的釋放, 能量轉(zhuǎn)換器以液電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成液體中的機械能 (沖擊波能量) , 電脈沖裝置產(chǎn)生的沖擊波壓力與其工作參數(shù)有密切的關(guān)系。

2．3 技術(shù)特點

脈沖功率技術(shù)的技術(shù)特點是：

(1) 作業(yè)費用低, 處理一口井的費用約為重復(fù)水力壓裂的50%, 增產(chǎn)效果卻接近于重復(fù)壓裂。

(2) 施工過程屬于一種物理方法, 對地層沒有污染。

(3) 脈沖功率技術(shù)能量的傳輸不需要其它介質(zhì), 工藝簡單, 施工周期短。

(4) 可控程度高, 施工安全可靠, 在車內(nèi)即可完成電纜起下、儀器、儀表的調(diào)節(jié)和控制等一系列工作。

(5) 脈沖功率技術(shù)釋放能量有爆炸的特征, 具有陡峭的壓力脈沖前沿, 能量密度最高。

(6) 產(chǎn)生的沖擊波各項同性, 可能造成新裂縫。

(7) 占用設(shè)備少, 勞動強度低, 整個工藝設(shè)備一體化, 只需2～3 人即可完成施工。

2．4 適用范圍

該技術(shù)的適用范圍及選井要求：

(1) 該技術(shù)適應(yīng)井深小于3000m, 儲層膠結(jié)好, 滲透率在0．001～3md 之間的地層。

(2) 生產(chǎn)套管中材料鋼級最低的是H- 40。

(3) 井身質(zhì)量差的井不適用該技術(shù)。

3 脈沖功率技術(shù)應(yīng)用于煤層氣井的可行性技術(shù)探討

3．1 作用范圍

室內(nèi)試驗表明在200m 的距離上, 200Hz 頻率以下的聲強有4．76KW/cm2, 說明沖擊波波及的有效距離可達200m。同時在相距260m 的井中測的電脈沖裝置聲壓頻譜可知, 其有效作用距離確實可達到200m 的遠井地帶。而目前沁水盆地煤層氣直井的布井方式是300m×300m 的梅花形井網(wǎng), 如果在一個井組實施該項技術(shù), 可以保證井間干擾的有效形成, 而井間干擾對煤層氣井的解吸是有利的。

3．2 固井質(zhì)量

煤層氣井的生產(chǎn)套管為J55, 其抗內(nèi)壓額定值在15MPa 以上, 抗擠壓強度額定值在10MPa 以上,能夠滿足脈沖功率技術(shù)的現(xiàn)場實施要求。

3．3 井深要求

目前直井的井深都小于1200m, 具備脈沖功率技術(shù)實施的基本條件。

4 結(jié)論

脈沖功率技術(shù)通過造縫和解堵機理等作用能夠有效改善進井地帶的滲透性, 所產(chǎn)生的超強沖擊波對提高地層滲透率具有明顯的效果。建議開展現(xiàn)場實施應(yīng)用。

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