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PFGun脈沖爆燃壓裂技術在煤層氣井中的應用

2016-12-02 09:57:21 責任編輯:崔瑋娜

汪長栓1  姚元文1  馮國富1  楊興波2  袁結連3

(1.北方斯倫貝謝油田技術(西安)有限公司,陜西西安,710065;2.長慶油田第七采油廠,陜西西安,710000;3中國石化河南油田分公司采油一廠,河南南陽,473132)

摘要:PFGun脈沖爆燃壓裂技術利用火藥能源在近井帶燃燒產生多級脈沖氣體壓力,在裂縫方向不受地應力控制的前提下,使地層產生多條裂縫體系,改善了地層近井帶的導流能力。為驗證脈沖爆燃壓裂技術在煤層氣井的應用效果,選擇部分井層開展了現場試驗及使用效果評價。結果表明,在煤層氣井吱拖脈沖爆燃壓裂措施,工藝簡單,成本較低,不污染煤層,對提高煤層氣井開發初期出水塒.解除煤層氣儲層近井帶污染及堵塞,提高產氣量,具有較好的效果。

關鍵詞:脈沖;爆燃壓裂;煤層氣;應用;效果評價

煤層氣是指儲存于煤層及其周圍的天然氣,全世界煤層氣中的99%集中分布在俄羅斯、美國、加拿大、中國等12個國家[1,2]。中國煤炭資源居世界第二位,煤層氣資源豐富,已將其視為戰略性接替能源,但是中國73%的煤氣層滲透率在0.05× 10-3~25 x 10-3μm2,具有低含氣量、低滲透率和低原始地層壓力“三低”等的特點[3],這是中國煤層氣開發需要解決的難題。

目前,國內外煤層氣開采的主要手段是水力加砂壓裂措施[4],由于我國煤層多埋深在1000m以內,地層溫度低、易吸附,易受傷害、污染,并且層多、層薄,夾層較多、較大,投產一定時間后因地層污染堵塞導致出氣量降低的井越來越多,而水力壓裂措施受地應力的控制,只能形成某一方向的一條或兩條裂縫,因此多次重復水力壓裂,出氣效果并不理想。針對煤層氣的地質特點及開發現狀,在分析了高能氣體壓裂技術[5]研究成果的基礎上,提出并開展了煤層氣井PFGun脈沖爆燃壓裂技術的試驗及應用。

1脈沖爆燃壓裂技術

1.1技術原理

PFGun脈沖爆燃壓裂是一種新型的高能氣體壓裂技術,它以不同燃速的推進劑為動力源,通過裝藥結構的優化設計,精確地控制壓力上升時間、壓力峰值和壓力作用過程,對多段煤氣層可同時壓裂改造,產生多條裂縫,并與煤層內的天然裂縫溝通,獲得增產效果。

美國氣體研究所和美國能源部共同資助J.F.Cuderman等人在美國桑迪亞實驗室經過模擬實驗及理論研究確定了產生徑向裂縫的增壓時間關系式[5](見式(5)):

πD/2CR<tm<8πD/2CR    (1)

式中tm——達到峰值壓力的增壓時間;

    D——井徑;

    CR——瑞利表Ⅲ波速度。

壓力上升到地層破裂壓力的增壓時間tm決定著壓開裂縫的分布形狀和方向。高能氣體壓裂的增壓時間為毫秒級,tm一般控制在l~100ms,相應加載速率為l~lOOMPa/ms,它不像爆炸壓裂(增壓時間為微秒級)會使井眼周圍巖石產生壓實帶,也不像水力壓裂(增壓時間為分秒級)那樣形成受地應力控制的單條裂縫,而是在井筒周圍形成多條放射狀裂縫(見圖1)。這種放射狀裂縫可以和煤儲層中的割理(見圖2)、天然裂縫溝通,提高煤氣層初期出水量和最終產氣量。

 1201110401.jpg1201110402.jpg

1.2影響PFGun脈沖壓裂效果的主要因素

煤層氣壓裂效果與壓裂裝置的裝藥結構、裝藥量、點傳火結構、井筒液面高度、套管射孔密度、射孔孔徑以及煤層氣的孔隙度、滲透率、地層破裂壓力等多數參數有關。井筒內峰值壓力和相關參數的關系式見式(2)[6]

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式中pmax——壓裂火藥燃燒時產生的最大峰值壓力,MPa;

 p0——井筒壓擋液柱的靜壓力,MPa;

 K——經驗系數,無量綱;

 m——壓裂火藥裝藥量,kg;

f——壓裂火藥的火藥力,kg·m/kg;

Ψ——達到最大峰值壓力時火藥燃燒的質量分數;

 Vo——壓裂火藥在套管中燃燒形成的氣體空腔,m3

  ρ——壓裂火藥的密度,kg/m3

   α——壓裂火藥燃燒產物的余容,m3/kg。

煤層氣中脈沖壓裂產生的裂縫長度L見式(3)[6]

1201160512.jpg 

式中E——巖石彈性模量,MPa;

 Vt——巖石裂縫總體積,0.1~0.3 m3

 μ——泊松比;

 pmax——井筒最大壓力,MPa;

po——壓擋液柱靜壓力,MPa;

 q——地層側向應力,MPa;

  h——裂縫垂直高度,m,為射孔井段長度的0.7~0.8。

影響壓裂效果的因素主要是峰值壓力、壓力上升時間和作用時間,合理控制峰值壓力和壓力上升時間可以在保護套管的前提下,對煤層產生多級脈沖壓裂造縫效果。

1.3 PFGun脈沖壓裂工藝設計要求

(1)壓擋方式:根據高能氣體壓裂作用機理及負壓效應原理,考慮煤層氣井原始地層壓力較低,一般選擇液壓壓擋方式。

(2)環空介質:井筒環空介質的選擇,直接影響煤層的配伍性,決定是否產生二次污染。對于一般煤層宜采用清水或活性水壓擋。

(3)負壓值或井筒液柱高度:選擇最佳的環空臨界負壓值,是負壓效應壓裂增產的關鍵。井筒液面靜壓值原則上應小于或等于煤層壓力,負壓值越大,越有利于近井流體進入井筒。一般來說,對地層壓力較高,滲透率小于20×10-3μm2的新井投產,都要把井筒灌滿,以獲得燃燒時的最大壓力,使地層達到最大的破裂效果。而對于儲層壓力較低、滲透率大于20×10-3μm2的煤層氣儲層,燃燒時既要使地層破裂,又要使近井地帶的污染堵塞得到清除,這就要使井筒液柱壓力小于或等于儲層壓力,產生負壓或平衡壓力。

(4)壓裂火藥位置:壓裂火藥位置直接影響壓裂效果及對套管的傷害程度。一般來說,壓裂火藥分布于射孔段,有利于能量釋放,直接作用于儲層改造段,提高壓裂效果顯著。在選層壓裂時必須使裝藥直接對準目的層。

(5)藥量控制:藥毀計多少決定著作用是否有效以及對套管的傷害程度。設計藥量多效果好,但有可能損傷瑚膏,設計藥量少則效果不佳。一般浚計藥量的原則是藥量產生的峰值壓力大于地層破裂壓力舟霸.0—1.5倍,并低于套管極限壓力值為最佳。

2煤層氣井應用效果評價

煤氣層中有許多面、端割理,只有將割理系統中的全部水開采出來,降低儲層壓力之后才能大量開采氣體。在人多數煤層氣儲層中,最初產水量都很高,隨著水從割理和裂縫內移出,水產量降低,氣飽和度和氣產量就會增加。

依據PFGun脈沖壓裂原理及設計工藝要求,結合煤層氣井的地質結構特點,2010~2011年,在中石油某煤層氣區塊選擇了部分井進行了探索試驗及應用。該煤層區塊基本地質特征見表1,該煤層埋藏較淺,滲透率較低,含氣量較高,經水力加砂壓裂后能獲得較好的產氣量,但是部分井初期產水量較低,生產一段周期后產氣量下降較快,判斷地層污染堵塞情況嚴重,采用二次水力壓裂,效果不佳。為了正確評價脈沖爆燃壓裂技術效果,分別篩選了部分產氣量下降的井開展施工作業,通過觀測該井排采曲線的變化來評價作用效果[7]。表2提供了部分煤層氣井脈沖爆燃壓裂裝藥量數據。圖3是MCQl004井施工前后排采曲線效果圖。結果顯示,施工后MCQl003井、MCQ2008井恢復了產量,MCQl004井產量從500m3/d提高到1 450m3/d,產能增加2.9倍。

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3結論

(1)PFGun脈沖爆燃壓裂技術利用火藥能源在近井帶燃燒產生多級脈沖氣體壓力,在裂縫方向不受地應力控制的前提下,使地層產生多條裂縫體系,改善了地層近井帶的導流能力。該技術工藝簡單,成本較低,不污染煤層,對提高煤層氣井開發初期出水量、解除煤層氣儲層近井帶污染及堵塞、恢復產能、增加產氣量,具有較好的效果。

(2)PFGun脈沖爆燃壓裂技術在煤層氣井的深入研究及應用,對探索適合我國煤層氣低成本有效開發具有重要的經濟意義。

參考文獻

 [1]趙慶波,等.煤層氣地質與勘探技術[M].北京:石油工業出版社,1999.

[2]孫茂遠.國外煤層氣開發的特點及鼓勵政策[J].中國煤炭,2001(2):55~58.

[3]張新民.中國煤層氣地質與評價[M].北京:科學出版社,2002.

[4]鮮保安.煤層氣高效開發技術[J].特種油氣藏,2004(4):63~66.

[5]J.F.Cuderman.楊海濱譯.高能氣體壓裂技術年度報告[R].美國:1987.4.

[6]王安仕,秦發動.高能氣體壓裂技術[M].西安:西北大學出版社,1998.

[7]李穎川.采油工程[M]。北京:石油工業出版社,2002,2:l~16.

摘自《中國爆破新進展》


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