大功率脈沖技術對低產煤層氣井增產可行性探討

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, 自然產能低, 通過壓裂改造, 能夠在煤層中形成一定長度的高導流能力的人工裂縫, 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工作的不斷深入, 暴露出不少問題, 其中單井產氣量差距大, 部分井單井產量沒有達到經濟開采產量。因此, 低產井問題成為制約煤層產能建設的關鍵因素。據不完全統計, 研究區的直井單井日產氣量小于1000m3的井接近50%,因此如何提高低產井的產量是目前急需解決的問題。

經對低產井進行系統分析, 低產的主要原因體現在以下四個方面：

(1) 地質原因

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

(2) 煤層的應力敏感特性

室內實驗數據表明, 隨著有效應力的增加, 煤樣的滲透率均急劇下降, 表現出較強的應力敏感性。同時生產實踐表明, 在排水降壓過程中, 動液面下降過快, 導致井底壓力下降過快, 單井產氣量下降, 經過后期長時間排采, 產氣量也很難恢復,造成產能永久傷害。

由于排采經驗的不足, 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, 致使單井產量低。

(3) 部分井壓裂效果欠佳

依據前階段煤層氣地質研究資料, 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。目前無論哪種地質類型均采用同一種壓裂工藝, 分析不同區域單井的產氣情況可以看出, 不同類型的煤巖采用同一種壓裂工藝, 產氣量高低不一, 也就是說, 煤層氣直井開發的效果決定條件是煤體結構,由于煤體結構的不同, 決定著壓裂參數的不同, 而目前的壓裂方式可能對某種類型是適應的, 但并不一定適應全部。

(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量比較高, 經過一段時間以后, 產量會逐步的減小, 減小的原因有很多種, 一個不可不重視的原因是煤粉、煤灰或其他雜質堵塞孔隙、裂隙通道, 影響了氣水產出通道的暢通, 導致氣水阻滯, 無法流動。

對于以上低產的原因, 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15×108m3產能建設目標的提供有利的保障。

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

鑒于以上增產技術存在一定的局限性, 需要開發一種新型的增產技術, 該技術需要達到以下技術要求： 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。依據這些要求, 我們探索了脈沖增產技術。

2 脈沖功率技術

2．1 技術原理

脈沖功率技術是在瞬間獲得高功率的一門專項技術, 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, 從而在地層構造中生成高壓脈沖應力波, 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, 電極間油水介質被瞬間擊穿進入等離子體狀態, 能量迅速釋放形成爆炸, 產生應力波, 該應力波的峰值壓力高達幾十兆帕。由于地層介質應力特性的各向異性, 在此強大的沖擊應力波作用下, 各層面間將產生強大的切向剪切力, 發生錯動生成新的滲液孔道, 原有孔道亦將在沖擊應力波的作用下延伸; 由于沖擊應力波在煤巖介質中的波速差產生的剪切力以及不規則的邊界引發的旋流應力場將有效的剝離、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

脈沖功率技術作用效果主要作用表現為：

(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, 當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

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

(3) 提高地層液體流動性

沖擊波在煤巖介質不同位置上壓差的方向和大小交替變化, 使液體由滯留區向排液活動區流動;改變孔隙中水、氣界面的動態, 克服束縛滯留效應, 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中傳播時會使介質時而被壓縮, 時而被擴張, 造成滲流道直徑大小變化,可使固態顆粒逐步通過孔道排出。

空化作用可以破碎聲場中的固態物質、振動松動后的堵塞物和其它固結物被抽吸、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、放電開關和電極組成。以高功率脈沖技術實現電能的積蓄和瞬間的釋放, 能量轉換器以液電效應將電能轉換成液體中的機械能 (沖擊波能量) , 電脈沖裝置產生的沖擊波壓力與其工作參數有密切的關系。

2．3 技術特點

脈沖功率技術的技術特點是：

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

(2) 施工過程屬于一種物理方法, 對地層沒有污染。

(3) 脈沖功率技術能量的傳輸不需要其它介質, 工藝簡單, 施工周期短。

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

(5) 脈沖功率技術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) 產生的沖擊波各項同性, 可能造成新裂縫。

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

2．4 適用范圍

該技術的適用范圍及選井要求：

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

(2) 生產套管中材料鋼級最低的是H- 40。

(3) 井身質量差的井不適用該技術。

3 脈沖功率技術應用于煤層氣井的可行性技術探討

3．1 作用范圍

室內試驗表明在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, 如果在一個井組實施該項技術, 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 固井質量

煤層氣井的生產套管為J55, 其抗內壓額定值在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的現場實施要求。

3．3 井深要求

目前直井的井深都小于1200m, 具備脈沖功率技術實施的基本條件。

4 結論

脈沖功率技術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。建議開展現場實施應用。

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