白建梅 程 浩 祖世強(qiáng) 湯繼丹

(中國(guó)石油華北油田采油工藝研究院, 河北 062552)

1 問(wèn)題的提出

沁水煤層氣田屬于低滲透、低孔隙度、低儲(chǔ)層壓力儲(chǔ)層, 自然產(chǎn)能低, 通過(guò)壓裂改造, 能夠在煤層中形成一定長(zhǎng)度的高導(dǎo)流能力的人工裂縫, 加速煤層排水降壓, 促進(jìn)煤層氣解吸、流動(dòng)。但是隨著沁水盆地煤層氣開(kāi)發(fā)工作的不斷深入, 暴露出不少問(wèn)題, 其中單井產(chǎn)氣量差距大, 部分井單井產(chǎn)量沒(méi)有達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)采產(chǎn)量。因此, 低產(chǎn)井問(wèn)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(jì), 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(wèn)題。

經(jīng)對(duì)低產(chǎn)井進(jìn)行系統(tǒng)分析, 低產(chǎn)的主要原因體現(xiàn)在以下四個(gè)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(yán)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(shí)間早, 短時(shí)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(duì)較差的區(qū)域,產(chǎn)氣時(shí)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)的應(yīng)力敏感性。同時(shí)生產(chǎn)實(shí)踐表明, 在排水降壓過(guò)程中, 動(dòng)液面下降過(guò)快, 導(dǎo)致井底壓力下降過(guò)快, 單井產(chǎn)氣量下降, 經(jīng)過(guò)后期長(zhǎng)時(shí)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(yàn)的不足, 部分井在排采初期, 沒(méi)有采用“五段兩點(diǎn)法”的排采制度, 同時(shí)沒(méi)有明確不同的煤層氣井在各個(gè)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(wú)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(shuō), 煤層氣直井開(kāi)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(duì)某種類型是適應(yīng)的, 但并不一定適應(yīng)全部。

(4) 排采過(guò)程中煤粉遷移堵塞近井地帶

部分煤層氣井一開(kāi)始產(chǎn)量比較高, 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后, 產(chǎn)量會(huì)逐步的減小, 減小的原因有很多種, 一個(gè)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(wú)法流動(dòng)。

對(duì)于以上低產(chǎn)的原因, 前兩項(xiàng)是儲(chǔ)層所固有的, 無(wú)法改變的, 而如果能夠通過(guò)一種方法改善井周圍的滲透性, 同時(shí)不會(huì)污染煤層, 將為實(shí)現(xiàn)15×108m3產(chǎn)能建設(shè)目標(biāo)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(duì)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(huì)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(chǎng)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(fèi)用較貴; 而在阜新部分井實(shí)施的爆燃改造技術(shù), 地面需要修井機(jī)、水泥車、水罐車等多種設(shè)備, 同時(shí)能量釋放相對(duì)較慢, 能量密度小, 關(guān)鍵是會(huì)釋放一些異物, 給后期采煤帶來(lái)危險(xiǎn)。

鑒于以上增產(chǎn)技術(shù)存在一定的局限性, 需要開(kāi)發(fā)一種新型的增產(chǎn)技術(shù), 該技術(shù)需要達(dá)到以下技術(shù)要求： 施工工藝簡(jiǎn)單, 不會(huì)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(xiàng)技術(shù), 基本原理就是利用井下儀器在地層位置施行強(qiáng)功率放電, 通過(guò)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(dá)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(jī)械能作用于煤層, 以達(dá)到儲(chǔ)層改造的目的。工作時(shí)放電電壓高達(dá)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(jìn)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(dá)幾十兆帕。由于地層介質(zhì)應(yīng)力特性的各向異性, 在此強(qiáng)大的沖擊應(yīng)力波作用下, 各層面間將產(chǎn)生強(qiáng)大的切向剪切力, 發(fā)生錯(cuò)動(dòng)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(chǎng)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(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度明顯小于靜態(tài), 當(dāng)沖擊力峰值壓力超過(guò)巖石的疲勞強(qiáng)度時(shí), 就會(huì)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(dòng)區(qū)流動(dòng);改變孔隙中水、氣界面的動(dòng)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(shí)會(huì)使介質(zhì)時(shí)而被壓縮, 時(shí)而被擴(kuò)張, 造成滲流道直徑大小變化,可使固態(tài)顆粒逐步通過(guò)孔道排出。

空化作用可以破碎聲場(chǎng)中的固態(tài)物質(zhì)、振動(dòng)松動(dòng)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(chǎng)分布

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

該技術(shù)由密封電纜頭、升壓變壓器、整流濾波器、儲(chǔ)能電容器、放電開(kāi)關(guān)和電極組成。以高功率脈沖技術(shù)實(shí)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(jī)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(diǎn)

脈沖功率技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)是：

(1) 作業(yè)費(fèi)用低, 處理一口井的費(fèi)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(guò)程屬于一種物理方法, 對(duì)地層沒(méi)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(jiǎn)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(xiàng)同性, 可能造成新裂縫。

(7) 占用設(shè)備少, 勞動(dòng)強(qiáng)度低, 整個(gè)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(chǔ)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(jí)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(yàn)表明在200m 的距離上, 200Hz 頻率以下的聲強(qiáng)有4．76KW/cm2, 說(shuō)明沖擊波波及的有效距離可達(dá)200m。同時(shí)在相距260m 的井中測(cè)的電脈沖裝置聲壓頻譜可知, 其有效作用距離確實(shí)可達(dá)到200m 的遠(yuǎn)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(gè)井組實(shí)施該項(xiàng)技術(shù), 可以保證井間干擾的有效形成, 而井間干擾對(duì)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(qiáng)度額定值在10MPa 以上,能夠滿足脈沖功率技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)施的基本條件。

4 結(jié)論

脈沖功率技術(shù)通過(guò)造縫和解堵機(jī)理等作用能夠有效改善進(jìn)井地帶的滲透性, 所產(chǎn)生的超強(qiáng)沖擊波對(duì)提高地層滲透率具有明顯的效果。建議開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用。

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