煤層氣儲層多脈沖壓裂開發機理及工藝研究

張新宇 王天堯

摘要：我國煤層氣儲層一直存在單井產量低的難題，因此需要利用多脈沖壓裂技術進行破巖處理，通過多級脈沖壓裂破巖的理論建立是力學模型。為多級脈沖下的煤層破裂提供了理論基礎，多級脈沖壓裂開發在進行過程中，會產生多條裂縫，形成有效的滲流過程，從而提升了煤層氣儲層的單井產量。

關鍵詞：煤層氣儲層;多脈沖;壓裂

我國煤層氣儲層的含量比較大，但是由于具有低滲、低壓、低孔等特征，在開采方面往往會出現很多技術難題。提高煤層滲透性的方法主要有洞穴法和水力壓裂法，在實際運用過程中，對煤層產生裂縫而增加煤層的滲透性，但是這兩種方法在使用的過程中會有一定的局限性。為此提出了多脈沖壓裂開發技術，這種技術取決于火藥產生的高能氣體總量控制與作用地層的能量利用率，該方法能夠在很大程度上提升儲層裂縫，因此建立全封閉性多脈沖壓裂裝置和工藝，能夠進一步提升煤層氣儲層的開采量。

1煤層氣儲層開發現狀

目前我國的常規石油和天然氣儲量一直在不斷減少，并且隨著開采的不斷深入，會增加開采成本和難度。而煤層氣作為一種非常規能源在我國能源消費結構中的地位越來越重要，另外由于我國的煤層多為結構性煤層，在成煤后會對煤層構造產生嚴重的破壞，這種情況的出現阻礙了煤層氣的解析，從而在開采過程中不會形成滲流能力，同時煤層中的低滲透率，低孔隙度、低壓力的存在，也對煤層氣的開采造成了難度，目前我國主要運用的開發技術為水力壓裂技術，但由于該技術在實際運用的過程中會存在一定的局限性，并且開采成本比較高，嚴重制約了我國對煤層氣的開發。

2煤層氣儲層多脈沖壓裂開發機理

2.1煤層氣儲層裂縫的破巖依據

（1）假設煤層氣儲層為同性彈性介質，煤層氣儲層中會存在大量的割理結構，但是多極脈沖壓力引起的應力波長會大于其寬度，當應力波傳送至微裂縫時，會發生衍射現象，煤層氣儲層中的應力分布不會產生明顯的變化，因此可以確定煤層氣儲層為同性彈性介質。

（2）假設位移會沿重力的方向發生變化，動力會處于平面應變狀態。

（3）假設體積力為零。

煤層氣儲層在原始狀態下會受到最大水平應力和最小水平應力以及垂向用力的作用下，處于一種平衡狀態，因此可以對儲層中的某一井段選取一個微裂縫的體積單元，建立數學模型。

2.2多脈沖壓裂開發機理

多脈沖壓裂火藥在泄氣管內會產生大量的高溫、高壓氣體，并且會以非常快的速度從泄氣孔噴射而出，由于射流速度比較快，一般不會在環空射流出現斷裂，所以可以這樣認為，從泄氣孔射出的氣流會全部射入到孔眼內，并且在孔眼內迅速聚集，形成高壓狀態。會對煤層氣儲層產生破裂，從而會產生大量的裂縫，降低煤層氣儲層中的應力使煤層氣能夠有效形成滲流，進而提高煤層氣單井產能。

3煤層氣儲層多脈沖壓裂工藝研究

通過大量實踐表明，煤層基質中的滲流通道受到地應力的作用會處于閉合狀態，要想實現流通道打開，就必須采用一些技術手段來產生新的裂縫和天然裂縫進行相連，從而緩解圍城中的地應力，提高儲層的滲透率，增強煤層氣的解吸能力，由于煤層的地質特性，常規的方法在進行壓裂過程中會有一定的局限性，因此需要利用高能氣體進行壓裂，高能氣體壓裂主要是依靠火藥在燃燒后所產生的高溫高壓氣體會以脈沖波的形式對地層產生裂縫，從而減少地層中的地應力。該壓裂技術在使用過程中的成本比較低，而且不會對環境產生污染，使用范圍比較廣。

3.1設計方法

低滲煤氣層與其他油層相比，煤氣層儲層的滲透率非常低，而且可塑性比較大，容易受到外力的影響而造成破壞，油層雖然也有低滲透率，地層中的巖石致密性比較強，抗破壞能力比較強，因此兩者所產生的裂縫條件不完全一樣，利用高能氣體來改善油田的增產效果，使用范圍比較廣，由于煤層氣儲層比較復雜，巖層中的可塑性較強，低滲透性儲層非常容易受到傷害。很難利用高能氣體對儲層進行改造，通過這些因素可以得知，應當選擇脆性煤氣層儲層來進行實驗，得出相關的裂縫延伸條件以及溝通條件，開發煤層的高能氣體壓裂技術，滿足煤層氣壓裂的使用功能和條件，這是研究煤層氣多脈沖壓裂技術的基本構想。

3.2設計原理

針對煤氣層儲層的特征完井方式以及井身的結構特點，利用高能氣體壓裂作用原理，通過具體的實驗，研究煤層氣多脈沖高能氣體壓裂技術，其主要的作用原理就是通過中低燃速組合和特種延時控制技術，形成多脈沖壓裂高能氣體發射器，各級燃燒產生的大量高溫高熱氣體進行釋放，形成高脈沖壓力對地層進行連續的壓裂，其主要的功能就是通過延時點火系統來進行延時點火，高壓泄氣槍夠促使儲層產生裂縫，低燃泄氣足能夠使裂縫迅速進行擴展，以達到對煤層氣實現多級壓力，進而產生比又長又多的裂縫。

3.3作用機理

利用多脈沖壓力裝置在煤氣層的中進行引燃產生大量的高溫高壓氣體，從而形成較高的脈沖壓力。對地層進行強脈沖壓力作用，能夠使煤氣層中產生裂縫，并且利用所產生的裂縫來連接天然裂縫，最終形成裂縫網絡來改善煤氣層的泄氣通道，隨著多脈沖的震蕩作用，煤氣層中的基質空間隙會出現很好的連通性和滲透性，通過網絡裂縫，熱效作用以及脈沖震動可以改善煤層氣中的解吸環境，有利于煤層氣的解吸和泄出，提升煤氣層的滲透率，從而達到煤層氣單井產量增高的目的。

4結束語

利用煤層氣儲層裂縫破裂理論所建立的力學模型，能夠為多脈沖壓裂技術提供技術理論，利用多脈沖壓裂技術能夠有效的對煤層氣儲層產生裂縫，從而改善煤層氣儲層中的滲流能力，有效提高煤層氣的產量，通過多脈沖壓列技術產生的裂縫體系，不會受地應力影響。該技術的研究能夠提高我國煤層氣的有效開發，為非常規天然氣的開采提供了新的研究思路。

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