煤層氣井脈沖壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀

(中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求量逐漸增加，而常規(guī)的油氣資源在日益減少，很多國家都在努力尋找可以替代的能源，填補(bǔ)常規(guī)油氣資源的缺口。煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)、潔凈的能源，而且資源儲(chǔ)量豐富，合理地進(jìn)行開發(fā)，可以減少對(duì)常規(guī)油氣資源的依賴，同時(shí)減少了煤礦瓦斯事故所帶來的災(zāi)害。根據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，俄羅斯、加拿大、中國、美國及澳大利亞5個(gè)國家的煤層氣資源儲(chǔ)量居于世界前5位，如表1所示，很多國家都已經(jīng)展開了對(duì)煤層氣開發(fā)的研究工作，并實(shí)現(xiàn)了煤層氣的開采[1-2]。

表1 世界主要煤層氣資源分布(據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)IEA，2017)

目前，主要采用水力壓裂技術(shù)來提高煤層氣井產(chǎn)量。1947年，Stanolind公司在美國Kansas西南部的Hugoton油田進(jìn)行了第1次水力壓裂試驗(yàn)。1949年，哈里伯頓公司在美國Oklahoma和Texas兩地進(jìn)行了第1次商業(yè)性的壓裂作業(yè)。此后，全球的勘探與生產(chǎn)公司開始廣泛采用該技術(shù)以提高或延長油井產(chǎn)能。由于水力壓裂的局限性，各國逐漸開始研究新的壓裂技術(shù)，脈沖壓裂就是其中的一種。脈沖壓裂主要是依靠氣體爆炸、高能粒子產(chǎn)生的脈沖能量，或者機(jī)械式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈沖能量來實(shí)現(xiàn)壓裂?，F(xiàn)有的脈沖壓裂技術(shù)主要分為高能氣體脈沖壓裂、等離子脈沖壓裂、金屬絲電爆炸壓裂以及機(jī)械式脈沖壓裂。

1 高能氣體脈沖壓裂技術(shù)

1947年，美國人Henry Mophaupt將噴氣技術(shù)引入油氣開采工業(yè)；1965年，Henry H. Mohaupt等人在油層爆炸水力壓裂激發(fā)方法中提到了一種通過爆炸氣體形成的地層壓力脈沖進(jìn)行壓裂的方法[3]；1987年，美國氣體研究所和美國能源部一起贊助J.F.Cuderman等人，在美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)及理論研究，確定了產(chǎn)生徑向裂縫的增壓時(shí)間關(guān)系式[4]。我國于1984年開始對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究，并已形成初步成果，基于現(xiàn)場(chǎng)配制的液體藥高能氣體壓裂技術(shù)也在研究和試驗(yàn)中。2010—2011年，在中石油某煤層氣區(qū)塊選擇了部分井進(jìn)行了探索試驗(yàn)及應(yīng)用，煤層氣產(chǎn)量從500 m3/d提高到1 450 m3/d，產(chǎn)能增加2.9倍[5]。

高能氣體脈沖壓裂工藝管柱的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。將多種壓裂爆炸物以一定的比例混合，通過傳輸裝置送入到指定位置，點(diǎn)燃爆炸物，會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓的氣體?？刂茪怏w釋放的間隔，使得高溫、高壓氣體被有序釋放。首先，在目的層段產(chǎn)生第1個(gè)峰值壓力，其壓力遠(yuǎn)高于地層破裂壓力，從之前射孔的位置進(jìn)入，沖破煤層形成微小裂縫；之后，第2個(gè)和第3個(gè)峰值壓力依次進(jìn)入，進(jìn)一步拓展裂縫，最后形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

1—第1封隔器；2—減震器；3—油管；4—點(diǎn)火裝置；5—泄壓和傳火組件；6—第1燃?xì)獍l(fā)生器；7—延時(shí)傳火裝置；8—第2燃?xì)獍l(fā)生器；9—射孔壓力計(jì)；10—第2封隔器。

2 等離子脈沖壓裂技術(shù)

等離子脈沖壓裂的原理是將等離子脈沖發(fā)生裝置通過連續(xù)油管下放到目標(biāo)煤層，地面操縱控制器產(chǎn)生周期性的高能等離子束。高能等離子束通過射孔孔眼擊穿煤層，形成多條裂縫，并與煤層的天然裂縫連通，極大地提高了煤層的滲透率。等離子脈沖壓裂是一種全新的煤層氣井開采技術(shù)，能夠提高煤層氣的產(chǎn)量和注水量。它具有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 環(huán)保潔凈，不需要使用化學(xué)產(chǎn)品，無污染。

2) 在油田開發(fā)中后期，對(duì)高含水儲(chǔ)層，增產(chǎn)效果同樣顯著。

3) 適用于多種復(fù)雜儲(chǔ)層的增產(chǎn)作業(yè)。

4) 設(shè)備輕便，能耗小，效率高，操作安全性高。

等離子脈沖壓裂技術(shù)是2003年由俄羅斯NOVAS公司開發(fā)。該技術(shù)適合煤層氣井的開采，能夠有效提高煤層氣的產(chǎn)量。2009年，西西伯利亞油田應(yīng)用等離子脈沖壓裂技術(shù)，日產(chǎn)煤層氣22 t，含水率26.7%，并且持續(xù)生產(chǎn)超過1 a，增產(chǎn)十分明顯。2013年，華東石油局的煤層氣井應(yīng)用等離子脈沖壓裂技術(shù)，日產(chǎn)煤層氣2.7 t，含水率46.7%，增產(chǎn)同樣很明顯。2014年，蘇權(quán)生對(duì)等離子脈沖壓裂技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)[6]。

3 金屬絲電爆炸壓裂技術(shù)

2010年以來，西安交通大學(xué)邱愛慈院士團(tuán)隊(duì)在國際上首先提出采用基于脈沖功率技術(shù)的重復(fù)可控強(qiáng)沖擊波激勵(lì)煤層的構(gòu)想[7]，研制了可用于煤層氣井開采的脈沖沖擊波產(chǎn)生裝置。該裝置以脈沖功率技術(shù)為基礎(chǔ)，利用水中金屬絲電爆炸，產(chǎn)生高能量的等離子體，使放電通道快速膨脹，從而推動(dòng)水形成脈沖波。這一技術(shù)的產(chǎn)生，為煤層氣井的開采提供了新思路。該技術(shù)具有對(duì)儲(chǔ)層傷害低，污染小，開采經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)勢(shì)，使得金屬絲電爆炸技術(shù)可能成為未來的煤層氣井開采的主要技術(shù)。

2012年，以色列理工學(xué)院的研究人員初步探索了電熱化學(xué)法對(duì)于提升沖擊波能量的效果，通過在放電水介質(zhì)中添加0.1 μm和11 μm的鋁粉，形成懸濁液，可大幅度提升沖擊波強(qiáng)度[8]。

2015年，西安交通大學(xué)周海濱等在金屬絲外圍包覆含能材料，被加熱的金屬絲首先引爆含能材料。含能材料快速爆炸，產(chǎn)生更強(qiáng)的水中沖擊波，有望在煤層氣開采等應(yīng)用中產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益[9-12]。通過試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)包覆含能材料的水中金屬絲電爆炸能夠產(chǎn)生更大能量的脈沖，比水中金屬絲電爆炸要大得多。同時(shí)，能夠最快擊穿煤層，產(chǎn)生有效裂縫。

2017年，中國石油大學(xué)(北京)劉奔等研究了水溫度對(duì)沖擊波的影響[13]。水溫在25～75 ℃，水的壓縮性基本保持不變。對(duì)于0.2 mm的銅絲，水溫在75 ℃時(shí)放電的峰值電壓比水溫在25 ℃時(shí)放電的峰值電壓大，電流略微下降，峰值電阻更高，更多的能量沉積在汽化過程，但產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力降低了。作者認(rèn)為，是溫度升高導(dǎo)致水的熱導(dǎo)率升高，放電過程中有更多的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到周圍水介質(zhì)中。劉奔等還研究了水的電導(dǎo)率對(duì)沖擊波的影響，對(duì)比了電導(dǎo)率為0.5 mS/cm的測(cè)試水和電導(dǎo)率為10 mS/cm的鹽水在不同銅絲直徑及不同電容下的峰值電流、峰值電壓、峰值壓強(qiáng)[13]。高電導(dǎo)率的鹽水對(duì)汽化過程的電壓和電流的影響十分明顯，峰值電壓會(huì)顯著下降,峰值電流略微增加，沉積能量降低，產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力也降低，這種現(xiàn)象可以用放電通道電阻的變化來解釋。銅絲在汽化過程中，電阻逐漸增大，當(dāng)電阻達(dá)到一定值時(shí)，高導(dǎo)電的水介質(zhì)的分流效應(yīng)不可忽視，此時(shí)，電流并不是完全通過金屬絲。即儲(chǔ)存的能量不會(huì)完全沉積在金屬絲上，周圍的鹽水也會(huì)消耗能量。

4 機(jī)械式脈沖壓裂發(fā)生器

1973年，Clarence W. Brandon等人[14]發(fā)明了一種通過機(jī)械振動(dòng)方式產(chǎn)生水力脈沖的裝置，用于處理油井，可在壓裂、固井及鉆井等工藝中使用；1988年，Duane C. Uhri等人研究了一種多級(jí)連續(xù)壓裂工藝，其中，控制脈沖壓裂(CPF)與同一井筒中的水力壓裂相結(jié)合，由控制脈沖壓裂產(chǎn)生多個(gè)徑向垂直裂縫之后，在隨后的水力壓裂過程中，可固化凝膠材料被引導(dǎo)到所形成的裂縫中。在這一過程中，多個(gè)垂直水力裂縫在控制脈沖壓裂過程中產(chǎn)生，并擴(kuò)散開來，從而使井筒與所需的自然資源相連通[15]；1993年，Alfred R. Jennings等人[16]提出了一種利用2口井與控制脈沖壓裂相結(jié)合，通過水力壓裂創(chuàng)造和延伸多個(gè)垂直徑向水力裂縫的方法。首先，在1個(gè)地層中鉆好第1和第2口井，以便在之后的每口井壓裂后，這些井將通過流體連通。隨后，通過在第2口井中進(jìn)行控制脈沖壓裂方法產(chǎn)生的能量，在地下地層中形成多個(gè)垂直徑向裂縫。這些裂縫的長度較短。然后，在第1口井進(jìn)行水力壓裂作業(yè)，導(dǎo)致在儲(chǔ)層中形成水力裂縫。在這一過程中，多個(gè)垂直裂縫在控制脈沖壓裂產(chǎn)生的裂縫中擴(kuò)散開，從而使第2個(gè)井筒裂縫系統(tǒng)與第1個(gè)井筒的裂縫系統(tǒng)進(jìn)行流體連通，提高壓裂效果。2010年，David John Kusko等人[17]發(fā)明了脈沖壓裂鉆井(PFD)裝置的流動(dòng)液壓放大裝置，可進(jìn)行脈沖壓裂作業(yè)，疏通動(dòng)脈，打開地下儲(chǔ)層，還可在井下產(chǎn)生用于地震目的的大脈沖。

在最近的幾年，脈沖壓裂發(fā)生器的研究也有很大的進(jìn)展。2015年，重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院李少榮等[18]發(fā)明了一種井下水力脈沖分段壓裂增滲裝置及方法，如圖2所示。此裝置利用壓裂液推動(dòng)滑套-彈簧進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生水力脈沖，擊穿巖石，形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，能夠提高煤層氣的滲透率。

1—缸體一；2—芯軸；3—滑套；4—噴嘴；5—密封圈一；6—密封圈二；7——缸體二；8—彈簧；9—接頭。

2017年，中南大學(xué)曹函等[19]發(fā)明了低滲儲(chǔ)層可調(diào)頻脈沖水力壓裂改造裝置，能實(shí)現(xiàn)密封-壓裂-解封一體化作業(yè)。

2017年，西安石油大學(xué)聶翠平等[20]發(fā)明了一種油氣井水力壓裂井下低頻水力脈沖發(fā)生裝置，如圖3所示。此裝置利用壓裂液推動(dòng)復(fù)合錐臺(tái)活塞-彈簧做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生水力脈沖，脈沖頻率在10 Hz左右，提高壓裂的效果。

1—上接頭；2—缸體；3—復(fù)合錐臺(tái)活塞；4—通孔；5—彈簧；6—支撐座；7—下接頭。

5 結(jié)語

針對(duì)煤層氣井，介紹了4種脈沖壓裂技術(shù)。目前，高能氣體脈沖壓裂技術(shù)和等離子脈沖壓裂技術(shù)都已經(jīng)在煤層氣井的開采中應(yīng)用，壓裂后增產(chǎn)效果十分顯著。金屬絲電爆炸壓裂技術(shù)和機(jī)械式脈沖壓裂發(fā)生器還都處于理論研究階段。雖然這2種壓裂技術(shù)的研究起步較慢，但有著很大的優(yōu)勢(shì)。金屬絲電爆炸技術(shù)產(chǎn)生的脈沖能量高，對(duì)煤層傷害??；機(jī)械式脈沖壓裂發(fā)生器可以在深井下進(jìn)行壓裂作業(yè)，能量損耗小，節(jié)約資源。相信這2種技術(shù)在未來的煤層氣井的壓裂作業(yè)中會(huì)成為主要壓裂技術(shù)。